Brevet FR2106572A1 — publié le 19720505

Cette invention concerne une méthode et un appareil de production d'une décharge bien déterminée dans un milieu de travail gazeux. De semblables décharges bien déterminées sont particulièrement utiles pour obtenir un effet de laser dans des milieux gazeux, ou 5 pour obtenir un gaz ionisé conducteur de l'électricité à utiliser dans des dispositifs magnétohydrodynamiques (MHT) et des dispositifs équivalents, ou pour produire ou faciliter la mise en oeuvre de processus chimiques comme, par exemple, la création d'ozone, etc... 10 Selon l'invention, il est fourni une méthode de production d'une décharge bien déterminée dans un milieu de travail gazeux, comprenant la création d'un rayonnement ionisant, l'introduction dudit rayonnement ionisant dans ledit milieu de manière à produire une distribution spatiale prédéterminée d'électrons secondaires 15 dans ledit milieu, et le réglage de la température électronique desdits électrons secondaires de manière à produire une décharge bien déterminée. Est fourni également un appareil destiné à produire une décharge bien déterminée dans un milieu de travail gazeux, qui 20 comprend un moyen définissant une cavité dans laquelle on dispose le milieu de travail gazeux, un moyen pour créer un rayonnement ionisant, un moyen pour introduire ledit rayonnement dans ladite cavité et produire une distribution spatiale prédéterminée d'électrons secondaires dans ledit milieu, et un moyen pour régler la 25 température électronique desdits électrons secondaires pour produire ladite décharge bien déterminée dans ledit milieu placé dans ladite cavité. Dans un mode de réalisation, l'appareil peut comprendre un moyen pour augmenter, sinon pour créer, la conductivité électrique 30 voulue du milieu de travail gazeux dans des dispositifs MHT, comme des générateurs et des accélérateurs. Il est également applicable à d'autres dispositifs nécessitant ou utilisant des gaz conducteurs de l'électricité ou ionisés. Dans un autre mode de réalisation, l'appareil comprend un 35 moyen pour produire de l'ozone, auquel cas le milieu de travail peut comprendre de l'oxygène ou de l'air dans lequel on produit la décharge bien déterminée par une source indépendante d'électrons et un champ électrique. Puisque le champ électrique n'est pas couplé à la production des électrons, des conditions optimales de formation 40 d'ozone peuvent être atteintes sans qu'il soit nécessaire de 71 32èèè 2 ' 2106572 remplir de sévères conditions sur la stabilisation, comme c'est à présent le cas lorsqu'on utilise une décharge de Townsend pour la production d'ozone» ni sur la géométrie des électrodes, comme c'est à présent le cas lorsqu'on utilise une décharge en couronne pour la 5 production d'ozone. Du fait que des conditions uniformes sont assurées dans la colonne positive, le rendement énergétique global est augmenté et la dissipation de chaleur impliquée dans le procédé est réduite. Dans un mode de réalisation différent et préféré, 1Jappareil 10 comprend un laser à gaz de grande puissance, de caractère volumé-trique et pouvant être dimensionné dans ses trois dimensions caractéristiques ainsi qu'en pression. Lorsque la diffusion électron-ion aux parois est négligeable, une décharge bien déterminée est créée. Puisque la décharge bien déterminée produite par cette inven-15 tion ne nécessite pas que l'ionisation soit faite par la décharge d'électrons,elle peut être régléepour corriger la température électronique en vue d'un fonctionnement plus efficace du laser. De plus, un laser utilisant la décharge bien déterminée est volumétri-que en ce sens que la température convenable du gaz et les concen-20 trations adéquates en états laser inférieurs peuvent être maintenues par d'autres moyens que la diffusion à travers le gaz vers des parois latérales refroidies. De plus, le laser peut fonctionner aussi bien dans le mode à écoulement de gaz que dans le mode statique à impulsions. 25 Dans les lasers à gaz de la technique antérieure, qu'ils soient à écoulement ou statiques, les lasers sont pompés ou excités à l'aide d'une décharge électrique dont les caractéristiques sont réglées par la diffusion, qui est effectuée dans un petit tube maintenu à une basse pression. Dans de tels tubes à 30 décharge dans un gaz (de diamètre typique de l'ordre d'un centimètre) , opérant à basse pression (environ 1-10 torrs),on observe une perte de paires électron-ion du centre du plasma vers les parois latérales du tube par diffusion radiale (nommée diffusion ambipolaire de paires ion-électron). Pour une décharge en état 35 stationnaire, cette perte peut être compensée par une vitesse d'ionisation nette dans le plasma qui équilibre exactement la vitesse de perte par diffusion. Cette vitesse d'ionisation nécessaire dicte quélle température les électrons doivent posséder pour entretenir la décharge, et ainsi quelle valeur du rapport E/N 40 appliqué est nécessaire pour donner aux électrons cette température. 71 32.^6 3 2106572 Pour des tubes longs, E/N est défini comme le rapport de la tension par le produit de la longueur du tube et de la densité du gaz. Dans de telles situations, la décharge peut être dite "stabilisée" par les parois du tube, c'est-à-dire que, puisque la diffu-5 sion radiale des paires électron-ion est rapide, toute petite augmentation locale de la densité électronique est réduite par la diffusion. Ce fait rend une telle décharge radialement et axiale-ment uniforme, ainsi que tout à fait reproductible et facile à produire. 10 Le plasma (gaz neutre plus paires électron-ion) contenu à l'intérieur du tube à décharge électrique tend à rester radialement régulier aussi longtemps que le temps nécessaire aux paires électron-ion pour diffuser vers les parois environnantes est égal au temps d'ionisation, comme, par exemple, le temps nécessaire pour 15 doubler la densité électronique. Puisque le temps de diffusion ambipolaire est en général proportionnel au produit de la pression du gaz et du diamètre du tube au carré pour les grands diamètres, ce temps de diffusion ambipolaire peut, dans certains cas, devenir grand par rapport au temps d'ionisation dans le tube, surtout pour 20 les vitesses d'ionisation élevées, les tubes de grand diamètres et les pressions élevées. Dans cette dernière situation, la décharge n'est plus "stabilisée" par la présence des parois, c'est-à-dire que des augmentations locales de la densité électronique ne sont pas immédiatement diffusées vers les parois où elles se réduiront 25 par recombinaison avec les parois, etc... Ainsi, des non-uniformi-tés locales peuvent être produites par ces densités électroniques plus élevées, et les non-uniformités à croissance rapide peuvent empirer. Souvent, ceci à pour résultat que les décharges luminescentes précédemment uniformes se changent en arcs, en décharges 30 irrégulières ou en rais de courant. Ce dernier état constitue souvent un plasma qui est très inefficace, et est souvent sans utilité vis-à-vis de certains objectifs. De ce qui précède, on verra que, dans les tubes à décharge de grand diamètre, à pression élevée, la tendance est à ce que 35 toute augmentation locale de la densité électronique ne soit pas affaiblie par diffusion vers les parois de l'enceinte. Lorsque de telles perturbations ont lieu, on peut réduire leur tendance à croître par réduction de la vitesse d'ionisation, ce qui signifie une température électronique inférieure puisque la vitesse d'ioni-40 sation locale est une fonction de la température électronique 71 32566 4 2106572 ~ locale. Une température électronique inférieure nécessite cependant qu'un champ électrique inférieur soit appliqué. L'équilibre convenable est critique : un champ électrique trop élevé peut ramener la décharge de grand diamètre sous forte pression à former des rais, 5 mais si un champ électrique trop faible est appliqué, la décharge ne peut être amorcée en premier lieu. De plus, aux pressions élevées, on observe généralement qu'une tension ou un champ électrique appliqués, qui sont suffisamment élevés pour amorcer une décharge, sont également suffisamment élevés pour amener la décharge à ne pas 10 être radialement uniforme et, par exemple, à former des rais. Pour les raisons précédentes, on verra que, si un tube à décharge ou une cavité sont de volume suffisamment grand, l'entretien d'une décharge bien déterminée dans ceux-ci par diffusion vers les parois n'est pas possible. Dans le cas présent