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Générateur de flashes fonctionnant par explosion de fils
métalliques
Jean Ripoche
To cite this version:
48 A
GÉNÉRATEUR
DEFLASHES
FONCTIONNANT PAR EXPLOSION DE FILSMÉTALLIQUES
Par M. JEAN
RIPOCHE,
Faculté des Sciences de Rennes, Laboratoire de M. Michel Vacher.
Résumé. 2014 Dans le circuit
électrique
réalisé, un shunt coaxial (R = 0,010803A9)
estincorporé.
Il permet d’effectuer des mesures d’intensité de courant et de mesurer la self du circuit
(L = 1,25 03BCH) à partir des oscillogrammes obtenus. Au cours de l’explosion de fils d’aluminium
et de fils d’un alliage résistant (fer-nickel-chrome) l’intensité de courant est mesurée de la même manière. Quant à l’intensité lumineuse, elle est étudiée qualitativement à l’aide d’une cellule photoélectrique.
Abstract. 2014 In the electrical circuit constructed, a coaxial shunt (R = 0.0108
03A9) is incorporated.
It allows measurements of currents to be made, and also of the inductance of electrical circuit
(L = 1.25 03BCH), with the oscillograms obtained. During the explosion of aluminium and nichrome
wires the intensity of current is measured in this manner. The light intensity is
qualitatively
studied with a phototube.
PHYSIQUE RADIUM SUPPLÉMENT AU NO 2.
PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME 22, FÉVRIER 1961,,
Introduction.
’2013 [Le
butgénéral
de notre travail est d’obtenir des sources de forte intensitélumi-neuse
susceptibles
deproduire
unequantité
impor-tante de
rayonnement
ultra-violets. Les hautes in-tensités durayonnement
émis rendentpossibles
lesréactions
photo-chimiques
trèsrapides
et enparti-culier la formation de radicaux libres. Les pages
qui
suiventreprésentent
un travailpréliminaire.
Nous exposons le détail de réalisation du circuitélectrique
qui
comprend
enparticulier
un shuntcoaxial de mesure.
Après
avoir réalisé ce circuit et mesuré saself,
nous avons mesuré l’intensité de courant et l’intensité lumineuse en fonction dutemps
au cours del’explosion
de fils d’aluminiumet de fils de fer-nickel-chrome de
0,30
mm dedia-mètre. ,
1. Circuit
électrique.
- 1.1. DESCRIPTION.-Le circuit
électrique
est ungénérateur
de courantde choc. Il est constitué d’une
capacité
C,
d’une selfL,
d’une résistance R et d’un éclateur E en série1).
FIG. 1. - Schéma
théorique du circuit électrique.
La
capacité
estcomposée
de 15 condensateursau
papier
SAFCO-TREVOUX.Chaque
élément a unecapacité
de 20~F
et estsusceptible
d’êtrechargé
à une tension de 10 kV(tension
d’essai 20kV).
L’obtention d’intensité de courantimpor-tante
exige
la réalisation d’un circuit dontl’induc-tance est très faible. Pour cette
raison,
lesconden-sateurs sont
disposés
radialement et montés enparallèle,
les connections entre les condensateurset les deux
pièces
inférieures de l’éclateur étantréalisés au moyen de conducteurs coaxiaux
(75 MD).
A travers une résistance de
charge
Ra
la batterie de condensateurs estportée
par une alimentation haute tension(15
kV,
500mA)
à unpotentiel
déter-miné. Cepotentiel
est mesuré à l’aide d’une chaînepotentiométrique
(caisse
de résistance CPHTH 12 de la Cie desCompteurs).
La commande dedéclen-chement se fait à l’aide d’un éclateur en utilisant
FIG. 2. - Réalisation du
générateur de courant de choc.
s : shunt coaxial.
Rd : résistance de décharge. Re : résistance de charge.
E . éclateur.
E : fil métallique ou résistance additive.
C : capacité.
la méthode de déclenchement par
impulsion.
Le filà exploser
ou une résistance additive seraplacé
en F. Un shunt coaxial est
ajouté
en série avec lesautres éléments du
circuit (fig. 2).
49 A
1.2. SHUNT COAXIAL. - De nombreuses
diffl-cultés se
présentent
dans la mesure des courants dechoc ;
en effet’des sources d’erreûrs’introduisent,
elles sont dues aux inductances
parasites,
à l’effetKelvin,
à la variation des résistancespendant
lamesure, et aux
capacités parasites.
Des chercheurs tels que Park[1],
Durnford etReynolds [2],
Stekol-nikov[3],
Chace[4]
etGary
[5]
ont utilisé des shunts coaxiaux pour effectuer ces mesures. Nousavons réalisé un shunt coaxial du
type
de ceux construits parGary.
