Brevet FR2321791A1 — publié le 19770318

la présente invention concerne le domaine de ltélectro- physique et plus précisément les éclateursdéclenchés ou commandés à courants forts (dispositifs d'établissement de courant), et peut etre appliquée pour réaliser un branchement rapide de réservoirs d'énergie à impulsions (capacitifs, inductifs, à explosion, etc) sur une charge. La science et la technique modernes ouvrent des possibilités d d'application de plus en plus étendues à toutes sortes d'installations impulsionnelles électrophysiquea comprenant des rservoirs d'énergie qui pendant une courte durée (de 10-3 - 10-4s) se trouve débitée sur une charge, où elle est utilisée pour créer des champs magnétiques de très haute intensifs pour obtenir et maintenir un plasma à haute température dans des installations prévues pour étudier la fusion thermonucléaire contrôlée et dans l'électrotechnologie. Afin d'assurer un branchement rapide d'un réservoir d'énergie à impulsions sur une charge, on utilise dans les réservoirs d'énergie modernes des éclateurs déclenchés ou commandés susceptibles d'établir (de commuter) des courants de 10 à 106A. On connatt des types principaux desdits éclateurs : éclateurs à vide, éclateurs à pression barométrique et à surpression, éclateurs à diélectrique solide. Chacun des types précités d'éclateurs est destiné à entre utilisé dans des conditions déterminées et présente des avantages et des défauts. Ainsi, les éclateurs à vide sont déclenchés dans une large gamme et présentent une grande capacité de transmission de courant, mais en laéme temps ils présentent une résistance à l'érosion insuffisante des électrodes en cas de commutation des courants de plusieurs méga-ampères, ce qui est dû au pincement du plasma dans une chambre de décharge, et ils exigent en outre un équipement assez compliqué pour réaliser un pompage continu des chambres de Décharge jusqu'à un vide poussé et créent des difficultés en utilisation. Les éclateurs connus fonctionnant à la pression barométrique et à gaz comprimé ont un claquage soit monocanal, soit à nombre limité de canaux correspondant à celui des dispositifs d'allumage, dont chacun déclenche le claquage de son canal. Tout ceci définit à priori une faible résistance à l'érosion des éclateurs de ce type, ainsi que*'impossibilité de diminuer sensiblement leur inductance. Les éclateurs à diélectrique solide connus actuellement, ont une inductance suffisamment faible, une large gamme de tension de déclenchement, mais ce sont en principe des éclataurs à fonctionnement unique, car il8 exigent le changement de diélectrique après chaque décharge. Une considérable capacité de transmission de courant (I- i x ou 2 IXIA) est assurée dans de tels éclateursgrace à l'application d'un nombre de dispositifs d'allumage dont chacun déclenche le claquage de son canal. La résistance à l'érosion de tels éclateurs n'est pas haute, car chaque canal (vu leur nombre limité) commute des coutants assez grands, ce qui provoque la détérioration des électrodes et rend nécessaire leur remplacement après une série de décharges. L'art antérieur le plus proche de l'objet de l'invention est un éclateur à claquage en cascade fonctionnant à pression barométrique et à surpression. 'a description de tous les types d'éclateurs mentionnés ci-dessus est donnée dans la monographie "Procédé permettant d'obtenir de forts courants impulsionnels et des champs magnétiques intenses", en russe, Dashouk P.N. et autres, Atomisdate, 1970, ou est décrit un éclateur à décharge en cascade, aux pages 21g, 220. Le meme dispositif est décrit dans l'article : Putman T.M. Kemp E.L., I.R.E. Trans. Nucl. Sci. 9, N2.74 (1962). Un éclateur comprend deux électrodes dites primaires sous forme d'hémisphères fixées à une chambre de décharge diélectrique et une électrode de déclenchement située entre les électrodes primaires et les surfaces de travail de laquelle sont limitées des deux cotés par les hémisphères. Une impulsion de tension appliquée à l'électrode de déclenchement provoque le claquage d'un des intervalles de décharge, alors que l'autre intervalle (entre l'électrode de déclenchement et l'autre électrode primaire) claque sous l'action de la tension de travqil totale qui se trouve appliqée à cet intervalle après le claquage du premier intervalle de décharge. Dans le but d'améliorer la résistance å l'érosion, les parties centrales de toutes les électrodes ont des coussinets en alliage de tungstène. le caractère monocanal du claquage dans un tel éclateur et la détérioration de la partie centrale des électrodes, ce qui est lié au premier, sont à 1' origine de sa faible