FR2472830A1

FR2472830A1 - Dispositif de commande de conduction electrique en mode a champs croises en plasma

Info

Publication number: FR2472830A1
Application number: FR8026797A
Authority: FR
Inventors: Robin J Harvey
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1979-12-26
Filing date: 1980-12-17
Publication date: 1981-07-03
Also published as: JPH0512727B2; JPS56111916A; US4322661A

Abstract

DISPOSITIF 10 DE COMMANDE DE CONDUCTION ELECTRIQUE EN MODE A CHAMPS CROISES EN PLASMA. UN CHAMP MAGNETIQUE 38 EST PRODUIT PAR UN ENROULEMENT 28 DANS UN ESPACE 16 ENTRE ELECTRODES COMPRIS ENTRE UNE ANODE 12 ET UNE CATHODE 14. DES ELECTRONS PRODUITS DANS UNE REGION 46 MIGRENT A TRAVERS LES CHAMPS CROISES VERS UNE AUTRE REGION 48, UNE IONISATION EN CASCADE AINSI CREEE PRODUISANT UN PLASMA QUI EST CONDUCTEUR DE L'ELECTRICITE. LES ELECTRONS SONT PERDUS A LADITE AUTRE REGION 48 ET LA DENSITE DU PLASMA EST COMMANDEE PAR L'INTENSITE DU CHAMP MAGNETIQUE AFIN DE REGLER L'INTENSITE DU COURANT ENTRE ELECTRODES. APPLICATION AUX DISPOSITIFS DE COMMANDE DE COUPURE DE GRANDES ENERGIES.

Description

L'invention se rapporte à un dispositif de commande de conduction

électrique en mode à champs croisés en plasma, dispositif dans lequel l'espace entre deux électrodes est soumis à un champ électrique et un champ magnétique qui est à angle droit par rapport au précédent. Les conditions gazeuses et magnétiques sont telles qu'elles permettent une conduction électrique entre électrodes par réglage de la

décharge en plasma en mode à effluves à basse pression.

Les tubes à champs croisés et autres dispositifs

de décharge de Penning de l'art antérieur avaient tradition-

nellement une symétrie poussée. Dans un dispositif de commutation à champs croisés destiné à la coupure de puissances élevées, il faut que le plasma y soit distribué de manière uniforme. Ces dispositifs étaient donc conçus de manière qu'un champ magnétique règne dans la totalité de la zone active entre électrodes qui canalise les électrons ionisants autour de la direction ExB. Lorsque le champ magnétique est réduit à un niveau inférieur au niveau critique, les électrons énergétiques sont perdus de manière uniforme pour l'anode et l'émission de plasma cesse dans la totalité de l'intervalle entre électrodes. Il en résulte une caractéristique de fonctionnement bistable avec une coupure et une mise en circuit nettes qui est fonction du

champ magnétique.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 4 071 801 décrit un dispositif de commutation à champs croisés comprenant un unique espace ou intervalle entre électrodes, la commande du champ magnétique provoquant la coupure. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique NO 3 906 270 et NO 3 963 960 décrivent des structures bipolaires. Le premier de ces deux brevets décrit un dispositif de commutation à champs croisés à intervalle unique dans lequel le champ magnétique est conformé de manière à produire une conduction sensiblement uniforme de l'une ou l'autre polarité. Ce brevet mentionne également l'art antérieur concernant les dispositifs à champ magnétique et champ électrique croisés tels que précisément celui de Penning, qui est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 2 182 736, ainsi que par ailleurs les dispositifs des brevets des Etats-Unis d'Amérique NI 3 215 893 et NO 3 215 939. En outre, le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique NO 3 963 960 se rapporte à un dispositif à deux intervalles entre électrodes, l'un comprenant trois électrodes, et il mentionne l'art antérieur sur lequel il est basé et qui est le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 641 384 qui décrit une structure à

trois électrodes et à deux espaces entre électrodes.

D'un autre côté, le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 4 123 683 décrit une autre disposition d'un dispositif de commutation à champs croisés dans lequel les électrodes concentriques sont des cylindres allongés formant un espace entre électrodes qui est allongé dans la direction

de l'axe des cylindres par rapport aux autres dispositions.

Ces brevets sur lesquels se fonde-la présente invention sont cités dans leur intégralité à titre de référence. On observe que tous ces brevets se rapportent à un appareillage bistable et que plusieurs parmi ceux-ci sont particulièrement utiles en raison de la netteté de la coupure pendant la commutation

correspondante.

