Brevet FR2984027A1 — publié le 20130614

L'invention concerne un éclateur à haute tension du type à amorçage par laser ; selon un aspect de l'invention sa cathode est connectée, au sein de la chambre de décharge, à une résistance dont l'effet est intermittent au cours d'une décharge. Les éclateurs à haute tension, et en pratique à forte intensité de 10 courant, sont des éclateurs de puissance qui sont généralement amorcés par un laser. Un éclateur est ici considéré comme étant à haute tension lorsqu'il est conçu en sorte de pouvoir transférer de l'énergie à une tension d'au moins 1000 volts. 15 La technologie des éclateurs amorcés (on dit aussi « déclenchés ») par laser a été mise en oeuvre avec l'avènement des lasers afin de fiabiliser l'instant du déclenchement, et donc sa possible synchronisation avec d'autres évènements. Le principe d'un tel amorçage par laser est de focaliser un faisceau laser dans l'intervalle (ou « gap ))) situé entre les électrodes de 20 l'éclateur, qui est en pratique rempli d'un gaz sous pression, typiquement du SF6 ; cela déclenche un arc électrique entre les électrodes, du fait de l'ionisation du gaz dans cet intervalle, ce qui assure temporairement une conduction électrique entre les électrodes. L'ionisation commence à l'emplacement où le faisceau est focalisé et l'arc électrique est en pratique de 25 faible diamètre, ce qui signifie qu'il a une inductance et une résistance élevées. Des exemples d'éclateurs à déclenchement par laser sont notamment décrits dans les documents US - 3 295 011, FR - 1 495 564 ou FR - 2 673 334. Le document FR - 1 495 564 aborde en outre l'obtention d'une cadence élevée de déclenchement. 30 Dans son principe, un éclateur est un dispositif destiné à transférer l'énergie d'un condensateur vers un composant actif et implanté dans un circuit de type RLC. En pratique, la composante capacitive de ce circuit est principalement formée par ledit condensateur tandis que le composant actif peut être, notamment, une inductance, telle que le circuit primaire d'un transformateur pulsé, et/ou une résistance de faible valeur, telle qu'un fil à exploser. Un tel circuit est schématisé à la figure 1, avec un éclateur 1 dont une électrode 1A (anode en pratique) est connectée à une capacité 2, formant une source d'énergie, et une autre électrode 1B (cathode en pratique) est connectée à un circuit utile 3, en pratique représenté par une inductance L et une résistance Ru. Ces électrodes sont séparées par un espace 4, au sein d'une chambre 5 mise sous vide ou au contraire remplie d'un gaz sous pression, tel que du SF6 ou de l'air (sec). La flèche représente un faisceau laser pouvant être utilisé pour provoquer le déclenchement de l'éclateur dans cet espace 4. La décharge (quelle que soit la cause du déclenchement, volontaire ou non), se fait alors suivant une courbe qui est apériodique amortie, ou oscillatoire amortie, suivant que la résistance Ru (voir ci-dessous) est supérieure ou inférieure à une valeur de seuil telle que Rs = 2 (L/C)(15, ou Rs2 = 4.UC. En pratique la valeur C représente toutes les composantes capacitives du circuit 2+3 dans lequel les électrodes sont montées (on comprend qu'il s'agit essentiellement de la capacité du condensateur auquel est appliqué l'énergie à décharger), la valeur L représente toutes les composantes inductives auxquelles l'éclateur est connecté (on comprend qu'il s'agit essentiellement de la composante du circuit utile), et la valeur Ru représente toutes les composantes résistives de ce circuit. La figure 2 représente les courbes correspondant dans deux exemples représentatifs des deux cas précités. La courbe Cl correspond à une capacité de 1 pF chargé à 100kV, et un circuit utile d'inductance L = 1 pH (donc Rs = 2 0) et de résistance Ru = 0.2 (donc Ru La courbe C2 correspond à une capacité de même valeur que dans le premier cas, et un circuit utile de même inductance ; par contre la résistance Ru = 2 0 (c'est-à-dire que Rs = Ru). On observe que cette courbe C2 commence, comme Cl, par une augmentation jusqu'à un pic (noté la), sensiblement inférieur au pic k) de la courbe Cl (la est inférieur à la moitié de Io), puis diminue continûment vers 0. On observerait une décroissance de la pour des