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DISPOSITIF D'AMORÇAGE POUR CHARGE
~XPLOSIVE SECONDAIRE
La présente invention concerne un dispositif d'amorsage pour
5 charge explosive secondaire comportant au moins un réservoir d'énergie
couplé à un élément de commutation d'énergie couplé à une amorce
fusible à couche projetée, caractérisé en ce que l'élément de
commutation d'énergie est constitué par un commutateur électronique à
base de semi-conducteur, sa commutation à la fermeture étant activée
10 par un signal optique impulsionnel.
Selon l'état de l'art, un système d'amorçage de haute sécurité
est composé généralement d'un réservoir d'énergie, d'un commutateur
d'énergie, de circuits de commande et de vérification des ordres de
commutation, et d'une arnorce de détonatiom Les amorces de détonation
15 de haute sécurité nécessitent, pour assurer un bon fonctionnement, la
commutation d'énergies égales à plusieurs centaines de milli-joules, voire
un joule, en quelques dizaines de nanosecondes. Cette commutation se
traduit dans les circuits électriques par le passage d'un courant égal à
plusieurs kilo-ampères sous une tension appliquée de plusieurs kilo-volts.
20 L'élément de commutation actuellement utilisé est un éclateur à gaz ou à
vide. Il permet le passage de plusieurs kilo-ampères sous plusieurs kilo-
volts lorsqu'il est en mode fermé, mais le passage du mode ouvert au
mode fermé comporte un temps de commutation trop long pour certaines
applications. En effet, le passage du mode ouvert au mode fermé se fait
25 par activation d'une troisième électrode appelée "gâchette" et portée à
un fort potentiel, 3 à 4 kv par exemple, cette gâche~te provo~ue une
décharge disruptive entre les électrodes principaies de l'éclateur,
accompagnée de bat~ements selon un phénomène appelé "gigue" en
français et généralement connu sous l'appellation anglaise "litter". Ces
30 "gigues" ou "jitters" retardent l'établissement du mode fermé et
provoquent des délais de commutation généralement supérieurs à
10û ns. Les délais et phénomènes de gigue obtenus avec les éclateurs, à
: ~ ~
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gaz ou à vide, sont incompatibles des systèmes d'amorçage multipoints
synchrones ou séquencés qui nécessitent une parfaite maîtrise des délais
et phénomènes de gigues et nécessitent d'atteindre des temps de
commutation de l'ordre de quelques nanosecondes.
Afin d'améliorer la dispersion chronométrique entre les
différents amorçages, c'est-à-dire en fait réduire les temps de
commutation, une solution consiste à utiliser l'énergie optique issue d'un
laser à impulsions pour déclencher la commutation d'éneryie au travers
de l'éclateur. Ce moyen de déclenchement a été largement décrit dans
les publications suivantes: V.A. VUYLSTEKI JAP 34, 1615 ~1963), L.L.
STEINMETZ - The Review of Scientific Instrument 39 n~ 6 (1968) pages
904/909, H.C. HARGES Texas University Report n~ LLL 2257509-1
(1979), R.A. DOUGAL et all J. Phys. D.Appli. Phy. 17 (19~4) pages
903/91 ~.
Le principal inconvénient de l'éclateur à déclenchement par
impulsion optique est qu'il nécessite l'utilisation de laser à impulsions de
fortes puissances, comprises par exemple entre 100 kW et 1 MW
correspondant ~ des énergies comprises entre 1 et 10 milli-joules
transmises en 10 ns environ, chaque éclateur ayant un laser associé qui
lui est propre.
A ce jour, les sources à laser les plus compactes connues,
dont le volume représente quelques dizaines de centimètres cubes,
limitent les cadences de fonctionnement aux environs d'une fréquence
de l'ordre d'un kilo-hertz et ainsi ne permettent pas des fonctionnements
séquencés rapides, par exemple tels qu'il y ait 100 ns entre chaque
impulsion. De plus, les puissances, supérieures à 100 kW notamment,
mises en Geuvre pour le déclenchement des éclateurs, nécessitent
l'utilisation, si l'architecture du système l'impose, de fibres optiques
spéciales de forts diamètres, fragiles et difficiles à utiliser du fait du faible
rayon de courbure qu'elles acceptent sans se briser.
Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités.
:
. .
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A cet effet l'inven~ion a pour objet un dispositif d'amorçage
pour charge explosive secondaire comportant au moins un réservoir
d'énergie couplé à un élément de commutation d'énergie couplé à une
amorce fusible à couche projetée, caractérisé en ce que l'élément de
5 commutation d'énergie est constitué par un commutateur électronique à
base de semi-conducteur.
