Le travail effectué dans cette thèse a pour thème central la conception d’un aimant quadripolaire supraconducteur en Nb-Ti destiné à remplacer à l’horizon 2014 les aimants d’insertions actuellement utilisés dans le grand collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN de Genève. Ce nouveau quadripôle, caractérisé par un diamètre d’ouverture encore jamais atteint (120 mm), ouvre la voie vers les quadripôles à grandes ouvertures. Tout d’abord, pour rapidement estimer l’énergie magnétique stockée dans un quadripôle de type cos2?, une formule analytique basée sur la décomposition en série de Fourier du courant et permettant d’estimer l’énergie avec une précision de 10 % est développée. Le design magnétique de la section transverse de la bobine du quadripôle est ensuite réalisé en utilisant une nouvelle méthode d’optimisation basée sur les équations analytiques du champ magnétique. Puis, pour la première fois, une estimation de la reproductibilité dans le positionnement des blocs de conducteurs dans des aimants Nb3Sn est faite. Elle a été réalisée à l’aide d’une méthode existante et grâce à la production récente de deux séries d’aimants Nb3Sn. Une comparaison avec les valeurs obtenues pour des aimants en Nb-Ti est présentée. Ensuite, une méthode analytique basée sur les statistiques et permettant d’expliquer certains phénomènes observés sur la dispersion des mesures magnétiques dans une série de quadripôles est développée. Enfin, on montre que l’incertitude sur la moyenne des harmoniques de champ est due pour la majorité des harmoniques à un phénomène statistique lié au nombre limité d’aimants dans la série et non à des erreurs systématiques / The main objective of the work presented in this thesis is the design of a quadrupole magnet based on Nb-Ti. It aims at replacing the current insertion quadrupoles used in the Large Hadron Collider (LHC) at CERN by 2014. This new quadrupole features an unprecedented large aperture (120 mm) and opens the way toward large aperture quadrupoles. First, to rapidly estimate the magnetic energy stored in a cos2?-type quadrupole, an analytical formula based on the Fourier transform of the current is developed. It allows estimating the energy with a precision of 10 %. Secondly, the magnetic design of the quadrupole coil cross-section is realized using a novel optimization method based on analytical equations of the magnetic field. Subsequently, for the first time, an estimate of the reproducibility in the coil-blocks positioning in Nb3Sn magnets is given. The estimate has been obtained by using an existing method and from tow recently built Nb3Sn magnet series. A comparison with values obtained for Nb-Ti magnets is also presented. Following this, an analytical method based on statistics is developed. It makes possible to explain some phenomenon observed on the dispersion of the magnetic measurement in a quadrupole series. Finally, we show that the uncertainty in the mean of the magnetic field errors is for most of the harmonics related to statistical errors due to the limited number of magnets in the series, and not because of systematic defects in the coil

Ce travail se place dans le contexte de l'utilisation de machines à aimants permanents dans les véhicules hybrides ou électriques. Un modèle analytique, qui prend en compte les effets de la non linéarité du circuit magnétique, permet d'obtenir les pertes (Joule et fer) quel que soit le point de fonctionnement de la machine. Des cartes d'isorendement dans le plan couple-vitesse peuvent être tracées. Ce modèle a ensuite été utilisé pour étudier .des variantes d'une machine synchrone à aimants. Des comparaisons de consommation sur cycles de route ont été effectuées sur ces machines, ainsi que l'étude d'autres structures de rotor à aimants. Un second modèle a été développé pour répondre à un besoin de' conception. Il a servi pour une optimisation sous contraintes dans un objectif de réduction de coût et de volume.

