WO1995019651A1 - Commutateur pseudospark declenche par decharge corona - Google Patents
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- WO1995019651A1 WO1995019651A1 PCT/FR1995/000040 FR9500040W WO9519651A1 WO 1995019651 A1 WO1995019651 A1 WO 1995019651A1 FR 9500040 W FR9500040 W FR 9500040W WO 9519651 A1 WO9519651 A1 WO 9519651A1
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- H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
- H01T2/00—Spark gaps comprising auxiliary triggering means
- H01T2/02—Spark gaps comprising auxiliary triggering means comprising a trigger electrode or an auxiliary spark gap
Definitions
- the present invention relates to a switch of the "pseudospark" type triggered by a corona discharge.
- pseudosparks appear as components of choice for any application of power electronics requiring switching of voltage and / or high current: intense particle beam generator, induction accelerator , plasma lens, power laser, etc.
- 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.
- the internal pressure of the order of a few tens of Pascal, is such that the voltage withstand V is greater the lower the pressure p, and the lower the inter-electrode distance d: found in the left branch (16) of the Paschen curve shown in FIG. 2. Under these conditions, at the time of the discharge, the breakdown will take place 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 lO- ⁇ cm- 3 .
- the known trigger modes are either electrical or optical.
- triggering modes there is essentially triggering with an auxiliary electrode, triggering with charge injection, or triggering by sliding spark.
- optical trigger modes essentially finds the method by DV illumination of the rear face of the cathode, by laser or by flash also called "Back-Lit-Thyratron” (BLT).
- triggering by sliding spark is very simple to implement, produces the shortest delays and jitter, but its lifespan is relatively limited (less than 10 5 shots).
- Triggering by injection of charges which is the subject of patent EP-B-324 817, makes it possible to obtain the highest repetition rates and lifetimes (approximately 10- 3 shots), but at the cost of a significant complication of the component: in fact, additional electrodes must be introduced into the system 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.
- the optical triggering mode 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. 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 to work 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.
- the object of the invention is precisely to solve these problems.
- an electronic gas switch comprising two hollow electrodes, each can be used as a cathode or anode, each electrode having at least one hole, the two electrodes being arranged in a gas discharge chamber which can contain a gas discharge at pressure p, so that each hole of one of the two electrodes either located opposite and at a distance d from a hole in the other electrode, means for initiating a pseudospark discharge, characterized in that these means for initiating the pseudospark discharge comprise: - an element made of a dielectric material,
- Such a switch offers the advantage of being extremely simple in structure, while having a long service life (several 10 7 shots), a priming delay and a low jitter (respectively less than 50 nanoseconds and 10 nanoseconds).
- it makes it possible to switch a voltage of at least 20kV, an energy of around 60J, the initiator causing little loss.
- 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.
- the dielectric element of a switch as described above is fixed in an opening made in a wall of one of the electrodes hollow, so that the grid is in or directed towards the inside of said electrode.
- this dielectric element is fixed inside one of the hollow electrodes, so that the grid is turned towards the hole of said electrode.
- the hole (s) can be made in a flat wall, the two walls being kept parallel to the distance d.
- Each hollow electrode may have substantially the shape of a cylinder with a circular base, the axes of the two cylinders being coincident.
- 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.
- Each hollow electrode can then have a substantially parallelepiped or cylindrical shape.
- the value of the dielectric constant ⁇ of the dielectric material can be between 1 and 10, or between 10 and 50, or between 50 and 1000, or greater than 1000.
- 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 employed in the pseudospark discharge according to the invention
- FIGS. 5a, 5b, 5c represent, for three different values of the dielectric constant ⁇ , the distribution of the potential lines in the vicinity of the triple point,
- FIG. 6 represents, for different values of the dielectric constant ⁇ , the evolution of the electric field at the triple point as a function of the radius of the wire of the grid of the initiator,
- 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.
- 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.
- 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.
- the set of two electrodes is immersed in the atmosphere prevailing in an insulating envelope 30.
- the value of the pressure p is defined, from the Paschen curve corresponding to the gas used, by the voltage self-priming 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.
