Brevet FR2011434A1 — publié le 19700227

L'invention concerne les tubes à décharge électrique en général, et plus particulièrement un nouveau tube à décharge dans un gaz constitué par une pluralité de tubes à décharge minces et étroits. 5 Dans un laser ionique qui émet sur les raies spectrales d'ions d'éléments tels que l'argon et le krypton, il est normalement nécessaire de produire une décharge électrique d'une intensité relativement élevée dans un tube à décharge long et étroit. Par exemple, pour obtenir environ 10 W de puissance de sortie d*iti. 10 laser sur les raies de l'ion argon, il faut faire passer un courant de décharge d'environ 50 A à travers un tube à décharge de diamètre intérieur 3 à 5 m et de longueur dépassant 600 mm. Sous cette condition de haute densité de courant il se produit un effet de pompage du gaz dû à la décharge électrique, effet dit 15 cataphorèse ou électrophorèse, et il s'établit une différence de pression entre les extrémités du tube étroit. llérs que la pression de remplissage du gaz pour un tube laser à décharge est habituellement choisie à la valeur optimale résultant de paramètres tels que les dimensions du tube et le cou— 20 rant de décharge, il devient impossible de maintenir cette pression optimale sur toute la longueur du tube étroit quand survient la susdite cataphorèse. En conséquence la puissance de sortie du laser chute, et même, au pire,l'oscillation laser s'interrompt. De plus, quand il y a des endroits de basse pression locale du 25 gaz, un effet de pincement, qui est un étranglement du courant par interaction entre le courant lui—même et son propre champ magnétique, survient et la décharge électrique devient instable. Un procédé, efficace dans une certaine mesure, pour prévenir ce genre d'électrophorèse, consiste à faire communiquer les deux 30 extrémités du tube étroit avec un autre tube étroit qui sert de retour au gaz. Toutefois, si ce procédé est efficace en réduisant la susdite différence entre les pressions aux deux extrémités du tube étroit, il ne peut pas l'annuler totalement, ainsi que le prouvent les résultats expérimentaux représentés par la figure 1. Ctec ont été relevés sur un tube étroit de diamè- J-y intérieur 4 am et de longueur 400 mm, communiquant avec un tube de retour de diamètre intérieur 3 mm et de longueur 800 mm. Le courant cfe décharge est porté en abscisses sur la figure 1, et 69 20817 a 2011434 en ordonnées est porté ■ le rapport AP/P, en %, de la différence de pression entre les deux extrémités du tube à déchargé à la pression P de remplissage dù gaz. Le gaz était le krypton. La variation du rapport A P/P a été mesurée pour des pressions P 5 de 0,76 et 1,2 mm Hg. Des essais analogues sur des tubes à décharge de longueurs variées, ont montré que la différence de pression augmente avec la longueur du tube à décharge . L'invention a en conséquence pour objet d'éliminer le susdit -jq inconvénient en prévenant 1 'apparition de la cataphorèse ou électrophorèse dans les tubes étroits à décharge. Un autre phénomène, qui est connu comme difficulté technique particulière aux lasers ioniques, est une diminution de la puissance lumineuse de sortie causée par une contamination des surface; ces intérieures des fenêtres du tube à décharge à travers lesquelles sort le faisceau, cette contamination étant dûe à la volatilisation ionique de la cathode. Ces dégradations optiques des fenêtres sont considérées comme un obstacle bloquant l'emploi pratique des lasers ioniques de grande puissance. 2o L'invention a en conséquence pour autre objet d'éliminer le susdit obstacle au moyen d'une structure qui réduit considérablement la contamination des fenêtres de sortie du faisceau laser ionique dûe à la volatilisation ionique de la cathode par le courant continu de décharge. 2^ Essentiellement, la présente invention réunit au moins deux tubes étroits à décharge, dont aux extrémités les électrodes les plus rapprochées l'une de l'autre des tubes réunis sont de la même polarité, les deux tubes constituant ainsi un unique long tube à décharge® Contrairement à l'augmentation de la différence de pression par électrophorèse avec la longueur du tube classique, dans un tube construit avec une pluralité de tubes connectés comme décrit ci-dessus la valeur maximale de la différence des pressions selon la longueur totale du tube est déterminée par la distance entre les électrodes. Ainsi on obtient une amélioration substantielle par rapport aux tubes à décharge connus.' On notera, pour