4-supraconductivite_2011

7/25/2019 4-supraconductivite_2011

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Supra 1

INTRODUCTION A LA CRYOGENIE ET LA SUPRACONDUCTIVITE

FLUIDES CRYOGENIQUES

DIAGRAMME DE PHASE

PROPRIETES USUELLES

SUPRACONDUCTIVITE

DOMAINE SUPRACONDUCTEUR

EXEMPLES

TECHNIQUES DU VIDENOTIONS GENERALES

OBTENTION - GAMMES

EXEMPLES DE MATERIEL

ETANCHEITE

CRYOGENIE II

PROPRIETES DES MATERIAUX

THERMIQUE, MECANIQUE, ELECTRIQUE

TRANSFERTS THERMIQUES

MISE EN OEUVRE DES BASSES TEMPERATURES

Squence : Cryognie Argon H1

SUPRACONDUCTIVITE II

DETAILS SUR L'ETAT SUPRACONDUCTEUR

EXEMPLES DES CABLES SUPRA POUR AIMANTS

Squence : Quadruple HERA

Mars 2011 ETBD Cargse


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Supra 2

La supraconductivit

Applications aux aimants et cavits



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Supra 3

La supraconductivit : rappels

Domaine supraconducteur

[ Tc(K) , Bc(T) , Jc(A/mm2) ]

R = 0

Pas de perte calorifiques par effet Joule

Fort champ magntique sur faible encombrement

Cavit rsonante RF en mode continu

Cryognie ncessaire

T

Jc

B



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Supra 4

La supraconductivit : effet Meissner

Comparaison entre un conducteur idal parfait et un matriau supraconducteur

soumis un champ magntique externe Be

Expulsion du champ magntique dans le supraconducteur

Apparition dune aimantation ngative dans le supra qui soppose au champ externe

Diamagntique parfait + variation brutale de R quand T supraconducteur

Techniques de lIngnieur B 2 382Techniques de lIngnieur B 2 382



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Supra 5

La supraconductivit et

lexpulsion du champ

aimant

permanent

Effet Meissner :

expulsion du champ magntique

dans le supraconducteur

Supraconducteur

Techniques de lIngnieur B 2 382



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Supra 6

La supraconductivit : type I et II

Types I et II :

I = Supra pur et dur

mais limit par Bc

II =Supra conserve

plus fort champ (Bc2>>Bc1)

Type I :Un seul tat :

parfaitement diamagntique

Les supras de type I (mtaux purs commele Pb ou le Nb) ont des trs faibles champs

critiques qui limitent leur emploi

Type II

Deux tats possibles :

tat parfaitement diamagntique

tat mixte o le flux magntique pntre

progressivement dans le matriau.

Les supras de type II (alliages mtalliques

comme le NbTi ) ont un champ critique

Bc2plus lev qui les rend utilisables.

R=0

R=0

Techniques de lIngnieur B 2 382



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Supra 7

La supraconductivit : type II

Evolution du champ critique en fonction de la temprature

LHe (4,2 K)

LHe

Superfluide

(1,8 K)



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Supra 8

La supraconductivit : dtails sur le type II

Les "vortex" (tourbillons au cur normal) dans ltat mixteLa pntration du flux se fait par des zones "normales" cylindriques,

parallles au champ magntique appliqu; ces zones ont un axe ou "coeur"

l'tat normal. Ces coeurs sont arrangs rgulirement dans une configuration

triangulaire.

Disposition de coeurs "normaux" dans le supraconducteur

BI



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Supra 9

La supraconductivit : dtails sur le type II

Les coeurs sont encercls par des courants supraconducteurs qui crantentle champ dans la partie qui reste du supraconducteur. Ces courants forment

ainsi des "tourbillons" ou "vortex".

La taille des coeurs normaux dans ces vortex est propre chaque matriau

(NbTi : qq nm) .

Au fur et mesure que l'on lve le champ extrieur, les vortex serapprochent (NbTi : 23 nm 5T). Il existe une valeur de champ pour lequel les

zones normales se touchent. A ce moment, le flux magntique pntre

compltement le matriau = > fin de ltat supraconducteur !

R = 0 R = 0 R 0



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Supra 10

Stabilit du supraconducteur dans un cble.