L'invention a pour principaux avantages qu'elle nécessite une
faible énergie de déclenchement, typiquement quelques micro-joules,
qu'elle permet de faibles délais d'amorçage, typiquement inférieurs à
10 1 ns, grâce notamment à la disparition des phénomènes de gigue, qu'elle
protège les amorçages des rayonnements électromagnétiques, enfin
qu'elle permet une plus grande compacité des moyens d'amorçages ainsi
qu'une plus grande facilité d'exploitation.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
15 apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins
annexés représentant: -
- la figure la, un dispositif d'amorçage élémentaire selon
l'invention,
- la figure 1b, un exemple de structure de commutateur
20 d'énergie,
- les figures 2a, 2b, 3, 4a, et 4b, des dispositifs d'amorçage
multivoies, selon l'invention,
- les figures 5a, 5b, 6a et 6b, des structures possibles
contenant plusieurs commutateurs d'energie pour des dispositifs
25 d'amorçage selon l'invention,
- les figures 7a et 7b, une structure compac:te con~enant
plusieurs commutateurs d'énergie pour des dispositifs d'amorçage selon
I ' invention .
La figure 1a présente un dispositif d'am:orçage élémentaire
30 selon l'invention. Il comprend un réservoir d'énergie élec~rique 1, un
condensateur par exemple don~ la capacité vaut entre 0,1 et 0,2,uF et
chargé sous quelques kilo-volts, ayant une électrode connectée par
.
. : ~
'~
'
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I'intermédiaire d'une ligne 3 à un potentiel de référence 4 et son autre
électrode connectée d'une part à un point d'entrée 2 du courant de
charge du réservoir d'énergie 1 par l'intermédiaire d'une ligne 5,6, et
d'autre part à une électrode 9 d'un commutateur d'énergie 8
5 électronique, à base de semi-conducteur en arséniure de gallium par
exemple, fonctionnant en mode de photo-conduction par exemple, par
l'intermédiaire d'une ligne 5, 7. L'autre électrode lO du commutateur 8
est reliée à un pôle d ' une amorce fusible à couche projetée 13 par
l'intermédiaire d'une ligne 12, I'autre pôle de l'amorce 13 étant relié au
10 potentiel de référence 4 par l'intermédiaire d'une ligne 14. Les lignes 3,
5, 7, 12 et 14 peuvent être constituées par exemple de conducteurs
plans afin de réduire les self-inductances parasites et diminuer ainsi des
surtensions parasites aux bornes du commutateur 8. La commutation à la
fermeture, c'est-à-dire pour le passage d'énergie, est commandée par
15 une impulsion optique 11 de faible niveau. Le commutateur 8 peut
commuter des courants de quelques kilo-ampères sous une tension de
quelques kilo-volts à ses bornes. L'énergie optique nécessaire à
l'activation du commutateur 8 est très faible, environ 100 ,uJ par
exemple, car la présence de l'impulsion optique n'est pas obligatoire sur
20 toute la durée de la commutation d'énergie à travers le commutateur,
ainsi pour une durée de commutation d'environ 100 ns, une impulsion
optique d'environ 10 ns est suffisante pour déclencher la fermeture du
commutateur, celle-ci se maintient une fois l'impulsion optique 11
disparue jusqu'à ce que le courant ~raversant le commutateur s'annule,
25 c'est-à-dire en fait jusqu'à ce que le réservoir d'énergie 1 soit totalement
déchargé. Cette propriété du cornmutateur optique permet par exemple
l'utilisation de diodes laser comme sources optiques, capables par
exemple de délivrer une puissance optique d'environ 1 kW pendant
10 ns. Il est possible d'envisager un déclenchement du commutateur ~
30 par un signal qui n'est pas optique, celui-ci pourrait par exemple être
remplacé par un signal électrique de faible puissance.
.:
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.
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La figure 1 b présente un exemple de structure de commutateur
8 à l'ars~niure de gallium réalisé pour le dispositif d'amorsage selon
l'invention. Il est composé d'un substrat semi-conducteur 15 en
arséniure de gallium de résistivité égale à 107 Q cm environ, d'épaisseur
de 1 mm et de largeur de 1 cm environ sur lequel sont déposées deux
électrodes 9, 10 constituées par exemple de quatre couches de métaux
successives suivantes: une co~lche de nickel d'épaisseur 50 A, d'or de
750 ~, de nickel de 750 A et d'or de 2000 A de façon à créer des
contacts ohmiques entre le métal et l'arséniure de gallium et à laisser
paraître un écart entre les électrodes adapté à la tension appliquée aux
bornes du circuit, par exemple 1 mm pour 3 à 4 kilo-volts. D~s
l'apparition du faisceau optique impulsionnel 11, un contact électrique
s'établit entre les deux électrodes 10 et 19 par l'intermédiaire du
substrat semi-conducteur 15 en arséniure de gallium. Il se crée alors un
phénomène de type avalanche qui entretient la fermeture du
commutateur. Ces électrodes 9, 10 sont connectées aux circuits
extérieures par des liaisons métalliques 16, 17 soudées sur les bords 18,
19 des électrodes 9, 10 selon des techniques connues de l'homme de
l'art. Le faisceau optique impulsionnel de commutation 11 est issu par
exemple d'une source optique laser émettant suivant des longueurs
d'onde comprises entre 0,8 et 1,06,um. Afin d'éliminer les claquages
diélectriques de surface, une couche d'environ 5 à 10 JJm de diélectrique
polymère, par exemple un polyimide, est déposé sur la surface du
commutateur 8 contenant les électrodes 9, 10.
