L’énergie stockée maximum dans l’état d’énergie E2 = 2.18 J/cm3. Au niveau de la lampe flash l’énergie pour obtenir le seuil laser se situe entre 100-300 J/cm3 dépendant de la concentration des ions Cr+3 du diamètre du barreau de sa longueur et du pouvoir de réflexion des miroirs.
La puissance électrique de la lampe au xénon doit être de 70kW/cm3
L’angle de Brewster pour un rubis est de 30°34′
Le signal gain pour un passage dans le rubis Go= 1.1  pour un verre au Néodyme Go=2.3  et pour un YAG Go=1720
Conclusion un YAG ne peut pas stocké de l’énergie dans l’état E3 ce qui limite l’énergie à 300mJ pour un barreau de 5mm de diamètre en mode déclenché et 900mJ pour un barreau de 9mm de diamètre.
Le laser à rubis est un laser à 3 niveaux: lors de la décharge dans le tube flash les photons émis par celui-ci sont diriger par le réflecteur elliptique sur le barreau de rubis dopé à 0.05% de chrome et donc les électrons de l’état fondamental E1 sont pompés sur l’état d’énergie E3 par absorption des photons correspondant à cette différence d’énergie. On appelle cela une inversion de population.
Pour atteindre le seuil minimum d’inversion de population permettant d’obtenir l’effet laser dans un système à 3 niveaux il faut que la moîtier des atomes soient en état d’excitation E3. Ceci implique beaucoup d’énergie pompe pour atteindre le seuil laser ce qui n’est pas le cas avec un système à 4 niveaux comme le YAG:Nd

Premier essai première explosion d’un tube flash avec les condensateurs HYDRAWERK  49 uF  6kV papier non inductif . J’ai compris qu’il fallait mettre une self dans le circuit de décharge pour limité le courant

Pourquoi le tube a explosé ?

Les condensateurs papier HYDRAWERK sont très peu inductifs. C’est un avantage dans certaines applications pulsées, mais cela signifie aussi que le courant de décharge peut monter extrêmement vite.

Sans self série :

  • le courant peut atteindre plusieurs dizaines de kiloampères ;
  • le plasma dans le tube devient très dense ;
  • des ondes de choc apparaissent dans le gaz ;
  • l’enveloppe en quartz subit un choc thermique et mécanique brutal ;
  • le tube peut éclater.

Le problème n’est pas seulement l’énergie totale (882 J), mais surtout le pic de courant et le dI/dt (vitesse de montée du courant).

Que fait la self ?

Une inductance s’oppose aux variations rapides du courant :

V=LdIdtV=L\frac{dI}{dt}

Plus L est grande :

  • plus la montée du courant est lente ;
  • plus le pic de courant diminue ;
  • plus la durée de l’éclair augmente ;
  • moins le tube est sollicité mécaniquement.

En pratique, la self transforme une impulsion extrêmement brutale en impulsion plus douce.

Exemple simplifié

Sans self :

  • temps de décharge : quelques microsecondes ;
  • courant de crête : plusieurs dizaines de kA.

Avec quelques µH :

  • courant de crête réduit ;
  • durée du flash multipliée par 2 à 10 ;
  • durée de vie du tube fortement augmentée

2 ème version:

Ce laser se compose d’un rubis de 4 mm de diamètre et 60 mm de long. Il se trouve au foyer d’une chambre en aluminium polie fraisée dans un bloc d’aluminium. A l’autre foyer se trouve un tube flash linéaire de diamètre 6 mm intérieur et 60 mm de long.
Le seuil pour obtenir l’effet laser est de 190 J en 1 ms

Je connais assez bien ces condensateurs HYDRAWERK/HYDRA utilisés dans les lasers à lampe flash et les générateurs d’impulsions, mais je n’ai jamais vu de documentation constructeur indiquant explicitement l’ESL (Equivalent Series Inductance) du modèle 50 µF 6,6 kV. Les catalogues HYDRA mentionnent qu’ils sont conçus pour une forte tenue aux impulsions et une construction à faible inductance, mais sans valeur chiffrée d’ESL.

