Montage expérimental

Le montage expérimental est le même que précédemment, auquel est ajoutée une seconde électrode (nommée A dans la Figure 17) représentant le site critique. L’électrode sphérique B modélise le paratonnerre de sécurité servant de point de connexion aux filaments lasers. Il est intéressant de noter que le champ au sommet de l’électrode A est fortement supérieur à celui sur l’électrode B (environ un facteur 4). D’une part à cause de la distance à l’électrode chargée (qui est de 30 cm plus courte pour l’électrode A) et d’autre part en raison de l’aspect géométrique de

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 T ension maximale en M V Courant en kA

Non guidée négative Guidée négative Non guidée positive Guidée positive

Laboratoire d’Optique Appliquée | Thèse Benjamin FORESTIER 135 l’électrode A qui créé un renforcement de champ à cause de du faible rayon de courbure à son sommet. Expérimentalement, nous avons vérifié que la décharge spontanée apparaissait toujours sur l’électrode A. Comme précédemment, la tension est mesurée ainsi que le courant circulant dans chaque électrode.

Figure 17 : Schéma du montage expérimental utilisé pour la démonstration de déviation de décharges par laser.

2) Résultats

Nous avons observé que le détournement de décharges par les filaments était parfaitement reproductible lorsqu’on se plaçait dans les conditions de retard laser-tension et d’alignement permettant de réaliser une initiation et un guidage de décharge sur la boule (Figure 18). La reproductibilité du dispositif a été vérifiée pour les deux polarités sur 30 tirs. Comme nous l’avons vu pour le guidage dans les parties précédentes ce détournement est donc plus aisé lorsque la polarité appliquée sur l’électrode plane est positive. Nous avons ainsi constaté que lorsque le retard était bien calé et que le laser fonctionnait parfaitement le guidage et le détournement étaient déterministes (fiable à 100 %).

-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 -2 0 2 4 6 8 10 -2 0 2 4 6 ten s ion (MV ) tension Ibo ul e (k A ) temps (s) Iboule I pointe

Figure 18 : Exemple de décharge détournée par le laser. A droite mesures de tension et de courant correspondantes. Le temps t = 0 correspond au passage du laser.

Nous avons aussi observé que la décharge était déviée même si une décharge spontanée ascendante était déjà initiée comme le montre la Figure 19. On peut voir clairement sur la mesure de courant de l’électrode pointe A qu’un courant lent se développe correspondant à

HV 2.5 m Planar electrode I_B Laser V L > 1m I_A B A 2.2 m HV 2.5 m Planar electrode I_B Laser V L > 1m I_A B A 2.2 m

Laboratoire d’Optique Appliquée | Thèse Benjamin FORESTIER 136 l’initiation de la décharge naturelle. Ce courant est brutalement ramené à zéro par l’arrivé de l’impulsion laser qui, par le biais du filament laser et de la décharge guidée, connecte l’électrode haute tension à la sphère.

-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0 5 10 15 20 -3 -2 -1 0 ten s ion (MV ) tension Ibo ul e (k A ) temps (s) Iboule Ipointe

Figure 19 : Exemple de décharge détournée pour laquelle on observe aussi des précurseurs de décharges partant de l’électrode pointe. A droite mesures de tension et de courant correspondantes. Le temps t = 0 correspond au passage du laser.

3) Conclusion

Le filament laser est capable de détourner une décharge d’un point critique vers un point sécurisé pour les deux polarités de tension. Bien que le champ électrique maximal soit 4 fois supérieur sur le site critique, la déviation est parfaitement reproductible et fiable. Même lorsqu’une décharge spontanée commence à se développer sur la pointe, le filament est capable de la court-circuiter. Ces résultats sont extrêmement encourageants pour une campagne en extérieur.

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III) Etude du déclenchement et du guidage à distance de décharge

électrique fort courant

Afin de préparer une campagne expérimentale grandeur nature sur le déclenchement de la foudre, une expérience en laboratoire de déclenchement d’arc électrique à distance était nécessaire. En effet, il est inconcevable en pratique que le système laser soit placé à proximité du paratonnerre cible, le risque d’endommagement du dispositif laser par le courant direct ou l’impulsion électromagnétique étant trop grand. Le laser doit donc être éloigné du paratonnerre, hors d’un périmètre de sécurité défini. Un problème éventuel de cet éloignement du laser est la tolérance à l’alignement qui peut perturber les capacités de déclenchement. Nous présentons ici la première démonstration de déclenchement et de guidage à distance d’arc électrique ainsi qu’une étude de l’influence de l’alignement du filament sur les électrodes sur l’efficacité du dispositif.

1) Description du dispositif expérimental

Le schéma général du dispositif est présenté sur la figure ce dessous (Figure 20). La chaîne laser ENSTAmobile était placée dans une tente climatisée installée dans un coin du bâtiment FOUDRE du centre DGATA. La température dans la tente était maintenue à une température de 18°C à l’aide d’un système de climatisation transportable afin de stabiliser le laser. Le laser délivrait des impulsions de 300 mJ et la durée des impulsions était étirée à 2 ps pour repousser la formation des filaments à une quarantaine de mètres. Le faisceau laser en sortie de tente était de 4 cm de diamètre. Il était renvoyé à l’aide de deux miroirs diélectriques vers le coin opposé du bâtiment où les électrodes étaient installées. Un télescope composé d’une lentille divergente de focale – 30 cm et d’une lentille convergente de focale 1 m était placé juste derrière le dernier miroir de renvoi. Ce télescope permettait d’agrandir le diamètre du faisceau d’un facteur 3,3 et de le focaliser à 42 m entre les deux électrodes. Le profil du faisceau filamenté entre les deux électrodes mesuré par impact sur du papier photographique est présenté sur la Figure 20 à l’échelle 1 :1. On note que le faisceau présente un fort astigmatisme qui a pour effet de générer deux groupes de filaments distincts. Cet astigmatisme n’a pas pu être corrigé lors de ces essais en ajustant l’angle des lentilles du télescope.

Figure 20 : Schéma général du montage vu de dessus. A droite, profil du faisceau entre les électrodes mesuré par impact sur papier photographique.

électrodes Laser et tente 8 m : Début de filamentation électrodes Laser et tente 8 m : Début de filamentation électrodes Laser et tente 8 m : Début de filamentation

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Figure 21 : A gauche, photo de la tente abritant le laser, des deux miroirs de renvoi ainsi que du télescope. A droite, les deux électrodes utilisées.

Les deux électrodes utilisées sont présentées sur la Figure 21. La distance entre les électrodes est variable entre 30 cm à 60 cm. La tension était appliquée sur l’électrode boule tandis que le cylindre était relié à la terre. Le générateur utilisé peut fournir jusqu’à 600 kV et 50 kA mais dans cette configuration où le générateur est en circuit ouvert les risques de claquage interne dans le générateur limitent cette tension à 450 kV et 37 kA. Le courant fourni étant proportionnel à la tension de charge, plus la tension de charge est basse, plus le courant en sortie est faible. Le générateur était synchronisé avec le laser (avec un jitter temporel de 1 à quelques microsecondes) et le retard entre le tir et l’onde de tension pouvait être réglé à l’aide d’un système de synchronisation analogue à celui utilisé lors de la campagne présentée à la section précédente. L’onde de tension en sortie de générateur présente un temps de montée de 4 μs et un temps de décroissance de 7 ms (Figure 22). Elle a donc une décroissance beaucoup plus lente que le générateur de Marx utilisé précédemment. Un exemple d’onde pleine est présenté en Figure 22.

Figure 22 : Forme d’onde pleine en sortie du générateur (onde en l’absence de décharge).