Brevet FR2666462A1 — publié le 19920306

DESCRIPTION GENERATEUR D'IMPULSIONS DE TRES HAUTE TENSION ET DE FORT COURANT La présente invention a pour objet un générateur d'impulsions de très haute tension et de fort courant. Elle trouve une application dans l'alimentation des klystrons de très haute puissance et de certains tubes électroniques tels que les lasers à électrons libres. Elle peut également être appliquée dans le domaine de la radiographie éclair ou de l'ioni- sation. Elle peut également constituer une source de polarisation dans les accélérateurs utilisant des collecteurs pour la récupération de l'énergie des faisceaux électroniques très intenses (de la centaine à quelques milliers d'ampères). Dans de telles applications, les impulsions requises sont des impulsions rectangulaires, de très haute tension (supérieure à 500kV), délivrées sous une impédance de 500 à 3000 ohms, présentant un temps de montée le plus court possible et un palier d'amplitude le plus plat possible, avec une durée de 100 nanosecondes à quelques micro-secondes. Dans les générateurs actuels, appelés aussi modulateurs, on utilise généralement une ligne de formation basse impédance constituée de composants discrets (capacités et inductances). Un thyratron haute tension commande la décharge de la ligne. La tension de fonctionnement des thyratrons n'excédant pas 60kV, on est conduit à utiliser un transformateur élévateur. Du fait de l'isolement électrique néces saire, lié à la haute tension, ce transformateur a obligatoirement des fuites magnétiques importantes, limitant les temps de montée de l'impulsion de sortie. Pratiquement, à 500kV, le temps de montee sera voisin d'une microseconde. Ce temps de montée ne pourra que croître avec la tension de sortie. La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. A cette fin, elle propose un générateur : - qui ne comporte pas de transformateur élévateur, - dont les temps de montée sont typique ment réduit d'un facteur 10 (100ns), - dont le rendement est améliore par l'absence de chauffage des thyratrons, et par la réduction du temps de montée, - qui délivre une tension de sortie facilement réglable, (en durée et en amplitude), - dont l'impédance est constante pour toutes les valeurs souhaitées de la tension. Tous ces résultats sont atteints par un générateur qui est caractérisé par le fait qu'il comprend des câbles coaxiaux, des moyens pour les charger en parallèle et des moyens pour les décharger en série. Dans un mode de réalisation privilégié, le générateur comprend - des câbles coaxiaux ayant un conducteur extérieur et un conducteur intérieur, - des commutateurs connectés entre le conducteur intérieur d'un câble et le conducteur extérieur du câble sui vant, - une source de haute tension reliée à tous les conducteurs intérieurs des câbles, à travers des résistances, - un circuit de commande de déclenchement relié à tous les commutateurs. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation donné à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un mode de réalisation d'un générateur conforme à l'invention ; - la figure 2 montre un exemple d'impul sions obtenues par le générateur de l'invention. On voit, sur la figure 1, un générateur comprenant trois câbles coaxiaux du commerce C1, C2, C3, trois éclateurs El, E2, E3, une source de haute tension SHT et un circuit de déclenchement CD. La source SHT est reliée aux câbles par des résistances Rl, R2, R3, R4, R5, R6. Le circuit de déclenchement CD est relié aux électrodes de déclenchement des ecla- teurs à travers un condensateur C et des résistances rl, r2, r3. Des résistances supplémentaires r, r' équilibrent les tensions entre les électrodes des éclateurs. Les électrodes principales des éclateurs sont reliées, l'une au conducteur intérieur d'un câble et l'autre au conducteur extérieur du câble suivant. Le générateur possède une sortie générale S reliée au conducteur extérieur du dernier câble. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Les trois câbles sont d'abord chargés en parallèle par la source de haute tension SHT. La commande des trois éclateurs a pour effet de connecter en série les trois câbles, qui vont se décharger et faire apparaître, sur la sortie générale S, une impulsion de tension. On sait, à cet égard, qu'une ligne chargée à une tension U, délivre, lorsqu'elle est déchargée sur une charge égale à son impédance caractéristique Z, une impulsion d'amplitude U/2 et de durée égale au double du temps de propagation dans cette ligne. Si T est ce temps de propagation et si N est le nombre de câbles, on obtient par le genera- teur de l'invention, une impulsion de durée 2T, d'amplitude NU/2 sur une charge d'impédance NZ, (N est égal à 3 dans la variante illustrée). Par exemple, si 3 câbles coaxiaux de 100m sont utilisées, d'impédance 50 ohms et, chargés à 50kV, on obtiendra une impulsion de 3x25=75kV d'une durée d'une microseconde sur une charge de 3x50=150 ohms. Pour N=20, on obtiendrait 500kV sur 1000 ohms. L'alimentation haute tension SHT peut être une alimentation du commerce de 130kV, 5mA. Le circuit de déclenchement peut engendrer des impulsions de durée très courte, de IOns environ. L'ensemble des éléments peut être im merdée dans une cuve d'huile, qui garantit la tenue électrique à la tension maximale désirée. La longueur des câbles étant importante, (100 mètres ou plus) ces câbles peuvent être bobinés sur un support cylindrique. La fréquence de fonctionnement est limitée par L'échauffement dû aux pertes ohmiques dans les câbles, dans les éclateurs, les pertes diélectriques dans les câbles et l'huile, les mouvements de convection induits dans l'huile par les tensions appliqueues et par la puissance de l'alimentation continue. La production de rayonnements ionisants, si la charge est un canon electronique, peut également limiter La cadence de fonctionnement au cas où des protections ne sont pas prévues. La figure 2 montre une impulsion obtenue par le générateur de la figure 1. La durée est voisine de 1 microseconde et l'amplitude est de l'ordre de 150kV. REVENDICATIONS 1. Générateur d'impulsions électriques de très haute tension et de fort courant, caractérisé par le fait qu'il comprend des câbles coaxiaux (C1, C2, C3), des moyens (SHT, R1-R6) pour les charger en parallèle et des moyens (CD, El, E2, E3) pour les décharger en série. 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend - des câbles coaxiaux (C1, C2, C3) ayant un conducteur extérieur et un conduc teur intérieur, - des commutateurs (El, E2, E3) connectés entre le conducteur intérieur d'un câble et le conducteur extérieur du câble suivant, - une source de haute tension (SHT) reliée à tous les conducteurs inté rieurs des câbles à travers des résis tances (R1, ..., R6), - un circuit de commande de déclenchement (CD) relié à tous les commutateurs (El, E2, E3). 3. Générateur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les commutateurs sont des éclateurs (El, E2, E3) possédant une première électrode reliée au conducteur intérieur d'un câble et une seconde électrode reliée au conducteur extérieur du câble suivant et une électrode de declenchement reliée au circuit de commande de déclenchement (CD). 4. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérise par le fait que les câbles (C1, C2, C3) sont enroulés sur des bobines.