FR2598850A1 - Obturateur de plasma a flux axial - Google Patents

Abstract

OBTURATEUR 36, UTILISE POUR COMMANDER UN FAISCEAU, OU UN COURANT DE PARTICULES CHARGEES DANS UN DISPOSITIF TEL QU'UN THYRATRON 10. LE SUBSTRAT 38 DEFINIT UNE OUVERTURE 60 AYANT UN INTERSTICE 32 POUVANT ETRE PLACE AU SEIN DU COURANT. DES BOBINES 48 SONT FORMEES SUR LE SUBSTRAT 38 AU VOISINAGE DE L'OUVERTURE 60 AFIN DE PRODUIRE UN CHAMP MAGNETIQUE PERMETTANT LE PIEGEAGE DES PARTICULES CHARGEES DANS OU AU VOISINAGE DE L'OUVERTURE 60. LE FAIT QUE LES BOBINES 48 SOIENT SITUEES A PROXIMITE DE L'OUVERTURE 60 PERMET LA PRODUCTION D'UN CHAMP MAGNETIQUE EFFICACE PAR LES BOBINES 48 QUI ONT UNE FAIBLE INDUCTANCE, ADAPTEE A UNE COMMANDE A HAUTE FREQUENCE. LA STRUCTURE SENSIBLEMENT MONOLITHIQUE INCLUANT LE SUBSTRAT 38 ET LES BOBINES 48 PERMET DE PLACER L'ENSEMBLE OBTURATEUR 36 EN UN POINT APPROPRIE PAR RAPPORT AU FAISCEAU DE PARTICULES.

Description

OBTURATEUR DE PLASMA A FLUX AXIAL

La présente invention concerne d'une manière générale le contr8le du flux de particules chargées par interaction avec un champ magnétique et, plus précisément, un appareil produisant un champ magnétique pour refroidir brusquement une décharge de

plasma en agissant sur les électrons d'ionisation.

La présente invention est le résultat d'un contrat

signé avec le Département de l'Energie des Etats-Unis 10 d'Amérique (contrat ne W-7405-ENG-36).

Il existe de nombreux dispositifs électriques qui émettent des électrons à haute énergie à partir d'une cathode chauffée afin qu'ils soient transportés le long d'un champ électrique vers une 15 anode. Dans certains dispositifs, un gaz sous basse pression est présent entre la cathode et l'anode pour interagir avec les électrons émis. Selon un mode d'interaction, les électrons entrent en collision avec les molécules de gaz et lorsqu'une quantité suffisante 20 d'énergie est dégagée par une collision, la molécule de gaz peut être ionisée en produisant aussi un électron supplémentaire. Par conséquent, les électrons initialement émis doivent produire une ionisation en

cascade et transmettre une puissance importante au 25 travers du dispositif.

Le gaz hautement ionisé résultant des collisions est désigné ci-après sous le terme "plasma" et le flux de charges électriques associé au mouvement du plasma, constitue un flux de courant. Une fois qu'un plasma est amorcé, il peut pratiquement s'auto-entretenir jusqu'à ce que le flux d'électrons soit interrompu ou jusqu'à ce que le plasma soit reproduit en dessous des

niveaux d'énergie nécessaires à l'ionisation.

Comme dispositif classique utilisant la 35 puissance élevée d'un flux de plasma, on peut citer le thyratron. Une griLLe de commande est prévue entre la cathode et l'anode afin d'accélérer les électrons émis par la cathode jusqu'à une énergie suffisante pour amorcer l'ionisation en cascade. La tension appliquée à la grille de commande peut être ensuite annulée sans que cela n'ait d'effet sur le flux de plasma. Les méthodes classiques permettant d'interrompre le flux de plasma agissent lentement, demandent de grandes

quantités d'énergies, et affectent souvent une partie 10 notable du volume de plasma, au point qu'il est difficile de remettre en forme le plasma.

Classiquement, l'interruption, ou le refroidissement brusque du plasma fait appel à des bobines externes agissant sur le champ électromagnéti15 que total à l'intérieur du dispositif. Une bobine produisant le champ magnétique nécessaire présente généralement une forte inductance liée à la dimension externe de la bobine qui est nécessaire pour agir sur le volume intérieur. Ces bobines externes de grand

volume ne se prêtent pas dans la pratique à un fonctionnement à haute fréquence.

Dans un dispositif de l'art antérieur décrit dans le brevet des USA n 4 071 801 délivré à Harvey, on décrit un dispositif à électrode concentrique 25 dans lequel un champ magnétique axial accélère des électrons selon une trajectoire annulaire spirale entre

les électrodes, afin d'engendrer l'ionisation en cascade.

