WO1992003875A1 - Generateur d'impulsions de tres haute tension et de fort courant - Google Patents

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WO1992003875A1
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cable
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Henri Lamain
Jean-Max Buzzi
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Centre National De La Recherche Scientifique
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
    • H03K3/537—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback the switching device being a spark gap

Definitions

  • the present invention relates to a very high voltage and high current pulse generator.
  • the required pulses are rectangular pulses, of very high voltage (greater than 500kV), delivered at an impedance of 500 to 3000 Ohms, with the shortest possible rise time. and an amplitude plateau as flat as possible, with a duration of 100 nanoseconds to a few micro-seconds.
  • a low-impedance training line consisting of discrete components (capacitances and inductances) is generally used.
  • a high voltage thyratron controls the discharge of the line. Since the operating voltage of the thyratrons does not exceed 60kV, we are led to use a step-up transformer. Due to the necessary electrical isolation, linked to high voltage, this transformer must have significant magnetic leaks, limiting the rise times of the output pulse. Practically, at 500kV, the rise time will be close to one microsecond. This rise time can only increase with the output voltage.
  • FR-A-2 638 304 high voltage pulse generators comprising coaxial cables charged in parallel by a high voltage source and discharged in series through switches. If T is the transit time in a cable and V the charging voltage, we obtain with n cables a voltage of amplitude nV / 2 and duration 2T.
  • the object of the present invention is precisely to remedy these drawbacks by proposing a generator capable of working at very high voltage (several hundred kiloVolts), at high current, therefore at very high power. To this end.
  • the generator of the invention provides for the use of spark gaps and load and trip resistors which do not see very high voltage.
  • the subject of the invention is an electrical pulse generator of the kind of that of document FR-A-2 638 304, and which is characterized laughed at by the fact that:
  • the switches are spark gaps having a first electrode connected to the inner conductor of a cable and a second electrode connected to the outer conductor of the next cable and a trigger electrode connected to the trigger control circuit, two balancing resistors being provided between the first electrode and the tripping electrode and the second electrode and the tripping electrode, - load resistors are provided between the outer conductors of the coaxial cables and between the inner conductors of said coaxial cables.
  • FIG. 1 is a diagram of an embodiment of a generator according to the invention.
  • FIG. 2 shows an example of pulses obtained by the generator of the invention.
  • FIG. 1 shows a generator comprising three commercial coaxial cables C1, C2, C3, each with an outer conductor Ce and an inner conductor Ci, three spark gaps E1, E2, E3, a high voltage source SHT and a CD trigger circuit.
  • the SHT source is connected to the cables p ⁇ of the load resistors R1, R2, R3, R4, R5, R6.
  • the resistors R4, R5 and R6 are arranged between the outer conductors of the cables and the resistors R2, R3 between the inner conductors.
  • the trigger circuit CD is connected to the spark gap trigger electrodes through a capacitor C and trigger resistors -M, r2, r3. Additional resistors r, r 'balance the voltages between the main spark gap electrodes and the trigger electrode.
  • the main electrodes of the spark gaps are connected, one to the inner conductor Ci of a cable and the other to the outer conductor Ce of the following cable.
  • the generator has a general output S connected to the external conductor of the last cable.
  • the operation of this device is as follows.
  • the three cables are first charged in parallel by the high voltage source SHT.
  • the control of the three spark gaps has the effect of connecting the three cables in series, which will discharge and cause a voltage pulse to appear on the general output S.
  • a line charged at a voltage U when discharged on a charge equal to its characteristic impedance Z, delivers a pulse of amplitude U / 2 and of duration equal to twice the propagation time in this line.
  • T this propagation time and if N is the number of cables, we obtain by the generator of the invention, a pulse of duration 2T, of amplitude NU / 2 on a load of impedance NZ, (N is equal to 3 in the illustrated variant).
  • N 3 in the illustrated variant.
  • N 20
  • the high voltage power supply SHT can be a commercial supply of 130kV, 5mA.
  • the trigger circuit can generate pulses of very short duration, about 10ns. All of the elements can be immersed in an oil tank, which guarantees electrical resistance at the desired maximum voltage.
  • each cable is wound with, its resistors and its spark gap.
  • Each floor thus has a modular character.
  • the operating frequency is limited by heating due to ohmic losses in cables, in spark gaps, dielectric losses in cables and oil, convection movements induced in oil by the applied voltages. ⁇ quies and by The power of the power supply continues.
  • the production of ionizing radiation, if the charge is an electronic gun, can also limit the rate of operation in the event that protections are not provided.
  • Figure 2 shows a pulse obtained by the generator of Figure 1.
  • the duration is close to 1 microsecond and the amplitude is of the order of 150kV.