d'utilisation, le terme "décharge 15 bien déterminée" signifie une décharge dans un milieu gazeux ayant des propriétés prédéterminées qui, bien que ces propriétés puissent varier dans le temps et dans l'espace, restent en tout cas dans des limites voulues pendant la durée de la décharge. De telles propriétés comprennent, sans s'y limiter, les états électroniques 20 et moléculairesdu milieu gazeux, ainsi que les qualités optiques, électriques et chimiquesdu milieu, et ses vitesses d'échauffement, d'ionisation, de dissociation et de recombinaison. La décharge bien déterminée créée dans un laser à gaz possède une "période caractéristique", qui est pratiquement le temps que met le courant 25 d'entretien à s'écouler dans le milieu gazeux du fait du mouvement des électrons secondaires créés dans le milieu gazeux sous l'influence d'un champ électrique nommé ici champ électrique d'entretien, qui sera décrit plus complètement ci-dessous. Dans le cas d'un milieu en écoulement dans lequel la durée d'écoulement à tra-30 vers la cavité ou la région de travail est inférieure à la durée d*écoulement du courant d'entretien dans le milieu gazeux, la "période caractéristique" est la durée d'écoulement dans la cavité. De manière à ce que l'invention puisse être comprise plus complètement, on va maintenant la décrire en référence avec les 35 dessins d'accompagnement, dans lesquels : La figure 1 est une vue en perspective, avec des parties découpées, d'un laser à gaz qui constitue le mode de réalisation préféré d'un appareil selon l'invencion ; La figure 2 est une vue en coupe prise selon la ligne 2-2 40 de l'appareil représenté•sur la figure 1 ; 71 32566 5 2106572 La figure 3 est une vue en bout en coupe, prise selon la ligne 3-3, de l'appareil représenté sur la figure 2 ; La figure 4 est une vue en perspective, avec des parties éclatées, montrant des détails de la source d'électrons ; 5 La figure 5 est une vue schématique en perspective illustrant le procédé de fonctionnement et les coordonnés associés à la création des électrons, à l'écoulement du gaz et à l'effet de laser ; La figure 6 est un diagramme schématique de l'ensemble des circuits associés au canon à électrons et aux électrodes d'entre-10 tien. 71 32566 6 2106572 L'attention est maintenant dirigée sur les figures 1-6, qui montrent divers détails du laser à gaz. Un appareil est représenté sur ces figures, dans lequelcaon milieu gazeux pofcLvant produire un effet de laser, comme, par exemple, un mélange com-5 prenant 16% CO^, 34% de et 50% Hé, est fourni par une source classique convenable (qui peut comprendre une chambre sous pression et un diffuseur ; ils ne sont pas représentés), vers un moyen convenable définissant une cavité ou une région de travail 10 de l'appareil servant de laser 12 via un moyen d'entrée de gaz 11. La cavité ou 10 la région de travail 10 du laser (désignée dans son ensemble par le numéro 12 et dont la sortie est indiquée par le norribre de référence 100) est représentée à titre d'exemple comme ayant une configuration générale rectangulaire. Le terme "cavité" empbyé ici ne signifie pas seulement une cavité définie par des parois, mais aussi une 15 cavité qui n'est pas définie par des parois ou par quelquechose d'équivalent, puisque, dans certains cas, des parois ne sont pas essentielles pour une application de l'invention. Comme le montrent mieux les figures 2 et 3, la région de travail rectangulaire 10 comprend des parois de dessus et de dessous 14 et 15, disposées 20 à l'opposé l'une de l'autre et conçues pour recevoir et supporter respectivement des montages de maintien et de réglage de miroirs 21 et 22, qui seront plus complètement décrits ci-dessous. Portés sur les surfaces internes des parois de dessus et de dessous 14 et 15, se trouvent âss organes d'écoulement en arc de cercle 16 et 17 25 disposés à l'opposé l'un de l'autre, qui ont pour fonction de donner un écoulement laminaire régulier à travers la région de travail 10. Les montages des miroirs 21 et 22 sont disposés chacun dans les organes 16 et 17 et encastrés pour produire l'interruption d'écoulement et la plus petite possible/pour minimiser la formation d'arcs parasites. 30 Des parois latérales 18 et 19 disposées à l'opposé l'une de l'autre sont fixées de manière étanche aux parois de dessus et de dessous 14 et 15, la paroi latérale 18 étant pourvue d'une ouverture circulaire pour recevoir de manière étanche un atppareil servant de canon à électrons 25, qui sera montré et décrit plus complètement ci-des-35 sous. A l'opposé de l'ouverture circulaire susdite de la paroi latérale 18, se trouve un évidement dans la paroi latérale 19 destiné à recevoir une plaque d'électrode 52 conductrice de l'électricité montée de manière à affleurer, qui sera décrite plus complètement ci-dessous. Les composants susdits, saufUëlectrode 52, définissant 4o la région de, travail lo sont faits d'un matériau non conducteur d'électricité. 1 " ~ 71 32566 7 2106572 Comme le montrent les figures 1 et 4, le canon à électrons, désigné dans son ensemble par le numéro 25, comporte une source rectangulaire d'électrons qui comprend une bôîte 26 conductrice de l'électricité, construite en acier inoxydable ou avec un matériau 5 semblable, et ouverte à une extrémité. A l'intérieur de la boîte 26,des électrons sont créés de manière classique par émission thermoîonique à partir de plusieurs filaments 27 espacés, qui sont portés dans la partie arrière,, et du côté intérieur,de la boîte 26 par une plaque 28 faite d'un matériau non conducteur d'électricité. 10 Les filaments 27 sont portés par des pièces d'écartement 29 conductrices de l'électricité, qui sont reliées à une source de courant dé chauffage 30. Les filaments sont chauffés de manière classique par une source 30 de manièreproduire l'ô mission thermo-ïaiique. La boîte 26 est portée mécaniquement à l'intérieur de la 15 gâBoi cylin4rique extérieure 36, tout en en étant isolée, par des supports 33 et 34 qui assurent également la connection électrique au circuit à impulsions 40 -j.Les supports 33 et 34 permettent d'appliquer à la boîte 26 le potentiel nécessaire pour régler la quantité d'électrons qui y sont créés. Une forme de réglage peut-20 être fournie, comme c'est indiqué, par une grille-écran réticulée 35 reliée électriquement et mécaniquement à la boîte 26 et couvrant son extrémité ouverte. Un circuit à impulsions 40 classique (voir figure 6), relié à la grille 35 par les supports 33 et 34 et la boîte 26,fournit le 25 potentiel nécessaire pour régler la quantité d'électrons hautement énergétiques libérée par le canon à électrons. Le circuit à impulsions 40 est déclenché par un circuit de minuterie 41. Le fonctionnement et le réglage du canon à électrons sont décrits plus complètementciraprès. En gros, 1'émetteur ou le canon à électrons, 30 fournit abondamment des électrons hautement énergétiques qui sont défocalisës et dirigés vers la région de travail 10 par la grille-écran 35 (voir figure 5). Le volume entourant le canon à électrons à l'intérieur de la paroi 36 est vidé par une pompe à vide (non représentée et indiquée 35 par le nombre de référence 200) de manière classique, et le canon à électrons est maintenu à une basse pression de façon à donner un environnement optimal aux électrons libres créés, de sorte qu'ils puissent passer sans gêne à travers la grille-écran 35 et être attirés et accélérés vers une plaque réticulée 45 conductrice 40 de l'électricité. La plaque 45, faite d'acier inoxydable ou d'un 71 32566 8 2106572 - matériau équivalent, est maintenue :à un potentiel élevé par rapport à celui de la grille-écran 35. Les électrons créés au niveau des filaments 27 sont fortement accélérés vers la plaque 45 et une partie passe à travers les nombreux trous 46 dont la plaque 45 est 5 pourvue. Une mince feuille d'un matériau servant de diaphragme 47 est disposée entre la région de travail 10 et le canon à électrons pour permettre l'existence de "régimes de pression distincta- .. Le diaphragme 47, qui peut être au moins en partie porté par la plaque 45, doit posséder une stabilité structurelle adéquate pour 10 supporter toute différence de pression nécessaire (le vide du côté du canon à électrons 25 et le gaz sous pression qui s'écoule dans la région de travail 10) et doit être composé d'un matériau qui transmettra le nombre maximal d'électrons sans absorber une partie excessive de leur énergie, car une telle absorption pourrait 15 réduire