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Power Supplies

Généralités

Une bobine supraconductrice d’un cryo-aimant est une bobine dont la résistance est nulle. Cette propriété remarquable implique que si on met un courant dans cette bobine, ce courant ne se dissipe pas dans la bobine, il tourne donc dans les spires à intensité constante. 
A un courant dans une bobine correspond un champ magnétique proportionnel au courant, c'est le classique B = µ0.n.i du solénoïde infini, µ0 étant la perméabilité du vide (4.π.10-7 SI), n la densité de spires et i le courant circulant dans la bobine.

Dans le cas d'une bobine supraconductrice, le courant ne diminue pas dans la bobine même en l'absence d'alimentation extérieure, donc le champ ne diminue pas: on dit que le champ magnétique est permanent (persistent en anglais).
Pour avoir un champ permanent, il faut disposer d'une bobine supraconductrice et d'un interrupteur (switch) qui permet soit de boucler la bobine sur l'alimentation pour changer le courant, soit de boucler la bobine sur elle-même pour rendre le champ permanent. Cet interrupteur est en fait un morceau de fil supraconducteur entouré d'un chauffage (switch heater) en parallèle avec les bornes de la bobine. Quand le fil est froid, sa résistance est nulle et le courant tourne en court-circuit dans la bobine sans diminuer. Par contre, quand le fil est chaud, il est résistif et le courant circule à travers l'alimentation, les amenées de courant et la bobine.

De plus, il faut se rappeler que le champ magnétique n'est pas confiné à l'intérieur de la bobine. Le champ à l'extérieur de la bobine ou du cryostat s'appelle le champ de fuite. Pour se conformer au projet de norme européen ENV 50166-1 régissant la sécurité des personnes pour les rayonnements non ionisants, on doit respecter les critères suivants, pour un champ statique:

  • Exposition globale et quotidienne: 0.2 T pendant 8 heures.
  • Exposition globale temporaire: 2 T.
  • Exposition temporaire et localisée aux extrémités des membres: 5 T.

A l'ILL, cela correspond à une zone d'exclusion de rayon 1 mètre autour des cryo-aimants où l'on ne doit stationner que de façon temporaire et où on ne laissera pas de pièces magnétiques susceptibles d'être attirées par la bobine. Enfin, on doit aussi définir une zone d'exclusion pour les personnes portant un stimulateur cardiaque, d’autres implants avec circuit électronique ou un implant de matériaux ferromagnétiques. Cette zone est spécifique à chaque cryo-aimant et donc donnée en fin de manuel. Le critère est que le champ magnétique à l'extérieur de la zone doit être inférieur à 0.5 mT. En l’absence d’information précise, cette zone doit faire au moins 5 mètres de rayon.

Les différents modes de fonctionnement d'un cryo-aimant

Le mode non-permanent

On a vu que si l'interrupteur thermique est froid (mode permanent), le courant de la bobine ne passe plus par l'alimentation mais par l'interrupteur. Ceci veut dire en particulier qu'on ne changera pas le champ dans la bobine en changeant le courant de l'alimentation. Le mode non permanent (interrupteur chaud = ouvert) est le seul mode où on peut faire varier le champ et où le champ est donné par le courant lu sur l'alimentation.

Dans ce mode, quand on change le courant de l’alimentation à une vitesse di/dt (en ampères par minutes A/mn, par exemple), il apparaît aux bornes de celle-ci une tension V = r.i + L.di/dt, où r est la résistance des amenées de courant et L l’induction du bloc de bobines du cryo-aimant.

Application numérique avec des valeurs typiques des cryo-aimants de l’ILL

L = 50 H (Henry), r =20 mΩ, di/dt =1 A/min = 0,017 A/sec et i = 50 A 
On trouve alors  V =0,02 x 50 + 50 x 0,017 =1 + 0,85 =1,85 V. 

La tension aux bornes du cryo-aimant (L.di/dt, loi de Lenz) peut être potentiellement très élevée. Quand un cryo-aimant transite (quench), di/dt devient très grand (et négatif) car le courant chute dans un temps très court. La tension aux bornes des bobines pourrait potentiellement atteindre des milliers de Volts. Pour éviter tout dommage, on utilise des diodes de protection et/ou des résistances de décharge qui limitent la tension. Ce système de protection est généralement installé à l’intérieur du cryo-aimant. Dans la pratique, cette tension est limitée entre 5 et 15 V, 15 V étant la tension maximum que tolèrent les alimentations utilisées à l’ILL.

Les modes permanents

Le mode est permanent (ou persistant) quand l'interrupteur thermique est froid (donc supracon¬ducteur, donc fermé). Dans ce mode, le courant qui circule dans les bobines est indépendant du courant ou de l'absence de courant qui circule dans l'alimentation. 

Le mode permanent avec zéro courant circulant dans l’alimentation

C'est le mode classique une fois que le champ a été établi dans la bobine.
On coupe le chauffage de l'interrupteur puis on redescend le courant dans les amenées et dans l'alimentation. 
Les avantages à travailler dans ce mode-là sont :

  1. Ce mode offre la plus grande stabilité de champ magnétique. Cette stabilité est intrinsèque aux bobines supraconductrices du cryo-aimant, indépendamment de la stabilité de l’alimentation.
  2. On peut débrancher l’alimentation si nécessaire, mais c’est fortement déconseillé.
  3. On ne dissipe pas de chaleur, ni dans l'interrupteur thermique (on ne le chauffe pas), ni dans les amenées de courant (i = 0, donc pas d'effet Joule). Il faut se rappeler que le chauffage de l'interrupteur est typiquement équivalent à une résistance de 100 Ω que l'on chauffe avec 100 mA, donc on dissipe typiquement 1 W (soit 1.33 litres d'hélium liquide par heure).
    Pour la plupart des cryo-aimants, la résistance de la partie des amenées de courant qui trempe dans l'hélium liquide est typiquement de 0.1 mΩ, soit une dissipation de l'ordre de 0,25 W (soit 0,3 litre d'hélium liquide par heure).

Ces valeurs ne sont absolument pas négligeables par rapport à la consommation intrinsèque du cryostat (environ 0,3 litre d’hélium par heure).

Bilan thermique et profil de vitesse

Bilan thermique

Nous avons vu que, en mode non permanent, le chauffage de l'interrupteur et le courant dans la partie des amenées immergées dans l'hélium liquide sont des sources de chaleur qui augmentent considérablement la consommation du cryostat.

En mode non permanent, quand on change le champ magnétique, la principale source de dissipation est tout autre. Elle est liée à la loi de Lenz, qui s'oppose à toute variation de flux dans la bobine ou, plus simplement, à toute variation du champ. Pour s'en convaincre, il suffit de calculer la puissance de Lenz dissipée avec les données typiques du paragraphe 2.1.

P = V.i = i.L.di/dt

Où V est la tension, L l'inductance des bobines du cryo-aimant, i le courant dans les bobines et di/dt la vitesse de variation du courant. 
Avec : L = 50 H, di/dt = 1 A/min = 0,017 A/sec et i = 50 A, on trouve P = 42.5 W, soit 57 litres d'hélium liquide dissipés par heure.

En pratique, la consommation est moindre (typiquement 10 à 15 W) puisque les bobines s'échauffent et une partie non nulle de la puissance dissipée est retransmise aux amenées de courant via une caléfaction de l'hélium autour des bobines. Cependant le message à retenir est que la vraie dissipation qui pose problème est celle liée au changement du champ.

En mode permanent, la dissipation des bobines devrait être parfaitement nulle. Néanmoins, des limites technologiques, comme la qualité des différentes soudures, et des limites plus intrinsèques, comme le mouvement des vortex (vortex = zone cylindrique de phase normale dans le supraconducteur qui peut apparaître parallèlement au champ appliqué), font que même en mode permanent, le champ diminue très lentement au cours du temps. A cette diminution est associée une dissipation. On peut faire un calcul d'ordre de grandeur avec des valeurs représentatives des cryo-aimants de l'ILL :

  • Décroissance relative du champ: 10-5 par heure, soit 2.8 10-9/sec. 
  • Energie magnétique stockée dans la bobine: 1/2.L.i2, avec L l'inductance et i la valeur de courant associée au champ, soit typiquement 500 kJ.

