WO2001005033A2 - Dispositif et procede pour generer des variations controlees intenses et breves de pression magnetique au sein d'un echantillon de materiau solide - Google Patents

Dispositif et procede pour generer des variations controlees intenses et breves de pression magnetique au sein d'un echantillon de materiau solide Download PDF

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WO2001005033A2
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Laurent Frescaline
Gilles Avrillaud
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    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
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    • G—PHYSICS
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    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/003—Generation of the force
    • G01N2203/005—Electromagnetic means

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for generating intense and brief, but nevertheless predetermined and controlled, variations in magnetic pressure - in particular at least one gigapascal and which can range up to five terapascals, in a duration which can be between lns and 500ns- within a sample of solid material.
  • the application of such intense and brief variations in pressure within a solid material makes it possible in particular to study its behavior and to analyze the various and complex phenomena which can occur when this solid material is subjected to extreme stresses (changes phase, determination of state equations and behavior laws, degradations, instabilities, ruptures ).
  • the invention therefore aims to overcome these drawbacks by proposing a device and a method making it possible to generate intense and brief variations in magnetic pressure according to a controlled predetermined intensity and duration, the duration being less than 500 ns, within a sample of solid material, as well with variations in magnetic pressure which can be isentropic as in shock regime (shock wave) controlled, in a simple, inexpensive way, while leaving free the space around the sample of so as to allow analysis.
  • the invention aims in particular to propose a device which takes up little space and has a low energy consumption with regard to its performance.
  • the invention aims more particularly to propose a device and a method generating a substantially uniform pressure field within the sample.
  • the invention aims more particularly to propose a device and a method making it possible to reach, within a sample of solid material, predetermined pressure variations of between 1 GPa and 5TPa - in particular between lOOGPa and ITPa- within a period of time between 1ns and 500ns -especially between 10ns and 300ns-.
  • the invention also aims more particularly to propose a device as mentioned above, of the electromagnetic type and of total overall dimensions less than 100m J- notably of the order of lm -, and developing an energy in the electromagnetic cell less than 500 kJ - in particular of the order of 10kJ-.
  • the invention relates to a device capable of generating intense and brief, predetermined and controlled magnetic pressure variations, which may be isentropic, within a sample of solid material, characterized in that it comprises means for generation of pulses of electrical current of the so-called high power pulsed type and an electromagnetic cell connected to the means for generating pulses of current electric, this electromagnetic cell carrying the sample and being adapted so that the sample is subjected to pulses of electromagnetic energy resulting from the application to the electromagnetic cell of pulses of electric current from the pulse generation means of electric current, in that the electromagnetic cell comprises a parallel flat line of conductive material comprising two branches in the form of flat plates, of the same shape and dimensions, separated from each other by a distance less than or equal to 3mm - in particular less than 1 mm, one of which carries the sample rigidly fixed to this branch which is at least substantially central in part, these two branches being electrically connected to each other by an end joining strip, and electrically connected, opposite the end joining strip, to the means for generating electric current pulses, fa lesson
  • the electromagnetic cell is adapted to have an inductance less than 4nH-notably less than 2nH-.
  • the two branches are isolated from each other, not by vacuum, but by a dielectric material - in particular a solid dielectric material or a solid / liquid dielectric material -.
  • the dielectric material must be chosen so as to have an impulse dielectric rigidity (impulse electric field it can support per unit of thickness without breakdown) adapted to the desired performance.
  • the dielectric material has a pulsed dielectric strength greater than 100 kV / mm.
  • the dielectric material extends laterally beyond the branches to prevent edge breakdowns.
  • the dielectric material can be chosen from a polyimide, a polyester or a high density polyethylene.
  • the sample in which the pressure variations are to be generated, is fixed rigidly and directly to a branch of the parallel flat line forming the electromagnetic cell.
  • pressure variations which can be intense and short isentropic with predetermined characteristics (pressure value and duration), in a controlled manner, simply and precisely.
  • these pressure variations result essentially not from an electromechanical or thermal effect (Joule effect), but essentially from the magnetic forces resulting from the electrical current established and flowing in the line with a sufficiently short rise time (from l (order of or less than 500 ns) so that the energy of the magnetic forces is preponderant compared to the thermal energy whose appearance is slower.
  • the invention thus makes it possible, unexpectedly, to generate extremely intense and brief but nevertheless uniform and controlled pressure profiles in the sample and from a relatively low electrical power which can be supplied by a low-cost source and small footprint.
  • the choice of a parallel flat line in a loop (and not of a coaxial electromagnetic structure) combined with insulation by a dielectric material (and not vacuum insulation by magnetic isolation) makes it possible in fact to decrease the space between the branches to a very low value corresponding to an equally low line impedance.
  • the distance between the two branches is less than 1mm - in particular of the order of 500 ⁇ m -.
  • the electromagnetic cell can then be adapted to have an inductance of less than 2nH.
  • the magnetic pressure field created is very homogeneous (whereas it varies according to the square of the radial distance in a coaxial electromagnetic structure).
  • the means for generating electric current pulses comprise:
  • At least one pulsed high-current electric current pulse generator comprising two output electrodes, called first and second output electrodes,
  • an electrical connection line comprising a first conductive plate extending between the first output electrode of each generator and one of the branches of the electromagnetic cell, and a second conductive plate extending between the second output electrode and the other branch of the electromagnetic cell.
  • the plates of the connecting line are generally of the same shapes and dimensions, parallel to one another, superimposed opposite one another, separated and isolated from one another. 'other.
  • the plates of the connecting line extend in the extension of the branches of the electromagnetic cell.
  • the connection line is adapted to have an inductance less than 5nH. Such a connection line also makes it possible to minimize the inductance at the output of the generator (s) and to obtain increased performance.
  • the cross section of the junction strip perpendicular to the direction of the electric current is smaller than the cumulative cross section of the first or second electrodes, so that the electric current density reaches its maximum value. in the joint strip.
  • the width (largest dimension perpendicular to the direction of flow of the electric current) of the joining strip is less than the cumulative width of the first electrodes or of the second electrodes.
  • the device is characterized in that the two branches are rectangular, the joining strip connecting two straight edges of the two branches, and in that the plates of the electrical connection line are of convergent shape in width and / or in thickness. , so that the current density is of maximum value in the branches of the electromagnetic cell.
  • the means for generating electrical current pulses comprise at least one multichannel spark gap capable of distributing the electrical energy along the cross section - in particular along the width - of the branches of the electromagnetic cell. .
  • the inductance at the output of the generator (s) is further minimized.
  • a multichannel spark gap is interposed between each generator and the electromagnetic cell.
  • an individual multichannel spark gap is interposed between the first output electrode of this generator and the first plate of the connection line. There are then as many spark gap (s) as there are generator (s).
  • the device comprises several spark gaps in parallel - notably several generators in parallel and several spark gaps in parallel, one for each generator.
  • the device is characterized in that it comprises at least one group of several generators and in that a common multichannel spark gap is interposed between all the first electrodes of the generators of the same group and the first plate of the connection line. In this way, the switching command is simplified.
  • the device advantageously comprises, according to the invention, at least one series multistage spark gap, that is to say say a spark gap comprising several successive stages in series.
  • the sample is placed and rigidly fixed in a housing of the branch which carries it.
  • the housing opens on the side of the space separating the two branches from one another, so that a sample of conductive material can be placed in the housing, so as to be in electrical connection with the branch which carries it, this sample having one face in contact with the space separating the two branches from one another - in particular in contact with the dielectric material -.
  • the housing has a bottom forming a conductive wall capable of separating a sample of non-conductive or bad conductive material placed in the housing, from the space separating the two branches from one another -in particular dielectric material-.
  • the conductive wall has a thickness less than that of the branch which carries it.
  • the conductive wall is made of rigid solid material acting as a pusher transmitting the magnetic thrust resulting from the electric current flowing in the line, to the sample, one face of which is in contact with the conductive wall.
  • the device comprises means making it possible to adjust the value of the inductance of the electromagnetic cell and / or that of the means for generating electric current pulses.