valeurs croissantes de Ru (à titre d'exemple, la ne serait plus que de l'ordre de 5kA pour une valeur de Ru = 20 O. Ainsi le régime apériodique de la courbe C2 correspond à un courant bien plus faible qu'en régime oscillatoire (Cl) ) ; on comprend que, si l'on souhaite obtenir un courant plus important immédiatement après le déclenchement de la décharge, il semble préférable de chercher à obtenir un régime oscillatoire, mais un tel régime oscillatoire s'est révélé néfaste pour la durée de vie des composants du circuit, de même que pour l'obtention d'un bon transfert d'énergie de la source vers le circuit utile, notamment du fait des inversions de courant. L'invention a pour objet une structure d'éclateur permettant de 20 combiner les avantages des deux régimes précités, avec un régime de courant important en une première phase, tout en ayant ensuite une évolution apériodique amortie. Elle propose à cet effet un éclateur à haute tension comportant une enceinte dans laquelle sont montées une anode et une cathode séparée par un 25 intervalle prédéterminé, les bornes par lesquelles ces électrodes sont respectivement connectées à l'extérieur de l'enceinte étant destinées à être montées au sein d'un circuit de résistivité Ru, d'inductance L et de capacité C, caractérisé en ce que la cathode est connectée à sa borne respective, au sein de l'enceinte, au travers d'une résistance additionnelle de valeur résistive Ra 30 telle que Ru De manière préférée, cette résistance additionnelle a une valeur de résistance juste suffisante pour obtenir le changement de régime de décharge. En d'autres termes, de manière préférée, la valeur de Ra est telle que Ru + Ra = 2.(UC)", ou très légèrement supérieure (par exemple d'au plus 5%. Ainsi, selon l'invention, l'enceinte de l'éclateur comporte, entre la cathode et la paroi de l'enceinte, une résistance capable d'être entourée par le plasma généré au sein de cette enceinte au moment de la formation d'un arc électrique entre les deux électrodes ; puisque le plasma est conducteur, celui-ci met la résistance Ra en court-circuit (Ra est donc neutralisée), de sorte que la décharge commence par suivre une courbe de courant du type Cl à la figure 2, c'est-à-dire une courbe oscillatoire amortie. Toutefois, lorsque le courant passe à 0, l'arc électrique ne génère plus assez de plasma pour court-circuiter Ra ; il en découle que la résistance du circuit devient Ra+Ru et la décharge se poursuit selon une courbe de type C2 à la figure 2, c'est-à-dire un régime apériodique critique amorti. En d'autres termes, selon l'invention, la présence dans l'enceinte d'une résistance pouvant être entourée, donc court-circuitée, par le plasma a pour effet que l'on force le circuit à se décharger d'abord suivant un régime oscillatoire puis suivant un régime apériodique à partir du premier point de croisement des deux courbes de la figure 2. Ainsi, on profite de la haute valeur de crête de la première oscillation, puis du régime apériodique qui contribue à améliorer la durée de vie des composants tout en assurant un bon transfert de l'énergie. Pour ce faire, la résistance additionnelle intervient de manière seulement intermittente lors de la décharge. Si l'on désigne par Rp la composante résistive du plasma, on comprend que cette composante a d'abord une valeur très inférieure à Ra, puis qu'elle devient très supérieure à celle-ci. L'intensité de la première impulsion de tension est d'autant plus importante que Rp est faible et que Ru est faible par rapport à Rs ; on évite d'autant mieux qu'il y ait ensuite des oscillations non désirées que Rp évolue vers une valeur très importante et que (Ru+Ra) est proche de Rs. De manière préférée, cette résistance additionnelle a une longueur, parallèlement à la direction suivant laquelle s'étend l'espace séparant les électrodes, supérieure à sa largeur d'un facteur au moins égal à 2. En d'autres termes, la résistance additionnelle est avantageusement allongée dans le sens d'alignement des électrodes ; cela contribue à l'obtention d'une valeur significative de résistance tout en permettant d'obtenir un effet de court-circuit par le plasma ; en fait ce facteur de forme dépend aussi de la présence éventuelle d'un alésage central à l'intérieur