Brevet FR2072040A1 — publié le 19710924

l'invention se rapporte aux sources de lumière à décharge dans un gaz, et plus précisément aux dispositifs à décharge impulsionnelle ou puisâtoire dans un gaz, qui engendrent un rayonnement dans la gamme des ondes optiques, prenant naissance du fait du mouvement 5 des ondes de choc et du plasma. On connaît un dispositif à décharge dans un gaz, qui engendre un rayonnement dans la gamme optique des longueurs d'ondes grâce à des ondes de choc, utilisé pour l'étude du plasma à haute température ou bien comme source de lumière. 10 Ce dispositif est réalisé sous la forme d'un tube en T, Sa cham bre de décharge est formée par la partie transversale dudit tube dans laquelle sont montées, à ses extrémités opposées, des électrodes entre lesquelles se produit la décharge. Les ondes de choc et le plasma de décharge gazeuse se propagent alors dans l'appendice cy-15 lindrique raccordé à la chambre de décharge. Les inconvénients du dispositif indiqué résident dans les faibles impulsions d'énergie lumineuse admissibles pour des décharges de courte durée ( jusqu'à 50 ^is), dans la faible vitesse d'accroissement du courant pendant l'intervalle de décharge à cause de la 20 forte résistance du canal de la décharge et dans le faible rendement du processus de conversion en rayonnement lumineux de l'énergie électrique injectée dans la décharge. La présente invention a pour but la création d'une source de lumière n'ayant pas les inconvénients mentionnés. 25 L'invention a pour objet la création d'une source de lumière à décharge impulsionnelle dans le gaz, qui soit compacte et fiable en exploitation, de grande puissance, basée sur l'interaction d'ondes de choc dirigées à la rencontre les unes des autres et de flux mobiles de plasma de décharge gazeuse, assurant une haute efficacité 30 de conversion de l'énergie électrique injectée dans le rayonnement lumineux et permettant d'obtenir des impulsions de lumière plus courtes et une intensité unifoime du rayonnement de la partie luminescente du dispositif, avec une proportion élevée de rayonnement ultra-violet. 35 Le problème posé est résolu du fait que la source de lumière à décharge gazeuse impulsionnelle de grande puissance - comportant une chambre de décharge remplie de gaz de travail avec un intervalle de décharge formé pas des électrodes et limité par les parois de ladite chambre de décharge raccordée à l'une des extrémités du tube 40 dans lequel se propagent les ondes de choc et le plasma de décharge 70 45249 '2 2072040 gazeuse, et une barre conductrice de courant, disposée en dehors de la chambre le long de l'intervalle de décharge indiqué et raccordée en série avec lui - ladite source est dotée, selon l'invention, d'au moins une chambre de décharge supplémentaire, destinée à déclencher 5 dans celle-ci une décharge simultanée à la première, et raccordée à l'autre extrémité du tube dans lequel se propagent les ondes de choc, les susdites chambres de décharge possédant des parois réfléchissant la lumière, tandis que le tube est réalisé en matériau optiquement transparent. Il convient que les parois des chambres de déchar-10 ges adhérant à la barre conductrice de courant soient plates et disposées perpendiculairement à l'axe longitudinal du tube en matériau optiquement transparent. On peut réaliser les chambres de décharge en forme de tubes en ïï, dont les parties médianes sont raccordées entre elles par un tube optiquement transparent. 1 5 II est préférable que les électrodes soient réalisées avec des surfaces de travail planes et disposées de manière telle que leurs axes longitudinaux soient perpendiculaires à l'axe du tube en matériau optiquement transparent. Il est aussi avantageux que les chambres de décharge possèdent 20 des raccordements coniques avec le tube en matériau optiquement transparent, l'angle d'ouverture du cône étant égal'à 15°-60°. Il est préférable que les chambres de décharge soient réalisées en matériau résistant à la chaleur par exemple en oxyde de béryllium, en oxyde d'aluminium,etc., avec des parois réfléchissant la lumière, 25 possédant des ouvertures disposées axialement et raccordées au tube en verre de quartz