Brevet FR2114011A1 — publié le 19720630

La présente invention concerne les lasers chimiques et plus particulièrement un procédé pour commander une réaction de laser chimique puisé au moyen d'une réaction explosive. Les lasers chimiques produisent de l'énergie sous la forme 5 de faisceaux de laser à partir de l'énergie d'une réaction chimique. Au.moins de façon potentielle, les lasers chimiques apparaissent comme ayant la capacité de convertir des quantités importantes d'énergie en énergie de laser plus efficacement que n'importe quel autre type de laser. Ils sont par suite un K moyen désirable pour obtenir des impulsions puissantes d'énergie de laser. 10 Certaines réactions de lasers chimiques bien connues sont des réactions d'échange du type A + BC > AB* + C 15 dans lesquelles A, B et C sont des atomes. Pour que la réaction à effet laser ait lieu avec le meilleur rendement, il est essentiel que des quantités importantes de A atomique soient produites dans le récipient de réaction en un temps très court, c'est-à-dire environ 50 nanosecondes. De plus, il est hau- £ tement désirable que la quantité de molécules AB subissant la transition à 20 effet laser soit aussi faible que possible avant que des quantités importantes de A soient rendues disponibles afin que l'auto-absorption de la transition à effet laser AB soit minimisée. Une énergie d'entrée d'une forme convenable est nécessaire pour produire des quantités importantes d'espèces A atomiques, soit à partir 25 de sa propre molécule, par exemple Asoit à partir d'un précurseur moléculaire NA^. Cette énergie entrante peut être sous la forme d'énergie lumineuse, d'énergie électrique, d'énergie chimique ou d'une combinaison de ces énergies. Dans tous les lasers chimiques décrits jusqu'ici, cette énergie entrante est, soit de l'énergie lumineuse, soit de l'énergie électrique. Comme du point de 30 vue pratique, l'énergie lumineuse est à peu près toujours produite par des systèmes électriques, ces lasers sont sous la dépendance d'une énergie entrante électrique substantielle pour démarrer et pour entraîner la production dans un intervalle court de quantités importantes des espèces atomiques nécessaires pour entrer dans la relation requise pour former des molécules produisant 35 l'effet laser. Ils nécessitent par suite, soit une accumulation substantielle d'énergie électrique, soit la possibilité d'engendrer des quantités substantielles d'énergie électrique. Cependant, différentes utilisations,projetées 7141015 2 2114011 pour les lasers chimiques, montrent qu'il est désirable de disposer d'un dispositif simple, léger et important ne demandant qu'un minimum d'énergie électrique de déclenchement par unité de volume du laser. Il a été trouvé conformément à l'invention que cette 5 énergie d'entraînement peut être fournie essentiellement par une explosion chimique très rapide ne formant pas comme produit de réaction de molécules à effet laser. Il suffit d'une quantité très faible d'énergie lumineuse pour démarrer cette explosion chimique. Bien qu'un certain nombre de réactions chimiques produisant un effet laser soient explosives par nature, il est in-10 désirable, pour des raisons expliquées ci-après, que le systeme explosif d'entraînement soit la même réaction que celle produisant la molécule à effet laser. L'invention a par suite pour objet un procédé permettant la production d'impulsions puissantes de laser dans un laser chimique avec un 15 signal entrant d'une énergie électrique lumineuse minimale. L'invention a aussi pour objet un procédé par lequel une réaction explosive très rapide n'engendre pas de molécule à effet laser comme produit de réaction pour démarrer et pour produire des impulsions puissantes de laser dans un laser chimique, avec un signal ■entraitd'énergie minimale électrique ou lumineuse. L'invention a aussi pour 20 objet un procédé suivant lequel une réaction explosive très rapide est utilisée pour engendrer des quantités importantes d'atomes de fluor réagissant à leur tour avec de l'hydrogène moléculaire pour produire une impulsion puissante de laser dans un laser chimique à HF. L'invention a aussi pour objet un laser chimique à HF puisé commandé par une réaction explosive. 