Brevet FR2741190A1 — publié le 19970516

COMMUTATEUR ELECTRIQUE A GAZ A BASSE PRESSION DE TYPE A PSEUDO-ETINCELLE. La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux commutateurs électriques à gaz basse pression de type à pseudo-étincelle ("pseudospark"), éclateurs commandés comportant une chambre de décharge emplie d'un gaz ionisable sous faible pression et renfermant au moins deux électrodes - anode et cathode - sensiblement planes, discoïdes et coaxiales, disposées face à face à faible distance l'une de l'autre et percées chacune au moins d'un orifice, l'orifice de la cathode étant en regard de celui de l'anode. Les commutateurs à pseudo-étincelle actuellement connus présentent deux inconvénients essentiels relatifs respectivement à leur déclenchement et à l'usure de leurs électrodes. Pour ce qui concerne, en premier lieu, le problème du déclenchement Celui-ci est possible lorsque des électrons sont injectés en nombre suffisant ( > 1010) dans la cathode creuse. Pour réaliser ce déclenchement, il est connu d'utiliser 1 - Une décharge luminescente fonctionnant en permanence dans une cavité adjacente communiquant avec la cathode creuse ; l'application d'une impulsion de tension de l'ordre du kilovolt sur l'anode injecte les électrons germes à l'intérieur de la cathode creuse, ou 2 - Une décharge de surface ou une décharge couronne, engendrée par une impulsion de haute tension à l'intérieur de la cathode creuse, ou 3 - Un flash de lumière ultraviolette, dirigé sur la face externe de la cathode, laquelle émet des électrons germes par effet photo-électrique. Ces différents modes de déclenchement font appel à des dispositifs électroniques externes, à la fois rapides et puissants (hautes tensions impulsionnelles, flashes ultraviolets brefs et intenses) qui s'avèrent souvent plus complexes et plus onéreux que le commutateur lui-même. De plus, la fiabilité, la durée de vie, ou la fréquence de répétition maximale de ces dispositifs de déclenchement sont souvent très inférieures aux performances propres du commutateur. Enfin, ces impulsions de déclenchement brusques engendrent des rayonnements électromagnétiques intenses qui peuvent perturber les dispositifs connexes avant même le déclenchement du commutateur. Au moins, pour certaines applications, on pourrait penser éviter les inconvénients précités en faisant fonctionner le commutateur en mode relaxé, analogue au mode de fonctionnement que l'on obtiendrait avec un éclateur à gaz haute pression, chargé par une capacité et alimenté par une tension continue à travers une résistance de charge. Toutefois le commutateur à pseudo-étincelle présente, dans un tel mode relaxé, deux inconvénients majeurs 1 - Sa fréquence de répétition est instable : le commutateur tend à s'emballer ou au contraire à s'éteindre après quelques minutes de fonctionnement, et 2 - Les signaux électriques ou radio-électriques émis par le commutateur ne peuvent être détectés qu'environ 70 nanosecondes, au plus tôt, avant la disruption ; dans la plupart des cas, ce laps de temps est trop court pour déclencher une électronique standard destinée par exemple à synchroniser un dispositif connexe (par exemple cellule de Pockels pour l'ouverture d'une cavité laser) avec la disruption du commutateur. Pour ce qui concerne, en second lieu, le problème de l'usure des électrodes Le bord de l'orifice des électrodes (anode et cathode) subit une érosion notable, en relation avec la fréquence des décharges et l'importance de l'énergie qu'elles transfèrent (les courants pouvant atteindre plusieurs dizaines de kiloampères) et ceci, en dépit du caractère diffus de la décharge, qui constitue une spécificité du plasma des commutateurs å pseudo-étincelle. La relativement faible durée de vie induite par l'érosion des électrodes reste un facteur limitatif de l'emploi industriel des commutateurs à pseudo-étincelle. Une telle limitation est d'autant plus contraignante que les applications industrielles utilisent généralement des commutateurs scellés pour lesquels il est exclu de remplacer les électrodes hors d'usage. Pour obtenir un accroissement souhaitable de l'énergie totale transférable par ces commutateurs, on pourrait envisager - d'augmenter simultanément l'émissivité électronique et la température de vaporisation du matériau constituant la surface des électrodes ; on a ainsi