Caractérisation de rubans supraconducteurs en régime sur-critique à l'aide de pulses de courant dans les microsecondes : développement d'une méthode d'analyse des mesures

L'objectif principal de ce mémoire est le développement d'une technique de caractérisation électrique du régime sur-critique des supraconducteurs à haute température critique, plus précisément des Second Generation High Temperature Superconductor Coated Conductors (2G HTS CCs). Le manque de données expérimentales dans ce régime s'explique par l'échauffement rapide qui survient lorsque le courant dépasse le courant critique. La vitesse d'échauffement est telle que la température peut atteindre la température critique en quelques dizaines de microsecondes. La particularité de la technique de caractérisation développée dans ce mémoire est l'utilisation d'une source de courant unique au monde pouvant fournir des pulses de plus de 1500 A, ayant des taux de montée atteignant 500 A/μs et permettant des durées de pulses aussi courtes que 15 μs. L'utilisation de pulses aussi courts permet de protéger l'échantillon contre les surchauffes en réduisant la quantité totale d'énergie injectée durant la mesure. Bien que l'utilisation de la source de pulses de courant dans les microsecondes soit un élément central de ce mémoire, le développement et l'élaboration de celle-ci n'y sont pas présentés, car cette source a été finalisée avant le début de cette maîtrise. Cependant, un des objectifs secondaires de ce mémoire est la calibration du montage expérimental, ce qui inclut l'appareil de mesure de la tension et le contrôle de la température de l'échantillon. Un problème d'oscillations parasites dans les tensions mesurées a été identifié et corrigé, améliorant ainsi la qualité des mesures. La calibration en température du montage a révélé la présence d'un gradient de 15 K sur 5 cm d'échantillon, ce qui est inacceptable lors d'une caractérisation de supraconducteurs, car leurs propriétés électriques sont très sensibles à la température. L'origine de ce gradient est l'amenée de courant en cuivre qui établit un contact thermique entre l'échantillon et l'extérieur de l'enceinte cryogénique. Malheureusement, en raison de contraintes de temps, les corrections nécessaires n'étaient pas complétées au moment d'écrire ce mémoire. Les mesures de ce mémoire ont donc été faites dans l'azote liquide. Les deux seules températures accessibles dans ce mémoire sont donc de 77 K, qui est la température d'ébullition de l'azote à pression ambiante, et 65 K, qui est la température d'ébullition de l'azote à faible pression. La variation très rapide du courant pendant les mesures entraîne certaines complications lors de leur analyse. D'abord, l'effet de peau fait en sorte que le champ électrique et la densité de courant ne sont pas toujours uniformes dans l'échantillon.

Abstract

The main purpose of this thesis is the development of a characterization technique of the electrical resistivity of Second Generation High Temperature Superconductor Coated Conductors (2G HTS CCs) tapes in the overcritical current regime. The lack of experimental data in this regime can be explained by the intense heating that occurs in superconductors when the current is above the critical one. Because of this heating, the temperature can reach the critical one only a few microseconds after the beginning of the measurement. To avoid the thermal destruction of the sample, we use a pulsed current source in the microsecond range. This source can reach 1500 A, with pulse duration of less than 15 μs, with a current rise rate up to 500 A/μs. Only two versions of this source exist in the world. It was devised in Polytechnique Montreal. Even if the use of the pulsed current source is a central point of this thesis, its design was not an objective of this master's project, so its design is not discussed in this thesis. However, the calibration and the improvement of the measurement setup, including the temperature controller, are one of the objectives of this master. Indeed, in the early stages of the project, we found that the measured voltages contained some parasitic oscillations, which we managed to correct. Also, the temperature calibration of the cryostat used for the experiments showed that the sample experienced a temperature gradient of 15 K over 5 cm. It is impossible to characterize superconductors with such a big temperature variation because of the high dependence of their electrical properties with temperature. The origin of this temperature gradient comes from the current leads, which act as a thermal bridge between the sample and the outside envelope of the cryostat, which is at room temperature. Unfortunately, we did not have time to correct this problem before the end of this master's project. Therefore, all the measurements presented in this thesis were done in liquid nitrogen, with a temperature of 77 K at atmospheric pressure and 65 K at low pressure. The fast current rise of pulsed currents creates some complications in the data analysis. First, the electric field and current density are not always uniform over the cross-section because of the skin effect. If the electric field is not uniform, the electric field measured between the voltage taps becomes a function of the lateral position of these taps across the width of the tape, and the measured field cannot be used to determine the resistivity, as one does not know the local current density corresponding to this electric field. It is thus important to study the impact of the skin effect on the measured voltage.