Une bobine à champ magnétique d'interruption est disposée de manière non coaxiale afin de produire un champ 30 magnétique dans une partie relativement faible du volume annulaire. Un champ magnétique tangentiel est produit et modifie la trajectoire des électrons afin qu'elle passe par l'anode et que les électrons soient éliminés. Comme l'indique cette référence, la bobine à champ auxiliaire produit une perturbation non axiale du champ magnétique principal de façon qu'une quantité suffisante d'électrons puissent être éliminés du

volume afin d'interrompre le plasma.

En conséquenc, l'un des buts de la présente invention est d'assurer un refroidissement rapide d'un flux de plasma.

Un autre but de la présente invention est de conférer une réponse impulsionnelle à un dispositif dans lequel circule un flux de gaz ionisé.

L'invention a également pour but de

commander un dispositif à gaz chaud.

Un but supplémentaire de l'invention est de maintenir des volumes de gaz important dans un état aboutissant à un réamorçage rapide du flux de 15 plasma après interruption.

D'autres buts, avantages et caractéristiques nouvelles de l'invention seront d'une part fournis dans

la description faite ci-après, et apparaîtront d'autre

part à l'homme de l'art à la lecture de cette description 20 o lors de la mise en pratique de l'invention. Les buts

et avantages de l'invention peuvent être réalisés et atteints au moyen des dispositifs et combinaisons cités

en particulier dans les revendications annexées.

Pour atteindre les buts ci-dessus, ainsi que 25 d'autres, conformément aux directives de la présente invention, telle qu'elle est mise en oeuvre et globalement décrite ici, l'appareil de l'invention peut comprendre un obturateur de plasma à utiliser pour moduler en impulsion un dispositif d'ionisation en cascade. L'obturateur 30 est muni d'un substrat qui peut être placé dans un plasma et qui définit un orifice ayant une surface minimale qui permet encore l'amorçage de L'ionisation en cascade. Un conducteur est disposé sur le substrat sous forme de bobine adjacente à l'orifice. Les bobines sont orientées de façon à produire un champ magnétique qui est senbiblement perpendiculaire à la trajectoire du plasma. Le fait de disposer des bobines magnétiques dans le plasma au voisinage d'une ouverture de surface réduite recevant le plasma, permet d'atteindre plus facilement les buts de la présente invention. Selon un autre aspect de la présente invention, un interrupteur est prévu pour commander les courants de particules chargées dans des dispositifs tels que des accélérateurs de particules. Un obturateur 10 pouvant être placé dans le dispositif définit une ouverture sensiblement perpendiculaire au flux de particules chargées constituant le courant. L'ouverture définit en outre un volume interne qui est relativement petit en comparaison aux volumes internes voisins présents du dispositif. Une bobine est utilisée pour produire un champ magnétique à l'intérieur de l'ouverture perpendiculairement au flux de particules, à l'endroit o le champ confère une trajectoire circulaire à la particule autour du champ magnétique, cette trajectoire circulaire ayant une circonférence qui est fonctionnellement liée au libre parcours moyen des particules formant le flux de courant, ce qui permet de

commander le courant.

Selon un autre mode de réalisation de la 25 présente invention, il est fourni un procédé pour refroidir brusquement un flux de plasma entre une cathode et une anode. Le flux de plasma est confiné au travers d'une ouverture ayant un écartement de fente permettant de recevoir le plasma, et une surface 30 qui est faible par rapport à la surface de la cathode et de l'anode. Un champ magnétique est engendré transversalement à la fente et perpendiculairement au flux de plasma, en un point o le champ magnétique exerce une force conférant aux électrons qui forment le flux 35 de plasma, une trajectoire circulaire dont la circonférence n'est pas supérieure à un libre parcours moyen

des électrons.

Dans un mode de réalisation particulier de la présente invention, un thyratron pulsé à haute fréquence est muni d'un boîtier contenant une cathode, une anode, une grille de commande et un gaz ionisable permettant la production d'un flux de plasma, un obturateur de plasma étant disposé à l'intérieur du bottier entre l'anode et la cathode afin de recevoir et de pièger magnétiquement les électrons qui constituent

le flux de plasma.

Les dessins annexés qui font partie du présent fascicule, illustrent certains modes de réalisation de la présente invention et, associés à la

description, permettent d'en expliquer les principes.

Dans ces dessins: La fig. 1 est une illustration simplifiée d'un mode de réalisation d'un obturateur de plasma de

l'invention, dans un dispositif d'ionisation en cascade.