- the pressure used for a voltage withstand (self-priming voltage) of the order of 20 kV is about ten Pascal, but the trigger allows the discharge to be initiated for any pressure greater than 0.1 Pa, regardless of the nature of the gas used.
- 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 V m 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.
- 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 V m is a decreasing function of the product pxd.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- the trigger electrode 34 As for the trigger electrode 34, it is located, in FIG. 3, against the dielectric 32, in conjunction with means (not shown in Figure 3) to produce the desired voltage.
- 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 are made,
- the discharge can be used as a switch or switch.
- 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.
- the dielectric-grid distance will have to be chosen, in each case, so that this effect can occur.
- ⁇ and ⁇ 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.
- the trigger system can operate for values of ⁇ for example between 1 and 10.
- the pseudospark discharge can operate at a repetition frequency of 1 kHz, the total cumulative number of discharges triggered easily reaching some 10 7 .
- the implementation is very simple, and it is possible to easily access all the components for a possible repair
- the lifespan is at least as long as that of the usual laser components (some 10 7 shots),
- 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 not provided by other types of power switches (eg thyratrons), nor by other modes of electrical triggering of pseudosparks.
- the arrangement of the initiator as illustrated in FIG. 3 is not the only possible one.
- 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, such so that the grid is turned towards the hole of said electrodes.
- FIGS. 7a and 7b 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 Vj_ 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 Vj_ being satisfied so that a pseudospark discharge can take place after injection of the electrons by the initiator described below.
- 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.
- the grid can be made, as explained for the first embodiment of intertwined wires, or a pierced plate or any other device for obtaining a reinforcement of the electric field on the surface of the dielectric.
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Commutateur électronique à gaz, comprenant deux électrodes creuses (22, 24), chaque électrode comportant au moins un trou (26, 28), les deux électrodes étant arrangées dans une chambre de décharge gazeuse (30) contenant un gaz à décharge à pression p, chaque trou d'une des deux électrodes étant situé en regard d'un trou de l'autre électrode, des moyens (32, 34, 36) pour initier la décharge, ces derniers comprenant: un élément en un matériau diélectrique (32), une électrode de déclenchement (34) placée au voisinage de l'élément diélectrique, et une grille métallique (36) 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.
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.
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 lOOkA, 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 lns, 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.
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 lO-^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 S itches" édité par G. Schaefer, Plénum Press, New York, 1990, pp. 509 et suivantes. 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. Frank et al. dans IEEE Transaction on Plasma Science, vol. 16, N°2, 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., Plénum Press, New York, 1990, pp. 521 et suivantes.
Les modes de déclenchement connus sont soit électriques, soit optiques.
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 D.V. de la face arrière de la cathode, par laser ou par flash encore appelée "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.
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 10-3 tirs) les plus élevées, mais au prix d'une complication non négligeable du composant : en effet, on doit introdaiire 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. 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.
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 10* 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, CO2), 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.
Exposé de l'invention
L'invention a justement pour objet de résoudre ces problèmes.
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 pouvant contenir un gaz à décharge 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, des moyens pour initier une décharge pseudospark, caractérisé en ce que ces moyens pour initier la décharge pseudospark 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, ces éléments permettant de déclencher une décharge pseudospark par production d'électrons au point triple correspondant à l'interface gaz-grille-diélectrique.
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.
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.
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.
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. Chaque électrode creuse peut avoir sensiblement la forme d'un cylindre à base circulaire, les axes des deux cylindres étant confondus.
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. Chaque électrode creuse peut alors présenter une forme sensiblement parallélépipédique ou cylindrique.
Avec ce second mode de réalisation, on peut initier simultanément dans tous les trous une décharge pseudospark. Ce mode de réalisation présente en outre
1'avantage de diminuer 1'inductance de 1'ensemble et d'accroître la durée de vie de chaque électrode.
Dans tous les cas, la valeur de la constante diélectrique ε du matériau diélectrique peut être
comprise entre 1 et 10, ou entre 10 et 50, ou entre 50 et 1000, ou supérieure à 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 ε, la distribution des lignes de potentiel au voisinage du point triple,
- la figure 6 représente, pour différentes valeurs de la constante diélectrique ε, 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.
