EP4749239A1

EP4749239A1 - Procede de detonation et dispositif de detonation, compact et a densite de courant amplifiee

Info

Publication number: EP4749239A1
Application number: EP25217386.9A
Authority: EP
Inventors: Alexandre GOEURY; Michel Caron; Laurent LABARBE; Xavier HEBERT
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Current assignee: Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Priority date: 2024-11-22
Filing date: 2025-11-20
Publication date: 2026-05-27
Also published as: FR3168955A1

Abstract

L'invention concerne un dispositif détonateur pour initier un matériau explosif, comportant :
- une cathode (2) ;
- des moyens (4) pour concentrer un faisceau d'electrons entrant (5) généré par la cathode et pour générer un faisceau d'electrons sortant (20), ayant une densité de courant supérieure à la densité de courant du faisceau d'electrons entrant ;
- des moyens (14) pour accélérer le flux d'electrons sortant.

Description

DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

L'invention concerne le domaine des détonateurs.
Aujourd'hui, différents types de détonateurs existent sur le marché et dans la littérature scientifique.
Plus précisément, pour les matériaux explosifs primaire ou secondaire, il y a des détonateurs pyrotechniques, ou à fil chaud, ou à fil explosé ou de type Nobel ou électriques.
On connaît notamment les initiateurs opto-pyrotechniques, dont un exemple est représenté en page 9 du document de F. Burlot et al., « Etat de l'art de la technologie opto-pyrotechnique », 2011, Groupe de travail de pyrotechnie spatiale.
Ce type de dispositif impose de gérer plusieurs composants actifs (électroniques, optiques et opto-électroniques), des liaisons filaires électriques et par fibres optiques, de gérer et de garantir dans la durée des alignements et des réglages, et des dispositifs de protection ou de blindage aux menaces électromagnétiques ou radiatives. Un tel dispositif est donc très complexe et d'un encombrement pouvant s'avérer problématique, notamment pour des applications embarquées.
Un problème qui se pose donc est de trouver un dispositif initiateur pyrotechnique qui soit plus simple et ne présente pas tout ou partie des problèmes ci-dessus.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

L'invention vise à résoudre tout ou partie de ces problèmes.
L'invention a donc d'abord pour objet un dispositif détonateur, ou un dispositif initiateur pyrotechnique, pour initier un matériau explosif, comportant :

une cathode ;
des moyens pour concentrer un faisceau d'électrons entrant généré par la cathode et pour générer un faisceau d'électrons sortant, ayant une densité de courant supérieure à la densité de courant faisceau d'électrons entrant ;
des moyens pour accélérer le flux d'électrons sortant.

Un dispositif selon l'invention comporte des composants élémentaires et est donc robuste et peu coûteux. Il ne nécessite d'ailleurs aucune maintenance particulière.
Un dispositif selon l'invention répond aux exigences du domaine pyrotechnique en termes de sécurité, de fiabilité et de performances et est donc tout à fait adapté à des applications embarquées.
L'invention permet de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus, et notamment les problèmes rencontrés dans les systèmes embarqués, où compacité, légèreté, durcissement et sobriété en servitude et en systèmes périphériques jouent un rôle important.
Selon une réalisation, un dispositif selon l'invention comporte une cavité comportant un orifice d'entrée et un orifice de sortie, ladite cavité comportant par exemple une surface tronconique, ladite cavité étant au moins en partie munie d'une couche de matériau isolant ou semi-conducteur, par exemple comportant de l'oxyde de magnésium ou du diamant ou du SiO₂ ou du carbone (C). Cette couche de matériau isolant a par exemple une épaisseur comprise entre 1 nm et 100 µm.
Un tel dispositif met en œuvre un principe d'amplification de densité de courant à partir de l'émission d'électrons secondaires d'une surface d'un matériau isolant ou semi-conducteur.
De préférence, dans un dispositif selon l'invention, le rapport entre la densité de courant sortant et la densité de courant d'entrées est au minimum supérieur à 10. Ce rapport de densité de courant est dépendant de la nature de l'explosif à initier. En conséquence, la densité de courant est paramétrable et le gain en densité de courant peut atteindre 10 au minimum et 1000 au maximum.
Dans un dispositif selon l'invention, les moyens pour accélérer le flux d'électrons sortant comportent par exemple une électrode d'accélération, disposée en sortie des moyens pour concentrer un faisceau d'électrons entrant.
Un dispositif selon l'invention peut en outre comporter :

