FR2715007A1

FR2715007A1 - Pseudospark switch triggered by corona discharge.

Info

Publication number: FR2715007A1
Application number: FR9400318A
Authority: FR
Inventors: Puech Vincent; Legentil Michel
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1994-01-13
Filing date: 1994-01-13
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2014-01-13
Also published as: FR2715007B1; WO1995019651A1

Abstract

An electronic gas switch including two hollow electrodes (22, 24) each comprising at least one hole (26, 28). The two electrodes are arranged in a gas discharge chamber (30) containing a discharge gas at a pressure (p), and each hole of at least one of the electrodes is opposite a hole in the other electrode. A discharge initiating assembly (32, 34, 36) includes an element made of a dielectric material (32), a triggering electrode (34) in the region of the dielectric element, and a metal grid (36) in the region of one surface of the dielectric element, said dielectric element being located between the triggering electrode and the grid.

Description

COMMUTATEUR PSEUDOSPARK DECLENCHE PAR DECHARGE CORONA
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention a pour objet un commutateur de type "pseudospark" déclenché par une décharge corona.PSEUDOSPARK SWITCHED BY CORONA DISCHARGE
DESCRIPTION
Technical area
The present invention relates to a switch of the "pseudospark" type triggered by a corona discharge.

Ces dernières années ont vues la découverte et le développement d'un nouveau type de commutateur à plasma, communément appelé "pseudospark". Les performances de ces dispositifs (tenue en tension de 50kV, courant commuté supérieur à 100kA, taux de croissance du courant voisin de 1012A/s, cadence de répétition pouvant atteindre 50 kHz, délai de commutation et jitter respectivement inférieur à 50 et Ions, sont dès à présent tout à fait remarquables, et les pseudosparks apparaissent comme des composants de choix pour toute application d'électronique de puissance nécessitant la commutation de tension et/ou de courant élevé : générateur de faisceau intense de particules, accélérateur à induction, lentille à plasma, laser de puissance, etc. The last few years have seen the discovery and development of a new type of plasma switch, commonly known as a "pseudospark". The performance of these devices (voltage withstand of 50kV, switched current greater than 100kA, current growth rate close to 1012A / s, repetition rate up to 50 kHz, switching delay and jitter respectively less than 50 and Ions, are already quite remarkable, and pseudosparks appear as components of choice for any application of power electronics requiring high voltage and / or current switching: intense particle beam generator, induction accelerator, plasma, power laser, etc.

Etat de la technique
On a représenté sur la figure 1 le schéma de la structure d'un commutateur pseudospark. Celui-ci est constitué de deux électrodes creuses 2 et 4, séparées d'une distance de quelques millimètres, dont les faces 6, 8 en regard, planes et parallèles, sont percées par des ouvertures 10, 12 de quelques millimètres. La pression interne, de l'ordre de quelques dizaines de
Pascal, est telle que la tenue en tension V est d'autant plus grande que la pression p est basse, et que la distance inter-électrode d est faible : on se trouve dans la branche de gauche (16) de la courbe de
Paschen représentée sur la figure 2. Dans ces conditions, au moment de la décharge, le claquage s'effectuera suivant le chemin le plus long d'une électrode à l'autre et produira une décharge axiale entre les trous. Afin d'initier la décharge, il faut générer dans la cavité cathodique une faible quantité d'électrons germes, de l'ordre de 109cm-3. State of the art
FIG. 1 shows the diagram of the structure of a pseudospark switch. This consists of two hollow electrodes 2 and 4, separated by a distance of a few millimeters, the opposite faces 6, 8 of which are plane and parallel, are pierced by openings 10, 12 of a few millimeters. Internal pressure, of the order of a few tens of
Pascal, is such that the withstand voltage V is all the greater the lower the pressure p, and the smaller the inter-electrode distance d: we are in the left branch (16) of the curve
Paschen shown in Figure 2. Under these conditions, at the time of the discharge, the breakdown will be carried out along the longest path from one electrode to the other and will produce an axial discharge between the holes. In order to initiate the discharge, it is necessary to generate in the cathode cavity a small quantity of seed electrons, of the order of 109 cm-3.

Bien que le développement spatio-temporel de la décharge pseudospark ne soit par parfaitement compris à l'heure actuelle, des modèles récents dont les prédictions sont qualitativement en accord avec les résultats expérimentaux, permettent de schématiser le fonctionnement de la décharge selon trois phases distinctes. Une description de ces trois phases est donnée dans l'article de J. Christiansen et W. Hartmann publié dans "Gas Discharge Closing Switches" édité par
G. Schaefer, Plenum Press, New York, 1990, pp. 509 et suivantes.Although the spatio-temporal development of the pseudospark discharge is not fully understood at the present time, recent models whose predictions are qualitatively in agreement with the experimental results, make it possible to diagram the operation of the discharge according to three distinct phases. A description of these three phases is given in the article by J. Christiansen and W. Hartmann published in "Gas Discharge Closing Switches" edited by
G. Schaefer, Plenum Press, New York, 1990, pp. 509 and following.

Un des paramètres critiques concernant ce type de décharge est son mode de déclenchement. Plusieurs modes de déclenchement ont déjà été proposés dans l'art antérieur : on pourra se reporter à l'article de K. One of the critical parameters concerning this type of discharge is its triggering mode. Several triggering modes have already been proposed in the prior art: reference may be made to the article by K.

Frank et al. dans IEEE Transaction on Plasma Science, vol. 16, N02, pp 317 à 323, Avril 1988, ainsi qu'à l'article K. Frank et al., dans "Gas Discharge Closing
Switches", édité par G. Schaefer et al., Plenum Press,
New York, 1990, pp. 521 et suivantes.Frank et al. in IEEE Transaction on Plasma Science, vol. 16, N02, pp 317 to 323, April 1988, as well as to the article K. Frank et al., In "Gas Discharge Closing
Switches ", edited by G. Schaefer et al., Plenum Press,
New York, 1990, pp. 521 and following.

Les modes de déclenchement connus sont soit électriques, soit optiques. The known trigger modes are either electrical or optical.