  • the device comprises means making it possible to adjust the distance between the two branches. It is also possible to interpose a variable inductance on the connection line or on one or the other of the two branches. Adjusting the inductance allows you to vary on the one hand, the maximum value of the intensity of the current created in the electromagnetic cell under the effect of a current pulse, and on the other hand, the rise time x 'of this intensity. Indeed, we can write:
  • U is the pulse voltage
  • L is the inductance seen by the voltage U
  • I max is the maximum current intensity reached under the effect of the voltage U
  • C is the equivalent capacity of the means for generating electrical current pulses
  • L ′ is the total equivalent inductance of the entire device (generation means and cell).
  • the device is adapted so that the maximum value I max of the electric current established in the electromagnetic cell is greater than 1MA-notably the order of 2 to 11MA-.
  • the voltage U is adapted according to the maximum intensity sought I max and according to the inductance of the electromagnetic cell, the rise time ⁇ (or ⁇ '), and the dielectric strength of the insulator .
  • the device comprises means for analyzing the mechanical behavior of the sample - in particular by laser Doppler interferometry -. These analysis means can easily be arranged opposite the housing in which the sample is fixed.
  • the invention also extends to a method which can be implemented with a device according to the invention.
  • the invention thus relates to a method for generating intense and brief, predetermined and controlled magnetic pressure variations, which may be isentropic, in a sample of solid material, characterized in that the sample is rigidly fixed on a branch of a electromagnetic cell of a device according to the invention, and the means for generating pulses of electric current are switched so as to cause in the electromagnetic cell the establishment of an electric current capable of generating magnetic pressure forces within of the sample, the rise time ⁇ of the square of the intensity of the electric current being between 1ns and 500ns-notably between 10ns and 300ns-.
  • the characteristics of the device according to the invention are adapted according to the characteristics of the variations in magnetic pressure which it is desired to create within the sample.
  • the invention also relates to a device and a method characterized in combination by all or some of the characteristics mentioned above or below.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a device according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a schematic view in longitudinal section of the device according to the invention of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a schematic perspective view illustrating the connection of a generator with coaxial output to an electromagnetic cell of a device according to the invention
  • FIG. 4 is a schematic view in longitudinal section of an electromagnetic cell according to a variant of a device according to the invention adapted to the case of a non-conductive or bad conductive sample,
  • FIG. 5 is a schematic top view of a device according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 6 is a schematic view in longitudinal section of an electromagnetic cell according to a variant of a device according to the invention provided with means for adjusting the inductance
  • FIG. 7 is a schematic perspective view of a device according to a third embodiment of the invention.
  • the device according to the invention shown in FIG. 1 comprises an electromagnetic cell 1, a set of generators 2 of pulsed high-current electric current, and, between this set of generators 2 and the cell 1, a connecting line 3.
  • the electromagnetic cell 1 comprises a parallel flat line of electrically conductive material comprising two branches 4, 5 in the form of flat rectangular plates parallel to one another, superimposed opposite one another and separated from one another. the other by a distance less than or equal to 1 mm by an insulating layer 6 formed of a solid dielectric material.
  • the two branches 4, 5 are electrically connected to each other by a joining strip 7 which extends between the two extreme straight edges 8, 9 of the branches 4, 5.
  • the two branches 4, 5 and the strip junction 7 thus form a parallel flat line in the general shape of an open loop whose longitudinal section is generally in the form of a hairpin (FIG. 2).
  • the joining strip 7 is also in the form of a plate perpendicular to the two branches 4, 5. It should nevertheless be noted that this joining strip 7 could, in a variant not shown, have a curved section, for example semicircular, or any other shape. Opposite the joining strip 7, each of the branches
  • the first plate 10 is provided with a multi-stage multi-channel surface spark gap 15 making it possible to carry out the switching.
  • a surface spark gap is known in itself (cf. "Low inductance triggered multichannel surface switch for inductive energy storage generator" B. Etlich et al, 10 IEEE Pulsed power conference Albuquerque New Mexico, 1995 p.243).
  • Each stage of the spark gap 15 comprises a cut 16 formed in the plate 10 over its entire width, an insulating sheet 17 extending between the two edges of the opposite plate 10 separated by said cut 16, and an electrode 18 trigger in the general form of a comb inserted into the insulator 14 under the cut-off 16.
  • This electrode 18 is connected to a trigger 19 capable of biasing the electrode 18 at a high voltage suitable for causing breakdown between the two edges of the cut 16 along the surface of the insulating sheet 17, and the establishment of several parallel electric current lines between the two edges of the cut 16, parallel to the teeth of the comb forming the electrode 18.
  • the trigger 19 is therefore essentially a source of pulse voltage of several tens of kilovolts, but which does not have to deliver a significant electrical power.
  • the number of stages 15a, 15b of the spark gap 15 placed in series successively depends in particular on the value of the pulse electrical voltage which must be applied to the electromagnetic cell 1 by the generators 2. In fact, when this value is too large , it is necessary to carry out the switching successively from one stage to another, by intermediate plates polarized by intermediate voltages.
  • the spark gap 15 comprises two successive stages 15a, 15b, and the intermediate plate 20 separating these two stages is biased at an intermediate voltage between that delivered by the first electrode 12 and that of the second electrode 13 connected to the ground, of the generators 2, and this, in particular by a divider bridge comprising two resistors 21, 22 of very high values (much greater than the whole of the resistance of the connection line 3 and of the electromagnetic cell 1) of which l 'one 21 connects the first electrode 12 to the intermediate plate 20, while the other 22 connects the intermediate plate 20 to ground.
  • Each stage 15a, 15b comprises a trigger electrode 18a, 18b in the form of a comb (shown in dotted lines in FIG. 1) connected to the trigger 19, as described above.
  • a sample 23 of solid material is rigidly fixed to one 4 of the branches of the electromagnetic cell 1.
  • this branch 4 comprises a recess formed in hollow to receive the sample 23.
  • This housing, and therefore the sample 23, is arranged in at least substantially middle position on the branch 4, that is to say at least substantially in the middle of its width.
  • the housing and the sample 23 are arranged at least substantially in the central part of the branch 4.
  • the housing which receives it can be provided throughout the thickness of the branch 4, that is to say up to the insulating layer 6, the electric current being conveyed by the sample 23 itself, as shown in the variant of Figure 6. Otherwise (variant of Figure 4), the housing is not entirely through and a conductive wall 24 forms a bottom housing for separating the insulating layer 6 from the sample 23 and ensuring the passage of the electric current opposite the face of the sample 23 in contact with the bottom 24.
  • the thickness of this bottom 24 can be extremely small, and, for example, correspond to the thickness of skin in which the current flows in the branch 4. To form the housing receiving the sample 23 and the bottom wall 24, it suffices to make a digging in the thickness of the branch 4, of appropriate dimensions.
  • the sample 23 comprises a bottom wall 25 of relatively thin constant thickness (generally a few tenths of a millimeter) within which a magnetic pressure field will be created when the electric current is established through the electromagnetic cell 1 , before the destruction of the sample 23 of solid material.
  • This bottom wall 25 is extended peripherally upwards and laterally above the branch 4, in the form of a collar 26, this collar 26 constitute a crown which allows the fixing of the sample 23 to the branch 4 via screws 27.
  • to fix the sample 23 it is possible to provide a separate piece from the sample 23 itself forming a fixing ring similar to that formed by the collar 26.
  • the electromagnetic cell 1 has a width, perpendicular to the direction of flow of the electric current coming from the generators 2, which is less than the width of the connection line 3 and the cumulative width of the electrodes 12, 13 of the generators 2. More generally, the width of the junction strip 7 is less than the cumulative width of the first electrodes 12 or the cumulative width of the second electrodes 13. In this way, the current density increases between the generators 2 and the junction strip 7, c ' that is to say between the generators 2 and the electromagnetic cell 1, in which the current density is maximum.
  • the electrodes 12, 13 of the generators 2 are simply placed in contact with the plates 10, 11 conducting the connecting line 3.
  • the configuration of the generators 2, of the connection line 3, and of the spark gap switching means 15 can be the subject of numerous variants.
  • FIG. 5 there is shown schematically, seen from above, three generators 2 each associated with a spark gap 15 of individual surface, along three parallel branches of the connection line 3 which join together in the plane for forming the electromagnetic cell 1 carrying the sample 23.
  • FIG. 7 another embodiment is shown also comprising three generators 2 each associated with a volume spark gap of the type called square spark gap 31.
  • Each of the three spark gaps 31 is connected to one of the three perpendicular branches forming the connection line 3 in the general shape of T.