fondu, par un procédé connu. On peut également exécuter les chambres de décharge et les tubes ;en tin même matériau optiquement transparent, par exemple en terre de quartz fondu, recouverte. d'une couche de bioxyde de silicium partiellement cuite 30 à réfléchissement diffus, seulement sur les parois des chambres de décharge, limitant les intervalles de décharge. La source de lumière à décharge dans un gaz, de caractère im-pulsionnel., telle que venant d'être proposée, ne comporte pas les défauts indiqués, qui sont propres au dispositif connu décrit plus 35 haut, grâce à l'utilisation de l'interaction des ondes de choc et du plasma mobile. Ceci permet d'augmenter le rendement de la transformation en rayonnement lumineux de l'énergie électrique appliquée à la décharge (environ de 20-30?»), par suite de la diminution de la diffusion de l'énergie poussant le plasma de la décharge gazeuse 40 ("du piston poussant") grâce au rayonnement dans les intervalles 70 45249 3 2072040 de décharge et à l'utilisation, pour 1'échauffement du plasma, des ondes de choc réfléchies par les parois plates des chambres. La durée de l'impulsion de lumière est diminuée en raison de l'occultation des intervalles de décharge par rapport à 1* objectif irradié, 5 et ainsi on exclut l'action sur l'objectif de la "trace lumineuse", c'est-à-dire du rayonnement résiduel du dernier stade de la décharge. On peut obtenir une intensité plus uniforme du rayonnement émis par le tube en matériau optiquement transparent en faisant accroître sa vitesse de remplissage par le plasma de décharge gazeuse, 10 grâce à une photoionisation supplémentaire du gaz au devant des ondes de choc se déplaçant dans le tube à la rencontre les unes des autres et des flux de plasma luminescent. Le passage progressif de la chambre de décharge au tube fait croître la vitesse des ondes de choc dans le tube indiqué de plus petit diamètre selon la rela- 15 tion connue S=—c , S étant la surface de la section transversale M du tube dans lequel se déplacent les ondes de choc, M le nombre de Mach, qui caractérise la vitesse de propagation des ondes de choc, te K la constante de la source de lumière qui dépend,pour les conditions données, de sa forme et de ses dimensions. Un avantage im-20 portant de la source de lumière à décharge gazeuse impulsionnelle de grande puissance proposée' réside dans le fait que, lors de la modification des rapports de diamètre du tube de rayonnement et de la chambre de décharge, ainsi qu'en fonction de la tension de la = source d'alimentation et de la pression du gaz de travail, on peut 25 faire varier dans des limites relativement larges le rendement spectral du rayonnement (la composition spectrale du rayonnement). Ainsi la diminution du rapport entre le diamètre du tube et le diamètre de la chambre de décharge,les autres conditions restant les mêmes, contribue â l'accroissement de la vitesse des ondes de 30 choc, et à la diminution de la pénétration du plasma de la décharge gazeuse dans le tube transparent, en assurant l'accroissement du rayonnement dans le domaine ultra-violet du spectre. Le dispositif est prévu pour obtenir des impulsions de lumière puissantes réitérées,de courte durée,utilisées surtout pour le pom-35 page optique des milieux actifs de lasers,plus particulièrement des lasers à liquide à base de colorants organiques.Le dispositif peut être utilisé avec succès pour la photolyse par éclair des gaz et des solutions, dans l'appareillage de signalisation lumineuse, etc. Les caractéristiques de 1'invention ressortiront plus particu-40 lièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et 70 45249 4 2072040 faite en'se référant aux dessins annexés qui représentent : la fig.1, la source de lumière à décharge gazodynamique, vue de devant, avec une coupe partielle; la fig.^, la vue en plan de la fig.1, avec une coupe partielle; 5 la fig.3, une variante de réalisation de l'appareil, vue de devant, avec une coupe partielle; la fig.4, une vue en plan de la fig.3, avec une coupe partielle; la fig.5, le schéma synoptique de branchement de la source à décharge gazodynamique. 