Landscapes

  • Particle Accelerators (AREA)
  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)

Abstract

Le générateur comprend des câbles co-axiaux (C1, C2, C3) chargés en parallèle et déchargés en série, avec des résistances de charge et des éclateurs. Application à l'alimentation de tubes à vide, lasers, accélérateurs, etc.

Description

GENERATEUR D'IMPULSIONS DE TRES HAUTE TENSION ET DE FORT COURANT
La présente invention a pour objet un générateur d'impulsions de très haute tension et de fort courant.
Elle trouve une application dans l'alimentation des kLystrons. de très haute puissance et de certains tubes électroniques tels que Les lasers à électrons libres. Elle peut également être appliquée dans Le domaine de La radiographie éclair ou de l'ioni¬ sation. Elle peut également constituer une source de polarisation dans Les accélérateurs uti lisant des collecteurs pour la récupération de l'énergie des faisceaux électroniques très intenses (de La centaine à quelques mi lliers d'ampères).
Dans de telles app l i cat i ons, Les impul- sions requises sont des impulsions rectangu Lai res, de très haute tension (supérieure à 500kV), délivrées sous une impédance de 500 à 3000 Ohms, présentant un temps de montée le plus court possible et un palier d'amplitude le plus -plat possible, avec une durée de 100 nanosecondes à quelques micro-secondes.
Dans les générateurs actuels, appelés aussi modulateurs, on utilise généralement une ligne de formation basse impédance constituée de composants discrets (capacités et inductances). Un thyratron haute tension commande la décharge de la ligne. La tension de fonctionnement des thyratrons n'excédant pas 60kV, on est conduit à uti liser un transformateur élévateur. Du fait de l'isolement électrique néces¬ saire, Lié à La haute tension, ce transformateur a obligatoirement des fuites magnétiques importantes, limitant les temps de montée de l'impulsion de sortie. Pratiquement, à 500kV, Le temps de montée sera voisin d'une microseconde. Ce temps de montée ne pourra que croître avec la tension de sortie. On connaît, par le document
FR-A-2 638 304, des générateurs d'impulsions de haute tension comprenant des câbles coaxiaux chargés en parallèle par une source de haute tension et déchargés en série à travers des commutateurs . Si T est Le temps de transit d.ans un câble et V la tension de charge, on obtient avec n câbles une tension d'amplitude nV/2 et de durée 2T.
S'ils donnent satisfaction à certains égards, ces générateurs présentent néanmoins des inconvénients. En effet, ils sont limités en tension à des valeurs de quelques dizaines de iloVolts et limités également en courant. Cela tient, d'une part, à l ' ut i l'i sat ion de commutateurs du genre transistors, thyristors, etc.. et d'autre part, à L'utilisation de résistances disposées entre la Ligne de sortie et la masse, résistances qui sont soumises à la haute tension dé livrée.
La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un générateur capable de travailler à très haute tension (plusieurs centaines de kiloVolts), à fort courant, donc à très forte puissance. A cette fin. Le générateur de L'invention prévoit l'ut lisation d'éclateurs et de résistances de charge et de déclen¬ chement qui ne voient pas La très haute tension.
De façon précise. L'invention a pour objet un générateur d'impulsions électriques du genre de ceux du document FR-A-2 638 304, et qui est caracté- ri se par Le fait que :
- Les commutateurs sont des éclateurs possédant une première électrode reliée au conducteur intérieur d'un câble et une seconde électrode reliée au conducteur extérieur du câble suivant et une électrode de déclenchement reliée au circuit de commande de déclenchement, deux résistances d'équilibrage étant prévues entre la première électrode et L'électrode de déclenchement et La seconde électrode et l'électrode de déc Lenchement , - des résistances de charge sont prévues entre les conducteurs extérieurs des câbles coaxiaux et entre les conducteurs intérieurs desdits câbles coaxi aux .
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de La description qui va suivre d'un exemple de réalisation donné à titre explicatif et nullement Limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur Lesquels :
- la figure 1 est un schéma d'un mode de réalisation d'un générateur conforme à l'invention ;
- la figure 2 montre un exemple d'impul- sions obtenues par Le générateur de l ' i nvent i on.
On voit, sur La figure 1, un générateur comprenant trois câbles coaxiaux du commerce C1, C2, C3, avec chacun un conducteur extérieur Ce et un conducteur intérieur Ci, trois éclateurs E1, E2, E3, une source de haute tension SHT et un circuit de déclenchement CD. La source SHT est reliée aux câbles pό- des résistances de charge R1, R2, R3, R4, R5, R6. Les résistances R4, R5 et R6 sont disposées entre les conducteurs extérieurs des câbles et les résistances R2, R3 entre Les conducteurs intérieurs. Le circuit de déclenchement CD est relié aux électrodes de déclenchement des éclateurs à travers un condensateur C et des résistances de déclenchement -M, r2, r3. Des résistances supplémentaires r, r' principales équilibrent les tensions entre les électrodes principales des éclateurs et L'électrode de déclenchement.
Les électrodes principales des éclateurs sont reliées, l'une au conducteur intérieur Ci d'un câble et L'autre au conducteur extérieur Ce du câble sui ant.
Le générateur possède une sortie générale S reliée au conducteur extérieur du dernier câble. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Les trois câbles sont d'abord chargés en parallèle par la source de haute tension SHT. La commande des trois éclateurs a pour effet de connecter en série Les trois câbles, qui vont se décharger et faire apparaître, sur la sortie générale S, une impul¬ sion de tension. Une ligne chargée à une tension U, délivre, lorsqu'elle est déchargée sur une charge égale à son impédance caractéristique Z, une impulsion d'amplitude U/2 et de durée égale au double du temps de propagation dans cette ligne. Si T est ce temps de propagation et si N est le nombre de câbles, on obtient par le générateur de l'invention, une impulsion de durée 2T, d'amplitude NU/2 sur une charge d'impé¬ dance NZ, (N est égal à 3 dans la variante illustrée). Par exemple, si 3 câbles coaxiaux de 100m sont utilisées, d'impédance 50 Ohms et, chargés à 50kV, on obtiendra une impulsion de 3x25=75kV d'une durée d'une microseconde sur une charge de 3x50=150 Ohms. Pour N=20, on obtient 500kV sur 1000 Ohms.
L'alimentation haute tension SHT peut être une alimentation du commerce de 130kV, 5mA. Le circuit de déclenchement peut engendrer des impulsions de durée très courte, de 10ns environ. L'ensemble des éléments peut être im¬ mergée dans une cuve d'huile, qui garantit La tenue électrique à la tension maximale désirée.
La Longueur des câbles étant importante, (100 mètres ou plus) ces câbles peuvent être bobinés sur un support cy-Lindri que . Chaque câble est bobiné avec, ses résistances et son éclateur. Chaque étage présente ainsi un caractère modulaire.
La fréquence de fonctionnement est limi¬ tée par L 'échauffement dû aux pertes ohmiques dans les câbles, dans Les éclateurs, les pertes diélectri¬ ques dans les câbles et l'huile, les mouvements de convection induits dans L'huile par les tensions appli¬ quées et par La puissance de l'alimentation continue. La production de rayonnements ionisants, si la charge est un canon électronique, peut également Limiter La cadence de fonct onnement au cas où des protections ne sont pas prévues.
La figure 2 montre une impulsion obtenue par le générateur de la figure 1. La durée est voisine de 1 microseconde et l'amplitude est de l'ordre de 150kV.

