Brevet FR2298207A1 — publié le 19760813

L'invention est relative à un laser chimique; et elle concerne, plus particulièrement, une pompe pour laser chimique permettant d'éliminer rapidement des gaz d'échappement à partir de la cavité du laser. La portée de l'invention s'étend également à un procédé pour faire fonctionner un laser chimique équipé d'une telle pompe. Des lasers chimiques impliquent typiquement une réaction telle qu'une réaction d'hydrogène et/ou de deutérium avec du fluor, du chlore, du brome ou de l'iode en présence de gaz diluants tels que N2, He, etc., pour produire des halogénures d'hydrogène et de deutérium. L'effet laser intervient sous des pressions inférieures ou au plus égales à environ 15 torrs en utilisant des halogénures tels que des molécules de HF et/w DF dans les états vibrationnels excités. Un abaissement, jus qutà un niveau fondamental, de ces molécules de HF et DF excitées engendre un effet laser avec un spectre de sortie variant d'environ 3,6 à 4,0 microns ou DF et de 2,6 à 2,9 microns pour HF. Non seulement des exigences d'inversion de populations doivent être satisfaites, mais des exigences de haute température et de basse pression souvent aussi etre maintenues pour permettre l'entretien d'une émission laser. Additionnellement, des gaz d'échappement dans l'état du niveau fondamental doivent etre éliminés très rapidement hors de la cavité de laser, faute de quoi ils "éteindraient" l'émission laser. Ces gaz d'échappement sont à des températures aussi élevées que 3000'K. Il est facile de sue rendre compte du fait qu'à de basses altitudes il est impossible de décharger naturellement ces gaz sous basse pression dans l'atmosphère. Par conséquent, la pratique habituelle consiste à pomper les gaz d'échappement, conjointement avec les gaz transporteurs tels que l'azote ou l'hélium, å partir de la cavité du laser afin de les refouler jusque dans l'atmosphère. On parvient à satisfaire les exigences d'un tel pompage en utilisant un éjecteur mécanique de grande capacité, ou de puissantes turbopompes mécaniques; toutefois, ce mode de fonctionnement soulève plusieurs difficultés. Tout d'abord, le refoulement par pompage d'halogénures d'hydrogène et de deutérium jusque dans l'atmosphère pose un problème de pollution.Le poids considérable des pompes peut aussi interdire l'utilisation d'un laser chimique dans un véhicule aérien tel qu'un avion, où le poids est important. L'invention a notamment pour but: -de réaliser un laser chimique équipé d'une pompe adéquate pour éliminer des gaz d'échappement de haute énergie et sous basse pression à partir de la cavité du laser; -de réaliser un procédé pour éliminer des gaz d'échappement à partir de la cavité du laser d'un laser chimique sans qu'il soit nécessaire de décharger ces gaz dans l'atmosphère environnante; -de mettre à la disposition de la technique une pompe pour un laser chimique, cette pompe étant plus légère et plus petite que les pompes mécaniques classiques de grande capacité; -de réaliser une pompe pour un laser chimique, cette pompe ne comportant pas de pièces mobiles et permettant de contenir complètement dans une enceinte les gaz d'échappement provenant de la cavité du laser. D'autres buts, particularités et avantages de l'invention apparaftront à la lecture du complément de description qui suit et à l'examen des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins concernent différents modes de réalisation de l'invention choisis à titre d'exemples non limitatifs et sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication. Les fig.1 à 5, de ces dessins, sont des graphiques montrant la relation établie entre l'absorption de gaz et la vitesse * pompage ou d'élimination de gaz. La fig.6 représente, en coupe longitudinale axiale, un laser chimique utilisable en vue