Dans la catégorie des modes de déclenchement électrique, on trouve essentiellement le déclenchement avec électrode auxiliaire, le déclenchement avec injection de charges, ou le déclenchement par étincelle glissante. Parmi les modes de déclenchement optique, on trouve essentiellement la méthode par éclairement U.V. In the category of electrical triggering modes, there is essentially triggering with an auxiliary electrode, triggering with charge injection, or triggering by sliding spark. Among the optical triggering modes, there is essentially the UV illumination method.

de la face arrière de la cathode, par laser ou par flash encore appelée "Back-Lit-Thyratron" (BLT).from the rear face of the cathode, by laser or by flash also called "Back-Lit-Thyratron" (BLT).

Chaque type de déclenchement possède ses avantages et ses inconvénients vis-à-vis des divers paramètres de fonctionnement de la décharge pseudospark : durée de vie, jitter et délai, isolation, etc. Each type of trip has its advantages and disadvantages with regard to the various operating parameters of the pseudospark discharge: lifetime, jitter and delay, insulation, etc.

Ainsi, le déclenchement par étincelle glissante est de mise en oeuvre très simple, produit les délais et jitter les plus faibles, mais sa durée de vie est relativement limitée (moins de 105 coups). Le déclenchement par injection de charges, objet du brevet
EP-B-324 817, permet d'obtenir les cadences de répétition et les durées de vie (environ 109 tirs) les plus élevées, mais au prix d'une complication non négligeable du composant : en effet, on doit introduire dans le système des électrodes supplémentaires avec des moyens de polarisation et de contrôle électronique complexes. De plus, avec cette méthode d'injection de charges, on ne peut atteindre des délais et des jitters faibles qu'au prix de l'introduction d'une décharge auxiliaire supplémentaire. Quant au mode de déclenchement optique, il n'est, à l'heure actuelle, pas adapté au déclenchement des lasers industriels, même si il représente une solution idéale pour le problème de l'isolation électrique, et même si il permet le déclenchement simultané de plusieurs pseudosparks, à l'aide de fibres optiques.Thus, triggering by sliding spark is very simple to implement, produces the shortest delays and jitter, but its lifespan is relatively limited (less than 105 shots). Triggering by charge injection, subject of the patent
EP-B-324 817, makes it possible to obtain the highest repetition rates and lifetimes (approximately 109 shots), but at the cost of a not insignificant complication of the component: indeed, it must be introduced into the system additional electrodes with complex polarization and electronic control means. In addition, with this charge injection method, it is possible to achieve low delays and jitters only at the cost of introducing an additional auxiliary discharge. As for the optical triggering mode, it is currently not suitable for triggering industrial lasers, even if it represents an ideal solution for the problem of electrical insulation, and even if it allows simultaneous triggering several pseudosparks, using optical fibers.

Enfin, quel que soit le mode de déclenchement choisi, on doit maintenir entre les deux électrodes creuses, tant qu'il n'y a pas de décharge, une différence de potentiel inférieure à la tension à partir de laquelle il y a auto-amorçage du commutateur pseudospark, encore appelée tension d'auto-amorçage. Le déclencheur idéal doit permettre de travailler de manière contrôlée dans la plus grande plage possible de tensions, c'est-à-dire pour toute tension appliquée aux bornes du pseudospark, de quelques volts à la tension d'auto-amorçage. Finally, whatever the triggering mode chosen, one must maintain between the two hollow electrodes, as long as there is no discharge, a potential difference lower than the voltage from which there is self-priming of the pseudospark switch, also called self-priming voltage. The ideal trigger must allow working in a controlled manner in the largest possible range of voltages, that is to say for any voltage applied to the terminals of the pseudospark, from a few volts to the self-priming voltage.

On ne dispose donc pas, actuellement, d'un mode de déclenchement qui présente simultanément les qualités suivantes - une mise en oeuvre simple, avec possibilité de
travailler en régime non scellé, autorisant une
éventuelle réparation et n'exigeant pas le
remplacement de tout le composant, - une longue durée de vie, comparable, dans le cas
d'une utilisation dans un laser, à celle des autres
composants du laser (au minimum 108 coups), - la possibilité de commuter l'énergie à des niveaux de
puissance compatibles avec les spécifications
industrielles, notamment dans le domaine des lasers
pour l'industrie (excimères, Cl2), en particulier
une tension commutée d'au moins 20kV,
une énergie commutée pouvant atteindre 60J,
tout en maintenant entre les électrodes une tension
relativement basse (de l'ordre de quelques dizaines
de Volts), - une efficacité de déclenchement permettant de
travailler, avec le même dispositif et les mêmes
réglages, dans une gamme de tension s'étendant de
quelques volts à plusieurs dizaines de kilovolts.There is therefore currently no trigger mode which simultaneously has the following qualities - a simple implementation, with the possibility of
work in an unsealed regime, authorizing a
possible repair and not requiring the
replacement of the entire component, - a long, comparable service life in the case
of use in a laser, to that of others
components of the laser (at least 108 shots), - the possibility of switching the energy to levels of
power compatible with specifications
industrial, especially in the field of lasers
for industry (excimers, Cl2), in particular
a switched voltage of at least 20kV,
a switched energy of up to 60J,
while maintaining a voltage between the electrodes
relatively low (around a few tens
of Volts), - a triggering efficiency allowing
work, with the same device and the same
settings, in a voltage range from
a few volts to several tens of kilovolts.

Exposé de l'invention
L'invention a justement pour objet de résoudre ces problèmes.Statement of the invention
The object of the invention is precisely to solve these problems.