de cette résistance, étant noté que la longueur de cette résistance influe aussi, avec la résistivité du matériau qui la constitue, sur l'évolution de la résistance Rp précitée au cours de la décharge électrique totale. La présence d'une résistance allongée entre la paroi de l'enceinte et la cathode est apparue tout à fait compatible avec un bon maintien en position de cette cathode au sein de l'enceinte. La section transversale de la résistance additionnelle peut être dimensionnée en fonction de l'intensité de la décharge électrique à libérer ; on peut toutefois souhaiter que son contour ait une section au plus égale (à 10% près) à la section de la cathode, transversalement à l'axe d'alignement des électrodes. De manière également préférée la résistance additionnelle a la forme d'un tube entourant une tige de positionnement de la cathode à l'intérieur de l'enceinte. En variante cette résistance additionnelle peut être formée d'une pluralité de tiges pleines réparties autour d'une telle tige de positionnement. On peut noter que la démarche naturelle de l'homme de métier consistait à minimiser le volume de l'enceinte de confinement d'un éclateur, 25 compte tenu notamment de ce que cette enceinte était destinée à être à une pression très différente de la pression ambiante (vide, ou au contraire pression de plusieurs bars). Cela explique que de manière classique, les électrodes sont, dans les éclateurs classiques, très proches des parois délimitant les extrémités de l'enceinte de confinement. Contrairement à cette démarche naturelle, 30 l'invention enseigne d'écarter l'une des électrodes, à savoir la cathode, de sa paroi respective de manière à y loger une résistance additionnelle. On peut ajouter que la démarche habituelle de l'homme de métier, pour amorcer par laser la formation de l'arc électrique permettant la décharge d'énergie, était de focaliser un faisceau laser dans l'espace situé entre les électrodes, ce qui avait pour effet de générer un arc électrique étroit dont la section ne représentait qu'une faible fraction de la section des électrodes (typiquement inférieure à un tiers de cette section). Selon un autre aspect préféré de l'invention, la cathode est au moins en partie formée, en regard de l'anode, d'un matériau réfractaire poreux (par exemple fritté) chargé, de manière au moins approximativement homogène, en matériau capable d'émettre des électrons par effet photo-émissif (il est apparu que c'était le cas de matériaux connus en soi au sein de cathodes connues sous le nom d'électrode à réserve ou « impregnated dispenser electrode » en anglais) ; cela a pour effet que le faisceau n'a plus besoin d'être focalisé au sein de l'espace séparant les électrodes et peut avoir une section significative lorsqu'il atteint la surface de la cathode, permettant que l'intensité surfacique (ou densité, ou flux) d'illumination soit inférieure à 35 mJ/mm2, de préférence comprise entre (et y compris) 10 et 20 mJ/mm2 ; il en découle que l'arc électrique qui se forme a une section plus large que dans les éclateurs classiques et peut plus facilement englober la cathode ; on comprend que cela facilite la propagation du plasma derrière la cathode, autour de la résistance additionnelle que l'invention enseigne d'ajouter. De préférence, le matériau capable d'émettre des électrons a une énergie d'extraction des électrons d'au plus 2 eV. De manière avantageuse, l'énergie d'extraction de ces électrons est inférieure à l'énergie des photons incidents. Ainsi, selon encore un autre aspect avantageux de l'invention, l'éclateur comporte une lentille destinée à intercepter un faisceau laser selon une direction axiale de l'anode et à le concentrer au travers de l'anode en direction de la cathode, cette lentille étant conçue en sorte de focaliser le faisceau au-delà de la surface de la cathode délimitant ledit intervalle. De manière préférée, la partie de cathode formée d'un matériau réfractaire poreux chargé en matériau émissif est située au centre de la cathode (celle-ci peut elle-même être montée dans un porte-cathode). Elle a avantageusement une surface d'au moins 3 mm2, De manière préférée, cette partie de la cathode est formée de tungstène fritté (ou de métaux de la mine de platine) chargé notamment en 5 oxydes alcalins et/ou alcalino-terreux, par exemple en oxydes de baryum, de calcium et d'aluminium. La section de la cathode est définie en fonction du courant, ou de la charge qu'il y a à faire transiter par celle-ci, tandis que la distance inter-électrodes est définie notamment en fonction de la tension d'auto-amorçage. 