de la mise en oeuvre de la présente invention. La fig.7, enfin, représente schématiquement une installation de récipients réacteurs utilisant une pompe chimique selon l'invention. Conformément à l'invention, il est prévu un laser chimique comportant une pompe à laser servant à éliminer des gaz d'échappement sous basse pression à partir de la cavité du laser, le pompe comportant essentiellement un métal doté de réactivité choisi parmi le groupe constitué par le titane, le zirconium, le hafnium, la vanadium, le niobium, le tantale, l'yttrium, le scandium, des éléments nos 57-71 de la classification périodique) des alliages de ces métaux et des mélanges d'au moins deux tels métaux ou alliages, les gaz d'échappement étant choisis parmi le groupe constitué par l'hydrogène et le deutérium, leurs halogénures, les halogènes, l'azote, CO2, l'oxygène et la vapeur d'eau. Parmi d'autres éléments, leurs alliages et mélanges qui sont utilisables aussi, on peut notamment citer le lithium, le sodium, le potassium, le rubidium, le césium, le béryllium, le magnésium, le strontium, le calcium, le baryum, le bore le gallium, le palladium. Comme exemples de métaux préférés comme réactifs, on peut notamment citer le titane, le zirconium et des alliages titanezirconium; ces métaux réagissent avec les gaz d'échappement pour former des produits de réaction solides. Le métal doté de réactivité peut etre sous la forme de poudre, d'éponge, de mince feuille,etc.; toutefois, on accorde la préférence à la forme pulvérulente parce qu'elle développe une grande surface de contact. Les équations chimiques suivantes donnent des exemples typiques de réactions du titane avec de l'hydrogène, de l'azote, de l'oxygène: 1) H2 (gaz) + Ti (solide) TiHx (solide) o 2) N2 (gaz) + 2 Ti (solide z 2 TiN (solide) 3) 02 (gaz) + TisolideJ Ti02 (solide) Le deutérium agit similairement à l'hydrogène, et les deux peuvent etre régénérés (c'est-à-dire dégagés) par chauffage du composé de titane correspondant. Les halogénures d'hydrogène et de deutérium réagissent avec le titane comme suit: 4) 6 HF (gaz) + 5 Ti (solide) 2 TiF3 (solide) + 3 H2 (gaz) cette réaction étant suivie par la suivante: 5) H2(gaz) + Ti (solide) TiHX (solide) O La vapeur d'eau réagit d'une manière analogue en deux stades: 6) 2 H20 (gaz) + Ti (solide) TiO2 (solide) + 2 H2 (gaz) 7) H2 (gaz) + Ti (solide) TiHx (solide) 0 Ci-apres sont donnés différents exemples, bien entendu non limitatifs, de mise en oeuvre de l'invention. EXEMPLE 1.- De l'hydrogène gazeux sous une pression de 5 torrs est exposé à 1,1844 g de poudre de titane (surface développée 2 1030 cm ) dans une chambre de réaction à volume constant. Une diminution de pression est l'indication d'une élimination de gaz. La fig.1 montre l'abaissement de la pression à diverses valeurs de la température comprises entre 200C et 8000C(sous des pressions atteignant jusqu'a' S torrs). On a porté en ordonnées, à gauche, la pression d'hydrogène gazeux en torrs, et, à droite, la quantité d'hydrogène en millimoles; on a porté en abscisses la durée du temps en secondes.La fig.2 (avec des coordonnées identiques à celles de la fig.l)montre le degré d'abaissement de pression dans l'intervalle de température s'étendant de 2000C à 8000C et sous des pressions atteignant jusqu'à 50 torrs. On peut observer que, dans les trois cas représentés fig. 2, un abaissement de pression jusqu'à une valeur inférieure à 10 torrs est réalisé en moins de dix secondes; ceci est une pression suffisamment basse pour que l'effet laser puisse intervenir. EXEMPLE 2.- De l'hydrogène gazeux sous des pressions de O à 7 torrs est éliminé dans diverses conditions de température avec du titane et avec du dihydrure de titane qui a été décomposé sous un vide poussé à 7100 C. Les données obtenues sont résumées dans le Tableau 1 suivant. Tableau 1.