Il aexpliqué
enquoi
résidentles
avantages
de ce shunt : la réalisation « coaxiale ))de la boucle de mesure
permet
de compenser l’effetnéfaste de l’induction dans le circuit de mesure ;
le fait d’utiliser un tube résistant
permet
de réduire l’erreur due à l’effet Kelvin car onpeut
diminuerl’épaisseur
du métal tout engardant
une sectionconvenable ;
l’emploi
de l’inconel limite aussi lesvariations de résistance du shunt à la suite de
l’échauffement,
en effet le coefficient de variation de résistivité en fonction de latempérature
est trèsfaible ;
deplus
l’erreur due à laprésence
de capa-citésparasites
restepratiquement
négligeable
pourdes shunts de résistance inférieure à 1 S~. En
défi-nitive,
l’erreur maxima introduite pour letype
deshunt réalisé par
Gary
est inférieure à 3%.
L’inconel que nous utilisons
possède
lespro-priétés
suivantes :Composition ... Nickel 76 %, Chrome 15 %
Fer 9 %. Densité ... 8,51 Chaleur spécifique ... 0,109 Résistivité électrique .. 9,8 102013~ Qm à 20 oC ’ Coefficient de variation de la résistivité en fonction de la tempé-rature ... 0,00015 par °C de 0 °C à 100 °C
Le shunt réalisé selon le schéma de la
figure
3 a une résistance de0,0108 S~ ;
le tube d’inconel a un diamètre extérieur de87,80
mm et un diamètre intérieur de87,20
mm.Fie. 3. - Shunt coaxial.
La tension recueillie entre les deux extrémités du tube d’inconel est
envoyée
du connecteur coaxial vers unoscilloscope Philips
GM 5602(bande
pas-sante 3 Hz ... 14 MHz à 3
db,
temps
de montée25 n,s,
post-accélération
4kV, ligne
à retardin-corporé
de0,3
et commandes étalonnées à 3%)
à travers une sonde atténuatrice(atténu-ation
20).
1.3. MESURE DE LA SELF DU CIRCUIT. - A
partir
de la forme del’oseillogramme
représentant
l’intensité du courant en fonction du
temps,
il estpossible
de déterminer la self du circuit dedé-charge.
Une méthode de calcul a étéexposée
et estutilisée par le laboratoire d’essai à haute tension du Centre de Recherches de
l’Électricité
de Franceà
Fontenay [6] :
on considère une onde decourant ;
l’origine
conventionnelle destemps
(to)
estl’abs-cisse du
point
d’intersection avec l’axe destemps
de la droite
joignant
lespoints
où l’intensité atteintrespectivement
10%
(au
temps
to,l)
et 90%
(au temps
to,9)
de sa valeur de crête. On définit la durée defront tt
et la durée dequeue tq
Ayant rappelé
cesdéfinitions,
nous pouvons uti-liser les calculsthéoriques
valables pour un cir-cuit RLC série. Enposant A
=4L/CR2,
F =L IR,
Q
=CR,
les fonctions ettq Itf peuvent
être construites en fonction de
et tt
sont mesurés surl’ oscillogramme ;
il est alors facile de déterminer la valeur de la self L du circuit. Nous avons pu ainsi déterminer la self du circuit en fonc-tion du nombre decondensateurs ; chaque
coaxialet son condensateur introduisent une self
supplé-mentaire. Ces mesures sont faites en
plaçant
ensérie avec le shunt une résistance additive
conve-nable F de
façon
à obtenir unrégime apériodique
auvoisinage
durégime
apériodique
critique.
Parexemple :
Les mesures sont effectuées à la tension de
2,6
kV. Les résultats sont donnés sur lafigure
4 où nousreprésentons
la self L en fonction del’in-verse de la
capacité exprimée
en,F.
FIG. 4. - Self du circuit
50 A
La limita
1,25 llH,
verslaquelle
tend la valeur de la self Lquand
lacapacité
ou le nombre decondensateurs devient très
grand, représente
prati-quement
la self de la boucleprincipale
du circuit dedécharge
comprenant l’éclateur,
la résistanceadditive et le shunt coaxial.
1.4. INTENSITÉ MAXIMA DU COURANT DE CHOC EN
RÉGIME OSCILLATOIRE. - Si
nous
remplaçons
la résistance additive F par unconducteur,
ladé-charge
des condensateurs se fera dans le circuitqui
aura pour résistance celle du shunt et de l’éclateur. C’est dans ces conditions et avec la
capacité
totalede 300
V.F
que nous avons mesuré l’intensité ma-xima enrégime
oscillatoire en fonction de la tension decharge
descapacités.
FIG. 5. -
Oscillogramme représentant l’intensité du
cou-rant en fonction du temps. Tension de charge 2 kV.