10 la source de lumière à décharge gazeuse impulsionnelle de gran de puissance ( fig.1,2) est réalisée sous la forme de chambres de décharge opaques 1 et 2 de réalisation analogue, dotées d'ouvertures coaxiales, qui correspondent au tube optiquement transparent 3, réalisé en verre de quartz fondu et prévu pour la sortie du rayonnement 15 lumineux, les chambres indiquées 1 et 2 sont réalisées en matériau résistant à la chaleur, par exemple en oxyde de béryllium, en oxyde d'aluminium, ou bien également en verre de quartz fondu, recouvert d'une couche réfléchissante 4 en bioxyde de silicium cuit jusqu'à une porosité nulle. 20 Chaque chambre possède dans sa partie médiane une paroi plate 5 et du côté opposé un raccordement conique 6 pour la jonction avec le tube optiquement transparent 3. les chambres peuvent âtre réalisées sous forme de tubes en U. l'angle d'évasement de la transition, cônique de la chambre de décharge vers le tube cylindrique indiqué 25 peut être choisi entre 15° et 60°. Dans les parois latérales des chambres de décharge 1 et 2 sont montées deux paires de supports cylindriques 7, dans lesquels sont assemblées deux paires d'ensembles d'électrodes de réalisation identique avec le même axe de symétrie longitudinal, dont ehaeun comporte une électrode 8 avec une sur-30 face de travail plane en tungstène thorié, montée à la presse dans un porte-électrode creux en covar ( alliage de Co, Ni, Fe) 9, doté d'une saillie annulaire portant un cylindre en titane 10 formant un jeu avec le support 7, rempli d'étain en cours d'étanchéisation® les ensembles d'électrodes de la source de lumière sont montés 35 sur les supports de l'ampoule de manière que la surface plane de travail de chaque électrode, possédant un diamètre proche du diamètre intérieur du support, se situe environ au niveau du tube transparent 3, à proximité de la paroi plane de la chambre de décharge, J en formant des intervalles de décharge parallèles, le long des 40 intervalles de décharge indiqués sur le côté extérieur des chambres BAD ORIGINAL 70 45249 5 2072040 de décharge, perpendiculairement à l'axe longitudinal du tube 3, qui raccorde les chambres 1 et 2, sont montées les deux barres conductrices du courant 11 et 12, réalisées sous la forme de capuchons métalliques coiffés sur les parois plates saillantes de la 5 chambre,jer Desquelles passe le courant du circuit de déchargeGhaque barre est raccordée à l'un des ensemblesd'électrodes de chaque chambre de décharge, la source de lumière à décharge gazeuse impulsionnelle est remplie de xénon jusqu'à une pression de 2Q-100Torr. La source de lumière à décharge gazeuse impulsionnelle représentée sur les fig.3 10 et 4 diffère de celle décrite plus haut par le fait que les chambres de décharge 1 et 2 sont réalisées en céramique non transparente, thermorésistante, réfléchissant la lumière, par exemple en oxyde de béryllium ou en oxyde d'aluminium polycristallin et sont raccordées de manière étanche au tube optiquement transparent 3 selon un procé-15 dé d'étanchéisation connu. La source de lumière à décharge gazeuse impulsionnelle proposée fonctionne de la façon suivante (fig.5). Lorsqu'elle est raccordée à un circuit oscillant symétrique à faible induction,à terre commune de décharge comportant deux batteries accumulatrices 13 et 20 14 de condensateurs, commandés par un bloc à deux voies d'allumage consécutif 15, on assure l'ignition de la décharge simultanément dans les deux chambres de décharge. La direction des courants de décharge dans les deux intervalles de décharge coïncide et est opposée à la direction des courants 25 dans les barres métalliques indiquées plus haut. En se déplaçant à une très haute vitesse à cause de la dilatation thermique du gaz et de l'interaction électromagnétique des courants de décharge et des courants de barres, les flux de plasma de la décharge gazeuse sont éjectés simultanément des deux chambres 30 1 et 2 dans le tube 3, qui les raccorde, en provoquant des ondes de choc puissantes dirigées en opposition. On observe alors une photoionisation importante d.u gaz dans le tube en question, au devant des ondes de choc, qui se propa-gent, et du plasma de décharge gazeuse, ce qui contribue au mélange plus ra-35 pide du plasma chauffé par les ondes de choc avec le gaz dans la cavité du tube transparent. Lors de la rencontre des ondes de choc dans la partie médiane du tube on observe une luminescence intense. La zone d'interpénétration des ondes de choc est caractérisée par une brillance élevée à spectre continu dans le domaine visible du 40 rayonnement . 