capacité de transmission de courant, laquelle ne dépasse pas 2 x 105 A, un emplacement éloigné d'un conducteur sous courant inverse par rapport à un canal de claquage conditionne une valeur d'inductance considérable égale à 30 à 50 nR, (pour uns tension de travail de 30 à 50 kV) alors que le mécanisme des claquages successifs des intervalles de décharge, lequel est lié au claquage de l'un des intervalles sous l'effet de la tension de travail (et non pas sous l'effet d'une impulsions de déclenchement, limite jusqu'à (0,3 :: i)U la gamme de commande en tension des éclateurs. Le but de l'invention est de mettre au point un éclateur à fonctionnement multiple, présentant une inductance assez faible (jusqu'aux unités et fractions du nR), une gamme de commande maximale possible et une capacité de transmission de courant élevée (de l'ordre d'un ou plusieurs MA), grtce à la diminution du risque d'érosion des électrodes. Ce but est atteint grEce au fait que éclateur déclenché comprenant des barres de courant direct et inverse, celles-ci reliant électriquement une charge et une source d'alimentation, deux électrodes primaires entre lesquelles se trouve une électrode de delenchement électriquement couplée à l'un des p8les d'une voie d'impulsion de déclenchement , et un élément diélectrique occupant les intervalles entre les électrodes précitées, est caractérisé, selon l'invention, en ce que les électrode 8 primaires et de déclenchement sont placées sur une surface du diélectrique dont l'épaisseur est inférieureà l'intervalle entre les électrodes primaires, alors que la surface oppose du diélectrique, sur une section correspondant à l'intervalle séparant les électrodes primaires, est dotée d'une couche conductrice de courant électriquement reliée à l'une au moins des électrodes primaires et-à l'autre pale de la voie d'impulsion de déclenchement, de façon qu'à partir de l'électrode de déclenchement, le long de la surface du diélectrique dans le sens des électrodes primaires, surgit une décharge rampante multicanal. Ainsi, selon l'invention, un canal de claquage est formé comme bn claquage multicanal s'appliquant à la surface d'une mince couche diélectrique sur laquelle se situent les électrodes. Une telle structure d'un éclateur ayant des électrodes s'étendant suivant la surface d'un diélectrique dans le sens perpendiculaire à celui du passage du courant permet de créer une décharge rampante multicanal entre les électrodes suivant tout le périmètre d'une électrode. I1 est avantageux de donner au diélectrique mentionné la forme d'une plaque plate, et de placer une couche d'isolation interchangeable entre la surface du diélectrique et les électrodes. La faible épaisseur du diélectrique assure une réduction considérable de l'inductance de l'éclateur entre la couche de plasma de décharge et le conducteur de courant inverse. Le développement d'une décharge sur la surface d'une électrode ayant une forme plate étendue ou annulaire assure de faibles densités de courant à l'électrode, sa haute résistance à l'érosion, et donc une capacité de transmission de courant élevée de l'éclateur. I1 est aussi possible d'utiliser une couche conductrice de courant comme-une partie de la barre de courant inverse. Le mécanisme de formation d'une décharge superficielle sur un diélectrique solide propre à l'éclateur considéré assure un claquage multicanal provoqué par un seul dispositif d'allumage qui fournit une impulsion de tension unique à l'électrode de déclenchement, le déclenchement de l'éclateur s'effectuant à n'importe quelle tension aux électrodes primaires ( partir de O jusqu'à U de travail). Dans une autre variante de mise en oeuvre de l'éclateur, il est avantageux de prdvoir la barre de courant inverse à proximité immédiate de la couche conductrice de courant mentionnée ci-dessus, et il est alors indispensable d'isoler la barre de courant inverse de la couche conductrice de courant. I1 est aussi désirable de relier la couche conductrice de courant, laquelle a été isolée des barres de courant direct et inverse, aux électrodes primaires par l'intermédiaire de résistances de valeur ohmique élevée, lesquelles constituent les branches d'un diviseur de tension Il est possible de relier la couche conductrice de courant à au moins l'une des électrodes primaires à travers un dispositif capacitif. Dans l'une des variantes de conception de ltéctateur, il est avantageux de donner à l'élement diélectrique la forme d'un cylindre, en plaçant sur Sa surface extérieure une électrode primaire et l'électrode de déclenchement, celles-ci ayant alors la forme d'anneaux concentriques au cylindre diélectrique ; la couche conductrice de courant est dans ce eas disposée sur la surface intérieure du cylindre, et la barre de courant inverse, d'une façon concentrique à l'intérieur du cylindre diélectrique. 