Pour les anciens condensateurs papier-huile ou papier imprégné non inductifs destinés aux tubes flash, on rencontre généralement :

  • ESL typique : 20 à 100 nH
  • très gros modèles « low inductance » : 10 à 30 nH
  • condensateurs à bornes opposées classiques : 50 à 200 nH

Si ton HYDRAWERK est le gros cylindre aluminium à connexions coaxiales ou à larges bornes opposées utilisé sur les lasers à rubis ou Nd:YAG des années 1970-1980, je soupçonnerais une inductance de l’ordre de 30 à 80 nH.

On peut faire une estimation :

Avec :

  • C = 50 µF
  • L = 50 nH

La période propre du circuit vaut :

T=2πLCT=2\pi\sqrt{LC}

ce qui donne environ 10 µs.

Le courant théorique de court-circuit serait alors :

Imax=VCLI_{max}=V\sqrt{\frac{C}{L}}

Avec 6,6 kV, 50 µF et 50 nH :

Imax ≈ 2×10⁵ A, soit environ 200 kA.

Bien entendu, le tube flash, les câbles et les connexions ajoutent de la résistance et de l’inductance, donc on n’atteint jamais cette valeur, mais cela montre pourquoi un tube peut exploser si aucune self de limitation n’est présente.

Pour obtenir une estimation beaucoup plus réaliste, peux-tu me donner :

  • le diamètre du condensateur ;
  • sa longueur ;
  • une photo des bornes ;
  • et surtout la référence exacte inscrite sur l’étiquette ?

Avec ces informations je pourrai probablement estimer son ESL à ±20 % et calculer le courant de crête réel de ton montage.

en reliant 5 condensateur en parallèle tu estime à combien de kA on peux obtenir ?

On peut faire une estimation, mais il faut rester prudent : à ces niveaux d’énergie et de courant, de petits détails de câblage changent énormément le résultat.

Si tu mets 5 condensateurs de 50 µF / 6,6 kV en parallèle, tu obtiens :

  • Capacité totale : 250 µF
  • Tension : 6,6 kV
  • Énergie stockée :

E=12CV2E=\frac{1}{2}CV^2

soit environ 5,4 kJ.

Cas théorique idéal

Si chaque condensateur possède environ 50 nH d’ESL et qu’ils sont parfaitement montés en parallèle, l’inductance équivalente devient :

  • 50 nH / 5 ≈ 10 nH

Le courant théorique maximal serait alors gigantesque :

Imax=VCLI_{max}=V\sqrt{\frac{C}{L}}

Avec :

  • V = 6600 V
  • C = 250 µF
  • L = 10 nH

on obtient environ 1 MA (1 000 kA).

Mais ce résultat est purement mathématique et n’est jamais atteint en pratique.

Cas réel d’un banc de condensateurs

Dans un montage réel, l’inductance est dominée par :

  • les barres cuivre,
  • les connexions,
  • le tube flash,
  • le retour de courant.

Même un montage très compact possède souvent :

  • 0,2 à 2 µH d’inductance totale.

Prenons quelques exemples :

Inductance totale Courant de crête estimé
0,2 µH ≈ 230 kA
0,5 µH ≈ 150 kA
1 µH ≈ 104 kA
2 µH ≈ 74 kA
5 µH ≈ 47 kA

Pour un montage amateur avec quelques dizaines de centimètres de liaisons cuivre, je m’attendrais plutôt à 50 à 150 kA de courant de crête.

Pourquoi le tube flash a explosé

Avec 5,4 kJ stockés, même si le courant réel n’est « que » de 80 kA :

  • l’énergie est comparable à celle de nombreux lasers Nd:YAG à lampe flash industriels ;
  • la puissance instantanée peut atteindre plusieurs centaines de mégawatts ;
  • un tube non prévu pour cette énergie peut éclater dès le premier tir.

Ordre de grandeur

Pour donner une idée :

  • Tube photo classique : 100 à 500 A
  • Gros tube stroboscopique : 1 à 5 kA
  • Lampe de pompage laser moyenne : 5 à 20 kA
  • Grosse lampe de pompage laser : 20 à 50 kA
  • Très gros systèmes laser pulsés : 50 à 200 kA

Donc avec 5 × 50 µF à 6,6 kV, tu es potentiellement dans la plage 50–150 kA réels, voire davantage si le montage est extrêmement compact.