La fig. 2 illustre plus particulièrement l'interaction de l'obturateur de plasma avec les électrons 20 qui forment le flux de plasma.

La fig. 3 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un obturateur de l'invention.

La fig. 4 est une section transversale du 25 dispositif illustré fig. 3.

La fig. 5 est une vue de devant d'un systeme d'obturation comportant l'obturateur représenté

à la fig. 3 et adapté à une utilisation dans un thyratron.

La fig. 6A est un diagramme schématique 30 dans lequel est inclus un thyratron classique muni d'un

obturateur de plasma.

La fig. 6B est une représentation graphique illustrant la réponse du circuit représenté fig, 6A lorsque l'obturateur de plasma est installés La fig. 1 illustre un mode de réalisation d'un dispositif d'ionisation en cascade tel qu'un thyratron 10, dans lequel un obturateur de plasma 18 est installé. Une cathode 12 comporte généralement une surface qui émet des électrons lorsqu'elle est chauffée. Un champ électrique est appliqué entre la cathode 12 et une anode 14, généralement sous le forme d'une force électromotrice appliquée à l'anode 14 afin de provoquer le déplacement des électrons

émis de la cathode 12 vers l'anode 14.

Un gaz sous basse pression est présent entre la cathode 12 et l'anode 14 et les électrons émis entrent en collision avec les molécules de gaz afin d'exciter ces dernières. Lorsque les molécules de gaz ont acquis une énergie suffisante du fait des 15 collisions, l'ionisation peut se produire, celle-ci ayant pour effet qu'un électron est extrait de la molécule et est accéléré pour produire d'autres collisions et ionisations. Au bout d'un certain temps, on atteint un état dans le volume d'ionisation 24 de la cathode et dans le volume d'ionisation 26 de l'anode, dans lequel les ionisations se produisent en cascade sous l'effet des électrons extraits, en produisant un gaz fortement ionisé, ou plasma, dans le dispositif 10. Le plasma permet de maintien d'un courant Io intense 25 à l'intérieur du dispositif 10 permettant d'atteindre des puissances élevées. Dans la fig. 1, on a en outre représenté un volume 16 de dimension légèrement réduite, qui représentent symboliquement un volume dans lequel peuvent être installés une grille de commande et un étranglement, comme dans le thyratron

classique 10.

La fig. 1 représente en outre un obturateur de plasma 18 disposé à l'intérieur du dispositif 10 entre la cathode 12 et l'anode 14. Comme le montre 35 la fig. 1, l'obturateur 18 est situé à l'intérieur de la partie de volume réduit 16 et est en outre au voisinage d'une grille de commande (non représentée) bien qu'il n'existe pas entre eux de relation fonctionnelle. Un champ magnétique B est produit à l'intérieur de l'obturateur de plasma 18 perpendiculairement au courant de plasma Io dans le but d'interrompre le flux de plasma tant dans le volume d'anode 24 que dans le

volume de cathode 22.

La fig. 2 représente plus particulièrement 10 l'interaction d'un électron 26 avec un champ magnétique B à l'intérieur de l'interstice 32 formé par les pièces polaires magnétiques 34. Conformément à la présente invention, le flux de plasma peut être interrompu dans tes volumes voisins 22 et 24 (fig. 1) si les électrons 26 qui pénètrent dans l'interstice 32 sont piéges, c'est-à-dire exclus de toute interaction d'ionisation avec les molécules de gaz. La condition à réaliser est de faire circuler un électron 26 aucour d'un champ magnétique B formant une ligne de flux 20 unique telle que la circonférence parcourue par un électron 26 lors d'une révolution autour d'une ligne B, ne soit pas supérieure à un libre parcours moyen (X)

d'un électron.

En piégeant les électrons 26 dans l'inter25 stice 32 de l'obturateur de plasma 18, on peut interrompre n'importe quel plasma ayant des densités électroniques (ne) dans l'intervalle de 1013 à 1016 particules par cm3. Ces densités se situent dans la plage de fonctionnement des thyratrons et des lasers dans les30 quels l'obturateur peut être utilisé. On notera que le champ magnétique B est appliqué transversalement à un interstice relativement petit 32 et qu'il englobe un flux de faible volume par rapport aux volumes principaux

22 et 24, (fig. 1) dans lesquels se produit l'ionisation 35 en cascade.

Par conséquent, Le champ magnétique minimal est défini par: = 2i Rc(1) En outre, Rc MeV <2) qeB o X est égal au libre parcours moyen d'un électron, 10 Rc est égal au rayon de courbure de la trajectoire des électrons, Eb est la masse de l'électron, V est la vitesse instantanée d'un électron, qe est la charge de l'électron et B est la densité de flux du

champ magnétique en tesla (T).

