Brevet FR2086023A1 — publié le 19711231

L'invention a pour objet un tuba à décharge gazeuse sous vide pour laser, comprenant un corps entourant la colonne de décharge et formé de disques métalliques isolés électriqascient les uns les autres et comportant un trou central aligné sur celui des autres disques et logeant la colonne de décharge. La réalisation d'un tel tube à décharge offre de très grandes difficultés évoquées dans un article de K.G. Hernqvist et J.R. Fendley dans la revue IEEE Journal of Quantun Electronics, N° de février 196?. Bien que les disques décrits dans est article aient été en matériau particulièrement résistant à la chaleur, tel que le tantale ou le molybdène , le résultat n'a pas été satisfaisant* Les disques ont été disposés dans une gaine extérieure en quartz afin d'éviter la difficulté posée par l'étanchéité sous vide poussé entre les disques alignés les uns sur les autres à l'aide de barres de saphir. Il est nécessaire de réaliser une étanchéité . au vide poussé, c'est-à-dire permettant de maintenir un vide d'au moins 10"^ torr à l'intérieur du tube, car l'air et les autres gaz doivent être évacués de ce tube sous vide poussé avant que le gaz servant à la décharge y soit introduit. Par ailleurs, l'étanchéité au vidé poussé est également indispensable afin d'smpêcher que la pression partielle de l'air et des autres impuretés gazeuses ne montent à plus de 10"-5 torr à l'intérieur du tube en service, car sinon l'effet laser obtenu serait fortement perturbé. Les joints d'étanchéité doivent donc être prévus pour un vide beaucoup plus poussé que la basse pression de quelques torrs qui règne dans le tube à décharge en service. Le tube à décharge décrit dans l'article mentionné et contenant de l'argon refroidi par rayonnement a été déjà rendu inutilisable après environ 10 heures, car les ions provenant de la colonne de décharge et projetés sur la paroi de la cavité ont détruit cette dernière très rapidement, la matière enlevée des parois risquant de souiller la décharge gazeuse et de l'interrompre. Les seuls disques qui se sont avérés utilisables sont ceux en graphite très pur. Mais le graphite très pur est coûteux et difficile à usiner ; la faible solidité du graphite rend s.on utilisation peu avantageuse dans les tubes à décharge toujours plus grands et plus puissants qui sont mis au point. On n'a réalisé jusqu'à présent les tubes à décharge du "type mentionné qu'avec de 'y-ès faibles diamètres d'environ 1 à 3 ram du canal, et encore avec des résultats très médiocres. Les difficultés augmentent avec ce diamètre, car des essais approfondis ont montré que le taux d'ionisation et donc la fraction des ions chargés plusieurs fois augmentent et ceux-ci rencontrent La paroi du canal avec une énergie cinétique accrue. BAD ORIGINAL 71 12842 *»• £.. 2086023 On a tenté d'augmenter les puissances, ce qui signifie une augmentation du diamètre du canal, et pourtant on n'a utilisé jusau'à présent que des disques de graphite avec un- certain succès. On a également disposé ces disques dans une gaine extérieure. H est très difficile d'obtenir une étanchéité durable sous vide poussé d'une manière différente, car le bombardement ionique et les rayons ultra-violets erais par la colonne de décharge vieillissent rapidement les matériaux classiques des joints. Les rayons ultra-violets doivent aussi, en fait, détériorer la paroi du canal, bien que beaucoup moins fortement que les ions. Selon une particularité essentielle de l'invention destinée à augmenter la puissance des tubes à décharge du type mentionné, ce tube à décharge est formé de disques de métal léger fixés les uns aux autres et dont la surface est recouverte d'une couche d'oxyde qui les isole les Tins des autres et les protège contre le bombardement ionique et le rayonnement ultra-violet émis par la colonne de décharge et les joints formant une isolation hermétique entre les disques et devant tenir un vide poussé inférieur à 10 toris régnant à l'intérieur du tube sont protégés contre le bombardement ionique et le rayonnement ultra-violet par des épaulements annulaires