Claims

REVENDICATIONS 1. Générateur d'impulsions électriques de très haute tension et de fort courant comprenant :
- des câbles coaxiaux (C1, C2, C3) ayant un conducteur extérieur et un conduc¬ teur intérieur,
- des commutateurs (E1, E2, E3) connectés entre le conducteur intérieur d'un câble et Le conducteur extérieur du câble suivant,
- une source de haute tension (SHT) reliée à tous les conducteurs inté¬ rieurs des câbles à travers des résis¬ tances (R1, ..., R6), cette source permettant de charger en parallèle tous les câbles (C1, C2, C3),
- un circuit de commande de déclenchement (CD) relié à tous les commutateurs (E1, E2, E3), ce circuit permettant de décharger en série tous les câbles (C1, C2, C3), caractérisé par Le fait que :
- les commutateurs sont des éclateurs (E1, E2, E3) possédant une première électrode reliée au conducteur inté¬ rieur d'un câble et une seconde électrode reliée au conducteur extérieur du câble suivant et une électrode de déclenchement reliée au circuit de commande de déclenchement (CD), deux résistances d'équi librage (r, r') étant prévues entre la première électrode et l'électrode de déclenche¬ ment et entre la seconde électrode et l'électrode de déclenchement, - des résistances de charge sont prévues entre conducteurs extérieurs des câbles coaxiaux (R4, R5, R6) et entre conducteurs intérieurs desdits câbles coaxiaux (R2, R3).
2. Générateur selon La re endication 1, caractérisé par Le fait que chaque câble (C1, C2, C3) avec ses résistances de charge et son éclateur est enroulé sur une bobine.
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