10 Bien que ces valeurs soient définies indépendamment l'une de l'autre, il peut être avantageux que la cathode ait, transversalement à l'axe d'alignement des électrodes, une dimension représentant entre 50% et 200% de l'intervalle inter-électrodes. 15 L'invention concerne également un dispositif à décharge électrique comportant un éclateur du type précité. Elle propose ainsi un ensemble comportant une source laser adaptée à générer des faisceaux laser impulsionnel et un éclateur du type précité, caractérisé en ce que l'éclateur comporte une lentille disposée suivant 20 une direction axiale de l'anode et positionnée par rapport à la source laser en sorte de concentrer un faisceau laser impulsionnel au travers de l'anode en direction de la cathode. De manière préférée, la source laser est adaptée à générer des faisceaux laser impulsionnels de durée inférieure à 5 ns. 25 Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple illustratif non limitatif en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma de principe d'un éclateur à 30 déclenchement laser connu, la figure 2 est un graphe représentant deux types possibles de courbes de décharge d'un éclateur conforme au schéma de la figure 1, la figure 3 est un schéma de principe d'un éclateur conforme à l'invention, la figure 4 est une coupe longitudinale d'un éclateur conforme au schéma de la figure 3, et la figure 5 est un graphe représentant une courbe de décharge de l'éclateur de la figure 4 dans lequel on autorise la formation d'un plasma autour d'une résistance additionnelle et une courbe de décharge de cet éclateur sans plasma autour de cette résistance additionnelle (ayant une impédance plus faible). La figure 3 est un schéma, aussi général que celui de la figure 1, mais faisant apparaître une caractéristique particulière de l'invention : on note que l'éclateur de cette figure 3, où les éléments similaires à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes signes de référence mais augmentés du nombre 10, se distingue principalement par la présence dans l'enceinte d'une résistance additionnelle derrière la cathode, entre celle-ci et la paroi de l'enceinte. Ainsi, cet éclateur 11 comporte une électrode 11A (anode en pratique) connectée à une capacité 12, formant une source d'énergie, et une autre électrode 11B (cathode en pratique) connectée à un circuit utile 13, en pratique représenté par une inductance L et une résistance Ru. Ces électrodes sont séparées par un espace 14, au sein d'une chambre 15 mise sous vide partiel ou au contraire, de préférence, remplie d'un gaz sous pression, tel que du SF6 ou de l'air (sec) ; la pression est classiquement de plusieurs bars, typiquement de l'ordre de 2 à 5 bars, par exemple 3 bars. Ces électrodes sont en regard l'une de l'autre, le long d'une direction axiale (non représentée, horizontale sur cette figure 3). La cathode 11B est reliée électriquement à la paroi de l'enceinte 15, plus précisément à la borne 17 par laquelle cette 2 98402 7 9 cathode peut être connectée à l'extérieur, par une résistance additionnelle notée 16. Cette résistance 16 a une valeur résistive Ra telle que Ru La notion de cathode de réserve est notamment décrite dans l'article « Modem dispenser cathodes » de J.L. Cronin paru dans IEE PROC, Vol 128, Pt 1, N°1, February 1981, pp 19-32 ; on trouve également des informations sur cette notion dans la présentation « High Emission Density Thermionic Cathode » de Arnold Shih (Vacuum Electronics Branch, Naval Research Laboratory, Washington DC), lors de « Workshop on Cathodes for Relativistic Electron Beams » May 10-11 2001. On peut également se référer au document FR - 2 683 090 ou au document US - 2 864 028. Comme indiqué ci-dessus les cathodes à réserve sont utilisées en pratique sous vide, de manière continue et nécessitent un chauffage, ce qui correspond à une utilisation bien différente de celle