Pour faciliter la compréhension de l'invention, il peut être spécifié en résumé qu'elle se rapporte à un dispositif de commande de conduction électrique en mode à champs croisés en plasma, dispositif dans lequel la conduction du courant dans le dispositif de commutation à champs croisés est commandée par un piège magnétique à extrémité ouverte qui peut régler en continu la densité du plasma conducteur pour commander l'intensité du flux de courant. L'invention a donc pour objet un dispositif de commande de conduction électrique à champs croisés dans lequel le plasma se trouvant dans un espace entre électrodes est réglé par commande du champ magnétique pour permettre de commander le courant entre électrodes. Le flux du courant peut être réglé à des valeurs intermédiaires par commande de la densité du plasma dans l'espace entre électrodes. Ce dispositif permet donc la commande d'un flux de courant électrique. L'invention va être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif selon l'invention de commande de conduction électrique en mode à champs croisés en plasma; la figure 2 en est une coupe longitudinale partielle schématique; la figure 3 est le schéma électrique du circuit dans lequel le dispositif de commande de l'invention est utilisé; la figure 4 est un graphique représentant l'intensité du champ magnétique en fonction du courant dans un mode de réalisation du dispositif de commande selon l'invention; et la figure 5 est un graphique représentant la tension entre électrodes en fonction du temps pour

différentes tensions d'amorçage entre électrodes.

Les figures 1, 2 et 3 représentent le dispositif de commande de conduction électrique en mode à champs croisés en plasma qui porte la référence générale 10. Il comprend une anode ou électrode intérieure 12 et une cathode ou électrode extérieure 14 qui délimitent entre elles un espace ou intervalle 16 entre électrodes. La surface tournée vers l'extérieur de l'électrode intérieure 12 et la surface intérieure de l'électrode extérieure 14 sont en face de l'espace entre électrodes 16 et servent de surfaces électriquement actives qui réagissent avec le plasma situé dans cet espace 16. L'électrode extérieure 14 forme une enveloppe de l'espace entre électrodes 16 et donc un gaz formé de particules sous uné pression prédéterminée peut y être envoyé. Par ailleurs, l'électrode intérieure 12 est supportée à l'intérieur de l'électrode extérieure 14 de

manière que les deux électrodes soient séparées électrique-

ment, par exemple au moyen d'isolateurs situés dans des tours 18, 20 et 22, de la manière décrite dans le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique N0 4 123 683. Les deux électrodes comportent des éléments de connexion électrique à des

conducteurs 24 et 26 tels que représentés sur la figure 3.

Les conducteurs 24 et 26 permettent l'application d'un champ

électrique à l'espace entre électrodes 16.

Le champ magnétique est produit dans l'espace entre électrodes 16 par un électro-aimant 28 formé d'un' enroulement comprenant une branche active 30 située- à l'extérieur et au voisinage de l'électrode extérieure 14 et alignée sur l'axe des électrodes. L'électro-aimant 28 comprend aussi une branche inactive 32 ainsi que deux branches latérales 34 et 36. Les branches latérales et la branche inactive 32 sont placées de manière à ne pas avoir un

effet magnétique notable sur l'espace entre électrodes 16.

Toutefois, la branche active 30 est placée de manièXe que, lorsqu'un courant y circule, elle produise un champ magnétique d'une valeur supérieure à une valeur critique dans l'espace entre électrodes. L'enroulement de l'électro-aimant est effectué de manière que le champ magnétique soit orienté à angle droit par rapport au champ électrique, de la manière indiquée par des flèches 38 représentant le champ magnétique sur les figures 1 et 2. Comme le montrent les figures 1 et 3, une source 40 d'alimentation en énergie, formée d'une source de courant représentée par un condensateur chargé 42 et un

interrupteur 44, délivre du courant à l'enroulement électro-

magnétique 28 par l'intermédiaire de conducteurs d'alimentation torsadés afin de neutraliser le champ extérieur. Ainsi, un champ magnétique, dont la valeur est

supérieure. à une valeur critique, est produit perpendi-

culairement au champ électrique dans l'espace 16 entre électrodes. Lorsque la pression et le type de gaz sont entre certaines limites de tolérance et en présence d'un champ électrique et d'un champ magnétique d'intensité convenable, le bombardement du gaz par les électrons est suffisant pour produire une ionisation en cascade et créer un plasma conducteur dans l'espace 16. Ce plasma permet la conduction d'un courant électrique entre les électrodes intérieure et extérieure dans un sens qui est fonction de la polarité du

champ électrique appliqué aux électrodes.