Elle concerne un commutateur électronique à gaz, comprenant deux électrodes creuses, chacune pouvant servir de cathode ou d'anode, chaque électrode comportant au moins un trou, les deux électrodes étant arrangées dans une chambre de décharge gazeuse contenant un gaz ionisable à pression p, de telle façon que chaque trou d'une des deux électrodes soit situé en regard et à une distance d d'un trou de l'autre électrode, une différence de potentiel Vi étant maintenue entre les deux électrodes, la distance d, la pression p et la tension Vi étant telles que le point (pxd, Vi) soit situé sous la branche gauche de la courbe de Paschen qui représente, en fonction du produit pxd, la valeur minimum Vm de la tension d'amorçage d'une décharge entre ces deux électrodes, ladite branche correspondant à une partie décroissante de cette fonction, des moyens pour initier la décharge, caractérisé en ce que ces moyens pour initier la décharge comprennent - un élément en un matériau diélectrique, - une électrode de déclenchement placée au voisinage de
l'élément diélectrique, - une grille métallique située au voisinage d'une
surface de l'élément diélectrique, de telle façon que
l'élément diélectrique soit situé entre l'électrode
de déclenchement et la grille.It relates to an electronic gas switch, comprising two hollow electrodes, each capable of serving as a cathode or anode, each electrode comprising at least one hole, the two electrodes being arranged in a gas discharge chamber containing an ionizable gas at pressure p, such that each hole of one of the two electrodes is located opposite and at a distance d from a hole of the other electrode, a potential difference Vi being maintained between the two electrodes, the distance d, the pressure p and the voltage Vi being such that the point (pxd, Vi) is located under the left branch of the Paschen curve which represents, as a function of the product pxd, the minimum value Vm of the initiation voltage of a discharge between these two electrodes, said branch corresponding to a decreasing part of this function, means for initiating the discharge, characterized in that these means for initiating the discharge comprise - an element in one ma dielectric material, - a trigger electrode placed in the vicinity of
the dielectric element, - a metal grid located in the vicinity of a
surface of the dielectric element, so that
the dielectric element is located between the electrode
trigger and grid.

Un tel commutateur offre l'avantage d'être de structure extrêmement simple, tout en ayant une durée de vie longue (plusieurs 107 tirs), un délai d'amorçage et un jitter faible (respectivement inférieurs à 50 nanosecondes et 10 nanosecondes). En outre, il permet de commuter une tension d'au moins 20kV, une énergie d'environ 60J, l'initiateur n'occasionnant que peu de perte. Enfin, il suffit de maintenir, hors régime de décharge, une différence de potentiel de quelques dizaines de volts entre les électrodes creuses pour que l'initiateur puisse amorcer une décharge pseudospark. Such a switch offers the advantage of being extremely simple in structure, while having a long service life (several 107 shots), a priming delay and a low jitter (respectively less than 50 nanoseconds and 10 nanoseconds). In addition, it makes it possible to switch a voltage of at least 20kV, an energy of around 60J, the initiator causing little loss. Finally, it suffices to maintain, apart from the discharge regime, a potential difference of a few tens of volts between the hollow electrodes so that the initiator can initiate a pseudospark discharge.

Avantageusement, l'élément diélectrique d'un commutateur tel que décrit ci-dessus est fixé dans une ouverture pratiquée dans une paroi d'une des électrodes creuses, de façon à ce que la grille soit dans ou dirigée vers l'intérieur de ladite électrode. Selon une autre alternative, cet élément diélectrique est fixé à l'intérieur d'une des électrodes creuses, de telle façon que la grille soit tournée vers le trou de ladite électrode. Advantageously, the dielectric element of a switch as described above is fixed in an opening formed in a wall of one of the hollow electrodes, so that the grid is in or directed towards the interior of said electrode. . According to another alternative, this dielectric element is fixed inside one of the hollow electrodes, so that the grid is turned towards the hole of said electrode.

Pour chaque électrode, le ou les trou(s) peu(ven)t être réalisé(s) dans une paroi plane, les deux parois étant maintenues parallèles à la distance d. For each electrode, the hole (s) can be made in a flat wall, the two walls being kept parallel to the distance d.

La grille, le diélectrique et l'électrode de déclenchement peuvent être alors tous trois situés dans des plans sensiblement parallèles aux parois planes dans lesquelles sont réalisées les trous. The gate, the dielectric and the triggering electrode can then all be located in planes substantially parallel to the planar walls in which the holes are made.

Chaque électrode creuse peut avoir sensiblement la forme d'un cylindre à base circulaire, les axes des deux cylindres étant confondus. Each hollow electrode may have substantially the shape of a cylinder with a circular base, the axes of the two cylinders being coincident.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, un commutateur tel que décrit ci-dessus, est caractérisé en ce que chaque électrode comporte une série de trous, disposés de telle façon que chaque trou de chaque électrode soit situé en regard d'un trou de l'autre électrode creuse. According to another embodiment of the invention, a switch as described above, is characterized in that each electrode has a series of holes, arranged in such a way that each hole of each electrode is located opposite a hole of the other hollow electrode.

Chaque électrode creuse peut alors présenter une forme sensiblement parallélépipédique ou cylindrique. Each hollow electrode can then have a substantially parallelepiped or cylindrical shape.

Avec ce second mode de réalisation, on peut initier simultanément dans tous les trous une décharge pseudospark. Ce mode de réalisation présente en outre l'avantage de diminuer l'inductance de l'ensemble et d'accroître la durée de vie de chaque électrode. With this second embodiment, a pseudospark discharge can be initiated simultaneously in all the holes. This embodiment also has the advantage of reducing the inductance of the assembly and increasing the service life of each electrode.

Dans tous les cas, la valeur de la constante diélectrique s du matériau diélectrique peut être comprise entre 1 et 10, ou entre 10 et 50, ou entre 50 et 1000, ou supérieure à 1000. In all cases, the value of the dielectric constant s of the dielectric material can be between 1 and 10, or between 10 and 50, or between 50 and 1000, or greater than 1000.

Brève description des figures
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels
- la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement la structure d'un commutateur pseudospark,
- la figure 2 représente une courbe de Paschen typique et les différentes régions associées aux différents modes de fonctionnement possibles,
- la figure 3 représente un premier mode de réalisation d'un commutateur pseudospark selon l'invention,
- la figure 4 représente, en coupe, une cellule élémentaire de l'initiateur employé dans la décharge pseudospark selon l'invention,
- les figures 5a, 5b, 5c représentent, pour trois valeurs différentes de la constante diélectrique
E, la distribution des lignes de potentiel au voisinage du point triple,
- la figure 6 représente, pour différentes valeurs de la constante diélectrique g, l'évolution du champ électrique au point triple en fonction du rayon du fil de la grille de l'initiateur,
- les figures 7a et 7b représentent d'autres modes de réalisation de l'invention, avec plusieurs trous dans chaque électrode creuse.Brief description of the figures
In any case, the characteristics and advantages of the invention will appear better in the light of the description which follows. This description relates to the exemplary embodiments, given by way of explanation and without limitation, with reference to the appended drawings in which
FIG. 1, already described, schematically represents the structure of a pseudospark switch,
FIG. 2 represents a typical Paschen curve and the different regions associated with the different possible operating modes,
FIG. 3 represents a first embodiment of a pseudospark switch according to the invention,
FIG. 4 represents, in section, an elementary cell of the initiator used in the pseudospark discharge according to the invention,
- Figures 5a, 5b, 5c show, for three different values of the dielectric constant
E, the distribution of the potential lines in the vicinity of the triple point,
FIG. 6 represents, for different values of the dielectric constant g, the evolution of the electric field at the triple point as a function of the radius of the wire from the grid of the initiator,
- Figures 7a and 7b show other embodiments of the invention, with several holes in each hollow electrode.