La figure 2a présente un dispositif d'amorçage multivoies selon
I'invention. Il comprend par exemple n circuits élémentaires du type de
celui décrit par la figure 1 a . EN 1, EN2, EN3 et EN sont les entrées
d'énergie pour les condensateurs C1, C2, C3 et Cn. L'énergie stockee
dans ces condensateurs est commutée vers les amorces fusibles F1, F2,
F3 et Fn par l'intermédiaire des commutateurs à base d'arséniure de
gallium PC1, PC2, PC3 et PCn du type de celui de la figure 1 b. Ces
commutateurs sont respectivement commandés par les signaux
' . '- .' '
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impulsionnels optiques 21, 22, 23 et 24. Les condensateurs C1, C2, C3
et Cn d'une part, et les fusibles F1, F2, F3 et Fn d'autre part ont chacun
un pôle relié au meme potentiel de référence 4. L'impulsion optique de
commande peut etre amenée sur chacun des commutateurs selon
5 plusieurs rnéthodes décrites ci-dessous.
Pour un rnode d'amorçage synchrone, une structure possible
est présentée par la figure 2b. A titre d'exemple, le dispositif comporte
trois voies d'amorçage. Une source optique commune 25 à laser par
exemple, envoie des impulsions synchrones vers les commutateurs PC1,
10 PC2 et PC3. Ces impulsions optiques sont transmises au moyen de fibres
optiques 26, 27 et 28 de memes longueurs. Ces fibres optiques peuvent
être par exemple en plastique ou en silice.
Pour un mode d'amorçage séquencé pré-programmé, une
structure possible est présentée par la figure 3; elle est identique à la
15 structure de la figure 2b à l'exception des longueurs des fibres optiques
31, 32 et 33 qui ne sont plus identiques. Pour ce mode de
fonctionnement, la longueur de chacune des fibres 31, 32 et 33 est
adaptée aux délais nécessaires entre les amorçages. Généralement, un
mètre de fibre optique engendre un retard d'environ 3 ns, selon la nature
20 des fibres optiques, ce retard peut etre défini précisément.
Pour un mode d'amorçage séquencé programmé en cours de
mission et adapté par exemple, selon la cible à détruire, deux structures
possibles sont présentées par les figures 4a et 4b. La structure de la
figure 4a comprend une source optique commune 25, à laser par
25 exemple. Des fibres optiques 41, 42 et 43 guident un signai impulsionnel
optique vers chacune des trois en~rées EN1, EN2 et EN3 d'une matrice
optique 44. Cette matrice optique ~ est constitué d'un système de
commutations optiques qui permet d'obtenir un certain nombre de
séquences pr~-~tablies en fonction par exemple d'informations acquises
30 en cours de mission. En sorties S01, S02, S03 de la matrice 44, trois
fibres optiques 45, 46, 47 de mêmes longueurs permettent
l'acheminement des signaux impulsionnels optiques vers les
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commutateurs PC1, PC2 et PC3. La publication Aérospatiale "4ème
Congrès International de Pyrotechnie Spatiale" relative à la conférence
organisée par le Groupe Technique de Pyrotechnie Spatiale (GPTS) du 05
au 09 Juin 1989, pages 207 à ~13, fait état d'un certain nombre de
5 moyens pour obtenir les séquences précitées par commutation optique.
La figure 4b présente une structure possible où il y a autant de
sources à laser L1, L2, L3 qu'il y a de comrnutateurs PC1, PC2 et PC3.
Ces sources laser sont déclenchées selon des séquences programmables
par des circuits électroniques de commande 48 dont la réalisation est
10 connue de l'homme de l'art. Les lasers L1, L~, L3 émettent
respectivement des impulsions optiques 491, 492, 493 vers les
commutateurs PC1, PC2 et PC3.
Les figures 5a et 5b présentent une structure possible
contenant plusieurs commutateurs d'énergie et réalisée pour être par
15 exemple utilisée dans les dispositifs d'amorçage multivoies décrits par les
figures 2a et 4b.
