Soutenance mémoire
Le générateur RKA
Historique et principe de fonctionnement des générateurs HPP
Les générateurs HPP, tels que ceux utilisés à la DAM (Direction des Applications Militaires), comprennent deux parties :
◆ Un générateur d’impulsion électrique composé d’un circuit de Marx ou d’un transformateur, d’un ou de plusieurs éclateurs et d’une ou plusieurs lignes de mise en forme.
◆ Une diode utilisée pour émettre et accélérer les électrons. Celle-ci, peut être de plusieurs types suivant les applications du générateur.
Décrivons sommairement chacun de ces deux sous-ensembles pour comprendre le fonctionnement des générateurs HPP. L’impulsion électrique finale, de forte énergie et de très courte durée, est créée à partir du réseau EDF. Une alimentation Haute Tension (HT) charge en parallèle des condensateurs qui sont immergés dans de l’huile. Nous appellerons l’ensemble constitué de l’alimentation HT et des condensateurs la source primaire d’alimentation. Les condensateurs peuvent être déchargés en série, par l’intermédiaire d’interrupteurs, et la tension finale est la somme des tensions aux bornes des condensateurs : c’est un circuit « de Marx [17] ». Les condensateurs peuvent être aussi déchargés à travers un transformateur élévateur de tension. Par la suite nous nommerons source HT l’ensemble source primaire d’alimentation et circuit de Marx ou transformateur. Le choix entre ces deux sources HT se fait en fonction de la tension et du courant final désiré. Les circuits de Marx conviennent parfaitement aux générateurs comme César [3] (500 keV, 400 kA) et Ambiorix [23] (1 MV, 2 MA) alors que les sources HT fonctionnants avec des transformateurs conviennent parfaitement aux « petits » générateurs comme le RKA [4] ou les générateurs d’alimentation des cellules accélératrices à induction d’AIRIX [2]. Pour réduire la durée de l’impulsion électrique à quelques dizaines de nanosecondes, il est nécessaire d’associer à la source HT une ligne de mise en forme. Elles sont séparées par un éclateur qui commute au maximum de la tension de charge. Les lignes de mise en forme peuvent être des lignes simples (lignes coaxiales) ou des lignes Blumlein . La différence entre ces deux types de lignes concerne la tension de sortie. Pour la même géométrie, elle est égale à la tension de charge pour les lignes Blumlein, et elle est deux fois plus faible pour les lignes simples. Ces lignes peuvent être remplies d’eau désionisée, de glycol, d’un mélange eau désionisée glycol ou d’huile. La constante diélectrique du fluide utilisé influe sur la longueur électrique et sur l’impédance de la ligne. L’eau désionisée est utilisée pour les machines dites basse impédance, afin d’obtenir, en sortie, un courant élevé. L’huile est utilisée pour les machines dont on privilégie le niveau de tension. Afin de rester dans des dimensions géométriques « raisonnables », les lignes Blumlein sont préférées aux lignes simples. Pour certains générateurs (comme César), plusieurs lignes de mise en forme et plusieurs éclateurs sont mis en série pour avoir une compression temporelle progressive du signal. Dans ce cas-là, l’impulsion finale est obtenue en jouant sur la désadaptation d’impédance et sur les réflexions des ondes entre les lignes. Une fois l’impulsion générée et mise en forme elle est transmise à la diode.
Il existe une multitude de configurations de diodes. Pour les générateurs comme le RKA, elle se compose d’une cathode « froide » typiquement en acier inoxydable, en graphite ou en velours et d’une anode qui peut être faite à partir d’un matériau de numéro atomique élevé (par exemple du tantale) pour faire du rayonnement X, ou à partir d’un matériau transparent pour les électrons (par exemple de l’aluminium de faible épaisseur) pour les études du durcissement. Les électrons sont émis par effet de champ dans l’espace anode-cathode .
Depuis le début des années 1970, plusieurs générateurs ont vu le jour à la DAM. Nous pouvons par exemple citer les « Trois Grâces ». La première, Euphrosyne, produisait des rayons ? jusqu’à 3,5 MeV [1]. Quelques mois plus tard naquit Aglaé [1], qui était utilisée pour des expériences de Z-pinch [16]. La troisième Grâce, Thalie (11 MV, 120 kA), était un moyen d’irradiation [1]. On peut également citer d’autres générateurs, plus récents et toujours en fonctionnement, comme :
◆ Ambiorix [23] (1 MV, 2 MA) dont les configurations de la diode modifient les modes de fonctionnement. Ce générateur peut être utilisé pour faire du thermochoc, du SGEMP (Systsem Generated Electromagnetic Pulse) [25] ou du Z-pinch [16].