  • the electromagnetic cell 1 is placed in extension of the junction of the three branches of the connection line 3, in the extension of the main median branch of T which is perpendicular to the others.
  • the square spark gaps 31 are multichannel multi-stage volume spark gaps, and can for example be produced as described in the publication "Multi gap, multi channel spark switches” Kim AA et al, ll th IEEE Pulsed power conference Baltimore, Maryland, 1997 p. 862). Any other embodiment of multichannel spark gaps can be used.
  • the insulating layer 6 separating the two branches 4, 5 of the electromagnetic cell, as well as the insulating layer 14 separating the plates 10, 11 from the connecting line 3, extends laterally to the side over a sufficient distance, so as to avoid any edge breakdown phenomenon.
  • the thickness of the insulating layer 6 of the electromagnetic cell 1 corresponding to the distance between the two arms 4, 5 of the electromagnetic cell 1, is less than that of the insulating layer 14 corresponding to the distance between the two plates 10, 11 of the connecting line 3.
  • the distance separating the two branches 4, 5 of the electromagnetic cell 1 is as small as possible.
  • this distance may be less than 1 mm, for example of the order 500 ⁇ m.
  • Such an extremely small distance has the effect of greatly reducing the inductance of the electromagnetic cell 1, and therefore the energy required to establish a current of high intensity in a rise time x of the square of the intensity less than 500 ns - in particular less than 300 ns - within the electromagnetic cell 1, this high intensity being itself adapted to create an intense magnetic pressure field within the sample 23.
  • the thickness of the insulation 6 may be less than that of the branches 4, 5.
  • U being the purely inductive voltage applied between the two branches 4, 5
  • L being the total inductance of the electromagnetic cell 1
  • I ma being the maximum intensity of the established electric current of an electromagnetic cell 1
  • x ' being the time of rise of the electric current intensity from 10% to 90% of its maximum value I max
  • B being the maximum value of the magnetic field
  • ⁇ being the magnetic permeability of the medium
  • e being the distance between the branches 4, 5
  • Em being the dielectric rigidity of the material forming the insulating layer 6 (i.e.
  • the dielectric strength Em of the material considered is the impulse dielectric strength.
  • certain solid materials and certain materials formed of a solid / liquid mixture solid soaked in a liquid are known which exhibit rigidities.
  • Kapton registered trademark
  • This material is a polyimide.
  • polyester such as Mylar (registered trademark) also sold by the company DUPONT DE NEMOURS, or a high density polyethylene.
  • the branches 4, 5 of the electromagnetic cell 1 can have a width of the order of a few millimeters, for example 2 to 15mm — in particular of the order of 8mm-.
  • the branches of the electromagnetic cell 1 and the connection line 3 can be made for example of copper or any other high quality conductor.
  • the maximum magnetic pressure generated within the material can be of the order of 6.10 n Pa.
  • the inductive energy in the electromagnetic cell 1 will be of the order of 8 kJ.
  • the magnetic field is extremely homogeneous within the sample 23. The same therefore applies to the intensity of the electric current and the magnetic pressure field created.
  • the electromagnetic cell 1 can be isolated, not by an insulating layer 6 of dielectric material, but by being placed in a vacuum by magnetic isolation. However, this technology is heavier and more complex.
  • the magnetic isolation makes it necessary to respect a certain distance between the branches 4, 5 which, in practice, is greater than 0.5 mm. Consequently, the inductance of the electromagnetic cell 1 is thereby increased by the same amount, as well as the maximum inductive polarization voltage of the electromagnetic cell 1, and therefore the inductive energy to be delivered by the generators 2.
  • the generators 2 can be formed of simple capacitors such as Maxwell capacitors n ° 37336 or of any other known generator with high pulsed power making it possible to obtain the rise time x (or x ') and the voltage value U and l '' maximum intensity I max (with or without pulse formation system).
  • the generators having the best yields, the smallest size, and the lowest inductance are used.
  • Marx generators transformers; generators with inductive storage; capacitive storage generators; hybrid generators with inductive and capacitive storage.
  • the sample 23 is moreover analyzed by an analysis device 32, for example by laser Doppler interferometry.
  • an analysis device 32 for example by laser Doppler interferometry.
  • the invention makes it possible to have all appropriate analysis devices facing the sample 23.
  • the inductance seen by the generators 2 is extremely low, so that the the inductive energy that these generators 2 must produce is also low. Consequently, the generators can be dimensioned with a small footprint and a low relative output power.
  • the intensity of the current, and therefore the value of the maximum magnetic pressure can be varied, without varying the duration of application of the pressure field. If the distance e between the branches 4, 5 is varied, for example with the variant of device shown in FIG. 6, it is then possible to adjust the value of the inductance L, therefore that of the maximum current I max , and of the time rise x '(or x).
  • the branch 4 is associated with the connecting strip 7 by bolts 33 which extend this branch 4, and pass through the bores 34 formed through the connecting strip 7 which is itself extended to the top.
  • Several bore lines 34 are formed in the junction strip 7 according to the distance which it is desired to give between the branches 4, 5.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif et un procédé pour générer des variations de pression magnétique intenses et brèves, prédéterminées et contrôlées, pouvant être isentropiques au sein d'un échantillon (23) de matériau solide. Une cellule électromagnétique (1) comprend une ligne plate parallèle de matériau conducteur comprenant deux branches (4, 5) en forme de plaques planes, de mêmes formes et dimensions, séparées l'une de l'autre d'une distance inférieure ou égale a 3mm, dont l'une (4) porte l'échantillon (23) fixé rigidement sur cette branche (4), ces deux branches (4, 5) étant reliées électriquement l'une de l'autre par une bande de jonction (7) d'extrémité, et électriquement reliées, à l'opposé de la bande de jonction (7) d'extrémité, à des moyens (2, 3) de génération d'impulsions de courant électrique, de façon à permettre l'établissement en moins de 500ns d'un courant électrique circulant dans la cellule électromagnétique (1).

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE POUR GENERER DES VARIATIONS
CONTROLEES INTENSES ET BREVES DE PRESSION MAGNETIQUE
AU SEIN D'UN ECHANTILLON DE MATERIAU SOLIDE
L'invention concerne un dispositif et un procédé pour générer des variations intenses et brèves, mais néanmoins prédéterminées et contrôlées, de pression magnétique -notamment d'au moins un gigapascal et pouvant aller jusqu'à cinq terapascals, en une durée pouvant être comprise entre lns et 500ns- au sein d'un échantillon de matériau solide. L'application de telles variations intenses et brèves de pression au sein d'un matériau solide permet notamment d'en étudier le comportement et d'analyser les phénomènes divers et complexes qui peuvent intervenir lorsque ce matériau solide est soumis à des sollicitations extrêmes (changements de phase, détermination des équations d'état et des lois de comportement, dégradations, instabilités, ruptures...).
Les dispositifs connus permettant de générer des variations intenses et brèves au sein des matériaux solides (cf. "COMPORTEMENT DYNAMIQUE SOUS CHOC DE LA MATIERE" R. Dormeval et al, Revue Scientifique et Technique de la Direction des applications militaires, numéro 5, septembre 1992, pp 77-90) consistent en des générateurs de chocs (lanceurs, explosifs, canons électromagnétiques...) ou des presses à enclume de diamant. Dans le premier cas, il est extrêmement difficile de contrôler avec précision les paramètres du profil de pression, et il n'est pas possible de générer des variations de pression isentropiques. En particulier, on connaît un canon électrique comprenant une ligne plate parallèle alimentée par un générateur d'impulsions de courant électrique pour faire exploser une feuille d'aluminium découpant et projetant un disque d'isolant à haute vitesse. L'explosion de la feuille intervient essentiellement sous l'effet de l'énergie thermique résultant de la montée de l'intensité du courant, qui dure plus de 600ns et circule dans toute l'épaisseur de la feuille qui est inférieure à l'épaisseur de peau. Les presses à enclume de diamant quant à elles sont des dispositifs extrêmement complexes et coûteux qui, de surcroît, présentent l'inconvénient de ne laisser que peu d'espace libre autour de l'échantillon, de sorte que les possibilités d'analyse du comportement mécanique sont limitées.