La puissance dissipée est alors tout simplement le taux de décroissance de l'énergie magnétique stockée, soit 500 kJ x 2.810-9/sec =1.4 mW. 
On voit que cette dissipation reste dans tous les cas négligeable.
On peut alors faire un tableau récapitulant les différentes dissipations liées à l'emploi de bobines supraconductrices, avec des valeurs représentatives des cryo-aimants de l'ILL:

 Champ nulChamp permanentChamp non permanent

Changement  du champ

Cryostat

250 mW250 mW250 mW

250 mW

Décroissance du champ permanent

 1.5 mW  

Amenées de courant

  250 mW

250 mW

Chauffage interrupteur

  1 W

1 W

Energie de Lenz

   

10 à 15 W

Profil de vitesse

Pour monter le champ dans une bobine supraconductrice, on doit trouver un compromis entre temps de montée et sécurité. En d'autres termes, trouver les vitesses maximales qui permettent de monter le champ sans faire transiter la bobine. 
Ce qu’on entend par transition, c'est le passage de l’état supraconducteur à l’état résistif, donc dans un état où il n'y a pas de champ permanent possible. Quand la bobine transite, l'énergie stockée dans la bobine se dissipe rapidement dans le bain d'hélium liquide. 
On a typiquement 500 kJ à dissiper. La chaleur latente de vaporisation de l'hélium liquide à 4,2 K est de 20,9 J/g, soit 2613 J par litre de liquide. Pour absorber l'énergie dégagée à la transition, il faudrait vaporiser 500000/2613 = 192 litres d'hélium liquide, ce qui est nettement supérieur au volume du bain hélium. Dans la pratique, quand un cryo-aimant transite, tout l'hélium du bain est chassé en quelques minutes et la bobine remonte en température jusqu'à 30 - 50 K.

Qu'est-ce qui fait transiter une bobine?

En fait, les raisons sont inhérentes à la supraconductivité elle-même. Classiquement, la supraconductivité est limitée par trois grandeurs, Tc la température de transition supraconductrice, Bc2 le second champ critique et Jc la densité de courant critique circulant dans les fils. 

  • Tc (B) est la température de transition. Elle dépend du champ magnétique. C'est, pour un champ donné, la température en dessous de laquelle le matériau est supraconducteur. Plus le champ est fort, plus cette température de transition est faible. 
  • Bc2 (T) est le second champ critique. Il dépend de la température. C'est, pour une température donnée, le champ magnétique en dessous duquel le matériau est supraconducteur. Plus la température est élevée, plus ce champ est faible. Pour mémoire, rappelons qu'il existe un premier champ critique qui est défini comme le champ magnétique à partir duquel des vortex apparaissent dans le matériau. 
  • Jc (T,B) est la densité de courant critique. Elle dépend à la fois de la température et du champ magnétique. Pour un champ et une température donnés, c'est la densité maximale de courant que l'on peut faire passer dans le fil supraconducteur. Si la température et/ou le champ augmentent, la valeur de la densité de courant critique diminue.

Même si la densité de courant n'est pas forcément une propriété intrinsèque du matériau (elle dépend aussi de la forme du matériau et de la façon dont les vortex s'accrochent aux défauts du matériau), c'est cette valeur qui définit le mieux la limite des bobines supraconductrices. Ce qui nous intéresse, c'est bien de faire passer du courant sans dissipation. 
Un diagramme de phase (B,T) est montré ci-contre :

La ligne rouge est la ligne de transition entre état normal et état supraconducteur. C'est donc la ligne où le courant critique s'annule. 
Plus on augmente le champ (avec les bobines du cryo-aimant), plus on a de chances que le courant dans ces bobines s'approche du courant critique qui, lui, diminue avec le champ. On a donc intérêt à rester bas en température.

En fait, c'est là qu'intervient l'intérêt de baisser la vitesse de montée en champ. On a vu que l'énergie de Lenz dissipée est grande et proportionnelle à la fois au courant et à sa vitesse de variation. Pour minimiser les effets d'échauffement dans la bobine et garder le plus grand courant critique possible pour un champ donné, il faut baisser la vitesse de changement du champ.

On arrive donc à la notion d'un profil de vitesse en fonction du courant. Quand le champ est bas, on peut augmenter rapidement l’intensité du courant en gardant un faible échauffement. Quand le champ est fort, on est obligé d’augmenter lentement l’intensité pour limiter l’échauffement. Néanmoins, un faible échauffement représente tout de même une dizaine de Watt. 
Un profil de vitesse typique est montré ci-contre.

Ce genre de profil a une incidence forte sur le temps de montée du champ. Si on met 20 minutes pour passer de 0 à 4 Tesla, on met par contre 45 minutes pour passer de 5 à 6 Tesla. 
Enfin, remarquons que, à bas champ, la vitesse peut être limitée aussi par le fait qu'on ne doit pas excéder les tensions qui ouvrent les diodes de protection, soit 5 à 15 V.

Pictogrammes de sécurité et sonde de détection du champ magnétique

Les bobines de l'institut sont toutes équipées avec les pictogrammes suivants :

Champ fort

Le champ magnétique peut être supérieur à :

  • 0,1 T à 50 cm de la bobine
  • 1 mT à 2,5 m de la bobine

Interdiction stimulateur cardiaque

Zone interdite aux personnes ayant un stimulateur cardiaque (pacemaker)

Interdiction prothèse de hanche

Zone interdite aux personnes portant des pièces ferromagnétiques

Par ailleurs, les cryo-aimants de l'ILL sont en cours d'équipement de sondes à effet Hall internes. Chaque cryo-aimant sera doté d'une sonde à effet Hall raccordée à un boîtier permettant de signaler la présence de champs magnétiques.

Dans tous les cas, le fait que le boîtier ne signale rien ne garantit pas que le champ soit nul.

Utilisation de l'alimentation Oxford Instruments IPS 120-10

Pour pouvoir changer le champ, il faut que les amenées de courant et l'interrupteur thermique soient connectés à l'alimentation. Ces connections se font sur le panneau arrière de l'alimentation:

  • Amenées de courant de la bobine (magnet): Magnet -VE / +VE. Ne pas oublier de relier les masses de la bobine et de l'alimentation, sur la vis de terre de la face arrière de l'alimentation. Oxford Instruments a écrit « important cryostat safety earth », ce qui se traduit par mise à la terre importante pour la sécurité d'utilisation du cryo-aimant.
  • Interrupteur thermique (switch heater) : Switch Heater -VE / +VE.
  • Connecteur secteur: Pour certains anciens modèles, c'est un connecteur pour fiche AMP 206037-2 avec capot 182661-1 et contacts 066741-8. Les codes de commande Radiospares sont les suivants : 
  • Fiche AMP 206037-2 : 221-1189
  • CapotAMP 182661-1 : 221-1230
  • Contacts AMP 066741-8 : 221-1303

Les nouveaux modèles sont équipés d’un connecteur type CEE 22.

Descente automatique du champ en alarme

En face arrière, sur l'entrée-sortie parallèle (ParaIlel I/0), une prise Canon 15 broches doit être branchée avec 2 paires de fils sortant de la prise. C'est la descente automatique du champ en alarme (Auto Run Down).

Ces paires sont toutes les deux branchées entre les pinoches 7 et 14. La première paire va au bouton de descente du champ en face avant et l'autre paire est connectée sur un relais d'alarme de niveau bas en hélium. Quand on ferme un de ces deux interrupteurs, on amène le 5 V de la pinoche 7 sur la pinoche 14, ce qui enclenche la descente du champ.

Le processus de descente du champ est le suivant (cf mode d'emploi d'Oxford Instruments « Magnet Power Supply IPS 120-10, Operator's Handbook », p. 46) : 

  1. Si les bornes de l’alimentation sont court-circuitées (Clamped), ce mode est désactivé.
  2. Si l'interrupteur est fermé (cryo-aimant en mode permanent), l’alimentation établit rapidement un courant dans les amenées. L’intensité choisie est celle qui a été appliquée lors de la dernière mise en mode persistant.
  3. Si l’interrupteur est fermé, l’alimentation active le chauffage de l’interrupteur et attend 20 secondes.
  4. L’alimentation décroit l’intensité du courant injecté dans les bobines en appliquant une tension d’environ ±1V (-1V si le sens du courant est positif, +1V si le sens du courant est négatif).
  5. Quand l’intensité du courant est nulle (champ nul), l’alimentation attend 20 secondes pendant lesquels le courant et la tension sont stabilisés. Ensuite, Le mode « Clamped » est activé et le chauffage de l’interrupteur est coupé.

Pour que la descente automatique du champ en alarme puisse se faire, il faut que l'alimentation soit sous tension et complétement connectée à la bobine. Pendant la descente du champ, on ne peut pas reprendre le contrôle de l'alimentation tant que l'alarme existe. On reconnaît une alimentation en descente automatique du champ par le fait que les diodes LOCAL (contrôle local) et REMOTE (contrôle à distance) clignotent (les diodes sont dans la section «CONTROL» de la face avant). 