étudié l'influence de l'adjonction de carbure de tantale sur la vaporisation d'une cathode ; malheureusement, les expériences ne permettent pas d'anticiper un effet bénéfique de cette méthode sur l'érosion des électrodes, - d'accroître la section effective de la décharge en dispo sant plusieurs commutateurs en parallèle et/ou en pré voyant plusieurs orifices alignés ou disposés en cercle des décharges parallèles peuvent effectivement être déclenchées en synchronisme.Toutefois, il s'avère qu'un des orifices prend le pas sur les autres et devient, en fait, plus conducteur et transfère alors la plus grande partie du courant à lui seul ; le fonctionnement du commutateur n'est plus stable et cet orifice, plus conduc teur, subit une érosion accélérée. Equivalents fonctionnels des tubes à gaz de type "thyratron", les commutateurs à pseudo-étincelle leur sont toutefois supérieurs par leur simplicité mécanique et une totale insensibilité aux courants inverses. L'invention propose un commutateur qui écarte dans une large mesure, les inconvénients précités des commuta teurs connus, et qui résout mieux les deux problèmes liés à la stabilité de fonctionnement et à la durée de vie. L'invention propose donc un commutateur électrique à pseudo-étincelle tel que mentionné au préambule, qui se caractérise en ce que chaque orifice de chaque électrode est conformé en fente à bords sensiblement parallèles, s'étendant selon un contour fermé de forme symétrique centrée sur l'axe de l'électrode discoïde, et de préférence de forme sensiblement circulaire; avantageusement il est prévu une électrode de déclenchement, notamment en tungstène, dont l'extrémité libre en forme de filament pénètre dans la cathode creuse, et cette électrode peut être raccordée à un circuit de charge sous la haute tension positive d'alimentation du commutateur, lequel circuit de charge peut comprendre avantageusement un condensateur de charge de faible capacité, connecté à la haute tension par l'intermédiaire d'une résistance de forte résistance. Dans un tel commutateur, la décharge initiatrice s'amorce quelques centaines de nanosecondes avant la disruption du commutateur, lorsque la tension aux bornes du commutateur avoisine la tension du filament. Cette disposition, très simple techniquement et peu onéreuse à mettre en oeuvre, permet d'obtenir un fonctionnement répétitif parfaitement stable du commutateur, pour des fréquences continûment réglables depuis une fraction de hertz jusqu'à au moins un kilohertz, voire plus si des précautions de refroidissement, au moyen par exemple d'huile isolante, sont prises. Un avantage supplémentaire réside dans le fait qu'il est possible de disposer un dispositif détecteur de type résistance de mesure ou boucle magnétique au pied du condensateur relié au filament ; on recueille alors un signal susceptible de commander le déclenchement de dispositifs électroniques connexes avec une anticipation de plusieurs centaines de nanosecondes sur la disruption du commutateur, laps de temps suffisant pour le déclenchement d'une telle électronique ; on remédie par là-même à une insuffisance bien connue des commutateurs actuels. Enfin, on notera que, la décharge initiatrice évoluant lentement, le processus de déclenchement par électrode en forme de filament n'engendre pratiquement aucune perturbation électromagnétique parasite avant la disruption du commutateur. La légère instabilité ("jitter") de déclenchement, qui est de l'ordre de 20 à 30 nanosecondes, reste analogue à celle que l'on observe avec un déclenchement généré par une impulsion extérieure. Il est possible de prévoir une électrode de déclenchement disposée dans une colonnette, creuse et ajourée, de support de la cathode discoïde. Mais il est préférable, pour obtenir un déclenchement plus régulier sur toute la longueur de la fente, de prévoir plusieurs électrodes de déclenchement disposées régulièrement en regard de la fente ; de préférence, dans le cas d'une fente de forme circulaire, on peut avoir recours à trois électrodes de déclenchement écartées chacune d'environ 120 . Avec cet agencement de l'anode et de la cathode conforme à l'invention, on crée une décharge unique de géométrie fermée sur elle-même, sensiblement torique. La fente est à bords sensiblement parallèles, ce qui évite la concentration du courant dans une zone privilégiée, ce qui n'était pas assuré par les commutateurs antérieurs à plusieurs orifices en parallèle. Le courant à la disruption se trouve, grâce à l'invention, réparti sur une surface au moins dix fois supérieure à celle des commutateurs antérieurs à orifice central. La densité de courant est ainsi diminuée d'un ordre de grandeur, ce qui doit conduire à un fort accroissement de la durée de vie de l'anode et de la cathode. Les dispositions conformes à l'invention permettent alors de réaliser un commutateur à pseudo-étincelle pouvant fonctionner de manière récurrente pendant plusieurs heures, avec régularité et sans dérive de ses caractéristiques. