Brevet FR2542527A1 — publié le 19840914

La présente invention a pour objet un amplificateur rapide d'impulsions. Par amplificateur rapide, on entend que le front de montée des impulsions délivrées en sortie de l'amplificateur est très bref, typiquement de l'ordre de quelques nanosecondes. Dans le cas d'un amplificateur rapide délivrant des impulsions à haute tension, on peut citer comme exemple d'utilisation la commande de blocs de déflexion de faisceaux de particules qui permet de créer des bouffées de particules utilisées en particulier en médecine ou dans les accélérateurs de particules. Mais, l'invention n'est pas limitée aux seuls amplificateurs à haute tension et s'applique dans tous les cas où il est nécessaire d'avoir une impulsion à front de montée très bref. On connaît des amplificateurs haute tension à un seul étage délivrant des impulsions de tension de l'ordre du kilovolt pour des impulsions d'entrée dont la tension est de quelques dizaines de volts. Ces amplificateurs peuvent par exemple être constitués par un transistor de puissance ou un amplificateur à tube. Cependant, pour délivrer de'telles tensions, l'amplificateur haute tension doit travailler dans des conditions limites. Cela influe négativement sur la qualité de l'impulsion délivrée et en particulier sur la pente de son front de montée et sur la pente de son front de descente. De plus, l'intensité du courant délivré est limitée. On peut pallier cet.inconvénient en utilisant deux étages d'amplification, ce qui permet de faire travailler chaque étage d'amplification dans des conditions moins extrêmes. On obtient alors des impulsions à haute tension à front de montée et à front de descente très brefs, mais l'intensité de courant délivré reste limi+o Une solution connue pour remédier à cela consiste à réaliser le deuxième étage d'amplification à l'aide de plusieurs éléments amplificateurs montés en parallèle et à placer un transformateur d'abaisse ment de tension entre les deux étages d5amplificationO Ce transformateur est donc élévateur de courant. L'in- tensité du courant qu'il délivre se repartit entre les éléments amplificateurs du deuxième étage dont chacun peut ainsi recevoir une intensité de courant éventuellement supérieure à l'intensité de courant de l'impur sion délivrée par l'élément amplificateur du premier étage d'amplification. Un tel amplificateur peut délivrer des impulsions haute tension dont la puissance crête est de l'ordre de quelques dizaines de kilowatts. Cependant, l'apport d'un transformateur classique grève le temps de montée et le temps de descente de l'impulsion délivrée en sortie de l'amplificateur. L'invention a précisément pour objet un amplificateur rapide d'impulsions comprenant un transformateur à hautes performances qui ne dégrade que très peu les fronts de montée et les fronts de descente des impulsions. Cet amplificateur peut être à deux étages si le gain de puissance est important, par exemple si on désire amplifier sous quelques dizaines de kilowatts une impulsion dont la puissance de crête est de quelques dizaines de watts. I1 peut aussi ne comprendre qu'un seul étage si le gain de puissance désiré est moindre ou si le signal d'entrée est déjà puissant. De manière plus précise, l'invention a pour objet un amplificateur rapide d'impulsions comprenant un transformateur inverseur, de rapport de transformation en tension 1/n où n est un nombre entier, dont le circuit primaire constitue l'entrée de l'amplificateur rapide, m éléments amplificateurs connectés en parallèle et qui sont reliés au circuit secondaire du transformateur inverseur, une source de tension alimentant les éléments amplificateurs, caractérisé en ce que le transformateur inverseur comprend un tore ma gnétique et n câbles coaxiaux de même longueur Lt en- roulés sur le tore, dont les âmes reliées en série constituent le circuit primaire et dont les tresses reliées en 'parallèle constituent le circuit secondaire, la tresse du jèmè câble coaxial où 1 SjA n-l étant reliée aux bornes du circuit secondaire à travers une ligne à retard telle que les impulsions délivrées par les tresses desdits n câbles coaxiaux arrivent en même temps aux bornes du circuit secondaire. Selon une caractéristique secondaire, l'amplificateur rapide comprend en outre un premier étage amplificateur constituant son entrée et qui est relié au circuit primaire du transformateur inverseur et une source de tension alimentant le premier étage amplifier cateur,. L'utilisation d'un amplificateur à deux étages permet d'obtenir des gains de puissance plus importants. Selon un mode de réalisation préféré, la eme ligne à retard 3 du transformateur inverseur où l#j#n-1 est constituée d'un, câble coaxial de lon- gueur (n-j).L identique aux n câbles coaxiaux. Selon une autre caractéristique secondaire, les lignes à retard du transformateur