C = 300 yF, en abscisse : 1 cm représente 9,3 kA ; en
ordonnée : 1 cm représente 20 us.
La
figure
5 donne untype
d’oscillogramme
obtenu pour une tension de 2 kV..La
figure
6 donne les valeurs de l’intensité decrête de la
première
oscillation en fonction dupo-tentiel de
charge.
L’ensemble sondeatténuatrice-oscilloscope
que nouspossédons
ne nouspermet
pasde mesurer avec un shunt de
0,0108 Q
une inten-sité de courantsupérieure à
35 kA. Nous pouvonsestimer
qu’à
la tension decharge
de 10 kV lavaleur de crête atteindrait 85 kA environ.
2.
Étude
du -- Nous étudions les flashesproduits
parl’explosion
de fils d’aluminium ou de fils d’unalliage
résistance(Imphy
RNC30)
com-posé
de fer(32 %),
de nickel(43
%)
et de chrome(25
%)
et dont la résistivité à 15 °C est10,9
10-7 Lalongueur
des fils et leurdia-mètre seront les mêmes dans tout ce travail :
lon-gueur : 180 mm ; diamètre :
0,30
mm.Le fil est
placé
dans le circuitélectrique
entreles
points
A et B(fin.
2).
FIG. 6. - Intensité de crête
en fonction du
potentiel
de charge.C = 300 yF.
2.1. INTENSITÉ DU COURANT PENDANT LE FLASH.
-
Barrington
[7J
et Chace[8]
ont étudiél’explosion
de filsmétalliques.
Chace a divisé lephénomène
enquatre
phases
distinctes :Phase I : Cette
phase
débute dès que le circuit dedécharge
est fermé et dure aussilongtemps
que le fil est à l’état solide ouliquide.
Phase II : Phase de transition durant
laquelle
leliquide
surchauffé se transforme en vapeur defaçon explosive (transplosion).
Phase III ou « dwell time y~ : Phase de faible conductivité et de haute
pression.
Phase IV : Phase d’arc.
L’intensité de courant croit tant que dure la
phase
1 et décroîtpendant
laphase
II. Elle restetrès faible et
pratiquement
constante durant laphase
IIIpuis
les condensateurs sedéchargent
complètement pendant
laphase
d’arc.La méthode de mesure de l’intensité est celle
utilisée
déjà
(voir
1.4).
Aucune modification n’estapportée
à la forme du circuit dedécharge.
Dans le cas de
l’aluminium,
lesquatre
phases
sont faciles à observer sur
l’oscillogramme
de lafigure
7.La
phase
III(dwell
time)
dure 27 ps mais nous avons observé des duréesbeaucoup plus
impor-tantes : 130 (Ls, par
exemple
(à
la tension decharge
1,5 kV)
etbeaucoup plus
faibles : de l’ordre de 10 ,s(à
la tension decharge
6kV).
L’alliage
de fer-nickel-chrome(RNC
30Imphy)
est très résistant
(2,7 Q)
dès la fermeture du circuitde
décharge ;
il est aussiplus
difficile àvaporiser
que l’aluminium.Cependant
lesoscillogrammes
seprésentent
de la mêmefaçon.
Laphase
1 estbeau-coup
plus
longue
et l’intensité de courantpendant
cette
phase
est faible. A la tension decharge
de51 A
FIG. 7. -
Oscillogramme représentant l’intensité du
cou-rant en fonction du temps pendant l’explosion d’un fil d’aluminium.
C=300~F;
En abscisse : 1 cm représente 3,7 kA en ordonnée : i
1 cm représente 40 ps.
toute cette
phase.
Dans les mêmes conditions nous avons obtenu pour l’aluminium 10 ps pour laphase
1 et3,45
kA pour l’intensité de crête decette
phase.
Il est à remarquer que la durée de laphase
III varie defaçon
notable même si les condi-tionsexpérimentales
sont les mêmes.Cependant,
pour laphase IV,
nous avonsreprésenté
l’intensitéde crête en fonction du
potentiel
decharge
descapacités
pendant l’explosion
des fils d’aluminium(fig.
8a)
et des fils de fer-nickel-chrome8b)
àdes tensions variant de
1,4
kV à 7 kV.FIG. 8a. - Intensité du courant de crête de la
phase IV
en fonction du potentiel de charge des capacités. Aluminium ; C = 300 ~,F.
En
effet,
à une tension inférieure à1,4
kV laphase
IVn’apparaît
pas, que ce soit pour l’un ou l’autre fil.2.2. INTENSITÉ LUMINEUSE. - La durée du flash
est encore déterminée avec une cellule
photoélec-trique.
Le tube utilisé RCA 935 -(Courbe
deFIG. Sb. - Intensité de crête de la phase IV du courant
en fonction du potentiel de charge des capacités.