70 45249 6 207204Ô Après leur réfléchissement les unes par les autres les ondes de choc se déplacent à la rencontre des colonnes du plasma de décharge gazeuse, qui s'élargissent, le plasma étant réchauffé par l'énergie des courants des intervalles de décharge, par les ondes de choc 5 réfléchies par les côtés en bout des chambres. Ce stade de la décharge est 'caractérisé par le remplissage du canal du tube par le plasma et par une intensité uniforme du rayonnement. La source de lumière donnée a été essayée en régime d'impulsions lumineuses à taux de répétition des impulsions bas, de durée 10 de 25 à 40^as avec une énergie maximale de décharge dépassant 4000J. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués; elle en 15 embrasse, au contraire, toutes les variantes. BAD ORIGINAL 70 45249 7 2072040 - REVENDICATIONS - 1. Source de lumière à décharge gazeuse impulsionnelle de grande puissance comportant une chambre de décharge remplie de gaz de travail avec un intervalle de décharge formé par des électrodes et 5 limité par les parois de la chambre de décharge, qui èst raccordée à l'une des extrémités d'un tube, dans lequel se propagent des ondes de choc et le plasma de décharge gazeuse, et une barre conductrice de courant, se situant en dehors de la chambre le long de l'intervalle indiqué et raccordée avec lui en série, caractérisée par le 10 fait, que la source de lumière indiquée est dotée encore au moi tir d'une chambre de décharge, pour allumer une décharge dans celle-ci simultanément avec la décharge de la première chambre et raccordée à l'autre bout du tube, les chambres de décharge possédant des parois réfléchissant la lumière, tandis que le tube est réalisé en matériau 15 optiquement transparent. 2. Source de lumière à décharge gazeuse impulsionnelle selon la revendication 1, caractérisée par le fait, que la paroi adhérant à la barre conductrice de courant de chaque chambre de décharge est réalisée plate et disposée perpendiculairement à l'axe 20 longitudinal du tube en matériau optiquement transparent. 3. Source de lumière à décharge gazeuse impulsionnelle selon les rëvendications t et 2:, caractérisée par le fait que les chambres de décharge sont réalisées en forme de tubes en U dont les parties médianes sont raccordées entre elles par un tube optiquement trans- 25 parent. 4. Source de lumière à décharge gazeuze impulsionnelle selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que les électrodes sont réalisées avec des surfaces de travail plates et disposées de manière que leurs axes longitidunaux soient 30 perpendiculaires à l'axe longitudinal du tube en matériau optiquement transparent. 5. Source de lumière à décharge gazeuse impulsionnelle selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les chambres de décharge possèdent des raccords coniques avec 35 le tube en matériau optiquement transparent, sous un angle d'évase-ment du cône égal de 15 à 60°. 6. Source de lumière à décharge gazeuse impulsionnelle selon l'une quelconque des revendications 1 à 5» caractérisée par le fait que les chambres de décharge sont réalisées en matériau résistant 40 à la chaleur du type oxyde de bérylium, oxyde d'aluminium, etc 70 45249 8 2072040 avec des parois réfléchissant la lumière et possédant des ouvertures disposées axialement, et qu'elles sont raccordées au tube en verre de quartz fondu selon un procédé connu. 7. Source de lumière à décharge gazeuse impulsionnelle selon 5 l'une des revendications 1 à'5, caractérisée par le fait que les chambres de décharge et le tube sont réalisés dans le même matériau optiquement transparent, par exemple en verre de quartz fondu recouvert d'une couche de bioxyde de silicium partiellement cuite, à dispersion par diffusion, existant seulement sur les parois des 10 ' chambres de décharge, limitant les intervalles de décharge. BAD ORIGINAL