Brevet FR2507401A1 — publié le 19821210

COMMUTATEUR COAXIAL A HAUTE TENSION La présente inventionconcerne d'une façon géné- rale la commutation à grande vitesse d'impulsions électri- ques de haute tension et de grande intensité et, plus particulièrement un dispositif de commutation rapide et sûre de tensions et intensités audelà de la plage des thyratrons disponibles dans le commerce, par exemple pour le déclenchement de lasers a ultraviolets à grande puissance et autres applications. Des tensions et des intensités modérément éle- vées peuvent être commutées rapidement et de façon assez sûre avec des redresseurs commandés au silicium, des thy- ratrons et autres composants disponibles dans le commerce. Pour commuter rapidement de très hautes tensions, un pro- cédé par éclateur est utilisé, selon lequel une haute ten- sion différentielle est appliquée entre deux électrodes relativement proches l'une de l'autre, produisant une étincelle de commutation rapide entre ces électrodes. L'action électrique qui se produit est tout à fait simi- laire au fonctionnement d'une bougie d'allumage d'un mo- teur à essence courant L'écartement des électrodes est principalement fonction de la différence de tension entre elles et de la nature du gaz, de l'air ou autres milieux intermédiaires. Mais des problèmes sont inhérents aux commutateurs à éclateur Tout d'abord, les électrodes subissent une érosion sous l'effet des arcs continus et leur longévité est relativement courte dans-des conditions dures de fonc- tionnement ce qui impose un entretien et un remplacement fréquent De plus, l'instant d'amorçage d'arcs n'est pas précis, ce qui conduit à une instabilité des impulsions. Un autre problème se présente avec des commutateurs à éclateurs qui fonctionnent avec une haute fréquence de ré- pétition est que l'environnement entre les électrodes est contaminé par les étincelles et qu'il faut un temps fini 2 2507401 pour qu'il se stabilise à nouveau Pour accélérer un fonctionnement sûr d'un éclateur, un procédé a été dé- veloppé selon lequel le gaz ou autre milieu entre les électrodes circule devant ces électrodes pour maintenir entre elles, à tout moment, un milieu relativement pur et constant Aux fréquences élevées d'étincellage, et dans la plage au-dessus du k Hz, le volume et la vitesse d'échange du milieu deviennent très élevés ce qui intro- duit une charge auxiliaire supplémentaire dans la tenta- tive de produire des impulsions de haute tension, de forte intensité, stables avec sécurité. Un objet de l'invention est donc de proposer un commutateur à haute tension, forte intensité, grande fréquence de répétition, à fonctionnement sûr, qui con- vient pour déclencher des lasers à ultraviolets et autres. Un autre objet de l'invention est de proposer un commutateur à haute tension, forte intensité, de grande longévité exempt d'érosion par les étincelles et autres mécanismes produisant de fortes détériorations Un autre objet encore de l'invention est de pro- poser un commutateur à haute tension, forte intensité, stable de façon sûre et relativement exempt d'instabili- té. Un commutateur selon l'invention comporte donc une cathode froide métallique pleine sous forme d'un cy- lindre circulaire avec un grand nombre de pointes aigués pour émettre des électrons, un premier cylindre creux à parois minces coax ial avec la cathode et un second cylin- dre creux de plus grand diamètre entourant le premier cylindre, également coaxial avec la cathode La région entre la cathode et le premier cylindre est vidée jus- qu'à quelquesdizièmes de Pascal et la région entre le premier cylindrât et le second est remplie d'air ou d'autres gaz possédant des paramètres appropriés pour la décharge De préférence, des dispositions sont prises pour faire circuler l'air ou autres gaz dans la région entre le premier cylindre et le second, particulièrement 3 2507401 lorsqu'une grande vitesse de commutation est imposée. En fonctionnement, une charge électrique à haute tension est placée sur le second cylindre, puis une impulsion de déclenchement à haute tension est ap- pliquée à la cathode froide, entraînant l'émission d'électrons par les pointesaigu es ces électrons circu- lant vers le premier cylindre et revenant à la source de déclenchement à haute tension par un petit condensa- teur Certains des électrons émis pénètrent dans le pre- mier cylindre, produisant ainsi des électrons secondaires et développant une forte décharge volumétrique dans la région entre-le premier cylindre et le second, commutant ainsi la charge électrique