Brevet FR2702900A1 — publié le 19940923

Générateur de Marx L'invention se rapporte à un générateur de Marx et concerne plus spécifiquement le domaine des générateurs de Marx susceptibles de stocker et de restituer des énergies de l'ordre de 100 k J à plusieurs mégajoules. On sait qu'un générateur de Marx est un générateur de haute tension impulsionnelle, dont la fonction essentielle est de stocker de l'énergie électrique puis de la restituer sous forme d'une impulsion de grande puissance et de haute tension Il est constitué essentiellement par un ensemble de condensateurs connectés entre eux de manière à pouvoir être chargés en parallèle et déchargés en série Un circuit d'alimentation assure la charge en parallèle des condensateurs, qui, reliés en série via des éclateurs, se déchargent en série, lorsque ces derniers sont activés, sur une charge connectée entre les deux bornes de sortie du générateur. Un générateur de Marx se caractérise essentiellement par trois paramètres électriques: l'énergie W qu'il est capable de stocker; sa tension de sortie Vs, c'est-à-dire la tension de crête maximale de l'impulsion de sortie qu'il peut délivrer; le temps de montée de cette impulsion, qui correspond au quart de la période du générateur de Marx oscillant sur lui-même lorsqu'on le fait fonctionner en ayant court-circuité ses bornes de sortie Ce quart de période a pour expression: tq= 2 WL 2 Vs o L est l'inductance totale du générateur. Cette formule précise une loi de comportement importante et générale pour ce type de système électrique, à savoir que, si on veut construire des générateurs de Marx qui minimisent le quart de période pour une énergie stockée donnée, il faut, soit augmenter la tension Vs, soit diminuer l'inductance L du système. On constate, à l'examen des caractéristiques de quelques générateurs de Marx existants, que l'inconvénient fondamental des systèmes actuels réside dans le fait que des impulsions énergétiques à faible temps de montée ne peuvent être obtenues que par le biais d'une tension Vs élevée (supérieure à 700 k V en pratique) Dans certains cas, cette contrainte de tension élevée n'est justifiée que par une exigence de rapidité et pénalise les performances des systèmes utilisant ces générateurs de Marx en imposant un accroissement des distances entre les différents conducteurs et une augmentation importante de la qualité des diélectriques employés De plus, une augmentation de la tension de service d'un générateur de Marx induit inévitablement une augmentation de son inductance en imposant une augmentation des distances entre les conducteurs Enfin, les coûts d'entretien de tels systèmes augmentent significativement avec leurs tensions de travail. La présente invention a pour but de réduire le temps de montée des impulsions délivrées par un générateur de Marx par abaissement de son inductance. Ce but est atteint par un générateur de Marx dans lequel la connexion en série des condensateurs est assurée par une ligne plate formée de deux bandes métalliques s'étendant en regard l'une de l'autre, parallèlement à un même plan et suivant une même direction longitudinale, ces bandes étant reliées électriquement entre elles à l'une des extrémités de la ligne et respectivement aux bornes de sortie à l'autre extrémité et comprenant une première bande continue et une deuxième bande divisée par des fentes transversales en tronçons successifs plans interconnectés en série alternativement par un condensateur et par un éclateur. Une ligne d'interconnexion des condensateurs dotée de cette structure apporte une très faible inductance en plus de l'inductance propre de chaque condensateur, ce qui réduit la valeur de la quantité tq, donc du temps de montée des impulsions de sortie, et permet de multiplier le nombre d'étages en série du générateur, chaque étage correspondant à un condensateur. Dans une forme de réalisation avantageuse, les tronçons précités, séparés par une fente o est interposé un éclateur, sont disposés dans un même plan et chaque éclateur est un éclateur de surface qui, lorsqu'il est