le rendement et, ou bien, conduire à une rupture du diaphragme. Tout en étant de préférence métallique, le diaphragme 47 peut être composé d'un matériau conducteur ou non conducteur. Une fois que les électrons venant de la grille-écran 35 ont passé d'abord à travers les trous 46 de la plaque 45, puis à tra-20 vers le diaphragme 47, ils entrent .dânë .iBSçégioàadè traSâil >10.ien passant à travers une cathode réticulée 50 faite d'un treillis de fils et isol&edu canon à électrons 25 par un anneau de matériau non conducteur 51. Dans la région de travail lo, l'énergie des électrons est maintenue par un champr: électrique d'entretien qui est 25 présent entre une plaque d'ano^©' :de 52 disposée à l'opposé et la cathode 50 précédemment mentionnée, qui sont couplées au circuit d'entretien 53. La cathode 50, qui est faite d'une grille en treillis de fils,empêche, pour les dispositions indiquées du faisceau électronique et du champ* électrique d'entretien, que soit endom-30 magé le diaphragme 47 par des arcs parasites qui pourraient malencontreusement se produire autrement entre l'anode 52 et, ou bien, la cathode 50, et le diaphragme 47. Une tension continue élevée est généralement maintenue entre l'anode 52 et la cathode 50 par un circuit d'entretien 53 classique, qui peut comprendre un moyen de dé-35 charge capacitive chargé par la source d'alimentation 54 et déclenché par le circuit de minuterie 51 dans le cas d'un fonctionnement par impulsions. L'exemple donné ci-dessus est celui d'un faisceau électronique de type "pomme de douché couvrant une vaste surface ; cependant, le même résultat peut être obtenu à l'aide 40 d'un faisceau d'électroné balayant rapidement une large zone. 71 32566 s 2106572 La production d'une décharge volumétrique bien déterminée, qui, pour le mode de réalisation illustré sur les figures 1-6, comprend l'exitation et l'inversion de populaticn d'un milieu gazeux placé dans la région de travail ÎO entre la cathode 50 et 5 l'anode 52 d'entretien, est assurée selon l'invention en deux étapes. Une "décharge", comme on en utilise une ici, est, dans un milieu ionisé, l'écoulement d'un courant sous l'influence d'un champ électrique ou de plusieurs champs électriques d'entretien^ Alors qu'on a décrit ici brièvement l'utilisation de tensions con-10 tinues avec des électrodes à l'intérieur des cavités pour fournir un chanç» d'entretien, on peut utiliser des champs électromagnétiques de fréquences radio, des structures d'électrodes inductives, des structures d'électrodes capacitives, le mouvement d'un milieu conducteur de l'électricité en présence d'un champ; magnétique ap-15 pliqué, et l'introduction de l'énergie laser dans la cavité de travail, pour fournir les champs électriques d'entretien. Le laser décrit apporte une amélioration en ce qui aoncerne la création d'un rayonnement ionisant en créant un rayonnement ionisant très efficace grâce à l'utilisation d'un moyen servant de canon à électrons 20 plûtôt que d'un moyen se présentant sous la forme d'une décharge de haute tension, ou d'un moyen équivalent. Ce rayonnement ionisant plus efficace fournit une source d'électrons secondaires à de très basses températures et augmente les rendements qu'on pouvait obtenir jusqu'.'ici, puisque la théorie indique que la seule manière 25 de reproduire des conditions comparables dans les dispositifs à forte puissance et à haute pression est de faire agir un circuit à impulsions à des niveaux de l'ordre du million de volts et, ou bien, à des cadences élevées de répétition d'impulsions, ce qui constitue un résultat difficile, sinon impossible à atteindre 30 pratiquement. Une des caractéristiques principal® relevant du fait qu'on fournit une décharge dimensionnable en volume est le réglage de la température du gaz et de 1'uniformité de la décharge, auquel cas une décharge électrique, ou l'équivalent,produit des électrons libres 35 et l'ionisation du milieu du travail dans un champs électrique d'entretien. La température électronique, qui est une fonction du rapport E/N dans tout mélange de gaz, est régléepar ajustement du champs électrique d'entretien E et de la densité du gaz N. Dans les applications à écoulement, une étude convenable détermine 40 les élévations permises de température (^r) et de densité 1l 32566 10 2106572 correspondante (AN) dans le gaz. Dans les applications à impulsions on doit considérer/four un réglage convenable de A N la capacité calo rifique du gaz, la largeur de 1'impulsion et l'effet des ondes de pression. Si la température électronique est maintenue suffisamment 5 bas po \r que l'ionisation due au champ d'entretien soit petite par rapport à l'ionisation due aux électrons libres ci-dessus mentionnés qui sont de préférence très énergétiques, la décharge vo-lumétrique peut être maintenue-d'une manière réglalila aux pressions élevées. Par exemple, on peut établir des décharges bien détermi-10 nées selon l'invention jusqu'à une atmosphère. Une caractéristique supplémentaire de l'ionisation volumétri-que relative à la présente invention est la stabilisation de la décharge par suppression de la formation des arcs. La plupart des arcs se forment au cause de la configuration des électrodes ; 15 diverses configurations d'électrodes ont été expérimentées et, dans tous les cas, l'ionisation qu'on a obtenue a créé un effet de stabilisation qui a permis le fonctionnement dans des zones où jusqu'ici cela aurait donné lieu à la formation d'axes et à des claquages. 20 Dans le domaine de la présente invention, on fournit un faisceau électronique pour produire des électrons libres et ioniser le milieu de travail. Le faisceau électronique qui remplace la brève impulsion de haute tension est, entre -autres choses, plus efficace / produire l'ionisation dans le milieu de travail. Par exemple, un 25 électron ôe 50 kv paèèant à travers de l'air produit 1000 électrons secondaires le long de son trajet avant de perdre son énergie. Le potentiel d'ionisation efficace d'un mélange gazeux de N^, COj et ife est d'environ 30 V, la moitié de la pierte de l'énergie de l'électron primaire passant dans l'ionisation. 30 Lorsqu'une application laser, par exemple, nécessite une très haute puissance, il y a avantage à travailler avec une pression de gaz relativement élevée (comme,par exemple, jusqu'à une atmosphère ou plus) et avec des dimensions transversales importantes (jusqu'à 30 cm ou plus). Ces conditions'nécessitent. • 35 des niveaux de tension, dépassant 1,000,000 V dans un circuit à impulsions fournissant une brève impulsion de haute: tension, pour l'ionisation. La présente invention élimine cette nécessité de haute tension. Un faisceau électronique ionisant ne doit être fourni, par exemple, qu'avec une tension de l'ordre de 150 KV pour obtenir 40 une ionisation utile à ces distances et ces pressions. . 71 32566 2106572 De plus le fait âe prévoir une ionisation, par faisceau"électronique permet une ionisation contin.ue sur ces - . . grands volu mes, ce qui élimine la nécetesité d'une ionisation par impulsions répétitives, par exemple dans les applications au laser. En plus 5 ce qui précédé, l'ionisation par faisceau électronique peut être simplement et classiquement réglée par réglage^otentiel sur une grille disposée devant le moyen émettant les électrons. Ainsi, le niveau d'ionisation et, par exemple, la sortie laser pour les applications au laser peuvent être simplement et économiquement 10 réglées par réglage de la tension de la grille qui peut comprendre une partie d'un circuit de faible puissance facilement réglable. Cette caractéristique, ainsi que l'aptitude d'un faisceau électro-à nique /ioniserde manière vraiment continue, rend l'appareil décrit ici très intéressant pour ioniser un milieu de travail dans toute 15 application où il est souhaitable ou convenable de séparer l'ionisation de l'entretien d'une décharge. Dans cet appareil, au moins une* paroi du moyen définissant une région de travail transmet ou fournit des électrons très énergétiques qui donnent leur énergie cinétique au milieu de travail 20 sous la forme d'ionisation avec un rendement élevé. La tension du faisceau électronique, c'est-à-dire l'énergie des électrons dans le faisceau fournissant les électrons très énergétiques mentionnés ci-dessus, doit être suffisamment élevée pour que les électrons entrent dans la région de travail, par exemple par pénétration 25 d'un diaphragme, ou d'une feuille, disposé dans une paroi du récipient avant