'essentiel de l'invention est expliqué dans la description, qui va suivre, d'exemples non limitatifs de réalisation de l'éclateur déclenché proposé, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente un éclateur déclenché ou commandé selon l'invention (en coupe longitudinale) ; - la figure 2 représente l'éclateur déclenché selon l'invention (vue en plan) - la figure 3 représente une gariante de réalisation de l'éclateur déclenché ; - la figure 4 représente une autre variante de l'éclateur déclenché selon l'invention ; - la figure 5 présente encore une variante de réalisation de l'éclateur déclenché ; - la figure 6 représente une variante de réalisation de 1' éclateur déclenché ayant un élément diélectrique cylindrique, selon l'invention. L'éclateur déclenché ou commandé comprend des barres I (figure -1) de courant direct reliant une source d'alimentation 2 et une charge 3 à deux électrodes primaires 4 et 5, et une barre 6 de courant inverse reliant la charge 3 à la source d'alimentation 2. En tant que source d'alimentation 2 peut cotre utilisé dans le dispositif considéré un réservoir d'énergie à impulsion composé d'un grand nombre de condensateurs en parallèle, et en tant que charge 3, un solénorde à spire unique, selon la figure 1, destiné à créer un champ magnétique impulsionnel. Les barres 1, 6 de courant direct et inverse respectivement peuvent être réalisées sous forme de t8les conductrices ou sous forme d'un grand nombre de câblés connectés en parallèles. Entre les électrodes primaires 4, 5 situées sur une face d'un élément diélectrique plat 7 se trouve une électrode de déclenchement 8. Les électrodes primaires 4, 5 et l'électrode de déclenchement 8 de la figure 1 se présentent sous forme de barres métalliques (d'acier, de cuivre, etc.) de section rectangulaire ou ronde s'étendant perpendiculairement à la direction du courant. La distance entre les électrodes primaires 4, 5 et de déclenchement 8 est choisie de manière à assurer l'isolement, par l'intermédiaire de l'éclateur, de la source d'alimentation 2 par rapport à la charge 3 pour la valeur de tension de travail choisie du dispositif. L'épaisseur de l'4lément diélectrique 7 est choisie très inférieure à l'intervalle séparant l'électrode primaire 4 ou 5 et l'électrode de déclenchement 8. Comme exemple de réalisation de l'élément diélectrique 7 on peut citer les diélectriques présentant une bonne résistance aux chocs et une bonne capacité gazogène pour un contact de courte durée avec le plasma, par exemple la matière connue sous la dénomination commerciale "selon", la fibre de verre. En qualité de matière diélectrique peuvent être utilisés la matière connue sous la dénomination commerciale "Plexiglas" et le polyéthylène. Dans la variante de conception proposée de l'éclateur, ltélement diélectrique 7 (figure 2) se présente comme une mince feuille plate t fibre de verre dont les dimensions en plan dépassent la largeur des électrodes primaires 4, 5 et l'intervalle séparant celles-ci. A la face opposée de l'élément diélectrique 7 est directement adjacente une couche conductrice de courant 9 qui, selon la figure 1, constitue en mtme temps une partie de la barre de courant inverse 6. La couche conductrice de courant 9 revit la face opposée de l'élément diélectrique 7 suivant toute la section entre les électrodes primaires X, 5. Cette couche conductrice de courant 9 est électriquement reliée à une électrode primaire 5 par l'internédiaire de la charge 3 (solénoSde), et à l'autre, 4, par l'intermédiaire de la capacité de la source d'alimentation 2. Le couplage entre la couche conductrice de courant 9 et une seule ou les deux électrodes primaires 4, 5 peut Store aussi bien galvanique que capacitif. La couche conductrice de courant 9 peut titre réalisée sous forme d'une feuille métallique (feuille d 'aluminium, feuille de cuivre) ou d'une mince plaque, ou bien elle peut étre déposée sur la face opposée de l'élément diélectrique 7 par un procédé de métallisation. Une voie 10 d'impulsion de déclenchement est reliée par un p8le à l'électrode de déclenchement 8, et par l'autre, à une section de la couche conductrice de courant 9 située directement au-dessous de cette zone, où doit se former une décharge multicanal. En tant que voie 10 d'impulsion de déclenchement, peut être utilisé un cible coaxial à conducteur unique, et l'impulsion elle-méme peut Autre une impulsion de tension apériodique ou oscillatoire. Des