Un cble supraconducteur transportant un courant lectrique peut, sous l'effet de

perturbations mcaniques, thermiques ou lectromagntiques, transiter localement ou

sur toute sa longueur (mme si les conditions macro < (Tc,Bc,Jc)). Le risque alors est

que la dissipation de chaleur,qui s'y dveloppe par effet Joule, se propage et

endommage irrversiblement le cble (fusion d'une partie du cble ou destruction de

l'isolation lectrique). Pour remdier ces instabilits, on dimensionne le cble selonplusieurs critres => du simple supraconducteur jusqu une structure dun brin

"composite" puis la structure du cble ou du conducteur complet.

fil supraconducteur(filament)

brin supraconducteur

(multifilamentaire)

cble supraconducteur conducteursupraconducteur

isolant stabilisant

Applications aux cbles supraconducteurs



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Supra 11

Problme : si le bobinage redevient localement normal (perturbations mcaniques [choc,

frottement], magntique ou thermique) il y de la chaleur dissipe (effet Joule) vacuer par le rfrigrant ou les matriaux

environnant (Tsupra < Tc) => choix de gomtrie de brin et cble faire pour chaque

application

Energie dissipe dans le supraconducteur (R.I2) norme

(supra= 5000.10-10 .m ltat normal)

le coefficient de transfert thermique et la surface dchange sont physiquement limits

risque de ne plus assurer un refroidissement suffisant du matriau

propagation de la transition => quench

R=0 R=0R 0

R 0

I

I

conducteur

supra

Stabilit



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Supra 12

Sauts de flux et dissipation d'nergieLa circulation de courant dans un supraconducteur dj soumis un champ

magntique externe va dissiper de l'nergie si les vortex dj installs peuvent se

dplacer. Mme si ces vortex sont "ancrs" (pinning) par des dfauts dans le matriau

, des mouvements peuvent se produire sous l'effet d'une perturbation thermique (de

variation du courant ou du champ, choc mcanique, apport de chaleur). Llvationde T rduit les forces dancrage et il y a dplacement collectif de vortex dans le

matriau. On parle alors de sauts de flux. Dune manire gnrale, limiter ces

mouvements et l'nergie dissipe associe va consister minimiser l'paisseur

(diamtre) du matriau supraconducteur.

Diamtre critique de brinLimiter les sauts de flux => raliser des cbles supraconducteurs avec des

fils supraconducteurs de trs petits diamtres (filaments). Par ex, pour le NbTi sous

6 T, il n'y a plus de sauts de flux risquant de faire monter la temprature au-del de Tc

quand le diamtre des filaments est infrieur 100m.

Si dfil < dcrit [dcrit =f(matriau,conditions de fonctionnement) ], le conducteurest dit intrinsquement stable .

Critres de stabilit



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Supra 13

Critre dynamique de stabilitLa prsence de cuivre ou d'aluminium autour des filaments procure un moyen

diffrent de stabilit. En effet, lorsqu'il y a "saut de flux", c'est dire redistribution duchamp l'intrieur du supraconducteur, le cuivre ou l'aluminium voient aussi cette

variation de champ local et tendent s'y opposer. Ce critre dynamique justifie

encore plus la prsence d'une matrice (de rsistivit mat) en cuivre ou aluminium

autour des filaments supra (de conductibilit thermique ksc) dans un rapport SCu/SSc.

ddyna (SCu/SSc.ksc/mat)0,5 . (Jc.Jc/T)-0,5

Ex : NbTi ddyna < 40m 2 T et 4,2 K

Ce critre sapplique sur un filament supraconducteur seul (sans change thermiqueavec extrieur). Il ny a que la capacit calorifique Csc du supra qui intervient pour

absorber lnergie engendre par des sauts de flux.

dadiab (Cs)0,5 . (Jc.Jc/T)-0,5 Jc densit de courant critique

Ex : NbTi dadiab < 35 m 2 T et 4,2 K

Critre adiabatique de stabilit



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Supra 14

Brin me simple Brin multifilamentaire

supraconducteur

cuivre

isolation lectrique

matrice en mtal

"normal "

Faire collapser ou contenir la zone rsistive grce un change thermique suffisant

Ajout dune matrice "stabilisante" (matriau de trs faible rsistivit comme Cu ou Al)

courant passe dans la matrice en cas de transition du supra (mat


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Gaine AlBrins supra

Volume mort pour He

Cryostabilit



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Supra 16

Pertes en champ magntique variable

Pertes par couplage entre filaments.