Les tubes à champs croisés de l'art antérieur étaient des dispositifs de coupure ayant une symétrie poussée leur permettant d'exécuter des interruptions d'une grande énergie. Lorsque la continuité du champ magnétique d'un dispositif à champs croisés de l'art antérieur est interrompue en un emplacement quelconque, les électrons énergétiques canalisés par le champ magnétique dans le sens donné par le produit vectoriel des vecteurs orientés suivant les sens du champ électrique et du champ magnétique sont perdus pour l'anode à l'extrémité du champ magnétique. S'il existe un niveau suffisamment élevé d'ionisation produite par ces électrons avant qu'ils se perdent dans la région 48, un plasma auto-entretenu est créé et le plasma pénètre vers l'extrémité amont, dans la région 46 du piège magnétique à électrons et recrée de nouveaux électrons énergétiques dans la région 46 par des processus d'émission secondaire, par exemple par des ions, par un bombardement neutre résultant de l'excitation et par un bombardement de photons. Le niveau de la recréation est fonction de la longueur totale de la trajectoire suivie par les électrons, car chaque électron exécute le mouvement de giration qui lui est imposé par le champ magnétique, il est repoussé par la chute cathodique et il dérive en descendant le canal de la région 46 vers la région 48 à laquelle il est perdu pour l'anode. Lorsque la longueur de cette trajectoire est grande en comparaison de la longueur moyenne libre d'ionisation, un complément de plasma

peut être créé de la manière indiquée en 50 sur la figure 2.

La longueur de la trajectoire des électrons étant en rapport géométrique avec la longueur L de l'enroulement magnétique 30 comprise entre lesdites régions et avec l'intensité B du champ magnétique, l'augmentation de ces grandeurs accroît l'efficacité de l'ionisation. De même, une augmentation de la densité bw du gaz neutre provoque une diminution de la trajectoire moyenne libre d'ionisation en permettant une

augmentation du rendement.

Le caractère à extrémité ouverte du piège magnétique se rapporte à l'extrémité de l'intensité du champ magnétique telle que ressentie par un électron. Lorsqu'il sort du champ, il est perdu pour l'anode. Lorsque l'enroulement est continu, les électrons peuvent dériver vers l'arrière et retourner d'o ils venaient, puis repartir sans quitter la région du champ intense P. Les "pièges" sont pris dans le sens suivant lequel les électrons sont confinés à une zone proche de l'enroulement lorsqu'ils dérivent. Lorsque l'enroulement s'achève en un emplacement quelconque, le

"piège" est "ouvert" en cet emplacement.

*La figure 2 montre que le champ magnétique n'est fort dans l'intervalle 16 que sous la branche 30 de l'enroulement magnétique. Il en résulte une trajectoire générale d'un électron dérivant le long de la région située sous la branche 30 et dans laquelle le champ magnétique est actif. La longueur de la branche 30 est adoptée de manière que la longueur théorique de la trajectoire d'un électron de la région 46 à la région 48 soit plus grande que, ou approximativement égale à, une longueur de trajectoire moyenne libre d'ionisation. Le nombre de collisions d'ionisation est suffisant pour provoquer une avalanche d'ionisation disruptive et l'ionisation augmente de manière exponentielle avec la longueur du pi'ge, le champ magnétique et la pression

gazeuse régnant dans l'intervalle.

L'espace entre électrodes du dispositif de commande 10 des figures 1 et 2 est rempli d'un gaz qui est sous une pression inférieure à la limite disruptive de Paschen. Lorsqu'une tension est appliquée entre les électrodes et que le champ magnétique dans l'espace 16 est nul, aucune conduction ne peut avoir lieu. La branche active est parallèle à la surface extérieure de l'électrode extérieure 14 et lorsqu'un courant suffisamment élevé est produit dans cette branche, les électrons produits dans la région 46 par l'émission cathodique, c'est-à-dire l'électrode extérieure 14, sont temporairement piégés par les lignes courbes du champ magnétique, dont la ligne 38 est un exemple, et les électrons dérivent de manière compliquée en s'approchant de la région 48 de l'espace entre électrodes dans laquelle ils sont perdus pour l'électrode intérieure 12 qui est au potentiel de l'anode. Plusieurs de ces pièges peuvent être réalisés dans la même enveloppe et dans des régions différentes du même intervalle, à condition que les champs magnétiques ne se gênent pas et que les zones de plasma

ne soient pas reliées.

