Étude de la dynamique du quench dans différentes architectures de rubans supraconducteurs à haute température critique

La découverte du premier supraconducteur à haute température critique (HTS) en 1986 marque une grande étape dans l'histoire des matériaux supraconducteurs. Cette découverte a permis de révéler la famille des cuprates, qui inclut les supraconducteurs avec la température critique la plus élevée, envisagés industriellement. Opérés à température plus élevée que les supraconducteurs à basse température critique (LTS), certains HTS peuvent être refroidis à l'azote liquide (relativement bon marché) contrairement aux LTS, qui nécessitent des liquides de refroidissement plus dispendieux comme l'hélium liquide. Le REBaCuO (où l'acronyme RE signifie : terre rare) fait partie de la famille des cuprates et est envisagé dans la fabrication d'électro-aimants pour des applications à fort champ magnétique notamment les accélérateurs de particules et le confinement magnétique. Pour des applications de ce genre, le REBaCuO est typiquement élaboré sous forme de couches minces sur un ruban métallique flexible afin d'être bobiné. Lors de l'utilisation de REBaCuO sous forme de ruban, il n'est pas rare d'observer des zones du ruban qui perdent leurs propriétés supraconductrices en raison d'une variation locale du courant critique. À fort courant, ces zones (appelée points chauds) se mettent à s'élargir à une certaine vitesse appelée la vitesse de propagation de la zone normale (NZPV). Si la NZPV est trop faible et que les points chauds ne sont pas détectés à temps, la température locale peut augmenter de façon à endommager le ruban. Un problème des rubans HTS comme le REBaCuO est que leur NZPV est très faible (0.1−10 cm/s à 77 K) comparativement aux LTS (100−1000 cm/s à 4 K), ce qui les rend plus vulnérables aux points chauds. Une solution à ce problème est l'architecture de ruban appelée current flow diverter (CFD), développée à Polytechnique Montréal, qui permet d'augmenter la NZPV de ces rubans. L'augmentation de la NZPV dans ces rubans permet une détection plus rapide des points chauds, ce qui les protège mieux. Cette architecture consiste en un ruban HTS commercial (Ag/HTS/substrat) où l'interface résistive entre le supraconducteur et l'argent (Ag) a été modifiée de telle sorte qu'elle est élevée au centre du ruban et faible sur les bords. Néanmoins, pour le moment, la technique de fabrication de l'architecture CFD n'a été montrée que sur de petits échantillons (12 cm) et est difficilement réalisable par les manufacturiers de ruban HTS.

Abstract

The discovery of the first high-temperature superconductor (HTS) in 1986, was a big step in the history of superconductivity. This discovery led quickly to unveil the cuprate family, which includes materials expected to be used in all kinds of industrial applications. Used at higher temperature than low temperature superconductors (LTS), HTS can be cooled with liquid nitrogen, a cheaper coolant compared to liquid helium used for LTS. The REBaCuO (where RE stands for rare earth elements) is a member of the cuprate family and is expected to be used in high-field applications such as particle accelerators and magnetic confinement. For those applications, REBaCuO is grown as a thin film on a flexible metallic tape. This type of tape is called coated conductors. Due to the variation of the critical current along the HTS tape, it is common that some parts of the tape lose their superconducting properties. At high current, these normal zones (called hot spots) tend to grow at constant speed called the normal zone propagation velocity (NZPV). If the NZPV is low and the hot spots are not detected in time, a degradation of the tape can occur due to the high temperature generated by resistive heating at the hot spots locations. One problem of the HTS tapes like the REBaCuO is their low NZPV (0.1−10 cm/s at 77 K) compared to the LTS (100−1000 cm/s at 4 K). Because of that, the HTS tapes are more vulnerable to damages caused by hot spots. A solution to this problem is the current flow diverter (CFD) architecture, developed at Polytechnique Montréal, which accelerates the NZPV, allowing a faster detection of hot spots. This architecture, consists in a commercial HTS tape (Ag/HTS/substrate) where the interfacial resistance between the silver (Ag) and the HTS has been modified in order to have a high value in the center of the tape and a low value on the sides of the tape. However, so far, this architecture has been realized only on short samples (12 cm) and is hard to implement in an industrial environment.