Essais en tension continue

Nous avons aussi modifié le montage afin d’effectuer des essais en tension continue. Pour cela, nous avons simplement enlevé le déclenchement de la tension, ainsi la tension est appliquée de manière continue aux bornes de l’éclateur. Le courant est toujours mesuré par une bobine de Rogowski. La tension n’est par contre plus mesurée de manière directe. Afin de filtrer la composante continue sur la mesure de tension un condensateur est placé en série sur la sonde de tension comme ci-dessous (Figure9):

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Figure 9 : Schéma électrique de l’application de la tension continue et des dispositifs de mesures.

La valeur du condensateur a été choisie à 2 nF correspondant à un temps caractéristique de 100 ns soit une fréquence de coupure de 1,6 MHz pour le filtre passe bas équivalent. Ainsi, la mesure est isolée de la composante continue de la tension appliquée aux bornes de l’éclateur est n’est sensible qu’aux variations rapides de tension induites par le claquage déclenché par le laser (Figure 10).

Figure 10 : Signaux typiques de la photodiode mesurant l’arrivée de l’impulsion laser (bleue) et de l’oscillation rapide de tension induite par le claquage (noir).

Le champ de claquage a été estimé à 36 kV/cm en effectuant plusieurs autoclaquages spontanés sur des gaps courts pour différentes tensions appliquées. Cette valeur est conforme à la valeur trouvée dans la littérature. Le laser permet un abaissement du seuil de claquage maximal de 30 % conforme à la référence [Tzortzakis 01].

Nous avons répété la même mesure que dans le cas impulsionnel à savoir une mesure de la moyenne et de l’écart type du retard entre le laser et la décharge déclenchée (Figure 11). On voit que même pour le trou de 3 mm ce retard est plus élevé que dans le cas impulsionnel et qu’il est assez constant pour les différents gaps. L’augmentation du diamètre de trou à 5 mm n’entraine une augmentation du retard que de 40%.

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Figure 11 : Délai moyen entre l’impulsion laser et la décharge déclenchée en fonction du gap inter électrodes pour un trou de 3 mm (bleu) et un trou de 5 mm (rouge).

Par contre le jitter est très fortement perturbé par l’application continue de la tension (figure 13). Alors qu’en impulsionnel un jitter inférieur ou égal à 100 ps a été obtenu, ici la valeur de 5 ns est l’optimum que nous avons atteint pour un gap court (5 mm) et un trou fin (3 mm). De plus on voit qu’avec l’augmentation du gap, le jitter se dégrade fortement (de 5 ns à 15 ns). Le jitter obtenu avec un trou de 5 mm est sensiblement du même ordre de grandeur. Cette dégradation importante du jitter vient de l’application continue de la tension. En effet, des décharges couronnes se développent avant l’application du laser, créant ainsi un plasma entre et au voisinage des électrodes. Ce plasma perturbe le filament laser engendrant ainsi des instabilités dans le déclenchement.

Figure 2 : Jitter du retard entre l’impulsion laser et la décharge déclenchée en fonction du gap inter électrodes pour un trou de 3 mm (bleu) et un trou de 5 mm (rouge).

L’application continue de la tension n’est pas conforme avec l’idée d’un système de commutation fiable et reproductible. Ainsi, il est indispensable que la tension appliquée aux bornes de l’éclateur soit impulsionnelle avec un front de montée assez rapide pour empêcher le développement des décharges coronas avant l’arrivée du laser. De plus, la valeur du plateau de tension doit être suffisamment stable pour éviter un jitter induit par une fluctuation de la tension au moment du claquage.

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Conclusion

Nous avons présenté ici le développement d’un dispositif extrêmement simple de type « éclateur spark gap » robuste fonctionnant dans l’air à pression atmosphérique pour des grandes distances inter électrodes (jusqu’à 30 mm). Les éclateurs spark gaps fonctionnent habituellement dans des gaz spécifiques (comme le SF6) à très hautes pressions pour des gaps millimétriques. L’éclateur que nous avons testé peut être déclenché de manière fiable à plusieurs dizaines de mètres de distance et peut commuter des forts courants (jusqu’à 13 kA) avec un jitter extrêment faible (100 ps pour un gap de 1 cm). Ceci est rendu possible par l’utilisation du filament laser comme source de déclenchement. En effet, en régime de filamentation femtoseconde, l’impulsion laser se propage non linéairement de manière autoguidée en laissant dans son sillage une longue colonne de plasma de densité uniforme. Cette colonne connecte de manière quasi instantanée les deux électrodes de l’éclateur, permettant ainsi une très grande fiabilité et reproductibilité de l’éclateur. De plus, le filament ne semble présenter aucune limitation en terme de puissance commutée. Ce dispositif est le premier bloc d’une colonne de Marx ultra-fiable déclenchée par une impulsion laser femtoseconde.

