LASERS YAG de Puissance Pulsés, Mise au point électronique

LASERS YAG de Puissance Pulsés,  Mise au point électronique

1 Histoire
2 Les tubes Flash de puissance
3 Le contexte des essais
4 La trouvaille
5 La fin du sujet

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Avant propos

Cet article est un peu un clin d'œil à la désinfection de l'eau avec les tubes UV pour l'eau potable.
C'est une vieille histoire qui remonte aux années 1990/1993. Elle ne concerne pas les fondements de la physique des lasers, mais seulement l'électronique de commande des tubes flash pour les lasers YAG pulsés.
Ces lasers puissants sont utilisés principalement pour l'usinage de pièces mécaniques.
Cette histoire vraie mérite d'être racontée, car elle symbolise finalement un état d'esprit souvent décrit dans les articles de ces deux blogs.
Rien par cœur, toujours réfléchir...Ceci est une invitation pour les plus jeunes à aller dans cette voie.

1 Histoire

Électronicien de formation, et responsable d'un bureau d'Études Électronique à l'époque citée, en période de charge de travail assez restreinte, j'étais allé  auprès d'une autre Société en tant que "détaché en prestations de services" dont je connaissais le responsable et qui avait besoin d'aide.
Le travail consistait à aider ses techniciens à la mise au point de lasers de puissance destinés à l'usinage. La société "Q…" lui avait confié la mise au point de cartes destinées à équiper des machines d'usinage.

Il faut comprendre que dans ces types de lasers YAG Pulsés, pour pouvoir générer le faisceau laser, il est nécessaire de développer une énergie lumineuse extrêmement importante et capable (comme le ferait l'agitation thermique) de donner assez d'énergie aux électrons pour qu'ils se libèrent de l'attraction de leur noyau… etc (après cette opération c'est la physique qui intervient et je laisse le soin aux physiciens de continuer)

L'obtention de cette violente lumière d'excitation est obtenue par des tubes FLASH spécifiques
Ces tubes flash ne sont pas de simples "flash d'appareils photo", mais le principe en est identique aux Volts et Ampères près, soit aux (kilo) JOULES près…

2 Les tubes Flash de puissance

Il faut dire que depuis ce temps, ma mémoire peut avoir failli un peu car il y a près de 20 années de cela.
Ces tubes d'une vingtaine de centimètres de longueur et de 1.5 centimètre de diamètre environ, font partie des "tubes à gaz". Ils sont en enveloppe quartz pour la majorité. Les puissances en jeu nécessitent un refroidissement à l'eau de l'enveloppe transparente. De mémoire les tensions d'amorçage sont de l'ordre de 600 volts et les courants de l'ordre des ampères et plus  (?), mais là n'est pas réellement la question, car c'est avant tout une question d'énergie !
Ces tubes flash souvent groupés par paires, vont exciter un barreau de matériau, qui va générer le faisceau laser (rayonnement en dehors du spectre visible mais très puissant).

La mise au point qui me concernait était donc seulement liée au fonctionnement de la commande de ces tubes flash qui assurent l'ignition du processus laser.

3 Le contexte des essais

De nombreuses cartes et racks de puissance avaient été approvisionnés et seulement quelques tubes flash pour la mise au point. Des cartes électroniques de très mauvaise réalisation, avec de nombreux problèmes, entraînant souvent l'allumage permanent des tubes flash, et la destruction immédiate.
Cette opération est très coûteuse, car ces tubes flash sont chers 1500 à 2000 F à l'époque.

De plus tout problème entraîne également l'explosion de l'enveloppe de refroidissement et la disjonction électrique car l'eau de refroidissement du tube flash provoque des défauts à la terre.

Bref c'est de la mise au point dangereuse (Secteur 3x400V~, eau, tensions continues élevées...) et qui coûte très très cher ! (Une chance encore qu'il n'y ait pas de rayonnement invisible et le port de lunettes nécessaire !)

