FR2723472A1 - Structure a haute tension a surfaces multiples pour un interrupteur de fermeture a decharge dans un gaz - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une structure à haute tension à surfaces multiples pour un interrupteur de fermeture à décharge dans un gaz. Un tel interrupteur comporte un boîtier (19) pour maintenir une décharge dans un gaz, une structure d'anode (16) adjacente à une première extrémité du boîtier et comprenant des éléments de surface tournés vers la seconde extrémité du boîtier en étant espacés pour définir des intervalles, une structure de cathode adjacente à la seconde extrémité du boîtier et une structure de l'électrode de commande (14) situé à l'intérieur du boîtier entre les structures d'anode et de cathode. Application notamment aux thyratrons.
Description
La présente invention concerne un interrupteur de fermeture à décharge
dans un gaz et plus particulièrement une structure à haute tension à surfaces multiples pour un
tel interrupteur.
Des interrupteurs de fermeture à décharge dans un gaz, tels que des thyratrons, sont utilisés pour définir une commutation rapide de signaux à haute tension et à
courant intense, avec une faible consommation en énergie.
Un thyratron typique possède une anode raccordée à une haute tension et une cathode maintenue au potentiel de masse. Une électrcde de cc"Lanrde ou "grille" est placée entre l'anode et la cathode. Lors de l'application d'une impulsion de commande positive, l'électrode de commande forme l'interrupteur en attirant des électrons à partir de la cathode pour transformer le gaz situé à l'intérieur d'un boîtier ou d'une "enveloppe" du dispositif en un plasma
conducteur dense.
Dans certaines applications, en particulier lorsqu'on utilise les thyratrons pour commuter des lasers pulsés de grande puissance, il faut commander des courants très intenses en de très brefs intervalles de temps. En outre, les circuits de lignes de transmission à éléments localisés de systèmes de laser pulsés sont fréquemment
caractérisés par des désadaptations, qui créent des excur-
sions de haute tension inverse entre l'anode et la cathode.
Dans des thyratrons d'un type classique, des tensions inverses extrêmes peuvent entraîner des ions de gaz en direction de l'anode, ce qui provoque la pulvérisation du matériau de l'anode et la formation de spots d'arcs sur la
surface de l'anode.
Des tentatives ont été faites pour atténuer l'endommagement de l'anode grâce à l'utilisation d'un thyratron possédant une anode apte à fonctionner en tant que cathode dans des conditions de tension inverse. Ceci amène un courant à circuler en sens opposé de la direction de conduction normale (directe), ce qui réduit la tension inverse au moyen d'un mode de décharge incandescente non destructive. Une structure de ce type est décrite dans le brevet britannique N l 334 527, dans lequel une anode est chauffée et contient un matériau d'émetteur. Une autre solution proposée est d'agencer une anode sous la forme d'une boîte creuse possédant une ouverture par laquelle peut passer un plasma lorsque le dispositif fonctionne, comme cela est décrit dans le brevet US N 4 517 090. L'anode indiquée dans ce brevet est conçue de manière à stocker un plasma en son intérieur pendant la conduction directe pour supporter un flux de courant dans une direction inverse, lorsqu'il est exposé à un potentiel inverse. Bien que les dispositifs précédents réduisent l'endommagement de l'anode, ils imposent également un type d'anodes. C'est pourquoi, il est souhaitable, dans de nombreuses applications, de réaliser un thyratron qui permette une conduction inverse sans limitation inutile de
la forme, de la taille et de la composition de son anode.
