Brevet FR2041136A1 — publié le 19710129

La présente invention concerne le domaine de la physique des plasmas et plus particulièrement les dispositifs excitant m gaz à l'état de plasma. L'invention concerne aussi les lasers à gaz dans lesquels le plasma peut servir de milieu actif. 5 Dans "A Study of a High-Current Toroïdal Ring Discharge" publié dans Phil. Trans. of the Roy Soc. A 243, 197 (1951) A.A. Ware décrit un tore en verre creux rempli de gaz dont la surface externe est recouverte d'une couche de cuivre sauf sur une petite étendue. La présente invention est distincte des inventions dé l'art antérieuren 10 ce qu'elle utilise un enroulement primaire coaxial à plusieurs tours. On obtient le résultat non évident que l'inductance de l'enroulement primaire à plusieurs tours de la présente invention ne dépend pas du rapport de transformation, comme c'est le cas pour les transformateurs. La production de décharges de courant élevé sont importantes dans le 15 domaine de la physique des plasmas, de la fusion et des lasers ioniques à courte longueur d'onde. Ces plasmas sont habituellement obtenus en déchargeant des condensateurs de tension élevée dans le gaz. Le circuit à constante répartie d'une telle décharge possède un circuit équivalent RLC à constante localisée. Le courant de crête obtenu est supérieur pour une décharge amortie 20 que pour une décharge non amortie. Uns décharge amortie se produit quand 4L 2 -2 densités de courant élevé ( environ 10 ohm) et il est généralement difficile de maintenir L au-dessous d'environ 100 nanohenry. Ainsi, la capacité exigée 4L 25 pour une décharge amortie critique quand on a l'égalité @st C = — -7 "4 ~3 R 4(10 )/10 = 4 x 10 Farads. Ceci est une capacité extrêmement élevée qui pour une tension élevée représente uns grande quantité d'énergie emmagasinée. Pour cette raison l'utilisation antérieurs de css décharges se limitait aux décharges non amorties pour lesquelles les courants de crête ont une 30 intensité nettement inférieure et beaucoup d'énergie était perdue puisque la tension et le courant étaient déphasés. Un transformateur abaisseur entre le plasma et le condensateur augmentera la capacité par rapport à la résistance du plasma en la multipliant par le carré du rapport de transformation "n". L'inégalité pour la décharge amortie 2 2 2 35 devient alors : n CR > 4L (1-K ) où K est le coefficient de couplage permettant l'utilisation d'une capacité diminuée un facteur n tout en utilisant 1-K2 encore une décharge amortie. Cependant, la plupart des transformateurs ont une inductance de fuite, 2 (1-K ) Lp, qui excède l'inductance de 100 nanohenry d'au moins un ordre de grandeur et exige ainsi un rapport de transformation encore plus élevé pour 70 12245 2 2041136 maintenir les conditions de la décharge amortie. Un objet de la présente invention est de fournir un transformateur abaisseur à plusieurs tours pour un dispositif à décharge possédant une inductance totale faible qui produira des décharges de courant élevées. 5 Un autre objet de la présente invention est de fournir un transformateur abaisseur à plusieurs tours dans lequel l'inductance primaire est indépendante du rapport de transformation. Un autre objet de la présente invention est de fournir une bobine primaire coaxiale à plusieurs tours pour un dispositif de décharge en entourant 10 le dispositif de couches alternées de matériau conducteur connectées en série et séparées par des couches de matériau isolant. D'autres objets caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit fait en référence aux dessins annexés à ce texte qui représentent un mode de réalisation préférée de celle-ci. 15 La figure 1 représente une section transversale d'un tube à plasma possédant un enroulement primaire coaxial à plusisurs tours en accord avec les principes de la présente inventionc Les figures 2,3 et 4 représentent un .transformateur et deux circuits équivalents de transformation utiles pour la compréhension de la présente 20 invention. La figure 5 est une