Etude et réalisation d'une source de rayonnement large bande de forte puissance basée sur un concept innovant de transformateur résonant impulsionnel

De nos jours, un large éventail d applications de défense nécessite des générateurs de puissances pulsées pour produire des rayonnements électromagnétiques de fortes puissances. Dans les systèmes conventionnels, le générateur est composé d une source d énergie primaire et d une antenne, séparé par un système d amplification de la puissance, généralement un générateur de Marx ou un transformateur Tesla, qui transmet l énergie vers l antenne. Le système présenté dans ce mémoire, utilise un concept innovant basée sur un transformateur résonant impulsionnel compact pour alimenter l antenne. La source développée, appelée MOUNA (acronyme de Module Oscillant Utilisant une Nouvelle Architecture ) est composé d une batterie, d un convertisseur DC/DC permettant de charger quatre condensateurs, de quatre éclateurs à gaz synchronisés, d un transformateur résonant impulsionnel qui génère des impulsions de 600kV en 265ns, d un éclateur de mise en forme à huile, et d une antenne dipôle.Nowadays, a broad range of modern defense applications requires compact pulsed power generators to produce high-power electromagnetic waves. In a conventional design, such generators consist of a primary energy source and an antenna, separated by a power-amplification system, such as a Marx generator or a Tesla transformer, which forwards the energy from the source to the antenna. The present system, however, uses a novel and very compact high-voltage resonant pulsed transformer to drive a dipole antenna. The complete pulsed power source, termed MOUNA (French acronym for Module Oscillant Utilisant une Nouvelle Architecture ), is composed of a set of batteries, a dc/dc converter for charging four capacitors, four synchronized spark gap switches, a resonant pulsed transformer that can generate 600 kV in 265 ns pulses, an oil peaking switch and, a dipole antenna.PAU-BU Sciences (644452103) / SudocSudocFranceF

Etude d'un système d'amplification de puissance de type multiplicateur de courant dynamique sur l'installation SPHINX du CEA Gramat

Depuis plusieurs décennies, les générateurs forts courants sont utilisés dans différents domaines comme l étude des matériaux, la radiographie ou la fusion par confinement inertiel. Ces générateurs sont capables de délivrer des impulsions de courant de plusieurs millions d ampères avec des fronts de montée inférieurs à la microseconde. Plusieurs projets à travers le monde ont, aujourd hui, pour but d améliorer encore et encore le gradient de courant des impulsions transmises à la charge. De nombreux schémas d amplificateurs de puissance, dont le rôle est de jouer à la fois sur l amplitude du courant de charge et sur son temps de montée, ont ainsi été testés. Le multiplicateur de courant dynamique (DLCM pour Dynamic Load Current Multiplier) fait partie de ces concepts novateurs permettant de contourner les limitations des générateurs de puissances pulsées actuels. Il est composé d un réseau d électrodes (servant d autotransformateur), d un extrudeur de flux dynamique (basé sur l implosion d un réseau de fils cylindrique) et d un commutateur à fermeture sous vide. Dans la thèse, le principe de fonctionnement du DLCM est analysé d un point de vue théorique par le biais de simulations de type circuits électriques et magnétohydrodynamiques. Une étude spécifique portant sur l organe principal du DLCM est réalisée. Il s agit du commutateur à fermeture sous vide. Ainsi, après une phase de dimensionnement à l aide d outils de simulations électrostatiques, deux versions de commutateurs sont validées expérimentalement dans des conditions proches de celles d un tir très fort courant. Enfin, des tirs sur le générateur SPHINX du CEA Gramat, capable de délivrer une impulsion de courant de 6MA en 800ns (sur charge Z-pinch), sont exposés pour retracer l évolution du dispositif. Les résultats probants obtenus permettent, au final, de valider le concept DLCM connecté à une charge de type compression isentropique.For several decades, high power generators are used in various fields such as materials research, radiography or inertial confinement fusion. These generators are capable of delivering current pulses of several millions of amperes with rise times below 1 microsecond. Several projects around the world are, today, trying to improve again and again the current gradient of pulses delivered to the load. Many concepts of power amplifiers, whose role is to optimize both the amplitude of the load current and its rise time, were tested. The Dynamic Load Current Multiplier (DLCM) is one of those innovating concepts used to overcome the existing pulsed power generators limitations. It is made up of concentric electrodes (for autotransformer), a dynamic flux extruder (based on the implosion of cylindrical wire array) and a vacuum closing switch. In this these, the operating principle of the DLCM is theoretically analyzed through electrical and magneto hydrodynamic simulations. A specific study of the DLCM key component is performed. This is the vacuum closing switch. Thus, after a design phase using electrostatic simulation tools, two versions of switches are experimentally validated in conditions similar to those of a very high current shot. Finally, shots on the SPHINX facility located at the CEA Gramat, capable of delivering a current pulse of 6MA in 800ns (on Z-pinch load), are exposed to trace the evolution of this device. The convincing results are used, ultimately, to validate the DLCM concept connected to an isentropic compression experiment load.PAU-BU Sciences (644452103) / SudocSudocFranceF