En outre, il est souhaitable de prévoir un dispositif dans lequel un plasma est stocké en une pluralité d'emplacements sur unfe surface de l'anode pour faciliter la conduction inverse. La présente invention facilite la conduction inverse dans un interrupteur de fermeture à décharge dans un gaz, grâce à l'utilisation d'une anode constituée par des éléments de surface discrets, qui sont séparés de manière à définir une pluralité d'intervalles entre eux. Un plasma est ainsi mémorisé dans les intervalles entre des impulsions de courant et est disponible pour faciliter la conduction inverse lorsque le thyratron est soumis à des hautes tensions inverses. Le courant inverse d'ions positifs dirigé vers l'anode pénètre dans ces intervalles et ne rencontre pas directement les éléments de surface inférieurs de l'anode. En outre, on estime que les ions positifs rencontrent des particules de gaz non ionisées dans cette région avant d'atteindre l'anode. Ceci les prive de leur énergie cinétique et évite un endommagement de l'anode. Les éléments de surface sont de préférence suffisamment proches les uns des autres pour éviter une conduction sur un long trajet entre l'électrode de commande et n'importe quelle partie distante des éléments de surface. Dans une forme, l'électrode de commande comprend une surface de transfert essentiellement continue, qui possède des ouvertures situées en vis-à-vis d'au moins certains des intervalles présents entre les éléments de surface. Des porteurs de charges traversent ces ouvertures
pendant la conduction directe et la conduction inverse.
Dans une autre forme spécifique de l'invention, un nombre relativement élevé d'intervalles sont prévus entre les éléments de surface d'anode pour stocker le plasma dans la région de l'anode du dispositif. Chacun de ces intervalles est disponible entre des impulsions de
courant direct pour faciliter la conduction inverse.
L'électrode de commande peut comporter des ouvertures situées en vis-àvis de certains ou de la totalité des intervalles et, de façon plus spécifique, peut être le
symétrique des éléments de surface d'anode.
C'est pourquoi, la présente invention comprend: un boîtier pour maintenir une décharge dans le gaz comportant des première et seconde extrémités; une structure d'anode adjacente à la première extrémité dudit boîtier et comprenant une pluralité d'éléments de surface tournés essentiellement vers la seconde extrémité du boîtier et espacés l'un de l'autre de manière à définir des intervalles entre eux; une structure de cathode adjacente à la seconde extrémité du boîtier; et une structure d'électrode de commande disposée à l'intérieur du boitier entre la structure d'anode et la structure de cathode. Les éléments de surface peuvent être disposés dans un plan commun et peuvent être agencés sous la forme de polygones à l'intérieur de ce plan. Dans une autre forme de réalisation, les éléments de surface sont des surfaces terminales de segments discrets de la structure d'anode, et les intervalles sont suffisamment étroits pour empêcher des décharges sur le même trajet entre l'électrode de commande et la structure d'anode. Les parties discrètes de la
structure d'anode peuvent être soit massives, soit creuses.
De préférence, la structure de l'électrode de commande désigne au moins une ouverture correspondant à au moins
l'un des intervalles de la structure d'anode.
D'autres caractéristiques et avantages de la
présente invention ressortiront de la description donnée
ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente une vue en coupe verticale d'un thyratron agencé conformément à une forme de réalisation préférée de la présente invention, prise suivant sa ligne centrale; - la figure 2A est une vue en coupe horizontale de l'interrupteur de fermeture de la figure 1, dans la direction 2A-2A de la figure 1; - la figure 2B est une vue en coupe horizontale prise suivant la direction 2B-2B de la figure 1; - la figure 3A est une vue en coupe horizontale correspondant à celle de la figure 2A, mais montrant une autre forme de réalisation de la présente invention; et - la figure 3B est une vue en coupe horizontale, qui correspond à la vue de la figure 2B, mais représente la
forme de réalisation de la figure 3A.
En se référant maintenant aux dessins, et de façon spécifique à la figure 1, une forme d'un interrupteur de fermeture 10 à décharge dans un gaz, agencé conformément à la présente invention, est un thyratron possédant une structure de cathode 12, une structure d'électrode de commande ou "grille" 14 et une structure d'anode 16 formée
par une pluralité de parties ou "segments" d'anode 18.