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BIBLIOGRAPHIE

[Alcock 70] A.J Alcock, M.C. Richardson et K. Leopold, “A Simple Laser‐Triggered Spark Gap with Subnanosecond Risetime “,Rev. Sci. Inst. 41, p 1028 -1030(1970)

[Brussaard 05] G.J.H. Brussaard et J. Hendriks, “Photoconductive switching of a high-voltage spark gap “, Appl. Phys. Lett. 86, 081503 (2005)

[Couairon 07] A. Couairon and A. Mysyrowicz, “Femtosecond filamentation in transparent media”, Phys. Rep. 411, 47-189 (2007)

[Dougal 84] R.A. Dougal and P.F. Williams, “Fundamental processes in laser-triggered electrical breakdown of gases” J. Phys. D., 17, 903 (1984)

[Frolov 04] O. Frolov, K. Kolacek, V. Bohacek, J. Straus, J. Schmidt and V. Prukner, “Gas-filled laser-triggered spark gap”, Czechoslovak Journal of Physics Vol 54, Supplement 3 (2004)

[Guenther 78] A.H. Guenther and J.R. Bettis, “The laser triggering of high-voltage switches” J. Phys. D, 11 (11) p. 1577 (1978)

[Houard 07] A. Houard, C. D’Amico, Y. Liu, Y. B. André, M. Franco, B. Prade, E. Salmon, P. Pierlot, L.-M. Cléon, A. Mysyrowicz, “High Current Permanent Discharges in Air Induced by Femtosecond Laser Filamentation,” Appl. Phys. Lett 90, 171501 (2007)

[Kimura 86] W.D. Kimura, M.J. Kushner, E.A. Crawford and S.R. Byron, “Laser Interferometric Measurements of a Laser-Preionization-Triggered Spark Column “, IEEE Trans. Plasma Sci., 14, 246 (1986)

[Kushner 85] M.J. Kushner, R.D. Milroy et W.D. Kimura, “A laser‐triggered spark gap model”, Journal of Appl. Phys. 58 (8), p 2988-3000 (1985)

[Luther 01] B.M. Luther, L. Furfaro, A. Klix et J.J. Rocca, “Femtosecond laser triggering of a sub- 100 picosecond jitter high-voltage spark gap”, Appl. Phys. Lett. 79, 3248 – 3250 (2001)

[Najafzadeh 87] R. Najafzadeh, E.E. Bergmann and R.J. Emrich, “Schlieren and interferometric study of a laser triggered air spark in the nanosecond regime” J. Appl. Phys., 62, 2261 (1987) [Pendleton 65] W.K. Pendleton et A.H. Guenther, “Investigation of a laser triggered spark gap”, Rev. Sci. Inst. 36, p 1546-1550 (1965)

[Polonskiy 96] L.Y. Polonsjiy, A.Y. Goltsov et A.V. Morosov , “Fast switching with laser‐generated continuous plasma columns”, Phys. Plasmas 3, 2781 (1996)

[Savage 09] M.E. Savage et B.S. Stoltzfus, “High reliability low jitter 80 kV pulse generator”, Phys. Rev. ST Accel. Beams 12, 080401 (2009)

[Soubacq 02] S. Soubacq, P. Pignolet and S. Mendonca, “Investigation of a gas breakdown process in a laser-plasma experiment”, J. Phys. D, 35, 1955 (2002)

Laboratoire d’Optique Appliquée | Thèse Benjamin FORESTIER 116 [Tzortzakis 01] S. Tzortzakis, B. Lamouroux, A. Chiron, S. D. Moustaizis, D. Anglos, M. Franco, B. Prade, and A. Mysyrowicz., “Femtosecond laser-guided electric discharge in air”, Phys. Rev. E. 64, 57401 (2001)

[Woodworth 84] J.R. Woodworth, P.J. Hargis, Jr., L.C. Pitchford and R.A. Hamil,” Laser triggering of a 500‐kV gas‐filled switch: A parametric study”, J. Appl. Phys. 56, 1382 (1984).

[Zhang 09] Z. Zhang et al., “Triggering and guiding of high voltage discharge by using femtosecond laser filaments with different parameters”, Chin. Phys. Soc. 18, 1136-1040 (2009)

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