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Article

1 - ÉMISSION ÉLECTRONIQUE

2 - CLAQUAGE HAUTE TENSION SOUS VIDE

3 - RUPTURE DE L'ISOLATION PAR LES MICROPARTICULES

4 - ÉQUILIBRE THERMIQUE POUR UNE PROTRUSION MICROSCOPIQUE D'UNE SURFACE SOUMISE À LA HAUTE TENSION

5 - APPLICATIONS DES SYSTÈMES HAUTE TENSION SOUS VIDE

6 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : D2480 v1

Applications des systèmes haute tension sous vide
Isolation haute tension sous vide

Auteur(s) : Tiberiu MINEA

Relu et validé le 30 janv. 2015

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RÉSUMÉ

Le caractère diélectrique du vide est avéré, mais les éventuelles charges électriques libres peuvent s'y transporter sans encombre. En pratique, l'application des hautes tensions entre les électrodes sous vide engendre la libération d'électrons, donc des charges libres. C'est ainsi qu'un courant peut s'établir entre les électrodes, conduisant au claquage sous vide. Ces phénomènes sont introduits et discutés sur le plan fondamental (expérimental, théorique et de modélisation numérique) et sur celui des applications.

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ABSTRACT

High voltage insulation in vacuum

The dielectric characteristic of vacuum has been proven, however free electrical charges can be driven within. In practice, when high voltage is applied between electrodes in a vacuum, electrons and thus free charges are released. A current can therefore be established between the electrodes, leading to vacuum breakdown. These phenomena are introduced and discussed at the fundamental level (experimental, theoretical and numerical modeling) and at the level of applications.

Auteur(s)

  • Tiberiu MINEA : Professeur Laboratoire de Physique des gaz et des plasmas CNRS Université Paris-Sud

INTRODUCTION

La tenue en tension est due au caractère diélectrique des matériaux qui séparent deux régions de l'espace portées à des potentiels électriques différents, et qui empêche l'écoulement des charges d'une région vers l'autre. Généralement, cette différence de potentiel est transmise ou générée entre deux électrodes. Cependant, elle peut apparaître naturellement dans l'atmosphère entre deux nuages ou entre les nuages et la Terre, conduisant – sous certaines conditions – à la génération de la foudre. On en déduit que le gaz atmosphérique n'est pas un isolant électrique de très grande qualité, bien qu'il puisse supporter plusieurs dizaines de kilovolts par mètre [D 2 530].

Une façon d'améliorer la tenue à la haute tension entre deux électrodes est d'abaisser la pression jusqu'à des valeurs bien inférieures à la pression atmosphérique, autrement dit de plonger ces électrodes dans le vide. En fait, malgré la très forte énergie cinétique récupérée par les particules chargées (essentiellement des électrons à l'état libre) du champ électrique, la probabilité de collision de ces particules énergétiques avec les autres molécules de gaz résiduel présentes dans l'espace inter-électrodes diminue exponentiellement avec l'abaissement de la pression. Ainsi, le vide présente un caractère isolant lorsqu'il est sujet à un champ électrique très intense, pouvant dépasser dans certains cas les propriétés des diélectriques solides ou liquides.

L'importance de tenir des très hautes tensions (quelques mégavolts environ) sur quelques centimètres est une contrainte très forte sur les lignes haute tension. Pour prévenir le passage à l'arc, ces lignes ont, pour la plupart, l'espace inter-électrodes rempli de liquide diélectrique ou de gaz électronégatifs (par exemple SF6) à haute pression (~ 10 bar). Ne serait-ce que pour des raisons environnementales, on se doit d'examiner les possibilités alternatives de transmettre des fortes puissances sur les longues distances, surtout s'il s'agit d'une tension continue, afin d'alimenter des accélérateurs, des bobines supraconductrices, etc.

Dès lors que le champ électrique devient très important entre les deux électrodes, des phénomènes nouveaux apparaissent à la surface des électrodes, dont le plus connu est l'émission électronique sous l'effet de champ. Si la multiplication de ces électrons libres est possible, alors le système peut dégénérer vers un arc électrique sous vide [D 2 820] [D 2 870].

L'objectif de cet article est de donner un aperçu de la plupart des mécanismes fondamentaux qui conditionnent l'apparition du claquage sous vide et de présenter les avancées dans la modélisation de ces phénomènes avec des implications fortes sur le plan scientifique (accélérateurs, installations de fusion, laser à électrons libres, etc.) et industriel (éclateurs sous vide, tubes électroniques, etc.).

