New UWB bipolar high power pulse source for medical and military applications

Le projet ESCAPADE sur lequel je travaille est consacré au développement d’une source de tension impulsionnelle et d’un système d’émission pour des applications à la fois civile et militaire. L’application civile concerne le secteur de la santé. En collaboration avec le laboratoire METSY de l’institut de cancérologie Gustave Roussy de Villejuif, notre étude porte sur l’électrochimiothérapie (traitement de cellules cancéreuses par champ électrique). L’application de défense, quant à elle, consiste en la génération d’un champ électrique intense pour neutraliser à distance des engins explosifs improvisés.Mon rôle dans ce projet a été notamment de développer dans leur intégralité un générateur de Marx 500 kV ainsi que deux lignes de formation d’impulsions pour adapter l’allure du signal selon l’application souhaitée.1) Définition du cahier des charges, essais d’électroporation in vitro à l’aide d’un champ électrique impulsionnel subnanosecondeL’électroporation est une technique bien connue aujourd’hui, elle consiste en l’application d’impulsions électriques sur des cellules vivantes afin de perméabiliser leurs membranes cellulaires. C’est le principe de base utilisé lors d’une électrochimiothérapie, pour le traitement de cellules cancéreuses.L’électrochimiothérapie utilise normalement des impulsions électriques de durée de l’ordre de la microseconde. Les premiers essais réalisés dans le cadre du projet consistaient à faire l’étude de la faisabilité d’une électroporation à l’aide d’impulsions électriques ayant des durées inférieures à la nanoseconde.Cette étude nous a permis de définir les caractéristiques de l’impulsion de champ électrique nécessaire à la perméabilisation des cellules. Plus particulièrement, nous avons pu définir le niveau du champ électrique, le nombre d’impulsions appliquées et la fréquence de répétition des impulsions requis à l’obtention de résultats probants.2) Développement d’une source impulsionnellePour l’application militaire, une partie du travail a été réalisée par nos collaborateurs de l’Université de Limoges qui ont dimensionné une antenne unitaire de puissance permettant de rayonner des champs électriques intenses dans le but de neutraliser des engins explosifs improvisés. Les niveaux de champ requis ont été définis après une étude bibliographique. Afin d’atteindre ces niveaux de champ, des simulations électromagnétiques en trois dimensions ont été réalisées à l’aide du logiciel CST Studio Suite. Les résultats obtenus nous ont permis de déterminer les niveaux de tensions et les formes d’ondes requis en entrée de l’antenne afin d’atteindre les performances souhaitées.Un générateur de Marx ainsi que deux lignes de mise en forme d’impulsion ont été réalisés. Ceci constitue la majeure partie de mes développements en recherche au SIAME puisque j’étais le responsable scientifique et technique de ces tâches. Pour cela, il fallait :- Dimensionner les composants électriques du Marx à l’aide d’un logiciel de simulation électrique,- Définir la géométrie du générateur, en prenant en compte toutes les contraintes mécaniques sur un logiciel de CAO,- Contrôler les niveaux des champs électriques pour s’assurer de l’absence de claquage à l’aide de simulations électrostatiques réalisées sous CST,- Dimensionner un chargeur de condensateur adapté assurant un fonctionnement du générateur à une fréquence de répétition d’impulsion suffisante,- Réaliser l’assemblage mécanique du générateur de Marx,- Réaliser les essais électriques du générateur de Marx en s’assurant de la véracité des diagnostics électriques associés,- Dimensionner, par le calcul et par simulation, les géométries des deux lignes de mise en forme d’impulsion- Réaliser l’assemblage mécanique des lignes,- Développer des dispositifs de mesure spécifiques de type Vdot (capteur dérivatif) et réaliser leur calibration haute fréquence,- Réaliser les essais électriques de l’ensemble Marx et ligne de mise en forme.