activé, crée dans ladite fente, entre les deux tronçons, une zone conductrice plane située dans le même plan que ceux-ci. Un éclateur d'un tel type présente la particularité de donner naissance entre les deux tronçons o il est disposé, sur commande d'activation, à une nappe conductrice d'arcs électriques qui assure une continuité non seulement électrique, mais aussi géométrique, d'un tronçon à l'autre, de sorte que l'inductance qu'il introduit est minimisée. Plus particulièrement, chaque éclateur peut comprendre une électrode métallique d'activation disposée en regard de ladite fente et offrant une surface parallèle audit plan et de dimensions voisines de celles de la fente, ainsi qu'une feuille isolante formant une entretoise interposée entre l'électrode d'activation et les bords desdits tronçons Un éclateur doté d'une telle structure s'intègre parfaitement dans la bande de ligne plate sur laquelle il est monté. Par ailleurs, il convient que l'écartement entre chaque paire de tronçons de la deuxième bande réunis par un éclateur et la première bande soit fixé en fonction du niveau de la différence de potentiel qui apparaît entre cette paire de tronçons et la première bande lorsque les éclateurs sont activés et mis à l'état de conduction Ainsi, l'épaisseur de la ligne diffère d'un étage l'autre du générateur, étant calculée au plus juste pour minimiser l'inductance de chaque étage Cette disposition pourra en pratique être réalisée en donnant à la deuxième bande de la ligne (o sont interposés les condensateurs et les éclateurs) la forme d'un escalier, la première bande étant plane. En conclusion, on peut dire que l'invention permet de concevoir et de construire des générateurs de Marx stockant de grandes quantités d'énergie et présentant une inductance très faible Pour une tension Vs modérée (Vs de montée de l'impulsion délivrée dans un court-circuit. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés, d'un exemple de réalisation non limitatif. La figure 1 représente schématiquement, en coupe longitudinale, un générateur de Marx selon l'invention. La figure 2 représente, en vue de dessus avec un léger effet de perspective, la ligne de connexion du générateur de la figure 1 dont les condensateurs et les éclateurs ont été omis. La figure 3 représente en perspective une vue simplifiée de l'un des étages du générateur de la figure 1. La figure 4 représente, à plus grande échelle, l'un des éclateurs du générateur de la figure 1. Le générateur de Marx représenté à la figure 1 comprend trois étages I, II, III, chacun d'eux étant équipé d'un condensateur C, contenu dans un boîtier parallélépipédique (figure 3) et offrant ses deux bornes de connexion 1, 2 sur une même face de ce boîtier Les trois condensateurs C sont reliés électriquement en série par l'une des bandes d'une ligne plate formée de deux bandes parallèles 3, 4 s'étendant suivant une même direction longitudinale Y A cet effet, la bande supérieure 3 est interrompue par trois intervalles i C successifs (figure 2), les bords de la bande limitant chacun de ces intervalles étant respectivement reliés aux bornes de l'un des condensateurs C Les éléments de la bande 3 allant de la borne 2 d'un condensateur à la borne 1 du condensateur suivant ou, pour le dernier étage III, à la borne de sortie 5 de la bande 3 sont eux-mêmes divisés en deux tronçons 7, 8 situés dans un même plan et séparés par un intervalle i E dans lequel est disposé un éclateur E destiné à mettre en liaison électrique, sur commande, ces deux tronçons 7, 8 La bande inférieure 4, qui est maintenue au potentiel de la masse, s'étend sans interruption sur la même longueur que la bande supérieure 3 divisée en tronçons 7, 8 successifs, et se termine par une borne de sortie 6 en regard de la borne de sortie 5 de la bande 3; c'est à ces bornes 5, 6 qu'est connectée la charge 9 sur laquelle doit débiter le générateur de Marx. Quant aux extrémités opposées de la ligne plate, elles sont courtcircuitées par une connexion 13. L'espace A compris entre les bandes 3 et 4 de la ligne est rempli d'une substance 