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Au delà de 100 Tesla ...

Des champs magnétiques au delà de 100 T ne peuvent être créés que par une réduction drastique de la durée d’impulsion. Inévitablement, ils entraînent aussi la destruction de la bobine, ce qui n’empêche pas l’utilisation des champs Megagauss (1 Megagauss = 100 Tesla) pour des expériences scientifiques.

Le générateur Megagauss du LNCMI est une des trois plateformes mondiales qui utilisent la décharge de condensateurs dans une bobine mono-spire (BMS) pour créer des champs entre 150 et 250 T pour des applications scientifiques. Bien que des champs plus élevés puissent être créés avec des techniques basées sur la compression du flux magnétique, les BMSs ont l’avantage que la destruction de la bobine n’affecte pas le volume expérimental : échantillons, cryostats et autres équipements restent généralement intacts, ce qui permet la reproduction des expériences.

Forces magnétiques et comment on peut les maîtriser

Chaque aimant génère un champ de force qui agit non seulement sur les objets magnétiques dans son environnement, mais aussi sur lui-même : Dans une bobine simple, par exemple, la soi-disant pression magnétique a tendance à dilater les spires dans le sens radial et à les comprimer dans le sens axial. Par conséquence, le champ maximal qu’on peut atteindre avec un électroaimant sans le détruire, est limité par la solidité de ses composants, c’est-à-dire conducteurs et matériaux de renfort.

Afin d’obtenir un champ de, par exemple 100 T, un aimant devrait supporter une pression de 4 GPa, ce qui correspond à une charge de 40 tonnes sur un surface de 1 cm². Jusqu’à présent, cette contrainte a empêché chaque tentative de construire une bobine capable de générer des champs près de 100 T sans exploser. Cela ne signifie pourtant pas que des champs bien au delà de ce seuil soient complètement inaccessibles. Il suffit en effet d’avoir recours à des techniques appelées destructives.

La création destructive des champs magnétiques Megagauss est basée sur un principe assez simple : Compte-tenu de l’insuffisance de solidité de la bobine pour contenir la pression magnétique de façon statique, on se sert de l’inertie des conducteurs pour contenir ces forces de façon dynamique. Dans le cas le plus simple, ceci est fait par l’injection extrêmement rapide d’un courant dans une bobine. Pendant que la force et le champ magnétique montent simultanément avec le courant, le mouvement de la bobine est momentanément retardé par l’inertie du conducteur. C’est dans ce bref délai qu’on peut créer un champ très fort.

Bobines mono-spires - la production semi-destructive des champs Megagauss

Les BMSs suivent le principe simple décrit ci-dessus. Dans un diamètre de, par exemple 10 mm, une BMS alimentée par un générateur de pointe peut créer des impulsions d’une durée d’environ 6 μs avec un champ maximal au dessus de 200 T. Des champs encore plus élevés ont été obtenu par la technique de compression de flux qui utilise l’implosion d’un cylindre en métal, soit par un champ électromagnétique, soit par des explosives, afin de comprimer un flux magnétique capturé à l’intérieur. Cependant, les BMSs ont un avantage indéniable pour la réalisation des expériences scientifiques : l’explosion bien qu’inévitable n’affecte pas le trou de la bobine, puisque les forces sont dirigées vers l’extérieur. Des petits cryostats et porte-échantillons peuvent ainsi être placés dans le trou sans risque de destruction.

Une autre caractéristique pratique des BMSs est que la destruction de la bobine ne provoque pas de discontinuité dans le champ magnétique. Ceci devient compréhensible si on considère le cas hypothétique d’un champ magnétique coupé instantanément. Une telle coupure, si elle existait, induirait un champ électrique très intense qui, à son tour, provoquerait un arc électrique. Autrement dit, un courant commencerait à circuler, qui rétablirait le champ magnétique. On peut penser, que, dans une bobine en train d’exploser, ce mécanisme soit responsable de la création des plasmas qui comblent les brèches entre les fragments du conducteur électrique. La décharge est ainsi maintenue de façon continue malgré l’explosion violente de la bobine. Ceci ne signifie évidemment pas que l’explosion n’aie aucun effet sur le champ magnétique. Chaque augmentation de la section du trou diminue l’intensité du champ donc il est impératif de s’assurer que le temps de montée soit plus rapide que l’expansion de la bobine.

Un principe simple, mais la réalité est bien plus compliquée

Contrairement aux aimants non-destructifs, une BMS, par principe est extrêmement simple : Elle consiste en un ruban métallique plié en boucle et attaché à deux triangles servant comme amenées de courant. La difficulté d’utilisation des BMSs est principalement liée à la conception d’un générateur, capable d’injecter l’énergie nécessaire avec suffisamment de vitesse dans la bobine. La production de 100 T dans un diamètre de 10 mm nécessite la conversion d’environ 50 kJ d’énergie capacitive en énergie inductive en moins de 2 μs, ce qui correspond à une puissance de 25 GW. Afin d’accomplir cette tâche, un banc de condensateur doit être spécifiquement conçu pour l’utilisation des BMSs. Il doit disposer d’une inductance extrêmement faible de typiquement 10 nH, tout en étant capable de supporter au moins deux fois la tension de charge de 50 à 60 kV.

En regardant de plus près, la conception d’un générateur adapté ne reste pas le seul challenge relatif aux BMSs. Une caractérisation du fonctionnement des BMSs, quand elle va au delà des principes simples évoqués ci-dessus, passe par une analyse complexe des interdépendances non-linéaires de phénomènes mécaniques, thermiques et électromagnétiques. La dynamique des ondes de choc, la diffusion magnétique non-linéaire, le chauffage inhomogène, la sublimation et la formation de plasmas ne sont que quelques mots clés abordés dans ce contexte.