floches 11 montrent sur les figures 1 et 2 le sens des courants dans l'éclateur at dans toute l'installation, et des flèches brisées 12 montrent de façon conventionnelle les voies et la direction dans laquelle se développe la décharge multicanal au stade de sa formation sur l'électrode de déclenchement 8. La figure 3 représente une variante de mise en oeuvre d'un éclateur déclenché qui diffère de celui qui a été décrit plus haut en ce que, selon l'invention, l'élément diélectrique 7 est ici composé d'une plaque diélectrique changeable après un nombre déterminé de décharges (le diélectrique peut alors ne pas présenter une rigidité diélectrique correspondant à la valeur totale de la tension de travail), et d'une couche auxiliaire 13, par exemple en diélectrique à film itilticouche (polyéthylène, polyéthylnetéréphtalate "Xylar", etc), lequel est joint à l'isolation disposée entre les barre. de courant direct 1 et inverse 6. Une autre variante de mise en oeuvre de l'éclateur est illustré sur la figure 4. Sa particularité réside dans le fait que la couche conductrice de courant9 placée sur la face opposée de l'élément diélectrique 7, ne fait pas partie de 3a barre de courant inverse 6 (comme c'est le cas dans les variantes illustrées sur les figures 1, 2, 3) mais elle est isolée de celle-ci à l'aide d'une isolation à film mince 14. Une telle réalisation de l'éclateur assure sa faible inductance grboe à ce que la barre de courant inverse 6 est proche de la barre de courant direct parcourant la voie de claquage multioanal sur la surface de l'élément diélectrique 7. La figure 5 représente une autre conception de l'éclateur. La couche conductrice de courant 9 est ici reliée à chacune des électrodes primaires 4, 5 par l'intermédiaire de résistances 15 de valeur ohmique élevée, oes résistances remplissant la fonction d'un diviseur de tension continue et fournissant en régime de charge à la couche conductrice de courant 9 une tension qui est la moyenne entre celle de l'électrode primaire 4 reliée à la source d'alimentation 2 et celle de l'électrode primaire 5 reliée à la charge 3.De ce fait, en maintenant la distance minimale entre chacune des électrodes primaires 4, 5 et la couche conductrice de courant 9 (cela étant nécessaire pour engendrerune décharge rampante multicanal), on assure une réduction de l'intensité du champ électrique au voisinage des électrodes primaires 4, 5 en régime de charge, ce qui empêche le fonctionnement intempestif de ltéilateur et permet de l'utiliser à une tension de travail plus élevée. La figure 6 représente la conception d'un éclateur déclenché dans lequel l'élément diélectrique 7 est un cylindre à parois minces, à la surface extérieure duquel sont disposées les électrodes primaires 4, 5 et l'électrode de déclenchement 8 ces dernières se présentant sous forme d'anneaux adjacents à la surface de l'élément diélectrique 7. La couche conductrice de courant 9 est ici située sur la surface intérieure de l'élément diélectrique 7 et fait partie de la barre de courant inverse 6. Un avantage d'une telle variante de réalisation de l'éclateur réside en ce qutil n'est pas soumis aux effets de bord qui pourraient avoir lieu aux extrémités des barres rectangulaires, c' est-à-dire que la fiabilité de fonctionnement de l'éclateur est améliorée (pour tous les avantages décrits précédemment), gr2ce à une répartition plus régulière des canaux suivant le périmètre des électrodes. la voie 10 d'impulsion de déclenchement peut alors être reliée à l'électrode de déclenchement 8 et à une des électrodes primaires 4, reliée à la couche conductrice de courant 9 à l'intérieur de l'élément diélectrique 7. I1 est possible de relier la voie 10 d'impulsions de déclenchement à l'électrode de déclenchement 8 à travers l'élément diélectrique 7 et la barre de courant inverse 6. Dans une autre variante de mise en oeuvre de l'invention, prévoyant l'élément diélectrique de forme cylindrique, les électrodes primaires et de déclenchement sont disposées sur la surface intérieure de l'élément diélectrique, la couche conductrice de courant devant alors être placée .sur la face extérieure du cylindre diélectrique (cette variante n'est pas montrée sur le dessin). Une impulsion de tension d'initiation est appliquée à l'éclateur par la voie de déclenchement 10 reliée directement à l'électrode de déclenchement 8 et à la couche conductrice de courant 9 située sur la face opposée de l'élément diélectrique 7 entre les électrodes 4 et 5. A partir de l'électrode de déclenchement 8 se développent dans les deux sens vers les électrodes primaires 4 et 5 des étincelles de décharges rampantes. Ces