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré, donné non limitativement à titre d'exemple. Dans cette description, on se réfère au dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une vue schématique d'une partie d'un commutateur à pseudo-étincelle à gaz basse pression, à déclenchement interne contrôlé, agencé conformément à l'invention ; et - la figure 2 est une vue schématique partielle de dessus du commutateur de la figure 1. Sur la figure 1, seule a été représentée la partie essentielle, utile à la compréhension de l'invention : ce commutateur comprend une chambre de décharge 1 ceinte par une paroi latérale isolante 2 (par exemple un manchon en silice) interposée entre une plaque supérieure 3 électriquement conductrice mise à la masse (0 volts) et une plaque inférieure 4 électriquement conductrice portée à la haute tension d'alimentation (+ HT), ces deux plaques 3 et 4 étant entretoisées par des colonnettes isolantes 5. A l'intérieur de la chambre de décharge 1, deux électrodes planes discoïdes, électriquement conductrices, une cathode 6-6' et une anode 7-7', sont supportées face à face, parallèlement l'une à l'autre, par des colonnettes conductrices (respectivement 16 et 17) et des manchons conducteurs (respectivement 16' et 17') solidarisés respectivement à la plaque supérieure 3 pour la cathode 6-6' et à la plaque inférieure 4 pour l'anode 7-7' ; l'ensemble ainsi décrit est à symétrie de révolution autour de l'axe X-X'. La cathode 6-6', la plaque supérieure 3 et le manchon conducteur 16' délimitent un espace appelé "cathode creuse" l-C ; de même, l'anode 7-7', la plaque inférieure 4 et le manchon conducteur 17' délimitent un espace appelé "anode creuse" 1-A. L'élément interne 6 et l'élément externe 6' de la cathode sont séparés par une fente 8 tandis que l'élément interne 7 et l'élément externe 7' de l'anode sont séparés par une fente 9 située en regard de la fente 8 et ayant la même forme que cette dernière. La largeur des fentes 8 et 9 est approximativement égale à la distance séparant l'anode de la cathode. La chambre de décharge 1 est remplie d'un gaz neutre (hélium par exemple) maintenu à une basse pression réglable (par exemple de 10 à 100 pascals) : on peut prévoir à cet effet une entrée 10 raccordée à une source de gaz et une sortie 11 raccordée à une unité de pompage réglable. Pour réduire l'érosion des bords des orifices des électrodes du commutateur et accroître leur durée de vie, on prévoit de configurer chaque orifice 8 et 9 sous forme d'une fente à bords sensiblement parallèles, s'étendant selon un contour fermé de forme symétrique centrée sur l'axe X-X' du discoïde. Ce contour peut notamment être ovale ou elliptique, mais est, de préférence, circulaire comme représenté sur la figure 2. On obtient ainsi une répartition régulière et homogène de la décharge luminescente le long de la fente circulaire et la continuité du plasma dans l'intervalle séparant les électrodes évite un risque de concentration du courant dans une zone particulière. Une électrode de déclenchement 12, qui est supportée par la plaque supérieure 3 par l'intermédiaire d'un manchon de traversée électriquement isolant, se termine sous forme d'un filament 13, par exemple en tungstène, pénétrant dans la cathode creuse l-C et peut être située en regard de l'orifice 8 de la cathode 6-6'. L'électrode 12 est raccordée à un circuit de charge 14 relié à la haute tension qui polarise l'électrode sous la haute tension positive du commutateur. Le circuit de charge 14 comprend un condensateur C de faible capacité (par exemple 100 à 200 picofarads) connecté d'un côté à la masse électrique (plaque supérieure 3) et de l'autre à la haute tension (+ HT) par