Ces pertes sont dues aux courants induits dans la matrice par les boucles

formes par les filaments du supraconducteur dans un champ variable (extrieur ou

lors de la monte en courant du bobinage). Minimiser ces pertes c'est rduire l'aire

des boucles en torsadant (twisting) les filaments entre eux.

Qdiff Bmax2. d2 /(.Tm) en J.m-3.cycle-1o Tm le temps pour atteindre le champ max Bmax

d longueur du pas de twistage,

et la rsistivit transverse de la matrice (Cu ou Al)

d



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Supra 17

Pertes en champ magntique variable

Pertes par courant de couplage entre brinsCes pertes sont dues aux courants induits par les boucles formes par les

brins du cble dans un champ variable (extrieur ou lors de la monte en courant du

bobinage). Minimiser ces pertes c'est rduire l'aire des boucles en torsadant

(twisting) les brins entre eux.

Qdiff Bmax2. d2 /(.Tm) en J.m

-3.cycle-1

o Tm le temps pour atteindre le champ max Bmaxd longueur du pas de twistage ,

et la rsistivit transverse quivalente entre brins

Pertes par hystrsis

La pntration du flux (tat mixte) dans un champ oscillant est un

phnomne irrversible. Les pertes engendres sont fonction du champ maximum

Bmax, de la densit critique Jc et de la taille des filaments (intrt d'un filament de

petit diamtre)

Qhyst Bmax. Jc. en J.m-3.cycle-1



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Supra 18

Fabrication de brin multifilamentaire

Lingots de NbTi

Billettes de monofilamentCu/NbTi

Enveloppe en Cu

Remerciements ALSTOM BELFORT



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Supra 19

Fabrication de brin multifilamentaire

Billettes de monofilamentCu/NbTi

Remerciements ALSTOM BELFORT



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Supra 20

Fabrication de brin multi-filamentaireChoix du brin final en fonction de : conditions dutilisation

temprature

champ magntique et variation de I(t)

perturbations extrieures

encombrement du cot recherch (NbTi 2000 t/an - 150 $/kg fil ; Nb3Sn 15 t/an-


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Supra 21

A partir dun brin multifilamentaire adapt ( brin ,quantit, matrice , rapport matrice/supra, Jc, B, T) :

assemblage des brins

torsadage

mise en forme

Type Rutherford

Ralisation de cbles supraconducteur



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Supra 22

Isolation lectrique du cble

Exemple du cble type Rutherford pour aimant quadruplaire LHC

Enrubannage du conducteur= l'isolant lectrique est constitu d'un ruban (Kapton par

exemple) enroul autour du cble viter des courts-circuits entre deux tours conscutifs

de cble dans le bobinage. Le ruban de fibre de verre bobin de faon espac est l

pour gnrer des espaces entre chaque couche de cble et donc assurer un bonrefroidissement du cble par l'hlium liquide. D'autre part, cette fibre pr-imprgne du

cble va tre polymrise aprs bobinage dans la forme dsire pour donner au

bobinage une bonne tenue mcanique.

cble multibrins nu



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Supra 23

Utilisation de cble

multibrins

Aimants quadruplaires

LHC, en bain hlium

superfluide 1,8 K

Type de brin 01 02Nombre de brins 28 36Largeur 15.10 mm 15.10 mmDemi-paisseur 1.900 0.006 mm 1.480 0.006 mm

Angle Keystone 1.25 0.05 0.90 0.05Pas de transposition 115 5 mm 100 5 mmIc Minimum 13750 A 12960 A

@1.9 K and 10 T @1.9 K and 9 T

Longueur unitaire minimum 460 m 750 mQuantit ~2370 km (dip) ~4600 km (quad +dip(couches ext)



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Supra 24

Grands Aimants

Solnode CMS -LHC CERN 2003

4 TeslasTorode -LHC CERN 2003

1,5 Teslas



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Supra 25

Bobine supra = fort champ magntique= trs fort courant + grande nergie

stocke.

Risque de forte dissipation thermique en

cas de transition supra -> rsistif.