Quand la descente automatique en alarme est finie, c'est-à-dire quand le champ est à zéro, l'alimentation coupe le chauffage de l'interrupteur thermique: les diodes SELECT (sélectionne) et CONFIRM (confirme) sont éteintes (les diodes sont dans la section «SWITCH HEATER» de la face avant). Puis l'alimentation court-circuite ses sorties: la diode OUTPUT CLAMPED s'allume. Par contre, les diodes LOCAL et REMOTE continuent de clignoter tant que la pinoche 14 est à 5 V. Si on veut remonter le champ, il faut tout d'abord enlever l'alarme qui a déclenché la descente automatique du champ.

Concluons ce paragraphe par deux remarques qui ont leur importance dans l'utilisation pratique de la bobine: 

  • Pendant la descente automatique, seul le galvanomètre Output Current (courant de sortie) indique à coup sûr la valeur du champ. La sortie numérique (GPIB ou RS-232) et l'affichage électronique donnent par exemple zéro si on déclenche une descente automatique quand la bobine est en mode permanent. 
  • A la fin de la descente automatique, l'alimentation met à zéro la vitesse de changement du champ (sweep rate). Pour pouvoir changer le champ par la suite, il faut penser à remettre cette vitesse à une valeur non nulle.

Description du panneau avant de l'alimentation

Un dessin du panneau avant est donné ci-dessus. Il est tiré du mode d'emploi donné par Oxford Instruments (Magnet Power Supply IPS 120-10, Operator's Handbook).

Comme on le voit sur le dessin, la face avant est divisée en 7 parties: display (affichage), sweep control (contrôle des rampes de courant), switch heater (interrupteur thermique), control (contrôle), adjust (paramétrer), power (sous tension) et la zone des deux galvanomètres analogiques output current (sortie en courant) et output voltage (sortie en tension).

DISPLAY

C'est la zone où on peut afficher les paramètres de l'alimentation, sur l'afficheur 6 chiffres de la zone. Outre l'afficheur, il y a : 

  1. Les diodes VOLT, AMPS et TESLA qui précisent l'unité dans laquelle la mesure est affichée. 
  2. La diode OUTPUT CLAMPED qui, quand elle est allumée, signale que les sorties de l'alimentation sont en court-circuit. En particulier, à la mise sous tension de l'alimentation, cette diode est toujours allumée. Appuyer sur HOLD dans la zone SWEEP CONTROL pour enlever le court-circuit. 
  3. La diode PERSISTENT MODE qui signale la présence d'un champ permanent dans la bobine. Il faut se rappeler que l'alimentation affiche la valeur du courant qu'elle délivre et la tension à ses bornes. En mode permanent, ces deux valeurs (qui peuvent d'ailleurs être nulles) ne sont pas liées à la valeur du champ. Appuyer sur MAGNET STATUS pour avoir la valeur en Ampère ou en Tesla (suivant que la diode AMPS ou TESLA est allumée). 
  4. La diode SWEEP LlMITING (limitation de rampe) qui signale que la rampe de courant (champ) demandée est supérieure ou égale à une butée de configuration de l'alimen-tation. Si cette diode est allumée, la vitesse de montée n'est pas celle donnée (en A/min ou T/min suivant que la diode AMPS ou TESLA est allumée) en appuyant sur SET RATE. Pour connaître la valeur de la butée générant la limite de vitesse, il faut diminuer la vitesse demandée en appuyant en même temps sur SET RATE et LOWER (dans la zone ADJUST) jusqu'à ce que la diode SWEEP LlMITING s'éteigne : la valeur de la butée est la première valeur discrète de vitesse supérieure à l'extinction de la diode. 
  5. La diode QUENCH qui signale qu'une transition dans l'état résistif de la bobine a été détectée. La détection se passe de la manière suivante : si l'alimentation a détecté une diminution subite du courant, elle compare alors L.di/dt avec la valeur de la tension à ses bornes. Si les deux tensions sont très différentes, elle déduit que la bobine est résistive et donc qu'une transition a eu lieu. Elle allume alors la diode. Pour que cette alarme soit réaliste, il faut donc que l'alimentation connaisse la vraie valeur de l'inductance du bloc de bobines (on verra comment entrer/mesurer une valeur d'inductance dans le chapitre relatif à la configuration de l'alimentation). 
    Quand une transition résistive a été détectée, l'alimentation procède à une descente automatique du champ. Pour savoir à quelle valeur de champ ou de courant (suivant que la diode AMPS ou TESLA est allumée) la transition a eu lieu, appuyer à la fois sur MAGNET STATUS (ou HOLD) et sur SET POINT. 
    Enfin, pour désactiver l'alarme, appuyer sur HOLD. 
  6. Le bouton OUTPUT VOLT (tension de sortie) permet de savoir quelle est la tension aux bornes de l'alimentation. C'est la même information que celle donnée par le galvanomètre OUTPUT VOLTAGE.
  7. Le bouton CURRENT/FIELD (courant/champ) permet de choisir l'unité d'affichage pour le courant (Ampère ou l'équivalent en Tesla) et pour la vitesse de montée (A/min ou T/min). Un affichage en Tesla n'a de sens que si, sur l'alimentation, le facteur de conversion entre Ampère et Tesla a été configuré pour la bobine considérée. La configuration de ce facteur sera décrite dans le chapitre relatif à la configuration de l'alimentation.
  8. Le bouton MAGNET STATUS (statut de la bobine) permet de connaître le champ qui est dans la bobine. Attention, ce n'est pas une mesure de ce champ. L'alimentation garde en mémoire la valeur du dernier changement de champ. En particulier, si on change d'alimentation avec la bobine en mode permanent, on ne connaît plus la valeur du champ dans la bobine, sauf à la mesurer.
  9. Le bouton SET RATE (paramétrer la vitesse) permet de connaître et de changer la vitesse de montée et de descente du courant. Appuyer sur le bouton pour faire afficher la valeur en A/min ou en T/min suivant que la diode AMPS ou TESLA est allumée. Appuyer simultanément sur ce bouton et sur le bouton LOWER (moins) de la zone ADJUST pour décroître la valeur. De même, appuyer simultanément sur le bouton et sur le bouton RAISE (plus) de la zone ADJUST pour accroître la valeur. 
    La valeur que l'on paramètre est la vitesse (rampe) demandée. Si on change la vitesse alors qu'on n'est pas en train de changer le courant, l'alimentation se contente de stocker la valeur pour l'utiliser au prochain changement de courant. 
    Cette vitesse, même en T/min, ne concerne que le courant délivré par l'alimentation. Si l'interrupteur thermique est froid, cette vitesse n'est pas la vitesse de changement du champ mais la vitesse à laquelle on monte ou descend le courant dans les amenées. Dans ce cas précis, elle peut être très grande, du style 1200 A/min. 
    Enfin, quand on voudra effectivement changer le courant dans les amenées et/ou dans la bobine, l'alimentation dispose d'un certain nombre de butées qui feront que la vitesse demandée ne sera pas forcément la vitesse de change¬ment utilisée par l'alimentation. Voir le chapitre configuration pour le para¬métrage des butées. 
  10. Le bouton SET POINT (paramétrage de la consigne) permet de connaître et de changer la consigne en courant. Appuyer sur le bouton pour faire afficher la valeur en Ampère ou en Tesla suivant que la diode AMPS ou TESLA est allumée. Appuyer simultanément sur ce bouton et sur le bouton LOWER (moins) de la zone ADJUST pour décroître la valeur. De même, appuyer simultanément sur ce bouton et sur le bouton RA/SE (plus) de la zone ADJUST pour accroître la valeur. 
    Cette consigne est une consigne pour le courant délivré par l'alimentation. Ce n'est une consigne en champs que si l’interrupteur thermique est chaud.
    Enfin, l'alimentation possède une butée définissant la valeur maximale de consigne. On ne peut pas définir de consigne plus grande que cette butée. Le réglage de la butée sera expliqué au chapitre concernant la configuration de l'alimentation. 
  11. Le bouton CHANGE POLARITY (changer la polarité) sert uniquement à changer le signe de la consigne en courant. En appuyant simultanément sur SET POINT et CHANGE POLARITY, on inverse le signe de la consigne. C'est vrai dans les deux sens: si la consigne était négative, elle devient positive et, si elle était positive, elle devient négative. 
    Par ailleurs, l'alimentation est une vraie alimentation bipolaire. Si on part d'un champ positif, on peut aller vers un champ négatif aussi simplement que si on allait à un autre champ positif.

SWEEP CONTROL

Ce sont les boutons qui correspondent à une action réelle sur le courant. Avec ces boutons, on va pouvoir changer le courant (GOTO SET), ramener le courant à zéro (GOTO ZERO) et arrêter le changement du courant (HOLD). 
Ces boutons ont les mêmes actions que l'interrupteur thermique soit chaud ou froid. Cela dit, si l'interrupteur thermique est chaud, il y aura action sur le champ dans la bobine. S'il est froid, l'action est limitée aux amenées de courant. 