inverseur sont enroulées sur le tore. Selon -un mode particulier de réalisation1 les éléments amplificateurs forment un amplificateur distribué. Ceci signifie que l'on tient compte des caractéristiques de la ligne (inductance, capacité) pour effectuer le branchement des éléments amplificateurs. L'avantage réside dans une diminution de la capaclte parasite de la ligne ce qui permet dUobtenir des impulsions à front de montée plus rapide. Selon une caractéristique secondaire l'élément du premier étage ar,lplificateur est identique à ceux du deuxième. Selon une autre caractéristique secondaire; l'amplificateur rapide est contenu dans une enceinte blindée. Ce mode de réalisation présente l'avantage d'éliminer les émissions de rayonnements des éléments amplificateurs qui sont importantes dans le cas d'un amplificateur rapide à haute tension. Cette enceinte blindée peut être notamment de type coaxial0 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles - la figure 1 représente le tableau synoptique d'un amplificateur d'impulsions dont l'étage de puissan ce est un amplificateur rapide à haute tension con forme à l'invention ; - la figure 2 représente l'étage d'amplification rapi de de l'amplificateur dtimpuleions représenté sur la figure 1 ; ; - la figure 3 représente de façon schématique le transformateur inverseur représenté sur la figure 2. On a représenté sur la figure 1, le tableau synoptique d'un amplificateur d d'impulsions dont l'étage de puissance est un amplificateur rapide à haute tension conformera l'invention. Le demandeur a réalisé un tel amplificateur rapide à haute tension. Ses caractéristiques sont les suivantes - tension d'entrée 10 V à 35 V ; - impédance d'entrée : 50 ohms - tension de sortie : - 1400 V - impédance de sortie : 100 ohms. - largeur d'impulsion : de 10 ns à 1 sss, - temps de montée (front avant) : 4,5 ns - temps de descente (front arrière) : 6,5 ns. L'amplificateur d'impulsions décrit reçoit donc un signal d'entrée dont la puissance est comprise entre 2 et 20 watts en crête et délivre un signal de sortie dont la puissance, en crête, est de 20 kW. Les temps de montée et de descente des impulsions en sortie de l'amplificateur d'impulsions sont de quelques nanosecondes. Ces temps sont remarquables pour des impulsions de sortie d'amplitude en tension de l'ordre de 1,5 kV. L'amplificateur d'impulsions comprend deux amplificateurs en série. Le premier est un préamplificateur 2 à deux étages et à transistors rapides recevant en entrée l'impulsion E appliquée sur l'entrée de l'amplificateur d'impulsions et le second est un amplificateur rapide 6 à haute tension et à deux étages comprenant des amplificateurs à tubes délivrant une impulsion de sortie S. Les caractéristiques du préamplificateur 2 sont les suivantes - tension d'entrée : 10 V à 35 V ; - impédance d'entrée : 50 ohms - tension de sortie : 40 V. - courant maximum de sortie : 1,1 A, - temps de montée : inférieur à 2 ns - temps de descente : inférieur à 2 ns - largeur d'impulsion : 6 ns à 2 Bs. Ce préamplificateur 2 est alimenté par une alimentation 4 qui délivre 50 volts sous 15 milliampères maximum. Le montage du préamplificateur 2 assure une protection contre les effets d'une tension d'en trée en l'absence de tension d'alimentation La sortie de ce préamplificateur 2 est reliée å entrée de l'amplificateur haute tension rapide 6 qui délivre des impulsions de -1400V sous une iaq?édance de 100 ohms. C'est cet amplificateur rapide 6 à haute -tension qui est l'objet de l'invention. Un mode de réalisation de cet amplificateur rapide 6 à haute tension sera décrit en détail dans la figure suivante. Pour la clarté du tableau synoptique, il suffit de savoir que l'amplificateur rapide 6 à haute tension contient des amplifier cateurs à tubes du type triode Planar. Un moyen de chauffage-8 assure le chauffage de ces amplificateurs à tubes. Il délivre 9,5 A sous 6,3 V. -I1 est relié à un moyen de temporisation 10 qui bloque un circuit de sécurité 20 pendant le temps de préchauffage. Par ailleurs, pour évacuer la chaleur dégagée, l'amplificateur d'impulsions est équipé d'un ventilateur 12. L'action de ce ventilateur 12 est contre lée par un moyen de contrôle de ventilation 14 alimen- té par une alimentation 16. Lorsque le moyen de con- trône de ventilation 14 détecte une anomalie de ventilation ( arrêt du ventilateur, manque de puissance du ventilateur), il commande l'arrêt du moyen de chauffage 8 des amplificateurs à tubes par la connexion 26. I1 informe également par la connexion 28 le circuit de sécurité 20 de l'anomalie de ventilation. Pour limiter la puissance dissipée dans l'amplificateur rapide 6 à haute tension, les amplificateurs à tubes sont bloqués lorsque l'amplificateur rapide 6 à haute tension ne reçoit pas d'impulsions. Ce blocage s'effectue par une tension de polarisation délivrée