Brevet FR2074730A1 — publié le 19711008

La présente invention concerne une sonde à câble coaxial et à semi-conducteur permettant d'effectuer, avec une très grande précision, le chronométrage de détonations suivant le principe dit de chronométrage par contact. Dans les divers domaines (champs de tir, aéronautique, etc...) où sont produites des ondes de choc ou de détonation, se pose le problème du chronométrage de ces ondes. On connaît jusqu'à ce Jour, pour effectuer ce chronométrage; d'une part des dispositifs à photodiodes, mais ceux-ci présentent cet inconvénient que la relation entre les phénomènes de choc et le phénomène lumineux qui accompagnent ceuxci n'est qu'imparfaitement établie, et, d'autre part, des dispositifs par contact, mais ces derniers, an raison de leur principe, ne permettent pas d'obtenir une précision de chronométrage supérieure à 10 nanosecondes. Or, les expériences effectuéEs dans le domaine des explosions exigent maintenant des précisions de 11 ordre de la nanoseconde, et les appareils de chronométrage utilisés doivent permettre de définir parfaitement les intervalles de temps mesurés. La présente invention a pour objet une sonde satisfaisant à ces exigences et qui garantit une parfaite relation entre le phénomène mécanique-de choc et une impulsion électrique, impulsion dont le front de montée est inférieur à une nanoseconde. De façon précise, la présente invention concerne une sonde destinée au chronométrage, par contact, très précis de détonations, ladite sonde étant essentiellement caractérisée par le fait qutelle comprend, d'une part, un cable coaxial et, d'autre part, une diode à semi-conducteur constituée par une plaque mince formée de deux couches d'épaisseurs inégales dont celle qui a la plus forte épaisseur est appliquée contre une extrémité de ce câble coaxial, en contact avec l'un des deux éléments conducteurs dudit câble, à savoir son Dme et dont celle qui a la plus faible épaisseur est réunie électriquement à l'autre élément conducteur à savoir son blindage extérieur, cette diode étant polarisée en inverse par une tension continue appliquée à l'un de ces deux éléments conducteurs du cible et l'autre élément conducteur étant relié à la terre,le montage étant tel qu'à l'état de repos, ladite diode joue le rôle d'une résistance quasi infinie en raison de sa polarisation en inverse, et que sous l'effet d'une onde de choc plane frappant la diode, la résistance électrique de cette dernière devienne très faible, ce changement d'état qui provoque le déclenchement d'une impulsion électrique dans le câble coaxial ayant une durée extrèmement faible, égale au temps que prend l'onde de choc pour traverser la plus mince des deux couches constituant la diode. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, et donnant, à titre explicatif et nullement limitatif, une forme de réalisation de la sonde selon l'invention, ainsi que deux sondes de chronométrage par contact de la technique antérieure. Sur ces dessins, - la fig. t représente, schématiquement, une sonde de type connu, à circuit imprimé, - la fig. 2, une sonde de type connu, du type à cabale coaxial, cette sonde étant vue en coupe axiale et, - la fig. 3, une forme de réalisation de la sonde selon l'invention, vue également en coupe axiale. Dans tous les cas exposés ci-après, la sonde reçoit une onde de choc plane parallèle à la surface d'impact. La sonde, de type connu, représentée sur la fig. t est constituée par deux électrodes 1 et 2 obtenues par dépôt de cuivre, suivant la technique des circuits imprimés, sur une feuille mince isolante 3. L'onde de choc à chronomètrer se déplace perpen diculairement au plan de la figure ; cette onde, en frappant la feuille 3, ionise fortement lrintervalle 4 entre les électrodes 1 et 2, ce qui provoque une baisse brutale de la résistance électrique de la sonde. Les impulsions obtenues avec cette sonde sont régulierement de tordre de 40 volts avec un front de montée de 15 nanosecondes dans les meilleuresconditions. La sonde, de type connu, représentée sur la fig. 2 est constituée par u cable coaxial rigide, de faible diamètre (1 mm) recouveru d'un capuchon 8 an laiton. Ce caLe coaxial est constitué par une âme 5 et un blindage extérieur 6 entre lesquels se trouve un diélectrique 7. Entre le capuchon 3 et l'extrémité de ce câble subsiste un petit volume d'air 9 d'épaisseur a L'âme 5 et le blindage 6 sont reliés aux deux bornes d'une source de tension électrique ; à ltétat de repos (c'est-à-dire, en l'absence de toute onde de choc), le volume d'air 9 constitue une discontinuité électrique entre l'amie 5 et le blindage 6. Le fonctionnement de la sonde est le suivant Une onde de choc plane vient frapper la face extérieure 10 du capuchon e suivant la direction F1 perpendiculaire