Bipolar modulation of the output of a 10-GW pulsed power generator

A bipolar Blumlein former has been designed and successfully implemented as an extension to an existing 10-GW-Tesla-driven Blumlein pulsed power generator. The new system is capable of generating a voltage impulse with a peak-to-peak value reaching 650 kV and having a high-frequency limit of the bandwidth well in excess of 1 GHz. Constructional details are provided, together with experimental results and analysis using the 3-D software modeling of the bipolar former that provides the results in good agreement with experimental data

Generation of intense PEFs using a prolate spheroidal reflector attached to the bipolar former of a 10-GW pulsed power generator

A prolate spheroidal reflector was designed, manufactured, and attached to a bipolar former at the output of a 10-GW-Tesla-driven Blumlein pulsed power generator. The reflector, operated in water, is capable of producing intense pulsed electric fields of the order of 50 kV/cm. Constructional details are provided, together with experimental results, and a detailed analysis using 3-D software modeling of the reflector that provides results in good agreement with experimental data

Development of a 0.6-MV ultracompact magnetic core pulsed transformer for high-power applications

The generation of high-power electromagnetic waves is one of the major applications in the field of high-intensity pulsed power. The conventional structure of a pulsed power generator contains a primary energy source and a load separated by a power-amplification system. The latter performs time compression of the slow input energy pulse and delivers a high-intensity power output to the load. Usually, either a Marx generator or a Tesla transformer is used as a power amplifier. In the present case, a system termed “module oscillant utilisant une nouvelle architecture” (MOUNA) uses an innovative and very compact resonant pulsed transformer to drive a dipole antenna. This paper describes the ultracompact multiprimary winding pulsed transformer developed in common by the Université de Pau and Hi Pulse Company that can generate voltage pulses of up to 0.6 MV, with a rise time of less than 270 ns. The transformer design has four primary windings, with two secondary windings in parallel, and a Metglas 2605SA1 amorphous iron magnetic core with an innovative biconic geometry used to optimize the leakage inductance. The overall unit has a weight of 6 kg and a volume of only 3.4 L, and this paper presents in detail its design procedure, with each of the main characteristics being separately analyzed. In particular, simple but accurate analytical calculations of both the leakage inductance and the stray capacitance between the primary and secondary windings are presented and successfully compared with CST-based results. Phenomena such as the core losses and saturation induction are also analyzed. The resonant power-amplifier output characteristics are experimentally studied when attached to a compact capacitive load, coupled to a capacitive voltage probe developed jointly with Loughborough University. Finally, an LTspice-based model of the power amplifier is introduced and its predictions are compared with results obtained from a thorough experimental study

Temperature dependence of Kerr constant for water at 658 nm and for pulsed intense electric fields

The temperature dependence of the Kerr constant for water has been determined over the range 19 °C-45 °C at a wavelength of 658 nm. This paper presents the experimental arrangement used for this purpose and the data obtained, for which a polynomial fit is provided. A formula is also suggested to help estimate the variation of the Kerr constant for water with both temperature and wavelength

Etude de nouvelles architectures modulaires d'alimentations électriques pour les applications de hautes puissances pulsées