◆ César [3] qui produit des faisceaux d’électrons pouvant atteindre 500 kV, 400 kA.
◆ AIRIX [2] (20 MV, 2 kA) qui est un moyen de radiographie X.
Tous ces générateurs présentent des dimensions imposantes et ne sont pas simples à mettre en œuvre. Il est donc difficile de faire des études sur la diode, sur l’homogénéité, sur la propagation et sur la focalisation des faisceaux d’électrons. Le générateur RKA, de taille plus modeste et dont l’utilisation est relativement aisée, permet de faire ces études. La robustesse et la reproductibilité de ce générateur ne sont plus à démontrer. Basé sur le même principe que les générateurs d’alimentation des cellules d’AIRIX, il utilise des alimentations du commerce qui fournissent l’impulsion électrique, et un transformateur pour l’amplifier. Bien que ce générateur soit utilisé, comme César pour le durcissement des matériaux, il est aussi adapté aux études développées tout au long de cette thèse.
Présentation du générateur RKA
Construit dans les années 90, le générateur RKA était la source d’un klystron de forte puissance. Aujourd’hui, il est utilisé pour générer un faisceau d’électrons de 100 à 500 keV pour des applications de faible fluence (0,5 à 10 cal/cm²). Son principal avantage est sa grande reproductibilité qui lui permet d’être utilisé comme un moyen de durcissement des matériaux et qui permet de faire des études comme celles de cette thèse. Le faisceau est formé dans une diode, constituée d’une cathode placée à l’extrémité d’une ligne coaxiale haute tension, et d’une anode reliée à la masse.
La ligne Blumlein
Afin de conserver une tension de diode équivalente à la tension de charge ?0, la ligne de mise en forme utilisée est de type Blumlein [24]. Cette dernière est formée de trois conducteurs cylindriques imbriqués les uns dans les autres [17], ceci est équivalent à deux lignes coaxiales. La charge des deux lignes se fait pendant un temps relativement long comparé au temps de l’impulsion. Tout au long de la phase de charge, l’inductance (??) court-circuite le cylindre extérieur avec le cylindre central. La somme des tensions en sortie de ligne est nulle. Quand le cylindre extérieur est en court-circuit avec le cylindre intermédiaire, c’est-à-dire une fois l’éclateur déclenché, la polarité de l’onde est inversée. La somme des tensions devient égale a −?0 au niveau de la charge.
La charge résistive radiale
La plupart du temps, il est nécessaire d’adapter l’impédance de la diode à l’impédance du générateur pour avoir un transfert optimal de l’énergie électrique. Or, sur le RKA, il peut être utile de modifier le courant et par conséquent la fluence sans changer la tension. Une charge résistive radiale est présente entre la ligne Blumlein et la diode. Ce dispositif, peu inductif, se compose de deux panneaux en plexiglas entre lesquels circule une solution de thiosulfate de sodium. La résistance radiale dérive une partie du courant de manière homogène et ne perturbe pas le fonctionnement de la diode. L’impédance de la résistance radiale est inversement proportionnelle à la concentration de thiosulfate de sodium.
La diode du générateur
Présentation de la diode
La diode du RKA, est composée d’un ensemble anode-cathode espacé d’une distance de l’ordre du centimètre (???). Les matériaux constituant la cathode et l’anode sont variables. Ceux-ci influent sur le seuil d’émission des électrons ainsi que sur l’homogénéité du faisceau. Dans le but de diaphragmer le faisceau, un disque en graphite peut être installé derrière l’anode. Les diagnostics électriques présents dans la chambre sous vide sont un diviseur capacitif et une boucle de courant au niveau du support de cathode, ainsi qu’une bobine de Rogowski [18] entre l’anode et la cible. Enfin, pour propager le faisceau dans un gaz, il est possible de faire un vide différentiel entre la diode et la chambre de propagation.
La géométrie de la diode a été modifiée au cours de cette thèse. Celle maintenant utilisée , a sensiblement amélioré l’homogénéité du faisceau, et a simplifié la mise en œuvre du générateur.