le tube à décharge'selon l'invention, les principaux avantages-suivants". ' 30 35 ê9 20817 3 2011434 Parce que réduisant le développement de la différence de pression par électrophorèse, on peut maintenir une pression convenable sur toute la longueur du tube à décharge, et il devient possible d'augmenter la puissance de sortie du laser et 5 l'efficacité de 1'oscillations Alors qu'il est difficile de fabriquer un objet long d'une seule pièce en matériau céramique tel que l'oxyde de béryllium à cause de la faible force mécanique des céramiques, et parce que de plus les céramiques sont facilement affectées de contraio-10 tes thermiques,.la fabrication d'un tel objet est facilitée lorsqu'on y prévoit une ou plusieurs jonctions en un ou plusieurs points intermédiaires. Alors que la précision mécanique des céramiques est en général médiocre, les courbures ©t les gauches peuvent être compen-15 sés en y employant une jonction .intermédiaire. Succinctement, la présente invention prévoit un tube à décharge électrique comprenant essentiellement deux, ou davantage, tubes élémentaires étroits à décharge réunis en alignement série en sens tels que les électrodes les plus proches l'une de l'au-20 tre de deux tubes continus sont de la même polarité, formant ainsi un unique long tube à décharge, les tubes élémentaires étroits remplis d'un gaz à une pression déterminée, avec une enveloppe allongée et imperméable aux gaz qui contient les tubes élémentaires et qui est munie à ses extrémités de fenêtres lais-25 sant passer le faisceau lumineux. L'invention sera décrite en se référant aux figures suivantes, données à titre d'exemples non limitatifs ï La figure 2 est une coupe axiale d'ensemble montrant la structure essentielle d'une exécution préférée de l'invention ; 30 La figure 3 est une élévation d'ensemble, avec des coupes partielles, d'une autre exécution préférée de l'invention. Avec référence à la figure 2 s ce tube à décharge selon l'invention comprend principalement deux tubes élémentaires étroits qui sont réunis symétriquement des deux côtés d'une anode 35 commune 1 placée au centre. Les deux tubes étroits 2A et 2B, sont en oxyde de béryllium, diamètres intérieur 3mm et extérieur 10mm, longueur 400 mm. Ces tubes 2A et 2B sont supportés à chaque extrémité par de minces flasques 5A, 5A^, 5B» 5B^, faits de cuivre 69 20817 4 2011434 ou nickel désoxygéné, tenus transversalement par des jonctions annulaires 4A,4A^ ,4B,4B,|, faites en kovar (alliage de fer ^4-^6% nickel 3Q& cobalt 15 % manganèse 2% pour scellements métal-céramique . Les tubes 2A et 2B sont entourés concentriquement par des 5 jaquettes JA et de refroidissement à eau, en matériau électriquement isolant, raccordées en bout aux jonctions annulaires 4A, 4A^?4B,4B^« Les flasques terminaux 5A,5A^»5B»5Byj, sont flexible?® afin de prévenir les contraintes mécaniques et thermiques sur les tubes en oxyde de béryllium dont la résistance mécanique est faible. Ainsi, les flasques, les jonctions, les jaquettes, et les tubes élémentaires, par exemple l'ensemble 5A»5A^»4A,4A^,3A, et 2A, pour la partie gauche de la figure 2, définit une chambre de refroidissement par eau de forme annulaire ou tubulaire au-15 tour du tube étroit. Ces chambres a»nt pourvues de raccords 6A, 6A1 ,6B,6B.p pour la circulation de l'eau de refroidissement. Les bouts intérieurs des jonctions annulaires intérieures 4A1 et 4B sont réunis en communication par un tube 1A de mène axe placé entre eux et logeant en son milieu ladite anode com-20 mune 1 • Les bouts extérieurs des jonctions annulaires extérieures 4A et 4B^ sont respectivement réunis en communication avec les bouts des bulbes en verre 9A et 9B contenant et tenant respectivement les cathodes 8A et 8B, et munis à leurs extrémités extérieures de fenêtres de Brewster 10A et 10B. 25 Des passages sont pratiqués au centre de chacun des flas ques 5As 5A^j5B,5B1, pour faire communiquer l'intérieur des tubes étroits avec l'intérieur des bulbes de cathode et avec 1 '3y,-térieur du tube central 1A. En outre l'intérieur du tube central 1A, de chaque côté de l'anode commune 1, est réuni en com=» 50 munication par un tube de retour de gaz 7A ou 7B avec l'intérieur du bulbe de cathode. Pour employer réellement le tube à décharge décrit ci-dessus comme source laser, on lui applique selon son axe un champ magnétique au moyen d'une bobine (non représentée) l'entourant et recevant du courant. Il est clair que, bien que l'exemple ci-dessus décrit comporte deux tubes élémentaires en tandem, il est possible de monter trois, ou davantage, tubes à décharge en montage multiple. 