Dans un premier temps, les mécanismes d'émission électronique par une surface libre à l'interface avec le vide sont introduits (§ 1). Les différentes configurations géométriques conduisant au claquage et les moyens pratiques d'amélioration de la tenue aux hautes tensions sous vide sont présentés (§ 2). Les modèles les plus aboutis pour expliquer le claquage sont exposés ainsi que la comparaison avec les résultats expérimentaux (§ 3). Enfin, les principales applications exploitant l'émission sous vide sont énumérées (§ 4).

Quelques rappels

• La tension entre deux points (bornes) est la différence de potentiel électrique.

• Le diélectrique est un matériau le plus souvent solide ou liquide de grand gap (bande électronique interdite) capable de stocker de l'énergie électrostatique, autrement dit présentant un écart en énergie considérable entre la bande de valence et la bande de conduction (plusieurs eV) avec une très forte polarisabilité.

• Le vide, d'un point de vue technologique, désigne les très basses pressions, inférieures, voire très inférieures (allant jusqu'à 10-13 bar) par rapport à la pression atmosphérique (1 bar). Il y a d'autres acceptions du vocable « vide ». Il signifie le manque de matière, le néant, en philosophie ; alors qu'en mécanique quantique ou en physique des très hautes énergies, il est l'état d'énergie nulle du champ électromagnétique. Dans la suite de cet article, le terme « vide » sera toujours employé pour signifier une atmosphère gazeuse très raréfiée.

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KEYWORDS

vacuum breakdown   |   electron emission   |   electron field emission   |   thermoionic emission of electrons from solids   |   microprotrusion   |   accelerators   |   vacuum tuubes   |   vacuum sparking switch

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d2480


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5. Applications des systèmes haute tension sous vide

Le claquage du vide a trouvé ses premières applications dans la construction des tubes électroniques sous vide bien avant 1900 et a été assez rapidement exploité pour la construction des tubes électroniques (diodes, triodes, etc.) et des éclateurs sous vide.

Les éclateurs sont des circuits de commutation rapide, typiquement avec des temps de réponse inférieurs à la nanoseconde, et qui permettent le passage de forts courants, allant habituellement jusqu'à 200 A. L'éclateur sous vide le plus couramment utilisé est en courant continu (direct current – DC) où le courant démarre par une émission de champ et la surface de contact passe par un spot limité à moins de 1 mm2. Les éclateurs fonctionnant en excitation radiofréquence (RF) font intervenir la capacité de la cavité entière, qui, étant vide joue le rôle d'un condensateur. Le claquage dans les éclateurs RF dépend de la nature du matériau des électrodes, mais aussi du taux de répétition, de la longueur des impulsions, etc. . Ces dispositifs sont utilisés pour les études de claquage et le choix des matériaux dans la construction des accélérateurs, par exemple le CLIC (Compact Linear Collider ) du CERN à Genève (figure 20.

Une nouvelle génération d'éclateurs de très fort courant a été conçue et réalisée conjointement par les chercheurs des laboratoires Sandia aux États-Unis et de l'Institut d'Électronique de Hauts Courants (HCEI) de Tomsk, en Russie. Ces éclateurs constituent la pièce maîtresse pour permettre la commande...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - FOWLER (R.H.), NORDHEIM (l.W.) -   Electron emission in intense electric fields.  -  Proc. Roy. Soc., A119, p. 173 (1928).

  • (2) - LATHAM (R.V.) Ed -   High voltage vacuum insulation-basic concepts and technological practices.  -  Academic Press (1995).

  • (3) - MODINOS (A.) -   Theoretical analysis of field emission data.  -  Solid-State Electronics, 45, p. 809 (2001).

  • (4) - DIAMOND (W.T.) -   New perspectives in vacuum high voltage insulation. I. The transition to field emission.  -  J. Vac. Sci. Technol. A, 16, p. 707 (1998).

  • (5) - FORBES (R.G.) -   Simple good approximations for the special elliptic functions in standard Fowler-Nordheim tunneling theory for a Schottky-Nordheim barrier.  -  Applied Physics Letters, 89, p. 113122 (2006).

  • (6) - SKRIVER (H.L.), ROSENGAARD (N.M.) -   Surface energy and work function of elemental metals.  -  ...

1 Sites Internet

Description du projet Laser Méga Joule (LMJ) porté par le CEA http://www-lmj.cea.fr

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2 Brevets

CASCONE (M.J.) et OIESEN (E.) – Multiple stage depressed collector (MSDC) klystron based amplifier for ground based satellite and terrestrial communications. US 6552490 (2003).

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