10 de forte rigidité diélectrique (par exemple 350 k V/cm); qu'elle soit solide, liquide ou gazeuse, elle doit être capable d'assurer l'isolement électrique nécessaire entre les deux bandes dans la phase de décharge du générateur de Marx, dans laquelle les condensateurs C, préalablement chargés en parallèle à une tension V grâce à un circuit de charge non représenté, sont déchargés en série par la mise en activité des éclateurs E, qui, devenant alors conducteurs, établissent la continuité de la bande 3 entre chaque condensateur et le condensateur suivant sur la borne de sortie 5. Au moment de la décharge des condensateurs en série, les tronçons 7 et 8 de l'étage I se trouvent portés à la tension V, ceux de l'étage Il à la tension 2 V et ceux de l'étage III à la tension 3 V par rapport à la bande de masse 4 En conséquence, il convient de donner à l'espacement des paires de tronçons 7, 8 de la bande 3 par rapport à la bande 4 des valeurs dl, d 2, d 3 (ou, pour un nombre d'étages quelconque, d(n-1), dn, d(n+ 1)) allant de même en croissant, comme le montrent les figures 1 et 3 La bande supérieure 3 a pour cette raison, dans le présent exemple, la forme d'un escalier dont les marches sont formées par les paires de tronçons 7, 8 et qui va en montant de l'extrémité en court- circuit de la ligne vers les bornes de sortie 5, 6, tandis que la bande inférieure 4 est plane (cf figure 1). Comme le montre la figure 4, un éclateur E comprend une électrode de déclenchement 11 et une feuille diélectrique rigide 12 (par exemple en polyéthylène) L'électrode 11 présente une surface plane lia ayant un pourtour rectangulaire de dimensions voisines de celles de l'intervalle i E o est disposé l'éclateur Cette surface est maintenue parallèle au plan des tronçons 7 et 8 limitant ledit intervalle, et à faible distance de ceux-ci, par la feuille diélectrique 12, interposée entre l'électrode 11 et les tronçons 7 et 8 sur les bords desquels elle prend appui La valeur de la largeur e de l'intervalle i E est choisie en fonction de la tension V de charge de chacun des condensateurs C. Un éclateur E se comporte comme un interrupteur connecté entre les tronçons 7 et 8 Lorsqu'on applique à l'électrode de déclenchement 11 une tension suffisante, il y a création d'un grand nombre d'arcs électriques entre les bords en regard des tronçons 7 et 8, qui autorise le passage d'un courant entre ces derniers, ce qui correspond à la fermeture de l'interrupteur Un tel éclateur a une action "de surface", localisée dans le plan commun des tronçons 7, 8 entre lesquels il est interposé, de sorte que, lorsqu'il est activé, il les réunit par une liaison contenue dans ce plan Par suite, l'inductance introduite dans la bande 3 de la ligne plate par chacun des éclateurs E se trouve minimisée. Pour faire fonctionner le générateur de Marx, on procède tout d'abord à la charge des condensateurs en parallèle à la tension V grâce au circuit annexe de charge mentionné plus haut Puis, lorsque les condensateurs sont pleinement chargés, on excite simultanément les éclateurs E par application, grâce à un autre circuit annexe non représenté, d'une tension convenable à leurs électrodes de déclenchement 11 Ils se comportent alors comme des interrupteurs fermés, de sorte que les condensateurs C se déchargent en série, via la ligne plate, dans la charge 9, laquelle reçoit une impulsion de tension élevée dont la valeur peut aller jusqu'à NV, N étant le nombre d'étages du générateur, mais dont la valeur réelle dépend des caractéristiques de la charge. Si la charge 9 est court-circuitée, la durée de cette impulsion est directement liée à la quantité tq qui est le quart de la période du circuit oscillant constitué par la capacité des condensateurs C et l'inductance de la ligne augmentée de l'inductance propre des condensateurs Cette quantité tq a pour expression, comme on l'a vu plus haut: tq= r 2 WL 2 Vs Pour réduire la valeur de la quantité tq, on peut soit augmenter le produit N x V, soit diminuer l'inductance totale L du système. L'utilisation d'une ligne plate décrite dans