On présente dans ce travail un nouveau type de qubit de spin dont les performances reposent sur les propriétés d'un seul électron dans une double boîte quantique. Le fort moment dipolaire de la double boîte combiné à une large variation du champ magnétique entre les deux boîtes permettrait de réaliser des opérations logiques plus rapidement que dans une seule boîte quantique. Pour maximiser les variations du champ magnétique, on utilisera un micro-aimant placé le plus près possible d'une des deux boîtes. À cette fin, une hétérostructure de GaAs/A1GaAs sur laquelle sont déposées des grilles d'aluminium a été utilisée pour former une double boîte quantique latérale. L'occupation par un seul électron de la double boîte est confirmée par des mesures de transport électrique à basse température ainsi que par l'observation du blocage de spin. De plus, un procédé d'oxydation des grilles par plasma d'oxygène a été développé. Une étude des propriétés de l'oxyde formé par cette méthode montre qu'il est possible de placer un micro-aimant directement sur la surface de l'hétérostructure sans affecter l'isolation électrique entre les grilles. Cette nouvelle approche permet de produire des champs magnétiques encore plus intenses que dans les expériences antérieures, pour lesquelles le micro-aimant est placé beaucoup plus loin de la surface. L'ensemble du procédé de fabrication, de la photolithographie à l'électrolithographie, a été développé au cours de ce travail dans les salles blanches du département de génie électrique et dans les salles propres du département de physique de l'Université de Sherbrooke. Ce travail est une étape importante dans la réalisation de qubits de spin plus performants dans les boîtes quantiques latérales.

Cette thèse contribue à l'étude des aimants à effet ressort, connu sous le nom de "Exchange Spring Magnets" (ESM). Nous avons divisé nos travaux en deux parties : une première dite expérimentale et une seconde dite théorique. Dans la première partie, nous avons étudié la synthèse de ESM. Le processus de fabrication débute par le mélange des nano-poudres magnétiques dures et douces. Cette étape a été réalisé par broyage mécanique ainsi que par ultrasons. Les mélanges sont ensuite frittés via la technique de frittage par plasma d'arc (Spark Plasma Sintering (SPS)) afin d'obtenir des aimants massifs. La structure ainsi que les propriétés magnétiques de ces aimants sont étudiées. Les structures obtenues présentent des phases intermédiaires ainsi qu'une réduction de la phase magnétique dure. Nous avons trouvé que ces aimants ont des cycles magnétiques à deux phases indiquant un couplage faible entre les phases précurseurs. De plus, les aimants obtenus à partir du mélange à ultrasons possèdent des meilleurs propriétés magnétiques que ceux obtenus par broyages mécanique ainsi qu'une plus grande capacité à obtenir un meilleur couplage. Dans la seconde partie, nous avons étudié l'utilité des ESM pour l'enregistrement magnétique perpendiculaire. Il a été montré qu'en y appliquant un faible champ micro-onde , l'ESM présente un basculement facilité ainsi qu'une meilleur stabilité thermique, ce qui est désirable pour l'enregistrement magnétique. Nous avons étudié les dynamiques non-linéaires de basculement magnétique dans un ESM perpendiculaire en utilisant l'équation de Landau-Lifshitz. A partir d'un nouveau code FORTRAN basé sur la méthode des différences finies, nous avons étudié les solutions numériques de cette équation. Le système bi-couche présente des solutions stables nommés modes-P globaux et une diminution du champ nécessaire au basculement pour une grande gamme de fréquence. Le profil de la magnétisation dans le système étendu à été étudié numériquement. L'étude analytique des dynamiques est commentée en faisant l'approximation que deux modes-P sont couplés par un champ d'interaction. L'"ansatz" utilisé pour décrire le champ d'interaction est validé par comparaison avec les résultats numériques. Cette approche s'est révélée être équivalente à l'étude de deux macro-spins couplés. / This thesis is divided into two parts, experimental part presenting the synthesis of exchange spring magnets and theoretical part showing the magnetization dynamics of exchange spring magnets. For the synthesis, ferrite and metal alloy based magnets using mechanical milling and ultrasonic mixing are studied. This part discusses the difficulty in controlling the microstructure during synthesis. Several samples with varying volume fractions of the soft phase are synthesized. It is found that mechanical milling initiates a reaction and this leads to disintegration of the ferrite phase into its intermediate phases. Samples prepared using ultrasonic mixing however show presence of the ferrite phase up to very large volume fraction of the soft alloy phase which provides better perspective for the synthesis. Dynamics of the exchange spring system is studied theoretically using micromagnetic theory. Microwave assisted magnetization reversal are studied in the bulk bilayer exchange coupled system. We investigate the nonlinear magnetization reversal dynamics in a perpendicular exchange spring media using the Landau-Lifshitz equation. In the limit of the infinite thickness of the system, the propagation field leads the reversal of the system. The reduction of the switching field and the magnetization profile in the extended system are studied numerically. The possibility to study the dynamics analytically is discussed and an approximation where two P-modes are coupled by an interaction field is presented. The ansatz used for the interaction field is validated by comparison with the numerical results. This approach is shown to be equivalent to two exchange coupled macrospins.