- Pcmpage chimique d'hydrogène par réaction avec du titane (Pressions d'hydrogène gazeux de 0 à 7 torrs). Prétraitement Données concernant la vitesse de pompage d'hydrogè@@ Natière Température Durée du Température Vitesse Vitesse Composition première ( C) temps Environnement ( C) initiale finale finale (minutes) 10-6 moles 10-6 moles g.sec g.sec dihydrure 710 10 vide poussé 400 55 20 TiH1,2 de titane dihydrure 700 120 uniquement 410 0,2 0,2 TiH0,2 de titane pompe mécanique titane 850 20 vide poussé * 416 16 7,8 TiH0,2 titane 710 20 uniquement 410 19 4,2 TiH0,08 pompe mécanique ** titane néant néant uniquement 410 1,6 pompe mécanique élévation de 500 88 50 TiH0,2 température en présence de H2 * La pression était inférieure à un micron avant l'introduction d'hydrogène. ** La pression résiduelle de gaz était égale à environ 15 microns lors de l'introduction d'hydrogène. De l'examen des données réunies dans le Tableau 1, il ressort que, dans le cas de dihydrure de titane, un prétraitement initial à une température de 7100C pendant 10 minutes dans un vide poussé a pour résultat une vitesse de réaction avec l'hydrogène de 55 micromoles d'hydrogène par seconde et par gramme de dihydrure de titane.Lorsque la réaction est parvenue à la composition finale correspondant à TiH1,2,la vitesse de réaction avec l'hydrogène à 450 est encore égale à 20 x 10 moles g.sec Les données du Tableau 1 montrent aussi que du titane pur, non traité, réagit dans un vide assez lentement avec l'hydrogène à 41O0C. Toutefois, quand la température du titane non traité est élevée jusqu'à 5000C, alors la réaction s'effectue rapidement (88 micromoles H2/g.sec) et continue à etre rapide même après qu'une quantité substantielle d'hydrogène a réagi. D'autre part, la présence d'azote comme gaz transporteur n'a pas d'effet sur la vitesse de réaction du titane avec l'hydrogène après un prétraitement initial dans un vide poussé, et cela même lorsque l'azote gazeux est présent à raison d'environ 0,1 millimole, comme le montre la fig.3; dans cette fig.3, on a porté en ordonnées la pression d'hydrogène gazeux en torrs, on a porté en abscisses le temps en secondes. La courbe montre l'influence d'une absorption préalable d'azote sur la vitesse de réaction d'hydrogène avec le titane; les points figuratifs en forme de cercles concernent des données mesurées après que l'échantillon de titane a été nitruré. Ainsi, lorsqu'on fait préalablement absorber, à 2,0474 g de titane "CERAC" (en particules dont la granulométrie correspond à des tamis extremes à mailles normalisées dont les ouvertures carrées mesurent respectivement 0,100 et 0,044 mm de côté), ayant une surface développée de 560 cm2/g, de l'azote à une température de 400C, le produit résultant ne manifeste aucune différence avec le titane initial en ce qui concerne l'élimination d'hydrogène; ceci est montré dans le graphique de la fig.3. La vitesse de pompage est de 13,05 x 10'8 moles de H2 sec EXEMPLE 3.- On décompose du dihydrure de titane par chauffage à 8000C pendant 30 minutes dans un vide poussé.On utilise 1,0988 g de dihydrure de titane ainsi décomposé, possédant une surface développée de 2500 cm2/g, pour le faire réagir avec du fluorure d'hydrogène à 510ex et sous une pression de O à 255 torrs. Les résultats sont présentés dans le graphique de la ftp 4; on y a porté en ordonnées la vitesse de pompage de HF expri mée en 10 6 moles de H par gramme et par seconde, et en abscisses la quantité de HF absorbée en micromoles. Les vitesses de réaction sont pour l'élimination complète de la totalité du gaz à partir de la chambre de réaction à volume constant et représentent donc les mécanismes réactionnels combinés illustrés par les équations chimiques (4) et (5) ci-dessus.De l'examen de ce graphique de la fig.4, il ressort que l'hydrogène et le fluor se trouvent tous deux absorbés continuellement, sans cessation brusque de réactivité. EXEMPLE 4.