Exposé détaillé de l'invention
Un commutateur pseudospark selon l'invention est représenté sur la figure 3. Il comprend deux électrodes creuses 22 et 24, chaque électrode étant munie d'un trou 26, 28, les deux trous étant situés en regard l'un de l'autre.Detailed description of the invention
A pseudospark switch according to the invention is shown in FIG. 3. It comprises two hollow electrodes 22 and 24, each electrode being provided with a hole 26, 28, the two holes being located opposite one another.

Sur la figure 3, ces électrodes 22, 24 présentent chacune la forme d'un cylindre à base circulaire, chaque trou étant pratiqué dans un plan, les deux trous étant maintenus à une distance d, les deux plans étant parallèles entre eux, également situés à une distance d l'un de l'autre. Ainsi, dans un exemple de réalisation, les deux cylindres ont une longueur L à peu près égale à 3,8cm et un diamètre d à peu près égal à 3cm, la distance entre les deux cylindres étant d'environ 4mm, chaque trou ayant un diamètre d'environ 5mm. In FIG. 3, these electrodes 22, 24 each have the shape of a cylinder with a circular base, each hole being made in a plane, the two holes being kept at a distance d, the two planes being parallel to each other, also located at a distance from each other. Thus, in an exemplary embodiment, the two cylinders have a length L approximately equal to 3.8 cm and a diameter d approximately equal to 3 cm, the distance between the two cylinders being approximately 4 mm, each hole having a diameter of about 5mm.

On peut néanmoins réaliser des électrodes n'ayant pas de forme cylindrique à base circulaire. It is nevertheless possible to produce electrodes which do not have a cylindrical shape with a circular base.

L'important, en effet, est l'effet de confinement dû au volume intérieur à l'électrode lors de la production du plasma au cours de la décharge pseudospark. Un tel effet serait par exemple obtenu avec des électrodes présentant un volume intérieur de forme cubique ou parallélépipédique.The important thing, in fact, is the confinement effect due to the volume inside the electrode during the production of the plasma during the pseudospark discharge. Such an effect would for example be obtained with electrodes having an interior volume of cubic or parallelepiped shape.

L'ensemble des deux électrodes baigne dans l'atmosphère régnant dans une enveloppe isolante 30. A l'intérieur de cette enveloppe, la valeur de la pression p est définie, à partir de la courbe de
Paschen correspondant au gaz utilisé, par la tension d'auto-amorçage souhaitée par l'utilisateur du pseudospark. Cette pression est réglée par l'action combinée des moyens d'introduction du gaz et des moyens de pompage de ce gaz, non représentés sur la figure 3.The set of two electrodes is immersed in the atmosphere prevailing in an insulating envelope 30. Inside this envelope, the value of the pressure p is defined, from the curve of
Paschen corresponding to the gas used, by the self-priming voltage desired by the user of the pseudospark. This pressure is regulated by the combined action of the means for introducing the gas and the means for pumping this gas, not shown in FIG. 3.

Dans la plupart des gaz, la pression utilisée pour une tenue en tension (tension d'auto-amorçage) de l'ordre de 20 kV est d'une dizaine de Pascal, mais le déclencheur permet d'initier la décharge pour n'importe quelle pression supérieure à 0.1 Pa, ceci indépendamment de la nature du gaz utilisé.In most gases, the pressure used for a voltage withstand (self-priming voltage) of the order of 20 kV is around ten Pascal, but the trigger makes it possible to initiate the discharge for any which pressure greater than 0.1 Pa, regardless of the nature of the gas used.

Le régime de décharge pseudospark est défini à l'aide de la courbe de Paschen, représentée sur la figure 2. Cette courbe donne, de façon générale, pour deux électrodes situées à une distance d l'une de l'autre dans un gaz à pression p, la valeur minimum Vm du potentiel (ou tension d'auto-amorçage) à appliquer entre les électrodes en fonction du produit pxd pour qu'il y ait décharge entre ces électrodes. The pseudospark discharge regime is defined using the Paschen curve, represented in FIG. 2. This curve gives, in general, for two electrodes located at a distance d from each other in a gas with pressure p, the minimum value Vm of the potential (or self-priming voltage) to be applied between the electrodes as a function of the product pxd so that there is discharge between these electrodes.

Le régime pseudospark se définit par rapport à cette courbe comme le régime de décharge correspondant à la région 16 de la figure 2, et pour lequel la valeur minimum Vm est une fonction décroissante du produit pxd. The pseudospark regime is defined with respect to this curve as the discharge regime corresponding to region 16 of FIG. 2, and for which the minimum value Vm is a decreasing function of the product pxd.

La région 18, au voisinage du minimum de la courbe de Paschen, correspond au régime dit de décharge luminescente, et la région 20 correspond à celui de l'étincelle classique à haute pression. Region 18, close to the minimum of the Paschen curve, corresponds to the so-called glow discharge regime, and region 20 corresponds to that of the conventional high pressure spark.

Pratiquement, on se donne une certaine valeur du potentiel Vm en-dessous de laquelle on ne désire pas qu'il y ait de décharge pseudospark, on en déduit la valeur minimum du produit pxd, et on applique à l'aide de moyens non représentés sur la figure 3, aux deux électrodes, une différence de potentiel initiale Vi, telle que Vi soit inférieure à Vm, c'est-à-dire telle que le point défini par (pxd, Vi) soit situé au-dessous de la branche gauche, décroissante, de la courbe de
Paschen de la figure 2.In practice, we give ourselves a certain value of the potential Vm below which we do not want there to be a pseudospark discharge, we deduce the minimum value of the product pxd, and we apply it using means not shown in FIG. 3, at the two electrodes, an initial potential difference Vi, such that Vi is less than Vm, that is to say such that the point defined by (pxd, Vi) is located below the branch left, decreasing, of the curve
Paschen in Figure 2.

