Minimizing switch inductance in spiral generators: from gas discharge tubes to coaxial spark gaps

Le principe de fonctionnement idéal d’un générateur à inversion vectorielle (VIG) de N tours repose sur la propagation d’une onde électromagnétique dans une ligne en spirale. À l’issue d’un aller-retour, l’alignement des champs électriques le long de la spirale permet d’obtenir une tension pulsée 2N fois supérieure à la tension de charge DC du générateur. En pratique, les non-idéalités du commutateur réduisent cette amplitude. Une efficacité de multiplication β est introduite, telle que la tension maximale n'est multipliée que par 2Nβ. L’inductance du commutateur Ls constitue un facteur limitant majeur, une faible valeur de cette inductance Ls est nécessaire pour maximiser l’efficacité.

Cette étude vise à réduire Ls en comparant différentes technologies de commutation et méthodes de connexion. Des prototypes de VIG de 50 mm de diamètre interne et de 20 à 45 spires ont été étudiés expérimentalement. Les éclateurs (en: spark gap) présentent de meilleures performances que les tubes à décharge gazeuse (en: Gas Discharge Tube, GDT), notamment grâce à des temps de chute plus courts. Parmi les éclateurs, une géométrie coaxiale permet de réduire l’inductance par rapport à une géométrie conventionnelle, avec une augmentation relative de β de 31 % (contre 25 % pour l’éclateur conventionnel) par rapport aux GDT.

L’étude montre également que les connexions entre le commutateur et le VIG ont une influence importante sur les performances. Des connexions filaires de 10 cm peuvent réduire l’efficacité de plus de 30 %. Le placement du commutateur au plus près du générateur donne les meilleures performances ; lorsque cela n’est pas possible, des bandes de cuivre permettent de limiter la perte d’efficacité à moins de 15 % pour une longueur de 10 cm.