représentation simplifiée d'une section transversale du dispositif de la figure 1. Comme établi dans le résumé de l'invention, des décharges de courant élevé sont exigées pour exciter le gaz dans un tube à plasma ou un laser 25 ionique pour l'amener à l'état de plasma. Les décharges de courant élevé sont obtenues en échargeant un condensateur de tension élevée dans le gaz. La dynamique de la décharge d'un condensateur dans un gaz dépend des propriétés du circuit R-L-C associé où L est l'inductance du condensateur, des fils électriques de connexion et de la décharge elle-même. R est principalement la 30 résistance du plasma et C est principalement la capacité du condsns-nteur. Le courant de décharge de crête est plus éleyé pour une décharge esortle, et unc 2 décharge amortie se produit quand 4L le condensateur a une valeur C > 4L . Dans le Gas d'une décharge non amortie ~ 2 - la charge oscille entre la capacité C et l'inductance L et seulement une petite 35 partie de la charge est dissipée dans le gaz pendant chaque oscillation. Par conséquent, il faut un temps relativement long à la charge pour se dissiper. Une décharge amortie est préférée parce que la charge se dissipe rapidement. Cependant, puisque la résistance R du plasma est relativement faible et que l'inductance du circuit L est relativement élevée, il faudrait pour la décharge 70 12245 3 2041136 un condensateur extrêmement Important donc inconcevable. Ainsi des dispositifs de l'art antérieur utilisaient des décharges non amorties inefficaces. On peut réaliser une capacité donnée qui peut apparaître plus grande à la résistance du plasma en utilisant un transformateur abaisseur entre le 5 condensateur et le plasma. Pour un rapport de transformation n du transformateur 2 2 2 la relation pour une décharge amortie est n C > 4L (1-K ) . Ceci permettrait R2 2 l'usage d'un condensateur dont la valeur serait divisée par n . Cependant, les transformateurs classiques possèdent uns inductance de fuite d'au moins 1 10 microhenry qui, en fait élève la valeur de la capacité exigée. Une augmentation supplémentaire du rapport de transformation ne résoudrait pas le problème parce que l'inductance de fuite augmenterait aussi. La figure 1 représente une vue schématique d'une coupe d'un transformateur abaisseur de n tours pour un dispositif à décharge qui a une induc-15 tance totale faible et est caractérisé en ce que l'inductance du circuit primaire est indépendante du rapport de transformation au lieu du carré du rapport de transformation. Dans la figure 1. le tube à plasma toroîdal est représenté connis étant composé d'une partie droite 10 et d'une partie incur\7ée 12. Les parties 10 et 12 ont une section transversale circulaire et sont 20 fabriquées en verre, céramique, ou matériau identique. La partie droite 10 a des extrémités non fermées puisque le dispositif de la figure 1 peut être utilisé comme laser ionique et que ces extrémités permettent à la lumière laser d'être couplée hors du tube par l'intermédiaire de fenêtres de Brewster, et le tube à plasma contient un gaz adéquat, tel que de l'argon, du chlore, de 25 l'oxygène, etc... et forme un enroulement d'un transformateur secondaire à un seul tour à boucle fermée. Un enroulement primaire coaxial de n tours est formé autour des parties 10 et 12 du tube à plasma. L'enroulement primaire est montré dans une vue en coupe passant par le centre de l'enroulement dans le plan du papier. L'enroulement est formé par une série de couches d'un 30 matériau conducteur, tel que du cuivre, séparées par un isolant et connectées en série. Un premier connecteur d'entrée conducteur 14 est connecté à la première couche (ou enroulement) 16. L'enroulement 16 entoure la partie droite du tube 10 de gauche à droite dans la figure 1 et s'étend en arrière le long de la partie incurvée 12 de droite à gauche et se termine juste au-dessus de 35 la partie droite 10 sans se refermer sur elle-même. Une seconde couche d'enroulement 18 identique à l'enroulement 16 excepté qu'elle possède un diamètre supérieur et n'est pas connectée au connecteur 14 est ajoutée. La couche 16 est séparée de la couche 16 par un isolant qui n'est pas hachuré dans la figure 1 dans un tut de clarté. A un endroit à la place de l'isolant il y a 40 un connecteur conducteur 20 qui connecte en série la couche 16 à la couche 18. 