des disques, ces derniers comportant des trous communiquant les uns avec les autres, disposés autour du canal central et destinés à la circulation d'un liquide de refroidissement. L'expérience a montré qu'il est possible d'augmenter ainsi considérablement la puissance du tube à décharge dont la réalisation est pourtant fortement simplifiée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor-tir-ont de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés illustrant un mode d© réalisation donné à titre explicatif, et nullement limitatif» Sur ces dessins, la figure 1 est un schéma d'un générateur connu de laser ; la figure 2 est une coupe longitudinale partielle d'un tube à décharge conforme à l'invention ; et la figure 3 est une vue en plan, dans le sens des flèches III d© la figuré 2, de l'un des disques dont ce tube se compose. Le générateur représenté sur la figure 1 comprend un tube 3 de décharge et un tube k d'équilibrage.des pressions qui relient une chambre arïodique 1 et une chambre cathodique 2. Le tube U empêche la décharge gazeuse de faire naître une différence de pression entre les deux chambres 1 et 2 qui peuvent contenir par exemple de l'argon.à une pression d'environ 1 torr. La chambre 1 renferme une anode 5 comportant une traversée 6 alignée sur le tube 3 ®t par laquelle les rayons lumineux 6ad original 71 12842 - 3 - 2086023 produitspar émission stimulée dans la colonne du tube 3 de décharge peuvent parvenir dans un passage 7 situé en face d'un miroir 8. De même, la cathode 9 située dans la chambre 2 comporte une traversée 10 par laquelle les rayons lumineux peuvent tomber par un passage 11 sur un miroir 5 12 qui forme avec le miroir 3 le résonateur optique du générateur. Le tube 13 à décharge représenté sur la figure 2 et correspondant au tube 3 du générateur de la figure 1 se compose de plusieurs disques dtaluminium dont certains seulement sont représentés et portent les références 14 à 20. Le disque 19 représenté sur la figure 3 comporte un 10 trou central 21 dont le diamètre d est, par exemple,de 12 mm et dont la longueur 1 est par exemple de 25 mm. Tous les disques comportent un mime trou 21 et ceux-ci forment ensemble un canal de traversée pour la colonne de décharge. Le disque 19 comprend une couronne extérieure comportant six trous lisses 22 et six trous filetés 23 destinés à des vis 24 et 25 qui 15 relient le disque 19 aux disques voisins 18 et 20 et que des éléments 2k' et 25' isolent électriquement de ces disques. On doit noter que le disque 19 de la figure 2 est représenté en coupe suivant la ligne II - II de la figure 3j mais que cette ligne de coupe n'est pas valable pour la totalité de la figure 2, car la coupe est choisie pour chaque disque de ma-20 nière qu'elle fasse apparaître au mieux les détails les plus intéressants. Le disque 19 comporte également une couronne intérieure à douze trous lisses 26 qui sont alignés sur des trous correspondants 27 de mime diamètre des disques voisins 18 et 20 et qui forment avec eux des canaux de circulation d'eau de refroidissement. 25 Le disque 19 comporte, sur chacune de ses faces, légèrement à l'extérieur des trous 26 de circulation d'eau,, un épaulaient annulaire 28 dans lequel une garniture 29 est placée et recouverte du côté intérieur par un épaulement annulaire complémentaire 30 des disques voisins 18 et 20. Le disque 19 comporte de chaque côté, légèrement à l'intérieur 30 des trous 26, deux autres épaulements annulaires 31 dans lesquels des gar nitures 32 sont logées et sont également recouvertes du côté intérieur par des épaulements annulaires complémentaires 33 des disques 18 et 20. Les épaulements annulaires 33 passent également par-dessus d'autres épaulements annulaires 34 du disque 19. Un petit jeu sépare les faces des 35 disques 19 et 18, ainsi que 20, entre l'épaulentent annulaire 34 et le trou 21, les arêtes annulaires 35 en saillie des disques étant soigneusement arrondies en ces emplacements afin d'éviter les augmentations locales de l'intensité du champ qui risqueraient de desintégrer les ions et de provoquer des claquages. 