  • HOLD (maintenir) : ce bouton est multifonction. Nous avons déjà vu que HOLD pressé simultanément avec SET POINT donne le champ ou le courant à laquelle la bobine a transité quand la diode QUENCH est allumée et que, dans ce cas, appuyer sur HOLD permettait de désarmer l'alarme de transition résistive. 
    De même, si l'alimentation a surchauffé (> 40°C), elle affichera HOT (chaud). Dans ce cas, laisser refroidir l'alimentation puis appuyer sur HOLD pour désarmer l'alarme en température. 
    HOLD combiné avec la touche LOWER (moins) permet de sélectionner le jeu de butées de vitesses lentes pour le changement du champ magnétique. 
    HOLD combiné avec la touche RA/SE (plus) permet de sélectionner le jeu de butées de vitesses rapides pour le changement du champ magnétique. Ces butées rapides ne sont précisément pas les butées de vitesse pour changer le courant quand le champ est permanent. Pour des raisons confuses, Oxford Instruments préconise de faire la première montée en champ après refroidissement du cryostat avec un profil de vitesses plus lent que les montées suivantes. 
    Quand on met l'alimentation sous tension, les sorties sont en court-circuit. Pour enlever le court-circuit et commencer à travailler, on doit appuyer sur HOLD.

Enfin et surtout, HOLD permet d'arrêter le changement du courant, et/ou du champ, vers la consigne quand on a appuyé sur GOTO SET (va à la consigne) ou sur GOTO ZERO (va à zéro). C'est donc la touche importante qui permet d'arrêter l'alimentation là où elle est pour, par exemple, changer un réglage.

  • GOTO SET (va à la consigne) : quand on appuie sur ce bouton, on demande à l'alimentation de changer (monter ou descendre) le courant jusqu'à la valeur de consigne définie par SET POINT à la vitesse définie par SET RATE, ou par une des butées interne de l'alimentation si la vitesse demandée excède la butée correspondante. Si l'interrupteur thermique est chaud, on change le champ magnétique, sinon, on change seulement le courant dans les amenées. L'affichage est en Ampère ou en Tesla suivant que la diode AMPS ou TESLA est allumée. On peut afficher un changement de courant dans les amenées sans changement du champ en Tesla, même si ça n'a pas de sens physique. 
  • GOTO ZERO (descend à zéro) : quand on appuie sur ce bouton, on demande à l'alimentation de descendre le courant jusqu'à zéro à la vitesse définie par SET RATE, ou par une des butées internes de l'alimentation si la vitesse demandée excède la butée correspondante. Si l'interrupteur thermique est chaud, on descend le champ magnétique à zéro, sinon, on descend seulement le courant dans les amenées. L'affichage est en Ampère ou en Tesla suivant que la diode AMPS ou TESLA est allumée. On peut afficher une descente de courant dans les amenées sans changement du champ en Tesla, même si ça n'a pas de sens physique. GOTO ZERO est identique à une instruction GOTO SET avec une consigne à zéro.

SWITCH HEATER

Ce sont le bouton et les diodes qui correspondent aux affichages et aux actions gérant l'interrupteur thermique. 

Pour chauffer ou refroidir l'interrupteur thermique, il suffit d'appuyer sur la touche HEATER. Quand les diodes SELECT (sélectionner) et CONFIRM (confirmer) sont allumées, le chauffage de l'interrupteur est en marche. Dans tous les autres cas, le chauffage de l'interrupteur est arrêté.

Quand les deux diodes sont éteintes, l'interrupteur est froid ou en train de refroidir. 
Par contre, si seule la diode SELECT est allumée, le chauffage de l'interrupteur n'est pas en marche car il y a un des deux défauts suivants détecté : 

  • Le courant dans le chauffage de l'interrupteur est inférieur à 5 mA. C'est une sécurité qui permet de voir si l'interrupteur n'est pas connecté ou s'il y a un défaut sur le chauffage. 
  • On cherche à allumer l'interrupteur alors que le courant dans les amenées n'est pas égal au courant (supposé) circulant dans les bobines. Dans ce cas, le chauffage de l'interrupteur risquerait de provoquer une saute de tension au moment du débouclage du champ (ouverture de l’interrupteur thermique). Cette saute de tension risquerait, elle, de faire transiter les bobines en induisant une variation de courant trop importante. 

Dans le second cas, si l'utilisateur est sûr du courant bouclé dans la bobine, il peut forcer (à ses risques et périls) le chauffage de l'interrupteur en maintenant le bouton HEATER enfoncé pendant 4 secondes. C'est le cas de figure où on change l'alimentation alors que le champ est permanent (persistant) dans le cryo-aimant. L'alimentation de rechange ne peut pas avoir stocké la valeur du champ permanent. 
Dans le doute, on peut toujours connaître la valeur du champ mémorisé par l'alimentation en appuyant sur le bouton MAGNET STATUS de la zone DISPLAY. La valeur est affichée en Ampère ou en Tesla suivant que la diode AMPS ou TESLA est allumée. 
La valeur du champ dans la bobine n'est pas forcément la dernière valeur de consigne enregistrée. On peut très bien stocker un courant dans la bobine différent du courant dans les amenées. La seule donnée fiable, si on n'a pas changé d'alimentation, est celle affichée par MAGNET STATUS.

CONTROL

Ce sont le bouton et les diodes qui correspondent au contrôle général du panneau avant, suivant une méthode analogue à celle bien connue des utilisateurs de GPIB. 

  • REMOTE (à distance - télécommandé) : quand cette diode est allumée, le contrôle de l'alimentation se fait par les ports GPIB ou RS-232. Dans ce cas précis, on peut juste se servir des boutons du panneau avant pour les affichages (on peut faire afficher la vitesse, le statut de la bobine, etc.) sauf si la diode LOCK (verrouillé) est allumée. Dans ce dernier cas, on ne peut plus rien faire. 
    Pour reprendre la main sur le panneau avant, appuyer sur le bouton LOC/REM. La diode REMOTE s'éteint et la diode LOCAL (en local) s'allume, sauf si la diode LOCK est allumée. Dans ce cas, on ne peut pas repasser en local sauf à le faire via l'ordinateur de pilotage ou en mettant l'alimentation hors tension puis en la rallumant (l'alimentation démarre en LOCAL LOCK). Attention, éteindre et rallumer l'alimentation fera transiter la bobine si le champ n'est pas en mode persistant (interrupteur chaud). A manier avec précaution donc. 
  • LOCAL (en local) : quand cette diode est allumée, on peut contrôler toutes les fonctions de l'alimentation avec le panneau avant. De manière symétrique à REMOTE, si la diode LOCK est allumée en plus de LOCAL, on ne peut rien faire à partir de l'interface GPIB/RS-232 sauf à envoyer la commande qui désactive le verrouillage. Sinon en LOCAL non verrouillé, l'interface peut lire les valeurs mais pas les changer.

Toujours en LOCAL non verrouillé, on peut appuyer sur le bouton LOC/REM pour repasser en mode télécommandé, même si cette fonctionnalité ne présente aucun intérêt. En effet, l'ordinateur de contrôle peut reprendre la main, grâce à une commande de type Cn avec:

C0: Local & Locked. 
C1: Remote & Locked. 
C2: Local & Unlocked. 
C3: Remote & Unlocked. 

Tous ces modes étant programmables, on peut même se poser la question de l'utilité du mode LOCAL LOCK. 

LOC/REM (Iocal/remote): quand on n'est pas en configuration verrouillée (LOCK), c'est le bouton qui permet de changer entre le mode télécommandé (REMOTE) et le panneau avant (LOCAL).

ADJUST

Ces deux boutons de paramétrage permettent d'augmenter (RAISE) ou de diminuer (LOWER) la valeur des paramètres. Ils seront utiles pour le paramétrage de l'alimentation, mais pour le moment on se contente de rappeler les combinaisons en mode utilisateur: 

  • SET POINT RAISE/LOWER : permet d'augmenter ou de diminuer la valeur de la consigne en Ampère ou en Tesla suivant que la diode AMPS ou TESLA est allumée. 
  • SET RATE RAISE/LOWER : permet d'augmenter ou de diminuer la valeur de la vitesse (rampe) de changement de courant en A/min ou en T/min suivant que la diode AMPS ou TESLA est allumée. 
  • HOLD RAISE/LOWER : permet de choisir entre le jeu de butées rapides ou lentes pour le changement du champ. Quand on appuie simultanément sur HOLD et RAISE, l'alimentation affiche FAST et choisit le jeu de butées rapides. De même, en appuyant simultanément sur HOLD et LOWER, l'alimentation affiche SLOW et choisit le jeu de butées lentes. 