par un moyen de polarisation 18 appliquée sur la grille des amplificateurs à tubes. La présence du signal de polarisation est contrôlée à travers la connexion 30 par le circuit de sécurité 20. Le circuit de sécurité 20 reçoit donc simultanément par la connexion 24 un signal de préchauffage des amplificateurs à tubes, par la connexion 28 un signal de bon fonctionnement de la ventilation, par la connexion 30 un signal de bon fonctionnement de la source de polarisation et par la connexion 32 un si gnal issu d'un contact 22 qui est activé lorsque le. capot de l'amplificateur d'impulsions est en place. Le validation de ces quatre signaux est nécessaire pour que la source de tension Hot puisse être appliquée à l'entrée de l'amplificateur rapide 6 à haute tension. Sur réception d'une requête RQ issue du tableau de commande (non représenté), le circuit de sécurité 20 activera le signal d'autorisation AT destiné au tableau de commande. Ce signal autorise la mise sous haute tension de l'amplificateur rapide 6 à haute tension. Le circuit de sécurité 20 pourra être par exemple simplement réalisé au moyen d'un relais commandé par les connexions 24, 28, 30 et 32 fermant le circuit RQ-AT. Sur la figure 2, on a représenté un mode de réalisation possible de l'amplificateur rapide 6 à haute tension de la figure 1. Il comprend principalement un premier étage amplificateur 34 relié à son connecteur d'entrée 40, un transformateur inverseur 36 dont le circuit primaire est'relié au premier étage amplificateur 34, plusieurs éléments amplificateurs 38 en parallèle et reliés au circuit secondaire du transformateur inverseur 36. Le premier étage amplificateur 34 et les éléments amplificateurs 38 peuvent par exemple être identiques et être constitués par des triodes céramiques Planar à très haute fréquence du type EIMAC 8941. Ces- amplificateurs à tubes peuvent travailler à des fréquences de l'ordre de 2.000 MHz et sont donc bien adaptés pour offrir des temps de montée réduits aux impulsions. Pour limiter la puissance dissipée par ces amplificateurs a tubes, ils sont bloques par une tension de polarisation P de l'ordre de -30 volts appui quée sur le connecteur 46;- qui est relié à la grille du premier étage amplificateur 34 par l'intermédiaire d'une résistance R2 et qui est relie a la grille de chacun des éléments amplificateurs 38 par lintermé- diaire d'une résistance R4. En l'absence d'impulsions les amplificateurs à tube ne délivrent pas de courant. Avant de mettre l'amplificateur d'impulsions en fonctionnement, chacun de ces amplificateurs à tubes est chauffé par l'intermédiaire d'une tension Vg délivrée par le moyen de chauffage 8 de la figure 1. Par ailleurs, les amplificateurs à tubes sont alimentés par une haute tension HT délivrée sur le connecteur 44 de l'amplificateur haute tension rapide. Cette haute tension est appliquée sur l'anode du premier étage amplificateur 34 à travers une résistance chutrice R3 et sur les anodes des éléments amplificateurs 38 à travers des résistances de charge R6.1, R62 et R63. L'impulsion appliquée sur le connecteur 40 en entrée du premier étage amplificateur 34 a une tension de 40 volts et une intensité de l'ordre de l-'am- père dans l'amplificateur haute tension rapide réalisé par le demandeur. Ce premier étage amplificateur 34 est muni en série avec sa grille d'une résistance R1 d'équilibrage et qui assure également le lissage du courant de l'impulsion. Cette impulsion est amplifiée, et inversée, en une impulsion d'intensité 3 ampères qui est délivrée dans le circuit primaire du transformateur inverseur 36. Le niveau haut de ce signal, qui correspond à une absence d'impulsion est égal à la haute tension reçue sur le connecteur 44 et l'amplitude de l'impulsion est de l'ordre de 220 volts. Dans le cas de la figure, le transformateur inverseur a un rapport de transformation en tension de 1/3. L'impulsion qui apparat au secondaire a donc une amplitude en tension de 75V et unie intensité d'envi ron l0 ampères, ce qui correspond à un niveau haut de l'ordre de 45 volts, le niveau bas étant égal à la tension de polarisation p soit -30 volts. Cette impulsion est également répartie entre les trois éléments amplificateurs 38, munis chacun en série avec leur grille d'une résistance R51, R52, R53 dont le rôle est identique - celui de la résistance R1. Chaque élément amplificateur 38 comprend en sortie une résistance d'anode R71, R72 et R73 qui permet la recharge de son condensateur de sortie entre deux impulsions. L'amplificateur haute tension rapide comprend enfin plusieurs capacités C3, C4, C6, C71, C72 et C73 qui bloquent les tensions continues et ne laissent passer que le transitoire, c'est-à-dire les impulsions. Les amplificateurs à tubes peuvent fonctionner avec des signaux de fréquence 2000 MHZ. Ils peuvent donc amplifier sans problème des impulsions dont