On a de plus dans un plasma: (3) MeVdV X = dans laquelle: qeE Io (4) Vd = neAqe Vd est égal à la vitesse de dérive ou à la vitesse moyenne des électrons, E est le champ électrique cathode-anode appliqué, I0 est le courant de plasma, n est la densité électronique, A est la surface de e l'ouverture de l'obturateur. Lorsqu'on combine les équations (1)-(4), on obtient l'intensité minimale du champ magnétique permettant l'interruption du plasma: 30 2EneAe (5) B = ( L'équation (5) définit un état initial permettant d'interrompre le plasma. Une fois l'interruption amorçée, le terme défini par I0 commence par tendre vers zéro, et d'autres vecteurs de champ électromagnétique augmentent, comme par exemple le champ dû à la décroissance du courant d'induction contenu dans le vecteur 28, L(di/dt), résultant du mouvement des éLec5 trons dans un champ magnétique. Ces conditions s'observent Lors du transitoire d'interruption, et ne feront pas

L'objet de discussion supplémentaire.

Conformément à la présente invention, la densité de champ magnétique B est rendue minimale par minimisation de la surface A de l'ouverture. Si l'on se réfère à présent à La fig. 3, la surface de L'ouverture est définie par la Largeur de l'ouverture de l'obturateur, ou interstice 32, de dimensions "w", et par la Longueur 42 de l'ouverture de l'obturateur. 15 Conformément à La présente invention, des conducteurs 48 sous forme de bobine sont placés au voisinage immédiat de l'interstice 32 afin de produire la densité de champ magnétique B souhaitéeà l'intérieur de l'interstice 32 à l'aide de la bobine qui présente des exigences minimales 20 en ce qui concerne les enroLements et le courant, et produisant

des retards d'induction minimaux à partir des bobines 48.

Dans un mode de réalisation décrit à titre de démonstration, un système 36 à disque obturateur

peut être placé à l'intérieur d'un thyratron existant.

pour ce mode de réalisation, on utilisera les dimensions suivants: h (40) = 1,5 mm, w (32) = 2,5 mm, -5 2 l (42) = 1,4 cm, surface de l'ouverture A = 3,5 x 105 m Dans le cas de l'ionisation classique d'un thyratron, on aura alors les paramètres opérationnels suivants: 10= 1 x 103 A, E = 100 V, ne = 1 x 10 20 de particules/m3. Lorsqu'on utilise l'équation (5), on trouve qu'une densité de champ magnétique minimal B = 0,058 T est nécessaire dans l'ouverture définie par le disque

obturateur 38.

Comme décrit ci-après, cette intensité de champ magnétique peut être produite par une bobine présentant la configuration illustrée dans la fig. 3 et ayant des caractéristiques d'inductance et de résistance se prêtant à un fonctionnement à des cadences impulsionnelles sensiblement supérieures à ce dont on dispose en les appareils connus. Ces caractéristiques de bobines thyratrons 10 et pouvant logues. magnétique l'intérieu compatible 15 totalement conduisant

offrent la possibilité de commander des ayant des gains de puissance importants être utilisés dans des configurations anaCependant, on vérifiera d'abord que le champ requis peut pénétrer dans le plasma à r de l'interstice 32 en un temps qui soit avec une impulsion souhaitée.

Il est nécessaire que le champ pénètre dans le plasma pour établir les conditions à l'interruption du plasma. On peut montrer que la profondeur de peau du plasma à une fréquence correspondant à l'impulsion envisagée, est importante 20 par rapport à la dimension de l'interstice 32, et que la profondeur de peau peut donc être fixée commè étant égale à la dimension d'un interstice 32. On peut alors montrer que la constante de temps de pénétration du plasma est définie par: To-62

T --4

(6) Si l'on suppose à présent qu'un temps égal à cinq fois la constante de temps est nécessaire pour atteindre la 30 pénétration d'interruption, la pénétration se produira en t = 1,6 x 10-I 14 seconde. Par conséquent, le temps q nécessaire pour que le champ magnétique pénètre dans le plasma et établisse les conditions d'interruption, n'est pas un facteur limitatif étant donné que le temps de montée de l'impulsion envisagée est d'environ 25 x 10-9 seconde, c'est-à-dire qu'il est supérieur d'un grand

nombre d'ordre de grandeurs.