des moyens, par exemple au moins une grille d'extraction et/ou au moins une électrode de focalisation, pour diriger des électrons émis par la cathode en direction des moyens pour concentrer un faisceau d'électrons entrant ;
et/ou des moyens, par exemple une source de tension, pour appliquer, entre les moyens pour accélérer le flux d'électrons sortant et la cathode, une tension comprise entre 10 V et 500 V.

L'invention a également pour objet un dispositif explosif, comportant un matériau explosif et un dispositif détonateur selon l'invention. Par exemple, le matériau explosif comporte du ZPP (zirconium de perchlorate de potassium) ; plus généralement, l'explosif peut avoir une composition primaire (explosifs très sensibles, avec une durée de mise à feu de l'ordre de quelques ms) ou secondaire (explosifs moins sensibles, avec une durée de mise à feu de l'ordre de quelques µs).
L'invention a également pour objet un procédé d'initiation d'un matériau explosif, mettant en œuvre par exemple un dispositif détonateur ou un dispositif explosif selon l'invention, tel que décrit ci-dessus et dans la suite de la présente demande, ce procédé comportant :

la génération d'électrons ou d'un faisceau d'électrons, dits électrons primaires, à l'aide d'une cathode ;
la concentration des électrons ou du faisceau d'électrons émis par la cathode, pour générer des électrons ou un faisceau d'électrons sortant, ayant une densité de courant supérieure à la densité de courant des électrons ou du faisceau d'électrons entrant ;
l'accélération du flux d'électrons ou du faisceau d'électrons sortant vers le matériau explosif, pour dépasser le seuil d'initiation ou de mise à feu de ce dernier.

Un procédé et un dispositif selon l'invention permettent de générer un faisceau d'électrons de forte densité de courant à partir d'une très faible consommation électrique et en garantissant une immunité totale aux agressions électromagnétiques en l'absence d'alimentation. L'invention est donc très avantageuse par rapport aux solutions existantes, notamment celles de type opto-pyrotechnique, en raison de sa compacité.
Dans un procédé et un dispositif selon l'invention :

