Brevet FR3027447A1 — publié le 20160422

DISPOSITIF D'ATTENUATION DE L'IMPULSION ELECTROMAGNETIQUE GENEREE DANS UNE INSTALLATION LASER DE PUISSANCE DESCRIPTION Domaine technique et art antérieur L'invention concerne un dispositif d'atténuation de l'impulsion électromagnétique générée dans une installation laser de puissance. Une installation laser de puissance est une installation dans laquelle un faisceau laser de forte puissance est envoyé sur une cible. Les applications de ces expériences laser à haut flux concernent l'étude physique de la matière soumise à de hautes densités d'énergie, la fusion thermonucléaire par confinement inertiel, la génération de faisceaux de particules de haute énergie, etc. Les domaines d'application sont, par exemple, l'astrophysique, la recherche de nouvelles énergies nucléaires, l'accélération des particules, la recherche de nouveaux moyens radiographiques, etc. La figure 1 représente le montage d'une cible sur support selon l'art antérieur. Une cible 1 est placée sur un support de cible 2, le support de cible étant lui-même monté sur un porte-cible 3 placé sur une paroi 4 électriquement conductrice, par exemple le plancher de l'installation, qui est reliée à la masse électrique de l'installation. Lors de l'interaction du faisceau laser avec la cible, des électrons sont éjectés de la cible : la chambre laser et la cible sont alors polarisées avec des signes opposés. Le système formé de la chambre laser et de la cible revient à son état d'équilibre électrique (neutralisation) par le biais de la circulation de courants. Les lacunes électroniques (charges positives) présentes sur la cible engendrent en effet un important courant de décharge dans le porte-cible alors que l'arrivée, sur l'enceinte de la chambre, des électrons éjectés crée un courant de circulation sur les parois de l'installation. Ces deux circulations de courant (dans le porte- cible et sur les parois) génèrent une impulsion électromagnétique intense dans le domaine des micro-ondes et à plus basse fréquence. Cette impulsion électromagnétique représente une contrainte importante pour un bon fonctionnement de l'installation laser. L'intensité des champs électromagnétiques et des courants de décharge associés qui résultent de cette impulsion peut en effet nuire à la conduite des expériences (destruction d'appareils de mesure et d'équipements dans l'installation) ainsi qu'a l'exploitation des mesures (bruit, aberrations, pertes de données, etc.). La sécurité de l'installation peut également être mise en jeu par un dysfonctionnement ou une altération des systèmes dédiés. Des études montrent que l'amplitude de l'impulsion électromagnétique augmente avec l'intensité du faisceau laser (cf. « Electromagnetic pulse (EMP) issues on short-pulse facilities » J. Gazave et al., Workshop: Physics with PETAL, Bordeaux 2011). A ce jour, la montée en puissance des faisceaux laser se traduit en conséquence par une dégradation préoccupante de l'environnement électromagnétique dans les installations. Une première façon connue de protéger les matériels de l'impulsion électromagnétique est, d'une part, de rendre la chambre étanche d'un point de vue électromagnétique afin de protéger le matériel localisé à l'extérieur de la chambre et, d'autre part, de réaliser un blindage de chacun des appareils électroniques situés à l'intérieur de la chambre. Les inconvénients de cette protection sont la complexité et le coût qui en découle. Dans la plupart des cas, le blindage doit être étudié dès la phase de conception des équipements car une conception du blindage a posteriori est souvent difficile à mettre en oeuvre. Un autre inconvénient réside en ce que ce mode de protection n'atténue pas le courant dans le porte-cible et, partant, ne protège pas celui-ci. Une deuxième façon de protéger les matériels est divulguée dans l'article « Assessment and mitigation of electromagnetic pulse (EMP) impacts at short-pulse laser facilities » C.G. BROWN, D.C. EDER, Journ.Phys., Conf. Serv., vol 244, 032001 (2010). L'impulsion électromagnétique est atténuée à la source. Le principe de l'atténuation consiste à enfermer la cible dans une coquille métallique afin de supprimer l'éjection d'électrons sur les parois de l'installation. La coquille est percée afin de permettre le passage du faisceau laser. Cette technique atténue environ d'un facteur trois le champ magnétique rayonné. Un inconvénient majeur de cette technique est son caractère très intrusif, ce qui contraint fortement l'opérateur pour la mise en place d'expériences. Le dispositif de l'invention ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne un dispositif d'atténuation d'une impulsion électromagnétique générée dans une installation dans laquelle un faisceau laser de forte puissance est envoyé sur une cible montée sur une première extrémité d'un support de cible. Le dispositif d'atténuation comprend une plaque électriquement conductrice dans laquelle une deuxième extrémité du support de cible, opposée à la première extrémité, est fixée, des moyens aptes à relier la plaque électriquement conductrice à une masse électrique de l'installation, une plaque de matériau absorbant d'ondes électromagnétiques fixée sur une face de la plaque électriquement conductrice située du côté du support de cible et un moyen apte à faire circuler, entre la cible et la plaque électriquement conductrice, un courant de décharge qui résulte d'une interaction du faisceau laser avec la cible. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, le support de cible est électriquement conducteur et constitue le moyen apte à faire circuler le courant de décharge. Le support de cible est équipé, en outre, de moyens aptes à atténuer le courant de décharge. Dans une première variante du premier mode de réalisation de 20 l'invention, le support de cible est constitué d'une tige électriquement conductrice montée en série avec une résistance de limitation de courant, le support de cible constituant les moyens aptes à faire circuler un courant de décharge. Dans une deuxième variante du premier mode de réalisation de l'invention, le support de cible est constitué d'une tige électriquement conductrice montée 25 en série avec une inductance, le support de cible c nstituant les moyens aptes à faire circuler un courant de décharge. Dans une troisième variante du premier mode de réalisation de l'invention, le support de cible est une tige électriquement conductrice qui traverse de part en part un élément de matériau absorbant le champ magnétique, le support de cible 30 constituant les moyens aptes à faire circuler un courant de décharge. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, le support de cible est électriquement isolant et le moyen apte à faire circuler le courant de décharge est constitué d'une branche de dérivation fixée entre la cible et la plaque électriquement conductrice. La branche de dérivation est équipée, en outre, de moyens aptes à atténuer 35 le courant de décharge. Dans une première variante du deuxième mode de réalisation de l'invention, le support de cible est fait d'un matériau électriquement isolant et les moyens aptes à faire circuler un courant de décharge sont constitués d'une pièce électriquement conductrice montée en série avec une résistance de limitation de courant, une première 40 extrémité de la pièce électriquement conductrice étant reliée à la cible et une deuxième extrémité de la pièce électriquement conductrice étant fixée sur la plaque électriquement conductrice, dans une ouverture pratiquée dans la plaque de matériau absorbant d'ondes électromagnétiques. Dans une deuxième variante du deuxième mode de réalisation de 45 l'invention, le support de cible est fait d'un matériau électriquement isolant et les moyens15 aptes à faire circuler un courant de décharge sont constitués d'une pièce électriquement conductrice montée en série avec une inductance, une première extrémité de la pièce électriquement conductrice étant reliée à la cible et une deuxième extrémité de la pièce électriquement conductrice étant fixée sur la plaque électriquement conductrice, dans une ouverture pratiquée dans la plaque de matériau absorbant d'ondes électromagnétiques. Dans une troisième variante du deuxième mode de réalisation de l'invention, le support de cible est fait d'un matériau électriquement isolant et les moyens aptes à faire circuler un courant de décharge sont constitués d'une pièce électriquement conductrice qui traverse de part en part un élément de matériau absorbant le champ magnétique, une première extrémité de la pièce électriquement conductrice étant reliée à la cible et une deuxième extrémité de la pièce électriquement conductrice étant fixée sur la plaque électriquement conductrice, dans une ouverture pratiquée dans la plaque de matériau absorbant d'ondes électromagnétiques. De façon avantageuse, le dispositif de l'invention permet d'atténuer, de façon importante, à la fois le courant de décharge et l'amplitude du champ électromagnétique rayonné, sans avoir recours à des protections locales des équipements de l'installation, sans contraintes sur les caractéristiques de la cible ou du faisceau laser et sans impacts sur la mise en oeuvre des expériences. