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In early 2014 a design study started at CERN for a Future Circular Collider. A new tunnel with a circumference of about 100 km for the collider magnets is foreseen as well as new general-purpose particle detectors to probe electron-positron (e-e+), electron-hadron (eh), and hadron-hadron (hh) collisions, housed in large underground caverns. In the last four years baseline designs for the various detector magnets were developed. For the FCC-ee detector two magnet variants were defined: a 7.6-m bore and 7.9-m-long classical 2 T solenoid with 600 MJ stored energy, surrounding the calorimeters, and also a very challenging 4-m bore, 6-m-long, some 100-mm-thick ultrathin and radiation transparent 2 T solenoid with a stored energy of some 170 MJ, that surrounds only the inner tracker of the detectors. For the FCC-eh detector, the detector solenoid is combined with forward and backward dipole magnets required to guide the electron beam in and out of the collision point. This detector requires a 3.5 T solenoid, 2.6-m free bore and 9.2-m length with about 230 MJ of stored energy. Most demanding is the FCC-hh detector with a 14 GJ stored energy magnet system comprising three series connected solenoids, requiring 4 T in the main solenoid with 10-m free bore and a length of 20 m, in line with two 3.2 T forward solenoids with 5.1-m free bore and 4-m length. A quite challenging series of detector magnets is proposed, that needs to be further engineered in the coming years. The superconductor technology though is essentially the same in all the solenoids proposed: conductors comprising Rutherford type cables made of NbTi/Cu strands, stabilized by nickel doped pure aluminum and structurally reinforced with a high yield strength aluminum alloy. The cold masses are conduction cooled through helium cooling pipes welded to their outer support cylinder. The designs of the various baseline magnets as well as their engineering are presented.

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; 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

Multiferroic materials present several ferroic orders, i.e. ferromagnetic, ferroelectric and/or ferroelastic. The coupling between these ferroic orders allow the control of the magnetic properties by applying an electric field and vice versa. In order to use their multifunctionality in new applications, this coupling must be efficient at room temperature. This thesis concentrates on materials artificially coupling together a ferromagnetic/ magnetostrictive phase with a ferroelectric/piezoelectric one. The coupling between these two phases is called magnetoelectric (ME). The first chapter describes the state of the art of this ME coupling for different multiferroic composite structures. Characterization techniques and micromagnetic simulation tools are presented in the second chapter. In the third chapter, a hetero-structure given by a magnetostrictive film/flexible substrate/piezoelectric actuator (FeCuNbSiB/Kapton/PE) is studied. The magnetic domains of FeCuNbSiB as well as their orientation are controlled by applying an electric field and studied by local microscopy (MFM). The fourth chapter focuses on a nanocomposite material including magnetostrictive nanoparticles in a flexible piezoelectric matrix (PVDF polymer). The effect of these inclusions (nanoparticles) on the local piezoelectric response of the PVDF is studied by piezoeponse microscopy (PFM). Symmetrically, the influence of the piezoelectric matrix on the static magnetic properties of the nanoparticles is analyzed. In the last chapter, the optimization of the magnetic properties of a set of anisotropic nanoparticles (cobalt nanowires) is studied as fonction of their structure, shape and mutual interactions. This experimental study is corroborated by simulations and targets new composites ME materials including the anisotropic nanoparticles in a flexible piezoelectric matrix.; Les matériaux multiferroïques présentent plusieurs ordres ferroïques, i.e. ferromagnétiques, ferroélectriques et/ou ferroélastiques. Le couplage entre ses ordres ferroïques permet de contrôler les propriétés magnétiques en appliquant un champ électrique et vice versa. Afin d’utiliser leur multifonctionnalités dans des nouvelles applications, ce couplage doit être efficace à température ambiante. Cette thèse étudie les systèmes couplant artificiellement ensemble une phase ferromagnétique / magnétostrictive à une phase ferroélectrique / piézoélectrique. Le couplage entre ces deux phases est appelée magnétoélectrique (ME). Le premier chapitre décrit l’état de l’art de ce couplage ME dans différentes structures composites multiferroïques. Tandis que les techniques de caractérisation et les outils de simulation micromagnétiques utilisées sont présentées dans le deuxième chapitre. Dans le troisième chapitre, une hétéro-structure type film magnétostrictif/substrat flexible/actuateur piézoélectrique (FeCuNbSiB/Kapton/PE) a été étudiée. Les domaines magnétiques du FeCuNbSiB ainsi que leur orientation sont contrôlées en appliquant un champ électrique et étudiées par microscopie locale (MFM). Le quatrième chapitre étudie un composite incluant des nanoparticules magnétostrictives dans une matrice piézoélectrique flexible (polymère PVDF). L’effet des inclusions (nanoparticules) sur la réponse piézoélectrique locale du PVDF est étudiée par microscopie de piézoréponse (PFM). Symétriquement, l’influence de la matrice piézoélectrique sur les propriétés magnétiques des nanoparticules est analysée. Dans le dernier chapitre, l’optimisation des propriétés magnétiques statiques d’un ensemble de nanoparticules anisotropes (nanofils de cobalt) est étudiées sous l’influence de leur structure, de leur forme et de leurs interactions. Cette étude expérimentale est corroborée par les simulations et vise des nouveaux composites incluant ces nanoparticules anisotropes dans une matrice piézoélectrique flexible.

Abstract We have followed the evolution of the shape of an anionic ferrofluid magnetic drop in presence of a magnetic field. Above a certain field threshold, the drop jumps from a slightly elongated shape to a slender one. The relaxation time of this instability has a critical divergence.

This paper presents a study about the cooling and leakage aspects of superconductor magnetic bearings towards their integration on a smart systems scope to keep the stability of the cooling system. The use of superconductor magnetic bearings in electric power generation, namely in wind power has been increased due to their weight, friction less, and volume reduction advantages. The novelty of this paper is the use of Zero-Field Cooling instead of the common Field Cooling technique. On the other hand, this new kind of bearings needs a constant flow of liquid nitrogen to keep the superconductivity properties. A prototype was modelled, simulated and implemented for experimental validation.

We investigate the temporal distribution of polarity reversals of the geomagnetic field. In spite of the common assumption that the reversal sequence can be modeled as a realization of a renewal Poisson process with a variable rate, we show that the polarity reversals strongly depart from a local Poisson statistics. The origin of this failure can be attributed to temporal clustering, thus suggesting the presence of long-range correlations in the underlying dynamo process. In this framework we compare our results with the behaviour of different models that describe the time evolution of the reversals. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Des champs magnétiques transitoires supérieurs à 400 teslas (4 mégaoersted) sont obtenus par compression, à l'aide d'exposif chimique, du flux magnétique piégé dans un cylindre conducteur. Les principaux éléments du montage simple, fiable et économique sont étudiés à partir d'une théorie très simplifiée de la compression. La mesure du champ magnétique est analysée : sa pression atteint ± 2 %. Le diamètre de la cavité mégagauss 5 mm permet l'utilisation de ces champs pour l'étude d'effets magnéto-optiques.