le front de montée est très rapide. Par contre, il n'est pas courant qu'un transformateur transmette, sans les dégrader, des impulsions dont le front de montée est très rapide. On a représenté sur la figure 3 un dessin schématique d'un transformateur inverseur selon l'invention. Ce transformateur comprend une borne primaire notée PR et une borne secondaire notée SE. Ce transformateur est constitué de n segments L1, L2, ..., Ln où n est le rapport de transformation du transformateur inverseur, ayant tous la même longueur Ls Ces segments L1, L2, ..... sont par exemple des segments de câbles coaxiaux.Le circuit primaire de ce trans formateur est constitue par la mise en série des mess des segments de capables coaxiaux L1 L2, ...Ln et le circuit secondaire par la mise en parallele des tresses de ces mimes segments L'impulsion recueillie au secondaire résulte de la superposition des impulsions recueillies dans les tresses des segments L1, L2, ...Ln. Pour que la superposition de ces impulsions donne une impulsion dont le temps de montée soit très bref, il faut que chacune des impulsions composantes arrive en même temps aux bornes du circuit secondaire. Pour cela, il convient de ralentir l'impulsion issue du segment L1 par rapport à l'impulsion du segment L2, celle issue du segment L2 par rapport à celle issue du segment L3, etc...On interpose donc entre les tresses des segments L1, L2, ...Ln 1 et les bornes du secondaire des lignes à retard LR1, Lh , ... Lkn~l dont les longueurs sont telles que les n impulsions issues de chacun de ces éléments L1, L2, . Ln arrivent en meme temps aux bornes du secondaire. Le choix d'utiliser du câble coaxial pour réaliser le transformateur inverseur réside dans le fait que le circuit primaire étant entièrement ceinturé par le circuit secondaire (âme entourée par la tresse), il n'y a pas de capacité parasite, ce qui dégrade moins les signaux transmis. Par ailleurs, dans un câble coaxial, le circuit primaire et le circuit secondaire sont très proches. Cela favorise le transfert de signaux de fréquence élevée. Cependant, la section du câble coaxial ne doit pas être trop faible sinon le câble coaxial ne tiendra pas la tension. A titre d'exemple, le demandeur a réalisé un transformateur inverseur avec un câble coaxial d'un diamètre de 2 mm. Les trois figures qui ont été décrites s'appuient sur l'exemple d'un amplificateur réalisé par le demandeurs Il est évident que ltinventlon n'est pas limitée à ce mode de réalisation mais englobe égale^ ment par exemple les amplificateurs de puissance dans lesquels les amplificateurs à tubes sont remplacés par des transistors de puissance0 De manière générale, 1 invention concerne tout amplificateur rapide com- portant un transformateur inverseur d'abaissement de tension et plusieurs éléments amplificateurs en parallèle reliés au secondaire de ce transformateur inverseur. REVENDICATIONS 1. Amplificateur rapide d'impulsions comprenant un transformateur inverseur (36), de rapport de transformation en tension lXn où n est un nombre entier, dont le circuit primaire constitue l'entrée de l'amplificateur, m éléments amplificateurs connectés en parallèle et qui sont reliés au circuit secondaire du transformateur inverseur (34), une source de tension alimentant les éléments amplificateurs (38) caractérisé en ce que le transformateur inverseur (36) comprend un tore magnétique et n câbles coaxiaux (L1, .., Ln) de même longueur L, enroulés sur le tore, dont les âmes reliées en série constituent le circuit primaire et dont les tresses reliées en parallèle constituent le circuit secondaire, la tresse du jème coaxial (L;;) où 16 j 4 n-l étant reliée aux bornes du circuit secondaire à travers une ligne à retard {LR;) telle que les impulsions délivrées par les tresses desdits n câbles coaxiaux (L1, .., Ln) arrivant en même temps aux bornes du circuit secondaire. 2. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un premier étage amplificateur (34) constituant son entrée et qui est relié au circuit primaire du transformateur inverseur (36) et une source de tension alimentant le premier étage amplificateur (34). 3. Amplificateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier étage amplificateur (34) est identique aux éléments amplificateurs (38). 4. Amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la jème ligne à retard (LRj) où l#j#n-1 est constitué d'un câble coaxial de longueur (n-j).L identique aux n eâ- bles coaxiaux -(L1, ..., Ln > 5. Amplificateur selon l'une quelconque des renvendications 1 à 4, caractérisé en ce que les lignes à retard (LR1, .., LRn > sont enroulées sur le tore. 6. Amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les éléments amplificateurs (38) forment un amplificateur distribué. 7. Amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est contenu dans une enceinte blindée.