décharges surgissent sous forme d'un réseau multicanal vu la faible épaisseur de la plaque diélectrique (très inférieure à l'intervalle séparant les électrodes) et les grandes intensités de champ électrique atteintes dans les tStes des étincelles. Le claquage par décharge rampante à partir de l'électrode 8 aux électrodes primaires 4 et 5 étant complète, les électrodes primaires se trouvent court-circuitées, et toute la voie multicanal est parcourue par un courant de décharge en provenant du circuit principal de la source d'alimentation 2, c'est-à-dire du réservoir d'énergie. Comme la décharge rampante de déclenchement se développe à partir de l'électrode 8 dans les deux sens simultanément, l'éclateur fonctionne à n'importe quelle tension (cette tension peut être égale aussi à 0), entre les électrodes 4, 5, le temps de fonctionnement et la dispersion des retards restant minimaux dans toute la gamme des tensions de fonctionnement de l'éclateur, car ces valeurs sont définies par les conditions de développement de la décharge sous l'effet de l'impulsion de tension de déclenchement appliquée par la voie 10. Le développement d'une décharge multicanal uniformément répartie le long des électrodes étendues plates ou annulaires assure une diminution du risque d'érosion des électrodes, en permettant aussi d'augmenter jusqutà plusieurs méga-ampères la capacité de transmission des éclateurs. La surface de l'élément diélectrique sur laquelle se développe la décharge lors de l'interaction avec le plasma s'évapore en étant automatiquement nettoyée des produits de décharge. I1 est à noter que pour des charges de courant d'une valeur de 30 à 40 kÂ par cm de périmètre d'électrode (en travers du courant) etde durées allant jusqu'à de 100 à 200? s, la détérioration de l'élément diélectrique est pratiquement négligeable, ce qui assure le fonctionnement multiple de l'éclateur sans changement de l'élément diélectrique. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. Sn particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des-moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E Y E N D I C A T I 0 N S lo Eclateur déclenché comprenant des barres de courant direct et inverse, reliant électriquement une charge et une source d'alimentation. a deux électrodes primaires 4,5, disposée sur l'un des côtés de l'élément diélectrique 7 et une électrode de commande, reliée électriquement à l'un des pôles d'une voie d'impulrion de déclenchement,- caractérisé en ce que ltélectro- de de commande 8 est disposée sur la surface de l'élément diélectrique 7 entre les éléctrodes primaires 4,5, tandis que le côté opposé de l'élément diélectrique 7 sur la partie correspondant à l'espacement entre les électrodes primaires est muni d'une couche conductrice de courant 9 reliée électriquement å au moins l'une des électrodes primaires 4,5 et à l'autre pôle du canal 10 d'impulsion de déclenchement, de façon qu'en appli quant une impulsion de déclenchement à l'électrode de commande 8, une décharge multicanal se forme sur la surface de l'élément diélectrique. 2. Eclateur déclenché selon la revendication 1,- caractérisé en ce que la couche conductrice de courant 9 est- is-olée de la barre 6 du courant inverse par une couche d'isolation 13 qui se trouve entre la surface de l'élément diélectrique 7 et les électrodes 4,5,8. 3. Eclateur déclenché selon l'une des revendications I ou ?, caractérisé en ce que ladite couche conductrice de courant est isolée de la barre du- courant inverse, située à proximité immédiate de ladite couche conductrice de courant 9. 4. Eclateur déclenché selon la revendication 3,- caractérisé en ce que la couche conductrice de courant 9, isolée relativement à la barre 6 de courant inverse est reliée aux électrodes primaires 4,5 par l'intermédiaire de resistances de valeur ohmique élevée,- lesquelles constituent les branches d'un diviseur de tension0 /0 5. Eclateur déclenché selon la revendication 4,- cårac- térisé en ce que la couche conductrice de courant 9, est reliée à au moins l'une des électrodes primaires par l'intermédiaire d'un dispositif capacitif. 6. Eclateur déclenché selon l'une des revendications précédentes,- caractérisé en ce que l'élément diélectrique 7 est réalisé sous forme d'un cylindre, sur la surface extérieure duquel sont disposées les électrodes primaires 4,5 et l'é- lectrode de déclenchement 8, qui se présentent sous forme d'anneaux concentriques à L'élément diélectrique 7, alors que la couche conductrice de courant 9 se trouve sur sa face intérieure et que la barre de courant inverse est disposée axialement à l'intérieur de l'élément diélectrique 7.