An niveau puissance, les baies électroniques sont alimentées en triphasé tant les puissances sont importantes. Le redressement est en direct sur le secteur, et sur d'importantes batteries de condensateurs chimiques, telles qu'il faut des résistances de limitation de charge sur chaque condensateur, pour limiter le courant d'appel et ne pas faire sauter le disjoncteur général par surintensité.

Bref c'est de l'électronique de puissance et les 18 KW de l'abonnement EDF n'étaient pas de trop. L'eau de refroidissement des tubes flash était simplement l'eau du réseau (Refroidissement à eau perdue ! )

Dans ce contexte "style laboratoire du Professeur Septimus", les cartes électroniques de régulation de l'énergie développée permettaient de régler la la largeur des impulsions transmises au tube flash et la fréquence de répétition. C'est là où le bas blesse, car si des cartes étaient mauvaises, une fois sur deux cela se traduisait par la mort du tube flash explosé avec de l'eau partout et un long moment d'arrêt de mise au point.
(Pas de microprocesseur à l'époque, tout en analogique !)

4 La trouvaille

Devant cette hécatombe de tubes flash, mais surtout d'argent gaspillé, il a fallu réfléchir "un tantinet".
Là aussi peut-être s'agit-il d'une "trouvaille", je n'en sais rien, mais cela a bien fonctionné.

La grande question était de trouver une CHARGE DE PUISSANCE qui puisse supporter ce que supporte un tube flash dans les plus petites énergies (au moins) et ne coûtant presque rien. La résistance à froid devait correspondre à peu près au tube flash pour que l'électronique fonctionne.
Là où la réflexion est utile, est de dire qu'il faut régler les énergies pour la plus faible possible et utiliser une lampe qui puisse supporter de telle énergies instantanées ("faibles" de nom seulement).

Allez on passe tout de suite à LA TROUVAILLE…C'est une lampe de phare de voiture de 45 Watts 12 volts (Jaune à l'époque), qui devra supporter 600 Volts durant un temps très court (désolé je n'ai plus les valeurs d'énergie mais ça marche).

Pourquoi une telle lampe ? Elle ne "coûte rien" relativement au tube flash.
Pourquoi une tension de 600 Volts ne grille pas la lampe ? Simplement parce que L'ÉNERGIE globale est acceptable (cette énergie importante est diffusée durant un temps très court et avec l'option "single" ou tir unique, c'est à dire sans aucune récurrence)).
Il n'a pas été nécessaire de mettre en // les deux filaments, pas plus que de noyer l'ampoule dans l'eau...

Avez-vous une idée du résultat ? A votre avis et pour le réglage mini de puissance (largeur d'impulsion), la lampe va-t-elle s'allumer ?

Eh bien NON ! Cependant j'ai pu assister à quelque chose d'étonnant, qui est de voir fumer le filament de la lampe, sans qu'il y ait de lumière.
J'en ai conclu rapidement (peut-être à tort ?), que dans ces conditions, l'énergie était telle qu'il y avait une petite vaporisation de la partie superficielle du filament de tungstène, ce qui devait se traduire par la fumée intérieure à l'ampoule…
Si on augmente l'énergie par la largeur d'impulsion, la lampe finit par rougeoyer, puis s'allumer et faire ….un flash !

5 La fin du sujet

Les cartes ont donc pu être mises au point et l'utilisation du tube flash réel était cette fois garantie par des essais sur des malheureuses lampes de "bagnoles" qui garantissaient la survie du vrai tube flash.

Cela pour dire qu'il faut parfois tenter l'impossible (600 Volts au lieu de 12 Volts) mais en évaluant l'énergie. Je pense que j'ai du faire un calcul approximatif à l'époque, pour supposer que ça devrait passer…

La lampe pourrait griller si le temps permettait de fondre le filament, mais ici, bien que la charge soit violente, elle dure très peu de temps, l'effet n'y est pas. Pour extrapoler sur l'irréel, une centrale nucléaire ne la ferait certainement pas plus sauter si le temps restait de l'ordre de la picoseconde.

Pour rappel :
1 joule durant une seconde est équivalent à une puissance de 1 Watt
1 joule durant 1 milliseconde est équivalent à une puissance de 1000 Watts.

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