De façon schématique, pour réaliser une décharge pseudospark, il faut alors suffisamment perturber le potentiel Vi de façon à atteindre un potentiel d'amorçage Va entre les électrodes supérieur ou égal au potentiel minimum d'amorçage Vm. C'est cette fonction de perturbation que remplit l'initiateur. Schematically, to achieve a pseudospark discharge, it is then necessary to sufficiently disturb the potential Vi so as to reach an ignition potential Va between the electrodes greater than or equal to the minimum ignition potential Vm. It is this disturbance function that the initiator fulfills.

Ce dernier est constitué, selon l'invention, d'un élément diélectrique 32, d'une électrode de déclenchement 34, située au voisinage de l'élément diélectrique, et d'une grille métallique 36 située au voisinage de la surface du diélectrique. Dans l'exemple de réalisation selon la figure 3, l'élément diélectrique 32 a une forme présentant une symétrie sensiblement circulaire autour d'un axe (AA') passant par les trous pratiqués dans les électrodes creuses, et est incorporé dans une face de l'électrode creuse 24, parallèlement à la face dans laquelle est pratiqué le trou 28. Son épaisseur est de quelques millimètres, entre 1 et lOmm, par exemple 5mm. La forme à symétrie circulaire n'est pas limitative ; dans le cas particulier de la figure 3, elle est adaptée à la forme intérieure des électrodes. D'une façon générale, le diélectrique 32 aura une forme adaptée à celle du volume intérieur de l'électrode creuse dans laquelle il est positionné : cette forme pourra par exemple être approximativement carrée ou rectangulaire pour un volume intérieur cubique ou parallélépipédique. The latter consists, according to the invention, of a dielectric element 32, a triggering electrode 34, located in the vicinity of the dielectric element, and a metal grid 36 located in the vicinity of the surface of the dielectric. In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the dielectric element 32 has a shape having a substantially circular symmetry about an axis (AA ') passing through the holes made in the hollow electrodes, and is incorporated in a face of the hollow electrode 24, parallel to the face in which the hole 28 is made. Its thickness is a few millimeters, between 1 and 10 mm, for example 5 mm. The shape with circular symmetry is not limiting; in the particular case of FIG. 3, it is adapted to the internal shape of the electrodes. In general, the dielectric 32 will have a shape adapted to that of the interior volume of the hollow electrode in which it is positioned: this shape could for example be approximately square or rectangular for an interior cubic or parallelepiped volume.

La grille 36 est située vers l'intérieur de l'électrode creuse 24, en regard du trou 28 à une distance inférieure à quelques millimètres du diélectrique 32, par exemple 1 mm. Elle est en contact avec une source de potentiel quelconque, par exemple les parois intérieures de l'électrode creuse au voisinage de la grille si celles-ci sont métalliques, de façon à ce que son potentiel ne soit pas flottant. The grid 36 is located towards the inside of the hollow electrode 24, facing the hole 28 at a distance less than a few millimeters from the dielectric 32, for example 1 mm. It is in contact with any source of potential, for example the interior walls of the hollow electrode in the vicinity of the grid if these are metallic, so that its potential is not floating.

Quant à l'électrode de déclenchement 34, elle est située, sur la figure 3, contre le diélectrique 32, en liaison avec des moyens (non représentés sur la figure 3) pour produire la tension voulue. As for the trigger electrode 34, it is located, in FIG. 3, against the dielectric 32, in connection with means (not shown in FIG. 3) to produce the desired voltage.

Sur la figure 3, la grille, le diélectrique et l'électrode de déclenchement sont situés dans des plans sensiblement parallèles l'un à l'autre et parallèles aux parois dans lesquelles sont réalisés les trous 26, 28. In FIG. 3, the grid, the dielectric and the triggering electrode are located in planes substantially parallel to each other and parallel to the walls in which the holes 26, 28 are made.

Lorsqu'une impulsion de tension de l'ordre de quelques kilovolts est appliquée à l'électrode de déclenchement 34, il y a, du fait de la présence combinée du diélectrique 32 et de la grille 36, un renforcement du champ électrique à la surface de ce dernier, du côté de la grille 36. En conséquence, il y a production d'électrons à l'interface gazdiélectrique-grille, également appelée point triple, ce qui déclenche la décharge pseudospark. Ainsi, la décharge peut être utilisée comme interrupteur ou commutateur. When a voltage pulse of the order of a few kilovolts is applied to the triggering electrode 34, there is, due to the combined presence of the dielectric 32 and the grid 36, a strengthening of the electric field at the surface. of the latter, on the side of the grid 36. Consequently, there is production of electrons at the gas-electric-grid interface, also called triple point, which triggers the pseudospark discharge. Thus, the discharge can be used as a switch or switch.

La fonction essentielle de la grille étant d'assurer un renforcement local du champ électrique à la surface du diélectrique, on comprend qu'il suffit que cet élément ait une forme adaptée pour pouvoir assurer cette fonction : ainsi, la grille peut être constituée par exemple de fils entrelacés ou de trous percés dans une plaque mince, les trous tant distants l'un de l'autre de quelques centaines de microns. De même, la distance diélectrique-grille sera à choisir, dans chaque cas, de façon à ce que cet effet puisse se produire. The essential function of the grid being to ensure a local reinforcement of the electric field on the surface of the dielectric, it is understood that it is sufficient that this element has a suitable shape to be able to perform this function: thus, the grid can be constituted for example of intertwined wires or holes drilled in a thin plate, the holes so far apart from each other by a few hundred microns. Likewise, the dielectric-grid distance will have to be chosen, in each case, so that this effect can occur.

La structure de l'initiateur, c'est-à-dire de l'ensemble électrode de déclenchement-diélectriquegrille est représentée de façon plus détaillée sur la figure 4. Sur cette figure, A et E désignent respectivement l'épaisseur et la constante diélectrique du matériau diélectrique, e la distance entre le diélectrique 32 et la grille 36 ; la grille est constituée de fils métalliques dont la section approximativement circulaire a un rayon R, L représentant la distance entre les fils. The structure of the initiator, that is to say of the tripping electrode-dielectric grid assembly is shown in more detail in FIG. 4. In this figure, A and E denote respectively the thickness and the dielectric constant. dielectric material, e the distance between the dielectric 32 and the grid 36; the grid consists of metallic wires, the approximately circular section of which has a radius R, L representing the distance between the wires.