25 Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé sur lequel : - la figure 1 représente graphiquement des courbes de la température en fonction du temps dans des lasers chimiques à HF commandés par 30 de la lumière et par explosion, et - la figure 2 représente schématiquement un laser chimique à commande par explosion selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. Le laser chimique à HF est un système d'avenir pour la production d'impulsions puissantes de laser. Il est considéré d'une façon 35 générale que le système chimique"peut être formé de H^ et de F^ ou d'un précurseur contenant du fluor désigné par la formule générale NFx. De façon optimale, pour obtenir un système laser à HF pouvant produire une impulsion 7141015 3 2114011 puissante, un minimum d'énergie de l'extérieur doit être fournie au système chimique pour produire l'impulsion, c'est-à-dire que,pratiquement,toute l'énergie de commande doit résulter de l'énergie chimique emmagasinée dans le système chimique. Cela nécessite à son tour qu'une fraction raisonnable 5 de l'énergie chimique emmagasinée soit disponible pour assurer le gain du laser. Pour que l'énergie d'entraînement soit efficace, elle doit produire de nombreux centres de réaction dans un temps court. Dans le cas le plus avantageux, pratiquement toute l'énergie d'entraînement passe dans la dissociation du fluor moléculaire pour produire des atomes de fluor pouvant ensuite 10 entrer dans les réactions en chaîne en provoquant ainsi l'épuisement des éléments chimiques présents. Si ces réactions en chaîne ont lieu très rapidement, il est possible d'obtenir facilement .une impulsion de laser intense. dissociation d'une liaison du fluor sur mille. Bien entendu, cela dépend du 15 type de liaison considéré. Cependant,il est raisonnable de supposer que l'énergie moyenne de liaison dans un composé NFx typique, dans lequel N est n'importe quel atome non métallique, est de 65 kcal/mole. Par suite, l'énergie d'entraînement E nécessaire par litre à la pression atmosphérique est 25 II est évident que toute l'énergie d'entraînement disponible théoriquement pour la dissociation des liaisons du fluor ne peut pas être utilisée dans ce but. Si le rendement du processus d'entraînement est de l'ordre de 1%, comme c'est le cas pour les lampes éclairs, l'énergie nécessaire pour la dissociation d'une liaison du fluor sur mille est de 1,21 kJ par litre. Les décharges 30 électriques ont probablement un rendement d'un ordre de grandeur supérieur dans ce but, mais elles ont une homogénéité très faible dans la plage des pressions considérées pour les lasers chimiques. Il sera d'abord considéré l'énergie nécessaire pour la 20 = 29 = 12 1 — ' l ' Z La réaction a lieu en trois étages. 35 F2 > 2F F + H2 > HF + H H + F2 > HF + F (déclenchement) (propagation) (propagation) (1) (2) (3) 7141015 4 2114011 Si une lampe éclair connue rapide est utilisée pour démarrer et pour entraîner la réaction, il en résulte une courbe de température approchant de la courbe 1 de la figure 1,du moment qu'elle peut fournir une énergie atteignant 12 j/litre de la façon considérée ci-dessus. Jusqu'au point 5 A, l'augmentation de la température est dominée par l'énergie d'entraînement, bien que les atomes F,quand ils sont formés,produisent des molécules de HF qui, ou bien subissent des transitions de laser faibles, ou bien sont désactivés par collisions en peu de dixièmes de microseconde à des pressions raisonnables. Autour du point A, l'augmentation de la température et la vitesse de réaction 10 sont dominées par la réaction elle-même et elles continuent de façon raide jusqu'à l'épuisement des réactifs (point B). Il est évident qu'un événement d'entraînement très énergétique et rapide est désirable pour éviter un accroissement lent. La température finale atteinte dépend de la nature exacte du mélange gazeux initial, de sa composition chimique, de ses diluants, de sa 15 vitesse de réaction, etc. Des exemples de systèmes dont les températures suivent des courbes similaires à la courbe 1 sont les systèmes BrF,. + ^ et CIF^ + entraînés par le meilleur appareil à lampe éclair disponible. Il est connu que ces systèmes produisent l'effet laser. Si la lampe éclair pouvait être 20 réalisée pour travailler à un ordre de grandeur plus vite, cela donnerait une courbe telle que la courbe 2 de la figure 1 sur laquelle A' est aussi le point auquel la réaction chimique elle-même commence à prédominer. Cette courbe est bien meilleure (parce qu'elle évite la formation de HF froid dans la région hachurée de la figure 1) mais elle n'est pas encore aussi bonne que la courbe 3. 