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de modes de réalisation faits en référence aux figures jointes, parmi lesquelles : La figure 1, déjà décrite, représente le montage d'une cible sur son support selon l'art antérieur ; La figure 2 représente une cible équipée d'un dispositif d'atténuation selon un premier mode de réalisation de l'invention ; La figure 3 représente une cible équipée d'un dispositif d'atténuation selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; La figure 4 représente le spectre du champ magnétique présent dans l'installation en fonction de la fréquence selon les deux modes de réalisation de l'invention comparativement à l'art antérieur; La figure 5 représente l'amplitude du champ magnétique présent dans l'installation en fonction du temps selon les deux modes de réalisation de l'invention comparativement à l'art antérieur; La figure 6 représente l'intensité du courant de décharge en fonction du temps selon les deux modes de réalisation de l'invention comparativement à l'art antérieur. Sur toutes les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments. Exposé détaillé de modes de réalisation de l'invention La figure 2 représente une cible équipée d'un dispositif d'atténuation selon un premier mode de réalisation de l'invention. Selon le premier mode de réalisation de l'invention, le support de cible 2 est électriquement conducteur. Le dispositif d'atténuation comprend une plaque électriquement conductrice 6 dans laquelle le support de cible 2 est fixé, une plaque de matériau absorbant d'ondes électromagnétiques 8 qui recouvre la face de la plaque électriquement conductrice 6 située du côté du support de cible 2 et un moyen 9 de mise à la masse électrique de la plaque électriquement conductrice 6. Le courant de décharge qui résulte d'une interaction du faisceau laser avec la cible circule dans le support de cible 2. Le support de cible est équipé d'une pièce 5 apte à atténuer le courant de décharge. La pièce 5 est soit une résistance ou une inductance qui constitue une fraction du support de cible, soit un élément de matériau absorbant le champ magnétique (absorbant magnétique) que traverse le support de cible. Selon un perfectionnement de l'invention (représenté sur la figure 2), le dispositif d'atténuation comprend une plaque électriquement isolante 7 qui recouvre la face de la plaque électriquement conductrice située du côté opposé au support de cible 2. La plaque électriquement isolante 7 permet d'améliorer le retour, vers la masse électrique, des charges électriques qui circulent dans la plaque 6. Le matériau absorbant qui constitue la plaque 8 ou le moyen 5, lorsque ce dernier est fait d'un tel matériau, est, par exemple, un ferrite. La cible 1 est, par exemple, un disque de cuivre de quelques millimètres de diamètre. Le centre de la cible 1 est situé à quelques centimètres de la plaque 6. Les plaques 6, 7 et 8 sont de faible épaisseur, par exemple quelques millimètres, et ont un côté ou un diamètre égal, par exemple, à 10cm. La figure 3 représente une cible équipée d'un dispositif d'atténuation selon le deuxième mode de réalisation de l'invention. Selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, le support de cible 2 est fait d'un matériau électriquement isolant. Le dispositif d'atténuation comprend également une plaque électriquement conductrice 6 dans laquelle le support de cible 2 est fixé, par exemple avec une pièce électriquement isolante 11, une plaque de matériau absorbant d'ondes électromagnétiques 8 qui recouvre la face de la plaque électriquement conductrice 6 située du côté du support de cible, un moyen 9 de mise à la masse électrique de la plaque électriquement conductrice 6 et un moyen apte à faire circuler le courant de décharge qui résulte d'une interaction du faisceau laser avec la cible. Le moyen apte à faire circuler le courant de décharge est constitué d'une pièce électriquement conductrice, ou branche de dérivation, dont une première extrémité est reliée à la base de la cible 1 par une connexion électrique 13 et une deuxième extrémité est fixée sur la plaque 6, par exemple à l'aide d'une connexion électrique 10. La connexion électrique 10 est placée dans une ouverture 12 pratiquée dans la plaque de matériau absorbant 8. Le moyen apte à faire circuler le courant de décharge comprend des moyens aptes à atténuer le courant de décharge tels que, par exemple, une résistance ou une inductance qui participe à la branche de dérivation, ou un bloc de matériau absorbant magnétique que traverse la branche de dérivation. Dans un perfectionnement de l'invention (représenté sur la figure 