Brevet FR2206652A1 — publié le 19740607

La présente invention concerne les dispositifs de comntation, et plus particulièrement les dispositifs de commutation à décharge gazeuse. Etant donné le développement de la technique thermonucléaire, on a étudié en détail le phénomène de pincement Z cylindrique et non cylindrique pour des intensités pouvant atteindre plusieurs MA. Comme on le sait, le confinement du plasma d'une décharge de forte intensité s'opère sous Iraction de la pression magnétique du courant semé. Le pincement Z non cylindrique est engendré lors du passage d'une décharge impulsionnelle de faible durée avec une amplitude du courant de plusieurs centaines de kiloampères, et même plus, dans un système d'électrodes dont la cathode est constituée par une chambre métallique en forme de tube ou de cuvette, tandis que l'anode est réaliséesous la forme d'un disque plat isolé de la cathode et logé à l'intérieur de la chambre mentionnée. Dans des conditions convenables, suivant la pression du gaz, on obtient dans ces systèmes une forme de pincement suivant laquelle le cordon de plasma confiné ressemble à un cbne et constitue des jets cumulatifs projetés le long de l'axe longitudinal de la chambre de décharge. Au moment de la contraction rapide de la gaine de courant il se forme un "foyer" de plasma dont la densité atteint une valeur masimie, après quoi le plasma est éjecté à une vitesse de 107 cm/s environ sur l'anode et le fond de la cathode.L'action réciproque entre le jet cumulatif du plasma d'une part et l'anode et la cathode d'autre part provoque la fusion et la destruction de ces dernières sous forme de cratères de grande dimension. Actuellement, dans diverses installations d'expérimentation physiques et industrielles, on fait appel à des dispositifs de commutation à décharge gazeuse comportant une cathode froide creuse se présentant sous la forme d'une chambre de décharge fermée une anode disposée à l'intérieur de la cathode mentionnée3 et un dispositif pour l'amorçage de l'arc de décharge (brevet de la RepubliquekFedérale d'Allewagne n 1257291). A des intensités supérieures à 100 kA avec une durée d'impulsion inférieure à 100-200 /us, ces installations perdent leur conduction unidirectionnelle.Cependant, dans les nombreux cas où il n'est pas nécessaire de disposer d'une conduction unidirectionnelle, crest-a-dire en régime de décharge oscillatoire, elles permettent de commuter d'une façon fiable deys courants ayant une amplitude de 300 à 350 kA sous des tensions de 20 à 25 kV. La configuration des électrodes et les conditions engendrées par la pression du gaz dans les dispositifs mentionnés sont identiques à celles des installations à pincement Z non cylindrique. Les recherches physiques ont démontré que le mouvement des décharges dans les dispositifs comparés sont aussi identiques. A des amplitudes du courant de 200 à 400 kA et à des fréquences d'oscillation de (0,2 à 2).105 Hz, à l'intérieur des dispositifs de commutation à décharge gazeuse, les électrodes sont soumises à une destruction intensive s'accompagnant d'un dégagement excessif des gaz. I1 en résulte que la résistance électrique du dispositif est nettement réduite, de même que sa durée de vie. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus. Dans cette invention, l'on se propose de mettre au point un dispositif de commutation à décharge gazeuse dans lequel le phénomène de foyer de plasma ne pourrait pas se former et/ou la formation des jets cumulatifs du plasma détruisant les électrodes ne pourrait avoir lieu. Ce problème est résolu par le fait que le dispositif de commutation à décharge gazeuse, dont la pression du gaz correspond à la branche gauche de la courbe de Paschen comportant une cathode creuse se présentant sous la forme d'une chambre de décharge fermée, une anode disposée à l'intérieur de la cathode et un moyen pour l'amorçage de l'arc de décharge est doté, conformément à l'invention, d'un dispositif, engendrant un champ magnétique impulsionnel entre la cathode et l'anode, s'opposant à la contraction du courant de l'arc de décharge disposé à l'intérieur de la cathode, et se présentant sous la forme de deux spires métalliques non fermées dont l'une est raccordée à la cathode, et l'autre à l'anode, Le problème est également résolu par le fait que le dispositif de commutation à décharge gazeuse, où la pression du gaz correspond à la branche gauche de la courbe de Paschen, comportant une cathode creuse se présentant sous la forme d'une chambre de décharge fermée disposée à l'intérieur de la cathode, et un moyen pour l'amorçage- de l'arc de décharge, conformement à l'invention, est doté d'un dispositif engendrant un champ magnétique impulsionnel entre la cathode et l'anode s'opposant à la contraction du courant de l'arc de décharge et qui est disposé à l'intérieur de la cathode en se présentant sous la forme d'une spire métallique non fermée isolée de la cathode. Le dispositif de commutation à décharge gazeuse proposé permet d'assurer la commutation des courants impulsionnels d'une valeur pouvant atteindre jusqu'à 1MA, sans détruire les électrodes. 