L’industrialisation de la production des conducteurs utilisant les cuprates à haute température de transition pendant les deux dernières décennies offre aujourd’hui la possibilité de nouveaux développements dans le domaine du magnétisme supraconducteur. En particulier, nous nous intéressons ici aux applications des rubans supraconducteurs REBCO. Ceux-ci font partie des rares candidats disponibles à l’heure actuelle capables de fonctionner sous des inductions supérieures à 20 T aux températures de cryogénie classique (4,2 K), ce qui les rend quasiment incontournables dans le contexte des applications haut-champ. Parallèlement, leurs températures critiques élevées apportent également la possibilité de nouvelles conceptions d’aimants pouvant fonctionner à des températures allant jusqu’à 80 K environ. Ceci ouvre notamment la porte à de nouvelles options de cryogénie moins coûteuses, comme le refroidissement par azote liquide. Néanmoins, la mise en œuvre des rubans REBCO à l’intérieur de nouveaux aimants supraconducteurs se heurte dans certains cas au problème posé par les courants d’écrantages. Ce terme désigne les supercourants induits dans le matériau supraconducteur en réponse au champ extérieur. Ces courants parasites engendrent alors des perturbations sur le champ magnétique total produit par l’aimant : réduction de son amplitude, distorsions spatiales et instabilités temporelles. Ces multiples effets entrent généralement en collision avec les exigences sur la qualité de champ produite. Ainsi, comprendre le phénomène des courants d’écrantages, être capable de prédire sa dynamique et, idéalement, disposer de solutions afin d’y remédier, sont des tâches cruciales pour assurer la réussite des futurs projets d’aimants supraconducteurs REBCO. Cette thèse propose des éléments de réponse vis-à-vis de cette problématique. Le phénomène de courants d’écrantages y est tout d’abord approché de manière expérimentale au travers de la mesure de ses effets perturbateurs sur le champ magnétique de petits aimants tests REBCO. Les données expérimentales récoltées sont ensuite employées pour étayer le développement d’un modèle numérique de simulation magnétodynamique sous l’environnement open-source GetDP. Ce modèle est par ailleurs mis à l’essai avec de bons résultats dans le cas du dipôle 5,4 T EuCARD du CERN. Enfin dans une dernière partie, une investigation expérimentale est menée sur deux techniques capables de réduire, voire de supprimer intégralement, les impacts négatifs des courants d’écrantages sur le champ des aimants REBCO : le vortex shaking et l’overshoot en courant. Au travers de ces développements, cette thèse entend fournir aux concepteurs de futurs aimants supraconducteurs REBCO des moyens d’anticiper et de traiter les problèmes posés par les courants d’écrantages. / The industrialization of the production of high-transition temperature, cuprate-based conductors during the last two decades brings nowadays the possibility of new developments in the field of superconducting magnetism. In particular, we are interested here in the applications of superconducting REBCO tapes. Those belong to the few currently available candidates that are able to operate under magnetic induction above 20 T at classical cryogenic temperature (4.2 K), what makes them almost unavoidable in the scope of high-field applications. Besides, their high critical temperatures also bring the possibility for new magnet designs capable to operate up to temperatures of about 80 K. This notably opens the door to new, less expensive, cryogenic design options, like liquid nitrogen cooling.However, the practical implementation of REBCO tapes inside new superconducting magnets encounters a problem posed by screening currents. The latter term designates the supercurrents that are induced in the superconducting material in response to an external field. These parasitic currents then give rise to perturbations in the total magnetic field generated by the magnet: lowering of its magnitude, spatial distortions and time instabilities. Those various effects collide most of the time with the requirements on the produced field quality. Thus, understanding the phenomenon of screening currents, being able to predict its dynamic and, ideally, having of solutions to remedy this issue, are crucial tasks to ensure the success of future REBCO superconducting magnet projects.This Ph.D. work suggests some elements of answer with regard to this problematic. The phenomenon of screening currents is first approached experimentally, through the measurement of its disruptive effects of the magnetic field generated by small REBCO tests magnets. The experimental data gathered are then used to support the development of a numerical model for magnetodynamic simulations in the framework of the open-source environment GetDP. This model is furthermore tested with satisfactory results on the scenario of the 5.4 T EuCARD dipole developed by CERN. Finally, in a last section, an experimental investigation is conducted on two techniques capable at reducing, or even entirely suppressing, the negative impacts of the screening currents on the field of REBCO magnets: the vortex shaking and current overshoot.Across these developments, this Ph.D. work aims at providing the designers of future REBCO superconducting magnets with tools to anticipate and handle the issues caused by the screening currents.