à haute tension du second cylindre sur le premier cylindre et de là, par un câble approprié, vers la charge qui peut être un laser à haute puissance ou similaire. Un avantage de l'invention est qu'elle met en oeuvre une cathode froide et une émission de champ pour l'impulsion initiale de déclenchement, éliminant ainsi les effets d'érosion et autres détériorations d'un déclencheur courant à étincelles. Un autre avantage de l'invention est que sa réalisation coaxiale produit une décharge volumétrique uniforme plutôt qu'une décharge ponctuelle et permet avec sécurité de hautes fréquences de répétition de com- mutat ion avec des vitesses et des pressions relativement basses d'échange de gaz entre les électrodes. Un autre avantage encore de l'invention est que sa réalisation coaxiale conduit à un commutateur à haute tension, fort courant, de faible inductance, de faible instabilité et qui peut être facilement agrandi ou ré- duit en fonction des conditions particulières de puissance en commutation. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: 4 2507401 La Figure 1 est un schéma d'un diapositif de commutation électrique selon l'invention, la Figure 2 est une coupe transversale schéma- tique d'une cathode pleine et de deux électrodes cylin- driques creuses disposées coaxialement selon l'inven- tion, et la Figure 3 est une coupe longitudinale schéma- tique montrant des détails d'une disposition de struc- ture des éléments de l'invention. La Figure 1 illustre donc un mode de réalisa- tion d'un appareil selon l'invention; une cathode cylin- drique pleine 11 est entourée coaxialement par une mince électrode cylindrique creuse 13 et par une électrode extérieure cylindrique creuse 15 de plus grand diamètre. La cathode Il comporte un grand nombre de pointesaiguës 17 Comme cela sera expliqué en détail par la suite, un vide est maintenu entre la cathode Il et l'électrode cylindrique intérieure 13 tandis qu'un gaz qui peut être de l'air remplit ou circule entre l'électrode intérieure 13 et l'électrode extérieure 15. Pour faire fonctionner ce commutateur, une char- ge à haute tension est placée sur l'électrode extérieure Cela se fait en chargeant un condensateur 18 par l'intermédiaire d'une résistance 19, par l'application d'une haute tension développée entre la borne à haute tension 21 et la borne de masse 23 Le point commun 25 entre le condensateur 18 et la résistance 19 est connec- té par un conducteur 27 à l'électrode cylindrique exté- rieure 15 Le condensateur 18 est connecté entre le point commun 25 et la masse 23 Quand l'électrode extérieure est chargée, une impulsion de déclenchement à haute tension est appliquée entre les bornes 29 et 31 La borne 29 est connectée par un petit condensateur 33 à l'élec- trode intérieure 13 tandis que la borne 31 est connectée directement à la cathode 11 Quand 1 timpulsionde dé- clenchement à haute tension est appliquée, la cathode 11 fonctionne comme une cathode froide et elle émet des électrons, plus particulièrement par ses pointes aigués 17 Les électrons ainsi émis circulent vers l'électrode intérieure 13 et complètent le circuit primaire par le condensateur 33, en retour vers la borne 29 d'impulsions de déclenchement à haute tension Mais une partie des électrons émis pénètrent par la mince électrode cylindri- que creuse 13 en produisant un nombre suffisant d'élec- trons secondaires pour produire une large décharge volu- métrique entre l'électrode intérieure 13 et l'électrode extérieure 15 L'effet de décharge permet que la charge à haute tension placée sur le cylindre 15 soit essentiel- lement commutée vers le cylindre 13 et, par le câble 35, vers la charge 37 connectée à la masse 23 par un câble de retour 39 Par l'action ainsi décrite, une très forte charge d'énergie est commutée ou déclenchée de façon sûre vers la charge 37 qui peut être par exemple un laser à ultraviolets à haute puissance. La Figure 2 permet de mieux comprendre la dis- position coaxiale et la structure du dispositif selon l'invention La cathode froide Il est entourée coaxiale- ment par le mince cylindre creux 13 qui, à son tour, est entouré coaxialement par l'électrode cylindrique exté- rieure 15 Les pointes aigues 17 sur la cathode Il sont disposées à 900 comme le montre la Figure 2 Cette dis- position des* pointes aiguës 17 assure une décharge rela- tivement uniforme des électrons à partir de la cathode 1 i vers l'électrode intérieure 13 Il faut noter que la sec- tion circulaire des électrodes 13 et 15 facilite de par leur nature une décharge uniforme entre