De nos jours, pour accroître le potentiel applicatif des machines de hautes puissances pulsées, il est nécessaire de développer des modulateurs compacts capables de délivrer des impulsions de l’ordre de plusieurs Mégawatts de durée pouvant atteindre plusieurs centaines de microsecondes. Cette amélioration requiert le développement de structures innovantes dont le but est de produire aussi bien des puissances moyennes que des puissances crêtes importantes. Les modulateurs étudiés dans ce mémoire sont basés sur l’utilisation de divers transformateurs pour la génération d’impulsions de très forte puissance. Le projet AGIR (acronyme de « Architecture pour la Génération d’Impulsions Rectangulaires de forte de puissance ») est réalisé dans le cadre d’un RAPID (Régime d’Appui Pour l’Innovation Duale) financé par la Direction Générale de l’Armement (DGA). Le projet est une collaboration avec EFFITECH, une entreprise spécialisée dans les puissances pulsées. L’objectif est de développer deux générateurs pour deux gammes de puissance crête (jusqu’à 10MW pour l’un et 1GW pour l’autre). Le premier modulateur « AGIR1 » repose sur l’association d’un convertisseur AC-DC et de 12 convertisseurs résonants DC-DC qui permettent la génération de plusieurs types d’impulsions (fort courant ou forte tension) en fonction de la configuration choisie. Le second modulateur repose sur le développement d’un transformateur impulsionnel à quatre primaires synchronisés. Chaque primaire est relié à un système de mise en forme de type Blumlein dont le déclenchement est assuré par un éclateur pressurisé à trois électrodes. La synchronisation des quatre éclateurs est assurée par un générateur impulsionnel innovant à faible gigue. La principale difficulté du travail effectué au laboratoire réside dans l’étude des différents transformateurs haute-tension utilisés (résonant ou impulsionnel) et du système de synchronisation des éclateurs. Chaque élément constituant le système est étudié et simulé de manière électrostatique, électromagnétique ou électrique avant d’être réalisé et assemblé. Des essais ponctue l’étude afin de valider le fonctionnement en récurrent avec un système de dissipation thermique adapté.Nowadays, to increase the application potential of high power pulsed machines, it is necessary to develop compact modulators able to deliver pulses in the range of several megawatts with duration of up to several hundred microseconds. This improvement requires the development of innovative structures whose purpose is to produce both average power and large peak power. Modulators studied in this thesis are based on the use of various transformers for the generation of very high power pulses. The AGIR project (French acronym for "Architecture for Rectangular High Pulse power generation") is achieved within the framework of a RAPID (Dual Innovation Support Regime) funded by the French Defense (DGA). The project is carried on by a collaboration with EFFITECH, a company specialized in pulsed powers. The goal is to develop two generators for two peak power ranges (up to 10MW for one and 1GW for the other). The first modulator "AGIR1" is based on the association of an AC-DC converter and 12 DC-DC resonant converters allowing the generation of several types of pulses (high current or high voltage) depending on the chosen configuration. The second modulator is based on the development of a four synchronized primary pulse transformer. Each primary is connected to a Blumlein pulse forming line triggered by a three-electrode pressurized spark gap. The synchronization of the four spark gaps is ensured by an innovative pulse generator with low jitter. The main difficulty of the work which was completed in the laboratory relies in the study of the different high-voltage transformers used (resonant or pulse) and the spark gap synchronization system. Each element constituting the system is studied and simulated electrostatically, electromagnetically or electrically before being realized and assembled. Trials punctuate the study to validate the recurrent operation with a suitable heat dissipation system

Conception et réalisation d'un système de génération d'impulsions haute tension ultra brèves: application aux radars larges bandes

MEMBRES DU JURY : B. JECKO Université de Limoges (IRCOM) Président - Rapporteur; B. DE FORNEL Université de Toulouse (ENSEEIHT) - Rapporteur; J. ANDRIEU Université de Limoges (IRCOM Brive); P. DOMENS Université de Pau (LGE); M. LE GOFF DGA - Bruz (CELAR); E. MERLE CEA - Moronvilliers; J. PAILLOL Université de Pau (LGE); V. PUECH Université de Paris XI (LPGP);This thesis is about the improvement of the performances of an ultra wideband (UWB) radar set up for landmines detection. An ultra short high voltage (HV) pulse generator and an impedance matcher device (balun) to be inserted between the 50 Ohm; generator and two-wire antennas 200 Ohm; are particularly detailed. The first chapter shows the principal characteristics of UWB radars and a bibliographical synthesis of the experimental tools necessary for the UWB. The second chapter is devoted to the HV pulse generator based on the technology of a pressurised gas switch (hydrogen). The principle of operation and the characterizations of probes produced for these experiments are also deferred. After various parameter settings, the impulses rise-time can be reduced down to 90 ps, the minimal time duration is of 600 ps, the output voltage and the repetition rate can reach respectively 30 kV and 2,5 kHz. A simulation of the device is compared to the practical results of commutation. In chapter 3, we gathered the studies of the balun and of a voltage amplifier able to supply the generator because these two devices are two transmission line transformers (TLT). The principal defect of the TLT lies in the losses due to the secondary lines. We solved this problem by using ferrite for which we explain process. This study leads to the realization of a ten stages TLT of perfect yield and of a balun whose bandwidth lies between 30 kHz and 3 GHz. A simulation of the experimental results completes the interpretation of the phenomena. Lastly, in chapter 4, the experimental results realized in anechoic chamber relating to the whole emission system thus a few prospects relating to the advance for the system are presented.Le travail présenté dans cette thèse concerne l'amélioration des performances d'un démonstrateur radar ultra large bande (ULB) pour la détection de mines dans le sol. Un générateur d'impulsions haute tension (HT) ultra brèves et d'un dispositif d'adaptation d'impédances (balun) destiné à être inséré entre le générateur 50 Ohm; et des antennes bifilaires 200 Ohm; sont particulièrement détaillés. Le premier chapitre présente les caractéristiques principales des radars ULB et une synthèse bibliographique des outils expérimentaux nécessaires pour l'ULB. Le second chapitre est consacré au générateur d'impulsions HT ultra brèves basé sur la technologie d'un commutateur à gaz pressurisé (hydrogène). Le principe de fonctionnement et les caractérisations d'atténuateurs réalisés pour ces expériences sont également reportés. Après divers paramétrages, le temps de montée des impulsions peut être réduit à 90 ps, la durée à mi-hauteur minimale est de 600 ps, la tension de sortie et la fréquence de répétition peuvent atteindre respectivement 30 kV et 2,5 kHz. Une simulation du dispositif est comparée aux résultats pratiques de commutation. Dans le chapitre 3, nous avons regroupé les études du balun et d'un amplificateur de tension pouvant alimenter le générateur car ces deux dispositifs sont deux transformateurs à lignes de transmission (TLT). Le principal défaut des TLT réside dans les pertes dues aux lignes secondaires. Nous avons solutionné ce problème par l'utilisation de ferrites dont nous explicitons le fonctionnement. Cette étude débouche sur la réalisation d'un TLT 10 étages de gain 10 et d'un balun dont la bande passante est comprise entre 30 kHz et 3 GHz. Une simulation de l'ensemble des résultats expérimentaux vient compléter l'interprétation des phénomènes. Enfin, dans le chapitre 4, les résultats d'essais réalisés en chambre anéchoïde portant sur l'ensemble du système d'émission ainsi que des perspectives relatives à l'évolution de l'ensemble sont présentés