Une cathode dite « primaire » génère des électrons primaires, de préférence de très faibles énergies, par exemple encore inférieure à 100 eV, ce qui assure une faible consommation électrique;
et/ou la cathode est par exemple de type cylindrique plate ou concave ou cylindrique creuse ;
et/ou les électrons primaires vont venir en second lieu interagir sur, par exemple, un matériau, de préférence isolant ou semiconducteur, par exemple en forme d'entonnoir, cette forme jouant le rôle d'amplificateur ;
et/ou les électrons secondaires en sortie de l'étage d'amplification ont une densité de courant suffisamment importante (d'un rapport par exemple compris entre 10 à 1000 entre la densité de courant en sortie d'étage par rapport à la densité de courant du faisceau d'électrons primaire entrant) pour venir faire détoner le matériau explosif situé à la sortie du dispositif ;
et/ou le nombre moyen d'électrons secondaires induits par électron incident provenant de la cathode est en moyenne égal à 1.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La figure 1 représente un exemple de détonateur selon l'invention ;
Les figures 2A-2C représentent des vues en coupe de cathodes pouvant être utilisées dans le cadre de l'invention ;
La figure 3 représente un explosif muni d'un détonateur selon l'invention ;
La figure 4 représente un exemple de détonateur selon l'invention avec des moyens de contrôle et de commande.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Des aspects d'un mode de réalisation d'un détonateur 1 selon l'invention vont être expliqués en lien avec la figure 1. L'ensemble du dispositif peut être encapsulé dans un tube sous vide, non représenté sur les figures.
Il comporte une cathode 2, par exemple une cathode thermoïonique, qui peut être chauffée à l'aide d'un filament situé à l'arrière de la cathode ; la surface de la cathode peut par conséquent émettre des électrons. C'est par exemple une cathode cylindrique plate (comme illustré en figure 2A) ou concave (comme illustré en figure 2B), ou une cathode cylindrique creuse (le creux ayant un diamètre D_hop, comme illustré en figure 2C). Dans le cas de cette dernière, la section est définie comme étant la différence entre S_{cathode_p} (surface de la cathode comme illustré en figures 2A-2C) et la surface S_hop du trou de sortie de l'étage d'amplification.
Une grille d'extraction 4 est disposée en sortie de cette cathode, permettant d'appliquer une tension d'extraction V_grille aux électrons émis par cette dernière. En variante, on peut utiliser des électrodes de focalisation, système encore appelé « Wehnelt ». Ces divers moyens permettent de maintenir les électrons à la surface de la cathode dans un mode bloqué, et d'extraire les électrodes primaires dans un mode appelé « phase de tir » ou « production de faisceau » ce qui permet de maîtriser l'instant de déclenchement du faisceau d'électrons. La référence 7 désigne des moyens (source de tension) pour établir une tension entre la cathode 2 et grille d'extraction 14.
Une structure creuse 6, par exemple de forme intérieure tronconique (par exemple encore en forme d'entonnoir) est disposée en face de la cathode 2, son grand côté 8 (ou base) étant tourné vers celle-ci, son axe AA' étant aligné avec une direction d'émission moyenne des électrons. Le dispositif est à symétrie de révolution. Le centre de la cathode 2 est sur le même axe que le centre du trou intérieur 8 et de sortie de la structure d'amplification 6.
La paroi intérieure 10 de la structure creuse est recouverte d'une couche 12 d'un matériau qui peut émettre des électrons secondaires sous l'impact d'électrons incidents (émis par la cathode 2) d'énergie de l'ordre de quelques dizaines d'eV, par exemple inférieure à 100 eV. C'est par exemple une couche d'oxyde de magnésium (MgO) ou de silicium (SiO₂), plus généralement des isolants, ou des matériaux :

pouvant émettre un électron secondaire pour un électron primaire à très faible énergie, inférieure à 100 eV ;
résistants à l'irradiation électronique, ce qui est le cas des isolants comme MgO, SiO₂, le carbone (C), le diamant.