70 12245 4 2041136 Des couches d'enroulement supplémentaires sont réalisées de la même manière. Par exemple une troisième couche d'enroulement 22 est représentée séparée par un isolant de la couche d'enroulement 18 à l'exception de la connexion 24. Si on désire un rapport de transformation de 3, la couche d'enroulement 5 22 représente la dernière couche et est connectée au second connecteur conducteur 26. Si on désire un rapport de transformation plus élevé on ajoutera d'autres couches de matériaux isolants et conducteurs de la façon décrite précédemment. Le dispositif de la figure 1 représente un enroulement d'un transformateur primaire coaxial à plusieurs tours connecté en série, connec-10 té à un enroulement secondaire à un seul tour qui représente un tube à plasma à boucle fermée rempli de gaz. Les connecteurs d'entrée 14 et 26 sont connectés à un condensateur adéquat 28 qui décharge et fournit le courant d'entrée à l'enroulement primaire coaxial à plusieurs tours. Les propriétés de la présente invention peuvent être décrites plus 15 spécifiquement en termes de transformateur classique. La figure 2 représente un schéma d'un transformateur ayant un enroulement primaire 26 de n tours, un enroulement secondaire 30 à un seul tour et une résistance de charge R. Les enroulements primaire et secondaire ont un coefficient de couplage (C. Pour K peu différent de 1, l'équivalent du circuit de la figure 2 est repré-20 senté dans la figure 3 dont tous les composants se réfèrent au circuit primaire. L'inductance du circuit primaire Lp est définie par Lp » ♦p^ip #p est le flux produit par i^ du circuit primaire et Itinductance de fuite (1-KZ)LP est exprimée an fonction du coefficient de couplage K. L'inductance 2 du circuit secondaire L est donnée en fonction de L par L - L /n . A des s p s p 25 fréquences élevées, ou pour des impulsions de courte, durée, l'inductance du 2 circuit primaire Lp apparaît comme un circuit ouvert si (1-K ) est très inférieur à 1 et n2 R « wL , ainsi, le circuit R-L-C résultant, cornue repré- P senté dans la figurs 4., a l'avantage que la condition exigée pour les déchar- 2 2 2 ges amorties, 4 (1-K )LB t satisfaite pour R.L , C et K donnés P P 30 en choisissant' une valeur appropriée de n. Comme représenté dans la figure 4. l'inductance de fuite d'un transfor- 2 mateur classique est égale à (1-K )L • Cependant, L est égal à né /I ou P P P P représente le flux primaire total, tiàns le transformateur le flux + pour chaque tour s'ajoute, ainsi ^ est égal à n$ et l'indgçtançs de fuite est une 35 fonction du_rippott de transformation. Aussi, le courant secondaire 1^ est égal à nlp. Dans le dispositif de la présente invention, à cause de la configuration coaxiale à plusieurs tours, le courant dans le premier conducteur, ou le conducteur le plus interne est 1 - I /n, dans le conducteur sui- s s vant le courant est 1 - 21 /n et ainsi de suite, jusqu'au nième conducteur s s 40 où I - ni /n = 0. A cause de ceci, on peut montrer que l'inductance de S s 70 12245 5 2041136 fuite pour le dispositif de la présente invention est exprimée par : ^n1 Ar •— C 1 ♦ — Cn-1) 4* r o où rQ est le rayon de la section transversale du toraide 10, Ar est la distance entre les couches coaxiales 16, 18 et 1 est la longueur de la décharge 5 coaxiale, c'est-à-dire la longueur moyenne du toroïde et où y est la per- o méabilité magnétique du vide. Le rapport âr/r^ est petit, par conséquent Az* —— (n-1) est beaucoup plus petit que 1 et la valeur de l'inductance de o fuite est essentiellement L ou p 1/4*. o o 10 Les données précédentes sont prouvées en référence à la figure 5. La figure 5 représente une section transversale du dispositif de la figure 1 dont le cercle interne représente le tube 10 et les cercles externes représentent les couches conductrices 16, 18 et 22. La distance Ar est très exagérée puisque Ar « ro« Le raisonnement mathématique est le suivant : 15 Pour r a/ [0 o o o / —'' n r2 B 2*r » y J2t — 2 p Jr a « —— ° 2 é * ° f" B *dr * "o* CJirr2 2) et I E Jirr 2 ° J ° 4T~ o O 20 b/ ou même pour r B 2ir = p I (1- -3 1 o o o n B_2*r = p I C1- -3 2 o o o n c/ et ainsi de suite jusqu'à B„2*r » p I [1 - — 3 pour r + (K.