Brevet FR2189858A1 — publié le 19740125

La présente invention concerne des dispositifs de commutation du courant et particulièrement des dispositifs de commutation à décharge. On connaît des dispositifs de commutation à décharge ayant une cathode froide creuse réalisée sous forme d'une chambre fermée et d'une anode renfermée dans la chambre mentionnée (brevet de la République Fédérale d'Allemagne n" 1.257.291), ces dispositifs étant utilisés actuellement dans diverses installations de physique expérimentale industrielles. La conductibilité de ces dispositifs, aux courants dépassant 100 kA et à une durée d'impulsion inférieure à 100-200fus, cesse d'être unilatérale. Toutefois, dans le cas où l'on n'a pas besoin de conductibilité unilatérale, c'est-à-dire pour un régime de décharge oscillatoire, ils permettent une commutation sQre des courants jusqu'à 300 à 350 ka à 5 kV. Par exemple, dans un tel régime, les dispositifs de commutation à décharge ont trouvé leur application dans des machines à mouler et à souder des métaux, au moyen d'un champ magnétique impulsionnel. L'expérience d'exploitation de ces dispositifs dans des circuits électriques présentant une faible inductance a montré que le courant d'impulsion maximal admis du point de vue du danger de détérioration des électrodes ne dépasse pas 200 à 300 kA pour une durée d'impulsion de 20 à 100/us. Les amplitudes du courant étant supérieures à ces valeurs, il se produit une brusque détérioration des électrodes accompagnée d'un dégagement intensifié du gaz. De ce fait, la rigidité diélectrique du dispositif de commutation à décharge se trouve diminuée et sa durée de vie réduite. Cela étant, et lorsqu'il est nécessaire d'augmenter l'amplitude du courant, on est obligé de recourir à un branchement en parallèle des dispositifs de commutation à décharge.Ce branchement en parallèle, non seulement réduit le courant passant dans chaque dispositif, mais s'avère aussi avantageux en ce qu'il permet de diminuer l'inductance totale de plusieurs dispositifs en parallèle. Cependant, un fonctionnement de plusieurs dispositifs branchés en parallèle exige une synchronisation de leurs mises en marche, ce qui impose des conditions sévères et pas toujours faciles à réaliser en ce qui concerne les moyens d'amorçage. Dans ce cas, plus la fréquence d'une décharge oscillatoire est élevée, plus la dispersion d'amorçage de plusieurs dispositifs de commutation à décharge mis en parallèle doit être faible. Dans des dispositifs de commutation à décharge ayant une cathode froide creuse, l'amorçage de décharge se fait en injectant dans l'espace de décharge principal du plasma d'une décharge auxiliaire excitée dans une chambre d'amorçage spéciale, ou en utilisant un champ magnétique impulsionnel créé autour de la cathode par un solénoïde pendant un branchement de courte durée de son enroulement sur une source de tension continue. L'inconvénient essentiel de tels moyens d'amorçage réside en une dispersion relativement grande du temps d'amorçage d'un arc dans le dispositif de commutation à décharge. Ainsi, dans le cas du fonctionnement d'un dispositif de commutation à décharge au moyen de plasma injecté, cette dispersion est de 1 à 2Zus et elle atteint 5 à lOZus lorsque l'on utilise un champ magnétique impulsionnel. Ce défaut ne permet pas de réaliser un branchement en parallèle des dispositifs de commutation à décharge dans des circuits à basse inductance, pour le fonctionnement à une fréquence du courant supérieure à 10 kHz, car une grande dispersion d'amorçage provoque une altération notable de la forme d'impulsion. La présente invention vise à pallier l'inconvénient cité. Le but de l'invention est de mettre au point un dispositif de commutation à décharge supportant des charges de courant élevées, ce qui permettrait de l'appliquer à plusieurs dispositifs de commutation à décharge en parallèle. Ce but est atteint grâce au fait que, selon l'invention, dans un dispositif de commutation à décharge dans lequel la pression de gaz correspond à la branche gauche de la courbe Paschin et comportant une cathode creuse sous forme d'une chambre de décharge fermée, une anode renfermée à l'intérieur de la chambre susdite, et un moyen d'amorçage d'une décharge en arc, la chambre mentionnée est divisée par une cloison au moins en deux chambres de décharge, le dispositif de commutation à décharge comportant alors au moins une anode supplémentaire située de façon que chacune des chambres de décharge contienne les anodes précitées. Il est avantageux que les chambres de décharge mentionnées communiquent. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une vue générale du dispositif de commutation à décharge en coupe longitudinale selon l'invention; - la figure 2 représente la configuration d'un champ magnétique impulsionnel dans la chambre de décharge; et - la figure 3 représente le schéma de branchement du dispositif de commutation à décharge selon l'invention sur un circuit oscillatoire. Le dispositif de commutation à décharge comprend une cathode creuse composée de deux corps métalliques 1 (figure 1) et d'une cloison 2. La cloison 2 divise la cathode creuse en deux chambres de décharge 3 communiquant entre elles à travers un trou dans la cloison 2. Les chambres de décharge 3 renferment des anodes métalliques 4. Les parties constitutives de la cathode creuse, corps 1 et cloison 2, sont étanches à vide, ce qui est réalisé à l'aide de joints 5. Les anodes 4 sont séparées de la cathode au moyen d'isolateurs 6 et 7. Le moyen d'amorçage d'une décharge dans les chambres de décharge 3 présente un solénoïde 8 entourant la cathode et fixé par des vis de réglage 9. Dans les corps 1 et la cloison 2 sont prévues des conduites 10 communiquant entre elles pour le refroidissement par eau de la cathode et des entrées de courant d'anode 11, ces dernières étant creuses. Le pompage de l'air dans les chambres de décharge 3 s'effectue par une conduite 12 dans la cloison 2 et un collecteur 13 à l'aide d'une pompe à vide primaire (qui n'est pas représentée sur le dessin) Afin de pouvoir commuter des courants de 20 à 25 kV, un écran métallique 14 est placé entre le corps 1 de la cathode et l'anode 4. Les distances séparant l'anode 4 et l'écran 14, et celle-ci et le corps de la cathode 1 sont telles que la rigidité diélectrique des entrefers évite l'apparition des décharges dans ces derniers. L'écran 14 est muni d'une sortie 15 pour le branchement des diviseurs de tension extérieurs (non représentés sur le dessin). La sortie 15 est séparée du corps 1 de la cathode au moyen d'un isolateur 16. Un bon fonctionnement du dispositif de commutation à décharge n'est possible que lorsque les dimensions de la cathode, c'est-à-dire le diamètre de la chambre "a" en centimètres (figure 2) et la distance comprise entre l'anode et la cloison "d" en centimètres, ainsi que la pression dans la chambre "p" en irna de Hg,répondent aux conditions ci-après pd ( (pd)min - conforme aux valeurs de la branche gauche de la courbe Paschin; ap ng 1 - présence de l'effet de la cathode creuse. La première condition définit la rigidité diélectrique des espaces interélectrodes d'un dispositif de commutation à décharge avec "p" et "d" choisis. La deuxième condition définit une tension d'amorçage relativement basse d'une décharge en arc, dans les chambres de décharge 3 dans le cas où la polarité des anodes 3 du dispositif de commutation à décharge est positive. Le fonctionnement du dispositif de commutation à décharge est le suivant. La pression dans les chambres de décharge 3 (figure 1) est maintenue de façon à pouvoir remplir la première condition. Pcur l'amorçage du dispositif de commutation à décharge inséré dans un circuit oscillatoire comprenant une batterie composée de condensateurs 17 et 18 (figure 3), il est nécessaire d'envoyer une impulsion de courant au solénoide 8 en provenance d'une source de tension continue de 150-300 V. De ce fait, la configuration d'un champ induit dans les chambres de décharge est telle que les lignes de force dans chaque espace de décharge traversent deux fois la cathode en évitant l'anode 4 (figure 2).A une tension positive aux anodes 4, le croisement des lignes de force des champs électrique et magnétique fait surgir dans les espaces de décharge "des pièges potentiels" où des électrons captés effectuent des mouvements oscillatoires le long des lignes de force du champ magnétique, et en mbme temps dérivent autour de l'axe du système anodecathode. Etant en mouvement pendant un temps assez prolongé, les électrons ionisent le gaz de façon que la longueur d'un parcours libre soit très supérieure à celle de l'espace de décharge. Par suite de l'ionisation, une décharge affecte simultanément les deux espaces de décharge. Ceci est également dû à une pénétration du plasma à travers le trou dans la cloison 2 (figure 1) d'une chambre de décharge 3 à l'autre. Des mesures ont donné une dispersion du temps d'amorçage de l'ordre de O,l/us. Une apparition simultanée de deux espaces de décharge dans le dispositif de commutation à décharge conduit à une diminution de moitié de l'inductance et de la résistance pure, par comparaison avec des dispositifs de commutation à décharge connus. I1 va de soi que l'invention décrite est susceptible de nombreuses modifications ou variantes sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 Dispositif de commutation à décharge avec une pression de gaz correspondant à la branche gauche de la courbe Paschin et comprenant une cathode creuse réalisée sous forme d'une chambre de décharge fermée, une anode renfermée à l'intérieur de la chambre mentionnée, et un moyen d'amorçage d'une décharge en arc, caractérisé en ce que ladite chambre est divisée par une cloison au moins en deux chambres de décharge, le dispositif de commutation à décharge étant muni d'au moins une anode supplémentaire située de façon que chacune desdites chambres de décharge renferme les anodes mentionnées. 2. Dispositif de commutation à décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites chambres de décharge communiquent entre elles.