On peut aussi utiliser des semi-conducteurs, par exemple certaines compositions de silicium dopés, par exemple Si-Ge ou Csi.
Cette couche a par exemple une épaisseur comprise entre 1 nm et 100 µm, cette épaisseur pouvant être choisie en fonction des propriétés souhaitées d'émission électronique du matériau.
La structure creuse a un orifice d'entrée 8 de diamètre D et un orifice de sortie 18 de diamètre d.
Une électrode de sortie 14 disposée en sortie de la structure creuse. Elle permet de générer une différence de potentiel (« tension d'amplification ») entre la grille d'extraction 4 ou la cathode 2 et la sortie du dispositif d'amplification. Cette dernière peut en outre être munie d'une électrode dite de post-accélération 16, séparée de l'électrode de sortie 14 par une couche isolante. En appliquant une différence de potentiel, à l'aide de moyens 17 (une source de tension), entre les électrodes 16 et 14, les électrons secondaires sont accélérés. Une deuxième accélération peut donc être présente en sortie de dispositif par l'intermédiaire de cette électrode 16.
Ainsi les électrons 5 émis vers la structure creuse vont générer, dans la couche 12, des électrons secondaires 20 qui vont être accélérés en direction de la sortie 18 de la structure creuse. On peut ainsi obtenir des électrons secondaires ayant une énergie par exemple de 100 eV à 5 keV (pour permettre ainsi l'initiation d'explosifs primaire et secondaire), à l'interface entre un dispositif détonateur 1 selon l'invention et un matériau explosif 22 (figure 3).
Des interactions inélastiques ont lieu entre les électrons incidents 5 (émis par la cathode 2) et les électrons des atomes constituant le matériau de la couche 12. Au cours de son ralentissement dans la matière, un électron incident cède une partie de son énergie cinétique aux électrons du matériau cible. Ce transfert d'énergie conduit à l'émission de certains électrons à travers la surface de la couche, c'est-à-dire à une émission électronique secondaire 20. Cette dernière peut être caractérisée par un rendement y (=nombre moyen d'électrons secondaires induits par électron incident). Un état stationnaire de transport sur la surface isolante est atteint si en moyenne <γ> = 1. Un seuil de tension accélératrice (qui dépend de la source de tension 9), par exemple compris entre 10 V et 500 V (entre l'électrode 14 et l'électrode 4 ou la cathode 2) entre les deux extrémités de la surface permet de maintenir l'état <γ> = 1 et de ne pas créer de chargement électrique à la surface de la couche 12.
On cherche à maintenir un état stationnaire autour de y = 1 ; en effet, si y > 1 ou y < 1 alors, en moyenne, à chaque interaction, un chargement électrique est créé à la surface de l'isolant (positif si y > 1, négatif y < 1), néfaste au maintien d'un état stationnaire.
Soit la courbe d'émission électronique, qui donne y en fonction de l'énergie E. Si y > 1 ou y < 1 à proximité du premier croisement de cette courbe d'émission électronique avec la valeur y = 1, alors le processus se régule lui-même et tend vers un état stationnaire.
On peut ainsi générer un faisceau d'électrons secondaires 20, qui va pouvoir être utilisé pour déclencher un matériau explosif 22, comme illustré en figure 3.
Compte tenu de la forme convergente (l'angle au sommet α du cône peut être compris entre 10° et 178°) de la structure creuse, les électrons secondaires 20 sont comprimés dans le trou de sortie 18. Si la densité de courant de la cathode, les sections D (de la cathode ou de l'entrée 8) et d (du trou de sortie 18) sont connues, la densité de courant (« J_out ») en sortie de l'entonnoir 6 peut être déterminée par la formule suivante : $J_{out} = \frac{S_{cath}}{S_{out}} * J_{cath}$ où S_cath est la surface de la cathode, S_out la surface du trou 18 de sortie et J_cath la densité de courant émis par la cathode.
Par exemple pour une cathode de rayon 0,5 mm avec une densité de courant de 1 A/cm² et un rayon de 25 µm pour le trou de sortie 18 de l'entonnoir, on peut obtenir un gain en densité de courant de 400.
Par exemple encore, on considère un explosif 22 en zirconium de perchlorate de potassium (« ZPP »), dont le seuil de mise à feu est de 1,24 mJ, ce qui correspond à une densité d'énergie de 15,75 J/cm² pour un délai de mise à feu compris entre 0,39 et 3 ms.
En fixant un diamètre de sortie 18 d'entonnoir de 100 µm, on en déduit la section S_out de la sortie 18: $S_{out} = π r^{2} = π {(0, 01 / 2)}^{2} = {7,85 . 10}^{- 5} {cm}^{2}$
En prenant une cathode de densité de courant de 1 A/cm² et une énergie des électrons secondaires en sortie de dispositif de 100 eV, il est déterminé la densité de courant permettant d'initier une composition de « ZPP » en sortie de l'entonnoir pour une durée t de mise à feu (t est choisi dans cet exemple égale à 3 ms): $E_{[\frac{J}{{cm}^{2}}]} = 100 * J_{out} * 3 ms \to J_{out} = 52,5 A / c m^{2}$ où E est la densité d'énergie de mise à feu.