Chacune de ces structures est fixée à un boîtier ou une "enveloppe" 19, qui contient de l'hydrogène ou un autre gaz approprié de formation de plasma. Les segments d'anode 18
possèdent des surfaces inférieures 20 disposées essentiel-
lement dans un plan commun et tournées vers l'électrode de
commande 14.
Les surfaces 20 des segments d'anode 18 sont espacées latéralement de manière à définir une pluralité d'intervalles primaires 22 et une pluralité d'intervalles secondaires 24 entre des bords adjacents des segments. Les intervalles primaires 22 et, à un degré moindre, les
intervalles secondaires 24 forment des espaces ouverts au-
dessus des surfaces inférieures 20. Le gaz présent dans ces
espaces est au moins partiellement ionisé pendant la con-
duction directe, lors de laquelle un courant positif cir-
cule de la structure d'anode 16 en direction de la struc-
ture de cathode 12, et reste ionisé pendant un intervalle
de temps limité après que la conduction directe a cessé.
Les particules de gaz ionisé présentes dans les intervalles 22 et 24 sont disponibles pour une conduction inverse sous l'influence d'une tension inverse, et un courant inverse est dirigé à travers ces zones par des ouvertures ménagées dans la structure de l'électrode de commande 14, comme cela sera décrit plus loin de façon plus détaillée. Ceci amène les ions positifs à contourner les surfaces inférieures 20 de l'anode et à rencontrer la structure d'anode au niveau de leurs surfaces latérales moins critiques à l'intérieur des intervalles. En outre, on estime que le volume du gaz à l'intérieur des intervalles ralentit les ions avant qu'ils atteignent les segments
d'anode, ce qui réduit de façon supplémentaire l'endommage-
ment de l'anode.
Dans la forme de réalisation spécifique des figures 2A et 2B, la structure d'anode 16 comprend également une pluralité de segments d'angle 26, qui entourent uniformément les segments d'anode 18 pour supprimer des espaces ouverts indésirables dans la région de l'anode. Comme cela est visible sur la figure 2A, les segments d'anode 18 et les segments d'angle 26 se combinent pour former une anode conductrice composite, qui possède une section transversale sensiblement rectangulaire et comporte cinq intervalles primaires 22 et de nombreux intervalles secondaires 24. Les segments d'anode 18 et les segments d'angle 26 sont montés sur une plaque d'extrémité 28, qui s'applique contre une extrémité supérieure 30 du boîtier 19 de l'interrupteur de fermeture 10. La plaque d'extrémité 28 est reliée à l'extrémité supérieure 30 par brasage ou à l'aide d'une autre technique appropriée pour établir un joint d'étanchéité pour fluides. Dans cette configuration, les segments d'anode 18 et les segments d'angle 26 sont tous logés dans une chambre d'anode essentiellement carrée 32, formée par le boîtier 19 au voisinage de son extrémité supérieure. La structure d'anode possède également un montant 34 pour le raccordement à un
circuit devant être commuté.
Les segments d'anode 18 et les segments d'angle 26 sont réalisés en un matériau d'anode approprié, de préférence du molybdène ou un autre métal réfractaire, et
peuvent être d'une construction soit creuse, soit massive.
Dans une forme de réalisation, ces segments sont formés d'un matériau en forme de barre, les segments d'anode 18 étant usinés de manière à former les tiges ayant une section transversale hexagonale, et les segments d'angle 26 étant usinés de manière à présenter une section
transversale irrégulière représentée sur les dessins.
Sinon, les segments d'anode 18 et les segments d'angle 26 peuvent être réalisés sous la forme de corps creux ou d'éléments de surface plats portés par des pieds ou une autre structure appropriée qui s'étend vers le bas à partir de la plaque d'extrémité 28 de l'anode. Dans toutes ces formes de réalisation, ce sont les surfaces inférieures des segments d'anode, qui maintiennent à l'écart la haute tension entre l'anode et la structure de grille, tandis que les intervalles entre les différents segments retiennent le gaz ionisé pour faciliter la conduction
inverse.