Le choix du matériau constitutif du diélectrique est critique, ainsi qu'on peut le voir d'après les figures 5a, 5b, 5c où sont représentées, pour différentes valeurs de E (s=l pour la figure 5a, s=5 pour la figure 5b, e=1000 pour la figure 5c) les distributions des lignes de potentiel au voisinage du point triple, calculées à partir des solutions de l'équation de Poisson, pour une géométrie de l'ensemble dans laquelle L R, A=5mm et e=0,lmm. Sur ces figures, les références 32, 34, 36 ont respectivement la même signification que sur la figure 4. The choice of the material constituting the dielectric is critical, as can be seen from Figures 5a, 5b, 5c where are represented, for different values of E (s = l for Figure 5a, s = 5 for the figure 5b, e = 1000 for figure 5c) the distributions of the lines of potential in the vicinity of the triple point, calculated starting from the solutions of the Poisson equation, for a geometry of the unit in which LR, A = 5mm and e = 0.1mm. In these figures, the references 32, 34, 36 respectively have the same meaning as in FIG. 4.

A partir de ces distributions, il est possible de calculer la valeur du champ électrique E à la surface du diélectrique 32, du côté de la grille 36. From these distributions, it is possible to calculate the value of the electric field E at the surface of the dielectric 32, on the side of the grid 36.

L'évolution de cette valeur est représentée en fonction de R pour différentes valeurs de E (E=1 ; 5 ; 10 ; 50 ; 1000), sur la figure 6. La tension appliquée à l'électrode 34 vaut Vo=lkV. Pour des valeurs de E de l'ordre de 1000 (ce qui correspond à un matériau du type céramique, comme le titanate de baryum) ou supérieures à 1000, on constate - qu'on peut atteindre un renforcement du champ
électrique d'un facteur supérieur à 100, - que la valeur du champ devient indépendante de R, si
R est supérieur à environ 500 pitt, et qu'on atteint alors un régime asymptotique en

- qu'une diminution de la valeur de R de 500 um à
100 um n'accroît le champ électrique que d'environ
20%.The evolution of this value is represented as a function of R for different values of E (E = 1; 5; 10; 50; 1000), in FIG. 6. The voltage applied to the electrode 34 is worth Vo = lkV. For values of E of the order of 1000 (which corresponds to a material of the ceramic type, such as barium titanate) or greater than 1000, we note - that we can achieve a reinforcement of the field
electric by a factor greater than 100, - that the field value becomes independent of R, if
R is greater than about 500 pitt, and we then reach an asymptotic regime in

- that a decrease in the value of R from 500 µm to
100 um increases the electric field only by approximately
20%.

Par contre, pour des valeurs de s plus faibles (par exemple E=5, ce qui correspond à des matériaux tels que le quartz ou l'alumine), le renforcement du champ électrique est moins important et la valeur du champ est plus dépendante de R. Cependant, le système de déclenchement peut fonctionner pour des valeurs de E comprises par exemple entre 1 et 10. On the other hand, for lower values of s (for example E = 5, which corresponds to materials such as quartz or alumina), the reinforcement of the electric field is less important and the value of the field is more dependent on A. However, the trigger system can operate for values of E, for example between 1 and 10.

L'efficacité du mécanisme de production des électrons dépendant, ainsi qu'il a été expliqué plus haut, de la valeur du champ électrique renforcé au point triple, il y a tout intérêt à travailler - avec une valeur de e supérieure à 1000 ou sinon
comprise entre 50 et 1000 ou sinon entre 10 et 50, - quelle que soit la valeur de E, à R petit (par
exemple inférieur à lmm, ou à 0,5 mm, et notamment
compris entre 0,5 et 0,lmm), et ceci d'autant plus
que 8 est petit, notamment pour E compris entre 1 et 10.Since the efficiency of the electron production mechanism depends, as explained above, on the value of the electric field reinforced at the triple point, there is every interest in working - with a value of e greater than 1000 or otherwise
between 50 and 1000 or otherwise between 10 and 50, - whatever the value of E, at R small (by
example less than 1 mm, or less than 0.5 mm, and in particular
between 0.5 and 0, lmm), and this all the more
that 8 is small, in particular for E between 1 and 10.

A titre d'exemple, en utilisant la configuration pseudospark de la figure 3, un diélectrique avec E=1000, une grille constituée de fils entrecroisés de rayon R=0,3mm, un espace entre les fils de la grille de 3mm, la décharge pseudospark peut être amorcée avec une tension appliquée à l'électrode de déclenchement Vo=2kV. Il est ainsi possible d'utiliser cette décharge pour commuter un condensateur de capacité 200nF chargé à 25kV (ce qui correspond à une énergie de 60J), le commutateur pseudospark (son anode et sa cathode en constituant les bornes) étant monté en série avec le condensateur et une résistance de charge. By way of example, using the pseudospark configuration of FIG. 3, a dielectric with E = 1000, a grid made up of crisscrossed wires of radius R = 0.3mm, a space between the wires of the grid of 3mm, the discharge pseudospark can be started with a voltage applied to the trigger electrode Vo = 2kV. It is thus possible to use this discharge to switch a capacitor of capacity 200nF charged at 25kV (which corresponds to an energy of 60J), the pseudospark switch (its anode and its cathode constituting the terminals) being mounted in series with the capacitor and a load resistor.

Moins de 4mJ sont alors dissipés dans l'initiateur.Less than 4mJ is then dissipated in the initiator.

Dans de telles conditions, la décharge pseudospark peut fonctionner à une fréquence de répétition de 1kHz, le nombre total cumulé de décharges déclenchées atteignant aisément quelques 107. Under such conditions, the pseudospark discharge can operate at a repetition frequency of 1 kHz, the total cumulative number of discharges triggered easily reaching some 107.