L'invention vise donc à pallier ces inconvénients en proposant un dispositif et un procédé permettant de générer des variations intenses et brèves de pression magnétique selon une intensité et une durée prédéterminées contrôlées, la durée étant inférieure à 500ns, au sein d'un échantillon de matériau solide, et ce aussi bien avec des variations de pression magnétique qui peuvent être isentropiques qu'en régime de choc (onde de choc) contrôlé, de façon simple, peu coûteuse, tout en laissant libre l'espace autour de l'échantillon de façon à en permettre l'analyse.
L'invention vise en particulier à proposer un dispositif peu encombrant et ayant une faible consommation énergétique au regard de ses performances.
L'invention vise plus particulièrement à proposer un dispositif et un procédé générant un champ de pression sensiblement uniforme au sein de l'échantillon.
L'invention vise plus particulièrement à proposer un dispositif et un procédé permettant d'atteindre, au sein d'un échantillon de matériau solide, des variations de pression prédéterminées comprises entre 1 GPa et 5TPa -notamment entre lOOGPa et ITPa- en une durée comprise entre 1ns et 500ns -notamment comprise entre 10ns et 300ns-.
L'invention vise encore plus particulièrement à proposer un dispositif tel que mentionné ci-dessus, de type électromagnétique et d'encombrement total inférieur à 100mJ -notamment de l'ordre de lm -, et développant une énergie dans la cellule électromagnétique inférieure à 500 kJ - notamment de l'ordre de 10kJ-.
Pour ce faire, l'invention concerne un dispositif apte à générer des variations de pression magnétique intenses et brèves, prédéterminées et contrôlées, pouvant être isentropiques, au sein d'un échantillon de matériau solide, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de génération d'impulsions de courant électrique du type dits à haute puissance puisée et une cellule électromagnétique reliée aux moyens de génération d'impulsions de courant électrique, cette cellule électromagnétique portant l'échantillon et étant adaptée pour que l'échantillon soit soumis à des impulsions d'énergie électromagnétique résultant de l'application à la cellule électromagnétique d'impulsions de courant électrique issues des moyens de génération d'impulsions de courant électrique, en ce que la cellule électromagnétique comprend une ligne plate parallèle de matériau conducteur comprenant deux branches en forme de plaques planes, de mêmes formes et dimensions, séparées l'une de l'autre d'une distance inférieure ou égale à 3mm -notamment inférieure à 1mm-, dont l'une porte l'échantillon fixé rigidement sur cette branche en partie au moins sensiblement centrale, ces deux branches étant reliées électriquement l'une de l'autre par une bande de jonction d'extrémité, et électriquement reliées, à l'opposé de la bande de jonction d'extrémité, aux moyens de génération d'impulsions de courant électrique, de façon à permettre l'établissement d'un courant électrique circulant depuis les moyens de génération d'impulsions de courant électrique dans une branche, puis dans la bande d'extrémité, puis dans l'autre branche pour revenir aux moyens de génération d'impulsions de courant électrique, et en ce que les moyens de génération d'impulsions de courant électrique et la cellule électromagnétique sont adaptés pour que le temps de montée x dans lequel le carré de l'intensité du courant électrique circulant dans la cellule électromagnétique passe de 10% à 90% de sa valeur maximale Imax soit compris entre 1ns et 500ns. Avantageusement et selon l'invention, le temps de montée τ est compris entre 10ns et 300ns.
Avantageusement et selon l'invention, la cellule électromagnétique est adaptée pour présenter une inductance inférieure à 4nH -notamment inférieure à 2nH-.
En outre, avantageusement et selon l'invention, les deux branches sont isolées l'une de l'autre, non pas par le vide, mais par un matériau diélectrique -notamment un matériau diélectrique solide ou un matériau diélectrique solide/liquide-. Le matériau diélectrique doit être choisi de façon à présenter une rigidité diélectrique impulsionnelle (champ électrique impulsionnel maximum qu'il peut supporter par unité d'épaisseur sans claquage) adaptée aux performances recherchées.
Avantageusement et selon l'invention, le matériau diélectrique présente une rigidité diélectrique impulsionnelle supérieure à lOOkV/mm. En outre, avantageusement et selon l'invention, le matériau diélectrique s'étend latéralement au-delà des branches pour empêcher les claquages de bordure.
Avantageusement et selon l'invention, le matériau diélectrique peut être choisi parmi un polyimide, un polyester ou un polyéthylène haute densité.
Dans l'invention, l'échantillon, dans lequel les variations de pression doivent être générées, est fixé rigidement et directement sur une branche de la ligne plate parallèle formant la cellule électromagnétique. De la sorte, on peut générer en particulier des variations de pression pouvant être isentropiques intenses et brèves de caractéristiques (valeur de pression et durée) prédéterminées, de façon contrôlée, simplement et avec précision. Il est à noter que ces variations de pression résultent essentiellement non pas d'un effet électromécanique ou thermique (effet Joule), mais essentiellement des forces magnétiques résultant du courant électrique établi et circulant dans la ligne avec un temps de montée suffisamment bref (de l'ordre de ou inférieur à 500ns) pour que l'énergie des forces magnétiques soit prépondérante par rapport à l'énergie thermique dont l'apparition est plus lente. L'invention permet ainsi, de façon inattendue, de générer des profils de pression extrêmement intenses et brefs mais néanmoins uniformes et contrôlés dans l'échantillon et à partir d'une puissance électrique relativement faible pouvant être fournie par une source de faible coût et de faible encombrement.
Il est à noter en particulier que le choix d'une ligne plate parallèle en boucle (et non d'une structure électromagnétique coaxiale) combiné à une isolation par un matériau diélectrique (et non une isolation sous vide par isolement magnétique) permet en fait de diminuer l'espace entre les branches à une valeur très faible correspondant à une impédance de ligne également faible. Avantageusement et selon l'invention, lorsque les branches sont isolées par un matériau diélectrique, la distance entre les deux branches est inférieure à 1mm -notamment de l'ordre de 500μm-. La cellule électromagnétique peut alors être adaptée pour présenter une inductance inférieure à 2nH. Ainsi, bien que l'isolation sous vide soit a priori considérée comme meilleure et nécessaire pour les valeurs intenses de pression magnétique, et donc d'intensité de courant et de champ magnétique, puisqu'elle n'impose pas de limite de rigidité diélectrique, l'invention a mis en évidence qu'il est au contraire préférable d'opter pour une ligne plate avec une isolation par un matériau diélectrique qui permet de diminuer la valeur de l'inductance, ce qui s'avère en pratique prépondérant, malgré le fait que la rigidité diélectrique du matériau diélectrique limite les performances du dispositif.
De surcroît, le champ de pression magnétique créé est très homogène (alors qu'il varie selon le carré de la distance radiale dans une structure électromagnétique coaxiale).
En outre, avantageusement et selon l'invention, les moyens de génération d'impulsions de courant électrique comportent :
- au moins un générateur d'impulsions de courant électrique à haute puissance puisée comprenant deux électrodes de sortie, dites première et deuxième électrodes de sortie,
- une ligne de liaison électrique comprenant une première plaque conductrice s'étendant entre la première électrode de sortie de chaque générateur et l'une des branches de la cellule électromagnétique, et une deuxième plaque conductrice s'étendant entre la deuxième électrode de sortie et l'autre branche de la cellule électromagnétique. Avantageusement et selon l'invention, les plaques de la ligne de liaison sont globalement de mêmes formes et dimensions, parallèles l'une de l'autre, superposées en regard l'une de l'autre, séparées et isolées l'une de l'autre. Avantageusement et selon l'invention, les plaques de la ligne de liaison s'étendent dans le prolongement des branches de la cellule électromagnétique. Avantageusement et selon l'invention, la ligne de liaison est adaptée pour présenter une inductance inférieure à 5nH. Une telle ligne de liaison permet aussi de minimiser l'inductance en sortie du(des) générateur(s) et d'obtenir des performances accrues.
Avantageusement et selon l'invention, la section droite transversale de la bande de jonction perpendiculairement au sens du courant électrique est plus petite que la section droite transversale cumulée des premières ou des deuxièmes électrodes, de sorte que la densité de courant électrique atteint sa valeur maximum dans la bande de jonction. En particulier, la largeur (plus grande dimension perpendiculairement à la direction de circulation du courant électrique) de la bande de jonction est inférieure à la largeur cumulée des premières électrodes ou des deuxièmes électrodes.