25 La courbe 3 de la figure 1 représente 1'entraînementexplo sif d'un laser à HF selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. Le point A" est le point auquel les réactions chimiques prédominent. Il est désirable, bien que non essentiel, que la source de fluor soit une source de fluor transparent à l'émission optique démarrant une détonation dans l'explosif d'entraî-30 nement. L'explosif d'entraînement est un explosif gazeux à chaîne ramifiée ne produisant pas de HF, par exemple du CIN^. Une lampe éclair au xénon démarre facilement une détonation dans le CIN^. Le nombre de centres de réaction dans cet explosif est estimé se multiplier très rapidement, de sorte que la courbe 3 monte d'une façon plus raide que la courbe 1 et que la courbe 2, bien qu'il 35 ne se forme pas d'atomes F et, par suite, qu'il ne se forme pas de HF jusqu'à ce qu'une région P soit atteinte à environ 1800°K. La vitesse de développement d'énergie par le ClN^ est très grande dans cette région et il suffit de quelques 7141015 5 2114011 nanosecondes pour la dissociation du fluor, le point R étant alors atteint. En raison de la chaîne ramifiée, la forme de la courbe dans la région P-R n'est pas recommandée uniquement suivant la force ou la vitesse à laquelle l'énergie de déclenchement est fournie. Cela réduit considérablement les 5 besoins physiques pour le dispositif d'entraînement et en principe permet de démarrer et d'entraîner une quantité très importante de gaz de laser prémélangé par l'allumage d'une petite lampe éclair, l'ouverture d'une vanne ou l'ouverture d'un obturateur. Il est apparent d'après toutes les courbes de la figure 1 10 qu'il est extrêmement désirable de fournir rapidement suffisamment d'énergie au mélange de réaction pour que le fluor atomique nécessaire pour la réaction de laser soit essentiellement engendré quantitativement dans le temps le plus court possible. Si du HF est formé comme produit de réaction de l'explosion d'entraînement pendant le démarrage précoce de la réaction explosive, il peut 15 être désactivé par collisions, peut rayonner spontanément ou peut subir une transition faible de laser jusqu'à l'état fondamental. Dans tous ces cas, le HF atteindra l'état fondamental d'énergie très rapidement, et il deviendra lui-même un absorbeur des radiations de laser (c'est-à-dire de photons) ou un désactivateur par collisions des niveaux supérieurs du HF pendant le temps 20 où l'impulsion de très grande énergie est supposée être produite. Pour ces raisons, il est indésirable que la molécule ayant une transition de laser soit un produit de la réaction explosive fournissant l'énergie d'entraînement. Avec l'entraînement par explosion, la seule restriction pour le composé NFx est que celui-ci ait une énergie de dissociation suffisam-25 ment différente de celle du véhicule combustible H^C pour qu'il se dissipe avant le véhicule combustible (C étant n'importe quel atome formant un composé gazeux avec l'hydrogène et H^C pouvant représenter HCl, HBr, H^S, H^N, etc.). Cette limitation étant respectée, NFx est dissocié en donnant des atomes F, tandis que la liaison HC plus forte persiste. Ces dissociations ont lieu par 30 étapes et si la différence des énergies de dissociation est supérieure à 10 kcal/mole, H C reste présent et il est soumis à l'attaque par les atomes F dès qu'ils se forment. Comme NFx est dissocié quantitativement à des températures supérieures à 1800°K ou à peu près, tous les atomes F sont disponibles pour la réaction sans qu'il soit nécessaire de compter sur des réactions en 35 chaîne dans les conditions chimiques de formation du HF. Cela permet l'utilisation complète des réactions très efficaces, telles que F + HBr .) HF + Br 7141015 6 2114011 L'entraînement explosif est très utile dans des systèmes tels qu'un laser à réaction H2 + Cl2 >2HC1 dans lesquels la réaction (5) des réactions se propageant donne un produit à l'état fondamental. 