|
Table des matières
Introduction
1 – Description du moyen expérimental
1.1 – Le générateur RKA
1.1.1 – Historique et principe de fonctionnement des générateurs HPP
1.1.2 – Présentation du générateur RKA
1.1.3 – La ligne Blumlein
1.1.4 – La charge résistive radiale
1.1.5 – La diode du générateur
1.1.5.1 – Présentation de la diode
1.1.5.2 – Simulations Flux 2D de la diode
1.2 – Les diagnostics électriques
1.2.1 – Diviseur capacitif
1.2.2 – Boucle de courant « Bdot »
1.2.3 – Bobine de Rogowski
1.2.4 – Exemple de signaux électriques
1.3 – Les diagnostics optiques
1.3.1 – La caméra 4 images
1.3.2 – La caméra à balayage de fente
1.4 – Conclusion
2 – Les processus d’interaction des électrons et des photons avec la matière
2.1 – Quelques définitions
2.1.1 – Notion de section efficace
2.1.2 – Notion de collision
2.2 – Les interactions électrons-matière
2.2.1 – Les diffusions élastiques et inélastiques
2.2.2 – Le pouvoir d’arrêt des électrons dans la matière
2.2.2.1 – Théorie
2.2.2.2 – Application dans la silice
2.2.3 – Le parcours des électrons dans la matière
2.2.4 – Diffusion angulaire
2.2.4.1 – Diffusion simple
2.2.4.2 – La diffusion multiple
2.2.5 – L’émission Cerenkov
2.2.5.1 – Historique
2.2.5.2 – Théorie
2.2.5.3 – Application dans la silice
2.2.5.4 – Remarque
2.2.5.5 – Fonction de transfert
2.3 – Les interactions photons-matière
2.3.1 – Effet photoélectrique
2.3.2 – Diffusion Compton
2.3.3 – Diffusion Rayleigh
2.3.4 – Production de paires
2.3.5 – Sections efficaces des photons dans la silice
3 – Les moyens de simulation
3.1 – La méthode Monte Carlo
3.1.1 – Le principe
3.1.2 – Notion « d’histoire condensée »
3.1.3 – L’algorithme de transport des électrons
3.1.4 – L’algorithme de traversée des frontières
3.2 – Le choix du code de simulation
3.3 – La plateforme de simulation Monte Carlo Geant4
3.3.1 – Présentation de Geant4
3.3.2 – Architecture du code
3.3.3 – Les classes de base
3.3.4 – Modélisation et géométrie
3.3.4.1 – La cible Cerenkov
3.3.4.2 – La géométrie de la cible sur Geant4
3.4 – Le code de simulation Particle in cell Magic
3.4.1 – Présentation de Magic
3.4.2 – Modélisation et géométrie
3.5 – De Magic à Geant4
3.6 – Conclusion
4 – Etude du faisceau d’électrons
4.1 – Faisceau d’électrons expérimental et simulé dans le vide
4.1.1 – Les caractéristiques d’un faisceau d’électrons
4.1.1.1 – Paramètres généraux
4.1.1.2 – Principe de fonctionnement d’une diode sous vide
4.1.2 – Comportement du faisceau en fonction de la cathode utilisée
4.1.2.1 – Cathode en inox
4.1.2.2 – Cathode en graphite
4.1.2.3 – Cathodes en velours
4.1.2.4 – Diamètre de la cathode
4.1.2.5 – Tir sur un disque en polychlorure de vinyle
4.1.2.6 – Compréhension des « raies » parasites sur les images Cerenkov
4.1.2.7 – Simulations Geant4
4.1.3 – Comportement du faisceau en fonction de l’anode utilisée
4.1.3.1 – Simulations Geant4
4.1.3.2 – Signaux électriques
4.1.3.3 – Images Cerenkov provenant de la caméra 4 images
4.1.3.4 – Images Cerenkov provenant de la caméra à balayage de fente
4.1.3.5 – Thermochoc initié dans l’aluminium
4.1.4 – Evolution des images Cerenkov en fonction de la cible en silice
4.1.4.1 – Influence de la présence d’une feuille en mylar aluminisé placée devant la cible
4.1.4.2 – Variation de l’épaisseur de la cible
4.1.4.3 – Simulations Geant4
4.1.5 – Mesure de dose à l’aide de films radiochromiques
4.1.6 – Simulation de la propagation d’un faisceau d’électrons dans le vide
4.2 – Influence de la distance anode-cible et de la variation de la pression de gaz sur le faisceau d’électrons
4.2.1 – Propagation du faisceau de l’anode à la cible dans de l’air
4.2.1.1 – Résultats expérimentaux
4.2.1.2 – Simulations Magic
4.2.2 – Propagation du faisceau de l’anode à la cible dans de l’argon
4.2.2.1 – Résultats expérimentaux
4.2.2.2 – Simulations Magic
4.3 – Focalisation du faisceau d’électrons par un champ magnétique externe
4.3.1 – Résultats expérimentaux
4.3.2 – Simulations Magic
4.4 – Caractérisation du faisceau d’électrons à plus forte intensité 10 kA et 20 kA
4.5 – Conclusion
Conclusion
