Une première dans l’étalonnage des impulsions haute tension nanosecondes

Les hautes puissances pulsées sont une technologie permettant de générer de très hautes tensions électriques, pouvant atteindre plusieurs milliers de volts, sous la forme d’impulsions extrêmement brèves, allant de quelques millisecondes à quelques nanosecondes. Ce procédé est par exemple utilisé pour tester la résistance des appareils à la foudre. Jusqu’ici, il n’existait aucune métrologie pour caractériser des impulsions hautes tensions allant jusqu’à 500 kV (kilovolts), avec des temps de montées de seulement quelques nanosecondes. Le LNE (Laboratoire national de métrologie et d’essais) vient de développer le premier instrument capable de réaliser ces mesures.

« Pour les industriels, il est important de pouvoir générer une onde qui monte et redescend le plus proprement possible afin qu’elle puisse être utilisée efficacement, déclare Pierre-Jean Janin, responsable du département basse fréquence au LNE. Pour cela, cette onde ne doit avoir ni oscillation, ni grésillement et ni double pic. Pour obtenir cette qualité d’impulsion, il est nécessaire de la maîtriser, et pour la maîtriser, il convient de la mesurer à l’aide d’outils de mesure qui sont calibrés et étalonnés au système international d’unités. »

La pièce principale de ce nouveau système de mesure est constituée d’un diviseur de tension. Étant donné qu’il n’existe aucun instrument capable de mesurer directement une haute tension, ce diviseur a pour fonction d’atténuer le signal, et peut par exemple ramener une tension de 500 kV, à seulement 10 volts. Un oscilloscope, positionné à la sortie, vient ensuite mesurer cette tension. Tout l’enjeu du développement de ce nouveau système de mesure a été de fabriquer un diviseur le plus précis possible, capable de diviser une tension sans déformer le signal.

« Pour concevoir notre outil, nous avons d’abord réalisé un travail de modélisation électro-magnétique et mécanique, précise Pierre-Jean Janin. Ensuite, nous avons cherché des entreprises de précision capables de coller les pièces les unes aux autres avec une couche très mince, de seulement quelques micromètres d’épaisseur, et constituées de matériaux aux propriétés et aux caractéristiques très particulières. Enfin, des tests ont été réalisés avec des tensions atteignant plusieurs centaines de kV, tout en veillant à ce qu’ils ne soient pas destructifs. L’ensemble de ces travaux est très complexe et nous a demandé quatre années de développement. »

Les impulsions haute tension de plus en plus utilisées dans de multiples domaines

En plus de mesurer un très court signal de seulement quelques nanosecondes, ce nouvel appareil a la particularité d’être raccordé au système international d’unités (SI), ce qui est une première dans le monde. D’autres instruments de mesure proposent déjà cette garantie de traçabilité, mais uniquement pour des impulsions allant de la milliseconde à la microseconde. Ce nouvel instrument est transportable pour caractériser des générateurs d’ondes pulsées ainsi que des diviseurs de tension. Les industriels et les laboratoires de recherche pourront ainsi bénéficier de la garantie de la traçabilité sur tous leurs types d’impulsions, leur apportant précision et sécurité. La génération d’impulsions requérant de l’énergie, cet instrument de mesure permettra aussi de ne pas en utiliser plus que nécessaire et donc limitera tout gaspillage.

Les ondes pulsées sont historiquement utilisées dans le domaine militaire pour détecter des mines dans les sols et évaluer leur profondeur. Plus l’impulsion est brève et rapide et moins le risque de ne pas les identifier est élevé. Elles trouvent également des applications dans le domaine spatial et sont à l’origine des signaux de haute fréquence des satellites. Dans l’agroalimentaire, de nombreux procédés de pasteurisation, de stérilisation et de conservation des aliments utilisent aussi cette technologie d’ondes impulsionnelles.

Dans le domaine médical, ce procédé est notamment employé pour traiter les cancers. « La radiothérapie utilise à la base des ondes hautes tensions qui sont produites par un générateur puis sont transformées en rayons X, poursuit Pierre-Jean Janin. Plus l’impulsion haute tension est propre et plus les rayons seront précis et localisés afin de tuer les cellules cancéreuses, tout en évitant les débordements sur les cellules saines. Il est donc important d’étalonner les équipements utilisés pour maîtriser parfaitement la forme de l’onde. »