Rappelons que ces jeux de butées ne concernent que les changements de champ, c'est-à-dire les changements de courant de l'alimentation avec interrupteur thermique chaud. 

Enfin, la raison pour laquelle c'est un jeu de butées est claire. Plus le champ est élevé, plus la vitesse maximum autorisée pour le changer est faible. On a donc intérêt à découper une montée au champ maximum suivant un profil de vitesses avec, dans la pratique, quatre ou cinq vitesses différentes.

OUTPUT CURRENT / VOLTAGE

Ces deux galvanomètres affichent dans tous les cas les valeurs de courant et de tension délivrées par l'alimentation. Ce sont les seules vraies mesures. Comme toujours, ces mesures ne reflètent pas l'existence d'un champ persistant dans les bobines, ce sont des mesures des sorties de l'alimentation.

AUTO RUN DOWN

L'ILL rajoute à droite des galvanomètres un bouton qui permet de générer une alarme de descente automatique du champ telle que décrite dans le paragraphe "Descente automatique du champ en alarme". Ce bouton d’urgence peut par exemple être utilisé par des agents de quart ou des utilisateurs ayant peu d’expérience avec les cryo-aimants pour couper le champ magnétique.

Changement du champ magnétique avec l'alimentation Oxford Instruments IPS 120-10

Le but de ce chapitre est de donner des recettes toutes faites pour changer l’amplitude du champ magnétique produit dans le cryo-aimant. On suppose que les bobines n'ont pas transité (diode QUENCH éteinte) et que l'alarme de descente automatique du champ n'est pas active (les diodes LOCAL et REMOTE ne clignotent pas ensemble).


Les procédures décrites supposent que les butées de vitesse et de champ maximum ont été configurées. S'il y a un doute, se reporter au chapitre Configuration avant d'essayer de changer l’amplitude du champ. Néanmoins, les points critiques seront signalés.

Pour pouvoir changer le champ avec le panneau avant, il faut que la diode LOCAL du menu CONTROL soit allumée. Sinon, on est en contrôle à distance. Pour passer en mode local: 

  • Si les diodes REMOTE et LOCK sont allumées, on ne peut pas faire grand chose sauf à partir de l'ordinateur de pilotage. Si le champ est permanent, on peut éteindre puis rallumer l'alimentation. Cette dernière démarre toujours en mode LOCAL et (LOCK). 
  • Si seule la diode REMOTE est allumée, appuyer sur LOC/REM pour passer en mode LOCAL. Si la diode REMOTE s'allume de nouveau, débrancher l'ordinateur pour éviter qu’il reprenne le contrôle. Les prises GPIB ou RS-232 sont sur le panneau arrière de l'alimentation.

Avant toute chose, appuyer sur HOLD pour figer l'état.

Dans les pages suivantes, les temps de stabilisation des bobines à la valeur du champ ont été fixés à 180 secondes. Cette valeur est arbitraire, chaque bobine ayant sa propre constante de temps L/rswitch, où L est l'inductance de la bobine et rswitch la résistance de l'interrupteur thermique dans l'état normal et/ou la résistance équivalente des protections. 
Pour travailler proprement, on doit attendre tant que la tension aux bornes de l'alimentation varie. On peut voir la valeur de la tension en appuyant sur la touche OUTPUT VOLT du panneau avant de l'alimentation.

Descendre le champ à zéro

Procédure OBLIGATOIRE avant de démonter la bobine

Champ permanent/persistant (diode PERSISTENT MODE allumée):

  • Appuyer sur MAGNET STATUS pour connaître la valeur du champ. 
  • Entrer en consigne (SET POINT RAISE/LOWER) la valeur donnée par MAGNET STATUS. Appuyer sur GOTO SET pour injecter le courant dans les amenées.
  • Une fois que le courant de consigne est établi dans les amenées, appuyer sur HEATER dans la zone SWITCH HEATER et laisser chauffer l'interrupteur pendant au moins 20 secondes. Les deux diodes SELECT et CONFIRM doivent être allumées. Sinon, il y a un problème avec l'interrupteur ou son branchement. 
  • Régler la vitesse avec SET RATE RAISE/LOWER. Si on fait confiance aux butées de vitesse de l'alimentation, on peut entrer une valeur très grande (la rampe sera limitée par les butées dans ce cas). Sinon, choisir la vitesse en consultant la documentation du cryo-aimant. 
  • Appuyer sur GOTO ZERO. Si on ne travaille pas en butées de vitesse, on pourra en général augmenter la vitesse (SET RATE RAISE) au fur et à mesure que le champ descend (en restant toutefois en dessous des valeurs maximales préconisées par la documentation). 
  • Quand l'alimentation affiche zéro courant, appuyer sur HOLD puis attendre 180 secondes que la tension aux bornes de la bobine diminue. Quand on est à zéro courant dans l’alimentation, le courant dans les bobines diminue exponentiellement avec une constante de temps de L/rswitch, L étant l'inductance de la bobine et rswltch la résistance de l'interrupteur dans son état normal et/ou la résistance équivalente des résistances de protection (en particulier, rswitch n'est pas la résistance du chauffage de l'interrupteur). 
  • Après 180 secondes, faire refroidir l'interrupteur en appuyant sur HEATER dans la zone SWITCH HEATER. Les deux diodes SELECT et CONFIRM doivent s'éteindre. 20 secondes après, l'interrupteur est froid. Cela dit, il n'est pas nécessaire d'attendre les 20 secondes pour démarrer une mesure à champ nul. Le champ est à zéro à la fin de la période de stabilisation.

Champ non permanent

  • Appuyer sur HOLD pour figer l’état du cryo-aimant. 
  • Régler la vitesse avec SET RATE RAISE/LOWER. Si on fait confiance aux butées de vitesse de l'alimentation, on peut entrer une valeur très grande (la rampe sera limitée par les butées dans ce cas). Sinon, choisir la vitesse en consultant la documentation du cryo-aimant. 
  • Appuyer sur GOTO ZERO. Si on ne travaille pas en butées de vitesse, on pourra en général augmenter la vitesse (SET RATE RAISE) au fur et à mesure que le champ descend (en restant toutefois en dessous des valeurs maximales préconisées par la documentation). 
  • Quand l'alimentation affiche zéro courant, appuyer sur HOLD puis attendre 180 secondes que la tension aux bornes de la bobine diminue. Quand on est à zéro courant dans l'alimentation, le courant dans les bobines diminue exponentiellement avec une constante de temps de L/rswitch, L étant l'inductance de la bobine et rswitch la résistance de l'interrupteur dans son état normal et/ou la résistance équivalente des résistances de protection (en particulier rswitch n'est pas la résistance du chauffage de l'interrupteur). 
  • Si on souhaite rester à champ nul, on a intérêt à refroidir l'inter¬rupteur: appuyer sur HEATER dans la zone SWITCH HEATER. Les deux diodes SELECT et CONFIRM doivent s'éteindre. 20 secondes après, l'interrupteur est froid. Cela dit, il n'est pas nécessaire d'attendre les 20 secondes pour démarrer une mesure à champ nul.

Dans tous les cas, si on a un doute quant au champ restant dans le cryo-aimant avant de démonter, il est recommandé d'appuyer sur le bouton de descente automatique du champ (AUTO RUN DOWN). Il suffit alors de surveiller les galvanomètres analogiques de courant et de tension. Si ceux-ci restent à zéro une fois que l'interrupteur thermique est chaud, c'est que le champ est nul. L'alimentation doit alors arrêter d'elle-même le chauffage de l'interrup¬teur (diodes SELECT et CONFIRM de la zone SWITCH HEATER éteintes) et mettre ses sorties en court-circuit (diode OUTPUT CLAMPED allumée en face avant). On peut alors ré-appuyer sur le bouton de descente automatique du champ pour le désactiver (le clignotement des diodes allumées de la zone CONTROL s'arrête), éteindre l'alimentation et démonter le cryo-aimant. Si on est déjà à champ nul, la procédure de descente automatique du champ prend moins d’une minute.

Montée au champ à partir de zéro

Pour un champ nul, la différence entre persistant et non-persistant n'a pas vraiment de sens. Dans la procédure ci-dessous, la différence aura lieu quand on atteint la valeur de champ choisie: on peut le boucler en mode permanent/persistant ou pas (dans ce cas, on consomme au moins 1,331 = 1 W de plus en hélium liquide). 