40 Tous les disques d'aluminium comportent une couche isolante 71 12842 - 4 - 2086023 d'oxyde produite par oxydation anodique, par exemple par l'un des procédés connus sous les noms de "KLoxal" et de "Ouatai". Ce dernier procédé réalise une couche très lisse et dure d'oxyde d'aluminium dans laquelle sont intercalées des couches de titane ou de zirconium et qui est très 5 résistante au bombardement ionique. Les garnitures peuvent être en métal, par exemple en or ou en indium ou elles peuvent être en matières plastiques telles que le "Viton" et/ou le "Teflon". Les disques peuvent aussi être reliés par un adhésif à faible tension de vapeur, en particulier par une colle époxy, de manière 10 qu'ils tiennent un vide poussé. Toutefois, dans ce cas également, les épaulements annulaires doivent être prévus pour protéger la matière des garnitures contre le bombardement ionique et le rayonnement ultra-violet émis par la colonne de décharge. Le refroidissement par eau, sur lequel on reviendra plus bas, 15 et qui est particulièrement efficace dans l'aluminium très bon conducteur de la chaleur, et la résistance étonamment grande des couches isolantes, produites par oxydation anodique, au bombardement ionique, ainsi que la protection des garnitures, nécessaires entre les différents disques, contre le bombradement ionique et le rayonnement ultra-violet, permettent 20 d'obtenir de manière surprenante des résultats extrêmement bons à l'aide d'une matière relativement bon marché, dont la résistance et la dureté relativement faibles aux températures élevées a interdit jusqu'à présent l'application aux tubes à décharge de ce type. H est possible ainsi, en effet, d'augmenter très fortement la puissance du tube qui dépend en 25 particulier essentiellement du diamètre du canal de décharge. Des études de poussée permettent de prévoir que le diamètre de 12 irai de l'exemple décrit pourra être augmenté à environ 100 mm avec une pression de gaz de remplissage inférieure à 10 torrs. Les gaz de remplissage utilisables sont en particulier le Ar, le Ne, le Rr, Xe et le 30 Hg ainsi que leurs mélanges. La longueur de la colonne de décharge sta bilisée par la paroi est toujours grande par rapport à son diamètre, aucune limite supérieure n'étant en principe imposée à cette longueur. On sait que la longueur 1 du canal de ces tubes à décharge de laser ne doit pas être trop grande, car sinon les gradins de potentiel correspondant 35 aux disques successifs deviennent trop élevés, et la différence de potentiel entre le centre de la colonne de décharge et la paroi du canal varie périodiquement le long de la colonne, ce phénomène empêchant, en particulier, l'effet d •'amplification lumineuse d'être optimal.. Alors que dans les tubes connus, le quotient ^ est en général de ? à 10 ou 40 davantage, il n'est que faiblement supérieur à 2 dans l'exemple de réa 71 12842 - 5 - 2086023 lisation représenté. Des recherches poussées ont montré que le quotient ^ est supérieur à 3 dans la plupart des tubes de ce type. Les disques 17 à 20 du tube 13 représenté sur la figure 2 forment une section de refroidissement 36 comportant des raccords 37 et 5 38 d'arrivée et de départ de l'eau de refroidissement. Cette section 36 se prolonge par une autre section 39 de refroidissement, représentée partiellement, et l'ensemble du tube comprend par exemple environ 6 à 10 de ces sections, mais ce nombre n' est en aucun cas limitatif. La division du refroidissement en plusieurs sections uniformise les tempéra-10 tures le long de la colonne de décharge. Bien que la section de refroidissement de la figure 2 ne comprenne que quatre disques 17 a 20, le nombre des disques par section est, en général, supérieur, par exemple d'environ 6 à 8. Le raccord 37 débouche dans une chambre annulaire extérieure 15 délimitée par deux pièces 41 et k2 fixées l'une à l'autre. Des vis 43 fixent la pièce 41 en forme de bride sur le disque 20 et les pièces 41 et 42 sont fixées l'une à l'autre par exemple par collage ou de toute autre manière non représentée. La pièce 42 comporte une saillie centrale 44 qui pénètre dans la chambre