Circuit électrique

Similairement aux systèmes classiques de génération de champs pulsés, les micro bobines sont placées dans un circuit série du type RLC (résistance - inductance - capacitance), comprenant aussi un interrupteur rapide (Figure 3.3). Afin d'avoir une impulsion de 30ns, la partie réactive du circuit doit être telle que π LC ≈ 30ns. L'inductance L de la bobine avec ses contacts et amenés de courant a été déterminée expérimentalement et vaut approximativement 8 nH. La valeur de la capacité a été donc choisie comme C = 12 nF. Dans la pratique nous avons utilisé douze capacités céramiques de 1nF haute tension (7,5 kV)

bobine

I_bob

claquage

électrique

I_ch

C

Figure 3.3 : Circuit électrique RLC équivalent. La résistance est plutôt définie par celle du plasma tandis que l'inductance vient plutôt des connexions entre la bobine et le banc de condensateurs.

reliées en parallèle entre deux plaques de cuivre pour maintenir l'inductance globale du circuit la plus basse possible. Le banc de capacités mesure 75 mm × 25 mm × 5 mm. La condition idéale pour avoir une impulsion d'amplitude maximum sans rebondissements dans un circuit

RLC est la condition d'amortissement critique R = 2 L C , qui donne dans le cas présent une résistance R = 1,6 Ω. La résistance de la micro bobine elle- même est seulement 4 mΩ.

L'énergie nécessaire pour créer le champ magnétique va initialement être stockée dans les capacités. Comme interrupteur pour déclencher la décharge des capacités, nous avons choisi un claquage électrique. C'est une méthode classique et relativement simple, fréquemment utilisée dans les applications de haut courant, haute tension, faibles impédances. Elle s'adapte aussi bien aux applications de haute fréquence car les conditions pour la formation d'un plasma peuvent se produire assez rapidement (∼10^-9 s).⁷ De l'expression de Toepler,⁷ la résistance moyenne du plasma associé à un claquage électrique est R=k l / Q, où Q est la charge traversant le plasma, l est la distance entre les électrodes en centimètres et k est une constante qui vaut 0,8x10^-3 pour Ar à la pression atmosphérique. Une distance inter électrodes de 0,9 millimètres donnerait donc la résistance nécessaire pour l'amortissement critique. Nous avons choisi, cependant, de garder la distance inter électrodes plus petite pour réduire l'énergie nécessaire pour arriver à un même champ maximum, et ainsi la tension sur les condensateurs. Ceci donne un circuit légèrement sous amorti mais un courant de pic plus élevé.

Les électrodes sont faites de deux petites lames en cuivre 3 mm de large, séparées par 0,3 à 0,5 mm placées dans une petite enceinte. Un mélange d'Ar et de SF6 est introduit dans l'enceinte de façon à pouvoir contrôler la tension de claquage et ainsi le courant dans la bobine. Cela permet aussi de s'affranchir des variations de l'air atmosphérique entre autre l'humidité. Les dommages de la décharge causés sur les électrodes de cuivre peuvent être négligés à court terme car la distance inter électrodes est relativement grande.

L'énergie fournie par le banc de condensateurs dans chaque impulsion est de l'ordre de 130 mJ pour un courant de pic de 3500A. Puisque le plasma donne la résistance principale du circuit, la majeure partie de l'énergie y est absorbée et nous calculons que seulement 1,2 mJ sont utilisés dans l'échauffement de Joule de la bobine. Bien que l'efficacité globale du système soit très basse, ceci a peu d'importance puisque la consommation totale d'énergie est très faible. Il vaut la peine de noter que le champ produit dans des conditions expérimentales identiques est assez reproductible (de l'ordre de ±5%).

La décharge est lancée en chargeant les condensateurs jusqu'à la tension de claquage définie par la concentration relative d'Ar et de SF6. La Figure 3.4 montre la tension sur les condensateurs avant et pendant la décharge pour les divers taux de SF6 / Ar. L'encart montre le champ de claquage en fonction du taux de SF6 / Ar, qui est en assez bon accord avec les valeurs publiées auparavant pour les champs de claquage dans SF6 et Ar.⁸ Cette technique de déclenchement asynchrone assez simple et fiable permet de contrôler le courant dans la bobine, celui-ci étant ainsi proportionnel à la tension de charge des condensateurs. Cependant une certaine dispersion d'amplitude est observée en particulier pour les concentrations plus faibles de SF₆ car le champ de claquage devient plus susceptible aux variations de pression, température et éventuelles modifications des électrodes (particules, corrosion, érosion, etc).

On peut aussi contrôler, de manière synchronisée, la décharge des condensateurs par l'intermédiaire d'un rayon laser pulsé focalisé entre les deux électrodes, avec une concentration gazeuse telle que le claquage n'est pas atteint spontanément. La Figure 3.5

0 20n 40n 60n 80n

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

% de SF

en Ar:

Temps (s)

Tension de charge (V)

Figure 3.4 : Décharge du banc de condensateurs de 12 nF pour plusieurs concentration de SF₆ dans l'Ar. L'encart montre le champ de claquage en fonction du pourcentage de SF₆ ainsi que l'ajustement par une droite.

montre la décharge des condensateurs après avoir été chargés à une tension donnée (de 200V à 2000V), en utilisant comme déclenchement un laser Nd:YAG doublé en fréquence. La Figure 3.4 montre que le circuit de RLC équivalent est sous-amorti tandis que la Figure 3.5 illustre le cas sur-amorti. Les différences entre les circuits ci-dessus sont la distance inter électrodes et la nature du gaz (0,3mm et Ar/SF6 pour la Figure 3.4, 1mm et de l'air pour la Figure 3.5). Ceci illustre l'importance de la résistance de claquage dans le comportement électrique final du circuit.

Le banc de condensateurs peut être rechargé rapidement donnant un taux de répétition de l'impulsion d'environ 1 hertz pour des courants de pic de 3500 A. Le cycle de charge- décharge se fait spontanément grâce au comportement non linéaire du claquage que lui confère une caractéristique d'oscillateur dent de scie (charge longue, décharge rapide). Le profil du courant a été mesuré par l'intermédiaire d'une bobine fixe placée à côté du chemin de retour du courant de la bobine.

0 20n 40n 60n 80n

0

500

1000

1500

2000

* laser focalisé à mi-distance

entre les électrodes

distance interelectrodes: 1 mm

200<V

C

<2000

Tension de charge (V)

Temps (s)

Figure 3.5: Claquage induit par laser pulsé de Nd:YAG focalisé entre les électrodes. La puissance du faisceau laser est constante tandis que la tension de charge des capacités varie de 200 à 2000 V.

Un profil typique de l'impulsion de courant est montré dans Figure 3.6. Ce profil est bien reproductible et est caractéristique d'un circuit RLC sous-amorti. La valeur de courant de pic a été obtenue à partir d'une analyse plus détaillée du circuit de RLC comprenant le comportement non linéaire de la résistance de claquage.