A viter

Car les consquences sont surpression,perte He, givre et condensation,

endommagements mcaniques des

bobinages, des cryostats ou des

appareils de proximit.

Aimants supra : nergie stocke et protection

Quench dun diple

LHC proto en essais

Surpression He



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Supra 26

Dcharge rapide sur CMS (essais 4 Teslas en surface)



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Supra 27

Quench sur aimant supraconducteur 8 Teslas (300 MJ)


500 l LHe vaporiss en quelques dizaines de secondes


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Supra 28Mars 2011 ETBD Cargse


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Supra 29

Energie stocke dans un bobinage supra

Exemple des grands aimants des dtecteurs du LHC au CERN:

E = L.I2/2

o L est linductance du bobinage.

ATLAS bobine torodale L = 5 henry !!! et I = 20000 A => E = 1 GJ

CMS solnode L = 6,55 henry !!! et I = 20000 A => E = 2,67 GJ

Protger un aimant cest viter que cette nergie lectrique stocke ne

puisse totalement, en cas de transition brutale (retour accidentel ltat rsistif =

quench ), se dposer sous forme de chaleur dans l aimant et dtruire par

chauffement le bobinage ou son isolation.

En cas de transition du bobinage vers l'tat rsistif (Quench), le courantimportant qui circulait dans le supraconducteur doit tre dcharg dans une rsistance

externe ou interne r de masse importante pour absorber toute l'nergie. (Torode supra

ATLAS, la rsistance pse environ 8 tonnes !)

Aimants : nergie stocke et protection



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Supra 30

Aimants : nergie stocke et protection

=I

r

L I

O temps

I

L/r

rsistance

de protection

Aimant supra

= inductance pure

Dcroissance du courant

en cas de dcharge sur r

La constante de temps de dcharge vaut L/r.

Lors dun quench ou dune dcharge rapide, si la dcharge est trop rapide (r

grand), il y a risque de gnrer des tensions V leves aux bornes du bobinage (fort I avec

V= L.dI/dt). Il y a risque de claquage avec la masse entourant la bobine et donc de

destruction de lisolation.

r est gnralement choisie pour ne pas dpasser 1000 V en dbut de dcharge. (ex de

critre = isolation dimensionne pour 2.U +1000)

Constante de temps de

dcharge vaut L/r.



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Supra 31

Grands aimants : conducteur sur-stabilis

Grands aimants = forte inductance (qq H) et fort courant (qq dizaines de kA)

La dcharge nest pas immdiate ( cause limite de la tension dans ltat rsistif)

protger le bobinage rsistifdun chauffement par effet Joule (R.I2)

ajout encore de la matire autour des brins supraconducteurs pour rpartir le courant

dans une section plus importante. En effet, en cas de transition, la rsistance du cuivre

ou de l'aluminium que l'on place autour du brin composite supraconducteur est nettement

plus faible que celle du supraconducteur redevenu rsistif (sc 10000.mat.)

le courant passera donc prfrentiellement dans le stabilisant supplmentaire.

le supplment de matire = inertie thermique supplmentaire

cela vite de dpasser 100 K lors du dpt de chaleur par effet Joule (en dessous de

100 K, faibles variations dimensionnelles => pas de dommages sur la structure).



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Supra 32

Grands aimants : conducteur sur-stabilis.

Exemples :

Conducteur ATLAS torode (T=4.2 ,K) Conducteur CMS Solnode (T=4.2 K)


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Supra 33

Refroidissement du cble ou du bobinage

Cble en bain d'hlium (refroidissement direct) :

Le cble (ou chaque brin composite) est en contact direct avec le fluide. L'utilisation

d'hlium superfluide (1.8 K) par exemple permet la prsence de liquide mme dans des

interstices de trs petites tailles (entre cble). La bonne conductivit de ce fluide assure

une excellente vacuation de la chaleur vers l'extrieur du bobinage. Cette technique est

quelquefois complexe dans la ralisation du montage .

Refroidissement indirect par conduction :

Le cble n'est pas en contact direct avec le fluide (refroidissement indirect). La

chaleur vacuer doit transiter par des lments intermdiaires qui doivent parfaitement

conduire la chaleur.