Le système de déclenchement par électrode pseudospark amorcé par le diélectrique, l'électrode de déclenchement et la grille, permet donc d'atteindre les spécifications requises pour une mise en oeuvre industrielle - la mise en oeuvre est très simple, et il est possible
d'accéder aisément à tous les composants pour une
éventuelle réparation, - la durée de vie est au moins aussi longue que celle
des composants lasers usuels (quelques 107 tirs), - il est possible de commuter une tension d'au moins
20kV (25kV dans l'exemple ci-dessus), une énergie
d'environ 60J (voir exemple ci-dessus), le système de
déclenchement n'occasionnant que peu de pertes.The trigger system by pseudospark electrode initiated by the dielectric, the trigger electrode and the grid, therefore makes it possible to achieve the specifications required for industrial implementation - the implementation is very simple, and it is possible
easy access to all components for a
possible repair, - the service life is at least as long as that
usual laser components (some 107 shots), - it is possible to switch a voltage of at least
20kV (25kV in the example above), an energy
about 60J (see example above), the
trigger causing few losses.

De plus, une fois la valeur Vm choisie, endessous de laquelle on ne souhaite pas que se produise un auto-amorçage de la décharge pseudospark (dans l'exemple ci-dessus, Vm=25kV) l'initiateur selon l'invention permet de déclencher la décharge pour toute valeur de Vi comprise entre quelques dizaines de volts et Vm, et ceci pour toute valeur de s. On dispose donc là d'un système extrêmement efficace pour déclencher la décharge pseudospark et possédant une grande dynamique par rapport à la tension appliquée commutable par le pseudospark, c'est-à-dire permettant de travailler dans une gamme de tension Vi allant de quelques volts à plusieurs dizaines de kilovolts. In addition, once the value Vm has been chosen, below which it is not desirable for self-priming of the pseudospark discharge to occur (in the example above, Vm = 25kV) the initiator according to the invention makes it possible to trigger the discharge for any value of Vi between a few tens of volts and Vm, and this for any value of s. There is therefore an extremely effective system there for triggering the pseudospark discharge and having a large dynamic with respect to the applied voltage switchable by the pseudospark, that is to say allowing to work in a voltage range Vi going from a few volts to several tens of kilovolts.

En outre, la décharge pseudospark peut fonctionner avec l'initiateur positionné dans la cathode creuse ou dans l'anode creuse. Un avantage essentiel du pseudospark déclenché par décharge corona réside dans la possibilité d'installer le déclencheur corona sur l'électrode reliée à la masse, ou sur l'électrode reliée à la haute tension que cette dernière soit positive ou négative. Cette propriété donne à l'utilisateur la plus grande liberté dans la conception d'un circuit électrique utilisant le commutateur. Un tel avantage n'est procuré ni par d'autres types de commutateurs de puissance (ex. In addition, the pseudospark discharge can operate with the initiator positioned in the hollow cathode or in the hollow anode. An essential advantage of the pseudospark triggered by corona discharge lies in the possibility of installing the corona trigger on the electrode connected to ground, or on the electrode connected to high voltage, whether the latter is positive or negative. This property gives the user the greatest freedom in designing an electrical circuit using the switch. Such an advantage is neither provided by other types of power switches (e.g.

thyratrons), ni par les autres modes de déclenchement électrique des pseudosparks.thyratrons), nor by the other modes of electrical triggering of pseudosparks.

Enfin, ce système de décharge pseudospark avec l'initiateur décrit ci-dessus possède, bien sûr, les avantages liés aux décharges pseudosparks usuelles, et notamment - taux de croissance du courant voisin de 1012A/s, - délais de commutation et de jitter respectivement
inférieurs à 50 et 1 nanoseconde, - possibilité de commuter directement des hautes
tensions négatives.Finally, this pseudospark discharge system with the initiator described above has, of course, the advantages associated with usual pseudospark discharges, and in particular - growth rate of the current close to 1012A / s, - switching and jitter delays respectively
less than 50 and 1 nanosecond, - possibility to directly switch highs
negative tensions.

La disposition de l'initiateur telle qu'illustrée sur la figure 3 n'est pas la seule possible. On peut par exemple déplacer l'initiateur vers l'intérieur de l'électrode creuse, l'essentiel étant là encore, de préserver un volume minimal permettant le confinement d'un plasma au cours de l'initiation de la décharge pseudospark. De même, il n'est pas nécessaire de placer l'initiateur perpendiculairement à l'axe AA' passant par le trou des électrodes (voir figure 3). On peut par exemple placer l'ensemble sur un côté de l'électrode, la grille étant toujours dirigée vers l'intérieur de l'électrode creuse. The arrangement of the initiator as illustrated in FIG. 3 is not the only possible one. One can for example move the initiator towards the interior of the hollow electrode, the essential being there again, to preserve a minimal volume allowing the confinement of a plasma during the initiation of the pseudospark discharge. Likewise, it is not necessary to place the initiator perpendicular to the axis AA 'passing through the hole of the electrodes (see FIG. 3). One can for example place the assembly on one side of the electrode, the grid always being directed towards the inside of the hollow electrode.

Par conséquent, d'une façon plus générale, l'élément diélectrique est soit fixé dans une ouverture pratiquée dans une paroi d'une des électrodes creuses, de façon à ce que la grille soit dans ou dirigée vers l'intérieur de ladite électrode, soit fixé à l'intérieur d'une des électrodes creuses, de telle façon que la grille soit tournée vers le trou de ladite électrodes. Consequently, more generally, the dielectric element is either fixed in an opening formed in a wall of one of the hollow electrodes, so that the grid is in or directed towards the interior of said electrode, is fixed inside one of the hollow electrodes, so that the grid is turned towards the hole of said electrodes.

D'autres modes de réalisation de l'invention sont illustrés sur les figures 7a et 7b. Chaque électrode creuse 38, 40 comporte non plus un seul trou mais une série de trous (39-1, 39-2, . . . ; 41-1, 41-2, ...) de quelques millimètres de diamètre, chaque trou d'une électrode étant en regard d'un trou de l'autre l'électrode. Les deux séries de trous sont séparées d'une distance d et l'ensemble est monté dans une enceinte (non représentée sur les figures 7a et 7b) dans laquelle un gaz pour la décharge est maintenu, à l'aide de moyens non représentés sur les figures 7a et 7b, à une pression p. Une tension Vi inférieure à la tension d'auto-amorçage est établie entre les deux électrodes, les conditions de la courbe de Paschen sur le produit pxd et la tension Vi étant satisfaites pour qu'une décharge pseudospark puisse avoir lieu après injection des électrons par l'initiateur décrit cidessous. Dans cette configuration, on peut avoir soit une structure à symétrie cylindrique pour les électrodes creuses (figure 7b), soit, par exemple, une géométrie parallélépipédique pour ces électrodes (figure 7a). Other embodiments of the invention are illustrated in Figures 7a and 7b. Each hollow electrode 38, 40 no longer has a single hole but a series of holes (39-1, 39-2,...; 41-1, 41-2, ...) of a few millimeters in diameter, each hole of one electrode facing a hole on the other the electrode. The two series of holes are separated by a distance d and the assembly is mounted in an enclosure (not shown in FIGS. 7a and 7b) in which a gas for the discharge is maintained, using means not shown on Figures 7a and 7b, at a pressure p. A voltage Vi lower than the self-priming voltage is established between the two electrodes, the conditions of the Paschen curve on the product pxd and the voltage Vi being satisfied so that a pseudospark discharge can take place after injection of the electrons by the initiator described below. In this configuration, one can either have a structure with cylindrical symmetry for the hollow electrodes (FIG. 7b), or, for example, a parallelepiped geometry for these electrodes (FIG. 7a).

