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Champs forts

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Les champs magnétiques forts

Page réalisée avec l'aide de : Peter Suttling (ILL), Roger Pynn (U. Santa Barbara/MRL), Jacques Schweitzer (CEA), Jacques Bossy (MCBT/CNRS).

Le neutron, grâce à son spin (son moment magnétique intrinsèque), est l'outil idéal pour étudier le magnétisme des matériaux au niveau atomique ou moléculaire. Pour cela il faut souvent forcer l'orientation les spins atomiques dans une direction particulière mais cela requière des champs magnétiques intenses, d'autant plus intenses que le signal a observer est plus faible.

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Le cryoaimant

Dès 1972, un diffractomètre à neutrons polarisés comme D5 (maintenant remplacé par D3) était doté d'un gros aimant permanent (0,3 Tesla) [1] ou d'un imposant électroaimant de 1,7 Tesla [2,3], tous deux insuffisamment puissants toutefois pour de nombreuses expériences.

Pour faire mieux il fallait, soit un plus gros électroaimant résistif (très encombrant, très gourmand en électricité, refoidissement à circulation d'eau), soit il fallait passer à une technologie nouvelle, le cryoaimant. Ce dernier est constitué de deux bobines magnétiques supraconductrices noyées dans un bain d'hélium liquide; il a l'avantage de permettre d'atteindre des champs intenses sous des volumes compatibles avec les instruments de l'ILL et de ne consommer du courant que durant sa montée en champ magnétique.

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Le diffractomètre à neutrons polarisés de D5, équipé d'un électroaimant de 1,7 Tesla
©1971 ILL, Jacques Schweizer
L'électroaimant orientable de D5, champ vertical ou horizontal, pièces polaires percées pour le passage de la queue d'un cryostat
©1971 ILL, Jacques Schweizer

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Les débuts à l'ILL

Même si les rapports annuels de l'ILL n'en parlent pas, il semble que les expériences faisant appel à un cryoaimant aient débuté très tôt comme l'atteste une photo de 1973 de D1B équipé d'un cryoaimant. Le champ magnétique était sans doute encore modeste et la bobine de type classique. Peter Suttling pense qu'il pourrait s'agir d'un cryoaimant Oxford Instruments ou en provenance du CNRS/SNCI (Service National des Champs Intenses).

Le second cryoaimant de l'ILL est probablement celui construit en 1974/75 par le CNRS/SNCI (Jean-Claude Frantz Vallier) pour l'instrument SI16 de Pierre Thorel, un petit angle destiné à l'étude des vortex dans les supraconducteurs de type II. C'était une bobine symétrique de 2 Tesla. A l'époque, les fils supraconducteurs étaient noyés dans un mélange de graisse à vide et de poudre d'alumine (technique Weil), technique maintenant abandonnée au profit de l'imprégnation sous vide.

Selon William Stirling, la première bobine pour spectromètre 3 axes venait du CEA-CENG et avait été construite pour Mélusine et Siloé.

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Le diffractomètre de poudres D1B équipé d'un cryoaimant Oxford Instruments
©1973 ILL
IN12 en 1979 et la bobine 6 Tesla construite au CEA-CENG et surnommée "La poubelle" (J. Rossat-Mignot, W. Striling)
©1979 ILL
Jean-Claude Frantz Viallet vers 1990
©1990 CNRS/SNCI Grenoble

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Les spécificités ILL

Dans les années 70, seules trois ou quatre entreprises dans le monde dominaient la technologie toute récente des bobines supraconductrices, mais l'ILL voulait beaucoup plus que du standard... un peu trop sans doute.

Dans un cryoaimant classique, deux blocs bobines identiques, en forme de cônes tronqués sont opposés par la pointe avec un espacement faible entre les deux (un "gap"). Avec un tel montage symétrique, mécaniquement simple :

  • le champ magnétique est maximum au niveau du gap et d'autant plus élevé que le gap est réduit. Mais l'ILL voulait à la fois des champs forts et des gaps importants afin de pouvoir y loger des échantillons de taille suffisante
  • le champ est nul autour du gap or, pour préserver la polarisation du faisceau de neutrons au cours de sa traversée du cryoaimant, l'ILL avait besoin d'un champ non nul dans cette zone.

L'institut avait donc deux exigences inhabituelles qui ont donné énormément de soucis aux fabricants :

  • un champ magnétique aussi élevé que possible avec une distance de séparation entre bobines compatible avec la taille des faisceaux de neutrons.
  • des blocs bobines asymétriques afin que la zone de champ nul soit décalée hors du faisceau de neutrons

Ils ont donc dû développer un design spécifique, nommé "asymmetric spli-coil magnet", pour prendre en compte le fait que cette dissymétrie génère des forces mécaniques colossables (près de 120 tonnes pour un cryoaimant de 15 Tesla). Il a fallu du temps avant qu'une solution ne soit trouvée car, entre autre, ces forces faisaient bouger les fils au sein des bobines lors de la mise sous champ et provoquaient la perte de la supraconductivité ("quenching").