5 Cl2 > 2C1 (déclenchement) A H = +58,8 kcal/mole (4) Cl + H2 > HCl + H A H = + 1 kcal/mole (5) H + Cl2 i—> HCl + Cl ÛH = -44,2 kcal/mole (6) Tous les pompages à effet laser de ce système doivent 10 provenir de la réaction (6) ayant une énergie suffisamment en excédent pour peupler les niveaux supérieurs à effet laser de la molécule de HCl. Il est facile de voir qu'au moins la moitié des molécules de HCl est refroidie et se précipite dans l'absorption d'énergie de laser et dans la désactivation par collisions, des molécules à l'état supérieur. L'entraînement thermique évite 15 ces problèmes d'après le processus suivant NCl^ > N + xCl (dissociation thermique) (7) Cl + HBr >HCl + Br (réaction de laser) (8) 20 II est connu que la réaction (8) est efficace et qu'une bonne puissance de laser peut être obtenue. Une lampe éclair au xénon a été utilisée pendant les essais pour démarrer l'explosion de CIN^ + NF^ + H2 et de ClN^ + SFg + H2. Il est connu que les composés NF0 et SF ont très peu d'absorption optique dans J O 25 la région spectrale des lampes éclairs au xénon, et en fait la réaction des mélanges binaires NF^ + H2 et SF^ + H2 ne peut pas être provoquée par démarrage par la lampe éclair. Cependant, par addition à ces mélanges de 12 à 25 moles pour cent de CIN^, une impulsion fine de laser est émise quand ce mélange est exposé à l'éclair de la lampe au xénon. 30 La figure 2 représente schématiquement un système de laser chimique entraîné par explosion selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. Un tube de laser en quartz de 124 cm de long et 21 mm de diamètre 4 est muni de fenêtres de chlorure de sodium 5 et 5' à angles de Brewster. Le tube de laser 4 est placé à mi-distance entre deux miroirs à surfaces en or à réflexion 35 totale 6 d'un rayon de courbure-de 10 mètres espacés de 202 centimètres. Une partie du flux de laser est réfléchie hors de la cavité par des fenêtres à angles de Brewster légèrement en faux alignement 5,5' permettant deux faisceaux convenables pour le contrôle de l'oscillation du laser. 7141015 7 2114011 La radiation 7 réfléchie à partir de la fenêtre 5' est focalisée par un miroir sphérique sur un détecteur à Au:Ge 8. La réflexion 9 de l'autre fenêtre est focalisée sur les fentes d'entrée d'un monochromateur 10 de 0,5 mètre comportant un réseau à raies de 9 microns. Les transitions 5 rotation-vibration du HF ont été observées au troisième ordre en utilisant un détecteur 11 positionné aux fentes de sortie du monochromateur. Une lampe éclair au xénon 12 de 76 centimètres avec une alimentation standard en courant 13 est placée contre le tube du laser pour démarrer l'explosion du ClN^. Le ClN^ est engendré par acidification d'une solution 10 aqueuse contenant des quantités équimolaires de NaOCl et de NaN^ dans un récipient générateur d'explosif 14. Le CIN^ gazeux est introduit dans le système de manipulation des gaz 15 dans lequel il est mélangé avec un mélange NFj + H2 ou SFg + ^ avec les rapports désirés. Ces mélanges sont ensuite transférés au tube de laser 4 et la détonation du ClN^ est démarrée par la 15 lampe au xénon 12. Pendant les essais, la détonation du mélange ClN^ + NF^ + ^ a été provoquée pour différents rapports molaires lClN^/lNF^/ô^, ÎCIN^^NF^/S^j 2ClNg/2NF2/4H2 et SClN^/lNF^M^. Les résultats les plus satisfaisants ont été obtenus avec les rapports 2/2/4 sous des pressions comprises entre 12 et 20 24 torrs. Les transitions d'émission laser observées dans ces conditions sont donhées par le tableau I ci-dessous. La détonation du mélange CIN^ + SF^ + H^ a 24 moles pour cent de ClN , 19 moles pour cent de SF, et 57 moles pour cent de H a aussi J o L été obtenue avec succès sous une pression totale de 20 torrs. Un problème 25 important avec le système SF^ est que la réaction dépose abondamment du soufre dans le tube de laser, ce qui nécessite un nettoyage du tube entre les fonctionnements . Le spectre d'absorption du CIN^ dans l'ultraviolet proche chevauche avec le spectre d'émission de la lampe éclair au xénon, de sorte 30 qu'une réaction hautement exothermique C1N3 + hi) \ 1/2C1 + 3/2N2 AH = -93,2 kcal/mole est provoquée, ce qui produit des températures de plusieurs milliers de 35 degrés Kelvin. Pendant l'explosion des mélanges tertiaires, le NF^ ou le SFg est pratiquement dissocié avec formation d'atomes F permettant à la réaction 7141015 8 2114011 F + h2 > HF + H AH = -31,6 kcal/mole (E^ = 1,7 kcal/mole) de peupler les niveaux vlbrationnels O, 1, 2 et 3 du HF (voir tableau II ci-dessous), TABLEAU I Raies du laser HF observées dans un mélange à rapport molaire 2C1N3/2NF3/4H2 2 >1 ^ > 2 4 >3 P3(5) P4(5) 10 P (6) P^(6) P.