  • Appuyer sur MAGNET STATUS pour vérifier que le champ est nul dans le cryo-aimant. Si le champ est non nul, consulter le paragraphe suivant. 
  • Si le courant dans les amenées n'est pas à zéro (si par exemple le galvanomètre OUTPUT CURRENT n'est pas à zéro), appuyer sur GOTO ZERO pour ramener ce courant à zéro. 
  • Appuyer sur HEATER dans la zone SWITCH HEATER et laisser chauffer l'interrupteur pendant au moins 20 secondes. Les deux diodes SELECT et CONFIRM doivent être allumées. Sinon, il y a un problème avec l’interrupteur thermique ou avec son branchement.
  • Entrer la consigne (SET POINT RAISE/LOWER) en Ampère ou en Tesla suivant que la diode AMPS ou TESLA est allumée. 
  • Régler la vitesse avec SET RATE RAISE/LOWER en A/min ou T/min suivant que la diode AMPS ou TESLA est allumée. Si on fait confiance aux butées de vitesse de l'alimentation, on peut entrer une valeur très grande (la rampe sera limitée par les butées dans ce cas). Sinon, choisir la vitesse en consultant la documentation.
  • Appuyer sur GOTO SET. Si on ne travaille pas en butées de vitesse, il faudra diminuer la vitesse (SET RATE LOWER) au fur et à mesure que le champ augmente. Se référer à la documentation du cryo-aimant pour avoir le profil de vitesse en fonction du courant. 
  • Quand l'alimentation est arrivée à la consigne souhaitée, appuyer sur HOLD, puis attendre 180 secondes que la tension aux bornes des bobines diminue. Quand on est à courant fixe sortant de l'alimentation, le courant dans la bobine augmente asymptotiquement vers la valeur délivrée par l'alimentation avec une constante de temps de L/rswitch, L étant l'inductance de la bobine et rswitch la résistance de l'interrupteur dans son état normal et/ou la résistance équivalente des résistances de protection (en particulier rswitch n'est pas la résistance du chauffage de l'interrupteur). 
  • A partir de là, le champ est établi et non permanent. Pour boucler le champ en mode permanent/persistant, il faut encore refroidir l'interrupteur (et enlever le courant dans les amenées pour économiser l'hélium).
  • Après 180 secondes, faire refroidir l'interrupteur en appuyant sur HEATER dans la zone SWITCH HEATER. Les deux diodes SELECT et CONFIRM doivent s'éteindre. 20 secondes après, l'interrupteur est froid. Cela dit, il n'est pas nécessaire d'attendre les 20 secondes pour démarrer une mesure aux neutrons. Le champ est à sa valeur de consigne à la fin de la période de stabilisation. 
  • Redescendre le courant dans les amenées en appuyant sur GOTO ZERO. Quand le courant délivré par l'alimentation est à zéro, appuyer sur HOLD.

Cas général. Changement à partir d'un champ quelconque vers un autre champ quelconque. le champ de départ ou d'arrivée étant permanent/persistent ou non

Le cas général couvre la plupart des situations : on peut changer d'un champ permanent ou non à un champ permanent ou non, ce qui fait 4 cas de figures. Les actions qui concernent spécifiquement le champ permanent sont écrites en bleu.

  • Appuyer sur MAGNET STATUS pour avoir la valeur du champ permanent. 
  • Entrer en consigne (SET POINT RAISE/LOWER) la valeur donnée par MAGNET STATUS. Appuyer sur GOTO SET pour injecter le courant dans les amenées. 
  • Une fois que le courant de consigne est dans les amenées (c'est-à-dire la valeur de MAGNET STATUS), appuyer sur HEATER dans la zone SWITCH HEATER et chauffer l'interrupteur pendant au moins 20 secondes. Les deux diodes SELECT et CONFIRM doivent être allumées. Sinon, il y a un problème avec l'interrupteur thermique ou avec son branchement.
  • Appuyer sur HOLD pour figer l’état du des bobines. 
  • Entrer la consigne (SET POINT RAISE/LOWER) en Ampère ou en Tesla suivant que la diode AMPS ou TESLA est allumée. 
  • Régler la vitesse avec SET RATE RAISE/LOWER en A/min ou T/min suivant que la diode AMPS ou TESLA est allumée. Si on fait confiance aux butées de vitesse de l'alimentation, on peut entrer une valeur très grande (la rampe sera limitée par les butées dans ce cas). Sinon, choisir la vitesse en consultant la documentation. 
  • Appuyer sur GOTO SET. Si on ne travaille pas en butées de vitesse, il faudra diminuer en valeur absolue la vitesse (SET RATE LOWER) au fur et à mesure que la valeur absolue du champ augmente (de même, si on est en train de baisser l’amplitude du champ, on pourra augmenter la vitesse au fur et à mesure que le champ diminue). Se référer à la documentation du cryo-aimant pour avoir le profil de vitesse en fonction du courant. 
  • Quand l'alimentation est arrivée à la consigne souhaitée, appuyer sur HOLD, puis attendre 180 secondes que la tension aux bornes des bobines diminue. Quand on est à courant fixe sortant de l'alimentation, le courant dans les bobines augmente asymptotiquement vers la valeur délivrée par l'alimentation avec une constante de temps de L/rswitch, L étant l'inductance de la bobine et rswitch la résistance de l'interrupteur dans son état normal et/ou la résistance équivalente des résistances de protection (en particulier rswitch n'est pas la résistance du chauffage de l'interrupteur).
  • Après 180 secondes, faire refroidir l'interrupteur en appuyant HEATER dans la zone SWITCH HEATER. Les deux diodes SELECT et CONFIRM doivent s'éteindre. 20 secondes après, l'interrupteur est froid. Cela dit, il n'est pas nécessaire d'attendre les 20 secondes pour démarrer une mesure aux neutrons. Le champ est à sa valeur de consigne à la fin de la période de stabilisation.
  • Redescendre le courant dans les amenées en appuyant sur GOTO ZERO. Quand le courant délivré par l'alimentation est à zéro, appuyer sur HOLD.

Pour être plus visuel, on peut faire un chronographe d’un changement de champ :

Exemple : à t = 0, on met une consigne de 1T, puis :

On chauffe l’interrupteur thermique pendant 1mn.
On monte le champ jusqu’à 1T.
On stabilise le champ, puis on refroidit l’interrupteur thermique pendant 2-3 mn.
On redescend le courant dans les amenées, le champ reste à 1T.
 A t = 20 mn, on remonte le courant dans les amenées.
On chauffe l’interrupteur thermique pendant 1 mn.
On met une consigne de 0,4T.
On descend le champ jusqu’à 0,4T.
On stabilise le champ, puis on refroidit l’interrupteur thermique pendant 3 mn.

Configuration de l'alimentation Oxford Instruments IPS 120-10

Ce chapitre s'intéresse uniquement à la configuration des paramètres liés au bloc de bobines supraconductrices. Pour les configurations électroniques et informatiques, prière de se reporter au mode d'emploi Oxford Instruments «Magnet Power Supply IPS 120-10, Operator's Handbook ». 

Pour entrer dans les menus de test et de configuration, il faut appuyer simultanément sur les boutons LOC/REM, RAISE et LOWER. L'alimentation affiche « tESt» pendant un bref instant, puis la lettre t suivie d'un entier sur deux digits indiquant le code du menu de test/configuration sélectionné. 

La signification du code est la suivante:

  • t 00 : Sortir du mode test (et sauver ou pas les changements).
  • t 01 : Test des affichages du panneau avant.
  • t 02 : Test des boutons du panneau avant.
  • t 03 : Paramétrage de l’adresse GPIB.
  • t 04 : Paramétrage de l’affichage du panneau avant.
  • t 05 : Calibration de l’alimentation.
  • t 06 : Configuration de l’alimentation (interrupteur thermique, filtres, etc.). Une bonne valeur pour le code est 1 ou 5.
    Se reporter au manuel de l’alimentation pour avoir le détail du code.
  • t 07 : Configuration de l’alimentation avec les paramètres supraconducteurs des bobines. C’est le menu qui nous intéresse. 

Ce menu est un menu circulaire, ce qui veut dire par exemple que, si on est en t 06 et qu'on appuie deux fois sur RAISE, on passe en t 07 puis t 00. De même, si on est en t 01 et qu'on appuie deux fois sur LOWER, on passe en t 00 puis t 07. 

Pour entrer dans un des sous-menus, afficher ce menu sur l'alimentation, puis le sélectionner en appuyant sur LOC/REM. 

Si on est sur t 00 et qu'on appuie sur LOC/REM, on sort du mode de test/configuration. L'alimentation affiche alors « Stor.y» (Store Yes, sauvegarder en français). 

  • Pour sauvegarder les changements, appuyer sur LOC/REM. Si l'alimentation affiche brièvement «Stor», les changements ont été sauvegardés. Par contre, si l'alimentation affiche brièvement «Prot» (protected, protégée en français), on ne peut pas sauvegarder les changements en mémoire non volatile. Pour enlever cette protection matérielle, se reporter au mode d'emploi Oxford Instruments « Magnet Power Supply IPS 120-10, Operator's Handbook» page 51. 
  • Pour ne pas sauvegarder les changements, appuyer sur RAISE. L'alimentation affiche alors « Stor.n » (Store No, ne pas sauvegarder en français). Appuyer alors sur LOC/REM: l'alimentation quitte le mode test sans sauvegarder les changements.