l'intermédiaire d'une résistance R de quelques mégohms ; l'électrode 12 est connectée au point de raccordement du condensateur C et de la résistance R. I-l est possible d'avoir recours à une seule électrode de déclenchement 12, située à l'intérieur de la colonnette conductrice 16 soutenant la partie interne (6) de la cathode ; cette colonnette est, dans cet exemple particulier de réalisation, creuse et ajourée et peut être réalisée par exemple dans un grillage roulé en cylindre. Toutefois, pour assurer une décharge initiatrice homogène dans la cathode creuse et simultanément sur toute la longueur de la fente, on peut prévoir plusieurs électrodes 12 disposées en regard de la fente 8 et régulièrement réparties le long du contour de cette fente. Pour un contour circulaire tel que représenté sur la fig. 2, il semble judicieux de prévoir trois électrodes de déclenchement mutuellement écartées angulairement d'environ 1200. Ces électrodes peuvent alors être raccordées à un circuit de polarisation commun. Eu égard à l'avance sensible de l'occurrence de la décharge initiatrice sur la disruption du commutateur, il devient possible de recueillir un signal utilisable pour déclencher efficacement des dispositifs électroniques connexes (non représentés) avec une anticipation suffisante pour que ces dispositifs électroniques soient fonctionnellement actifs au moment de la disruption du commutateur. On peut, par exemple, prévoir un dispositif détecteur 15 tel qu'une résistance de mesure ou une boucle magnétique (comme représenté en tirets sur la fig. 1) au pied du condensateur C relié à (aux) l'électrode(s) 12 pour obtenir un tel signal de commande S. REVENDICATIONS 1. Commutateur électrique à gaz basse pression de type à pseudo-étincelle, comportant une chambre de décharge (1) emplie d'un gaz ionisable sous faible pression et renfermant au moins deux électrodes, une cathode (6-6') et une anode (7-7'), sensiblement planes, discoïdes et coaxiales, disposées face à face à faible distance l'une de l'autre, percées d'orifices respectifs (8, 9) en regard l'un de l'autre, caractérisé en ce que chaque orifice (8, 9) de chaque électrode (6-6', 7-7') est une fente à bords sensiblement parallèles et s'étendant selon un contour fermé de forme symétrique centrée sur l'axe (X-X') des électrodes. 2. Commutateur électrique de type à pseudo-étincelle selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice est une fente de forme sensiblement circulaire. 3. Commutateur électrique de type à pseudo-étincelle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une électrode (12) de déclenchement dont l'extrémité libre (13), en forme de filament, pénètre dans la cathode creuse (1-C). 4. Commutateur électrique de type à pseudo-étincelle selon la revendication 3, caractérisé en ce que le filament (13) de l'électrode de déclenchement (12) est en tungstène. 5. Commutateur électrique de type à pseudo-étincelle selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'électrode de déclenchement (12) est raccordée à un circuit (14) de charge qui comprend un condensateur de charge (C) de faible capacité connecté d'un côté à la masse électrique et de l'autre à la haute tension par l'intermédiaire d'une résistance (R) de forte résistance. 6. Commutateur électrique de type à pseudo-étincelle selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'électrode de déclenchement (12) est raccordée au circuit de charge (14) sous la haute tension positive d'alimentation du commutateur. 7. Commutateur électrique de type à pseudo-étincelle selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une électrode de déclenchement disposée dans une colonnette (16), creuse et ajourée, de support de la cathode discoïde (6). 8. Commutateur électrique de type à pseudo-étincelle selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une électrode de déclenchement disposée en regard de l'orifice (8) en forme de fente. 9. Commutateur électrique de type à pseudo-étincelle selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte trois électrodes de déclenchement, écartées angulairement d'environ 1200. 10. Commutateur électrique de type à pseudo-étincelle selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif détecteur (15), pour la commande d'une électronique connexe, actionnable par l'électrode ou les électrodes de déclenchement (12).