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Supra 34

Refroidissement des bobines ATLAS

Refroidissement indirect par conduction solide:

exemple bobine torode ATLAS (maquette B0)

Circuits de refroidissement

4,5 K (LHe)

Cble ATLAS

( 20000 A)

Support bobine en Al ATLAS (B0)

Coupe transverse de la masse froide



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Supra 35

Solnode supraconducteur de lexprience CMS



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Supra 36

Ralisation des 5 modules CMS ( 7 m x 2,5m)


Ralisation des modules CMS


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Supra 37

Ralisation des modules CMSsoudage des circuits de refroidissements sur cylindre externe


B bi i t d d l CMS (4 h )


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Supra 38

Bobinage interne dun module CMS (4 couches)



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CMS B bi i i


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Supra 40

CMS : Bobinage imprgn avec rsine


CMS : Manipulation de module ralis


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Supra 41

CMS : Manipulation de module ralis


CMS : Empilement de modules et raccordements


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Supra 42

CMS : Empilement de modules et raccordements

hydrauliques (circuits LHe) et lectriques (jonctions)


CMS : 5 modules assembls en une seule grande bobine


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Supra 43

CMS : 5 modules assembls en une seule grande bobine


::::: Autres points de conception :::::


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Supra 44

::::: Autres points de conception :::::

Diple HERA Quadriple HERA

Sens du courant dans

le bobinage du cble

Tenue mcanique :

Les forts courants dans les aimants supraconducteurs engendrent des efforts normesentre les cbles et sur les divers supports .

La reprise des normes efforts magntiques est ralise mcaniquement soit par des

systmes de frette de proximit (aimant de focalisation ou de dviation) soit par la

structure entourant le bobinage (cas des grands aimants ALEPH, CMS, BT ATLAS ).

B


Autres points de conception :


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Supra 45


Concentration , profil et homognit du champ magntique :

La prsence dune masse magntique froide (dans le cryostat) ou chaude (autour du

cryostat) permet daugmenter le flux magntique dans laimant.

Exemple dun double quadruple LHC

Bobinages cble

Enceinte Hlium

Masse magntique en fer

Frette en inox amagntique




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Supra 46


Carte de champ magntique

La forme et le nombre des bobinages intervient sur le profil de champ recherch.Lhomognit est rgle par la qualit du bobinage et dventuelles bobines

supplmentaires de correction.

Diple 2 en 1 LHC


Exemple de fabrication :


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Supra 47

Exemple de fabrication :

Les quadruples supraconducteurs

pour lacclrateur HERA DESY - HAMBOURG (D).

1989

Prototypes raliss par CEA

Sries faites par NOELL (D) et GEC-ALSTHOM (F)



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Supra 48

Cavit 4 cellules

Champ lectrique acclrateur puls

q

champ E t

champ E t + 1/(2.f)

Les cavits RF supras


Exemples de cavits supraconductrices :


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Supra 49

e p es de cav ts sup aco duct ces :

Cavits multicellules, monocellule en Nb massif (Tesla)

Cavit Cu avec dpt Nb en interne (SOLEIL)




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Supra 50

p p

Cavit Nb LEP

Cavit Tristan

et son cryostat




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Supra 51

p p

Masse froide (4,5 K) cavit deux cellules SOLEIL quipes de leurs tank LHe

Enceintes LHe

Extrmits en Cu des deux cavits

(couche mince de Nb en interne)




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Supra 52

p p

Masse froide SOLEIL (4,5 K) suspendue dans lenceinte vide du cryostat




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Supra 53

Conducteur central

(stem)

Tube

faisceau

Fond

Tore

suprieur

Coupe dune cavit Nb quart donde (88 MHz, b 0,07) - cryomodule A.

Vue gnrale dun cryomodule SPIRAL II.


Train lvitation


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Supra 54

Train lvitation

magntique etsupraconductivit

MAGLEV (Japan) (train lvitation

magntique)

Chaque bogie est quip daimantssupra bobins refroidi lLHe.=>utilisation

des forces de rpulsion et attraction entre

ples N et S de bobines mobiles (Sc) et

fixes (chaudes).

http://www.rtri.or.jp/rd/maglev



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Mars 2011 ETBD Cargse Supra 55


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Mars 2011 ETBD Cargse Supra 56

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