qu'enseigne l'invention. De manière préférée, la poudre de tungstène frittée est imprégnée d'oxydes de baryum, de calcium et d'aluminium. De manière particulièrement préférée, les proportions relatives d'oxydes de baryum, de calcium et d'aluminium sont de 5 :3 :2. Cela correspond à des matériaux homogènes de cathodes bien connues sur le marché, et donc de prix modéré (cathodes connues sous la désignation « Philips B »). La cathode comporte ici des canaux transversaux 85 permettant la présence de vis pour la fixation de la queue de la pièce en tungstène fritté. La cathode 21B est reliée à la plaque d'extrémité 32, formant borne de connexion avec l'extérieur, par une résistance 26 qui, dans l'exemple considéré, est un élément tubulaire entourant une tige axiale 86 assurant le positionnement de la cathode vis-à-vis de cette plaque d'extrémité et vis-à-vis de l'ensemble de l'éclateur. La paroi tubulaire 33B comporte, sur sa face interne, un épaulement annulaire 87 contribuant au maintien en position de la cathode, notamment transversalement à l'axe. Cet épaulement annulaire comporte des canaux axiaux 88 permettant une communication fluidique au travers de cet épaulement entre les chambres situées de part et d'autre de celui-ci. Cet épaulement annulaire peut n'être formé que de quelques éléments radiaux de manière à permettre une communication aisée entre les volumes situés de part et d'autre. A titre d'exemple, les portions de paroi 33A et 33B, ainsi que l'épaulement 87 et la trappe de visite, sont en polyméthacrylate (PMMA), c'est- à-dire en un matériau électriquement isolant (sa résistance diélectrique est de 150 kV/cm). Il a notamment pour avantage, dans un prototype, d'être transparent, ce qui permet de visualiser les composants actifs et les phénomènes qui se produisent. En outre il a un module élastique de 3 GPa, ce qui permet d'établir une pression pouvant aller jusqu'à 10 bars avec un bon coefficient de sécurité mécanique ; enfin il a une bonne résistance aux UV émis par les arcs électriques. Quant aux tiges 45, elles sont en PEEK GF 30 (polyéther ether ketone avec 30% de fibres de verre), ce qui lui confère une bonne résistance mécanique (module élastique de 8 GPa et une bonne résistance diélectrique, de 200kV/cm) ; ce matériau assure une excellente tenue mécanique et électrique à l'ensemble du dispositif. Les électrodes sont en laiton (sauf la portion centrale de la cathode qui est, comme indiqué ci-dessus, en tungstène fritté et chargé en oxydes de baryum, de calcium et d'aluminium). La lentille est de focale f250, pour un laser à 100 mJ, de longueur d'onde de 532 nm à impulsions de 3 ns. Le faisceau intercepte la partie centrale de la cathode, en matériau fritté poreux sur une surface de 10 mm2, cette surface étant à une distance de 235 mm de la lentille. La paroi 30 est reliée à quatre condensateurs montés en parallèle pour une capacité globale de C = 3070 nF. Dans cet exemple considéré, le tube 33B a une longueur de 268 mm (entre les pièces 30 et 32), tandis que le tube 33A a une longueur de 120 mm (entre les pièces 30 et 92). La paroi tubulaire de l'enceinte a un diamètre interne de 120 mm et un diamètre extérieur de 150 mm. La résistance additionnelle 26 a un diamètre externe de 50 mm et un diamètre interne de 25 mm, pour une longueur de 156 mm (depuis la plaque d'extrémité jusqu'à la face arrière de la cathode en laiton). Quant à la face avant de la cathode (à savoir sa partie centrale en matériau fritté), elle est à 235 mm de la lentille. La distance h entre les électrodes est de 15 mm ou 8 mm, selon que la tension de service est de 100 kV ou de 50 kV (elle peut varier en conséquence lorsque la tension varie de l'une à l'autre de ces valeurs).. La partie centrale de la cathode est un cylindre de 12 mm, ce qui représente une fraction de moins d'un quart du diamètre de la cathode prise dans son ensemble. La résistance additionnelle est en céramique (en silico-aluminates de carbone), conductrice dans la masse, peu selfique et de valeur Ra = 1.60, ou de 0.80 (voir les courbes montrées à titre d'exemple à la figure 5). Ainsi, le circuit électrique au sein duquel l'éclateur est monté comporte : 2 98402 7 15 - la capacité des quatre condensateurs auxquels l'anode est connectée, - une inductance totale égale à la somme des inductances des condensateurs, des liaisons électriques, de l'arc de l'éclateur, de 5 la résistance additionnelle et du plasma environnant, en parallèle, - une résistance totale égale à la somme des résistances des condensateurs, des liaisons électriques, de l'arc de l'éclateur, de la résistance additionnelle et du plasma en parallèle. 