anodique non représentée (figure 1) et 20 qui comporte une cavité axiale conique qui débouche dans le trou 21 du. disque 20. L'angle d'ouverture et de la cavité 45 peut être par exemple d'environ 60 à 120°. L'eau de refroidissement circule de la chambre annulaire extérieure 40 entre les pièces 41 et 42 dans le sens des flèches pour atteindre une chambre annulaire intérieure 46 formée également par 25 ces pièces et communiquant avec les trous 27 du disque 20. Finalement, l'eau de refroidissement parvient dans une chambre annulaire 47 prévue dans le disque 17 et communiquant avec le raccord 38 par un trou radial 48. Le disque 16 de la section 39 de refroidissement comporte 30 une chambre annulaire 47 correspondant à la chambre 49 et communiquant avec un raccord non représenté. Un disque semblable au disque 17 se trouve à l'autre extrémité de la section 39» etc. Par contre," la dernière section de refroidissement située du côté de la cathode comporte également des pièces correspondant aux pièces 41 et 42 et établissant la communi-35 cation avec la chambre cathodique 2 (figure 1). One bride annulaire 52 fixée à une bride 50 de la chambre anodique par des vis 51 entoure la saillie 44 avec jeu et un soufflet métallique 53 relie sa périphérie extérieure à celle d'une bride 54 de la pièce 42. Le'soufflet 53 sst destiné à compenser les variations de longueur, 40 dues aux variations de température, du corps tubulaire 55 fonaé des dis- 71 12842 2086023 ques. La référence 55' désigne un joint d'étanchéité. Des vis 56 relient les disques voisins 16 et 17 des deux sections 39 et 36 de refroidissement avec interposition d'un disque mince 57 d'alminium formant une électrode. Le disque 57 ne subit aucune oxydation anodique et 1'étanchéité est assurée sur ses surfaces par des joints 59 placés dans des gorges 58. Des épaulements annulaires 60 des disques 16 et 17 protègent du bombardement ionique et du rayonnement ultra-violet les garnitures 59 et éventuellement un adhésif destiné à fomer une garniture d*étanchéité et recouvrant les faces du disque 57» Le diamètre sur lequel les disques 16 et 17 sont reliés l'un à l'autre est beaucoup plus grand que celui des disques i? à 20 afin de faciliter l'établissement d'une obturation hermétique entre les sections 36 et 39» Une vis 6l montée sur le disque 57 formant une anode auxiliaire d'allumage est destinée à la connexion d'un conducteur électrique non représenté. Un diviseur de tension non représenté, monté entre les bornes de l'anode et de la cathode et à faible résistance obmique est relié à intervalles réguliers aux anodes auxiliaires 57 prévues entre les sections successives de refroidissement afin de faciliter l'amorçage de la décharge. Un autre diviseur de tension à forte résistance ohmique, monté entre les bornes de l'anode et de la cathode, est connecté à intervalles réguliers aux différents disques 14 à 20 afin que la chute de tension reste constante le long de la colonne de déchargB, de manière connue. Il est possible en variante de stabiliser la courbe de tension le long de la colonne en utilisant l'eau se trouvant dans les canaux 26, 27 comme résistance de diviseur de tension et en éliminant la couche isolante des disques 17 à 20 en divers emplacements de la surface de ces canaux. H est alors possible d'éliminer la résistance du diviseur de tension en connectant les raccords voisins des secteurs successifs de refroidissement. Suivant une autre variante, il est possible de n'utiliser qu'une partie des trous 26 et 27 pour la circulation d'un liquide de refroidissement et de relier directement la chambre anodique 1 et la chambre cathodique 2 par un ou plusieurs de ces canaux afin de supprimer le tube spécial d'équilibrage des pressions représenté sur la figure 1. H faut, bien entendu, modifier alors en conséquence les pièces 41 et 42 d'extrémité. Bien que le tube 13 représenté de décharge ne se compose que du corps 55 entourant la colonne de décharge et de deux têtes 62 de raccord aux chambres 1 et 2, ces têtes comprenant les pièces 41, 42, 52 et 53» il est possible, bien entendu, de réaliser