la traversée et l'ionisation du milieu du travail. L'intensité du courant du faisceau électronique est principalement déterminée par le niveau d'ionisation nécessaire pour que la vitesse de recorribinaison (ou agglutination) volumétrique soit égale 30 à la vitesse de production de l'ionisation du faisceau électronique, ce qui conduit à augmenter le niveau d'ionisation par la vitésset, de recombinaison _volumëtriqiB correspondante plus élevée. Le diaphragme ou les diaphragme^, à travers lesquels les électrons très énergétiques entrent dans la région de travail, doivent seulement 35 être tels qu'ils transmettent le nombre nécessaire d'électrons et sont portés et refroidis de manière convenable piendant la transmission des électrons très énergétiques. La condition relative au support est telle que le diaphragme doit supporter la différence de pression entre le gaz de travail et la région de vide qui est prévue 40de l'autre côté du diaptrargme, là où les électrons très énergétiques 71 32S66 2106572 sont créés et accélérés vers le diaphragme. De manière typique, une géométrie convenable est constituée par un système où il y a une région de vide poussé extérieure à une ou à plusieurs des parois de la cavité définissant la région de travail. Des électrons 5 sont créés dans la région de vide par un moyen convenable comme, par exemple, une émission de plasma, une émission thermionique, une photo-émission, un bombardement d'électrons ou un moyen équivalent. Une fois les électrons créés, ils sont accélérés d'une manière classique par une struture électrostatique ou électro-10 magnétique convenable et amenés à traverser le diaphragme pour passer dans la région de travail. Quel que soit le procédé de création des électrons, ils peuvent être couplœ de manière classique à la région de travail à travers le diaphragme. Le diaphragme peut être disposé sur un 15 organe réticulé, et, dans certaines applications puisées, l'élévation de température de la feuille peut êtaee limitée simplement psi sa capacité calorifique intrinsèque, la feuille peut être refroidie d'une manière convenable quelconque, comme par écoulement de gaz ou par conduction, et peut être faite d'aluminium, de bérylium, 20 de titane, de carbone ou d'un matériau équivalent. Puisque le rôle du diaphragme est de séparer le milieu de travail placé dans la région de travail du vide régnant dans le canon à électrons, il doit pouvoir supporter ùne différence de pression d'une atmosphère Puisque le diaphragme est chauffé par absoiption de l'énergie des 25 électrons transmis dans les applications à ondes continues ou à impùlsions nombreuses et brèves, il doit être refroidi. Cependant, tout moyen de refroidissement convenable peut-être utilisé. Alors qu'on a oeprésenté et décrit ici un dispositif de faisceau électronique du type "pomme de douche" destiné à irradier 30 une vaste zone avec un faisceau électronique d'énergie relativement faible de l'ordre de 50 à 150 kv, on comprendra que d'autres dispositions, comme,par exemple, un ou plusieurs petits canons à électrons du type employé dans les soudeuses par faisceaux électronique etc..., peuvent être utilisées là où cela convient à l'application. 35 De plus, si l'utilisation d'un diaphragme n'est pas souhaitable, une série de petits trous dans plusieurs plaques, définissant plusieurs chambres disposées séquentiellement et pompées de manière différent^ peuvent être utilisés à fournir la séparation du canon à électrons de la région de travail,sans qu'il soit nécessaire 40 que les électrons passent à travers un organe solide. Dans ce cas. 71 32566 2106572 les électrons passent directement à travers une ou plusieures séries de trous alignés dans les plaques, et le gaz de la région de travail ne diffusera pas assez rapidement à travers le trou voisin du canon à électrons pour affecter pratiquement la création des élec-5 trons. Des tensions convenables peuvent être appliquées à l'espace situé entre les plaques pour obtenir une focalisation maximale des électrons, et la pression entre le«-jaques décroît au fur et à mesure, dans» la dirêction du can'oa à électrons. 10 i»e courant de faisceau électronique et le niveau d'ionisation nécessaires dans un milieu de travail donné.-.elont déterminés par les applications. Ainsi, de nombreuses applications de laser N2 - C02 ne nécessitent qu'un niveau relativement faible d'ionisation et qu'un courant de faisceau volumétrique bas. De plus, dans les ap-15 plications des laser?, les nécessités imposées par le refroidissement du diaphragme peuvent être tout à fait modestes et être satisfaites par la conduction calorifique des organes de support «refroidis. De plus, pour les applications au» accélérateurs et générateurs ma-« • gnétohydrodynamiquespar exemple, des niveaux d'ionisation et des 20 courants de faisceau volumétrique plus élevés sont nécessaires pour les appareils pratiques. Ainsi, un refroidissement plus important du diaphragme sera nécessaire. Les qualités du faisceau électronique, c'est-à-dire .t'étale-' . ment, l'énergie et l'uniformité du faisceau électronique à travers 25 le milieu du travail sont déterminées par les applications. Ainsi, au cours de nombreuses applications de laser^ l'intensité du faisceau électronique doit être pratiquement uniforme ( avec des variations ne dépassant pas quelques unités pour cent) de manièfce à produire un milieu de travail ayant l'ionisation pratiquement uni-30 forme nécessaire à l'obtention du gain uniforme et des propriétés optiques dans le milieu où se produit l'effet de laser. Alors que l'obtention d'un rayonnement ionisant sous la forme d'un faisceau électronique est préférée pour le mode de réalisation décrit parce que le faisceau électronique correspond à un procédé 35 très efficace de production d'ionisation volumétrique, on comprendra que d'autres applications peuvent nécessiter l'utilisation d'un rayonnement ionisant sous la forme de photons, de particules alpha, de rayonnement X, etc..., et que celles-rci appartiennent aru domai-» ne de l'invention. 71 32566 14 2106572 Comme on a pu le voir de la discussion précédente, le niveau d'ionisation qui peut êtrE obtenu à l'aide d'électrons très énergétiques est déterminé en équilibrant la vitesse de production d'électrons secondairœavec la vitesse de perte due soit à l'écou-5 lement, soit à l'agglutination par recombinaison.Ainsi, il est important d'avoir à l'esprit les limites de l'énergie et de la densité de courant des électrons énergétiques pour comprendre le processus de perte discuté ci-dessous. Dans un mode de réalisation réellement pratiqué, pour produire ÎO un effet de laser, un canon à électrons produit un courant d'électrons qui est: dirigé sur un diaphragme fait d'une feuille métallique mincQ supportée par une plaque perfocée ayant des trous de 4,23 nat sur une face de 5,08 x 10,16 cm. La condition aux limites relative au courant du faisceau électronique est que la feuille 15 métallique mince ne doit pas être chauffée à une température à laquelle sa résistance structurelle est notablement réduite, puisque son rôle est de supporter la différence de pressions entre la région de travail et le canon à électrons, et, de plu^ de transmettre des électrons. Cette température a été fixée arbitrairement 20 à 200° K, la feuille étant faite d'aluminium ayant une épaisseur —3 d'environ 10 cm. D'autres matériaux ayant d'autres épaisseurs peuvent être employés, et la feuille peut être refroidie par divers moyens, y compris la conduction aux supports refroidis, ou, par exemple, la convection forcée avec un gaz soufflé contre la surface 25 selon un mode de fonctionnement puisé. Dans un mode de fonctionnement puisé, on peut supposer que toute l'énergie est déposée sur la feuille, et une limite inférieure de la densité de courant incident, en fonction de l'énergie E (volts) du faisceau incident et de la durée t (secondes) de l'im-30 pulsion, est donnée approximativement par : 2 E I t 2 Si E = 50 kV, t = 20 }is, et K0,5 A/cmL, approximativement 20% des électrons incidents seront transmis avec une réduction d* énergie moyenne d'environ 10 et ce sont ces électrons transmis 35 qui seront disponibles pour l'ionisation puisée du gaz. Comme on le verra plus tard, la limite supérieure représente une densité de courant dépassant de loin celle qui nécessaire pour l'ionisation du système gazeux choisi pour le fonctionnement du laser. On considère maintenant les processus d'ionisation et de 40 