Brevet FR2238290A1 — publié le 19750214

La présente invention a pour objet la concention d'un générateur d'imoulsions électriques très saute tersion, de forme rectangulaire, de très grande puls- sance, délivrant des impulsions de plusieurs dizaines de Kilovolts, de temps de montée de l'ordre de quelques centaines de picosecondes, de durée supérieure à plu- sieurs dizaines de microsecondes, sous une impédance de l'ordre d'une dizaine d'Ohms L'amplitude des perturbations et oscillations parasites qui affectent la forme des impulsions, demeure inférieure à quelques %, tant dans le front de montée que dans la partie plate de l'impulsion, et la différentiation de l'impulsion demeure également inférieure à quelques % Les caractéristiques indiquées ci-dessus ne sont données qu'à titre d'exemple pour situer le domaine de fonctionnement du générateur Elles ne sont pas limitatives et peuvent être étendues aisément, notamment en ce qui concerne l'amplitude et la dure des impulsions, ainsi que l'impédance du générateur. La présente invention sera mieux comprise à l'aide du texte ci-après et des dessins annexes donnes à titre indicatif et non limitatif La figure 1 représente le schéma de principe. La figure 2 montre le schéma d'une ligne de transmission ouverte d'un type hybride. La figure 3 donne le schéma de l'éclateur coaxial. La figure 4 représente le schéma des prises coaxiales haute tension. La figure 5 montre le schéma de l'assemblage des éléments constituant le noyau. Le générateur fonctionne sur le principe connu de la décharge d'une ligne de transmission ouverte, préalablement chargée par l'intermédiaire d'un dispositif interrupteur. dans une résistance étale à son impédance caractéristisue. est Le generateurvconstitue d'une ligne de transmission ouverte d'impédance caractéristique Zo, chargée à la tension E, que l'on décharge par l'intermédiaire d'un dispositif interrupteur dans une résistance égale à Zo ou dans un circuit équivalent. A l'instant t = O, lorsqu'on ferme l'interrupteur, la ligne se comporte comme un générateur de force électromotrice E, de résistance interne Zo. Il apparat aux bornes de la résistance une tension Y = 2 La ligne subit du côté du dispositif interrupteur une chute de tension de même amplitude. Elle est le siège d'une onde progressive qui se réfléchit du côté ouvert en donnant naissance à une onde régressive de même amplitude et de ml me signe. Cette onde régressive se superpose à 1 onde progressive dans la ligne, du côté de la résistance de charge, après un temps 2T correspondant à la durée d'ion aller et retour dans cette ligne. A cet instant, la ligne se comporte comme un nérateur de force électromotrioe-nulle. Il apparaît donc aux bornes de la résistance R une impulsion rectangulaire d'amplitude V = E/@ de durée t = 2T . 2 Sur ce principe, le fonctionnement du générateur d'impulsions n'est priez tiquement limité que par les défauts d'adaptation, les discontinuités, les inductances et les capacités parasites de ses composants. En se reportant à la figure 1 le générateur est constitué : d'une ligne de transmission ouverte (1) d'impédance caractéristique Zo, chargéeà la tension E,que l'on décharge par l'intermédiaire d's rupteur (2) dans une résistance (3) ou son équivalent électrique. En ce qui concerne le générateur objet de l'invention, et comme dans la plupart des générateurs de ce type, l'interrupteur (2) est constitué par un éclateur pressurisé réalisé en structure coaxiale. Cet éclateur actuellement déclenches par variation brusque de pression à l'aide d'une électro-vanne, peut également êt0* synchronisé par l'intermédiaire d'une troisième électrode ou à l'aide d'un fasces laser. Un second éclateur de remise en forme peut améliorer le temps d'établisseme@@ de l'impulsion de sorte que ce ne soit que la bande passante de la ligne de transe mission qui limite le temps de montée. Dans la figure 2 on trouve la caractéristique principale du générateur par rapport aux générateurs fonctionnant sur le même principe, Elle réside dans la conception de la ligne de transmission ouverte d'un type hybride, constituée par l'association d'une ligne de transmission à constantes réparties (4) (ligne coaxial le ou triplaque, ou toute autre structure équivalente) et d'une ligne de transmis- sion à constantes localisées (5), constituée de cellules "passe-bas" à K constant ou dérivée3 en M, de même impédance caractéristique que la première, composée'is- ductances et de condensateurs haute tension Cette conception confère au générateur les avantages des deux types de liO gnes sans en présenter les inconvénients.En, sffet, la ligne à constantes réparties qui permet d'obtenir d'excellents temps de montée, (généralement de l'ordre de quels ques centaines de picosecondes) en raison de sa fréquence de coupure quasi-infinie, ne permet pas de produire des impulsions de très longues durées cause de sa longueur qui deviendrait prohibitive(de l'ordre d'un kilomètre pour 10 microsecondes). Par ailleurs, les pertes ohmiques de cette ligne ne permet'raient pas d'obtenir de longues impulsions sans différentiation. Par contre, la ligne à zons- tartes localisées qui ne permet pas d'obtenir de très