10 Lorsqu'un déclenchement de l'éclateur est souhaité, la source 100 est activée en sorte de générer le faisceau impulsionnel 101 qui, traversant l'anode en direction de la cathode, provoque l'amorçage d'un arc électrique entre les électrodes ; sous réserve que l'épaulement annulaire le permette (il peut être très largement ajourée) ; le plasma ainsi formé entoure la cathode, 15 ainsi que la résistance 26 jusqu'à établir directement une connexion électrique avec la plaque d'extrémité 32, cette résistance 26 étant ainsi neutralisée du point de vue électrique, tant que les orifices 88 sont largement ouverts. On est donc dans une configuration où la courbe de décharge est du type Cl (oscillatoire amorti). Le courant de décharge augmente ainsi jusqu'à un 20 maximum puis diminue vers zéro. Cela est représenté par le début de la courbe C3 de la figure 5. Mais au fur et à mesure que le courant de décharge approche de zéro, les conditions pour que le plasma reste autour de la résistance 26 en la neutralisant tendent à disparaître, de sorte que la décharge doit à nouveau se 25 faire au travers de cette résistance : on revient donc à une situation où la décharge se fait selon une courbe de type C2, c'est-à-dire que la décharge tend à se faire suivant une courbe apériodique amortie, ce qui est représenté par la seconde partie de la courbe C3. Sur ce graphique de la figure 5 est en outre reportée une courbe C4 30 obtenue avec une résistance additionnelle de 0.80, en empêchant la formation d'un plasma autour de celle-ci (les orifices 88 sont alors fermés). Alors que la courbe C3 correspond à un cas où, du point de vue électrique, il y d'abord une valeur 0 de résistance additionnelle, puis une valeur de 1.60, la courbe C4 correspond à un cas où il y a en permanence une résistance additionnelle de 0.80 (soit la moitié de la valeur maximale du cas précédent). On note que la partie de C3 suivant le franchissement de la valeur zéro à la baisse est très proche de la portion correspondante de la courbe C4 ; toutefois la première partie de cette courbe C3 est très supérieure à celle de C4. Cela confirme que l'invention permet de combiner les avantages des deux types de courbes de courant, sans en avoir tous les inconvénients. Un tel éclateur a en outre été testé dans l'alimentation du circuit primaire d'un transformateur élévateur de tension (100 kV : 1500 kV) utilisé comme source primaire d'un accélérateur d'électrons ; des résultats également satisfaisants ont pu être constatés. De manière générale, des dimensionnements recommandés peuvent être définis comme suit : la valeur à commuter U vaut 75% de la tension d'auto-amorçage (ce qui correspond aux exemples précités, avec h=8 mm pour Pa=3 bars et U=50 kV, ou h=15 mm si on prend U=100kV), les électrodes ont un diamètre adapté à l'impulsion de courant, source d'érosion, la section de la résistance est choisie pour être capable de supporter l'impulsion de courant, la longueur de la résistance (en pratique céramique) est choisie en sorte de permettre à cette dernière de supporter l'impulsion de courant et l'évolution de la résistance de plasma entre une valeur très faible et une valeur beaucoup plus importante, les pièces isolantes sont assez grandes pour éviter les courts-circuits de surface, le flux laser sur la cathode est choisi pour être suffisant pour provoquer l'amorçage (la valeur de 10 mJ/mm2 précitée convient bien pour un matériau de cathode dispenser de type Phillips (tungstène imprégné d'oxydes de calcium, de baryum et d'aluminium, - un certain empirisme peut être utile pour finaliser toutes les dimensions. On comprend que, en l'absence de tout contexte de test, un éclateur selon l'invention peut ne comporter que la chambre 25 de la figure 4, la lentille de focalisation de la plaque 31 pouvant être reportée sur une plaque portant l'anode.