recombinaison dans le gaz qui sont essentiels à un fonctionnement 71 32566 is 2106172 convenable du laser : La vitesse de production, p, des ions par cm3 de gaz est : 1 -3 -1 -> è m • cm s 5 eEi où J3 - densité du gaz (g. cm ) _2 I = densité de courant du faisceau électronique sortant (A. cm ), 2 -1 = vitesse de perte d'énergie moyenne ( V. cm., g ), 10 = perte d'énergie moyenne par ionisation (V), e = charge de l'électron (coulomb). Lorsque la recombinaison à deux corps domine comme dans l'application considérée, la densité électronique ng est donnée par : 15 ^e = -\n 2 + p, dt e oùj^est le coefficient de recombinaison efficace et p est la vitesse de production ; il s'en suit qu'à l'équilibre, c'est-à-dire pour dne/dt = 0, oj^a : „ 1/2 20 ne où TB \ > ^ I — 1P g Ht x p TcëEj —2 P = pression du gaz (dynes.cm ); T = température du gaz (*K), 3 -1 = coefficient de recombinaison efficace (cm. s ), 25 M = poids moléculaire du gaz, iHp= masse du proton (g), k = constante de Botzmann (erg/°K) . Les valeurs approchées maximales de n pour un faisceau élec-tronique typique et une densité de courant de lmft/cm; dans un mé-30lange d'hélium, d'azote et de C02 dans les proportions 3:2ïl, sont données ci-dessous, ainsi que la période de disparitionf= ^-^n et la portée R à E = 50 KV, en prenant E^ = 50 V. 35 40 3:2:1 He:N2:C02 p ne (cm-3) R -t (torr) (cm) (p) 30 300 760 4 folO11 ÎO 12 2 X 10xz 122 12 4.8 12 4 2.4 k 71 32566 2106572 De manière à mieux faire comprendre l'invention, on va maintenant discuter le processus impliqué dans la création de la puissance laser à l'aide d'un faisceau électronique et d'une décharge d'entretien. 5 Des électrons thermoioniques venant d'un filament de tungs tène sont modulés par une grille dont le potentiel peut varier par rapport à celui du filament, et les électrons sont accélérés par un potentiel VQ. La valeur de VQ a été choisie pour optimiser l'ionisation produite dans le gaz. Pour des énergies plus élevées, 10 la feuille d'aluminium est plus transparente et un nombre plus grand d'électrons sont transmis, mais la densité d'ionisation produite est plus faible. Ainsi, on peut voir dans l'équation 2 que : £ / :x est approximativement proportionnel à 1 .LogE, 15 m E et / décroît lorsque E croît. La valeur optimale de VQ est d'environ 50 kV, et le canon à électrons est maintenu .sous un vide inférieur à 0,1 micron et séparé de la chambre du laser par une mince feuille d'aluminium de _3 20 10 cm d'épaisseur. L'aluminium a été choisi simplement à cause de sa disponibilité. La chambre du laser peut être à n'importe quelle pression,de 1 micron à environ 1 atmosphère, ou plus. Après passage à travers la feuille, le faisceau électronique entre dans la région de travail par une grille d'acier inoxydable 25 à mailles relativement larges. Cette grille constitue une cathode, et un disque recouvert d'.or constitue une anode, entre lesquels on applique une tension d'entretien V ( Le courant d'entretien est fourni par une capacité de 250 40 microfarads à des tensions allant jusqu'à 10 kV environ. L'anode 71 32566 17 2106572 ou la cathode peut être à la masse. La vitesse du gaz compris dans le milieu de travail, qui s'écoule à travers la chambre du laser perpendiculairement au faisceau électronique, peut varier jusqu'à Mach 1 environ. Dans les essais préliminaires, des vitesses d'en-5 viron .un mètre par seconde ont été employées pour assurer que le gaz n'était pas contaminé par des fuites. Le fait que le faisceau électronique est uniforme dans la région de travail et qu'il présente de faibles variations d'intensité a été vérifié en remplaçant la paroi d'anode par un 10 paroi de matière plastique recouverte de saliçylate de sodium, une substance qui devient fluorescente lorsqu'elle est excitée par des électrons énergétiques. Deux miroirs de la chambre du laser, dont l'axe est perpendiculaire à la fois à l'écoulement du gaz et au faisceau électro-15 nique, sont disposés verticalement dans l'appareil. Un des miroirs est en cuivre et est concave, tandis que l'autre est réflecteur à 98% à une longueur d'onde de 10,6 microns. Les miroirs sont espacés de 18 cm l'un de l'autre et sont portés dans urt tube dont l'orientation peut être ajustée à l'aide de vis-.. 20 Les miroirs sont alignés à l'aide de techniques normâles et la sortie du laser entre les imiroirs traverse un filtre à 10,6 microns vers un détecteur d'infrarouges à cristal de germanium, dont la sortie est connectée à un oscilloscope déclenché par le courant du faisceau électronique. Le courant d'entretien est 25 mesuré, ainsi que le signal du détecteur d'infrarouges, et le détecteur d'infrarouges est calibré à l'aide d'un calorimètre à thermocouple. On a trouvé que le gain du laser devenait suffisant pour Commencer à produire un effet de laser seulement quelque temps après que l'impulsion du faisceau électronique a atteint 30 son maximum. Ce laps de temps représente le temps nécessaire pour réaliser une inversion de population par pompage des molécules de gaz carbonique dans leur état supérieur, et est fonction de la température de la vitesse de pompage des électrons. En augmentant la tension d'entretien, et donc la température électro-35 nique dans le milieu où se produit l'effet de laser, on diminue ce laps de temps. On obtient un niveau d'ionisation utilisable avec une impulsion de durée de 20 ps. Après l'impulsion, les gaz ionisés par l'impulsion se recombinent et c'est dans cette étape de 40 recombinaison des débris que l'effet de laser se produit. Dans 71 32566 18 2106572 une autre expérience, l'effet de laser a été obtenu avec un faisceau électronique à ondes pratiquement continues( c'est-à-dire qu'on compare le temps d'ionisation aux temps d'écoulement et de refroidissement). Ainsi, la durée de l'impulsion du faisceau 5 électronique peut varier d'une durée infinie, à une durée continue ou une durée très brève, ce qui donne soit un laser à ondes vraiment continues, soit un laser à ondespratiquement continues, ou un laser à impulsions. Pour un fonctionnement à grande puissance, le milieu de travail peut être alimenté sous la forme 10 d'impulsions, et le faisceau électronique et les circuits d'si-tretien peuvent être actionnés «entre les impulsions.Un tel fonctionnement permet d'extraire pratiquement la chaleur produite, tout en donnant un milieu pratiquement homogène dans la région de travail* le** faire 15 On peut employer divers gaz et divers mélanges de gaz pour / subir l'effet de laser. Bien, qu'il soit question ici d'un mélange constitué dans la proportion dé 3:2:1 de He : N^: C02, tout gaz ou toute combinaison de gaz tel que CO, H20, S02, HCN, NO, H2 Ar, N02, N20, HP, etc..., peuvent être traités de la manière 20 exposée ci-dessus, et d'autres gaz peuvent être ajoutés si c'est nécessaire ou si on le désire. 71 32566 19 210657 2 La présente invention est applicable à pratiquement tous les mélanges de gaz pour laser, son principal avantage étant qu'elle est applicable à des mélanges de gaz convenables aux hautes pressions, et qu'elle produit une décharge dans un gaz,dimensionnable en 5 volume et qu'on peut bien déterminer, sur un grand intervalle de conditions de fonctionnement et de configurationsd'électrodes. La présente invention permet de produire une décharge stable et bien déterminée, lorsque les constituants du mélange de gaz et la température électronique Tg sont choisis de telle sorte que la vitesse 10 d'un ou de plusieurs désdifférents procédés de recombinaison possibles (recombinaison atomique, recombinaison moléculaire, agglutination, etc...} dépasse la vitesse d'ionisation. Lorsqu'elle est établie, la décharge ne s'entretient pas elle-même, c'est-à-dire qu'elle ne se continue pas sans que le moyen d'ionisation soit 15 actionné, et c'est cette caractéristique qui permet au moyen d'ionisation de régler les caractéristiques de la décharge. Si on définit (T ) comme la condition pour laquelle la vitesse d'ioni-6 max sation est égale à la vitesse de recombinaison dans un mélange donné de gaz, on crée un laser viable en produisant une inversion 20 par excitation électronique (et, ou bien, par désactivatiôn cinétique appropriée des états du gaz liés à la transition laser) à une température électronique quelconque, soit Tq, telle que Tg ^Te^mâx* Un exemPle spécifique est le mélange du- laser à N2~C02. L'ionisation devient importante lasque est de l'ordre de 1,5 eV 25 ou au-dessus. Cependant, on peut faire qu'une nette excitation préférentielle (produisant une inversion) ait lieu pour des températures électroniques inférieures à 1,5 eV, à la fois pour N2 et C02• La technique antérieure indique qu'une grande variété d'atomes et de molécules peuvent être excités électroniquement par une 30 décharge. On peut s'attendre à ce que tout milieu laser dans lequel une inversion de population peut être produite par excitation électronique directe ou par excitation via un milieu auxiliaire (comme dans le système No-C00) à T ■ .