- On utilise deux chambres jumelées à volume constant pour éliminer un mélange d'azote, de fluorure d'hydrogène etd'hydrogène à partir d'une cavité de laser. Dans la première chambre, on maintient à 8500C un gramme de dihydrure de titane qui a été décomposé à 800qu dans un vide de 15 microns. Dans la seconde chambre, on maintient à 400ec une autre charge d'un gramme de dihydrure de titane similairement traité. Un mélange d'azote, de fluorure d'hydrogène et d'hydrogène est admis à pénétrer dans les deux chambres et on surveille la vitesse d'élimination totale des gaz par des mesures de pression. Ces expériences impliquent deux opérations à une pression initiale de 10 torrs et deux opérations à une pression initiale de 5 torrs. Les résultats sont présentés dans le graphique de la fig.5 sur lequel on a porté, en ordonnées, la quantité de gaz pompée (en millimoles) et, en abscisses, laXdurée du temps de pompage en secondes. Les deux courbes supérieures concernent les deux susdites opérations effectuées sous une pression initiale de 10 torrs; les deux courbes inférieures, aux operations effectuées sous une pression initiale de 5 torrs. Les valeurs indiquées au niveau des extrémités de droite de chacune des quatre courbes sont les pourcentages correspondants d'élimination des gaz. Ce graphique de la fig.5 indique que la proportion d'élimination de gaz d'échappement dépend principalement de la pression après les 30 à 40 premières secondes. En ce qui concerne le fonctionnement, on a représenté schématiquement, fig.6, un laser chimique comprenant un organe de combustion 10 comportant des conduits d'amenée 11, 12 et 13 pour les réactifs, à savoir l'hydrogène, le deutérium, et un halogène tel que du fluor. Les réactifs peuvent aussi être n'importe quelle substance contenant H2 et/ou D2 et capable de former H2 et/ou D2 et n'importe quelle substance contenant un halogénure et capable de réagir de façon à produire des atomes d'halogène libres. Des diluants tels que de l'azote, de l'hélium, etc., peuvent être injectés avec les (ou dans les) réactifs en les amenant par des orifices d'entrée séparés soit dans l'organe de combustion, soit dans la cavité de laser. Dans l'organe de combustion, il se trouve engendré un mélange gazeux d'atomes et de molécules d'halogène tels que F et F2.Des serpentins 15 de refroidissement par circulatinn d'eau sont agencés autour de la périphérie extérieure de l'organe de combustion 10; on peut toutefois éliminer de tels serpentins de refroidissement selon la conception de l'organe de combustion. Des ajutages 16 servant de buses d'injection dans une cavité sont prévus pour les atomes F et les molécules F2 dans l'état excité afin de les faire sortir de l'organe de combustion et de les combiner avec H2 D2 ou des substances contenant H2 et/ou D2 pour engendrer des molécules HF* et DFF vibrationnellement excitées. Un collecteur d'échappement 17 est monté centralement et axialement par rapport à 1' organe de combustion 10, et définit une cavité de laser 21 dans le voisinage immédiat des ajutages de sortie 16.Un effet laser se trouve engendré le long d'un axe 21a d'émission laser orienté transversalement par rapport à la direction d'écoulement des gaz. Un miroir arrière 22 et un miroir de sortie 23 sont prévus sur des côtés opposés de la cavité 21 pour amplifier et émettre un rayonnement laser engendré dans la cavité par suite de la désintégration de HF et de DF*. Le miroir arrière 22 et le miroir de sortie 23 sont des miroirs polis, carrés, mesurant 101,6 mm x 101,6 mm, à concavité sphérique de 2,9972 mètres de rayon de courbure et séparés l'un de l'autre par une distance de 0,762 mètre. Le miroir de sortie 23 comporte