Nous proposons dans ces travaux, une solution aux problèmes de longue date posés par le control sans capteur d’une machine électrique. Cette solution consiste à élaborer un contrôleur asymptotiquement stable qui régule la vitesse du moteur en mesurant uniquement les coordonnées électriques. Nous l’avons appliqué à un moteur synchrone à aimant permanent non saillant, perturbé par un couple de charge constant non connu. Le schéma proposé est un observateur non linéaire d’ordre 4, basé sur le control qui ne dépend pas d’opérations non robustes intrinsèques au système, comme l’intégration de boucle ouverte à un système dynamique et ce schéma peut être facilement intégrée en temps réel. Le contrôleur est facile à commander par l’ajustement du gain qui détermine directement le taux de convergence de la position et de la vitesse et charge le couple d’observateurs. Les simulations et les résultats expérimentaux mettent en évidences les bonnes performances ainsi que la robustesse des paramètres d’incertitudes du schéma que nous proposons. La comparaison par simulation avec un contrôleur sans capteur à champ orienté présenté récemment dans la littérature, a également été effectuée. La thèse se termine par des remarques de conclusion et des propositions de sujet de recherche s’inscrivant dans la continuité de ces travaux. / A solution to the longstanding problem of sensorless control of an electrical machine is provided in this work. That is, the construction of an asymptotically stable controller that regulates the mechanical speed of the motor, measuring only the electrical coordinates. The result is presented for a non-salient permanent magnet synchronous motor perturbed by an unknown constant load torque. The proposed scheme is a fourth order nonlinear observer-based controller that does not rely on-intrinsically nonrobust-operations like open-loop integration of the systems dynamical model nor signal differentiation, and can be easily implemented in real time. The controller is easy to commission, with the tuning gains directly determining the convergence rates of the position, speed and load torque observers. Simulation and experimental results that illustrate the good performance, as well as the robustness to parameter uncertainty, of the scheme are presented. A simulated comparison with a sensorless field-oriented controller, recently proposed in the drives literature, is also carried out. The thesis is closed with some concluding remarks and some potential research topics generated from this work.