Avantageusement, le dispositif est caractérisé en ce que les deux branches sont rectangulaires, la bande de jonction reliant deux bords rectilignes des deux branches, et en ce que les plaques de la ligne de liaison électrique sont de forme convergente en largeur et/ou en épaisseur, de sorte que la densité de courant est de valeur maximum dans les branches de la cellule électromagnétique.
Par ailleurs, avantageusement et selon l'invention, les moyens de génération d'impulsions de courant électrique comprennent au moins un éclateur multicanaux apte à répartir l'énergie électrique selon la section droite transversale -notamment selon la largeur- des branches de la cellule électromagnétique. De la sorte, on minimise encore l'inductance en sortie du(des) générateur(s). Avantageusement et selon l'invention, un éclateur multicanaux est interposé entre chaque générateur et la cellule électromagnétique.
Avantageusement et selon l'invention, pour chaque générateur, un éclateur multicanaux individuel est interposé entre la première électrode de sortie de ce générateur et la première plaque de la ligne de liaison. Il y a alors autant d'éclateur(s) qu'il y a de générateur(s).
Avantageusement et selon l'invention, le dispositif comprend plusieurs éclateurs en parallèle -notamment plusieurs générateurs en parallèle et plusieurs éclateurs en parallèle, un pour chaque générateur-.
Dans une variante avantageuse de l'invention, le dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un groupe de plusieurs générateurs et en ce qu'un éclateur multicanaux commun est interposé entre toutes les premières électrodes des générateurs du même groupe et la première plaque de la ligne de liaison. De la sorte, la commande de commutation est simplifiée.
Par ailleurs, dans le cas notamment où les valeurs de tension électrique sont très élevées (notamment supérieures à 50k V), le dispositif comprend, avantageusement et selon l'invention, au moins un éclateur multi- étages série, c'est-à-dire un éclateur comprenant plusieurs étages successifs en série.
Avantageusement et selon l'invention, l'échantillon est placé et fixé rigidement dans un logement de la branche qui le porte.
Dans une première variante selon l'invention, le logement débouche du côté de l'espace séparant les deux branches l'une de l'autre, de sorte qu'un échantillon en matériau conducteur peut être placé dans le logement, de façon à être en liaison électrique avec la branche qui le porte, cet échantillon ayant une face au contact de l'espace séparant les deux branches l'une de l'autre -notamment au contact du matériau diélectrique-.
Dans une deuxième variante selon l'invention, le logement présente un fond formant une paroi conductrice apte à séparer un échantillon en matériau non conducteur ou mauvais conducteur placé dans le logement, de l'espace séparant les deux branches l'une de l'autre -notamment du matériau diélectrique-. Avantageusement et selon l'invention, la paroi conductrice présente une épaisseur inférieure à celle de la branche qui la porte. La paroi conductrice est en matériau solide rigide faisant office de poussoir transmettant la poussée magnétique résultant du courant électrique circulant dans la ligne, à l'échantillon dont une face est au contact de la paroi conductrice.
Avantageusement et selon l'invention, le dispositif comprend des moyens permettant d'ajuster la valeur de l'inductance de la cellule électromagnétique et/ou celle des moyens de génération d'impulsions de courant électrique. En particulier, avantageusement et selon l'invention, le dispositif comprend des moyens permettant d'ajuster la distance entre les deux branches. On peut aussi interposer une inductance variable sur la ligne de liaison ou sur l'une ou l'autre des deux branches. L'ajustement de l'inductance permet de faire varier d'une part, la valeur maximum de l'intensité du courant créé dans la cellule électromagnétique sous l'effet d'une impulsion de courant, et d'autre part, le temps de montée x' de cette intensité. En effet, on peut écrire :
U * LImax/x' et τ'≈π/2 JÏXC où τ' est le temps de montée de l'intensité du courant dans lequel elle passe de 10% à 90% de sa valeur maximale Imax,
U est la tension impulsionnelle, L est l'inductance vue par la tension U, Imax est l'intensité du courant maximale atteinte sous l'effet de la tension U,
C est la capacité équivalente des moyens de génération d'impulsions de courant électrique, et L' est l'inductance équivalente totale de l'ensemble du dispositif (moyens de génération et cellule). Pour obtenir un temps de montée τ du carré de l'intensité de l'ordre de ou inférieur à 500ns -notamment entre 10ns et 300ns-, il suffit en pratique d'utiliser des générateurs et des éclateurs suffisamment performants. De tels générateurs et éclateurs sont connus en eux-mêmes.
Avantageusement et selon l'invention, le dispositif est adapté pour que la valeur maximale Imax du courant électrique établi dans la cellule électromagnétique soit supérieure à 1MA -notamment de l'ordre de 2 à 11MA-. La tension U est quant à elle adaptée selon l'intensité maximum recherchée Imax et en fonction de l'inductance de la cellule électro-magnétique, du temps de montée τ (ou τ'), et de la rigidité diélectrique de l'isolant. Par ailleurs, avantageusement et selon l'invention, le dispositif comporte des moyens d'analyse du comportement mécanique de l'échantillon -notamment par interférométrie Doppler laser-. Ces moyens d'analyse peuvent aisément être disposés en regard du logement dans lequel l'échantillon est fixé. L'invention s'étend également à un procédé pouvant être mis en œuvre avec un dispositif selon l'invention. L'invention concerne ainsi un procédé pour générer des variations de pression magnétique intenses et brèves, prédéterminées et contrôlées, pouvant être isentropiques, dans un échantillon de matériau solide, caractérisé en ce qu'on fixe rigidement l'échantillon sur une branche d'une cellule électromagnétique d'un dispositif selon l'invention, et on commute les moyens de génération d'impulsions de courant électrique de façon à entraîner dans la cellule électromagnétique l'établissement d'un courant électrique apte à générer des forces de pression magnétique au sein de l'échantillon, le temps de montée τ du carré de l'intensité du courant électrique étant compris entre 1ns et 500ns -notamment entre 10ns et 300ns-.
Dans un procédé selon l'invention, on adapte les caractéristiques du dispositif selon l'invention selon les caractéristiques des variations de pression magnétique que l'on souhaite créer au sein de l'échantillon.
L'invention concerne aussi un dispositif et un procédé caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique en coupe longitudinale du dispositif selon l'invention de la figure 1 ,
- la figure 3 est une vue schématique en perspective illustrant la connexion d'un générateur à sortie coaxiale à une cellule électromagnétique d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 4 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une cellule électromagnétique selon une variante d'un dispositif selon l'invention adaptée au cas d'un échantillon non conducteur ou mauvais conducteur,
- la figure 5 est une vue schématique de dessus d'un dispositif selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 6 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une cellule électromagnétique selon une variante d'un dispositif selon l'invention doté de moyens d'ajustage de l'inductance,
- la figure 7 est une vue schématique en perspective d'un dispositif selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
Sur les figures, les échelles -notamment en épaisseur- ne sont pas respectées, et ce, à des fins d'illustration.
