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Auteur(s)
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Georges FRICK : Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité - Docteur ès Sciences - Ingénieur au Centre de Recherches Nucléaires de Strasbourg
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Lire l’articleINTRODUCTION
La machine électrostatique est ainsi nommée parce qu’elle fait appel aux lois de l’électrostatique à la différence d’autres machines dites électromagnétiques. Bien que des moteurs électrostatiques aient été imaginés, ils n’ont pas eu de succès ; par contre, en tant que générateurs de très haute tension (
0,3 MV), les machines électrostatiques connaissent leur principale application dans le domaine des accélérateurs d’ions ou d’électrons. Cet article porte essentiellement sur ce dernier sujet.
Après quelques considérations générales 1, nous étudierons, d’abord, les grandeurs et paramètres usuels d’un système électrostatique 2. Nous verrons, ensuite, la forme générale que prend un tel système 3, forme principalement déterminée par sa fonction, pour en arriver au dimensionnement 4. Celui-ci est dû à des contraintes physiques comme celles attribuées à l’isolation dans le gaz, qui détermine la géométrie des électrodes conductrices. Le dimensionnement est aussi lié aux propriétés des isolants de structure dans le gaz et dans le vide. Enfin, nous étudierons le système de charge 5, partie essentielle d’une machine électrostatique (le paragraphe 5.3 est repris du texte original rédigé par Noël J. Félici), et le tube accélérateur 6 qui entraîne d’autres problèmes.
Avant d’en donner une description complète 7, nous illustrerons les différents paragraphes par le Vivitron. Nous présenterons également d’autres appareils utilisés couramment 7. Enfin nous parlerons des applications de ces appareils 8 [1] [84] [85] [86].
Le lecteur pourra utilement se reporter, dans ce traité, aux articles Électricité statique. Principes. Problèmes. Applications [87] et Électromagnétisme. Différents aspects [88].
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4. Dimensions d’un générateur électrostatique
Nous étudierons successivement dans le cas particulier des accélérateurs électrostatiques :
-
l’isolation dans les gaz ;
-
les considérations géométriques sur les structures électrostatiques ;
-
les éclateurs de protection ;
-
les isolateurs solides.
Avec l’exemple du Vivitron, nous verrons, pratiquement, comment les dimensions d’un accélérateur sont déterminées à partir des contraintes imposées par ces problèmes.
Il est certain que ces quatre premiers points présentent un intérêt général pour l’ingénieur en électricité. Nous les développons ici dans le contexte particulier des machines électrostatiques.
Ensuite, nous verrons les systèmes de charge et les tubes accélérateurs.
4.1 Isolation dans les gaz
Aux pressions qui nous intéressent, on analyse des situations extrêmes correspondant à la décharge entre deux électrodes parallèles planes et à celle entre une pointe et une électrode plane (cf. [89]).
-
Dans le premier cas, le lieu de la décharge est quelconque à la surface de l’électrode. Les valeurs du champ électrique et de la tension disruptive V d devraient être celles déduites des courbes de Paschen (figure 4). Avec une bonne approximation [2] [3] [52] [53] [54] [55], le champ critique dans le SF6 est :
Ec (MV/m) = 8,8 pavec :
- p (bar) :
- pression.
-
À l’opposé, dans le cas d’une pointe et d’une électrode plane, il y a en général apparition d’effet couronne. À l’extrémité de la pointe, le champ atteint la valeur critique de Paschen ; il y a multiplication d’électrons comme pour la production d’un arc entre électrodes parallèles. Par contre, le champ moyen environnant diminue très vite car il est très divergent ; la multiplication cesse et l’arc ne se développe pas. Le courant reste limité à quelques microampères. La tension d’apparition de l’effet couronne...
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