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 représente schématiquement le dispositif de commutation à décharge gazeuse, le champ magnétique étant engendré entre l'anode et la cathode, conformément à l'invention; la figure 2 est la vue d'ensemble du dispositif de commutation à décharge gazeuse conforme à l'invention (coupe longitudinale); la figure 3 est la vue d'ensemble d'une autre version de réalisation du dispositif de commutation à décharge gazeuse avec spire métallique non fermée, isoléedela cathode, conforme à l'invention, (coupe longitudinale). La non-formation du pincement Z non cylindrique et du foyer de plasma avec jets cumulatifs, provoquant l'érosion intensive des électrodes ainsi que le dégagement intense de gaz, affectant la marche normale des dispositifs de commutation à décharge gazeuse pour fortes intensités, est basée sur le phénomène d'interaction du champ magnétique et du courant élec- trique de décharge. La formation du pincement Z non cylindrique et du foyer de plasma, au moment de la contraction totale de la couche de courant en un cordon mince au centre de l'intervalle de décharge gazeuse dans le système cathode 1 (figure l)-anode 2, est due à l'influence du champ magnétique extérieur engendré par le courant de décharge. Le long de l-'axe longitudinal de l'intervalle de décharge gazeuse dans le système cathode 1 - anode 2, un champ magnétique interne est engendré dont l'intensité H1 est telle que la force développée autours de I'interaction entre la couche de courant et le champ magnétique mentionné équilibre la force de contraction de la couche de courant engendree au cours de l'interaction de cette dernière avec le champ magnétique extérieur d'intensité H2. De cette façon, pour la couche de courant inclinée représentée sur la figure 1 par des hachures, le champ magnétique intérieur constitue une barrière fermée à l'intérieur de laquelle le foyer de plasma ne se forme pas. Pour le pincement Z cylindrique et non cylindrique où I est la valeur du courant de décharge en ampères; a est le rayon moyen du cordon de plasma en centimètres. La condition de non-formation du foyer de plasma, est la suivante H1 # H2 Le dispositif de commutation à décharge gazeuse comporte une cathode creuse 3 (figure 2) réalisée sous la forme d'une chambre de décharge cylindrique fermée, en métal. A l'intérieur de la cathode creuse 3 se trouve une anode 4. Pour la commutation des courants avec une tension atteignant 20-25 kV, un écran métallique 5 est placé entre la cathode creuse 3 et l'anode 4. Les distances entre la cathode 3 et l'écran 5, et entre l'écran 5 et l'anode 4, sont choisies de telle façon que la rigidité électrique des entrefers élimine toute possibilité de formation de la décharge dans ces derniers. L'écran 5 comporte une connexion 6 isolée de la cathode 3, pour le raccordement des diviseurs de tension extérieurs (non représentés sur le dessin). Les entrées de l'anode 4 et de l'écran 5 sont isolées par l'intermédiaire des isolateurs 7 et 8. Des canalisations 9 pour le refroidissement par eau sont prévues dans les parois de la chambre de cathode 3. L'eau de refroidissement est débitée par des raccords 10. L'entrée d'anode 4 comporte également des canalisations 'non représentées sur le dessin) pour le refroidissement par l'eau amenée par des raccords 11.Pour le déclenchement du dispositif de commutation à décharge gazeuse, on utilise un accessoire d'amorçage de l'arc de décharge se présentant sous la forme d'un solénoïde 12. Pour le pompage de l'air et pour la formation de la dépression nécessaire dans l'enceinte de la cathode 3, on fait appel à une pompe à vide forcé (non représentée sur le dessin). Le pompage de l'air est réalisé par l'intermédiaire d'une préchambre 13.Pour le fonctionnement normal du dispositif de commutation à décharge gazeuse, les dimensions de la cathode creuse 3, c'est-à-dire le diamètre a de la chambre en centimètres, ainsi que la distance d, également en centimètres, entre l'anode 4 et le socle de la chambre, de uème que la pression p dans la chambre exprimée en millimètres de Hg doivent satisfaire aux conditions suivantes : pd((pyd) min c'est-à-dire la correspondance aux valeurs de la branche gauche de la courbe de Paschen, appel fs1 (la présence de l'effet de cathode creuse). La première condition détermine la rigidité électrique des intervalles entre électrodes du dispositif de décharge gazeuse pour des valeurs p et d choisies. La deuxième condition assure une tension d'amorçage de l'arc relativement faible dans la chambre de décharge en présence d'une polarité positive de l'anode 4 dans le dispositif de commutation à décharge gazeuse. Des spires métalliques annulaires non fermées 14 et 15 engendrent un chais Magnétique impulsionnel entre la cathode 3 et l'anode 4, s'opposant à la contraction du courant de l'arc de décharge, à l'intérieur du dispositif, à la base de la cathode 3 et à-la surface de l'anode 4 orientée vers la base de la cathode 3, coaxialement à l'axe longitudinal de la cathode 3. Une extrémité de la spire 14 est raccordée à l'anode 4, et une extrémité de la spire 15 est raccordée à la cathode 3 par l'intermédiaire de