Les caractéristiques physiques de la bobine représentées sur la fig. 3, sont évaluées ci-après afin de faire apparaître Les caractéristiques opérationnelles d'une bobine permettant d'atteindre les buts 5 que l'on s'est fixés précédemment. On notera que le système à disque obturateur 36 doit être placé dans le

flux de plasma et doit pouvoir résister à ce flux.

Un système à disque obturateur 36 a été réalisé en utilisant des matériaux de type céramique pouvant être 10 placés dans des plasmas. Par conséquent, le disque 38 peut être réalisé à partir d'un matériau de céramique tel que l'alumine. Cependant, il existe de nombreux matériaux céramiques autres que L'alumine qui peuvent

être utilisés pour fabriquer une pièce ayant les 15 dimensions et la résistance au plasma requises.

Les bobines 48 sont ensuite réalisés sur le disque 38, comme l'illustre la fig.4. Quatre enroulements sont illustrés dans les fig. 3 et 4, et forment des ensembles de bobines 48 adjacentes à l'ouverture 20 du disque. Une frite conductrice est calcinée sur un substrat 38 afin de former un premier conducteur de courant 52 et un second conducteur de courant 50 pour l'activation de la bobine 48. On notera qu'une seconde

bobine est disposée au bobinage de l'ouverture de 25 l'obturateur comme l'illustre la fig. 5 ci-après.

Si l'on revient à la fig. 4, le disque céramique 38 est traversé par des passages nécessaires à la formation des enroulements 48. Les enroulements 48 sont constitués d'une frite conductrice qui peut être du cuivre disposé dans une frite de verre formant les conducteurs de la bobine 48. Des orifices traversant le disque 38 sont tout d'abord remplis de la frite conductrice. Des couches alternées d'une frite conductrice 48 et d'une frite isolante 54, qui peut être une frite à gaz coloré, sont disposées en alternance afin de former la configuration de bobine représentée fig. 4. La totalité du système à disque obturateur 36 peut ensuite être calcinée de la manière classique, c'est-à-dire à 800C, pour former un ensemble en céramique d'aspect 5 sensiblement monolithique. Les parties conductrices 38 qui résultent de la calcination ont une conductivité proche de celle du conducteur utilisé pour charger la frite de verre. En outre, les couches isolantes 54 encapsulent les couches conductrices de façon qu'il 10 ne se produise pas d'arc d'une spire à l'autre lorsqu'une impulsion de courant est impliquée, et qu'en outre le plasma conducteur ne puisse pas court-circuiter les conducteurs de courant 48 qui forment le champ

magnétique d'interruption.

La fig. 5 représente le système 36 à disque obturateur muni d'une bague de montage 58 permettant son installation dans un thyratron opérationnel. Une paire de bobines 48 sont disposées au voisinage de l'ouverture 60. Des conducteurs 62 et 64 établissent

les connections de courant nécessaire aux bobines 48.

Lorsque les bobines 48 sont soumises à des impulsions, un vecteur champ magnétique B est produit et provoque l'enroulement des électrons situés à l'intérieur de l'ouverture 60 autour de lignes de flux formées par le 25 champ magnétique B et qui permet d'atteindre les conditions définies par l'équation (5) afin de pièger

les électrons dans l'ouverture 60.

Les caractéristiques de la bobine 48 peuvent maintenant être déterminées afin de vérifier que les divers objectifs opérationnels ont été atteints. On peut montrer que la configuration de la bobine représentée aux figures 3, 4 et 5, a une inductance définie par: 4N2L h(X2+ R2)1/2 7)

L R

Le courant nécessaire pour produire le champ magnétique à l'intérieur d'une bobine ayant cette configuration est en outre définie par:

TR(X2+ R2) /2B

Im 2N (8) o Dans les équations (7) et (8), N est égal 10 au nombre de spires de la bobine, X est égal à une longueur efficace de bobine, R est un point milieu équivalent entre les spires de la bobine, et Im est le courant d'aimantation (de la bobine). Dans le mode de réalisation donné à titre d'illustration d'une 15 application à un thyratron, X = 7 mm, R = 2, 5 mm,

N = 4.

Par conséquent, pour une bobine produisant le champ magnétique minimal B = 0,058 T, on doit disposer d'une bobine ayant une inductance de 57 nH par bobine 20 ou de 28 nH pour les bobines parallèles. Un courant d'excitation de 48 A/bobine, ou de 96 A pour les deux

bobines est nécessaire.

De même, dans le cas o les deux bobines sont en parallèle, la résistance est déterminée par 25 L

R = CW

2ca <T W 9

C ( CW CW)

c(Tcwcw) o cw es a longueur d'enroulement de la bobine, Tcw est l'épaisseur de l'enroulement de la bobine, Wcw est la largeur de l'enroulement de la bobine, et 6c est la conductivité de la bobine (équivalente à

celle du cuivre, soit 6 x 107 mhos/mètre).