RNC 30 ; C = 300
réponse
spectrale
S.5)
a son maximum de sensibilité pour unelongueur
d’onde de 3 500A.
La tensionF%
recueillie aux bornes de la résistance de
charge
de 50 kS~ est
transportée
par coaxialjusqu’à
l’oscil-loscope.
Pendant lesexplosions
de filsd’aluminium,
à 2
kV,
à 3kV,
nous avons observé deuxpointes
decourant
photoélectrique ;
lapremière
d’intensité faible est située 30 à 40 ~,s avant la seconde d’in-tensitébeaucoup
plus grande.
Lerapport
de l’in-tensité de crête de la deuxièmerégion
à l’intensité de crête de lapremière
est de l’ordre de 7.Les
oscillogrammes ( fig.
9a : filsd’aluminium ;
fig.
9b: fils defer-nickel-chrome)
représentent
cettedeuxième
région
pour différentes tensions decharge.
Cetterégion
semble d’ailleurscorrespondre
à laphase
d’intensité maxima(phase d’arc).
FIG. 9a. - Intensité lumineuse en fonction du temps.
Aluminium ; C = 300
Nous avons
représenté
aussi en fonction de la tension decharge
des condensateurs la valeur decrête de l’intensité lumineuse
( fig.
10a : filsFIG. 9b. - Intensité lumineuse en fonction du temps.
RNC 30 ; C = 300 ~F.
FIG. 10a. - Intensité lumineuse maxima
en fonction du potentiel de charge des condensateurs.
Aluminium ; C = 300 ll-F.
à 5 kV. Nous chercherons par la suite à déterminer les raisons
qui
s’opposent
à cettereproductibilité
pour des tensions
supérieures.
Il serait intéressant de
compléter
les informations que nous venons de donner ci-dessus : mesure del’intensité du
courant,
de l’intensitélumineuse,
en donnant latempérature
atteinte par le fil au cours del’explosion.
I’l est très difficile d’estimer cettetempérature.
Quelques
auteurs ont tenté d’endonner une valeur
approchée
mais elle nepeut
être_ Fie. 1 0b.
- Intensité lumineuse maxima
en fonction du potentiel de chàrge des condensateurs.
RNC 30 ; C = 300 ~F.
qu’une
moyenne. Vaudet[10],
enparticulier,
repre-nant la méthode d’Anderson
[9]
a utilisé pour celal’équation
de Saha. Il suffit de déterminer le volume de lagaine
lumineuse. Enphotographiant
lesspectres
émis parl’explosion
dufil,
nous avonspris
soin de formerl’image
du fil sur la fente duspectroscope
defaçon
que cetteimage
soit perpen-diculaire à la fente.Ainsi,
la hauteur duspectre
nouspermet
de donner le diamètre de lagaine
lumineuse. Enappliquant
la méthode de Vaudetnous avons estimé que la
température
moyennependant
l’explosion
d’un fil d’aluminium(0
=0,30
mm, L = 180
mm)
avec 12 150joules
(300 (lF,
9kV)
était voisin de 9 000 oK(diamètre
de la
gaine
lumineuse 220mm).
Nous remercions très vivement M. G.
Nasse,
Directeur du Centre de Recherches et d’Essais del’Électricité
de France àFontenay.
Il nous a auto-risé à visiter le laboratoire d’essais à haute tension. Nous remercionségalement
lesingénieurs
avecles-quels
nous avons eu des discussions très fructueuses. Nous sommes reconnaissants à nos collaborateurs A. Marchand et R. Sicre de l’aidequ’ils
nous ontapportée
dans la réalisation de cedispositif.
Manuscrit reçu le 28 octobre 1960.
BIBLIOGRAPHIE
[1] PARK (J. H.), Research paper 1823. U. S. Dep. Com.
Nat Bur. Stand., 1957, 39, 191.
[2] DURNFORD (J.) et REYNOLDS (P.), Proc. Inst. Elect. Eng., 1954, 101, 6, 1.
[3] STEKOLNIKOV (I. S.), C. R. Acad. Sc., U. R. S. S., 1946, 52, 1, 413.
[4] CHACE (W. G.) et CULLINGTON (E. H.),
AFARC-TR-57-235 U. S. Dep. Com.
[5] GARY (C.), Rev. Gén. Elect., Sect. industr., 1956 mai279.
[6] Publication du laboratoire d’essai à haute tension du
centre de recherches de l’E. D. F. à Fontenay. [7] BARRINGTON (A. E.), Brit. J. Appl. Physics, 1956, 7,
11, 408.
[8] CHACE (W. G.), Proceedings of the fourth interna-tional conference on ionization phenomene in gases,
Upsala, août 1959, I. V. E. 1191.
[9] ANDERSON (J. A.), Astroph. J., 1926, 64, 295.
