Étude de la résistivité électrique de rubans supraconducteurs industriels dans le régime sur-critique

L'objectif principal des travaux présentés dans ce mémoire est de caractériser la résistivité électrique de rubans supraconducteurs industriels dans le régime sur-critique. Plus précisément, ceci consiste à développer un modèle physique, à partir de mesures expérimentales, permettant de décrire en fonction du courant et de la température, la résistivité au-dessus du courant critique. Caractériser le comportement électrique de rubans supraconducteurs s'avère essentiel afin d'optimiser l'utilisation de ce type de matériaux dans différents domaines tels que le transport d'énergie ou la fabrication d'électroaimants. Dans l'atteinte de cet objec-tif, il devient primordial de pouvoir contrôler parfaitement les conditions expérimentales. En effet, l'étude à fort courant des échantillons supraconducteurs amène son lot de défis sur le plan thermique. La chaleur produite dans l'échantillon étant proportionnelle au carré de la densité de courant injecté, il est nécessaire de forcer le passage du courant sur une très courte durée afin d'éviter un bris de l'échantillon. Selon ce principe, le professeur Sirois a développé lors des dernières années une source de courant pouvant atteindre des milliers d'ampères en quelques dizaines de microsecondes. L'utilisation d'une source de courant pulsée limite la quantité d'énergie injectée dans l'échantillon tout en permettant d'étudier le comportement des supraconducteurs au-dessus du courant critique. Afin d'atteindre l'objectif fixé, la première étape vise à améliorer l'équilibre thermique du montage. Lors des travaux précédant ce mémoire, il a été constaté que l'échantillon, une fois installé dans le système cryogénique, possédait un gradient en température sur toute sa longueur, c'est-à-dire que sa température initiale n'était pas identique partout sur l'échantillon. Dans la perspective de vouloir caractériser le comportement électrique selon la température, il est primordial de contrôler parfaitement les conditions expérimentales. Des simulations en éléments finis ont permis de cerner la source des problèmes thermiques sur le montage expérimental. La problématique principale venait du fait que l'amené de courant, qui fait le lien électrique entre la source et l'échantillon, était composé de plusieurs couches où l'aller et le retour de courant s'alternaient pour diminuer l'induction. Ceci avait pour effet de diminuer grandement le transfert thermique qui se réalisait en raison des nombreuses interfaces et connexions dans le cryostat. Des modifications ont donc été apportées au montage en changeant notamment l'amené de courant et en installant une autre pince de refroidissement pour maximiser le transfert thermique. Les mesures en laboratoire ont permis de constater que le gradient de température sur la longueur de l'échantillon a diminué de 20 à 2 K grâce aux modifications apportées.

Abstract

The main aim of the work presented in this thesis is to characterize the electrical resistivity of industrial superconducting tapes in the over-critical regime. More precisely, developing a physical model, from experimental measurements, which allows to describe the resistivity above the critical current according to the current and the temperature. Characterizing the electrical behaviour of superconducting tapes is essential in order to optimize the use of this type of material in various fields such as energy transport or manufacture of electromagnets. In order to achieve this goal, it is essential to fully control the experimental conditions. Indeed, the study of superconducting samples at high currents brings its share of challenges on the thermal level. Since the heat produced in the sample is proportional to the square of the injected current density, it is necessary to force the current to flow over a very short time in order to avoid damage of sample. According to this principle, Professor Sirois has developed in recent years a current source that can reach thousands of ampere in a few tens of microseconds. The use of a pulsed current source restrains the amount of energy injected into the sample while allowing the study of superconductors above the critical current. In order to achieve the main objective, the first step is to improve the thermal balance of the experimental set-up. Prior this thesis, work showed that the sample had a temperature gradient over its length once installed in the cryogenic system, had a temperature gradient over its entire length, i.e. its initial temperature was not the same throughout the sample. In order to characterize the electrical behaviour as a function of temperature, it is essential to fully control the experimental conditions. Finite element simulations were used to identify the source of the thermal problems on the experimental set-up. The main issue came from the current leads, the electrical link between the source and the sample, which is made up of several layers where the outward and return current are alternating to reduce induction. It caused to greatly reduce the transfer that took place due to the numerous interfaces and connections in the cryostat. Adjustements were therefore made to the set-up by changing the current leads and installing another cooling clamp to maximize heat transfer. Labora-tory measurements showed that the temperature gradient over the length of the sample was reduced from 20 to 2 K due to these adjustments.