Dans la configuration du thyratron cité à titre

d'exemple, Lcw = 0,112 m, Tw = 0,0127 mm, Wcw = 2,0 mm.

On notera que Tw est une épaisseur équivalente cw de conducteur, qui peut être limitée à la dimension de l'épaisseur de peau aux fréquences de fonctionnement. Cependant, pour le temps de montée de 25 nanosecondes souhaité, la profondeur de peau d'un conducteur ayant une conductivité proche de celle du cuivre est importante par rapport à l'épaisseur du conducteur formant les bobines décrites ici. Par conséquent, la résistance

calculée est de R = 0,055 ohms.

Un autre indice de performance permettant d'évaluer le fonctionnement de la bobine, sont les exigences prévues de dissipation de puissance. Le taux d'impulsion permis par les bobines représentées à la fig. 3, et adaptées au thyratron utilisé pour la démonstration, peut être supposée égale au taux d'impulsions du thyratron lui-même. Le taux d'impulsions d'un thyratron est défini comme étant le rapport 20 du courant moyen au courant crête, et pour le thyratron cité à titre d'illustration, on obtient un taux d'impulsions de 1,67 x 104, cette valeur étant assez représentative des taux d'impulsions des thyratrons opérationnels. Comme: Imoy Im(crête)-(t.i.thy) = (96 A) (1,67 x 10-4) = 0,0153 A, dans le cas de la bobine 48, les exigences de dissipation de puissancesmoyennes imposées par les enroulements de 30 la bobine sont: cw Imoy R = (0,0153 A) 2 (0,055 ohms) (10)

= 1,29 x 10 watt.

Cette exigence de dissipation de puissance est sensiblement inférieure aux possibilités qu'offrent les matériaux de type céramique constituant le substrat et

les enroulements du système 36 à disque obturateur.

En bref, on peut s'atter:re à ce que la bobine 48, reorésentée dans les figures 3, 4 et 5, et décrite ci-dessus, produise un chanm magnétique B

à l'interiear de l'ouverture 60 de l'cóturateur; qui 5 permet d'interrompre efficacement le ' ux de plasma avec les paramètres suivants: L = 28 nH, Rc 0,0550hms, I (crête) = 96 A, I (moy.) = 0,0153 A, P = 13 x 10-6 watt.

m m cw Comme décrit ci-dessus, se temps nécessaire pour que le champ magnétique pénètre cans le plasma est 10 sensibleme-t inférieur au temps de mo--:ée prévue, de nanosecondes. Le temps d'interrupt:n du plasma dépendra alcrs du temps nécessaire Do- que le courant de bobine atteigne la valeur Im = 96 A, qui permet d'établir La densité de champ d'inter-. Dtion minimale 15 de B = 0,058 T. Dans le cas de l'ind.:tance de bobine calculée a cropos du mode de réalisat-zn cité à titre d'exemple, -e tension de 107 Volts es: nécessaire pour produire le:ourant souhaite pendant.'intervalle de

temps de rorée.

Les valeurs de la tens:cn et du courant déterminées ci-dessus indiquent en ou:e que l'obturateur de plas-a peut être un dispositi' de commande particulière-ent intéressant. Si une;-oulsion rectangulaire est aDPliquée à l'obturateur, a puissance crête nécessaire pour faire fonctionrel'obturateur est d'envirc- 10 kW. Cette puissance c:-mimande une sortie crête de thyratron de 5 MW pou- jn gain de

puissance a'environ 500.

Si l'on se réfère à prés-nt aux figures 30 6A et 6B, le fonctionnement prévu d'ur thyratron équipé d'un obturateJr de plasma de l'inventi:ô, est illustré graphiquement. La fig. 6A représente schématiquement un thyratron classique à l'intérieur d.quel est installé un obturateur de plasma PS. On peut ernisager d'installer 35 l'obturateur de plasma PS au voisinage de la grille de commande CG et de le placer d'un côté ci de l'autre de la grille de commande CG, selon les pe'ormances du

thyratron Darticulier utilisé.

L'installation d'un obturateur de plasma PS dans un thyratron classique aura pour effet de modifier les cycles de commutation, de conduction

et de régénération de la façon représentée sur la fig. 6B.

Pendant un certain temps, t < t0, le thyratron est à l'état de repos. A l'instant t0, une impulsion de déclenchement positive est appliquée à la grille de commande CG afin d'accélérer les électrons émis par la

cathode C et provoquer par cascade, le passage du 10 thyratron à l'état de conduction à l'instant t1.