3), une plaque électriquement isolante 7 recouvre la face de la plaque électriquement conductrice située du côté opposé au support de cible 2. La plaque électriquement isolante 7 a pour fonction d'améliorer le retour, vers la masse électrique, des charges électriques qui circulent dans la plaque 6. Le dispositif d'atténuation de l'invention permet avantageusement de retarder, de dissiper et d'atténuer les courants qui se propagent juste après l'éjection des particules chargées par la cible. L'emploi de matériaux absorbants limite le rayonnement de ces courants. Le plan de masse que constitue la plaque conductrice 6 confine avantageusement la source de l'impulsion électromagnétique à proximité de la cible. La présence de la plaque conductrice 6 donne la possibilité de traiter localement l'impulsion électromagnétiques à sa source et la rend moins dépendante des caractéristiques de la chambre, c'est-à-dire, principalement, de la géométrie avec laquelle les éléments métalliques sont répartis dans l'installation. Toutefois, la distance entre le plan de masse et la cible est réglée afin d'éviter l'excitation des fréquences de résonance de l'enceinte qui fait alors office de cavité résonante. Dans les deux modes de réalisation de l'invention, le moyen 5 (résistance ou inductance ou élément de matériau absorbant magnétique) limite l'amplitude des oscillations du courant de décharge qui s'établit entre la cible 1 et la plaque 6. Il s'en suit que le champ rayonné par le courant de décharge est atténué. La plaque de matériau absorbant électromagnétique 8 permet avantageusement de réduire l'amplitude des ondes que réfléchit la plaque 6 et, particulièrement, le premier front d'onde de l'impulsion électromagnétique, lequel front d'onde est le plus intense. Les propriétés électromagnétiques du matériau absorbant électromagnétique ainsi que l'épaisseur de ce matériau sont choisies de sorte que l'absorption électromagnétique se réalise aux fréquences principales de l'impulsion électromagnétique. Comme cela a déjà été mentionné précédemment, le matériau est, par exemple, un ferrite de quelques millimètres d'épaisseur, par exemple 3mm. La figure 4 représente, à titre d'exemple non limitatif, le spectre du champ magnétique mesuré pour des conditions de tir laser identiques (faisceau et cible), en fonction de la fréquence selon les deux modes de réalisation de l'invention, comparativement à l'art antérieur. Les valeurs prises par les éléments 6 et 8 qui contribuent à l'atténuation de l'impulsion électromagnétique sont identiques pour les deux modes de réalisation de l'invention. Pour le premier mode de réalisation, l'élément 5 correspond à l'emploi d'un matériau ferrite autour du support de cible 2. Dans le second mode de réalisation, l'élément 5 correspond à l'emploi d'une résistance en série de valeur 5 ko. La courbe Cl représente le spectre du champ magnétique selon l'art antérieur et les courbes C2 et C3 représentent, respectivement, le spectre du champ magnétique selon le premier mode de réalisation de l'invention et selon le deuxième mode de réalisation de l'invention. On constate que l'impulsion électromagnétique est très nettement atténuée à l'aide des dispositifs d'atténuation de l'invention, l'atténuation étant plus importante selon le premier mode de réalisation de l'invention que selon le deuxième mode de réalisation. La figure 5 représente l'amplitude du champ magnétique mesuré dans l'installation en fonction du temps selon les deux modes de réalisation de l'invention comparativement à l'art antérieur, dans les conditions décrites précédemment. La courbe D1 représente l'amplitude du champ magnétique en fonction du temps selon l'art antérieur et les figures D2 et D3 représentent, respectivement, l'amplitude du champ magnétique en fonction du temps selon le premier mode de réalisation de l'invention et selon le deuxième mode de réalisation de l'invention. De façon avantageuse, on constate que l'amplitude du champ magnétique est fortement atténuée grâce au dispositif d'atténuation de l'invention, principalement lorsque l'impulsion survient. La figure 6 représente l'intensité du courant de décharge mesurée en fonction du temps selon les deux modes de réalisation de l'invention comparativement à l'art antérieur dans les conditions décrites précédemment. La courbe El représente l'intensité du courant selon l'art antérieur et les courbes E2 et E3 représentent, respectivement, l'intensité du courant selon le premier mode de réalisation de l'invention et selon le deuxième mode de réalisation de l'invention. On constate une nette atténuation du courant de décharge avec le dispositif d'atténuation du premier mode de réalisation de l'invention (courbe E2), le dispositif d'atténuation du deuxième mode de réalisation de l'invention (courbe E3) présentant une atténuation moins importante. Il faut cependant noter qu'une modification de tout ou partie des valeurs des éléments qui constituent le dispositif d'atténuation selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, par exemple une augmentation de valeur de résistance dans le cas où le moyen 5 est une résistance, permet d'améliorer le résultat du deuxième mode de réalisation de l'invention. 