Le système d'initiation de la décharge comporte une pièce 42 en un matériau diélectrique, une électrode de déclenchement 44 et une grille 46, chacun de ces éléments étant dimensionné de façon à ce que des décharges pseudosparks puissent être initiées dans tous les trous simultanément. The discharge initiation system comprises a piece 42 of dielectric material, a trigger electrode 44 and a grid 46, each of these elements being dimensioned so that pseudospark discharges can be initiated in all the holes simultaneously.

La grille peut être constituée, comme on l'a expliqué pour le premier mode de réalisation de fils entrecroisés, ou d'une plaque percée ou de tout autre dispositif permettant d'obtenir un renforcement du champ électrique à la surface du diélectrique. The grid may consist, as explained for the first embodiment of intertwined wires, or of a pierced plate or of any other device making it possible to obtain a reinforcement of the electric field on the surface of the dielectric.

Les conditions portant sur la valeur de 8, le rayon R des fils de la grille si celle-ci est constituée de fils entrecroisés, l'épaisseur du diélectrique, la distance diélectrique-grille et les différentes tensions à appliquer, sont les mêmes que pour le premier mode de réalisation. On aura donc, là aussi, intérêt à choisir un matériau diélectrique avec une constante e de valeur assez élevée, de préférence supérieure à 5, ou supérieure à 50, ou supérieure à 500, ou supérieure à 1000. The conditions relating to the value of 8, the radius R of the wires of the grid if the latter consists of crossed wires, the thickness of the dielectric, the dielectric-grid distance and the different voltages to be applied, are the same as for the first embodiment. Here, therefore, it will also be advantageous to choose a dielectric material with a constant e of fairly high value, preferably greater than 5, or greater than 50, or greater than 500, or greater than 1000.

Les performances d'un tel système sont les mêmes que celles du mode de réalisation avec un trou par électrode, avec, en plus, le double intérêt de diminuer l'inductance de l'ensemble et d'accroître la durée de vie de chaque électrode. The performance of such a system is the same as that of the embodiment with one hole per electrode, with, in addition, the double advantage of reducing the inductance of the assembly and increasing the lifetime of each electrode. .

Claims

1. Electronic gas switch, comprising two hollow electrodes (22, 24; 38, 40), each capable of serving as a cathode or anode, each electrode comprising at least one hole (26, 28; 39-1, 39-2 , 39-3, 41-1, 41-2, 41-3), the two electrodes being arranged in a gas discharge chamber (30) containing a gas discharge at pressure p, such that each hole of a of the two electrodes is located opposite and at a distance d from a hole in the other electrode, a potential difference Vi being maintained between the two electrodes, the distance d, the pressure p and the voltage Vi being such that the point (pxd, Vi), or located under the left branch of the Paschen curve which represents, as a function of the product pxd, the minimum value Vm of the discharge initiation voltage between these two electrodes, said branch corresponding to a decreasing part of this function, means (32, 34, 36; 42, 44, 46) for initiating the discharge, characterized in that these means for initiating the discharge comprise - an element made of a dielectric material (32, 42), - a triggering electrode (34, 44) placed at the

vicinity of the dielectric element, - a metal grid (36, 46) located in the vicinity

of a surface of the dielectric element, such

so that the dielectric element is located between

the trigger electrode and the grid.

2. Switch according to claim 1, characterized in that the dielectric element (32, 42) is fixed in an opening formed in a wall of one of the hollow electrodes (24, 40), so that the grid ( 36, 46) either in or directed towards the interior of said electrode.

3. Switch according to claim 1, characterized in that the dielectric element (34, 42) is fixed inside one of the hollow electrodes (24, 40), so that the grid (36, 46) is turned towards the hole of said electrode.

4. Switch according to one of claims 2 or 3, characterized in that, for each electrode (22, 24; 38, 40), the hole (s) is (are) made (s) in a flat wall , the two walls being kept parallel, at the distance d.

5. Switch according to claim 4, characterized in that the grid (36, 46), the dielectric (32, 42) and the trigger electrode (34, 44) are located in planes substantially parallel to each other. 'other.

6. Switch according to claim 5, characterized in that the grid (36, 46), the dielectric (32, 42) and the trigger electrode (34, 44) are located in planes substantially parallel to each other. 'other and parallel to the flat walls in which the holes are made.

7. Switch according to claim 6, characterized in that each hollow electrode has substantially the shape of a cylinder with a circular base, the axes of the two cylinders being combined.

8. Switch according to claim 1, characterized in that each electrode has a series of holes, arranged so that each hole of each hollow electrode is located opposite a hole of the other hollow electrode.

9. Switch according to claim 8, characterized in that each hollow electrode has a substantially parallelepiped shape.

10. Switch according to claim 8, characterized in that each hollow electrode has a cylindrical shape.

11. Switch according to one of the preceding claims, characterized in that the dielectric constant 8 of the dielectric material is between 1 and 10.

12. Switch according to one of claims 1 to 10, characterized in that the dielectric constant 8 of the dielectric material is between 10 and 50.

13. Switch according to one of claims 1 to 10, characterized in that the dielectric constant 8 of the dielectric material is between 50 and 1000.

14. Switch according to one of claims 1 to 10, characterized in that the dielectric constant 8 of the dielectric material is greater than 1000.

15. Switch according to one of claims 11 to 14, characterized in that the grid consists of son having a radius less than 0.5mm.