Pour passer dans le menu de configuration des propriétés supraconductrices de l’aimant (SUPerconducting magnet menu), faire afficher t 07 sur l'alimentation et appuyer sur LOC/REM. L'alimentation affiche brièvement SUP puis un code de s 00 à s 15.

La signification du code est la suivante:

s 00Sortir du mode de configuration de l’aimant et remonter l'arborescence au niveau du menu précédent (t 07)
s 01Définition de la conversion Ampère/Tesla
s 02 (*)Paramétrage de la limite (logicielle) en courant
s 03Paramétrage de l'alerte de dépassement du courant négatif de sécurité
s 04Paramétrage de l'alerte de dépassement du courant positif de sécurité
s 05 (*)Paramétrage des valeurs des courants auxquelles on souhaite modifier la limitation de rampe. Par exemple, on va dire qu'on change la vitesse de montée ou descente du courant à 30,60 et 80 Ampères. Dans ce cas, on définit 4 rampes limites : [0,30], [30,60], [60,80], [80, Imax]
s 06 (*)Vitesses limites des rampes de courant quand on change le courant dans les amenées seulement, en laissant le champ de l’aimant à zéro (champ permanent nul)
s 07 (*)Vitesses limites des rampes de courant quand on change le courant dans les amenées seulement, en laissant le champ de l’aimant à sa valeur (champ permanent non nul)
s 08(*)Vitesses limites des rampes de courant quand on change le champ en mode rapide (fast run)
s 09 (*)Vitesses limites des rampes de courant quand on change le champ en mode lent (slow run)
s 10Paramétrage de la limite (logicielle) en tension
s 11Inductance de la bobine
s 12Non utilisé
s 13Non utilisé
s 14Non utilisé
s 15Courant de chauffage de l'interrupteur thermique

(*) Les sous-menus marqués d'un astérisque permettent une configuration rapide pour leur minimum ou leur maximum: 

  • Quand l'alimentation affiche le code d’un sous-menu, appuyer sur LOC/REM pour afficher la valeur actuelle, puis LOWER pour afficher la valeur minimum et enfin appuyer simultanément sur LOWER et LOC/REM pour paramétrer la valeur directement à son minimum. 
  • De même, quand l'alimentation affiche le code d’un sous-menu, appuyer sur LOC/REM pour afficher la valeur actuelle, puis RA/SE pour afficher la valeur maximum et enfin appuyer simultanément sur RA/SE et LOC/REM pour paramétrer la valeur directement à son maximum.

SUP 01 : conversion Ampère / Tesla

Ce menu permet de changer le coefficient linéaire dont l'alimentation se sert pour afficher les valeurs en Tesla (l'alimentation ne sachant mesurer que des Ampères). 
Pour que l'erreur de linéarisation soit minimale, l'alimentation calcule ce coefficient grâce à la valeur de champ maximum correspondant au courant maximum. 
Quand on entre dans le menu, l'alimentation affiche le courant maximum autorisé, tel qu'il a été défini dans le menu SUP 02. On peut néanmoins changer cette valeur en appuyant simultanément sur LOC/REM et RAISE/LOWER. 
Quand on relâche l'appui sur le bouton LOC/REM, l'alimentation affiche alors le champ maximum. Pour changer cette valeur, on appuie sur RAISE/LOWER pour changer l'emplacement du point décimal puis simultanément sur LOC/REM et RAISE/LOWER pour changer la valeur. 

SUP 02: limite (logicielle) en courant

La limite logicielle en courant permet de définir la consigne maximum (positive ou négative) que l'on pourra sélectionner. Indirectement, en limitant la consigne on limite le courant, puisque le seul moyen d'augmenter un courant c'est d'entrer la valeur en consigne et d'aller à la consigne. 
Pour changer cette consigne maximum, appuyer simultanément sur LOC/REM et RAISE/LOWER. 
ATTENTION : si le champ permanent dans la bobine est supérieur à la nouvelle limite que l'on vient d'entrer, on ne peut plus remonter le courant suffisamment haut dans les amenées, donc on ne peut plus redescendre le champ. 

SUP 03: alerte de dépassement du courant négatif de sécurité

Ce menu permet de définir une limite de courant négatif en deçà de laquelle le relais de la pinoche 12 de l'entrée-sortie parallèle (ParaIlel I/O, prise Canon 15 broches en face arrière) s'ouvre. 

A l'ILL, ce relais à seuil programmable n'est pas utilisé. Si on souhaite néanmoins s'en servir, la valeur du seuil se rentre classiquement avec LOC/REM et RAISE/LOWER. Si l'alimentation affiche «LAP error», ça veut dire que le seuil bas (en principe négatif) que l’on veut entrer est supérieur au seuil haut (en principe positif) défini au menu SUP 04.

SUP 04: alerte de dépassement du courant positif de sécurité

Ce menu permet de définir une limite de courant positif au-delà de laquelle le relais de la pinoche 12 de l'entrée-sortie parallèle (ParaIlel I/O, prise Canon 15 broches en face arrière) s'ouvre. 
A l'ILL, ce relais à seuil programmable n'est pas utilisé. Si on souhaite néanmoins s'en servir, la valeur du seuil se rentre classiquement avec LOC/REM et RAISE/LOWER. Si l'alimentation affiche «LAP error», ça veut dire que le seuil haut (en principe positif) que l'on veut entrer est inférieur au seuil bas (en principe négatif) défini au menu SUP 03. 

SUP 05 : définition des seuils des courants auxquels on veut changer la limitation des vitesses (rampes)

Nous avons vu dans le paragraphe "Bilan thermique - Profil de vitesse" que la vitesse maximum de changement du champ dépend de la valeur du courant pour des raisons de dissipation thermique liée à la loi de Lenz.

Pour palier à ce problème, Oxford Instruments permet de définir 15 seuils en courant auxquels sont associés 30 valeurs de vitesse maximum de montée/descente du champ : 15 valeurs pour les changements lents du champ (slow run) et 15 valeurs pour les changements rapides (fast run).  
Oxford Instruments permet aussi de définir 15 vitesses maximales pour la montée du courant dans les amenées quand l’aimant est à champ nul permanent et 15 vitesses maximales de montée/descente du courant dans les amenées quand l’aimant produit un champ permanent non nul. Ces 30 dernières valeurs doivent être programmées.
Dans ce menu, on saisit uniquement les seuils de courant. Les 15 x 4 = 60 vitesses correspondantes se paramètreront dans les menus s 06 à s 09. 
Quand on entre dans le menu, l'alimentation affiche le sous-menu b 00. C'est le sous-menu qui permet de remonter l'arborescence et de retourner au menu s 05 en appuyant sur LOC/REM. C'est aussi un premier seuil non programmable fixé à zéro Ampère. Il y a donc en fait 16 seuils, dont un nul. 
De la même manière, b 15 est un seuil non programmable et fixé à la valeur de courant maximum définie par le menu s 02. Cela garantit que toute la gamme de courant est couverte. 
Quand l'alimentation affiche le code de butée, on peut faire défiler les différents codes en appuyant sur RAISE ou LOWER. Comme pour les menus précédents, il s'agit d'un menu circulaire et b 00 permet de sortir.
Pour entrer un courant de seuil, se positionner sur le code du seuil, appuyer sur LOC/REM pour afficher la valeur actuelle, puis appuyer simultanément sur LOC/REM et RAISE/LOWER pour changer sa valeur. 
Pour entrer directement la valeur minimum ou maximum permise par l'alimen¬tation, appuyer sur RAISE/LOWER pour afficher cette valeur et appuyer sur LOC/REM en maintenant RAISE/LOWER appuyé pour valider. 
Détail pratique : en général 4 à 5 seuils de courant sont suffisants pour optimiser le temps de montée. C'est un travail fastidieux de vouloir en entrer absolument 15. Mettre tous les seuils non utilisés à la valeur de courant maximum.

SUP 06: vitesses limites quand on change le courant dans les amenées en laissant le champ à zéro (champ permanent et nul) 

A moins d’utiliser des amenées de courant sous-dimensionnées ou fragiles, on met toutes les valeurs au maximum (1200 A/min). 
Quand l'alimentation affiche s 06, appuyer sur LOC/REM pour entrer dans le sous-menu r (r =rate, pente en français). L'alimentation affiche r 00. 
Appuyer sur RAISE pour faire afficher r 01, puis sur LOC/REM pour connaître la valeur stockée en r 01. Appuyer sur RAISE pour connaître la valeur maximale possible, maintenir RAISE appuyé, puis appuyer simultanément sur LOC/REM pour valider la valeur maximale possible comme valeur de vitesse limite.
Reproduire la même procédure avec r 02, r 03, .... , r 14 et r 15. 
Faire afficher r 00 puis appuyer sur LOC/REM pour sortir du menu.