elles. La Figure 3 montre que la cathode froide 11 est fixée dans une plaque supérieure 41 circulaire et isolante. Un trou taraudé est prévu sur la cathode Il pour sa con- nexion électrique La plaque supérieure 41 circulaire et isolante est en outre rainurée pour recevoir les électro- des cylindriques 13 et 15 Des bagues toriques 45 et 47 sont prévues respectivement pour assurer leur étanchéité à l'air, Plusieurs rainures circulaires 49 S 51 et 53 6 2507401 sont taillées dans la plaque supérieure 41 circulaire et isolante pour éviter l'amorçage superficiel et les déclenchements intempestifs entre la cathode froide Il et l'électrode intérieure 13 De meme, des rainures 57 et 59 sont prévues dans la plaque supérieure 41 pour éviter l'amorçage superficiel et les déclenchements in- tempestifs entre l'électrode intérieure 13 et l'électro- de extérieure 15. L'électrode extérieure 15 est en outre fixée en position par une plaque inférieure 61 circulaire et isolante De même que pour la plaque supérieure 41, une bague torique 63 est prévue pour l'électrode extérieure afin d'assurer un ajustage étanche à l'air et des rai- nures circulaires 65 et 67 sont prévues pour éviter l'amorçage superficiel et les déclenchements intempestifs entre l'électrode intérieure 13 et l'électrode extérieure En outre, une bague torique 69 assure l'étanchéité à l'air par rapport à l'électrode intérieure 13 De petits orifices 71 et 73 d'échange de gaz ou d'air sont prévus dans la plaque supérieure 41 pour permettre un échange continu de gaz ou de l'air sous pression De préférence, des orifices similaires 75 et 77 sont prévues dans la plaque inférieure 61 pour que l'échange de gaz ou d'air puisse se faire régulièrement et continuellement par la plaque supérieure 41 et en sortant par la plaque infé- rieure 61. Si la fréquences des impulsions est relativement basse, de l'ordre d'une impulsion par seconde, les ori- fices 71, 73, 75 et 77 pour l'échange de gaz ou d'air ne sont pas nécessaires et peuvent être supprimés. Par ailleurs, l'électrode intérieure 13 est fixée par une plaque inférieure 79 circulaire et conduc- trice Une bague torique 81 assure l'assemblage étanche à l'air entre la plaque inférieure 79 et l'électrode in- férieure 13 Un orifice d'aspiration 83 est prévu dans la plaque inférieure 79 de manière que le vide puisse être fait dans la région cylindrique limitée par 1 'élec- 7 2507401 trode cylindrique intérieure 13, la plaque supérieure ki circulaire et isolante et la plaque inférieure 79 circulaire et conductrice De préférence, le vide est fait par l'orifice 83 jusqu'à quelques dizièmes de Pas- cals Egalement dans la plaque inférieure 79 sont pé- vus deux trous taraudés 85 et 87 pour les connexions électriques. Des tiges filetées 89 isolantes sont introduites dans la plaque supérieure 41, la plaque inférieure iso- lante 61 et la plaque inférieure conductrice 79 et elles sont maintenues en position par plusieurs écrous 91 positionnés de façon appropriée A titre d'exemple, deux tiges filetées isolantes 89 seulement sont représentées sur la Fig 3 bien qu'il soit évident qu'un plus grand } 5 nombre de vis, éventuellement dépassant huit, puissent être placé uniformément autour de la circonférence de la plaque supérieure 41, de la plaque inférieure isolante 61 et de la plaque inférieure conductrice 79. Dans un mode de réalisation, comme celui repré- senté en détail sur les Fig 2 et 3, les pointes aigués 17 sur la cathode froide 11 peuvent être formées par l'insertion de lames à pointes aiguës comme des lames de scie à métaux dans la circonférence par ailleurs lisse de la cathode froide 11 Selon les Figures 2 et 3, quatre parties de scie à métaux sont insérées pour former les pointes aiguës-17 bien qu'un plus grand nombre de ces lames pourraient être utilisées, par exemple plus que -huit En variante, la surface lisse de la cathode froide Il pourrait être rainurée en des parties aiguës, par tout autre moyen courant. L'échelle du mode de réalisation de l'invention représenté sur les Figures 1, 2 et 3 peut être établie de façon appropriée pour toute application particulière. Par exemple, il suffit que la cathode l I et l'électrode inférieure 13 soient dimensionnées pour assurer une émis- sion suffisante d'électrons par la cathode froide Il afin de produire des électrons secondaires dans la région entre 8 2507401 l'électrode 13 et l'électrode 15 Les dimensions varient donc principalement en fonction de l'amplitude de l'im- pulsion de déclenchement à haute tension appliquée à la cathode froide Il et de la