le présent exemple permet de réduire l'inductance L, ou plus précisément l'inductance introduite par chacun des étages en plus de celle du condensateur C Par suite, l'adjonction d'étages supplémentaires ne cause qu'une faible augmentation de l'inductance totale. Ce point a été mis en évidence grâce à l'expérience qui va maintenant être décrite. On a réalisé un générateur de Marx à trois étages conforme à la description précédente, en utilisant des condensateurs de 0,1 RF, 50 k V (présentant une inductance intrinsèque de 20 n H), qui sont chargés en parallèle à une tension V = 22 k V Chacun des trois éclateurs de surface E, monté dans un intervalle i E de largeur égale à 25 mm, est commandé par un même générateur de déclenchement pouvant délivrer une tension de l'ordre de 30 k V. On a ainsi obtenu des impulsions de 27 k A sous 66 k V, de période égale à 360 ns Ces résultats permettent de calculer l'inductance totale L à l'aide de la formule indiquée plus haut, qui peut s'écrire: L = (tq / X)2 ( 1 / Cglob), Cglob étant la capacité globale du générateur de Marx (égale au tiers de la capacité de chacun des trois condensateurs C) Remplaçant les lettres par leurs valeurs numériques, on trouve que la valeur de L est très voisine de n H. Si on reprend l'expérience avec un générateur limité à un seul étage, mais avec une ligne identique, on obtient une impulsion de sortie ayant une période très peu différente de la précédente. On voit que, le générateur à trois étages conduisant à peu près à la même période que celui à un étage, l'ajout d'étages supplémentaires n'introduit guère d'inductance parasite. On peut donc envisager la construction de générateurs de Marx à N étages pour lesquels le quart de période varie peu pour des tensions Vs modérées (Vs = 700 k V), mais dont l'énergie croît proportionnellement au nombre d'étages. Revendications 1 Générateur de Marx, comprenant plusieurs condensateurs connectés en série, via des éclateurs, entre deux bornes de sortie et un circuit d'alimentation assurant la charge en parallèle desdits condensateurs, caractérisé par le fait que la connexion en série des condensateurs (C) est assurée par une ligne plate formée de deux bandes métalliques ( 3, 4) s'étendant en regard l'une de l'autre, parallèlement à un même plan et suivant une même direction longitudinale (Y), ces bandes étant reliées électriquement entre elles à l'une des extrémités de la ligne et respectivement aux bornes de sortie ( 5, 6) à l'autre extrémité et comprenant une première bande continue ( 4) et une deuxième bande ( 3) divisée par des fentes transversales (i C, i E) en tronçons successifs ( 7, 8, 7, 8,) plans interconnectés en série alternativement par un condensateur et par un éclateur (E). 2 Générateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait les tronçons ( 7, 8) séparés par une fente (i E) o est interposé un éclateur (E) sont disposés dans un même plan et que chaque éclateur (E) est un éclateur de surface qui, lorsqu'il est activé, crée dans ladite fente, entre les deux tronçons, une zone conductrice plane située dans le même plan que ceux- ci. 3 Générateur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que chaque éclateur (E) comprend une électrode métallique d'activation ( 11) disposée en regard de ladite fente (i E) et offrant une surface (lia) parallèle audit plan et de dimensions voisines de celles de la fente, ainsi qu'une feuille isolante ( 12) formant une entretoise interposée entre l'électrode d'activation ( 11) et les bords desdits tronçons ( 7, 8). 4.Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'écartement (dn) entre chaque paire de tronçons ( 7, 8) de la deuxième bande ( 3) réunis par un éclateur (E) et la première bande ( 4) est fixé en fonction du niveau de la différence de potentiel qui apparaît entre cette paire de tronçons et la première bande lorsque les éclateurs(E) sont activés et mis à l'état de conduction. Générateur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la première bande ( 4) est plane, la deuxième bande ( 3) offrant la forme d'un escalier.