(T ) se voit appliquer le & & @6 max concept "ionisation-entretien", et en particulier le concept 35 "ionisation-entretien" par un faisceau électronique. De plus, on peut s'attendre à ce que le présent concept "ionisation-entretien" soit applicable à l'utilisation d'un mélange gazeux contenant un gaz qui a une vitesse d'agglutination nette élevée (produisant une recombinaison efficace) à des températures 40 électroniques élevées comme, par exemple,dans l'oxygène pour des 71 32566 20 2106572 valeurs de Tg jusqu'à environ 3 eV. On peut s'attendre à ce que l'utilisation d'un tel mélange de gaz permette le fonctionnement à des températures électroniques plus élevées que les températures habituelles auxquelles une ionisation notable de l'un des constituants du mélange laser a lieu. Ceci donne lieu à des transitions laser acceptables qui, autrement,ne seraient pas stables (laser à azote à ondes continues). TABLEAU 1 10 15 20 25 30 35 40 Longueur d'onde en sortie Sortie de couplage Puissance maximale puisée en sortie Durée de l'impulsion du faisceau électronique Durée de l'impulsion d'entretien Durée de l'impulsion du laser Gaz Pression du gaz Vitesse d'entrée Dimension de la cavité du laser Electrodes Dimension de la chambre de décharge du laser Alimentation électrique en haute tension du circuit du faisceau électronique Capacité d'emmagasinement de 1'énergie Circuit de chauffage du filament Alimentation électrique d'entretien 10,6 microns 1% 3 watts '• 100 ps 34% N2, 50% He 30 torrs lm/s, quasistatique Diamètre : 2,54 cm Longueur : 18 cm Cathode faite d'une grille réticulée en acier inoxydable Longueur de la grille : 10 cm Largeur de la grille : 5 cm Profondeur de la chambre 5 cm 150 kV à 5 mA 5 microfarads Rapport de transformation du transformateur d'isolation 11:1 50 kV à 5 mA 250 microfarads. Capacité d'entretien En gros, comme on peut maintenant le voir, le faisceau électronique crée la densité électronique voulue uniformément 44 seulement à l'aide d'une petite quantité d'énergie, tandis que 71 32566 ^ 2106572 la décharge d'entretien fournit une tension pour donner à ces électrons la température suffisamment élevée voulue pour l'effet de laser par exemple, mais pas suffisamment élevée pour créer une augmentation appréciable de la densité électronique. La 5 décharge d'entretien dépose la plus grande quantité de l'énergie dans le gaz, directement à l'endroit où on le désire. Dans le cas d'un laser Nj-COj# l'énergie est utilisée à créer l'état laser supérieur de CC>2 et la vibration de l'azote, la température électronique optimale assurant le rendement optimal du laser. 10 Une fois créé par le faisceau électronique un nuage uniforme électron-ion, le nuage reste uniforme pendant la durée d'existence du champ électrique fourni par la tension d'entretien, aussi longtemps que la tension d'entretien n'entraîne pas une création rapide d'électrons. Si le niveau de la tension ou 15 du champ d'entretien est élevé jusqu'à un point où se produit une rapide Ionisation, alors des non-uniformités peuvent se créer dans la décharge. Cependant, si on fournit un champ d'entretien choisi pour créer une quantité négligeable d'électrons, on obtient de conserver une décharge stable, 20 uniforme et bien déterminée pendant plusieurs temps d'écoulement à travers la région de travail. Comme il sera maintenant évident, la présente invention permet de fournir dans un laser à écoulement de gaz une décharge spécialement uniforme ayant la température électronique 25 optimale nécessaire pour faire fonctionner efficacement le laser à des niveaux de pression et dans des dimensions physiques arbitraires. Tandis que l'invention ne s'y limite pas, ceci peut être obtenu par l'utilisation du procédé en deux phases ci-dessus mentionné qui comprend, de préférence, en premier lieu un 30 faisceau électronique qui crée dans le gaz une densité électronique ou une ionisation (de préférence uniforme) à distribution spatiale prédéterminée ne donnant pas lieu à la formation de rais, qui, d'ordinaire, si on laissait faire, disparaîtrait par des processus volumétriques, et, ou bien, par écoulement 35 hors du canal, et ne permettrait pas de produire un effet de laser efficace à haute puissance. On prévoit une seconde phase, ou décharge d'entretien, qui donne aux électrons secondaires produits par la première phase la température électronique pour une excitation optimale du laser (ou d'une autre application), 40 ceci sans augmentation de la densité des électrons secondaires 71 32566 22 2106572 par ionisation auto-régénératrice. On comprendra que l'appareil ne se limite pas à la combinaison des moyens précisément montrés et décrits, et que, par exemple, d'autres moyens de création de la densité électronique initiale 5 peuvent être employés, comme un rayonnement ultraviolet, une décharge électrique, des photons, etc..., fournis par les moyens créateurs de faisceaux électroniques pour introduire un ou plusieurs faisceaux électroniques produisant l'ionisation du milieu gazeux comme et pour les applications indiquées ci-dessus. Que les 10 électrons soient créés de la manière décrite ci-dessus ou d'une autre manière convenable, ils doivent être portés à la température électronique correcte par le rapport E/N appliqué par la décharge d'entretien. Une allusion a été faite précédemment au fait que la présente 15 invention pouvait être utilisée pour produire ou faciliter la mise en oeuvre de procédés chimiques comme, par exemple, la création d'ozone. Jusqu'ici, pour les applications industrielles, l'ozone a été principalement produit par utilisation de la décharge bien 20 connue de Townsend,ou décharge silencieuse. Récemment,un second procédé fondé sur l'utilisation d'une décharge luminescente à haute pression ou en couronne a commencé d'être employé dans les applications commerciales. Le procédé de la décharge de Townsend est caractérisé par 25 deux traits de fonctionnement particuliers qui sont au moins quelque peu interdépendants : la nécessité d'une faible densité de courant dans la décharge et un faible rendement énergétique global. La production d'ozone nécessite de hauts niveaux de l'énergie d'activation, même pour de faibles taux de transfor-30 mation de l'ordre de une mole pour cent du milieu de travail ; ainsi, le refroidissement est primordial si l'on veut éviter un changement indésirable de la cinétique chimique par élévation de la température. Les caractéristiques ci-dessus mentionnées de faible densité de courant et de faible rendement énergétique 35 global du procédé de Townsend n'ont pas seulement pour effet des coûts de production élevés, mais limitent aussi sévèrement l'application des procédés employant la décharge de Townsend. Les détails de la formation d'ozone par une décharge de Townsend sont bien connus. Ainsi, alors que de hauts rendements 40 énergétiques de la colorîne positive ont été mesurés, il en 71 32566 23 2106572 résulte un faible rendement global du fait de l'importante chute de potentiel se produisant aux électrodes. Alors que la couche diélectrique employée pour stabiliser la décharge est principalement responsable de la chute de tension aux électrodes mentionnée 5 ci-dessus, sans la stabilisation produite par cette couche diélectrique, la décharge de Townsend ne fonctionne pas de manière satisfaisante comme procédé industriel. Le procédé de la décharge luminescente n'est pas soumis aux deux désavantages de base de la décharge de Townsend de 10 faible densité de courant et de chute de tension importante à la cathode. Dans le procédé par décharge luminescente, la densité de courant est de deux ou trois ordres de grandeur plus élevée environ que celle de la décharge de Townsend, et la chute de tension à la cathode eât généralement inférieure à environ 15 1 OOO V. Cependant, si on compare à la décharge de Townsend, le rendement énergétique de la colonne positive du procédé par décharge luminescente est notablement plus faible. Les procédés