matière et de l'épaisseur de l'électrode intérieure 13 De même, les dimensions de la région entre l'électrode intérieure 13 et l'élec- trode extérieure 15 peuvent être modifiées, principale- ment en fonction de la naturedu gaz ou de l'air qui s'y trouve et de l'amplitude de la charge à haute tension placée sur l'électrode extérieure 15 Les contraintes sur les dimensions sont telles qu'il faut què les électrons pénétrant dans l'électrode 13 suffisent pour déclencher une décharge volumétrique entre l'électrode extérieure et l'électrode intérieure 13. A titre d'exemple, et pour mieux comprendre ce mode de réalisation de l'invention, certaines valeurs sont données ci-après pour les éléments représentés sur les Fig 1, 2 et 3 Les valeurs qui sont données ne con- cernent qu'un mode de réalisation de l'invention et ne doivent pas être considérées à titre limitatif Sur la Figure 1, la résistance 19 peut être de l'ordre de 1 Megohm, le condensateur 18 peut avoir une capacité de 0,04 microfarad etle condensateur 33 peut avoir une ca- pacité de 270 nanofarads L'impulsion de déclenchement à haute tension appliquée entre les bornes 29 et 31 peut être de l'ordre de 20 à 100 krolts dans le cas d'une im- pulsion d'une nanoseconde apparaissant à une fréquence de répétition entre un Hertz et 10 k Hz La valeur de la haute tension appliquée entre les bornes 21 et 23 peut être de l'ordre de 1 k Volt et 100 k Volts La charge 37 peut être par exemple un laser à ultraviolets à grande puissance. La cathode froide 11 représentée sur la Fig 2 peut être fabriquée en laiton et elle peut avoir un dia- mètre de l'ordrede 25 mm Des lames de scies à métaux peuvent être introduites dans la cathode froide Il pour former des pointes aiguës 17 au moins dans quatre qua- 9 2507401 drants de la cathode 11 L'électrode intérieure 13 peut avoir un diamètre d'environ 65 mm et une épaisseur d'environ 1,6 mm ou moins L'électrode extérieure 15 peut aussi être fabriquée en aluminium et peut avoir un diamètre de l'ordre de 90 mm et une épaisseur de l'ordre de 6,5 mm En ce qui concerne la Fig 3, la plaquez-supérieure circulaire et isolante peut avoir un diamètre de l'ordre de 150 mm et une épaisseur de 12,5 mm et elles peuvent être fabriquées en Lexan La plaque in- férieure circulaire-isolante peut aussi avoir un diamètre de l'ordre de 150 mm, une épaisseur de 25 mm et elle peut aussi être faite en Lexan La plaque inférieure conductri- ce 79 peut avoir un diamètre de l'ordre de 150 mm, une épaisseur de 12,5 mm et elle peut être faite en aluminium. La longueur de la cathode froide 11 au-dessous de la pla- que supérieure circulaire 41 peut être de 115 mm La lon- gueur de-l'électrode intérieure 13 peut être de 140 mm tandis que la longueur de l'électrode extérieure 15 peut être de 115 mm. La description faite ci-dessus d'un mode préféré de réalisation de l'invention a été présentée à titre d'illustration seulement Elle n'est en aucune manière exhaustive et ne limite pas l'invention à la forme précise décrite, et il est; bien évident que de nombreuses modifi- cations et variantes'peuvent y être apportées Par exemple, un cylindre extérieur entourant coaxialement l'électrode extérieure 15 peut être ajouté et placé au potentiel de la masse pour des raisons de sécurité, complétant ainsi la configuration coaxiale, de manière à réaliser un dis- positif de -commutation avec l'inductance la plus faible possible De même, la haute tension appliquée à l'électro- de extérieure 15 peut être produite par une source puisée par exemple un circuit de charè à résonance, particulière- ment lorsque des fréquences de répétition en commutation atteignant ou dépassant 100 Hz sont imposées. Il est bien entendu que de nombreuses modifica- tions peuvent être apportées au mode de réalisation décrit et illustré à titre d'exemple nullement limitatif sans sortir du cadre de l'invention. 