(6) P2(7) P3(7) P2(8) P3(8) f2(» 15 TABLEAU II Enerbie nécessaire pour peupler les états excités yibrationnellement Transition Origine de la bande Origine de la bande vibrationnelle -en cm-l en kcal/mole 20 0 > 1 3961,6 11,3 0 >2 7751,0 22,2 0 >3 11373,0 32,5 0 >4 14831,9 42,4 25 II ressort de ce qui précède que l'invention concerne un laser chimique puisé dans lequel de l'énergie chimique est convertie en énergie de laser avec un minimum d'énergie entrante fournie de l'extérieur du système de laser. Il est évident aussi que des lasers chimiques puisés entraînés par explosion du type décrit ci-dessus peuvent être réalisés avec des dimensions 30 plus importantes pour produire des impulsions très intenses d'énergie de laser avec un minimum d'équipements auxiliaires emmagasineurs d'énergie ou générateurs d'énergie parce que l'énergie pour l'entraînement est fournie par l'énergie chimique emmagasinée dans le système. Enfin, il est facile de voir que les lasers chimiques puisés entraînés par explosion ne sont pas limités à ceux 35 décrits ci-dessus à titre d'exemples, et qu'ils peuvent comporter n'importe quel système chimique dans lequel la réaction explosive produit une courbe temps-température similaire à la courbe 3 de la figure 2 et dans lequel les 7141015 9 2114011 énergies de dissociation sont suffisamment différentes pour permettre la formation de quantités importantes d'une espèce atomique pour l'utilisation dans une réaction de transition de laser sans dissociation simultanée des espèces moléculaires prenant part à la réaction à effet laser. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 7141015 10 2114011 REVENDICATIONS 1. Procédé pour produire une impulsion intense de laser par 5 des réactions du type NF^-^ N + xF et F + BC BF* + C dans lesquelles N, F, B et C sont des atomes, N étant non métallique et F étant du fluor, caractérisé par la dissociation sélective et pratiquement complète du NF^ dans un mélange gazeux contenant NF^, BC et une chaîne ramifiée explosive par déclenchement d'une réaction explosive rapide dans cet explosif, cet 10 explosif ne produisant pas de BF comme produit de réaction et le mélange gazeux étant dans une cavité optique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que N est choisi dans le groupe constitué par le soufre et l'azote et BC est choisi dans le groupe constitué par HCl, HBr, ^S et H^N. 15 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que NF est du SF, et BC est du H„. x 6 2 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que NF est du NF0 et BC est du H_. x 3 2 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que 20 le mélange gazeux est un mélange à 24 moles pour cent de ClN^j 19 moles pour cent de SFg et 57 moles pour cent de H2. 6. Procédé selon la revendication caractérisé en ce que l'explosif est du ClN^ et cet explosif forme 12 à 25 moles pour cent du mélange gazeux. 25 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le mélange gazeux contient 25 moles pour cent de ClN^, 25 moles pour cent de NF^ et 50 moles pour cent de et la pression du mélange gazeux est comprise entre 12 et 24 torrs. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que NF^ 30 et BF sont essentiellement transparents aux radiations optiques dans une plage spectrale démarrant une réaction explosive rapide dans l'explosif à chaîne ramifiée. 9. Laser chimique puisé entraîné de façon explosive, caractérisé en ce que les réactions du type Nax—* N + xA et A + BC—>AB* + C dans lesquelles 35 N, A, B et C sont des atomes, sont commandées par une réaction explosive très rapide ne produisant pas la molécule AB* à transitions de laser et provoque une réaction à effet laser produisant des quantités importantes d'espèces atomiques A pour l'établissement de la réaction à effet laser.