fables temps --e montée, en raison de la fréquence de coupure géneralement faible de ses cellules, permet de produire des impulsions de très longues durées sans différentiation. Cependant il n'est pas possible de raccorder de telles lignes sans précaution spéciale tout en voulant obtenir des performances maximales .Le raccordement de la ligne à constantes réparties, qui peut être considérée comme équivalente à une ligne à constantes localisées constituée d'une infinité de cellules, doit s'effectuer progressivement, par l'intermédiaire de cellules de transition généralement disslpatives (e), et éventuellement de réseaux correcteurs (7), constitués d'éléments de ligne à constan- tes réparties ou d'éléments inductifs et capacitifs haute tension généralement amortis.Dans ces conditions, l'amplitude des perturbations et oscillations parasites, qui résultent du raccord des deux types de ligne, n'est fonction que du nombre de cellules de transition Par ailleurs, l'amplitude des oscillations sur la partie plate de llie- pulsion, ainsi que le temps de descente de l'impulsion, ne dépendent que du nombre de cellule de la ligne à constantes localisées Diverses durées d'impulsions peuvent être obtenues en mettant en série, dans l'ordre convenable, différentes lignes partielles.La raccordement entre les éléments de ligne à constantes réparties s'effectue par l'intermédiaire de prises coaxiales haute tension adaptées (8), et entre les éléments de ligne à constantes localisées, à l'aide de semples prises haute tension isolées non blindées (9). ans ce dernier cas l'inductance de la connexion constitue une partie de l'inductance de chacune des cellules d'extrémité des deux éléments de ligne à raccorder. Sous l'aspect technologioue, le générateur objet de l'invention se carac prise encore, d'une part : ar le fait que ses éléments coaxiaux 6 racordE-nt par emmanchement conique de leur diélectrique, la liaison électrique entre conducteurs s'effectuant par l'intermédiaire de bagues multipliant et rêpartissar. les contacts; d'autre part: par le fait que dans les éléments coaxiaux l'impédance est rigoureu- sement maintenue constante dans tous les changements de diamètre imposés par les exigerces -mécaniques de -construction, ceux-ci s'effectuant d'une manière prognssive par l'intermédiaire de transitions coniques A cet égard, l'éclateur coaxial rig.i, ainsi que les prises coaxiales haute tension Fig.4, se singularisent en ce qu'un noyau démontable Diconicue (10), constitué de six éléments, réalisé tel un puzzle Fig.S, assure l'amarrage du conduc- teur central dans le diélectrique, par rapport au conducteur extérieur, en conservant ainsi l'impédance caractéristique constante sans discontinuité électrique. Cette solution réduit l'encombrement et améliore la fiabilité de ces dispositifs en supprimant un emmanchement conique dans le diélectrique à l'emplacement du noyau. Le nombre d'-éléments constituant le noyau n'est pas impératif, la seule condition est que chaque élément puisse s'introquire à l'intrieur du diélectrique dans le logement prévu pour le noyau. L'assemblage doit St effectuer dans l'ordre indiqué sur la fig. 5 et se terminer par l'un des éléments 11 ou 14 à faces paral lèlés-. Un seul élément à faces parallèles est indispensable, cependant la solution retenue facilite l'usinage et l'assemblage. En se référant à la figure 3 de l'éclateur coaxial, les embouts à vis du conducteur central (18) et (19) immobilisent les éléments du noyau (10) à l'intérieur du diélectrique. Les contacts (17) use nés à chacune des extrêmités des éléments du noyau (10) assurent une continuité électrique parfaite avec les embouts du conducteur central. En considérant la figure 4, les prises coaxiales se caractérisent en ce que leur montage, à l'extrêmité du câble coaxial à basse impédance, s'effectue également à impédance caractéristique constante sans discontinuité électrique. Â cet effet le diélectrique de la prise (20) de forme conique est introduit sur une longueur convenable, pour assurer l'isolement, à l'intérieur du diélectrique du câble coaxial (21) préalablement expansé à chaud à l'aide d'un outillage approprié,puis usiné. L'un des embouts à vis du conducteur central de la prise(22),également de forme conique, est inséré entre le conducteur central du câble coaxial(23) et le diélectrique de la prise (20) Une TiiB expansive (24) immobilise le conducteur central du câble (23) par rapport à l'embout conique (22) et par conséquent au diélectrique de la prise (20). L'embout (22) et le second embout à vis du conducteur central (25) immobilisent les éléments du noyau (10) à l'intérieur du diélectrique de la prise (20). Les contacts (17) usinés à chacune des extrémités des éléments du noyau (10) assurent comme dans 1 'éclateur une continuité électrique parfaite avec les embouts du conducteur central. La partie conique du conducteur extérieur de la prise (26) exerce la pression indispensable au bon isolement entre le diélectrique expansé du câble coaxial (21) et le diélectrique de la prise (20) par l'intermédiaire de la partie avant (27) et de l'écrou (28) . Le serre- câble (29) essure l'amarrage du câble à la prise R E V E N D I