2507401 REVENDICATIONS 1 Commutateur coaxial à haute tension, ca- ractérisé en ce qu'il comporte une cathode cylindrique ( 11) de section transversale circulaire, une électrode intérieure ( 13) cylindrique creuse à paroi mince, de sec- tion transversale circulaire, entourant coaxialement la- dite cathode, une électrode extérieure ( 15) cylindrique creuse,de section transversale circulaire entourant coaxialement ladite électrode intérieure, un dispositif ( 83) pour faciliter l'évacuation de la région entre la- dite cathode et ladite électrode intérieure, un disposi- tif ( 71 77) pour faciliter la fourniture d'un gaz dans la région entre ladite électrode intérieure et la- dite électrode extérieure, un dispositif ( 18 19) des- tiné à produire une charge de haute tension sur ladite électrode extérieure, un dispositif ( 85, 87) destiné à connecter une charge à ladite électrode intérieure, et un dispositif ( 29 33) destiné à produire une impulsion de haute tension entre ladite cathode et ladite électro- de intérieure pour que des électrons soient émis par la- dite cathode et accélérés vers ladite électrode inté- rieure, une quantité suffisante d'électrons passant au travers pour provoquer une émission d'électrons secon- daires et une décharge volumétrique dans la région entre ladite électrode intérieure et ladite électrode extéri- eure, de sorte qu'une charge à haute tension sur ladite électrode extérieure est déchargée vers ladite électrode intérieure et à travers une charge qui lui est connectée. 2 Commutateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ladite cathode cylindrique ( 11) de section transversale circulaire est une cathode froide. 3 Commutateur selon la revendication 2, carac- térisé en ce que ladite cathode froide ( 11) comporte plu- sieurs pointes ( 17) pour aider l'émission d'électrons à partir d'elles. 4 Commutateur selon la revendication 3, caracté- risé en ce que lesdites pointes ( 17) sur ladite cathode il 2507401 froide sont positionnés de manière à produire une émission d'électrons relativement-uniforme dans la région entre la cathode froide et l'électrode intérieure. C ommutateur selon la revendication 2, carac- térisé en ce que ladite cathode froide ( 11) est une cathode froide cylindrique pleine, de section circulaire. 6 Commutateur selon la revendication 5, carac- térisé en ce que ladite cathode froide ( 11) pleine, cylindrique de section circulaire est une cathode froide pleine, cylindrique de section circulaire en laiton. 7 Commutateur selon la revendication 2, carac- térisé encce que ladite électrode intérieure ( 13) cylin- drique creuse, de section circulaire à paroi mince est faite en aluminium. 8 Commutateur selon la revendication 2, carac- térisé en ce que ladite électrode intérieure ( 13) cylin- drique creuse de section transversalecirculaire et à paroi mince a une paroi dont l'épaisseur ne dépasse pas environ 1,55 mm. 9 Commutateur coaxial à haute tension, destiné à décharger une électrode fortement chargée à travers une charge, commutateur caractérisé en ce qu'il comporte une cathode froide ( 11) pleine, cylindrique de section cir- culaire, en laiton, une électrode intérieure ( 13) cylin- drique, de section transversale circulaire, creuse à pa- roi mince en aluminium, entourant coaxialement ladite ca- thode froide, ladite électrode intérieure étant connectée à la charge, une électrode extérieure ( 15) cylindrique de section circulaire, creuse en aluminium, fortement chargée entourant coaxialement ladite électrode intérieure, un dispositif ( 83) pour maintenir une région sous vide entre ladite cathode froide et ladite électrode intérieure, un dispositif ( 45, 47, 63, 81) destiné à maintenir une région remplie de gaz entre ladite électrode intérieure et ladite électrode extérieure, et un dispositif ( 29 33) destiné à appliquer une impulsion à haute tension entre ladite cathode froide et ladite électrode intérieure pour que des 12 2507401 électrons soient émis par ladite cathode froide et accélérés vers ladite électrode intérieure par ladite région sous vide maintenue entre elles, avec des quan- tités suffisantes d'électrons passant au travers pour provoquer une émission secondaire et une décharge volumé- trique dans ladite région remplie de gaz maintenue entre ladite électrode intérieure et ladite électrode extérieure, de sorte que ladite électrode extérieure fortement chargée se décharge vers ladite électrode intérieure et à travers la charge qui lui est connectée. Commutateur selon la revendication 9, carac- térisé en ce que ladite cathode froide ( 11) cylindrique de section circulaire, pleine en laiton comporte plusieurs pointes ( 17) pour aider l'émission d'électrons. 11 Commutateur selonla revendication 10, carac- térisé en ce que lesdites pointes ( 17) sur ladite cathode froide sont positionnéesde manière à produire une émission d'électrons relativement uniforme dans ladite région sous vide entre ladite cathode froide et ladite électrode inté- rieure. 12 Commutateur selon la revendication 9, carac- térisé en ce que ledit dispositif ( 45, 47, 63, 81) qui maintient une région remplie de gaz maintient cette région remplie de gaz entre ladite électrode intérieure et ladite électrode extérieure.