La figure 3 représente le circuit d'essai qui comprend un condensateur préalablement chargé et formant la source d'énergie, ainsi qu'une résistance 54 montée en série avec les électrodes afin de filtrer et de limiter le courant principal appliqué aux électrodes. La figure 4 représente une courbe 50 qui est celle du courant circulant dans l'espace entre électrodes en fonction du temps. Cette courbe est comparée à la courbe 52 qui donne l'intensité du champ magnétique dans le pige magnétique à électrons situé en face de la branche active 30 à l'intérieur de l'espace entre électrodes 16 en fonction du temps. Pendant cette séquence, le courant entre électrodes de la courbe 50 varie avec l'intensité du champ magnétique, tandis que la tension appliquée par le condensateur demeure sensiblement constante. L'augmentation initiale du courant de la courbe 50 est caractéristiquement retardée par suite des intervalles statistiques de retard de la formation du plasma. Le reste de

l'impulsion a une forme stable et reproductible.

La figure 5 représente la tension anodique par rapport à la tension cathodique en fonction du temps pour différentes valeurs initiales de la tension appliquée avant l'apparition de l'impulsiondu champ magnétique. La tension appliquée aux électrodes chute par suite du passage du

courant par la résistance 54 en fonction du flux de courant.

Dans un dispositif de commutation à champs croisés selon l'art antérieur, la tension chuterait à une valeur fixe qui est la chute de tension aux bornes des électrodes et dans le plasma, mais dans ce cas, la tension atteint une valeur d'équilibre qui est une fonction du champ magnétique B, du courant I entre électrodes et de la tension initiale VO. Pour une valeur fixe du champ magnétique B, le courant I entre électrodes atteint une valeur maximale pour une valeur particulière de la tension initiale VO. Cette valeur d'équilibre Vm augmente approximativement avec le champ magnétique B. Une expression approchée du courant I entre électrodes en fonction des autres paramètres peut s'écrire I A exp ( Bo |.a relation dans laquelle: L - 20 cm, Bo - 200 G, no - 17 x 1î05 cm-3 1 < a < 2 Si un complément d'ionisation est présent par suite de la présence d'une autre source (c'est-à-dire d'une impulsion d'une autre bobine magnétique s'étant produite précédemment), le coefficient A augmente de la manière suivante A A A exp Lo t relation dans laquelle x et t sont la distance dans l'espace et=la durée du décalage de la source complémentaire, et

t0 rv 120 Ps.

Ces résultats obtenus au cours d'essais montrent que la décharge en plasma peut être réglée de manière reproductible pour limiter la circulation du courant dans l'espace entre électrodes de manière à permettre le réglage

du courant pour de grandes énergies.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif de commande de conduction électrique à champs croisés, caractérisé en ce qu'il comprend une anode (12) et une cathode (14) placées à distance l'une de l'autre de manière à délimiter un espace (16) entre électrodes, des éléments d'obturation de cet espace entre électrodes permettant d'y maintenir un gaz choisi sous une pression déterminée, et des éléments (24, 26) d'application d'un potentiel électrique à l'anode et à la cathode étant destinés à produire un champ électrique dans ledit espace entre électrodes, un dispositif magnétique (28) étant destiné à produire un champ magnétique dans ledit espace entre électrodes, ce champ inscrivant un angle avec le champ électrique dans cet espace, ledit dispositif étant destiné à produire un champ magnétique allant d'une première région (46) à une seconde région séparée (48) de manière que les électrons libérés à la cathode (14) au voisinage de la première région (46) soient piégés par le champ magnétique et le champ électrique de façon qu'ils se dirigent dans l'espace entre électrodes (16) vers la seconde région (48) à laquelle ils sont capturés par l'anode, ladite seconde région (48) étant suffisamment distante de la première pour qu'une ionisation par avalanche et cascade se produise et crée une décharge en plasma en mode à effluves produisant la conduction électrique afin de permettre de commander le courant et la circulation entre l'anode et la cathode et de manière que la densité du plasma puisse être réglée pour

commander l'intensité du flux du courant.

2. Dispositif à champs croisés selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux de courant entre l'anode (12) et la cathode (14) est commandé par la

densité du gaz neutre.

3. Dispositif à champs croisés selon la revendication 2, caractérisé en ce que le flux du courant est

commandé par l'intensité du champ magnétique.

4. Dispositif à champs croisés selon la revendication 3, caractérisé en ce que la densité du plasma est réglée par la distance séparant ladite première région

(46) de la seconde (48).