cales métalliques soudées 16. Une spire métallique non fermée 17, isolée de la cathode 3 et logée dans la chambre de décharge de celle-ci engendre également, dans une autre version du dispositif de commutation à décharge gazeuse (figure 3), le champ magnétique impulsionnel entre la cathode 3 et l'anode 4, dans la chambre de décharge de la cathode creuse 3. Le dispositif de commutation à décharge gazeuse fonctionne de la façon suivante. La pression établie dans l'enceinte de la cathode 3 (figure l) doit respecter les conditions mentionnées plus haut concernant les valeurs de la branche gauche de la courbe de Paschen. Pour le déclen chewent du dispositif de commutation à décharge gazeuse, on applique au solénotde 12, à partir d'une source de tension continue, une impulsion de courant de 150 à 300 V dont la durée est de quelques centaines de milli- secondes. La configuration du champ magnétique qui est alors engendré' dans la chambre de décharge est telle que, dans l'intervalle de décharge, les lignes de force s'entrecroisent deux fois avec la cathode 3 sans passer par l'anode 4.En présence d'une tension positive à l'anode 4, par suite de l'intersection des lignes de force des champs électrique et magnétique, dans l'intervalle de décharge gazeuse, il se forme des pièges de potentiel dans lesquels les électrons décrivent un mouvement d'oscillation le long des lignes de force du champ magnétique et dérivent simultanément autour de l'axe du système anode-cathode.- En se déplaçant assez longtemps, les électrons procèdent a I'ionisationsdu gaz'dans certaines conditions, lorsque leur libre parcours est très supérieur' à l'intervalle de décharge. Par suite de l'ionisation, une décharge est engendrée dans l'intervalle de décharge gazeuse. Après 1-'azorçage'de la décharge, la couche de courant est déplacée sous l'effet des forces électrodynamiques suivant la cathode 3 et l'anode 4. Quand. la décharge débouche sur les spires annulaires 15 et 14, le courant commence à circuler par ces dernières, en engendrant un champ magnétique intérieur dont intensité H1 le long de l'axe longitudinal de la cathode creuse 3 sera oersteds où r eit 1-e 'rayon de la spire en anneau, en centimètres, Im, l'intensité moyenne du courant passant par la spire, en ampères. Les deux spires en anneau constituent pour ainsi dire un solénotde à deux spires si les champs magnétiques de chaque spire sont orientés parallèlement. Le champ magnétique d'intensité H1 constitue la barrière à l'intérieur de laquelle le plasma ne pénètre pas, donc les surfaces de l'anode 4 et de la cathode 3 ne seront pas soumises à l'érosion. Etant donné que la conductivité de la spire en anneau est supérieure à celle du plasma de plusieurs ordres de grandeur, l'amorçage en cascade de l'arc "plasma-spire-électrode" ne sera pas engendré. Le champ magnétique impulsion intérieure d'intensité H1 est engendré non seulement par le courant de décharge mime, mais aussi par l'impulsion de courant de la source d'énergie extérieure (figure 3). La source extérieure (non représentée sur le dessin) délivre à la spire 17 une impulsion de courant engendrant dans la chambre de décharge le champ magnétique mentionné plus haut pour l'amorçage de l'arc de décharge. La durée de l'impulsion de courant est choisie-de telle façon que le champ magnétique qu'elle engendre subsiste pendant tout le temps de maintien de l'arc de décharge. Le champ magnétique induit est alors également utilisé comme barrière s'opposant à la contraction de la couche de courant et à la formation d'un foyer de plasma. Le dispositif est destiné principalement aux installations d'expérimentation physique et aux installations industrielles en particulier aux installations pour la mise en forme (élaboration) et le sondage de métaux au moyen d'un champ magnétique impulsionnel. 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 gazeuse dont la pression du gaz correspond à la branche gauche de la courbe de Paschen, comportant une cathode creuse se présentant sous la forme d'une chambre de décharge fermée, une anode logée à l'intérieur de la cathode, et un moyen pour l'amorçage de l'arc de décharge, caractérisé par le fait qu'il est doté d'un moyen pour engendrer un champ magnétique impulsionnel entre la cathode et l'anode, qui s'oppose à la contraction du courant de l'arc de décharge, disposé à l'intérieur de la cathode et se présentant sous la forme de deux spires métalliques non fermées dont l'une est reliée à-la cathode et l'autre à l'anode. 2. Dispositif de commutation à décharge gazeuse, dont la pression du gaz correspond à la branche gauche de la courbe de Paschen, comportant-- une cathode creuse se présentant sous la forme d'une chambre de décharge fermée, une anode disposée à l'intérieur de la cathode, et un moyen pour l'amorçage de l'arc de décharge, caractérisé par le fait qu'il est doté d'un moyen pour engendrer un champ magnétique impulsionnel entre la cathode et l'anode, qui s'oppose à la contraction du courant de l'arc de décharge, ce moyen étant disposé à l'intérieur de la cathode et se présentant sous la forme d'une spire métallique non fermée isolée de la cathode.