Brevet FR2670963A1 — publié le 19920626

i GENERATEUR D'IMPULSIONS ELECTRIQUES, DU TYPE A INDUCTANCE SATURABLE DESCRIPTION La présente invention concerne un générateur d'impulsions électriques comprenant: une ligne coaxiale de mise en forme des impulsions, cette ligne coaxiale comportant au moins deux électrodes coaxiales dont l'une est une électrode interne, des moyens de compression magnétique prévus pour charger cette ligne de mise en forme, ces moyens de compression magnétique comportant un condensateur et une inductance saturable disposée à l'intérieur de la ligne coaxiale et donc entourée par l'électrode interne de cette ligne coaxiale, un moyen électriquement conducteur qui est électriquement relié à une extrémité de l'inductance saturable et qui est en contact avec une partie sensiblement médiane de l'électrode interne de la ligne coaxiale, et un commutateur magnétique à inductance saturable, prévu pour décharger cette ligne coaxiale. Elle s'applique notamment à la formation d'impulsions électriques de forte puissance, par exemple en vue d'alimenter des cellules à induction servant à produire et à accélérer des faisceaux d'électrons dans les accélérateurs à induction. Le schéma d'un générateur d'impulsions électriques connu, du type à inductance saturable, est représenté sur la figure 1. Le schéma de cette figure I est déjà représenté et décrit dans la demande de brevet français n O 8802865 du 7 mars 1988, qui est appelée par la suite "document I" et à laquelle on se reportera (voir aussi la demande W 089/08950, publiée le 21 septembre 1989). Le générateur d'impulsions électriques schématiquement représenté sur la figure 1 comprend: une ligne coaxiale Zo de mise en forme des impulsions, cette ligne comportant deux électrodes coaxiales, des moyens de compression magnétiques prévus pour charger cette ligne coaxiale Zo, ces moyens de compression magnétique comportant un condensateur C 2 et une inductance saturable L 1 qui relie le condensateur C 2 à la ligne coaxiale Zo, et un commutateur magnétique à inductance saturable L 2 prévu pour décharger la ligne coaxiale Zo. On voit aussi sur la figure 1 un condensateur C 1 qui contient initialement l'énergie nécessaire pour engendrer une impulsion aux bornes d'une charge R reliée à la ligne coaxiale Zo par l'intermédiaire du commutateur L 2. On voit également sur la figure 1 une inductance L 3 qui permet de démagnétiser les noyaux respectifs du transformateur T, de l'inductance saturable L 1 et de L'inductance L 2 après la formation d'une impulsion électrique. Cette inductance L 3 est alimentée par une tension électrique continue de polarité convenable pour assurer la démagnétisation desdits noyaux. Un générateur d'impulsions électriques connu, du type à inductance saturable, est représenté schématiquement sur la figure 2. Ce générateur de la figure 2 est déjà représenté et décrit dans le document EP-A-0292345, qui est appelé par la suite "document II" et auquel on se référera (voir aussi le document US-A-4849649, ROCHE et al ainsi que la demande de brevet français n O 8706015 du 28 avril 1987). Dans le générateur schématiquement représenté sur la figure 2, on retrouve successivement: le transformateur T, les moyens de compression magnétique comportant le condensateur C 2 (dont le diélectrique peut être de l'eau) et l'inductance saturable L 1, la ligne coaxiale Zo à deux électrodes coaxiales, à savoir une électrode interne et une électrode externe, et le commutateur magnétique à inductance saturable L 2. On peut ainsi obtenir des impulsions électriques à la sortie du générateur schématiquement représenté sur la figure 2, sur une série de câbles coaxiaux CC. On notera que, dans ce générateur schématiquement représenté sur la figure 2, l'inductance saturable L 1 est disposée à l'intérieur de la ligne coaxiale Zo (cette inductance saturable L 1 étant ainsi entourée par l'électrode interne de la ligne coaxiale Zo) et que cette inductance saturable L 1 est électriquement reliée à une partie sensiblement médiane de cette électrode interne. La ligne coaxiale Zo baigne dans un liquide électriquement isolant tel que l'eau, comme le permet la structure du générateur schématiquement représenté sur la figure 2. L'inductance saturable L 1 baigne quant à elle dans un liquide tel que l'huile, la structure du générateur schématiquement représenté sur la figure 2 empêchant le mélange de ces deux liquides. Le générateur représenté sur la figure 2 et le générateur qui fait l'objet du document I permettent d'obtenir des tensions électriques V dont les variations en fonction du temps t forment des "créneaux" du genre de celui qui est représenté en pointillés sur la figure 3 et qui porte la référence I. Ce "créneau de tension" I est conforme à celui que l'on obtiendrait en