En se référant de façon spécifique aux figures 1 et 2B, l'électrode de commande 14 est de préférence réalisée sous la forme d'un pot réalisé par emboutissage profond, qui comporte des parois latérales cylindriques 36
qui sont réunies à une extrémité supérieure essentielle-
ment fermée 38 et à une bride inférieure transversale 40.
La bride inférieure 40 est réunie à une extrémité intérieure ouverte 42 du boîtier 19 par brasage ou à l'aide d'un autre procédé approprié réalisant une étanchéité aux fluides, de la manière décrite précédemment pour la plaque d'extrémité 38, et est logée d'une manière assez rapprochée à l'intérieur de la cavité cylindrique 44 du boîtier 19,
au-dessous de la structure d'électrode 16.
L'extrémité supérieure 38 de l'électrode de
commande 14 contient de préférence une pluralité d'ouver-
tures dont la forme et les dimensions correspondent aux intervalles primaires 22 de la structure d'anode 16. Dans la forme de réalisation des figures 2A et 2B, ces ouvertures possèdent la forme d'un couple d'ouvertures latérales 46 et d'une rangée centrale d'ouvertures 48,
lorsqu'on regarde dans l'orientation de la figure 2B.
Chacune des ouvertures est réalisée avec une forme en losange, les ouvertures 48 étant raccordées le long de leur axe commun. Les ouvertures 46 et 48 sont par conséquent situées directement en vis-à- vis des zones contenant le volume maximum de plasma conducteur à l'intérieur de la structure d'anode 16, qui dirige le courant des porteurs de charges de façon spécifique en direction et à partir de ces régions. Cependant on comprendra que des ouvertures additionnelles peuvent être prévues dans l'électrode de commande 14 en des emplacements situés en vis-à-vis des intervalles secondaires 24 de la structure d'anode 16, si on le désire. Par conséquent, l'électrode de commande 14 peut posséder un réseau d'ouvertures correspondant à la fois aux intervalles primaires 22 et aux intervalles secondaires 24 de la structure d'anode 16. Dans tous les
cas, une série de chicanes 50 peuvent être prévues au-
dessous des ouvertures de la structure d'électrodes 14 afin d'éviter des trajets non rectilignes entre l'anode et la
cathode.
La structure de cathode 12 comprend une cathode 52 entourée par un blindage thermique 54 et supporté par une plaque de base de cathode 56, qui est fixée par brasage à la bride inférieure 40 de l'électrode de commande pour établir un joint d'étanchéité aux fluides au niveau de l'extrémité inférieure 42 du boîtier. Une connexion électrique avec la cathode 52 et un réservoir de gaz 58 sont formés au moyen de manchons 60 qui traversent la plaque de base de cathode 56. Un tube 62 traverse également
la plaque de base de manière à évacuer et remplir l'inté-
rieur de l'interrupteur 10, pendant la fabrication.
Le boîtier 19 peut être réalisé en n'importe quel
matériau diélectrique approprié, mais est le plus fréquem-
ment réalisé en verre ou en une céramique appropriée. Dans la structure spécifique de la figure 1, le boîtier est en céramique et est moulé de manière à présenter la configuration générale représentée. Puis il est usiné aux
tolérances requises, au niveau de ses surfaces appariées.
Une autre forme de réalisation de la structure d'anode et de la structure d'électrode de commande de l'interrupteur de fermeture 10 est représentée sur les figures 3A et 3B, des éléments similaires étant désignés par les chiffrées de référence similaires auxquels est ajouté un "'" afin de les différencier des éléments correspondants des figures 2A et 2B. En se référant tout d'abord à la figure 3A, une structure d'anode 16' contient une pluralité de segments d'anode 18' disposés de manière à former des intervalles primaires 22' d'un certain nombre d'intervalles secondaires ou "marginaux" 24' à l'intérieur d'une chambre d'anode 32' au niveau de l'extrémité supérieure du boîtier 19'. Comme cela est représenté sur la figure 3B, une structure d'électrode de commande 14' destinée à être utilisée avec la structure d'anode 16' comporte quatre ouvertures 46' correspondant, du point de vue emplacement et dimensions, aux intervalles primaires 22' de la structure d'anode. Les ouvertures 46' servent à faire fonctionner les ouvertures 46 et 48 dans la structure d'électrode de commande 14 de la figure 2B, et peuvent être augmentées d'autres ouvertures correspondant aux intervalles secondaires 24' de la
structure d'anode 16', si on le désire.