20 REVENDICATIONS1. Dispositif d'atténuation d'une impulsion électromagnétique générée dans une installation dans laquelle un faisceau laser de forte puissance est envoyé sur une cible montée sur une première extrémité d'un support de cible (2), caractérisé en que le dispositif comprend une plaque électriquement conductrice (6) dans laquelle une deuxième extrémité du support de cible, opposée à la première extrémité, est fixée, des moyens (9) aptes à relier la plaque électriquement conductrice (6) à une masse électrique de l'installation, une plaque de matériau absorbant d'ondes électromagnétiques (8) fixée sur une face de la plaque électriquement conductrice (6) située du côté du support de cible et des moyens (5) aptes à faire circuler, entre la cible (1) et la plaque électriquement conductrice (6), un courant de décharge qui résulte d'une interaction du faisceau laser avec la cible. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le support de cible (2) est constitué d'une tige électriquement conductrice montée en série avec une résistance de limitation de courant, le support de cible constituant les moyens (5) aptes à faire circuler un courant de décharge. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le support de cible (2) est constitué d'une tige électriquement conductrice montée en série avec une inductance, le support de cible (2) constituant les moyens (5) aptes à faire circuler un courant de décharge. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le support de cible (2) est une tige électriquement conductrice qui traverse de part en part un élément de matériau absorbant le champ magnétique, le support de cible constituant les moyens (5) aptes à faire circuler un courant de décharge. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le support de cible (2) est fait d'un matériau électriquement isolant et les moyens (5) aptes à faire circuler un courant de décharge sont constitués d'une pièce électriquement conductrice montée en série avec une résistance de limitation de courant, une première extrémité de la pièce électriquement conductrice étant reliée à la cible et une deuxième extrémité de la pièce électriquement conductrice étant fixée sur la plaque électriquement conductrice (6), dans une ouverture (12) pratiquée dans la plaque de matériau absorbant d'ondes électromagnétiques (8). 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le support de cible (2) est fait d'un matériau électriquement isolant et les moyens (5) aptes à faire circuler un courant de décharge sont constitués d'une pièce électriquement conductrice montée en série avec une inductance, une première extrémité de la pièce électriquement conductrice étant reliée à la cible et une deuxième extrémité de la pièce électriquement conductrice étant fixée sur la plaque électriquement conductrice (6), dans une ouverture (12) pratiquée dans la plaque de matériau absorbant d'ondes électromagnétiques (8). 7. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le support de cible (2) est fait d'un matériau électriquement isolant et les moyens (5) aptes à faire circuler un courant de décharge sont constitués d'une pièce électriquement conductrice qui traverse de part en part un élément de matériau absorbant le champ magnétique , une première extrémité de la pièce électriquement conductrice étant reliée à la cible et une deuxième extrémité de la pièce électriquement conductrice étant fixée sur la plaque électriquement conductrice (6), dans une ouverture (12) pratiquée dans la plaque de matériau absorbant d'ondes électromagnétiques (8). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le matériau absorbant d'ondes électromagnétiques (8) est un ferrite. 9. Dispositif selon la revendication 4 ou 7, dans lequel matériau absorbant le champ magnétique est un ferrite. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel une plaque de matériau électriquement isolant (7) recouvre une face de la plaque électriquement conductrice (6) située du côté opposé au support de cible.