par décharge luminescente sont généralement mis en oeuvre à basse pression et avec les parois refroidies à 20 la température de l'air liquide. D'un autre côté, la décharge sous pression élevée, ou décharge en couronne, est soumise à des conditions de stabilité plus limitées que la décharge luminescente à basse pression. De plus, sauf pour la décharge sans électrodes à haute fréquence, la géométrie des électrodes 25 est généralement un facteur critique dans l'obtention de la stabilisation d'une décharge en couronne. Du fait de la nécessité de la stabilisation par une couche diélectrique ou par une géométrie spécifique des électrodes, les procédés décrits ci-dessus sont essentiellement des procédés 30 de surface. Dans de tels procédés, la cinétique du volume actif du milieu de travail n'est pas homogène, et des conditions optimales ou presque optimales ne peuvent être uniformément établies. On pense que le problème de base des procédés décrits ci-dessus relève du fait du couplage serré entre l'émission des 35 électrons par les électrodes et le champ électrique dans le volume actif. Où de tels couplages existent, il est difficile de maintenir une décharge stationnaire et uniforme sans formation d'arcs. L'ozone peut être plus facilement et plus efficacement 40 produit que précédemment par utilisation d'une source indépendante 71 32566 24 2106572 d'électrons sous la forme d'un faisceau électronique ou, autrement d'impuisionsbrèveset répétéesde faisceaux électroniques se superposant à un champ électrique d'entretien comme et pour les applications décrites ci-dessus. Des conditions optimales pour 5 la formation de l'ozone peuvent être fournies sans, par exemple, de sévères conditions sur la stabilisation- comme le nécessite une décharge de Townsend, ou de sévères conditions sur la géométrie des électrodes comme dans le cas d'une décharge en couronne. La production d'ozone à l'aide d'une décharge bien 10 déterminée produite selon la présente invention est un procédé vraiment volumétrique ; ainsi, pour les applications à grande échelle, non seulement les problèmes de proportionnement sont plus simples qu'avec les procédés de la technique antérieure, mais la dimension globale de l'équipement peut être fortement 15 réduite. De plus, les conditions uniformes fournies dans le milieu de travail apportent une amélioration du rendement énergétique global et minimisent la dissipation de chaleur que comporte le procédé si on le compare à celui de la technique antérieure. Ainsi, l'ozone peut être produit à des concentra-20 tions plus fortes que précédemment sans nécessiter de refroidissement . L'ozone peut être produit avec un appareil qui est pratiquement comme celui qui est représenté et décrit ci-dessus, sauf que les moyens servant de miroirs et définissant la cavité optique 25 ne sont pas nécessaires. Le milieu de travail pour la production d'ozone peut être l'air, ou, de préférence, l'oxygène pur. Des électrons sont créés par le canon à électronsde la manière décrite précédemment, entrent dans la région de travail, et viennent en collision avec des molécules d'oxygène pour former des électrons 30 secondaires et des ions. La température électronique dans la région de travail doit être maintenue à un niveau qui est favorable à la production d'ozone. Dans la région de travail, des électrons sont créés par l'intermédiaire de l'ionisation par des électrons primaires et 35 secondaires, et sont perdus par agglutination aux molécules d'oxygène. Aussi bien la vitesse d'ionisation des électrons secondaires que la vitesse d'agglutination des électrons aux molécules d'oxygène sont fortement influencées par la température électronique. Puisqu'il y a un excès d'électrons par ionisation par les 40 électrons primaires, on Jpeut maintenir un courant spatialement 71 32566 25 2106572 uniforme avec une vitesse d'ionisation des électrons secondaires inférieure à la vitesse d'agglutination. Ainsi, la stabilité du processus de décharge dans la région de travail est notablement plus grande que dans les procédés de décharge classiques où l'ionisation 5 nette par des électrons secondaires est primordiale pour entretenir le processus de décharge. Si on donne aux électrons secondaires une température comprise dans l'intervalle de 2 à 3 eV environ, un fort pourcentage de la perte d'énergie en collisions élastiques sera utilisé 10 à la dissociation de l'oxygène, ce qui est essentiel à la production de l'ozone t haute concentration. L'intervalle des températures électroniques convenant à la production d'ozone est plus élevé d'un facteur 2 environ que l'intervalle nécessaire pour produire l'effet de laser. De plus, puisqu'une faible tempéra-15 ture ambiante peut être facilement produite dans la région de travail, ceci permet d'obtenir une concentration d'ozone plus élevée avec un rendement beaucoup plus grand que cela n'était possible précédemment. Une autre application de la présente invention vise la 20 création de puissance magnétohydrodynamique (MHD). De l'énergie électrique peut être extraite d'un courant de plasma conducteur de l'électricité par passage du plasma dans un champ magnétique perpendiculaire à la direction de l'écoulement. Le champ magnéti^ que crée un champ électrique perpendiculaire au champ magnétique 25 et à la direction de l'écoulement, et des électrodes convenablement construites disposées parallèlement au champ électrique permettent de recueillir l'énergie cinétique du plasma sous forme d'énergie électrique. Dans ce type d'application, un moyen de création de faisceaux 30 électroniques injecte des électrons dans le plasma pour maintenir le niveau voulu d'ionisation indépendamment de la température électronique. De cette manière, une décharge de plasma stable peut être utilement produite dans le plasma où l'ionisation est volumétrique et stabilisée, non par diffusion ambipolaire de paires 35 d'ions vers les parois comme dans une décharge classique, mais par équilibre entre la recombinaison des ions et la production des ions dans le faisceau électronique. On notera que les paramètres présentés ci-dessous et leur valeur numérique ne sont donnés qu'à 39 titre d'illustration. 71 32566 2106572 Conditions sur le coefficient de recombinaison - Générateur MHD 10 15 Gaz : Débit : Durée de l'écoulement : Energie extraite du plasma : Niveau d'ionisation ; Densité du gaz : Energie efficace par ionisation ; Energie nécessaire par particule pour ioniser 10 ions/cm-^ : Energie nécessaire pour maintenir l'ionisation (en supposant 100 ionisations par durée d'écoulement) : Rapport de l'énergie totale d'ionisation à l'entrée sur l'énergie totale à la sortie Hélium o ^1,5 x 10 A m/s _3 ~>10 J s -* 0,2 eV/particule 14 3 ne ~10 électrons/cm 19 •*- 3 X 10 50 eV •§ X 10-* cm -3 eV/cm '3 x 10 -2 eV/cm~ / Temps de recombinaison L = ân \i ei _ 1 dt ; oc„n 20 Condition sur le coefficient de recombinaison ■"l L{ devant; être 1/100 de la durée d'écoulement) 2 e 2 e 'ÎO ^ cm°/s Où 2 est le coefficient de recombinaison dissociât ive Des résultats expérimentaux récents (Berlande et al, Phys 25 Rev Al, 887, 1970) indiquent que dans la région de travail préférentielle, n /10 14 Tg (température électronique)-—-'3 x 10" >K, T (temperature du gaz)~1300 °K, la limite supérieure du coeffi- -9 3 cient de recombinaison efficace étant oc La densité de courant du faisceau électronique nécessaire pour maintenir un niveau d'ionisation en équilibre, n = 10"^ cm-3,est obtenue en égalisant la vitesse de production et la vitesse de recombinaison. Ainsi, o e eE^R(E) "-*• = coefficient de recombinaison efficace. approximat ivement, où, 35 I E R (E) Ei = densité du courant du faisceau électronique (A/cm ) , = énergie des électrons (V), = portée des électrons d'énergie E (cm), = 50 eV par paire d'ions, 40 e = x x 10 coulombs. 19-3 Pour E = 100 keV, et une densité N = 2,6 x 10 cm ' v O alors 71 32566 27 2106572 R (E)~90 cm dans l'hélium j = n 2 eEiR(E) e ^ o o t ^ n = 7,5 x 10" A/cm lorsque = 10~ cm /s, -, _ 14 -3 n = 10 cm e Un faisceau électronique comme celui qui est montré ci-dessus est facilement produit comme et pour les applications précédemment décrites, et un jet d'hélium, par exemple, peut être utilisé pour refroidir la feuille ou le diaphragme, le faisceau d'électrons étant injecté dans le canal MHD sous un angle convenablement choisi par rapport à la direction du champ magnétique appliqué. 