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

Abstract

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