35 20817 5 2011434 Avec référence à la figure 3 ï les cathodes 16A et 16B forment la connexion intermédiaire entre deux tubes étroits élémentaires, et deux anodes 12A et 12B sont placées aux extrémités extérieures de ces deux tubes, qui sont de construction identique et symétriquement placés en connexion cathode à cathode, les extrémités extérieures des tubes à décharge sont munies de fenêtres de Brewster 11A et 11B. La partie étroite de chacun des deux tubes à décharge est placée entre la cathode 16A ou 16B et l'anode 12A ou 12B, avec une jaquette métallique 13A ou 13B, une bague ©1 céramique 15A ou 15B, un tube de retour de gaz 14A ou 14B reliant les côtés anode et cathode, et un solénoïde 1?A ou 17B pour appliquer un champ magnétique au tube étroit• Il est clair que, bien que l'exemple ci-dessus décrit comporte deux tubes élémentaires, on peut obtenir des résultats réels équivalents en réunissant un nombre pair, plus grand que deux, de tubes élémentaires avec leurs cathodes au centre. Cette structure de tube à décharge décrite ci-dessus présente les avantages suivants. Les substances qui ont été dispersées par sublimation ou par volatilisation depuis la cathode chaude pendant la décharge et sont restées en suspension dans le tube à gaz tendent à se coller à la surface intérieure de chaque fenêtre de Brewster, réduisant le faisceau lumineux sortant. Un arrangement dans lequel les fenêtres de Brewster sont éloignées de leurs anodes, comme décrit ci-dessus, est donc avantageux. On a décrit ci-dessus une bobine classiquement enroulée autour de chaque tube étroit, il est clair qu'une fabrication appropriée d'un ensemble laser comprend les fabrications séparées d'un tube à décharge et d'un solénoïde, puis l'insertion de celui-là dans celui-ci. Parce qu'on peut en général considérablement miniaturiser une anode avec refroidissement par eau, son diamètre extérieur pouvant être rendu plus petit que oelui d'un bulbe cathodique , le positionnement des anodes aux bouts extérieurs des tubes à décharge est plus avantageux du point de vue du processus de montage et de la miniaturisation du solénoîde. Les tubes à décharge selon les deux exemples décrits ci-dessus conviennent comme laser ionique à argon ou krypton. 69 20817 6 2011434 On indiquera ci-dessous les données d'un exemple réel, d'un, tuba à-décharge selon l'invention, emplojé en laser ionique à kryp-ton comme source à Kr 6 471A s • ' Pression de remplissage en fcr-jpton % 1,6 mmHg Gourant de décharge s 50 A Tension interélectrodes : 270 7 Couplage du résonateur-optique : 2 % Champ magnétique ï 300 gauss Puissance de sortie du laser : 4 W. 69 20817 7 2011434 REVENDICATIONS 1.- Tube à décharge électrique dans un gaz, caractérisé par la combinaison d'au moins deux tubes étroits à décharge montés en alignement selon un mêaio axe, les électrodes les plus proches 5 des tubes contigus étant de même polarité, 2«- Tube sâon la rsvsndication 1s caractérisé en ce qu'une enveloppe allongée, imperméable aux gas*, contient lesdits tubes, est remplie dudit gaz à la pression choisie, et ©st munie aux deux bouts de fenêtres laissant passer le faisceau lumineux» 10 3.- Tube selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits tubes sont en nombre pair et les électrodes distales sont des anodes. 4-,- Tube selon 1'une des revendications précédentes, caractérisé par l'application d'un champ magnétique selon ledit axe. 15 5*- Tube selon l'une des revendications.précédentes, carac térisé par un tube de retour de gaz interconnectant les régions cathodique et anodique de ehaque tube. 6.- Tube selon l'une des revendications 1 à 5» caractérisé en ce qu'il comprend deux tubes étroits montés symétriquement des 20 deux côtés d'une anode commune, tenus par des flasques et des jonctions annulaires chacun dans une jaquette de refroidissement par eau, à chaque extrémité un bulbe en verre avec une cathode et une fenêtre de Brewster * et de chaque côté un tube de retour de gaz entre les régions cathodique et anodique. 25 7.- Tube selon l'une des revendications 1 à 5» caractérisé en ce qu'il comprend deux tubes étroits montés symétriquement des deux côtés de deux cathodes central es, chacun dans une jaquette de refroidissement par eau, à chaque extrémité une anode et une fenêtre de Brewster, et de chaque côté un tube de retour de 30 gaz entre les régions cathodique et anodique et un solénoïde concentrique.