71 32566 2106572 REVENDICATIONS 1. Procédé pour produire une décharge bien déterminée dans un milieu de travail gazeux, caractérisé par le fait qu'on crée un rayonnement ionisant, qu'on introduit ledit rayonnement ionisant 5 dans ledit milieu de manière à produire dans ledit milieu une distribution spatiale prédéterminée d'électrons secondaires, et qu'on règle la température électronique desdits électrons secondaires de manière à produire ladite décharge bien déterminée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait 10 qu'on délivre ledit rayonnement ionisé sous la forme d'un ou de plusieurs faisceaux d'électrons libres. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on effectue le réglage de la température électronique desdits électrons secondaires d'une manière telle qu'on évite toute 15 augmentation notable de leur densité par ionisation auto-régénératrice. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on effectue ledit réglage de la température électronique en maintenant le niveau et l'uniformité, tant de la densité que de la 20 température dudit milieu, à des valeurs inférieures à celles qui donneraient lieu à la libre formation d'un arc dans ledit milieu. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on effectue ledit réglage de la température électronique de maniè- 25 re telle que la vitesse d'ionisation produite par lesdits électrons secondaires est maintenue à un niveau inférieur à celui qui donnerait lieu à la libre formation d'un arc dans l'intervalle de la durée caractéristique de la décharge. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait 30 qu'on maintient ladite densité et ladite température auxdites valeurs pendant des intervalles de temps inférieurs à la durée caractéristique de la décharge. 7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on irradie ledit milieu de travail avec lesdits électrons 35 libres lorsqu'il traverse une cavité à un rythme propre à maintenir une température et une densité prédéterminées dans le milieu. 8. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on dispose le milieu de travail dans une cavité, lesdits 40 électrons libres étant créés dans un environnement où règne une 71 32566 29 2106572 pression inférieure à celle dudit milieu placé dans ladite cavité, et introduits dans ladite cavité au travers d'un organe imperméable aux gaz. 9. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait 5 qu'on dispose ledit milieu de travail gazeux dans une cavité dans laquelle on introduit lesdits électrons libres, ladite distribution spatiale prédéterminée d'électrons secondaires étant suffisante pour subir une inversion de population dans ledit milieu, le réglage de la température électronique desdits électrons 10 secondaires étant tel qu'il donne auxdits électrons secondaires une énergie moyenne propre à produire une inversion de population dans ledit milieu placé dans ladite cavité. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'on règle la température électronique en créant un champ 15 électrique d'entretien dans ledit milieu. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'on fait passer ledit milieu à travers ladite cavité. 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'on utilise une cavité optique pour la création de lumière 20 par une émission stimulée de rayonnement due à ladite inversion de population. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé par le fait qu'on crée séquentiellement, sous la forme d'impulsions, l'effet de laser dans le milieu,l'énergie apportée au milieu par 25 l'introduction desdits électrons libres étant inférieure à l'énergie apportée au milieu par ledit champ électrique d'entretien. 14. Appareil permettant de mettre en oeuvre le procédé de production, selon la revendication 1, d'une décharge bien déterminée dans un milieu de travail gazeux, caractérisé par le 30 fait qu'il comprend une cavité dans laquelle est disposé le milieu de travail gazeux ; un moyen pour créer un rayonnement ionisant ; un moyen pour introduire ledit rayonnement dans ladite cavité et produire dans ledit milieu une distribution spatiale prédéterminée d'électrons secondaires ; et un moyen 35 pour régler la température électronique desdits électrons secondaires de manière à produire ladite décharge bien déterminée dans ledit milieu placé dans ladite cavité. 15. Appareil selon la revendication 14, caractérisé par le fait que le moyen destiné à créer le rayonnement ionisant produit ledit 40 rayonnement sous la forme d'un ou de plusieurs faisceaux d'électrons 71 32566 3o 2106572 libres. 16. Appareil selon la revendication 14 ou 15, caractérisé par le fait que le moyen dé réglage de la température électronique est réglé de manière à empêcher toute augmentation notable de la 5 densité desdits électrons secondaires par ionisation auto-régénératrice. 17. Appareil selon la revendication 15, caractérisé par le fait que des moyens sont prévus pour maintenir le niveau et l'uniformité, tant de la densité que de la température dudit 10 milieu, à des valeurs inférieures à celles qui donneraient lieu à la libre formation d'un arc dans ledit milieu. 18. Appareil selon la revendication 17, caractérisé par le fait que le moyen destiné à introduire le rayonnement comporte des moyens supplémentaires pour maintenir la vitesse d'ionisation 15 produite par lesdits électrons secondaires à un niveau inférieur à celui qui donnerait lieu à la libre formation d'un arc dans l'intervalle de la durée caractéristique de la décharge. 19. Appareil selon la revendication 14 ou 15, caractérisé par ; le fait qiie la pression qui règne dans ledit moyen destiné à 20 créer le rayonnement ionisant est inférieure à celle qui règne dans ladite cavité, un organe imperméable aux gaz étant prévu, qui sépare ladite cavité de ce moyen et par lequel lesdits électrons libres entrent dans ladite cavité. 20. Appareil selon l'une des revendications 14 à 19, caractérisé 25 par le fait que le moyen de réglage de la température électronique crée un champ électrique d'entretien dans ladite cavité. 21. Appareil selon la revendication 20, caractérisé par le fait que ladite cavité comporte une entrée de gaz et une sortie de gaz, ledit moyen de réglage de la température électronique 30 comportant un moyen servant d'électrodes, disposé entre ladite entrée de gaz et ladite sortie de gaz, pour produire ledit champ électrique d'entretien dans ladite cavité. 22. Appareil selon la revendication 19, caractérisé par le fait que ledit organe est un diaphragme. 35 23. Appareil selon la revendication 15, caractérisé par le fait que le moyen destiné à introduire le rayonnement dirige lesdits électrons libres dans ledit milieu de manière pratiquement uniforme sur au moins une partie importante du volume de ladite cavité. 24. Appareil selon la revendication 14, caractérisé par le fait 40 que le moyen de réglage de la température électronique comporte 71 32566 31 2106572 un organe en forme de plaque perforée et un diaphragme mince recouvrant ledit organe en forme de plaque et porté par lui, ledit diaphragme étant disposé entre ledit organe en forme de plaque et ledit milieu. 5 25. Appareil selon la revendication 14, caractérisé par le fait que ledit milieu possède un état laser supérieur et un état laser inférieur, les moyens de création et d'introduction créant dans ledit milieu une densité d'électrons secondaires suffisante pour subir une inversion de population, le moyen de réglage augmen-10 tant l'énergie moyenne desdits électrons secondaires jusqu'à un niveau propre à produire une inversion de population dans ledit milieu placé dans ladite cavité. 26. Appareil selon la revendication 25, caractérisé par le.' fait que des moyens sont prévus pour faire passer ledit milieu 15 à travers la cavité sous forme d'impulsions ; et que ces moyens sont prévus pour actionner lesdits moyens de création, d'introduction et de réglage entre lesdites impulsions, de manière à produire ladite inversion de population entre lesdites impulsions. 27. Appareil selon la revendication 25, caractérisé par le fait 20 que ledit milieu est envoyé en continu à travers ladite cavité. 28. Appareil selon la revendication 25, caractérisé par le fait que des moyens d'alimentation en gaz sont prévus pour produire un écoulement du milieu gazeux dans ladite cavité à une vitesse et une pression prédéterminées, ladite cavité ayant un volume tel 25 que l'entretien d'une décharge bien déterminée dans celle-ci par diffusion sur les parois n'est pratiquement pas possible.