Un nouveau concept d'onduleur courte période et fort champ a été proposé par Toru Hara à SPring-8 en 2004 : l'onduleur cryogénique à aimants permanents (CPMU). Il s'agit de refroidir des aimants Néodyme-Fer-Bore autour de 150 K. Cela permet d'utiliser ces aimants qui ont une rémanence jusqu'à 40% supérieure à celle des aimants utilisés conventionnellement dans les onduleurs. Pour évaluer les difficultés technologiques et la faisabilité de tels onduleurs, un CPMU de 2 m de long et de 18 mm de période a été lancé à l'ESRF. Ce travail présente le design et la réalisation du CPMU à l'ESRF. Un modèle magnétostatique du CPMU est présenté, il est basé sur des mesures de courbe d'aimantation à température cryogénique réalisées au laboratoire Louis Néel. Le modèle prévoit une augmentation du champ crête de l'onduleur de 8% autour de 150 K et de l'intégrale de champ de 20 Gcm. Un banc de mesure magnétique spécifique a également été développé à l'ESRF. Ce banc permet la mesure du champ local et des intégrales de champ sous vide. Son design et sa construction sont revus. Finalement les mesures magnétiques réalisées à température ambiante et à température cryogénique sont présentées. Ces mesures valident le modèle magnétostatique et les performances attendues.

Les différents accords environnementaux interdisent l'utilisation de fluides frigorigènes usuels (protocole de Montréal : FC et HCFC et protocole de Kyoto : HFC). Il est donc pertinent de mener, parallèlement aux travaux actuels sur les nouveaux fluides frigorifiques, des recherches de nouvelles solutions de production du froid assurant une haute efficacité énergétique et un faible impact environnemental. La réfrigération magnétique constitue une des solutions. Cette technologie est basée sur l'effet magnétocalorique (EMC), une propriété intrinsèque de certains matériaux magnétiques. Compte tenu de cette activité de recherche novatrice, nous avons opté pour une approche globale dans laquelle nous avons essayé de maîtriser les différents aspects de cette technologie : du principe physique à l'application. Pour ce faire, un ensemble d'outils d'aide à la compréhension et à la conception ont été développés et exploités pour le dimensionnement d'un dispositif rotatif à aimants permanents de réfrigération magnétique.

Le but de ce travail de thèse est de réaliser un microswitch magnétique bistable à base d'aimants permanents. De nouveaux designs de tels microswitch ont été dessinés afin d'obtenir à la fois des forces de contact plus élevés et des courants de commutation plus faibles que les systèmes semblables existants déjà. Des logiciels de simulations magnétiques ont été utilisés afin d'évaluer le comportement statique et dynamique de ces micro relais. Des couches épaisses (>1 µm) de matériaux magnétiques durs hautes performances (NdFeB, SmCo) ont été déposées par pulvérisation cathodique triode. Cette technique de pulvérisation permet d'avoir des vitesses de dépôt élevées sur de grandes surfaces. Les conditions de dépôt et de traitements thermiques de ces couches ont été étudiés afin d'obtenir de grandes coercivités, de grandes rémanences et des textures particulières. Enfin, des briques de base technologiques ont été développées afin d'intégrer ces films magnétiques dans un process de microtechnologie et de réaliser finalement de nouveaux microsystèmes magnétiques. Ce travail est inclus dans le projet ANR Nanomag2 dont le but final est de fabriquer des micro-relais RF pour des applications spatiales.

Une méthodologie basée sur la théorie de la Fonctionnelle de la Densité a été utilisée pour étudier d'une part des radicaux organométalliques de type [CpNi(dithiolène)] qui présentent des comportements magnétiques étonnants dont une interaction d'échange antiferromagnétiques au travers d'une interaction faible et d'autre part, les interactions d'échange au sein de complexes polynucléaires de fer et de manganèse comportant des points liants oxo. Furent ainsi calculées les constantes d'échange pour les complexes Fe4 de type papillon, Fe5, Fe6, Mn4 de type papillon, Mn10, Mn19 et Mn25. Il fut possible d'établir des corrélations magnétostructurales et des corrélations entre les constantes d'échange est la configuration électronique des cations au sein des composés de type papillon. Ces corrélations concordent avec les résultats obtenus pour des autres complexes étudiés, de plus haute nuclérarité et notamment les interaction ferromagnétiques observées pour les complexes Mn10 et Mn19.