(a) (b)
Figure 2.1 - Installation expérimentale
(a)-schéma de principe b)- photographie de la cellule
1- cellule d’essai, 2- mesure de la tension, 3- transformateur de courant, HT
Mesure de la tension
Mesure du courant Mesure charge et courant
Photodiode TC Impédance
2
3
4
1
5
6
7
8
2
3
4
1
5
6
7
8
4- impédance de mesure, 5-pointe, 6- plan, 7- entrée de l’eau, 8- sortie de l’eau
Le schéma de principe et le montage réel des dispositifs expérimentaux pour caractériser les streamers dans l’eau sont présentés sur la figure 2.1. Tous les signaux électriques (tension, courant, charge, lumière) sont enregistrés grâce à un oscilloscope digital rapide (bande passante 250 MHz).
2.1.1. SOURCE HAUTE TENSION
HV
Figure 2.2 – Montage expérimental avec le générateur à éclateurs 1-Cellule d’essais ; 2- Générateur à éclateur ; 3- Sonde de conductivité ; 4- Conductimètre ; 5- Echangeur d’ions ; 6- Récipient contenant le solvant ;
7- Pompe servant à circuler le solvant ; 8-Sonde de courant ; 9- Sonde de tension ; 10- Oscilloscope
On utilise un générateur à 2 éclateurs (figure 2.2) qui permet d’appliquer des impulsions rectangulaires en haute tension avec des temps de montée et de descente très courts (20ns), et avec une durée réglable (0.1 à 100µs). La capacité interne du générateur d’impulsion (500pF à 50nF) a été ajustée pour fournir un palier plat de haute tension pendant l’impulsion quelle que soit la conductivité de l’eau. En effet, si le courant qui circule dans la
10 1 entrée so rt ie 2 3 4 5 6 7 8 9
cellule pendant l’application de la tension est élevé, ce qui se produit quand la conductivité σ
de l’eau est grande, la capacité du générateur se décharge et la tension appliquée sur la cellule chute pendant l’impulsion de tension. Dans les expériences réalisées, différentes valeurs de capacité ont été utilisées pour que la chute de tension pendant le palier soit très faible (<10%), ce qui a permis de caractériser précisément les phénomènes sous tension constante. Ceci n’a pas été réalisé dans la plupart des études antérieures (généralement la forme de l’impulsion dépend de la conductivité du liquide).
2.1.2. SYSTEME D’ELECTRODES
L’utilisation d’une géométrie pointe-plan sous tension impulsionnelle permet de caractériser la propagation du streamer de façon pratique, en localisant l’endroit de génération des streamers. Un autre avantage est que, pour des tensions modérées de quelques dizaines de kV, on peut produire un champ électrique Ep sur la pointe très élevé (plusieurs MV/cm), à l’extrémité d’une pointe fine (rayon de courbure de l’ordre de quelques microns). La distribution très divergente du champ permet de plus d’étudier l’effet de la polarité, et de caractériser les phases de génération et de propagation séparément. Tous les essais ont été effectués à la température ambiante dans une cellule en téflon dans laquelle sont placées la pointe en tungstène (fil de rayon 25µm) et l’électrode plane en acier inoxydable. La distance pointe-plan est fixée à d = 30mm.
2.1.3. SYSTEME DE PURIFICATION DE L’EAU
La cellule d’essai contenant le système d’électrode est intégrée dans un circuit fermé. Ce dernier se compose d’une pompe, d’un réservoir de 10 litres d’eau, d’un conductimètre, et d’un système de purification constitué par des filtres et un échangeur ionique. Cet échangeur nous permet d’obtenir une conductivité de l’eau faible et stable (σ = 0.054µS/cm).
Pour ajuster la conductivité aux valeurs désirées (jusqu’à plus de 1mS/cm), le système de purification est enlevé et une certaine quantité de sel (NaCl) est ajoutée dans le réservoir.
2.1.4. DISPOSITIFS DE MESURE ELECTRIQUE ET OPTIQUE
La figure 2.3 présente le schéma expérimental du système de visualisation. La méthode d’ombroscopie a été choisie pour nos expériences. L’espace entre électrodes est éclairé par un flash qui est synchronisé avec le déclenchement de la tension. La lumière du flash est focalisée sur la pointe où le streamer est généré. L’image de l’ombre du streamer est recueillie par une caméra très sensible et rapide, composée d’un intensificateur d’image à obturateur couplé à une caméra CCD. L’obturateur reste fermé en permanence et son ouverture est contrôlée par une impulsion extérieure. Cet obturateur n’est ouvert que pendant
un temps très court (environ 50ns), après un temps de retard to ajustable par rapport au moment d’application de la tension. L’image est recueillie sur un ordinateur équipé d’une carte d’acquisition vidéo.
5V
Figure 2.3 – Montage expérimental avec le système de visualisation 1. Cellule d’essais
2. Intensificateur d’image obturable 3. Caméra CCD
4. Commande de l’intensificateur pour déterminer son moment d’ouverture 5. LED pulsée pour éclairer la cellule d’essais
6. Lentille pour concentrer la lumière à l’endroit où le streamer se produit dans la cellule 7. Réglage de l’intensité d’éclairage de la LED
8 Réglage de gain de l’intensificateur 9. Ecran vidéo 10. Alimentation CCD 19 20 22 21 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
11. Pulseur de commande intensificateur 12. Synchronisation
13. Synchronisation
14. PC avec mémoire de trame numérique 15. Synchronisation
16. Oscilloscope 17. Sonde de tension
18. Sonde de courant (transformateur de Rogowski) 19. Générateur à éclateur (voir figure 2.2)
20. Commande générateur
21. Alimentation haute tension Délencheur du générateur 19 22. Commande générateur
Si on enlève le flash et on augmente la sensibilité de l’intensificateur, on peut dans certains cas obtenir des images directes de la lumière émise par les streamers. Dans ce cas, les images obtenues correspondent à l’intégration de la lumière émise pendant la durée d’ouverture de l’intensificateur.
Le courant transitoire associé aux streamers est mesuré soit avec une résistance 50Ω
placée en série avec la cellule, soit avec un transformateur de courant avec une bande passante de 20MHz. La charge électrique déplacée à travers la cellule pendant l’impulsion est mesurée en remplaçant la résistance 50Ω par un condensateur (de 10nF à 1µF) en série avec la cellule.
L’intensité de la lumière émise par les streamers est enregistrée avec une photodiode au silicium. Selon le type et le câblage de la photodiode, elle peut soit fournir un enregistrement résolu dans le temps (photodiode à avalanche, charge de 50Ω, largeur de bande 100MHz), soit donner un signal proportionnel à la lumière intégrée pendant toute la propagation du streamer (charge de 1MΩ, largeur de bande 1kHz).