En second lieu, il en est déduit la surface, puis le diamètre D_{cathode p} de la cathode primaire 2: $S_{cathode_p} = \frac{J_{out *} S_{out}}{J_{cath}} = {4,12 . 10}^{- 3} {cm}^{2}$ $D_{cathode_p} = \sqrt{\frac{4 * S_{cathode_p}}{π}} = 720 μ m$
A partir de ces calculs de dimensionnement, un exemple d'un dispositif selon l'invention a un diamètre de cathode de 720 µm, un diamètre du trou 18 de sortie de 100 µm et un gain d'amplification de 52,5. Plus généralement, un dispositif selon l'invention pourra avoir un diamètre de cathode compris entre 100 µm et 10 cm, un diamètre du trou 18 de sortie compris entre 10 µm et 1 cm, et un gain d'amplification compris entre10 et 1000.
La pièce en forme d'entonnoir possède un angle spécifique noté « α » compris entre 10° et 178°. Cet angle, qui peut être adapté en fonction de la nature de l'explosif 22 utilisé, peut être déterminé ou estimé par le biais des simulations réalisées sous le logiciel CST^®. L'optimisation de cet angle permet d'influer sur la densité du courant obtenue directement en sortie du dispositif et donc par conséquent sur le rendement.
L'angle α peut être estimé ou déterminé par l'intermédiaire d'une formule théorique (tan (α/2) = [(4.E₀)/(E₁-2.E₀)]^1/2. Une optimisation peut être réalisée à l'aide d'un outil de simulation (par exemple logiciel CST) pour connaître le gain d'amplification en fonction de l'angle α. D'autres paramètres peuvent être pris en compte, par exemple l'homogénéité du faisceau 20 en sortie de la structure d'amplification et le nombre de sauts des électrons secondaires sur le matériau isolant 12.
Par application, à l'aide des moyens 9 (source de tension), d'un champ électrique important (^~kV) appelée « V_amplification » entre la sortie 18 de l'entonnoir et la grille 4, les électrons secondaires générés sont dirigés vers la sortie 18 du dispositif. Le faisceau d'électrons secondaire 20 possède en sortie de dispositif une forte densité de courant permettant ainsi d'initier le matériau explosif 22 (figure 3). L'électrode 16 de post-accélération permet d'apporter l'énergie nécessaire aux électrons secondaires en fonction du matériau explosif à initier.
Comme illustré en figure 4, un détonateur 1 selon l'invention peut être muni en outre d'un ensemble des moyens électroniques 30 de commande, de préférence fiables et compacts, pour commander les moyens 3 d'alimentations de la cathode, les moyens 7, 9 d'alimentation de la grille et de l'amplification. Comme on le comprend de cette figure, l'ensemble de ces moyens peut être situé au plus près du dispositif, permettant ainsi un gain en termes de sureté dans les systèmes embarqués et une minimisation des liaisons électriques entre la partie commande et le détonateur.
D'une manière générale, un détonateur selon l'invention offre une facilité d'intégration due à son extrême compacité mais aussi à la suppression des fibres optiques qui nécessitent que les angles de courbure n'excèdent pas une certaine valeur.
Le dispositif décrit a pour avantage de ne pas avoir de liaison directe entre la cathode et l'explosif.
On comprend également qu'un détonateur selon l'invention offre une tenue aux environnements sévères (radiations ionisantes, rayonnements électromagnétiques, courants parasites ...) inhérente à sa structure, sans besoin d'une protection spécifique.
Dans un détonateur selon la présente invention, 3 paramètres permettent d'atteindre le seuil de mise à feu d'un explosif : l'intensité de courant de la cathode, la géométrie (qui définit la surface émissive de la cathode 2 et le rapport d'amplification) et la tension d'accélération totale établie entre le potentiel de la cathode 2 et la surface de l'explosif 22.
En outre, il y a une barrière intrinsèque à la physique du phénomène qui est la condition d'équilibre du transport des électrons sur la surface isolante (<γ> = 1). Ces trois conditions réunies permettent d'initier la charge explosive. Ceci constitue un avantage très fort par rapport aux autres solutions existantes sur le marché et permet de classer ce dispositif de mise à feu dans les plus insensibles de la norme DRAM (Dommages dus aux rayonnements électro-magnétiques sur les armes et munitions).
Un domaine d'application l'invention est celui des dispositifs pyrotechniques embarqués ou non embarqués.
Un dispositif et un procédé selon l'invention est fiable, insensible et offre une sûreté de fonctionnement.
Par construction et grâce aux principes physiques sur lesquels repose son fonctionnement, il est « auto-sûr », et il n'est pas nécessaire d'ajouter des protections spécifiques ou des dispositifs spécifiques.