En fonctionnement, une haute tension positive est appliquée à la structure d'anode 16 ou 16', et on raccorde à la masse la structure de cathode. La structure d'électrode de commande 14 et 14' est soit raccordée à la masse, soit maintenue à un faible potentiel négatif de manière à refouler des électrons émis par la structure de
cathode lorsque l'interrupteur est dans l'état "ouvert".
Sensiblement la totalité de la tension aux bornes de l'interrupteur 10 est par conséquent présente entre les surfaces inférieures de la structure d'anode 16 ou 16' et la structure d'électrode de commande 14 ou 14' dans l'état ouvert, et aucun claquage ne se produit étant donné qu'il existe un très petit nombre de porteurs et que l'espacement entre les composants est faible. Lorsqu'une impulsion positive est appliquée à la structure d'électrode de commande 14 ou 14', des électrons sont prélevés de la structure de cathode, qui est de préférence recouverte par un revêtement thermo-ionique et est chauffée à une température d'environ 800 C de manière à ioniser le gaz situé à l'intérieur du boîtier 18 et à produire un plasma ayant un type de gaz hautement activé. Lorsque des électrons et d'autres porteurs de charges traversent le gaz, ils rencontrent des molécules de gaz et produisent un processus d'ionisation par avalanche, qui conduit à un
plasma conducteur dense à l'intérieur du boîtier.
L'interrupteur 10 revient à son état non conduc-
teur uniquement lorsque la tension d'anode est supprimée pendant un intervalle de temps suffisant pour permettre aux particules chargées du plasma de se recombiner. Cette
période est connue sous l'expression "temps de récupé-
ration" du dispositif. Après le temps de récupération, le potentiel de grille revient à sa valeur initiale (de façon typique négative) et une tension positive peut être appliquée à la structure d'anode 16 ou 16' sans qu'il se produise une conduction. L'interrupteur 10 est alors prêt à être activé en réponse à l'impulsion de commande positive
immédfatement suivante.
Dans certains cas, en particulier dans des systèmes de commutation de laser ayant de très faibles inductances et fonctionnant à des fréquences très élevées, des hautes tensions inverses peuvent apparaître entre la structure de cathode et la structure d'anode après chaque impulsion de conduction directe. Les effets éventuellement nuisibles de cette tension sont commandés dans la structure de la présente invention grâce au fait que la conduction dans le sens inverse est permise en raison des particules de gaz ionisé existant entre les intervalles entre les différentes parties des segments d'anode. On estime qu'un courant inverse pénètre dans les intervalles, dans lesquels on estime que les particules ionisées sont susceptibles de perdre leur quantité de mouvement pour former des molécules de gaz non ionisées et rencontrer finalement, sans effet nuisible, les côtés des segments d'anode. Après combinaison des particules chargées dans le plasma, l'interrupteur de
fermeture 10 est prêt pour être à nouveau activé.
Bien que l'on ait décrit certaines formes de réalisation spécifiques comme étant typiques, l'invention n'est pas limitée à ces formes particulières mais au contraire est applicable dans une large mesure à toutes les
variantes entrant dans le cadre des revendications
annexées. Par exemple, la structure d'anode selon la présente invention peut prendre n'importe laquelle d'une variété de formes dans la mesure o elle fournit une pluralité d'intervalles ou d'espaces aptes à contenir des particules de gaz ionisés et faciliter de ce fait la conduction inverse. La présente invention n'est également pas limitée à l'interrupteur de fermeture du type thyratron décrit ici et au contraire est appropriée pour être utilisée dans n'importe quel interrupteur de fermeture à décharge dans un gaz qui est soumis à des excursions de
haute tension inverse.