Le dispositif selon l'invention représenté figure 1 comprend une cellule électromagnétique 1, un ensemble de générateurs 2 d'impulsions de courant électrique à haute puissance puisée, et, entre cet ensemble de générateurs 2 et la cellule 1, une ligne de liaison 3. La cellule électromagnétique 1 comprend une ligne plate parallèle de matériau électriquement conducteur comprenant deux branches 4, 5 en forme de plaques planes rectangulaires parallèles l'une à l'autre, superposées en regard l'une de l'autre et séparées l'une de l'autre d'une distance inférieure ou égale à 1mm par une couche d'isolant 6 formée d'un matériau diélectrique solide. Les deux branches 4, 5 sont reliées électriquement l'une à l'autre par une bande de jonction 7 qui s'étend entre les deux bords rectilignes extrêmes 8, 9 des branches 4, 5. Les deux branches 4, 5 et la bande de jonction 7 forment ainsi une ligne plate parallèle en forme générale de boucle ouverte dont la section longitudinale a globalement la forme d'une épingle à cheveux (figure 2). Dans l'exemple représenté, la bande de jonction 7 est aussi en forme de plaque perpendiculaire aux deux branches 4, 5. Il est a noter néanmoins que cette bande de jonction 7 pourrait, en variante non représentée, présenter une section courbe, par exemple demi-circulaire, ou toute autre forme. A l'opposé de la bande de jonction 7, chacune des branches
4, 5 est électriquement reliée à l'extrémité de plaques en matériau électriquement conducteur 10, respectivement 11, formant la ligne de liaison 3, à savoir une première plaque 10 reliée aux premières électrodes 12 des générateurs 2, et une deuxième plaque 11 reliée aux deuxièmes électrodes 13 des générateurs. Une couche d'isolant 14 en matériau diélectrique solide est également interposée entre les deux plaques 10, 11 de la ligne de liaison 3. La première plaque 10 est dotée d'un éclateur 15 de surface multicanaux multi-étages permettant de réaliser la commutation. Un tel éclateur de surface est connu en lui-même (cf. "Low inductance triggered multichannel surface switch for inductive energy storage generator" B. Etlicher et al, 10 IEEE Pulsed power conférence Albuquerque New Mexico, 1995 p.243). Chaque étage de l'éclateur 15 comprend une coupure 16 ménagée dans la plaque 10 selon toute sa largeur, une feuille d'isolant 17 s'étendant entre les deux bords de la plaque 10 en regard séparés par ladite coupure 16, et une électrode 18 de déclenchement en forme générale de peigne insérée au sein de l'isolant 14 sous la coupure 16. Cette électrode 18 est reliée à un déclencheur 19 apte à polariser l'électrode 18 à une tension élevée adaptée pour entraîner le claquage entre les deux bords de la coupure 16 le long de la surface de la feuille d'isolant 17, et l'établissement de plusieurs lignes de courant électrique parallèles entre les deux bords de la coupure 16, parallèlement aux dents du peigne formant l'électrode 18. Le déclencheur 19 est donc essentiellement une source de tension impulsionnelle de plusieurs dizaines de kilovolts, mais qui n'a pas à délivrer une puissance électrique importante.
Le nombre d'étages 15a, 15b de l'éclateur 15 placés en série successivement dépend notamment de la valeur de la tension électrique impulsionnelle qui doit être appliquée à la cellule électromagnétique 1 par les générateurs 2. En effet, lorsque cette valeur est trop importante, il est nécessaire de réaliser la commutation successivement d'un étage à l'autre, par des plaques intermédiaires polarisées par des tensions intermédiaires. Dans l'exemple représenté, l'éclateur 15 comprend deux étages successifs 15a, 15b, et la plaque intermédiaire 20 séparant ces deux étages est polarisée à une tension intermédiaire entre celle délivrée par la première électrode 12 et celle de la deuxième électrode 13 reliée à la masse, des générateurs 2, et ce, notamment par un pont diviseur comprenant deux résistances 21, 22 de valeurs très élevées (très supérieures à l'ensemble de la résistance de la ligne de liaison 3 et de la cellule électromagnétique 1) dont l'une 21 relie la première électrode 12 à la plaque intermédiaire 20, tandis que l'autre 22 relie la plaque intermédiaire 20 à la masse. Chaque étage 15a, 15b comprend une électrode 18a, 18b de déclenchement en forme de peigne (représentée en pointillés figure 1) reliée au déclencheur 19, comme décrit ci-dessus. Un échantillon 23 de matériau solide est fixé rigidement à l'une 4 des branches de la cellule électromagnétique 1. Pour ce faire, cette branche 4 comprend un logement ménagé en creux pour recevoir l'échantillon 23. Ce logement, et donc l'échantillon 23, est disposé en position au moins sensiblement médiane sur la branche 4, c'est-à-dire au moins sensiblement au milieu de sa largeur. De préférence, avantageusement et selon l'invention, le logement et l'échantillon 23 sont disposés au moins sensiblement en partie centrale de la branche 4.
Si l'échantillon 23 est en matériau conducteur, le logement qui le reçoit peut être ménagé dans toute l'épaisseur de la branche 4, c'est-à-dire jusqu'à la couche d'isolant 6, le courant électrique pouvant être véhiculé par l'échantillon 23 lui-même, comme cela est représenté dans la variante de la figure 6. Dans le cas contraire (variante de la figure 4), le logement n'est pas entièrement traversant et une paroi conductrice 24 forme un fond de logement pour séparer la couche d'isolant 6 de l'échantillon 23 et assurer le passage du courant électrique en regard de la face de l'échantillon 23 au contact du fond 24. L'épaisseur de ce fond 24 peut être extrêmement faible, et, par exemple, correspondre à l'épaisseur de peau dans laquelle le courant circule dans la branche 4. Pour former le logement recevant l'échantillon 23 et la paroi de fond 24, il suffit de réaliser un creusement dans l'épaisseur de la branche 4, de dimensions appropriées.
L'échantillon 23 comprend une paroi de fond 25 d'épaisseur constante relativement fine (en général de quelques dixièmes de millimètres) au sein de laquelle un champ de pression magnétique va être créé lorsque le courant électrique s'établira à travers la cellule électromagnétique 1, avant la destruction de l'échantillon 23 de matériau solide. Cette paroi de fond 25 est prolongée périphériquement vers le haut et latéralement au-dessus de la branche 4, en forme de collet 26, ce collet 26 constituent une couronne qui permet la fixation de l'échantillon 23 à la branche 4 par l'intermédiaire de vis 27. En variante non représentée, pour fixer l'échantillon 23, il est possible de prévoir une pièce distincte de l'échantillon 23 lui-même formant une couronne de fixation similaire à celle formée par le collet 26.
La cellule électromagnétique 1 présente une largeur, perpendiculairement au sens de circulation du courant électrique provenant des générateurs 2, qui est inférieure à la largeur de la ligne de liaison 3 et à la largeur cumulée des électrodes 12, 13 des générateurs 2. Plus généralement, la largeur de la bande de jonction 7 est inférieure à la largeur cumulée des premières électrodes 12 ou à la largeur cumulée des deuxièmes électrodes 13. De la sorte, la densité de courant augmente entre les générateurs 2 et la bande de jonction 7, c'est-à-dire entre les générateurs 2 et la cellule électromagnétique 1, dans laquelle la densité de courant est maximum.
Comme on le voit figure 1, les électrodes 12, 13 des générateurs 2 sont simplement placées au contact des plaques 10, 11 conductrices de la ligne de liaison 3.
Dans le cas où l'on souhaite employer un ou plusieurs générateurs 2 ayant, non pas des électrodes planes, mais une sortie coaxiale, il suffit de transformer cette sortie coaxiale 28 en deux électrodes planes 29, 30 comme représenté figure 3, en conservant la valeur de l'aire de la section droite transversale des électrodes.
La configuration des générateurs 2, de la ligne de liaison 3, et des moyens 15 de commutation à éclateurs, peut faire l'objet de nombreuses variantes. Ainsi, sur la figure 5, on a représenté schématiquement, vu de dessus, trois générateurs 2 associés chacun à un éclateur 15 de surface individuelle, selon trois branches parallèles de la ligne de liaison 3 qui se rejoignent les unes aux autres dans le plan pour former la cellule électromagnétique 1 portant l'échantillon 23. Sur la figure 7, on a représenté un autre mode de réalisation comprenant également trois générateurs 2 associés chacun à un éclateur en volume du type dit éclateur carré 31. Chacun des trois éclateurs 31 est relié à l'une des trois branches perpendiculaires formant la ligne de liaison 3 en forme générale de T. La cellule électromagnétique 1 est placée en prolongement de la jonction des trois branches de la ligne de liaison 3, dans le prolongement de la branche principale médiane du T qui est perpendiculaire aux autres. Les éclateurs carrés 31 sont des éclateurs en volume multicanaux multi-étages, et peuvent être par exemple réalisés comme décrit dans la publication "Multi gap, multi channel spark switches" Kim A. A. et al, l lth IEEE Pulsed power conférence Baltimore, Maryland, 1997 p. 862). Toute autre forme de réalisation d'éclateurs multicanaux peut être utilisée.
La couche d'isolant 6 séparant les deux branches 4, 5 de la cellule électromagnétique, ainsi que la couche d'isolant 14 séparant les plaques 10, 11 de la ligne de liaison 3, déborde latéralement sur le côté sur une distance suffisante, de façon à éviter tout phénomène de claquage de bord.