un plan optique ayant un coefficient de transmission d'environ 10%. Le miroir arrière 22 possède un pouvoir réflecteur d'environ 98%. Pour le fonctionnement avec émission d'un rayonnement laser, on refoule, à l'aide d'une pompe, D2 et/ou H2 dans un gaz diluant constitué par de l'azote jusque dans l'organe de combustion 10 conjointement avec F2; il en résulte l'établisse- ment, à l'intérieur dudit organe de combustion 10, d'une réaction hypergolique développant une température comprise entre environ 1500 C et 3000 C ayant pour résultat la formation de F et F2. Une pression comprise entre 0,56 et 3,5 kg/cm2 est typique dans l'organe de combustion. Les gaz s,Ecoulent ensuite, au travers des ajutages de sortie 16, jusque dans la cavité 21 de laser où HF* et/ou DF* se trouvent formés et où s'établit un effet de laser. Les pressions régnant dans la cavité 21 de laser sont maintenues à environ 1-10 torrs, ce qui est adéquat pour une émission laser.Les températures statiques de l'écoulement supersonique dans la cavité de laser peuvent varier entre environ 2O00C et 9000C. Généralement, des gaz d'échappement sortant de la cavité de laser et tels que H2, D2, HFI N2, 02, C02 et H20 sont admis à passer le long du collecteur d'échappement au travers d'une portion 24 à section transversale décroissante qui fonctionne à la manière d'un ajutage de Venturi ou d'un diffuseur pour permettre l'établissement d'un accroissement de pression en aval. Les gaz d'échappement peuvent alors être pompés par une réaction chimique telle qu'une réaction avec du titane, comme dans les exemples 1 à 4, ou par mise en oeuvre d'une combinaison d'une condensation (pour éliminer HF et/ou DF), d'une réaction chimique (pour éliminer H2 et D2) et d'une adsorption cryogénique (pour éliminer l'azote ). Plus précisément, conformément à la présente invention, un pompage des gaz d'échappement est réalisable par réaction chimique comme le montre le schéma de la fig.7 représentant plusieurs réacteurs 25, 26, 27 contenant chacun du titane chauffé, maintenu à dif z différentes températures. Les réacteurs sont raccor- dés au collecteur d'échappement du laser et sont raccordés entre eux par des conduits 25a, 26a et 27a; ils reçoivent ainsi les gaz d'échappement tels qùe HF, DF, F2, H2, D2 et N2 provenant de la cavité de laser. I1 convient de remarquer que, dans le réacteur 25, HF, DF et F2 sont d'abord admis à réagir avec le titane pour produire TiF2.De l'hydrogène dégagé à la suite de la réaction de HF, H2 n'ayant pas réagi, du deutérium provenant de la réaction de DF, z D2 n'ayant pas réagi et de l'azote sont achemi- nés vers les réacteurs 26 et 27 en vue d'y subir des réactions ultérieures avec le titane chauffé pour former des composés des types hydrure de titane et nitrure de titane. A titre de variante, on peut éliminer l'azote à partir des gaz d'échappement en procédant d'abord à un pré-refroidissement (pour condenser HF et DF), puis en adsorbant l'azote dans un tamis moléculaire refroidi par de l'azote liquéfié, au lieu de le faire réagir avec du titane. Un tamis moléculaire convenable est celui vendu sous la dénomination "Linde 5A" par la Linde Division de l'union Carbide. I1 s'agit d'un tamis moléculaire de type "A" comportant des pores d'un diamètre d'environ S A. Une pompe chimique réalisée conformément à la présente invention et pesant environ 45 kg peut pomper le même échappement total d'un laser qu'une installation de pompage d'un type antérieurement connu et utilisé, d'un poids de plus de 450 kg, comportant une pompe mécanique et des agencements épurateurs permettant de produire des effets équivalents en ce qui concerne le pompage du laser et l'élimination des halogénures. Le système selon l'invention permet donc d'éliminer des gaz d'échappement, émis par une installation laser, en