Claims (12)
1. Interrupteur de fermeture à décharge dans un gaz, caractérisé en ce qu'il comprend: un boîtier (19) pour maintenir une décharge dans le gaz comportant des première et seconde extrémités; une structure d'anode (16) adjacente à la première extrémité dudit boîtier et comprenant une
pluralité d'éléments de surface (18) tournés essentielle-
ment vers la seconde extrémité du boîtier et espacés l'un de l'autre de manière à définir des intervalles (22,24) entre eux; une structure de cathode adjacente à la seconde extrémité du boîtier; et
une structure d'électrode de commande (14) dispo-
sée à l'intérieur du boîtier entre la structure d'anode et
la structure de cathode.
2. Interrupteur de fermeture à décharge dans un gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de surface (20) de la structure d'anode (16) sont
disposés dans un plan commun.
3. Interrupteur de fermeture à décharge dans un gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de surface (20) de la structure d'anode (16) sont
des polygones.
4. Interrupteur de fermeture à décharge dans un gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de surface (20) sont des surfaces terminales de
segments discrets (18) de la structure d'anode.
5. Interrupteur de fermeture à décharge dans un gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que les intervalles entre lesdits éléments de surface (20) sont suffisamment faibles pour empêcher des décharges sur un long trajet entre l'électrode de commande (14) et la
structure d'anode (16).
6. Interrupteur de fermeture à décharge dans un gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits éléments discrets (18) de la structure d'anode (16) sont
des corps massifs.
7. Interrupteur de fermeture à décharge dans un gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits éléments discrets (18) de la structure d'anode (16) sont
des corps creux.
8. Interrupteur de fermeture à décharge dans un gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que la structure de l'électrode de commande (14) comprend une surface définissant au moins une ouverture (46,48) disposée
en vis-à-vis de l'un desdits intervalles.
9. Interrupteur de fermeture à décharge dans un gaz selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits intervalles comprennent une pluralité d'intervalles secondaires (24) et une pluralité d'intervalles primaires (22), et que ladite au moins une ouverture (46,48) de la structure d'électrode de commande est disposée en vis-à-vis
d'au moins l'un desdits intervalles primaires (22).
10. Interrupteur de fermeture à décharge dans un gaz selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits intervalles secondaires (24) sont plus étroits que lesdits intervalles primaires (22) et possèdent une largeur
essentiellement uniforme.
11. Interrupteur de fermeture à décharge dans un gaz selon la revendication 9, caractérisé en ce que la structure de l'électrode de commande (14) définit une pluralité d'ouvertures ayant une taille et une forme qui sont semblables à celles desdits intervalles primaires (22)
et sont disposées en vis-à-vis d'eux.
12. Interrupteur de fermeture à décharge dans un gaz, caractérisé en ce qu'il comprend: un boîtier (19) pour maintenir une décharge dans le gaz comportant des première et seconde extrémités; une structure d'anode (16) adjacente à la première extrémité dudit boîtier (19) et comprenant une
pluralité d'éléments de surface (20) tournés essentielle-
ment vers la seconde extrémité du boîtier et espacés l'un de l'autre de manière à définir des intervalles entre eux, lesdits éléments de surface (20) étant des surfaces terminales de segments discrets (18) de la structure d'anode (16) et lesdits intervalles comprenant une pluralité d'intervalles secondaires (24) et au moins un intervalle primaire (22); une structure de cathode (12) adjacente à l'extrémité inférieure du boîtier; et une structure d'électrode de commande (14) disposée à l'intérieur du boîtier (19) entre la structure d'anode et la structure de cathode, ladite structure d'électrode de commande (14) comprenant une surface définissant au moins une ouverture située en vis-à-vis du
ou des intervalles primaires (22).
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