Comme on le voit figure 2, l'épaisseur de la couche d'isolant 6 de la cellule électromagnétique 1 correspondant à la distance entre les deux branches 4, 5 de la cellule électromagnétique 1 , est inférieure à celle de la couche d'isolant 14 correspondant à la distance entre les deux plaques 10, 11 de la ligne de liaison 3. En effet, la distance séparant les deux branches 4, 5 de la cellule électromagnétique 1 est aussi faible que possible. Dans le cas où l'on utilise une couche d'isolant 6 formée d'un matériau diélectrique solide ou solide/liquide, disposé en une ou plusieurs couche(s), cette distance peut être inférieure à 1mm, par exemple de l'ordre de 500μm. Une telle distance extrêmement faible a pour effet de diminuer fortement l'inductance de la cellule électromagnétique 1, et donc l'énergie requise pour établir un courant d'intensité élevée en un temps de montée x du carré de l'intensité inférieur à 500ns - notamment inférieur à 300ns- au sein de la cellule électromagnétique 1, cette intensité élevée étant elle-même adaptée à créer un champ de pression magnétique intense au sein de l'échantillon 23. Il est à noter à cet égard que contrairement à ce qui est représenté, l'épaisseur de l'isolant 6 peut être inférieure à celle des branches 4, 5.
Les équations simplifiées permettant de décrire approximativement le fonctionnement d'une telle cellule électromagnétique 1 sont les suivantes.
U étant la tension purement inductive appliquée entre les deux branches 4, 5, L étant l'inductance totale de la cellule électromagnétique 1, Ima étant l'intensité maximale du courant électrique établi d'une cellule électromagnétique 1, x' étant le temps de montée de l'intensité électrique du courant de 10% à 90% de sa valeur maximale Imax, B étant la valeur maximale du champ magnétique, μ étant la perméabilité magnétique du milieu, e étant la distance entre les branches 4, 5, Em étant la rigidité diélectrique du matériau formant la couche d'isolant 6 (c'est-à-dire le champ électrique maximum de claquage par unité de longueur dans le sens de l'épaisseur), £ étant la largeur de la cellule électromagnétique 1 supposée être égale à sa longueur, C étant la capacité équivalente des moyens de générations, et L' étant l'inductance équivalente totale de l'ensemble du dispositif (moyens de génération d'impulsions de courant électrique et cellule électromagnétique). Dans l'hypothèse où la longueur de la cellule électromagnétique est égale à sa largeur, on obtient :
U ≈ L.Imax/x'
B ≈ μ.lm £ L ≈ μ.e
U ≈ Em.e
Imax ≈ Em.- ≈ U.x'/μ.e μ x' ≈ π/2 -JIJA
Compte tenu des équations de Maxwell, on sait que la pression magnétique qui sera engendrée au sein de l'échantillon 23 est proportionnel à P, où I est l'intensité du courant électrique.
Ainsi, la pression maximale engendrée dans l'échantillon
23 sera d'autant plus grande que la rigidité diélectrique Em de l'isolant sera forte et que l'épaisseur e entre les branches 4, 5 sera faible. Néanmoins, la tension maximum qu'il est possible d'appliquer à la cellule électromagnétique 1 est limitée par la valeur du produit de Em par e.
Il est à noter que la rigidité diélectrique Em du matériau considéré est la rigidité diélectrique impulsionnelle. En pratique, on connaît certains matériaux solides et certains matériaux formés d'un mélange solide/liquide (solide imbibé d'un liquide) qui présentent des rigidités diélectriques supérieures à 100 kV/mm en régime impulsionnel d'une durée de l'ordre de la microseconde, tel que le Kapton (marque enregistrée) commercialisé par la Société DUPONT DE NEMOURS. Ce matériau est un polyimide.
Mais, on peut également utiliser aussi un polyester tel que le Mylar (marque enregistrée) commercialisé également par la Société DUPONT DE NEMOURS, ou un polyéthylène haute densité.
Typiquement, les branches 4, 5 de la cellule électromagnétique 1 peuvent présenter une largeur de l'ordre de quelques millimètres, par exemple 2 à 15mm —notamment de l'ordre de 8mm-. Les branches de la cellule électromagnétique 1 et la ligne de liaison 3 peuvent être réalisées par exemple en cuivre ou tout autre conducteur de grande qualité.
A titre d'exemple, si e=0,lmm, Em=200kV/mm, =8.106A, τ'=100ns, L=0,25nH, U=20kV, B est de l'ordre de 1250 Tesla pour un échantillon de 5mm de diamètre. La pression magnétique maximale générée au sein du matériau peut être de l'ordre de 6.10nPa. L'énergie inductive dans la cellule électromagnétique 1 sera de l'ordre de 8 kJ.
Par ailleurs, on constate que le champ magnétique est extrêmement homogène au sein de l'échantillon 23. Il en va donc de même de l'intensité du courant électrique et du champ de pression magnétique créés. II est à noter, qu'en variante non représentée, la cellule électromagnétique 1 peut être isolée, non pas par une couche d'isolant 6 de matériau diélectrique, mais en étant placée dans le vide par isolement magnétique. Néanmoins, cette technologie est plus lourde et complexe. En outre, l'isolement magnétique impose de respecter une certaine distance entre les branches 4, 5 qui, en pratique, est supérieure à 0,5mm. Dès lors, l'inductance de la cellule électromagnétique 1 s'en trouve augmentée d'autant, ainsi que la tension inductive maximum de polarisation de la cellule électromagnétique 1, et donc l'énergie inductive devant être délivrée par les générateurs 2. En pratique, on peut néanmoins augmenter plus fortement la valeur de l'intensité maximale du courant, et donc de la pression magnétique maximale générée au sein de l'échantillon 23. Typiquement, on peut atteindre aisément des valeurs de 1 1.1011 Pa avec une énergie inductive de l'ordre de 40 à 80 kJ. Les générateurs 2 peuvent être formés de simples condensateurs tels que des condensateurs Maxwell n° 37336 ou de tout autre générateur connu à haute puissance puisée permettant d'obtenir le temps de montée x (ou x') et la valeur de tension U et de l'intensité maximale Imax (avec ou sans système de formation de l'impulsion). De préférence, on utilise les générateurs ayant les meilleurs rendements, le plus faible encombrement, et la plus faible inductance. Parmi les générateurs pouvant être utilisés, on peut citer : des générateurs de Marx, des transformateurs ; des générateurs à stockage inductif ; des générateurs à stockage capacitif ; des générateurs hybrides à stockage inductif et capacitif.
L'échantillon 23 est par ailleurs analysé par un dispositif d'analyse 32, par exemple par interférométrie Doppler laser. Il est à noter que l'invention permet de disposer tous dispositifs d'analyse appropriés en regard de l'échantillon 23. Dans un dispositif selon l'invention, l'inductance vue par les générateurs 2 est extrêmement faible, de sorte que l'énergie inductive que ces générateurs 2 doivent produire est également faible. En conséquence, les générateurs peuvent être dimensionnés avec un faible encombrement et une faible puissance de sortie relative. Ainsi, avec des générateurs traditionnels, il est possible de générer, au sein de l'échantillon 23, des champs de pression magnétique extrêmement élevés sur une durée faible mais ajustable. Ces champs de pression magnétique peuvent être des compressions avec ou sans choc, et qui peuvent être isentropiques, selon les valeurs créées. Selon la tension délivrée par les générateurs, on peut faire varier l'intensité du courant, et donc la valeur de la pression magnétique maximale, sans faire varier la durée d'application du champ de pression. Si l'on fait varier la distance e entre les branches 4, 5, par exemple avec la variante de dispositif représentée figure 6, on peut alors ajuster la valeur de l'inductance L, donc celle du courant maximum Imax, et du temps de montée x' (ou x). Comme on le voit figure 6, la branche 4 est associée à la bande de jonction 7 par des boulons 33 qui prolongent cette branche 4, et traversent les alésages 34 ménagés à travers la bande de jonction 7 qui est elle-même prolongée vers le haut. Plusieurs lignes d'alésage 34 sont ménagées dans la bande de jonction 7 selon la distance que l'on souhaite donner entre les branches 4, 5. En variante, il est tout aussi possible de créer une inductance complémentaire dans la ligne de liaison 3 ou dans la cellule électromagnétique 1 en interposant des moyens formant une inductance variable, par exemple un pont de hauteur réglable.
L'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes par rapport aux modes de réalisation décrits et représentés uniquement à titre d'exemples non limitatifs.