Claims

Dispositif détonateur pour initier un matériau explosif, comportant :
- une cathode (2) ;

- des moyens (4) pour concentrer un faisceau d'électrons entrant (5) généré par la cathode et pour générer un faisceau d'électrons sortant (20) ayant une densité de courant supérieure à la densité de courant du faisceau d'électrons entrant ;

- des moyens (14) pour accélérer le flux d'électrons sortant.
Dispositif selon la revendication 1, les moyens (4) pour concentrer un faisceau d'électrons entrant généré par la cathode et pour générer un faisceau d'électrons sortant comportant une cavité comportant une surface tronconique (6) munie d'une couche (12) de matériau isolant ou semi-conducteur.
Dispositif selon la revendication 2, ladite surface tronconique ayant un angle compris entre 10° et 178°.
Dispositif selon la revendication 2 ou 3, ladite couche de matériau comportant de l'oxyde de magnésium, ou du diamant ou du SiO₂ , ou du carbone ( C) et/ou ladite couche de matériau isolant (12) ayant une épaisseur comprise entre 1 nm et 100 µm.
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, le rapport entre la densité de courant d'entrée (5) et la densité de courant sortant (20) étant compris entre 10 et 1000.
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, les moyens pour accélérer le flux d'électrons sortant comportant une électrode (16) d'accélération, disposée en sortie des moyens pour concentrer un faisceau d'électrons entrant.
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, comportant en outre des moyens (4) pour diriger des électrons émis par la cathode en direction des moyens pour concentrer un faisceau d'électrons entrant.
Dispositif selon la revendication 7, les moyens (4) pour diriger des électrons émis par la cathode en direction des moyens pour concentrer un faisceau d'électrons entrant comportant au moins une grille d'extraction et/ou au moins une électrode de focalisation.
Dispositif détonateur selon l'une des revendications 1 à 8, la cathode (2) étant de type cylindrique plate ou concave ou cylindrique creuse.
Dispositif détonateur selon l'une des revendications 1 à 9, comportant en outre des moyens (9) pour appliquer, entre les moyens (14) pour accélérer le flux d'électrons sortant et la cathode (2), une tension comprise entre 10 V et 500 V.
Dispositif explosif, comportant un matériau explosif (22) et un dispositif détonateur selon l'une des revendications 1 à 10.
Dispositif explosif selon la revendication 11, l'explosif ayant une composition primaire ou secondaire.
Procédé d'initiation d'un matériau explosif (22), mettant en œuvre par exemple un dispositif détonateur (1) selon l'une des revendications 1 à 10, ce procédé comportant :
- la génération d'électrons ou d'un faisceau d'électrons (5), dits électrons primaires, à l'aide d'une cathode (2) ;

- la concentration des électrons ou du faisceau d'électrons (5) émis par la cathode (2), pour générer des électrons ou un faisceau d'électrons secondaires (20) sortant, ayant une densité de courant supérieure à la densité de courant des électrons ou du faisceau d'électrons (5) entrant;

- l'accélération du flux d'électrons ou du faisceau d'électrons sortant (20) vers le matériau explosif, pour dépasser le seuil d'initiation ou de mise à feu de ce dernier.
Procédé selon la revendication 13, le rapport entre la densité de courant du flux d'électrons ou du faisceau d'électrons sortant (20) et la densité de courant du faisceau d'électrons primaire (5) étant compris entre 10 à 1000.
Procédé selon la revendication 13 ou 14, le nombre moyen d'électrons secondaires (20) induits par électron incident provenant de la cathode (2) étant en moyenne égal à 1.