chargeant la ligne de mise en forme Zo par une extrémité. Donc, dans le générateur représenté sur la figure 2, tout se passe comme si la ligne Zo était chargée par son extrémité (extrémité qui est située du côté du condensateur C 2). On a d'ailleurs représenté par des flèches F sur la figure 2 la circulation du courant électrique qui correspond au chargement de la ligne Zo et qui a lieu par effet de peau. On constate qu'un tel chargement de la ligne de mise en forme Zo par une extrémité ne permet pas d'obtenir de véritables créneaux de tension, comportant de vrais "plateaux de tension". La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient. Le problème résolu par la présente invention est de concevoir un générateur d'impulsions électriques du type à inductance saturable, dans lequel le chargement de la ligne coaxiale de mise en forme des impulsions a lieu le plus près possible du milieu de cette ligne. Pour résoudre ce problème, le générateur d'impulsions électriques, du type à inductance saturable, qui fait l'objet de la présente invention, est caractérisé par le fait que l'électrode interne de la ligne coaxiale qu'il comporte est percée d'une pluralité de trous au voisinage de ladite partie sensiblement médiane de cette électrode interne. Un tel perçage permet de se rapprocher d'un chargement de la ligne coaxiale par le milieu de celle- ci et d'améliorer la planéité des impulsions de tension. Ledit moyen électriquement conducteur peut comprendre une plaque électriquement conductrice qui est électriquement reliée à ladite extrémité de l'inductance saturable et dont la périphérie est en contact avec la partie sensiblement médiane de l'électrode interne de la ligne coaxiale. Alors, les trous qui percent l'électrode interne de la ligne coaxiale sont de préférence répartis sur la totalité d'un pourtour de cette électrode interne en vue d'un chargement uniforme de la ligne coaxiale. Selon un mode de réalisation préféré du générateur objet de l'invention, permettant de se rapprocher encore plus d'un chargement de la ligne coaxiale par son milieu, la plaque électriquement conductrice comprend au moins une ouverture et les trous qui percent l'électrode interne de la ligne coaxiale sont situés de part et d'autre de ladite partie sensiblement médiane. Alors, de part et d'autre de cette partie sensiblement médiane, les trous qui percent l'électrode interne sont de préférence répartis sur la totalité d'un pourtour de cette électrode interne en vue d'un chargement uniforme de la ligne coaxiale. De préférence, pour aboutir à un véritable chargement de la ligne coaxiale par son milieu, la plaque électriquement conductrice comprend une pluralité d'ouvertures, de part et d'autre de ladite partie sensiblement médiane, lesdits trous sont uniformément répartis sur le pourtour correspondant de l'électrode interne et les ouvertures que comprend la plaque sont uniformément réparties autour de l'axe de cette plaque. Le moyen électriquement conducteur peut comprendre en outre une pluralité de lames souples et électriquement conductrices qui sont fixées à la périphérie de la plaque électriquement conductrice pour permettre le contact avec ladite partie sensiblement médiane de l'électrode interne de la ligne coaxiale. L'électrode interne de la ligne coaxiale peut être en forme de cylindre de révolution et la plaque électriquement conductrice peut être en forme de disque. Enfin, dans un mode de réalisation préféré du générateur objet de l'invention, l'inductance saturable qui est disposée à l'intérieur de la ligne coaxiale baigne dans un liquide tel que l'huile ou le fréon liquide, la ligne coaxiale baigne dans un liquide électriquement isolant tel que l'eau et le générateur comprend en outre des moyens de séparation étanches et électriquement isolants qui sont prévus pour empêcher tout contact entre ces liquides. Ces moyens de séparation peuvent comprendre une enceinte étanche, électriquement isolante, remplie du liquide tel que l'huile ou le fréon liquide, placée à l'intérieur de la ligne coaxiale et contenant l'inductance saturable. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après à titre purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'un générateur d'impulsions électriques connu, du type à inductance saturable, et a déjà été décrite, la figure 2 est une vue schématique d'un générateur d'impulsions électriques connu, du type à inductance saturable, et a déjà été décrite, la figure 3 montre des impulsions de tension respectivement obtenues avec le générateur représenté sur la figure 2 et avec un générateur conforme à la présente invention, la figure 4 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du générateur objet de l'invention, la figure 5 est une vue schématique d'une plaque électriquement conductrice qui fait partie du générateur représenté sur la figure 4 et qui permet de relier l'une à l'autre l'inductance saturable et l'électrode interne de la ligne coaxiale que comporte ce générateur, et la figure 6 illustre schématiquement la circulation du courant électrique dans le générateur représenté sur la figure 4, lors du chargement de la ligne coaxiale de ce générateur. Le générateur d'impulsions électriques conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 4, constitue un perfectionnement du générateur qui est représenté sur la figure 2. On retrouve, dans le schéma de la figure 4, le transformateur T, le condensateur C 2, l'inductance saturable L 1, la ligne coaxiale Zo, le commutateur magnétique L 2 et les câbles coaxiaux CC. Le transformateur T, l'inductance saturable L 1 et le commutateur magnétique à inductance saturable L 2 baignent tous dans l'huile H (huile pour transformateur). Des moyens de circulation d'huile sont prévus dans le générateur de la figure 4 mais ne sont pas représentés sur cette figure 4. L'huile permet, entre autres, le refroidissement des noyaux que comporte le transformateur T, l'inductance saturable L 1 et Le commutateur magnétique L 2, noyaux qui s'échauffent lors d'un travail à fréquence élevée (de l'ordre de 1 à 5 k Hz par exemple). Au lieu de l'huile, on pourrait utiliser le fréon liquide. Le condensateur C 2 et la ligne coaxiale Zo baignent dans l'eau E (eau désionisée). Pour empêcher le mélange de l'huile H, dans laquelle baigne l'inductance saturable L 1, et de l'eau E, dans laquelle baigne la ligne coaxiale Zo, le générateur de la figure 4 comprend une enceinte étanche et électriquement isolante 2 qui est logée à l'intérieur de la ligne coaxiale Zo et dans laquelle est logée l'inductance saturable L 1, comme on le voit sur la figure 4. De plus, conformément à la présente invention, l'électrode interne EI de la ligne coaxiale Zo est percée de trous 4. Ces trous 4 sont situés au voisinage et de part et d'autre de la plaque électriquement conductrice MC dont le pourtour est en contact avec une partie sensiblement médiane de l'électrode interne EI et qui est reliée électriquement à une extrémité du bobinage que comporte l'inductance saturable L 1. De chaque côté de la plaque MC les trous 4 sont uniformément répartis sur une circonférence de l'électrode interne EI qui, dans le générateur de la figure 4, a la forme d'un cylindre de révolution dont l'axe est l'axe du générateur représenté sur la figure 4. La plaque MC est perpendiculaire à cet axe. Dans le générateur de la figure 4, la plaque MC, qui est extérieure à l'enceinte 2, est fixée à cette enceinte par des moyens électriquement isolants 6. La plaque MC, qui est utilisée dans le générateur représenté sur la figure 4, est schématiquement représentée sur La figure 5. Cette plaque MC, en forme de disque, dont l'axe est L'axe du générateur de la figure 4, comporte une p Lura Lité d'ouvertures 8 qui sont uniformément réparties autour de cet axe. De plus, la plaque MC en forme de disque est pourvue, à sa périphérie, d'une pluralité de Lames souples} élastiques et recourbées 10 qui sont électriquement conductrices et qui permettent Le contact entre La plaque MC et L'éLectrode interne EI, comme on Le voit sur La figure 4. On voit sur la figure 5 que les lames 10 sont uniformément réparties sur la périphérie de la plaque en forme de disque MC. Comme on Le voit sur la figure 4, dans le générateur schématiquement représenté sur cette dernière, l'ensemb Le comprenant l'enceinte 2, l'inductance saturable Ll et la plaque MC constitue un ensemble mécaniquement indépendant du reste de ce générateur, ce qui facilite l'entretien de ce dernier. Les ouvertures 8 que comporte la plaque MC dans le générateur de la figure 4 permettent au courant électrique Ic de chargement de la ligne coaxiale Zo de circuler, de façon superficielle, sur les deux faces de cette plaque MC. De plus, la répartition uniforme de ces ouvertures 8 et des trous 4 dans le générateur de la figure 4 permet une répartition uniforme du courant qui circule lors du chargement de la Ligne coaxiale Zo. On a représente par des flèches Fl, sur le schéma de La figure 6, La circulation de ce courant Ic Lors du chargement de la ligne coaxiale Zo et l'on voit que ce chargement a effectivement lieu par le milieu de cette ligne coaxiale Zo dans le cas du générateur de la figure 4. Dans ce dernier, le rapport DV/V, o DV représente La fluctuation de la valeur moyenne de la tension maximale ("plateau de tension") des impulsions fournies par le générateur et V représente cette valeur moyenne, est nettement amélioré. Ceci apparait clairement sur la figure 3 o l'on voit que la planéité de l'impulsion en créneau est meilleure dans le cas du générateur de la figure 4 (courbe II) que dans le cas du générateur de la figure 2 (courbe I). Les créneaux de tension fournis par le générateur de la figure 4 peuvent être appliques à des cellules à induction servant à produire et à accélérer un faisceau d'électrons qui est utilisable dans un laser à électrons libres. Le fait d'obtenir des créneaux de tension très plats permet de produire un plus grand nombre d'électrons mono-énergétiques et, par conséquent, d'améliorer nettement le rendement de ce laser à électrons libres. Bien entendu, la présente invention est utilisable non seulement dans un générateur dont la ligne coaxiale a deux électrodes coaxiales mais encore dans un générateur à ligne coaxiale double, qui est aussi appelée "Ligne coaxiale de Blumlein" et qui comprend trois électrodes coaxiales, à savoir une électrode centrale comprise entre une électrode interne et une électrode externe (voir Le document I). 1 1 REVENDICATIONS 1 Générateur d'impulsions électriques, ce générateur comprenant: une ligne coaxiale (Zo) de mise en forme des impulsions, cette ligne coaxiale comportant au moins deux électrodes coaxiales dont l'une est une électrode interne (EI), des moyens de compression magnétique prévus pour charger cette ligne de mise en forme, ces moyens de compression magnétique comportant un condensateur (C 2) et une inductance saturable (L 1) disposée à l'intérieur de la ligne coaxiale, un moyen électriquement conducteur (MC) qui est électriquement relié à une extrémité de l'inductance saturable et qui est en contact avec une partie sensiblement médiane de l'électrode interne de la ligne coaxiale, et un commutateur magnétique à inductance saturable (L 2), prévu pour décharger cette ligne coaxiale, ce générateur étant caractérisé en ce que l'électrode interne de la ligne coaxiale est percée d'une pluralité de trous ( 4) au voisinage de ladite partie sensiblement médiane de cette électrode interne. 2 Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen électriquement conducteur comprend une plaque électriquement conductrice (MC) qui est électriquement reliée à ladite extrémité de l'inductance saturable (L 1) et dont la périphérie est en contact avec la partie sensiblement médiane de l'électrode interne (EI) de la ligne coaxiale. 3 Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les trous ( 4) qui percent l'électrode interne de la ligne coaxiale sont répartis sur la totalité d'un pourtour de cette électrode interne. 4 Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la plaque électriquement conductrice (MC) comprend au moins une ouverture ( 8) et en ce que les trous ( 4) qui percent l'électrode interne de la ligne coaxiale sont situés de part et d'autre de ladite partie sensiblement médiane. 5 Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que de part et d'autre de cette partie sensiblement médiane, les trous ( 4) qui percent l'électrode interne (EI) sont répartis sur la totalité d'un pourtour de cette électrode interne. 6 Générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que La plaque électriquement conductrice (MC) comprend une pluralité d'ouvertures, en ce que, de part et d'autre de ladite partie sensiblement médiane, lesdits trous sont uniformément répartis sur le pourtour correspondant de l'électrode interne et en ce que les ouvertures ( 8) que comprend la plaque (MC) sont uniformément réparties autour de l'axe de cette plaque. 7 Générateur selon l'une quelconque des revenication 2 à 6, caractérisé en ce que le moyen électriquement conducteur comprend en outre une pluralité de lames souples et électriquement conductrices ( 10) qui sont fixées à la périphérie de la plaque électriquement conductrice (MC) pour permettre le contact avec ladite partie sensiblement médiane de l'électrode interne (EI) de la ligne coaxiale (Zo). 8 Générateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que l'électrode interne (EI) de la ligne coaxiale est en forme de cylindre de révolution et en ce que la plaque (MC) électriquement conductrice est en forme de disque. 9 Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'inductance saturable (L 1) qui est disposée à l'intérieur de la ligne coaxiale (Zo) baigne dans un liquide (H) tel que l'huile ou le fréon liquide, en ce que la ligne coaxiale (Zo) baigne dans un liquide électriquement isolant (E) tel que l'eau et en ce que le générateur comprend en outre des moyens de séparation ( 2) étanches et électriquement isolants qui sont prévus pour empêcher tout contact entre ces liquides (E, H). Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de séparation comprennent une enceinte étanche ( 2), électriquement isolante, remplie du liquide (H) tel que l'huile ou le fréon liquide, placée à l'intérieur de la ligne coaxiale (Zo) et contenant l'inductance saturable (L 1).