à cette face. L'épaisseur b de la partie du capuchon 3 située au-dessus du volume d'air 9 est par exemple de O, 3mm, ce capuchon ayant une épaisseur totale (a + b) de O, 5mm. L'onde de chocy après avoir atteint la face a, traverse l'épaisseur b en environ 60 ns et met en vibration la face du capuchon au contact du volume d'air 9 ; puis l'onde de choc commence à pénétrer dans ce volume d'air 9 et, lorsqu'une certaine épaisseur d'air est ionisée et, avant même que l'onde de choc ne soit parvenue sur l'extrémité 14 de l'amie 5, il se produit le claquage du diélectrique 7. Avec une telle sonde, le front de montée des impulsions est, comme dans le cas de la sonde de la fig. 1, beaucoup trop long pour satisfaire aux exigences actuelles. La sonde selon la présente invention (fig. 3) est une sonde à câble coaxial et à semi-conducteur (les éléments homologues de ceux de la fig. 2 portent les mêmes numéros de référence); elle se compose, d'une part, d'un câble coaxial formé d'une âme 5 et d'un blindage extérieur 6 relié à la terre, entre lesquels se trouve un diélectrique 7, et, d'autre part, d'une diode à semi- conducteur 12 consistant en un parallélépipède de silicium,(appliqué contre l'extrémité de ce câble coaxial en contact avec l'amie 5 dont les cristaux, à l'état de repos (ctest-à-dire en l'absence de vibrations),ont tous la même orientation, cette diode à semi-conducteur étant polarisée en inverse par une tension continue Vo appliquée à l'amie 5. Ce parallélépipède, d'une épaisseur totale de, par exemple 100 pm est formé d'une épaisseur de deux zones P et \t, la zone P étant très mince par rapport à l'autre, par exemple de 2 pm. La base de ce semi-c-onducteur a la forme d'un carré d'environ 500 pm de côté. Le fonctionnement c cette sonde est le suivant a) à l'état de repos, la diode, étant polarisée en inverse par la tension Vo, joue le rôle d'une résistance quasi-infinie. Il y a donc discontinuité électrique entre l'âme 5 et le blindage électrique 6 du câble coaxial. b) Lorsqu'une onde de choc, ayant frappé la face extérieure 13 du semi-conducteur 12 (flèche F2), pénètre dans ce dernier, elle modifie immédiatement l'état cristallin du semiconducteur 12 au fur et à mesure de sa progression, à savoir que les cristaux du semi-conducteur prennent des orientations quelconques. Il en résulte que le semi-conducteur 12 qui, avant ltarrivée de l'onde de choc, constituait une diode jouant le rôle d'une résistance quasi-infinie, devient, après impact de l'onde de choc, l'équivalent d'une très faible résistance. La transition entre le premier état et le second a lieu dans le temps que prend l'onde de choc pour traverser la zone P. Or, celle-ci est très mince. Si son épaisseur est, par exemple de 2 pm , étant donné que l'onde de choc progressée à la vitesse de 5, 4 pm/ns, la transition entre les deux états dure nettement moins d'une nanoseconde. On a donc, à la sortie du circuit électronique, une impulsion dont le front de montée est inférieur à la nanoseconde. La sonde selon l'invention assure une relation parfaite entre le phénomène physique de l'onde de choc et l'impulsion électrique que celle-ci déclenche. Seuls des défauts de fixation mécanique du semi-conducteur 12 risquent de provoquer des erreurs systématiques. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite ci-dessus qu'à titre explicatif et nullement limitatif et qu'on pourra y apporter toutes modifications de détail sans sortir de son cadre. -REVENDICATION- Sonde destinée au chronométrage, par contact, très précis de détonations, ladite sonde étant essentiellement caractérisée par le fait qu'elle comprend, d'une part, un câble coaxial et, d'autre part, une diode à semi-conducteur constituée par une plaque mince formé de deux couches d'épaisseurs inégales dont celle qui a la plus forte épaisseur est appliquée contre une extrémité de ce câble coaxial, en contact avec l'un des deux éléments conducteurs dudit câble, à savoir son âme et dont celle qui a la plus faible épaisseur est réunie électriquement à l'autre élément conducteur à savoir son blindage extérieur, cette diode étant polarisée en inverse par une tension continue appliquée à l'un de ces deux éléments conducteurs du sable et l'autre élément conducteur étant radié à la terre, le montage étant tel qu'à l'état de repos, ladite diode joue le rôle d'une résistance quasi-infinie en raison de sa polarisation en inverse, et que, sous l'effet d'une onde de choc plane frappant la diode, la résistance électrique de cette dernière devienne très faible, ce changement d'état qui provoque le déclenchement d'une impulsion électrique dans le câble coaxial ayant une durée extrêmement faible, égale au temps que prend l'onde do choc pour traverser la plus mince des deux couches constituant la diode