-13 Ar 25 *K * BKAAr N 4* on 70 12245 5 bis 2041136 ♦T - *0 * *1 S-, C1 - S ■♦ N ■ 1 - 1 n „ 2Ar v~> Cependant ^ K ^ par conséquent ntn+1) Ar (2n-(n + 1JÎ ♦T=*o+ *o r o Ar r Ar . ♦t * + r £n-1J - ♦ 1 ♦ r ln" TT To To o o o 11 ] l'inductance de fuite est V o 4* 1 + Cr»—13 O 15 et puisque âr « r , 1'inductance de fuite est ass & 7î ciel lenen t o !sl 4* On a déerife loi «n tube à décharge amélioré ayant un enroulement primaire coaxial à plusieurs tours qui permet l'utilisation d'une décharge amortie 20 sans exiger un condensateur à grande capacité. Le dispositif a la particularité d'avoir son inductance de fuite essent.le 1 lexient indépendante du rapport de transformation. Le dispositif peut être utilisé comme un âlément d'un laser ionique. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur lus dessins 25 les caractéristiques essentielles de l'invention, appliquées à un raode de réalisation préférée de celle-ci. il est évident que l'homme de l'art pr y apporter toutes modifications de forme eu de détail qu'il juge utiles ssrê pour autant sortir du cadre de ladite invention. 70 12245 6 2041136 REVENDICATIONS 1. Dispositif à décharge pour exciter un gaz et l'amener à l'état de plasaa caractérisé en ce qu'il comprend : - un tube toroïdal en forme d'une boucle fermée contenant un gaz ; - plusieurs enveloppes de diamètres différents d'un matériau conducteur 5 disposées de façon coaxiale sur ledit tube en boucle fermée t - un matériau isolant placé entre chacune des dites enveloppes coaxiales de matériau conducteur pour isoler électriquement les dites enveloppes les unes des autres ; - plusieurs connecteurs conducteurs de l'électricité, chaque connecteur 10 reliant une des dites enveloppes conductrices à l'enveloppe suivante de façon à connecter en série toutes les enveloppes conductrices. 2. Dispositif à décharge selon la revendication 1 caractérisé de plus en ce qu'elle comprend deux connecteurs, l'un connecté à l'enveloppe conductrice la plus interne et l'autre à l'enveloppe conductrice la plus externe pour 15 appliquer l'énergie électrique aux dites enveloppes conductrices, - ladite énergie électrique appliquée aux dites enveloppes étant couplée audit gaz par l'action du transformateur. 3. Dispositif à décharge selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit tube àn'bouâie fermée est composé d'une partie linéaire ayant une 20 section transversale circulaire et d'une partie incurvée ayant une section transversale circulaire, - et en ce que les dites enveloppes conductrices coaxiales sont composées de parties linéaires à section transversale circulaire entourant ladite partie linéaire dudit tube et de parties incurvées à section trans- 25 versais circulaire entourant ladite partie incurvée dudit tube. 4. Transformateur pour coupler l'énergie électrique d'un circuit primaire è un circuit secondaire caractérisé en ce qu'il comprend : -un circuit secondaire composé d'un tube toroïdal contenant un gaz ; - et un circuit primaire composé de plusieurs couches coaxiales d'un 30 matériau conducteur entourant ledit tube, les dites couches conductrices étant séparées les unes des autres par un isolant, et plusieurs connecteurs électriques, disposés entre les couches conductrices connectant ces couches en série. 5. Transformateur selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comprend 70 12245 7 2041136 des moyens connectés à la couche conductrice la plus Interne et à la couche conductrice la plus externe de façon à appliquer l'énergie électrique audit circuit primaire.