Claims

REVENDICATIONS 1/ - Dispositif apte à générer des variations de pression magnétique intenses et brèves, prédéterminées et contrôlées, pouvant être isentropiques au sein d'un échantillon (23) de matériau solide, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (2, 3) de génération d'impulsions de courant électrique du type dits à haute puissance puisée et une cellule électromagnétique (1) reliée aux moyens (2, 3) de génération d'impulsions de courant électrique, cette cellule électromagnétique (1) portant l'échantillon (23) et étant adaptée pour que l'échantillon (23) soit soumis à des impulsions d'énergie électromagnétique résultant de l'application à la cellule électromagnétique (1) d'impulsions de courant électrique issues des moyens (2, 3) de génération d'impulsions de courant électrique, en ce que la cellule électromagnétique (1) comprend une ligne plate parallèle de matériau conducteur comprenant deux branches (4, 5) en forme de plaques planes, de mêmes formes et dimensions, séparées l'une de l'autre d'une distance inférieure ou égale à 3mm, dont l'une (4) porte l'échantillon (23) fixé rigidement sur cette branche (4), ces deux branches (4, 5) étant reliées électriquement l'une de l'autre par une bande de jonction (7) d'extrémité, et électriquement reliées, à l'opposé de la bande de jonction (7) d'extrémité, aux moyens (2, 3) de génération d'impulsions de courant électrique, de façon à permettre l'établissement d'un courant électrique circulant depuis les moyens (2, 3) de génération d'impulsions de courant électrique dans une branche (4), puis dans la bande d'extrémité (7), puis dans l'autre branche (5) pour revenir aux moyens (2, 3) de génération d'impulsions de courant électrique, et en ce que les moyens (2, 3) de génération d'impulsions de courant électrique et la cellule électromagnétique (1) sont adaptés pour que le temps de montée x dans lequel le carré de l'intensité du courant électrique circulant dans la cellule électromagnétique (1) passe de 10% à 90% de sa valeur maximale Imax 2 soit compris entre 1ns et 500ns. 2/ - Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la cellule électromagnétique (1) est adaptée pour présenter une inductance inférieure à 4nH. 3/ - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux branches (4, 5) sont isolées l'une de l'autre par un matériau diélectrique (6).
4/ - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau diélectrique (6) est solide ou solide/liquide.
5/ - Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le matériau diélectrique (6) présente une rigidité diélectrique impulsionnelle supérieure à 100 kV/mm.
6/ - Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le matériau diélectrique (6) s'étend latéralement au-delà des branches (4, 5) pour empêcher les claquages de bordure.
Il - Dispositif selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le matériau diélectrique (6) est choisi parmi un polyimide, un polyester ou un polyéthylène haute densité. 8/ - Dispositif selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la distance entre les deux branches (4, 5) est inférieure à lmm.
9/ - Dispositif selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que la cellule électromagnétique (1) est adaptée pour présenter une inductance inférieure à 2nH.
10/ - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens (2, 3) de génération d'impulsions de courant électrique comportent :
- au moins un générateur (2) d'impulsions de courant électrique à haute puissance puisée comprenant deux électrodes (12, 13) de sortie, dites première (12) et deuxième (13) électrodes de sortie,
- une ligne de liaison (3) électrique comprenant une première plaque (10) conductrice s'étendant entre la première électrode (12) de sortie de chaque générateur (2) et l'une (4) des branches de la cellule électromagnétique (1), et une deuxième plaque (1 1) conductrice s'étendant entre la deuxième électrode (13) de sortie et l'autre (5) branche de la cellule électromagnétique (1). 11/ - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la section droite transversale de la bande de jonction (7) perpendiculairement au sens du courant électrique est plus petite que la section droite transversale cumulée des premières (12) ou des deuxièmes (13) électrodes, de sorte que la densité de courant électrique atteint sa valeur maximum dans la bande de jonction (7).
12/ - Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la largeur de la bande de jonction (7) est inférieure à la largeur cumulée des premières électrodes (12) ou des deuxièmes électrodes (13). 13/ - Dispositif selon l'une des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que les deux branches (4, 5) sont rectangulaires, la bande de jonction (7) reliant deux bords rectilignes (8, 9) des deux branches (4, 5), et en ce que les plaques (10, 11) de la ligne de liaison (3) électrique sont de forme convergente en largeur et/ou en épaisseur, de sorte que la densité de courant est de valeur maximum dans les branches (4, 5) de la cellule électromagnétique (1).
14/ - Dispositif selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que les plaques (10, 11) de la ligne de liaison (3) sont globalement de mêmes formes et dimensions, parallèles l'une de l'autre, superposées en regard l'une de l'autre, séparées et isolées l'une de l'autre. 15/ - Dispositif selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que les plaques (10, 11) de la ligne de liaison (3) s'étendent dans le prolongement des branches (4, 5) de la cellule électromagnétique (1).
16/ - Dispositif selon l'une des revendications 10 à 15, caractérisé en ce que la ligne de liaison (3) est adaptée pour présenter une inductance inférieure à 5nH.
17/ - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que les moyens (2, 3) de génération d'impulsions de courant électrique comprennent au moins un éclateur (15, 31) multicanaux apte à répartir l'énergie électrique selon la section droite transversale des branches (4, 5) de la cellule électromagnétique (1). 18/ - Dispositif selon les revendications 10 et 17, caractérisé en ce qu'un éclateur multicanaux (15, 31) est interposé entre chaque générateur (2) et la cellule électromagnétique (1).
19/ - Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que pour chaque générateur (2), un éclateur multicanaux (15, 31) individuel est interposé entre la première électrode (12) de sortie de ce générateur (2) et la première plaque (10) de la ligne de liaison (3).
20/ - Dispositif selon l'une des revendications 17 à 19, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un groupe de plusieurs générateurs (2) et en ce qu'un éclateur multicanaux (15) commun est interposé entre toutes les premières électrodes (12) des générateurs (2) du même groupe et la première plaque (10) de la ligne de liaison (3).
21/ - Dispositif selon l'une des revendications 17 à 20, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un éclateur (15, 31) multi-étages série. 22/ - Dispositif selon l'une des revendications 17 à 21, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs éclateurs (15, 31) en parallèle.
23/ - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 22, caractérisé en ce que l'échantillon (23) est placé et fixé rigidement dans un logement de la branche (4) qui le porte. 24/ - Dispositif selon la revendication 23, caractérisé en ce que le logement débouche du côté de l'espace séparant les deux branches (4, 5) l'une de l'autre, de sorte qu'un échantillon (23) en matériau conducteur peut être placé dans le logement, de façon à être en liaison électrique avec la branche (4) qui le porte, cet échantillon (23) ayant une face au contact de l'espace séparant les deux branches (4, 5) l'une de l'autre -notamment au contact du matériau diélectrique (6)-.
25/ - Dispositif selon la revendication 23, caractérisé en ce que le logement présente un fond (24) formant une paroi conductrice apte à séparer un échantillon (23) ou matériau non conducteur ou en matériau mauvais conducteur placé dans le logement, de l'espace séparant les deux branches (4, 5) l'une de l'autre -notamment du matériau diélectrique (6)-. 26/ - Dispositif selon la revendication 25, caractérisé en ce que la paroi conductrice (2, 4) présente une épaisseur inférieure à celle de la branche (4) qui la porte.
27/ - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 26, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (33, 34) permettant d'ajuster la valeur de l'inductance de la cellule électromagnétique (1) et/ou des moyens (2, 3) de génération d'impulsions de courant électrique.
28/ - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 27, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (33, 34) permettant d'ajuster la distance (e) entre les deux branches (4, 5).
29/ - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 28, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (32) d'analyse du comportement mécanique de l'échantillon (23) -notamment par interférométrie Doppler laser-.
30/ - Procédé pour générer des variations de pression magnétique intenses et brèves, prédéterminées et contrôlées, pouvant être isentropiques dans un échantillon (23) de matériau solide, caractérisé en ce qu'on fixe rigidement l'échantillon (23) sur une branche (4) d'une cellule électromagnétique (1) d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 29, et on commute les moyens (2, 3) de génération d'impulsions de courant électrique de façon à entraîner dans la cellule électromagnétique (1) l'établissement d'un courant électrique apte à générer des forces de pression magnétiques au sein de l'échantillon (23), le temps de montée x du carré de l'intensité du courant électrique étant compris entre 1ns et 500ns.
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