le tube de décharge de manière qu'il renferme également l'anode et la cathode et qu'il comporte les fenêtres nécessaires à la sortie des rayons lumineux et pouvant être placés 71 12842 - ? - 2086023 par exemple de manière connue sous l'angle de Brewster. Dans ce cas, certains élànents spéciaux tels que les soufflets 53 permettant au corps tubulaire de s'allonger entre des chambres fixes sont superflus. Par contre, il faut renoncer alors au très grand avantage de la bonne accessibilité des différents composants des appareils expérimentaux. H va de soi que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif et nullement limitatif et qu'elle est susceptible de diverses variantes, sans sortir de son cadre. 71 12842 - 8 - 2086023 REVENDICATIONS 1. Tube à décharge gazeuse sous vide pour laser, comprenant tin corps entourant la colonne de décharge et formé de disques métalliques isolés électriquement les uns des autres et confortant chacun un trou 5 central formant un canal logeant la colonne de décharge» caractérisé en ce qu'il est formé de disques de métal léger qui sont fixés les uns aux autres et dont la surface est recouverte d'une couche d'oxyde qui les isole électriquement les uns des autres et les protège de la destruction par bombardement ionique et rayonnement ultra-violet émis par la colonne 10 de décharge et l'isolation hermétique nécessaire entre les disques et destinée à tenir un vide poussé de moins de 10 torrs régnant à l'intérieur du tube est constituée par des joints d'étanchéité que des épaulements annulaires des disques protègent contre le bombardement ionique et le rayonnement ultra-violet, les disques comportant, par ailleurs, autour 15 du trou central, des trous qui communiquent avec les trous correspondants des disques voisins et qui sont destinés à la circulation d'un liquide de refroidissement. 2. Tube à décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre des trous des disques formant le canal central est su- 20 périeur à 10 mm. 3. Tube à décharge selon la revendication i, caractérisé en ce que ^ est inférieur à 3» 1 désignant la longueur et d, le diamètre du trou central d'un disque. 4. Tube à décharge selon la revendication 1, caractérisé en 25 ce que les disques sont en aluminium ou en alliage d'aluminium et leur surface a subi une oxydation anodique. 5. Tube à décharge selon la revendication 4, caractérisé en ce que des couches de titane et/ou d'oxyde de zirconium sont incorporées à la couche d'oxyde. 30 • 6. Tube à décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte,aux deux extrémités du corps entourant la colonne de décharge,des têtes autorisant les dilatations thermiques de ce corps et destinées à raccorder le tube à une chambre anodique et une chambre cathodique . 35 7- Tube à décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs sections de refroidissement formées de plusieurs disques et comportant deux raccords aux conduits du liquide de refroidissement. 8. Tube à décharge selon la revendication 7» caractérisé en 40 ce qu'un disque mince, formant une électrode, est monté de manière à te 71 12842 2086023 nir le vide poussé entre les deux disques voisins de deux sections successives de refroidissement, ces électrodes étant destinées à être connectées à un diviseur de tension permettant l'amorçage de la décharge gazeuse. 9. Tube à décharge selon la revendication i, caractérisé en ce que des vis isolées relient les disques et les joints d*étanchéité sont des bagues de métal ou de matière plastique. 10. Tube à décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que les disques sont fixés par un adhésif qui foime également joint d'étanchéité. 11. Tube à décharge selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits épaulements annulaires protègent contre le bombardement ionique -et contre le rayonnement ultra-violet, non seulement les joints d'étanchéité, mais également l'adhésif contribuant à tenir le vide poussé. 12. Tube à décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que les arêtes des bords des trous des disques délimitant le canal central sont arrondies.