Une fois l'ionisation en cascade achevée, afin d'établir le flux de plasma, la tension appliquée à la grille de commande CG peut être annulée sans aucun effet sur

le plasma.

Une impulsion de courant est appliquée à l'obturateur de plasma PS à l'instant t2 pour interrompre le plasma, en réduisant le courant de cathode 10 à zero. Un terme de tension d'induction correspondant, Ldi/dt, est induit sur l'anode qui repasse alors à la 20 tension élevée Hv, au fur et à mesure que le plasma

contenu dans le thyratron est refroidi.

On notera que l'obturateur de plasma PS n'a agi que sur un volume relativement faible du gaz ionisé se trouvant dans le thyratron et, si L'on se réfère à la fig. 1, que le gaz contenu dans le volume de cathode 22 et le volume d'anode 24, reste à des niveaux d'énergie et de conductivité élevés. Par conséquent, lorsque l'obturateur de plasma PS est ouvert à l'instant t3, c'est-à-dire lorsque le champ 30 magnétique B est annulé, le nuage d'électrons piègé à l'intérieur de l'obturateur de plasma PS peut amorçer une avalanche et réactiver le thyratron en un temps sensiblement plus court que celui qui est nécessaire

pour amorçer initialement un plasma dans le thyratron.

En n'agissant que sur un volume de gaz ionisé relativement faible et en piègeant simplement les électrons, l'obturateur de plasma PS permet au thyratron de rester à un niveau d'énergie moyen élevé et dans un état de conduction qui permet le réamorçage rapide 5 d'un flux de plasma lorsquele champ magnétique de piégeage est annulé. Par conséquent, la fréquence de répétition et d'activation du thyratron n'est alors limitée que par l'obturateur de plasma lui-même et par son circuit de commande, Qn peut envisager une fréquence de répétition se situant dans l'intervalle

de 1 à 10 MHz.

Le mode de réalisation ci-dessus de l'obturateur représenté sur les figures 3, 4 et 5, est spécifiquement conçu pour un thyratron. On notera 15 cependant que la structure monolithique représentée aux figures 3, 4 et 5, peut d'une manière générale être adaptée au contrôle de faisceaux de particules chargées. Les équations (1)-(8) peuvent s'appliquer à un courant de particules chargées et peuvent être utilisées pour définir des mises en oeuvre opérationnelles de la présente invention, de façon à ce que des particules chargées circulent autour des lignes de flux magnétique et soient piégées dans, ou à proximité de l'interstice 32 définissant l'ouverture 60. Comme dispositif à faisceau de particules, on citera des accélérateurs de faisceauxde particules et des faisceaux d'électrons libres.

La description qui précède, du mode de réalisation préféré de l'invention, n'a été présentée 30 qu'à titre d'illustration. Elle ne doit pas être

considérée comme étant exhaustive, ni comme limitant la présente invention à la forme de réalisation particulière décrit, et il est clair que de nombreuses

modifications et variantes peuvent être envisagées à 35 la lumière des directives données ci-dessus.

Le mode de réalisation a été choisi et décrit afin de mieux expliquer les principes de l'invention et son application pratique de permettre à l'homme de l'art de mieux exploiter l'invention dans ses diverses formes de mise en oeuvre et selon les diverses modifications qui seront apportées compte tenu de l'utilisation particulière envisagée.

Claims (15)

REVENDICATIONS

1. Obturateur de plasma utilisable pour purser un dispositif d'ionisation en cascade, comprenant: - un substrat pouvant être placé à l'intérieur d'un plasma et définissant une ouverture de surface minimale favorisant l'amorçage de ladite ionisation en cascade; et - un moyen conducteur disposé sur ledit 10 substrat et définissant des bobines destinées à être placées à l'intérieur du dit plasma au voisinage de ladite ouverture et orientées de façon à produire un champ magnétique sensiblement perpendiculaire au

mouvement dudit plasma.

2. Obturateur de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite ouverture a une dimension d'interstice qui permet la pénétration par un champ magnétique dudit plasma avec une constante

de temps qui permet ledit fonctionnement impulsionnel 20 à une fréquence sélectionnée.

3. Obturateur de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen conducteur comporte des couches alternées de matériau conducteur

et de matériau isolant formant une structure de bobine 25 monolithique.

4. Obturateur de plasma selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit matériau conducteur est réalisé à partir d'une frite de verre

chargée d'un conducteur et en ce que ledit matériau 30 isolant est réalisé à partir d'une frite de verre.

