High-Field Magnetization Methods for Characterizing the Critical Current Density of REBCO Tapes

Les supraconducteurs à haute température HTS («high-temperature superconductor» en anglais) et, plus spécifiquement, les supraconducteurs REBCO («rare earth barium copper oxides» en anglais) sont des matériaux très prometteurs pour le développement d’aimants à champ magnétique très intense. Leurs propriétés comme la densité de courant critique Jc, la température critique Tc et le champ magnétique critique Bc2 sont en général très élevées, ce qui les rend avantageux dans ce contexte. Ceci dit, Jc varie fortement en fonction de la norme du champ magnétique local B, de l’orientation décrite par l’angle θ du champ magnétique et de la température T. Ceci rend la conception de dispositifs de puissance à base de supraconducteurs REBCO difficile et il devient crucial d’avoir une connaissance détaillée de Jc(B, θ, T). Le but de ce mémoire est de développer une méthode permettant de calculer Jc(B, θ, T) de rubans REBCO commerciaux à partir de mesures par aimantation pulsée PFM («pulsed field magnetization» en anglais). Ce faisant, il serait possible d’éviter les difficultés techniques des mesures par courant de transport plus traditionnelles et d’éviter les limites associées aux mesures par aimantation quasi statique QSFM («quasi-static field magnetization» en anglais). En effet, les mesures par courant de transport nécessitent l’usage de sources de courant spécialisées dont l’emploi peut être difficile en présence de forts champs magnétiques et à basse température, alors que les mesures QSFM sont actuellement limitées au cas où le champ est appliqué perpendiculairement par rapport à la surface des échantillons. Ces problèmes sont abordés à l’aide de deux objectifs, qui sont, premièrement, de développer une méthode QSFM qui permet de calculer Jc(B, θ) avec des champs magnétiques d’orientation arbitraire et, deuxièmement, de développer une méthode PFM pour calculer Jc(B, T) en présence d’un champ magnétique perpendiculaire à la surface des échantillons. L’intention sous-jacente à la sélection de ces objectifs est de fournir une base pour la généralisation future des mesures PFM en présence de champ magnétique orienté arbitrairement.

Abstract

High-temperature superconductors (HTS) and, more specifically, rare earth barium copper oxide (REBCO) materials, are very promising for the development of future high-field magnets, as these materials generally have a very high critical current density Jc, critical temperature Tc, and critical magnetic field Bc2. That being said, REBCO Jc distributions have strong dependencies on the local magnetic field norm B, the magnetic field orientation described by the angle θ, and the temperature T. This makes the design of superconducting power devices quite challenging and knowing the Jc(B, θ, T) landscape of the conductors being used is crucial. The focus of this work is on the development of a Jc(B, θ, T) measurement method for commercial REBCO tapes using pulsed field magnetization (PFM). The goal is to avoid the technical difficulties of traditional methods like transport current measurements and quasistatic field magnetization (QSFM) measurements, where the former necessitates the use of current sources that can be tricky during in-field and low temperature measurements and where the latter is presently only done in quasi-static fields perpendicular to the sample’s surface. These are addressed with two research objectives, which are to develop a QSFM method for measurements in applied fields of arbitrary orientation, and to develop a measurement method to calculate Jc(B, T) using PFM in fields perpendicular to the sample. The intention behind the selection of these goals is to provide a basis for the generalization and the development of PFM measurements in fields of arbitrary orientation.