Exposé détaillé de 1'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.
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.
On peut néanmoins réaliser des électrodes n'ayant pas de forme cylindrique à base circulaire. 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.
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. 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.
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.
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.
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.
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 Vj_, telle que V_ soit inférieure à Vm, c'est-à-dire telle que le point défini par (pxd, V_) soit situé au-dessous de la branche gauche, décroissante, de la courbe de Paschen de la figure 2.
De façon schématique, pour réaliser une décharge pseudospark, il faut alors suffisamment perturber le potentiel Vj_ 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.
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 10mm, 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. 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.
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.
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.
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 gaz- diélectrique-grille, également appelée point triple, ce qui déclenche la décharge pseudospark. Ainsi, la décharge peut être utilisée comme interrupteur ou commutateur.
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.
La structure de l'initiateur, c'est-à-dire de l'ensemble électrode de déclenchement-diélectrique- grille est représentée de façon plus détaillée sur la figure 4. Sur cette figure, Δ et ε 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.
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 ε (ε=l pour la figure 5a, ε=5 pour la figure 5b, ε=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, Δ=5mm et e=0,lmm. Sur ces figures, les références 32, 34, 36 ont respectivement la même signification que sur la figure 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. L'évolution de cette valeur est représentée en fonction de R pour différentes valeurs de ε (ε=l ; 5 ; 10 ; 50 ; 1000), sur la figure 6. La tension appliquée à l'électrode 34 vaut V0=lkV. Pour des valeurs de ε 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 μm, et qu'on atteint alors un régime asymptotique en
- qu'une diminution de la valeur de R de 500 μm à 100 μm n'accroît le champ électrique que d'environ 20%.
Par contre, pour des valeurs de ε plus faibles (par exemple ε=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 ε comprises par exemple entre 1 et 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 ε supérieure à 1000 ou sinon comprise entre 50 et 1000 ou sinon entre 10 et 50,
- quelle que soit la valeur de ε, à R petit (par exemple inférieur à 1mm, ou à 0,5 mm, et notamment compris entre 0,5 et 0,1mm), et ceci d'autant plus que ε est petit, notamment pour ε compris entre 1 et 10.
A titre d'exemple, en utilisant la configuration pseudospark de la figure 3, un diélectrique avec ε≈lOOO, 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 V0=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. Moins de 4mJ sont alors dissipés dans l'initiateur. 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.
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. De plus, une fois la valeur Vm choisie, en- dessous 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 1'invention permet de déclencher la décharge pour toute valeur de Vj_ comprise entre quelques dizaines de volts et Vm, et ceci pour toute valeur de ε. 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 Vj_ allant de quelques volts à plusieurs dizaines de 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. thyratrons), ni par les autres modes de déclenchement électrique des 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 lO^A/s,
- délais de commutation et de jitter respectivement inférieurs à 50 et 1 nanoseconde,
- possibilité de commuter directement des hautes tensions négatives.
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. 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.
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 Vj_ 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 Vj_ étant satisfaites pour qu'une décharge pseudospark puisse avoir lieu après injection des électrons par l'initiateur décrit ci- dessous. 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) .
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.
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.
Les conditions portant sur la valeur de ε, 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 ε de valeur assez élevée, de préférence supérieure à 5, ou supérieure à 50, ou supérieure à 500, ou supérieure à 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.
Claims
1. Commutateur électronique à gaz, comprenant deux électrodes creuses (22, 24 ; 38, 40) , chacune pouvant servir de cathode ou d'anode, chaque électrode comportant au moins un trou (26, 28 ; 39-1, 39-2, 39-3, 41-1, 41-2, 41-3), les deux électrodes étant arrangées dans une chambre de décharge gazeuse (30) pouvant contenir un gaz à décharge 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, des moyens (32, 34, 36 ; 42, 44, 46) pour initier une décharge pseudospark, caractérisé en ce que ces moyens pour initier la décharge pseudospark comprennent : - un élément en un matériau diélectrique (32, 42),
- une électrode de déclenchement (34, 44) placée au voisinage de l'élément diélectrique,
- une grille métallique (36, 46) 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, ces éléments permettant de déclencher une décharge pseudospark par production d'électrons au point triple correspondant à l'interface gaz-grille-diélectrique.