Un générateur de puissances pulsées basé sur une achitecture Tesla-Blumlein-PFL bipolaire

A Tesla-Blumlein PFL-Bipolar pulsed power generator, has been successfully designed, manufactured and demonstrated. The compact Tesla transformer that it employs has successfully charged capacitive loads to peak voltages up to 0.6 MV with an overall energy efficiency in excess of 90%. The Tesla–driven Blumlein PFL generator is capable of producing a voltage impulse approaching 0.6 MV with a rise time close to 2 ns, generating a peak electrical power of up to 10 GW for 5 ns when connected to a 30 Ω resistive load. Potentially for medical application, a bipolar former has been designed and successfully implemented as an extension to the system and to enable the generation of a sinusoid-like voltage impulse with a peak-to-peak value reaching 650 kV and having a frequency bandwidth beyond 1 GHz.This thesis describes the application of various numerical techniques used to design a successful generator, such as filamentary modelling, electrostatic and transient (PSpice) circuit analysis, Computer Simulation Technology (CST) simulation. All the major parameters of both the Tesla transformer, the Blumlein pulse forming line and the bipolar former were determined, enabling accurate modelling of the overall unit to be performed. The wide bandwidth and ultrafast embedded sensors used to monitor the dynamic characteristics of the overall system are also presented. Experimental results obtained during this major experimental programme are compared with theoretical predictions and the way ahead towards connecting to an antenna for medical application is considered.Un générateur de puissances pulsées basé sur une architecture Tesla-Blumlein PFL Bipolaire a été conçu, fabriqué et démontré avec succès à l'Université de Loughborough. Le transformateur compact Tesla qu'il utilise a réussi à charger avec succès des charges capacitives à des tensions de pointe allant jusqu'à 0,6 MV avec un rendement énergétique global supérieur à 90%. Le générateur Blumlein-PFL piloté par Tesla est capable de produire une impulsion de tension approchant 0,6 MV avec un temps de montée proche de 2 ns, générant une puissance électrique crête pouvant atteindre 10 GW pendant 5 ns lorsque il est connecté à une charge résistive 30 Ω. Potentiellement pour des applications médicales, une ligne de mise en forme bipolaire a été conçue et mise en œuvre avec succès comme extension du système et pour permettre la génération d'une impulsion de tension de type bipolaire avec une valeur crête à crête atteignant 650 kV et ayant une bande passante supérieure à 1 GHz.Cette thèse décrit l'application de diverses techniques numériques utilisées pour concevoir un tel générateur, telles que la modélisation filamentaire, l'analyse des circuits électrostatiques et transitoires (PSpice), la simulation électromagnétique (CST). Tous les paramètres majeurs du transformateur Tesla, de la ligne de formation d'impulsions Blumlein et de la ligne de mise en forme bipolaire ont été déterminés, permettant une modélisation précise de l'ensemble de l'unité à réaliser. La large bande passante et les capteurs embarqués ultra-rapides utilisés pour surveiller les caractéristiques dynamiques de l'ensemble du système sont également présentés. Les résultats expérimentaux obtenus au cours de ce programme expérimental sont comparés aux prévisions théoriques et la voie à suivre pour la connexion à une antenne à usage médical est envisagée

A new approach to triggering thyristors in impact ionization wave mode using a non-linear PCSS driven by a semiconductor laser pumped by an avalanche

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