Chapitre II. Dispositif Expérimental
II.4. Aspects du dispositif spécifiques aux essais statiques
statiques
II.4.1. Electrodes
Les contacts sont de simples pièces de cuivre recuit, cylindriques et creuses sur lesquelles ont
été brasées des plaquettes en CuCr25 d’un diamètre de 70mm (Figure II-2). Lors de la
première campagne d’essais, réalisée sans champ magnétique axial, le diamètre extérieur des
contacts était de 74mm de sorte qu’un rebord de cuivre de 2mm dépassait de la surface en
CuCr25. Lors des campagnes suivantes, les contacts ont été retaillés pour avoir un diamètre
extérieur identique à celui de la plaquette en CuCr25 de manière à éliminer le rebord.
Figure II-2 : Contacts utilisés lors de la première campagne d ’essais statiques
II.4.2. Mécanisme d’amorçage
Les contacts étant statiques et la tension d’alimentation de la maquette restant trop basse pour
pouvoir provoquer une décharge même avec une distance inter-électrodes de seulement 10mm
[118], il est nécessaire de disposer d’un dispositif auxiliaire pour amorcer l’arc. Dans la
bibliographie, nombre de procédés sont envisagés et utilisés pour réaliser cet amorçage. Par
exemple, les chercheurs de Xi’an [119] ont utilisé un dispositif d’amorçage dans lequel une
électrode auxiliaire à pointe de tungstène est insérée à l’intérieur d’un trou aménagé au centre
de la cathode. Cette électrode est isolée de la cathode par une gaine en céramique. Une
étincelle générée par une haute tension entre la cathode et l’électrode auxiliaire permet
l’amorçage.
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II.4.2.1.Dispositif d’amorçage
L’équipe de SuperGrid-Institute s’est inspirée de ce principe pour réaliser son dispositif
d’amorçage. Dans notre maquette (Figure II-3), une électrode auxiliaire de 6mm de diamètre
est implantée sur l’un des ports latéraux de la maquette. Sa pointe de 2mm de diamètre en
cuprotungstène est disposée à proximité immédiate du bord du contact inférieur, si possible
très légèrement en-dessous de la surface du contact afin de limiter les risques de perturbation
de l’arc. L’électrode est alimentée par une source de tension de 20kV générant une impulsion
de 20μs et d’intensité 135mA.
Figure II-3 : Schéma de l’implantation de l’électrode.
II.4.2.2.Positionnement de l’électrode auxiliaire
Afin de déterminer la distance maximale autorisée entre la pointe de l’électrode auxiliaire et
le contact inférieur pour avoir un claquage avec notre source de tension, un essai préalable a
été réalisé dans une véritable ampoule à vide (non équipée de l’électrode auxiliaire
d’amorçage) en faisant varier manuellement la distance entre les contacts. Lors de cet essai, la
distance maximale de claquage entre les deux contacts s’est avérée être de 1mm. Dans notre
maquette, la distance maximale de claquage s’est toutefois révélée être beaucoup plus faible
(en dessous de 70µm
4). En effet, contrairement aux mécanismes de claquage dans les gaz,
l’amorçage dans le vide est lié à des phénomènes essentiellement surfaciques. Aussi, la
distance maximale de claquage tend à décroître avec la diminution de la surface de
l’électrode [120]. Il est à noter que l’amorçage de l’arc est un point délicat de la mise en
œuvre des expériences. La faible puissance de la source de tension utilisée au cours de ce
travail, associée aux difficultés rencontrées pour bien maîtriser le positionnement de
l’électrode d’amorçage, ont causé de nombreux échecs d’amorçage.
II.4.3. Bobine de Helmholtz
La bobine de Helmholtz consiste en une paire de solénoïdes de ~270mm de rayon, de
16 spires chacun et espacés de ~420mm, placés à l’extérieur de l’enceinte. Une mesure du
champ magnétique axial produit par ce dispositif dans l’enceinte a été réalisée dans un
laboratoire du CERDA destiné normalement à tester l’échauffement des appareillages
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électriques (Figure II-4). Ce laboratoire dispose d’une alimentation pouvant produire sur de
longues périodes un courant alternatif à 50 Hz de très forte intensité en très basse tension de
sécurité. Nous avons utilisé une tension atteignant 19,3V, ce qui a permis de générer un
courant de 131A. Le rapport entre l’intensité du courant et la tension ainsi que le déphasage
entre les deux signaux nous ont permis de mesurer les caractéristiques suivantes du jeu de
bobines :
R
bobines=77,0mΩ,
L
bobines=399μH.
Figure II-4 : Maquette portant la bobine de Helmholtz pendant l’expérience de mesure du champ magnétique au laboratoire d’échauffement du CERDA.
L’intensité de l’AMF a été mesurée avec un gaussmètre Bell 5180/P1 muni d’une sonde à
effet Hall. Cette sonde a été montée sur une table de positionnement mono-axe. Le champ
magnétique et le déphasage de ce dernier par rapport au courant bobine ont été mesurés en
faisant varier la position radiale de la sonde. Cette mesure a été réalisée avec les contacts
pleins utilisés pour les essais statiques avec un écartement de 25mm.
Comme le montre la Figure II-5, au-delà de 60mm, le champ magnétique axial et son
déphasage par rapport au courant injecté dans la bobine ne sont que faiblement variables. Il
apparait en revanche clairement que ces deux variables sont fortement influencées par la
présence des contacts. En effet, entre le bord et le centre de l’espace inter-électrodes,
l’intensité de l’AMF chute de 44% tandis que le déphasage augmente de 1,8ms. Dans la suite
de ce chapitre, nous donnerons systématiquement la valeur calculée de l’intensité de l’AMF
au bord de l’espace inter-électrodes, à partir du facteur de
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Figure II-5 : Profils radiaux du champ magnétique généré par la bobine de Helmholtz et du retard du champ magnétique par rapport au courant bobine mesuré s dans le plan situé à équidistance des
contacts.