2. Commutateur selon la revendication 1, la chambre de décharge gazeuse contenant un gaz à décharge à pression p.
3. Commutateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément diélectrique (32, 42) • est fixé dans une ouverture pratiquée dans une paroi d'une des électrodes creuses (24, 40), de façon à ce que la grille (36, 46) soit dans ou dirigée vers l'intérieur de ladite électrode.
4. Commutateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément diélectrique (34, 42) est fixé à l'intérieur d'une des électrodes creuses (24, 40), de telle façon que la grille (36, 46) soit tournée vers le trou de ladite électrode.
5. Commutateur selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que, pour chaque électrode (22, 24 ; 38, 40), le ou les trou(s) est(sont) réalisé(s) dans une paroi plane, les deux parois étant maintenues parallèles, à la distance d.
6. Commutateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la grille (36, 46), le diélectrique (32, 42) et l'électrode de déclenchement (34, 44) sont situés dans des plans sensiblement parallèles l'un à l'autre.
7. Commutateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la grille (36, 46) , le diélectrique (32, 42) et l'électrode de déclenchement
(34, 44) sont situés dans des plans sensiblement parallèles l'un à l'autre et parallèles aux parois planes dans lesquelles sont réalisés les trous.
8. Commutateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque électrode creuse a sensiblement la forme d'un cylindre à base circulaire, les axes des deux cylindres étant confondus.
9. Commutateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque électrode comporte une série de trous, disposés de telle façon que chaque trou de chaque électrode creuse soit situé en regard d'un trou de l'autre électrode creuse.
10. Commutateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque électrode creuse présente une forme sensiblement parallélépipédique.
11. Commutateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque électrode creuse présente une forme cylindrique.
12. Commutateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la constante diélectrique ε du matériau diélectrique est comprise entre 1 et 10.
13. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la constante diélectrique ε du matériau diélectrique est comprise entre 10 et 50.
14. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la constante diélectrique ε du matériau diélectrique est comprise entre 50 et 1000.
15. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la constante diélectrique ε du matériau diélectrique est supérieure à 1000.
16. Commutateur selon l'une des revendications
12 à 15, caractérisé en ce que la grille est constituée de fils ayant un rayon inférieur à 0,5mm.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR94/00318 | 1994-01-13 | ||
| FR9400318A FR2715007B1 (fr) | 1994-01-13 | 1994-01-13 | Commutateur pseudospark déclenché par décharge corona. |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO1995019651A1 true WO1995019651A1 (fr) | 1995-07-20 |
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9806501B1 (en) | 2016-08-17 | 2017-10-31 | General Electric Company | Spark gap with triple-point electron emission prompting |
Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| DE3542574A1 (de) * | 1985-12-02 | 1987-06-04 | Siemens Ag | Schaltfunkenstrecke mit korona-triggerung |
| WO1989000354A1 (fr) * | 1987-06-30 | 1989-01-12 | Jens Christiansen | Commutateur a gaz electronique (commutateur a pseudo-etincelle) |
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1994
- 1994-01-13 FR FR9400318A patent/FR2715007B1/fr not_active Expired - Fee Related
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1995
- 1995-01-12 WO PCT/FR1995/000040 patent/WO1995019651A1/fr active Application Filing
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| EP0324817B1 (fr) * | 1987-06-30 | 1992-08-12 | CHRISTIANSEN, Jens | Commutateur a gaz electronique (commutateur a pseudo-etincelle) |
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| US9806501B1 (en) | 2016-08-17 | 2017-10-31 | General Electric Company | Spark gap with triple-point electron emission prompting |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2715007B1 (fr) | 1996-02-09 |
| FR2715007A1 (fr) | 1995-07-13 |
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