SUP 07: vitesses limites quand on change le courant dans les amenées en laissant un champ permanent non nul 

A moins d’utiliser des amenées de courant sous-dimensionnées ou fragiles, on met toutes les valeurs au maximum (1200 A/min).
Quand l'alimentation affiche s 07, appuyer sur LOC/REM pour entrer dans le sous-menu r (r =rate, pente en français). L'alimentation affiche r 00.
Appuyer sur RAISE pour faire afficher r 01, puis sur LOC/REM pour connaître la valeur stockée en r 01. Appuyer sur RAISE pour connaître la valeur maximale possible, maintenir RAISE appuyé et appuyer simultanément sur LOC/REM pour valider la valeur maximale possible comme valeur de vitesse limite.
Reproduire la même procédure avec r 02, r 03, .... , r 14 et r 15. 
Faire afficher r 00, puis appuyer sur LOC/REM pour sortir du menu. 

SUP 08: vitesses limites quand on change le champ dans l’aimant en mode rapide (fast run) 

Même si la raison de l'existence d'un mode rapide et d'un mode lent n'est pas très claire, les vitesses limites que l'on entre dans ce mode (et dans le mode lent) protègent les bobines quand on change le champ. Il est donc important que les deux modes soient paramétrés avec les valeurs correspondant au cryo-aimant utilisé.
Si on souhaite minimiser le risque, on peut entrer pour les deux modes le même jeu de vitesses, correspondant au jeu le plus lent donné par le constructeur. 
Rappelons que les vitesses sont entrées en A/min. 
Quand l'alimentation affiche s 08, appuyer sur LOC/REM pour entrer dans le sous-menu r (r = rate = vitesse). L'alimentation affiche r 00. 
Appuyer sur RAISE pour faire afficher r 01, puis sur LOC/REM pour connaître la valeur stockée en r 01. Cette valeur est la valeur de la vitesse en A/min que l'alimentation va utiliser entre 0 A et la valeur donnée par le seuil b 01 du menu s 05. C'est la première vitesse utilisée en mode rapide quand on commence à monter le champ à partir de 0 A. 
Appuyer simultanément sur LOC/REM et RAISE/LOWER pour modifier cette valeur. 
Appuyer ensuite sur LOC/REM pour remonter l'arborescence jusqu'au code r01. 
De même, on fera afficher les codes r 02, r 03, etc., et on changera les vitesses limites de la deuxième zone, de la troisième zone, etc., en appuyant sur LOC/REM puis simultanément sur LOC/REM et RAISE/LOWER. 
Si on veut formaliser un peu plus, on peut dire que, pour n > 1, rn est la vitesse utilisée par l'alimentation pour les courants des intervalles [bn-1, bn] et [-bn,-bn-1]. 
Enfin, on doit programmer autant de vitesses qu'on a programmé de plages de courant. Toutes les autres vitesses non utilisées doivent être mises à 0,01 A/min.

SUP 09 : vitesses limites quand on change le champ dans l’aimant en mode lent (slow run) 

Même si la raison de l'existence d'un mode rapide et d'un mode lent n'est pas très claire, les vitesses limites que l'on entre dans ce mode (et dans le mode rapide) protègent les bobines quand on change le champ. Il est donc important que les deux modes soient paramétrés avec les valeurs correspondant au cryo-aimant utilisé. 

Rappelons que les vitesses sont entrées en A/min. 

Quand l'alimentation affiche s 09, appuyer sur LOC/REM pour entrer dans le sous menu r (r = rate, vitesse en français). L'alimentation affiche r 00. 

Appuyer sur RAISE pour faire afficher r 01, puis sur LOC/REM pour connaître la valeur stockée en r 01. Cette valeur est la valeur de la vitesse en A/min que l'alimentation va utiliser entre 0 A et la valeur donnée par le seuil b 01 du menu s 05. C'est la première vitesse utilisée en mode lent quand on commence à monter le champ à partir de 0 A.

Appuyer simultanément sur LOC/REM et RAISE/LOWER pour modifier cette valeur. 

Appuyer ensuite sur LOC/REM pour remonter l'arborescence jusqu'au code r 01. 

De même, on fera afficher les codes r 02, r 03, etc., et on changera les vitesses limites de la deuxième zone, de la troisième zone, etc., en appuyant sur LOC/REM, puis simultanément sur LOC/REM et RAISE/LOWER.

Si on veut formaliser un peu plus, on peut dire que, pour n> 1, rn est la vitesse utilisée par l'alimentation pour les courants des intervalles [bn-1, bn] et [-bn,-bn-1]. 
Enfin, on doit programmer autant de vitesses qu'on a programmé de plages de courant. 

Toutes les autres vitesses non utilisées doivent être mises à 0,01 A/min. 

SUP 10: limite (logicielle) en tension 

Ce menu permet de configurer une limite en tension aux bornes de l'alimentation. Comme celle-ci possède par ailleurs une procédure de détection de transition résistive, cette limite n'est pas très utile. Il est bien plus utile d'entrer la vraie valeur d'inductance de la bobine, pour que le mécanisme de détection de transition résistive fonctionne (voir menu s 11). 

Néanmoins, on peut paramétrer la valeur de la limite et le temps mort avant le déclenchement du mécanisme de limitation. 

Se placer sur le menu s 10 et appuyer sur LOC/REM. L'alimentation affiche la valeur en Volt. On peut modifier cette valeur en appuyant simultanément sur LOC/REM et RAISE/LOWER. Un choix judicieux est de mettre une valeur juste inférieure à la valeur des diodes de protection de la bobine. 

Quand on relâche LOC/REM, l'alimentation affiche « SPELL », (spell au sens de période en français) puis un temps en quarts de seconde. On peut alors entrer une valeur comprise entre 2 et 254 (soit 0.5 s et 1 min 3 s 5/10ème). L'alimentation ne déclenche le mécanisme de limitation que si le dépassement en tension perdure après ce temps d'attente. Classiquement, on change la valeur avec LOC/REM et RAISE/LOWER. Si on entre une valeur de 255, la limitation est désactivée. C'est en général le cas pour les bobines lLL qui ont de toute façon des diodes et/ou des résistances de protection limitant la tension. 

Si l'alimentation détecte un dépassement de la limite en tension, elle arrête le changement du courant en passant sur HOLD. Tant que la tension est supérieure à la tension limite, l'affichage numérique clignote. Enfin, l'alimentation est une alimentation ±10 V. Il y a aussi une protection matérielle qui enclenche le mécanisme de limitation si la tension est supérieure à 10 V ou inférieure à -10 V. 

SUP 11 : inductance de la bobine 

L'inductance est une valeur importante à paramétrer si on veut avoir une détection de transition résistive efficace. Rappelons que l'alimentation, en cas de baisse de courant brutale, compare la valeur de la tension à ses bornes avec la valeur de Ldi/dt, où L est l'inductance que l'on entre dans ce menu. 

Si la valeur de l'inductance de la bobine n'est pas ou n'est plus dans la documen-tation du cryo-aimant, ce n'est pas difficile à mesurer. Pour cela il faut : 

  • Choisir deux valeurs de courant i1 et i2 dans une plage où la vitesse de montée est la même (di/dt constant) de telle sorte que i2 = 2 x i1 et i1 > 0.
  • A ses valeurs de courant, la tension aux bornes de l’alimentation est V1 = ri1 + Ldi/dt et V2 = 2ri1 + Ldi/dt.
  • D’où L = (2V1-V2)/(di/dt).
  • Pour avoir L en Henry, il faut que les tensions soient en Volt et les vitesses en A/s (pas en A/min ou T/min comme l'affiche l'alimentation !).

SUP 12 : non utilisé 

SUP 13 : non utilisé 

SUP 14 : non utilisé 

SUP 15 : courant de chauffage de l'interrupteur thermique

En entrant dans le menu avec LOC/REM, la valeur est affichée en mA. On peut la faire varier de 0 à 119,1 mA avec LOC/REM et RAISE/LOWER. 

Rappelons qu'il est important de mettre une bonne valeur (par exemple, la valeur donnée dans la documentation). Si la valeur est trop faible, le chauffage ne fait pas transiter l'interrupteur et on ne peut pas injecter le courant dans les bobines. De même, si la valeur est trop forte, on va transiter l'interrupteur et une partie des fils des bobines. On ne pourra pas changer le champ non plus.