ayant recours non pas à une pompe mécanique, mais à des réactions chimiques. Si éviter une pollution est la seule exigence, il suffit de prévoir une élimination, à partir de l'effluent, des halogénures, des halogènes et d'autres composés indésirables. Les diluants restants tels que l'azote et l'hydrogène peuvent être pompés et déchargés par d'autres moyens. Pour un système fonctionnant complètement en circuit fermé, tous les gaz sont admis à réagir, adsorbés ou condensés. Il ne faut pas perdre de vue que la pompe chimique comprise dans la portée de la présente invention peut fonctionner non seulement avec des lasers chimiques comportant une chambre de combustion, mais aussi avec des lasers chimiques en général. Enfin, le système de laser en question permet un recyclage des gaz d'échappement. Cette particularité a pour conséquence d'abaisser les frais d'apport de gaz frais et de diminuer aussi les risques de contamination de réactifs gazeux provenant d'une source externe. -REVENDICATIONS- 1.- Laser chimique, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement, en combinaison, une cavité de laser, un échappement, et une pompe pour réaliser l'élimination de gaz d'échappement à partir de la cavité de laser, ladite pompe comportant un métal choisi parmi le groupe constitué par les métaux suivants: titane, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantale, yttrium, scandium, éléments n-S 57 à 71 de la classification périodique, lithium, sodium, potassium, rubidium, césium, béryllium, palladium, magnésium, strontium, calcium, baryum, bore, gallium et des mélanges et alliages de ces métaux, les gaz d'échappement étant choisis parmi le groupe constitué par l'hydrogène, le deutérium et leurs halogénures, les halogènes, l'azote, C02, l'oxygène et la vapeur d'eau. 2.- Laser chimique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pompe comprend au moins un réacteur. 3.- Laser chimique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement, en combinaison, une cavité de laser, un échappement, et une pompe pour réaliser l'élimina- tion de gaz d'échappement à partir de la cavité de laser, ladite pompe comportant un métal choisi parmi le groupe constitué par le titane, le zirconium et des mélanges et alliages de ces métaux, les gaz d'échappement étant choisis parmi le groupe constitué par l'hydrogène, le deutérium et leurs halogénures, les halogènes, l'azote, C02, l'oxygène et la vapeur d'eau. 4.- Procédé pour réaliser le pompage d'un laser chimique, lequel procédé est caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à faire réagir des gaz d'échappement, provenant de la cavité de laser, avec'un métal choisi parmi le groupe constitué par les métaux, mélanges de métaux et alliages de métaux énumérés dans la revendication 1, et lesdits gaz d'échappement étant choisis parmi le groupe des gaz d'échappement énumérés dans la revendication 1. 5.- Procédé pour faire fonctionner un laser chimique,lequel procédé est caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement: à acheminer des réactifs (capables d'engendrer un effetlaser) dans un gaz transporteur jusque dans une zone de combustion; à combiner les réactifs, dans la zone de combustion, pour former des molécules dans l'état excité en quantité suffisante pour provoquer une inversion de populations; à faire passer les molécules, ainsi excitées, dans une cavité de laser pour engendrer un effet de laser; et à pomper des gaz d'échappement, à partir de la cavité de laser, par réaction avec un métal choisi parmi le groupe constitué par les métaux, mélanges de métaux et alliages de métaux énumérés dans la revendication 1 ou dans la revendication 3, et lesdits gaz d'échappement étant choisis parmi le groupe des gaz d'échappement énumérés dans la revendication 1 ou dans la revendication 3.