La figure 5a représente une vue de dessus d'un substrat 51
semi-conducteur en arséniure de gallium par exemple, sur lequel est
déposé un réseau d'électrodes métalliques 511, 512, 513, 521, 522 et
20 5~3 formant trois commutateurs, les électrodes 511 et 521 formant un
premier commutateur relié en entrée à une ligne 531 et en sortie à une
ligne 541, les électrodes 512 e~ 522 formant un deuxième commutateur
relié en entrée à une ligne 532 et en sortie à une ligne 522, et les
électrodes 513 et 523 formant un troisième commutateur relié en entrée
25 à une ligne 533 et en sortie à une ligne 543. Les paramètres
géométriques d~s électrodes sont fonction des contraintes électriques
des circuits de mise à feu, notamment en ce qui concerne l'intensité de
courant, la tension et les temps de commutation. Sur la ligne 5a sont
représentés trois commutateurs mais il est évidemment possible d'en
30 créer plus, en fait autant qu'il y a de voies d'amorçage.
La figure 5b représente une vue du substra~ 51 de la figure 5a
recouvert des électrodes 511, 512, 513, 521, 522 et 523 suivant la
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2~8~
flèche 56 de la figure 5a. Les commutateurs sont placés en regard de
réseaux 53, 54, 55 de diodes lasers disposées en barrette 52 et capables
d'émettre des impulsions optiques 57, 51 et 59 pour déclencher ces
commutateurs. Chacun des réseaux peut être commandé séparément par
5 une électronique de commande associée dont la réalisation est connue
de l'homme de l'art, ce qui permet d'assurer un amorçage synchrone ou
séquencé selon les cas~ Cette structure présentée par les figures 5a et
5b a l'avantage d'être une structure compacte et très souple en ce qui
concerne les différentes possibi!ités de mode d'amorçage. Néanmoins, si
10 le nombre de commutateurs est trop grand, la structure présentée par les
figures 6a et 6b apparaît plus satisfaisante au niveau de la compacité.
La figure 6a représente un réseau de six commutateurs
destinés a un dispositif d'amorçage selon l'invention et déposés sur un
substrat 61 en arséniure de gallium. Un premier commutateur est formé
15 par des électrodes E1 et S1, un deuxième commutateur par d'autres
électrodes E2 et S2, un troisième commutateur par les électrodes E3 et
S3, un quatrième commutateur par d'autres électrodes E4 et S4, un
cinquième commutateur par d'autres électrodes E5 et S5 et un sixième
commutateur par d'autres électrodes E6 et S6. Un écart 63 entre les
20 électrodes d'un mëme commutateur est fonction de la tension appliquée
aux bornes de ce commutateur.
La figure 6b présente le substrat 61 des commutateurs placés
en regard d'un ensemble de réseaux de diodes laser placées sur un
support 62. Ces réseaux de diodes laser activent par leurs émissions
25 d'impulsions optiques les commutateurs placés sur le substrat 61.
L'ensemble de réseaux de diodes laser sur le support 62 peut être
obtenu par empilement de barrettes semblables à la barrette 52 de la
figure 5b. Il peut aussi par exemple être sous forme de réseaux
d'émission surfacique. La réalisation des cornmutateurs sur le substrat
30 61 fait appel à des techniques de micro-électronique connues de
l'homme de l'art;
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Les figures 7a et 7b présentent une structure monolithique
d'un ensemble de commutateurs et de leurs sources optiques destinés à
un dispositif d'amorçage selon l'invention. La figure 7a représente une
vue en coupe de la figure 7b. La figure 7b ne montre que deux
5 commutateurs constitués d'une part, des électrodes 73, 7~ et de leurs
réseaux de diodes lasser 77 associés et d'autre part, des électrodes 78,
79 et de leurs r~seaux de diodes laser 80 associés. Ces électrodes sont
placées sur un substrat 71 en arséniure de gallium et situées dans un
plan incliné à 45 ~ par rapport à l'émission optique 72 délivrées par les
10 réseaux de diodes laser 77, 80 à partir des couches de sortie 7~. Ces
réseaux de diodes laser 77, 80 sont fixés sur une barrette 75 elle-même
solidaire du substrat 71. La structure présentée par les figures 7a et 7b
peut être agrandie suivant des axes Y ou X parallèles aux côtés du
substrat 71, en répétant les motifs représentés sur ces deux figures.
15 Cette structure a l'avantage d'être très compacte et très résistante sur le
plan mécanique. De plus, elle permet d'optimiser le couplage optique,
donc d'augmenter le rendement et la reproductibilité, entre la source et
le commutateur.
Enfin, il est possible d'intégrer complèternent sur un substrat
20 en silicium une électronique de commande, des mémoires de travail et de
programme, puis par épitaxie de l'arséniure de gallium sur le silicium,
d'intégrer la structure décrite par les figures 7a et 7b avec l'électronique
de commande. Une compacité maximum peut etre obtenue par
métallisation des circuits électriques de liaison avec les réservoirs
25 d'énergie et les amorces, en lignes triplaques adaptées en irnpédance.
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