C A T I O N S 1) - Générateur d'impulsion électrique échelon unité, très haute tension, d@ de très grande puissance et de temps montée ultra-court, le générateur utilisant le principe de la décharge d'une ligne de transmission haute tension ouverte, préala- blement chargée, par l'intermédiaire d'un premier éclateur coaxial pressurisé, dans une résistance égale à l'impédance caractéristique de la ligne de transmission ou dans un circuit équivalent, générateur caractérisé en ce que ladite ligne de tran::- mission haute tension ouverte, d'un type hydrique, est constituée par la combinaise@ d'une première ligne de transmission haute tension à constantes réparties, et d'une deuxième ligne à constantes localisées, cette dernière étant constituée de cellules passe-bas à K constant ou dérivées en M de même impédance caractéristique que ladite première ligne, composées d'inductances et de condensateurs haute tension. 2) - Générateur selon 1, caractérisé en ce que ladite première ligne de transmission à constantes réparties est de type coaxial. Générateur selon 2, caractérisé en ce que le diélectrique du cule coaxial constituant ladite première ligne à constantes réparties est préalablement expansé à chaud, puis usiné. 4) - Générateur selon 1, caractérisé en ce que ladite première ligne de transmission à constantes réparties est de type biplaque ou triplaque. 5) - Générateur selon 1, caractérisé en ce que dans la ligne de transmission h"b'ride, le raccordement de la première ligne à constantes réparties à la deuxième ligne à constantes localisées est réalisé progressivement par l'intermédiaire de cellules de transition, de préférence dissipatises, composées d1inductances, de condensateurs et de résistances haute tension, et éventuellement de réseaux correc- teurs constitués d'éléments de ligne à constantes réparties, ou d'éléments inductif S et capacitifs haute tension généralement amortis, également composés d'inductances, dn condensateurs et de résistances haute tension. 6) - Générateur selon lune des revendication précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un deuxième éclateur de remise en forme pour l'amélioration du temps d'établissement de l'impulsion, de sorte que le temps de montée de l'impul- sion ne soit limité que par la bande passante de la ligne de transmission à constantes réparties. 7) - Générateur suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que diverses durées d'impulsions sont obtenues en mettant en série différents élé- ments de lignes, le - raccordement entre les éléments de ligne à constantes réparties 'effectuant p:r l'intermédiaire de prises coaxiales haute tension adaptées à I 1impédance caractéristique de ladite ligne à constantes réparties et entre les éléments de ligne à cons tantes localisées, à l'aide de prise haute tension isolées non blindées, l'inductance ie la connexion constituant alors une partie de de l'induc- tance de chacune des cellules d'extrémité des deux éléments de ligne à raccorder. 8) - Générateur selon 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de raccordement de deux éléments coaxiaux, comprenant d'une part un emmanchement conique des diélectriques de chacun desdits éléments coaxiaux, et d'autre part moins deux bagues conductrices assurant la liaison électrique entre les conducteurs desdits éléments coaxiaux. 9) - Générateur selon 7, caractérisé en ce qu'il comporte un noyau central torique démontable assurant l'amarrage du conducteur interne dans le diélectrique au conducteur externe, présentant une surface de révolution cylindrique prolongée à chacune de ses extrémités par une surface de révolution tronconique, et divisé sensiblement radialement en plusieurs éléments juxtaposés. 10) - Générateur selon 9, caractérisé en ce que au moins un desdits éléments constitutifs du noyau central présente deux faces latérales parallèles. 11) - Générateur selon 9 ou 10, caractérisé en ce que lesdits éléments consti tutifs du noyau sont munis de contacts à chacune de leurs extrémités conique, afin d'assurer une continuité électrique parfaite avec le inducteur interne. 12) - Procédé de montage d'un moyen de raccordement coaxial monté sur un générateur selon l'une des revendications 1, ou 2, ou 3, ou 5 à 11, caractérisé en ce que, d'une part, le diélectrique de forme conique est introduit à l'intérieur du diélectrique du câble coaxial préalablement expansé à chaud à l'aide d'un outil; lage approprié, puis usiné; d'antre part, un embout à à vis, également de forme conique, est inséré entre le conducteur interne du câble coaxial et le diélectrique précédent, et amarré audit conducteur interne par une vis expansive, afin d'assurer par l'intermédiaire du noyau démontable et d'un second embout à vis, l'immobilisation de l'ensemble, à l'intérieur du diélectrique du moyen de raccordement et, d'autre part enfin, la partie conique du conducteur externe du moyen de raccordement exerce, par l'intermédiaire de la partie avant dudit moyen et d'un écu, la pression indispen- sable au bon isolement entre le diélectrique expansé du câble coaxial et le diélec- trique du moyen de raccordement, un serre-ctble assurant l'amarrage du câhle coaxial audit moyen.