5. Obturateur de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit champ magnétique peut être produit de façon à ce qu'il exerce une force produisant un mouvement hélicoidal des électrons formant 35 le plasma autour d'une ligne de flux unique défini par ledit champ magnétique jusqu'à un rayon définissant une circonférence ne dépassant pas un libre parcours moyen

des dits électrons.

6. Interrupteur pour commander un courant de particules chargées, comprenant: - un moyen obturateur pouvant être placé de manière à intercepter ledit courant et définissant une ouverture sensiblement normale à un flux de particules chargées formant ledit courant, ladite ouverture définissant en outre un volume interne relativement petit par comparaison aux volumes internes voisins, recevant ledit courant; et - un moyen à bobine au voisinage de ladite ouverture ayant pour effet de produire un chamn magnétique dans ladite ouverture et perpendiculaire audit courant, ayant pour effet de conférer aux dites particules chargées une trajectoire circulaire autour dudit champ magnétique, sa circonférence étant fonctionnellement limitée à un libre parcours moyen desdites

particules chargées, afin de pièger lesdites particules.

7. Interrupteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit moyen à bobine comprend: 20 - des éléments conducteurs réalisés

sous forme d'enroulements au voisinage de ladite ouverture et destinés à être placés dans ledit flux.

8. Interrupteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que L'ouverture a une largeur d'irter25 stice de faible dimension par rapport à la longueur

de l'interstice.

9. Interrupteur selon la revendicatio- 7, caractérisé en ce que lesdits éléments conducteurs comportent des couches alternées de matériau conducteu.r 30 et de matériau isolant, formant une structure de boan e monolithique. , Interrupteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit matériau conducteur est réalisé à partir d'une frite de verre chargée d'un 35 conducteur et en ce que ledit matériau isolant est

réalisé à partir d'une frite de verre.

11. Procédé pour refroidir brusquement un flux de plasma entre une cathode et une anode, comprenant les étapes consistant à: - confiner ledit fluide de plasma au travers d'une ouverture ayant une largeur d'interstice permettant de recevoir Ledit plasma et une surface petitepar rapport à ladite cathode et ladite anode; et - produire un champ magnétique en travers dudit interstice et perpendiculairement audit flux de 1O plasma, ledit champ magnétique ayant pour effet de produire u.n mouvement des électrons formant ledit flux de plasma, selon une trajectoire circulaire dont la circonférence n'est pas supérieure à un libre parcours

moyen desdits électrons.

12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à: - placer dans ledit fluide de plasma un substrat définissant ladite ouverture et portant des 20 enroulements conducteurs permettant d'engendrer ledit

champ magnétique.

13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'étape consistant à placer lesdits enroulements conducteurs au voisinage dudit interstice à une distance permettant d'engendrer ledit champ magnétique et de commander la puissance délivrée par ledit plasma en fournissant en entrée une puissance relativement faible auxdits

enroulements conducteurs.

14. Thyratron pulsé à haute fréquence comportant un bottier contenant une cathode, une anode, une grille de commande et un gaz ionisable destiné à produire un flux de plasma, amélioré par le fait qu'il comprend un obturateur de plasma disposé dans ledit 35 bottier entre ladite anode et ladite cathode afin de recevoir et de pièger magnétiquement les électrons

formant ledit flux de plasma.

15. Thyratron selon La revendication 14, caractérisé en ce que ledit obturateur de plasma comporte en outre: - un substrat définissant une ouverture pour recevoir Ledit flux de plasma; et - des enroulements conducteurs sur ledit substrat au voisinage de ladite ouverture afin d'engendrer un champ magnétique sensiblement perpendiculaire audit flux de plasma et ayant pour effet de piéger 10 lesdits électrons et de refroidir brutalement ledit plasma. 16. Thyratron selon la revendication 15, caractérisé en ce que ladite ouverture présente une surface de réception dudit flux de plasma, réduite par 15 rapport aux surfaces desdites cathode et anode, 17. Thyratron selon la revendication 15, caractérisé en ce que ladite ouverture englobe un volume de faible dimension par rapport aux volumes adjacents contenant ledit gaz ionisable situé à 20 l'intérieur dudit boîtier, 18. Thyratron selon la revendication 15, caractérisé en ce que lesdits éléments conducteurs comportent des couches alternées de matériau conducteur

et de matériau isolant formant une structure de bobine 25 monolithique.

19. Thyratron selon la revendication 18, caractérisé en ce que ledit matériau conducteur est réalisé à partir d'une frite de verre chargée d'un conducteur et en ce que ledit matériau isolant est 30 réalisé à partir d'une frite de verre.