La technologie des "asymmetric split-coil magnet" reste délicate et les rapports annuels de l'ILL attestent que la route des champs intenses pour les neutrons a effectivement été longue et difficile.

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Cryoaimant pour les spectromètres 3-axes
©1987 ILL
En bas : bobines supraconductrices. En haut : électronique de protection
©1987 ILL

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Un témoignage

En 1978, Dominique Brochier a nommé Peter Suttling responsable des cryoaimants. Voici ce que ce dernier dit de l'apport de l'ILL dans le développement de cette technologie :

Les fabricants savaient faire des bobines simples mais l'ILL les a poussé bien au-delà de leur zone de confort. On réclamait des gaps, des accès, toujours plus grands, une homogénéité de flux accrue, l'asymétrie des bobines, etc. Des entreprises comme Oxford Instruments ont beaucoup progressé aux frais de l'ILL qui, bien conscient des difficultés, n'a jamais réclamé les pénalités de retards prévues dans les contrats.

Dans cette lutte pour les champs intenses avec bobines asymétriques, deux technologies se sont affrontées :

  • des fils de NbTi encapsulés dans une sorte d'araldite. La difficulté était que la moindre bulle d'air permettait aux fils de bouger sous champs avec perte immédiate de la superconductivité.
  • un empilement de galettes de NbSn. Cette solution proposée par IGC USA [4] fonctionnait mais, sous champ, les galettes bougeaient les unes par rapport aux autres. On n'était donc jamais certain d'atteindre un champ aussi élevé que la fois précédente. Une bobine 10 Tesla de ce type a été achetée en 1981 pour D7.

Peter Suttling se rappelle également avoir travaillé sur un insert à dilution pour cryoaimant. Le champ magnétique intense posait des problèmes spécifiques pour la thermométrie. Le premier dispositif a été installé sur un cryoaimant Oxford Instrument Ø50 en 19??.

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Une anecdote en champ magnétique fort

IN20 : les champs magnétiques forts faisaient-ils peur ?
©1985 ILL

Voici une traduction en Français du commentaire de Roger Pynn [5] sur la photo ci-jointe prise sur IN20 vers 1985 :

Je reconnais cette photo mais je ne me souviens plus exactement quel aimant nous utilisions, probablement un qui avait été récupéré chez Jean Paul Boucher (CENG). Quelqu'un du service administratif de la sécurité de l'ILL nous a dit que nous ne pouvions pas utiliser l'aimant sans une signalisation appropriée. Probablement cette demande a-t-elle été faite d'une façon particulièrement bureaucratique car je me souviens en avoir été irrité et avoir répondu qu'il y aurait bien un affichage, mais dans toutes les langues de façon à ce que personne n'en ignore. Apparemment je me suis débrouillé pour trouver des gens parlant pas mal de langues (toutefois je ne vois pas le Français, peut-être était ce une façon d'argumenter encore). Je pense que j'étais sans doute une sorte de casse-couilles pour l'administration de l'époque. :-)

Roger Pynn, 19 April 2015

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Réferences

D5 est un instrument des débuts de l'ILL, absent du web car remplacé par D3 avant l'informatisation des documents. Jacques Schweizer rappelle ceci :

  1. Aimant permanent Ugine-Allevard (0,3 Tesla et entrefer vertical de 5 cm) : il servait à aligner l’aimantation du monochromateur. Deux cristaux monochromateurs y étaient installés côte à côte (Co-Fe et Heussler).
  2. (1971-1972) 1er Electro-aimant (1,7 tesla) : il était monté sur une carcasse circulaire permettant de l’installer soit en champ vertical, soit en champ horizontal. Dans les deux cas on pouvait utiliser un cryostat à queue fine car les pôles étaient troués. Le dispositif faisait également office de berceau d’Euler permettant d’orienter le cristal car cette version de D5 n’avait pas de compteur à bras levant.
  3. (1975) 2ème électro-aimant de D5 à champ était horizontal. On pouvait y adjoindre une paire de bobines de Helmoltz qui, le champ horizontal étant coupé, donnaient un champ vertical suffisant pour guider la polarisation des neutrons. On comparait alors les comptages en champ horizontal (spin flip) et en champ vertical (non spin flip) et la différence donnait la diffusion magnétique seule, toutes les autres contributions s’éliminant dans la soustraction.
  4. IGC Polycold Systems Inc. of Petaluma, Calif. a été racheté en 2005 par Helix Technology Corp. of Mansfield, Mass. société qui est maintenant fermée.

L'anecdote de Roger Pynn

  1. "I do recognize it but I don't remember exactly which magnet we were using — probably Jean Paul Boucher's dustbin from CENG. Someone in the safety bureaucracy told us that we couldn't operate the magnet without having a sign. Probably they asked in a very officious manner because I remember being annoyed and telling them that we would have a sign in every language so that no one would be confused. Apparently I managed to find people who spoke quite a few languages  (although I don't see French there — perhaps I was trying to make yet another point). I guess I was somewhat of a pain in the ass to management in those days:-)" Roger Pynn, 19 April 2015

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Dernière mise à jour: 09 April 2018