Brevet FR2309058A1 — publié le 19761119

La présente invention concurne de façon générale un appareil créant une décharge électronique commandée dans un gaz et rendant minimaux les défauts d'uniformité de la matière induits t)ar les chocs et pa:t les ondes d'électrodes, Dans un dispositif utilise pour la création de falscenux laser (amplification luminese par émission stimulée de radia tions), une décharge électrique stabilisée par un faisceau élec l'effet laser par un canon à électrons, formant un accélérateur d'électrons, Ce faisceau primaire d'électrons vient frapper les atomes du gaz et crée des paires d'ione (él@ctrons secon daires).De plus, dans un tel appareil de formation de faisceaux laser, deux électrodes d'entretien, par exemple une anode et unc. cathode d'entretionen, peuvent être placées dans le courant de gaz du laser et sont commandées de manière qu'elles créent un champ électrique d'entretien qui excite les électrons secondaires. Ceux-ci excitent à leur tour , les molécules de gaz du laser ou assurent le "pompage" permettant la création du faisceau laser. L'appareil précité est relativement efficace lorsque le débit de gaz a une valeur qui cerrespond à la plage des vitesses subsoniques. L'anode et la cathode d'entretien qui sont en général sous forme de gril;:. - cemprenant tes orifices, n'jnterfèrent pas avec l'écoulement du gas dans une telle plage de débits. En conséquence, pour les faibles dépits de gaz, les électrodes d'entretien qui sont placées dans le cou @ant du gaz ne nuisent p@@ de façon notable à la création du ïaisceau lasser. Bien que l'appa@eil préeité @réc effi@@@ement un fais ueau laser avec de faibles débits de gaz, il est relativement peu efficace pour les débits élevés. Les électredes en forme de grilles nuisent beaucoup à l'écoulement régulier du gaz notamment lorsque les débits @orrespondent à des vitesses super soniques. On constate que les défauts d'uniformité induits par les choce apparaissent dans le gaz du laser étant donné que celui-ci frappe les électrodes qui se trouvent sur son trajet. On 2 tenté de disposer les électrodes en retrait dans la parc de la cavité de manière qui ces défauts d'uniformité induits par @es choes soient @é@uits. Cependant, au coure de des essais l'électrode d'entretien, par exemple la cathode, se trouve à une certaine distance de la fenêtre du canon électronique et délimite ainsi un espace de stagnation provoquant la création d'autres perturbations et nuisant au fonctionnement du laser. En conséquence, ces essais ont donné relativement peu satisfaction. On constate aussi que des ondes cathodiques sont créées dans le courant de gaz et perturbent l'uniformité de la densité dans celui-ci, ces ondes se propageant dans la totalité de la région comprise entre les deux électrodes. Ces ondes cathodiques sont dues à une répartition non-uniforme de l'énergie dans la région de champ élevé proche de la cathode, et appelées souvent "chute cathodique". Celle-ci se présente toujours dans une certaine mesure et elle varie inversement avec la surface de la cathode. Cette chute cathodique qui est indésirable augmente et devient éventuellement excessive lorsque la densité de courant cathodique augmente. On a tenté de remédier de diverses manières à cette chute cathodique en-rendant maximale la surface de la cathode de manière que la quantité importante d'énergie puisse être convenablement traitée.Cependant, on constate que, lorsque la surface cathodique augmente, la perturbation du courant gazeux augmente si bien que les défauts d'uniformité induits par les chocs augmentent encore. L'invention rend minimaux les effets de ces problèmes, par incorporation d'une cathode ou d'une anode d'entretien à la fenêtre très mince du canon électronique. De plus, une telle structure délimite une paroi lisse et continue avec la cavité du laser si bien que les défauts d'uniformité induits par les chocs ou par les ondes d'électrodes sont minimaux. L'invention concerne de façon générale un laser à gaz à décharge électrique stabilisée par un faisceau électronique, réduisant les défauts d'uniformité induits par les chocs et par les ondes d'électrodes, de façon importante. Ce laser à gaz comprend une enceinte délimitant une cavité interne. Un dispositif est destiné à introduire un gaz sous pression dans la cavité. Un accélérateur d'électrons est associé à l'enceinte et est destiné à introduire un faisceau d'électrons primaires d'énergie élevée dans la cavité laser.Un ensemble solidaire comprenant en combinaison une première électrode d'entretien et une fenêtre pour le passage des électrons, ést placé transversalement à la partie du dispositif accélérateur qui communique avec la cavité laser au courus du fonctionnement, Une seconde électrode est disposée à une certaine distance de l'ensemble'précité et coopère avec celui-ci à l'établissement d'un champ électronique d'entretien0 - le laser selon l'invention est tel que l'ensemble précité est disposé dans la cavité laser et délimite une paroi lisse. De plus, cet ensemble est sous forme d'un seul organe. Dans une variante de laser selon l'invention, un support est associé à l'accélérateur d'électrons à l'enceinteO L'ensemble est alors rigidement fixé et de préférence brasé sur le support de manière qu'il délimite une paroi relativement lisse et prolongeant pratiquement une paroi de l'enceinte délimitant la cavité. Dans un mode de réalisation avantageux, le support précité comprend plusieurs éléments distants de support. L'ensemble selon l'invention est fixé rigidement sur pratiquement, tous les éléments de support et délimite une fenêtre permettant le passage des électrons du faisceau des électrons primaires énergie élevée, l'ensemble constituant aussi une électrode d'entretien. De plus, un dispositif est destiné à former un cache protégeant contre le courant électronique du champ d'entretien, certaines parties de l'ensemble, qui ne sont pas fixées aux éléments de support. Un tel support comprend un cadre rectangulaire ayant plusieurs éléments distants et sensiblement parallèles de support disposés transversalement au cadre. les zones non cachées de l'ensemble sont des zones de conduction des électrons qui sont rigidement fixées au cadre et aux élé ment s sensiblement parallèles de support. le- cadre est alors placé sur une extrémité ouverte du dispositif d'accélération d'électrons avec lequel il coopère de façon étanche par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité'conducteur de j'électricité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui. va suivre, faiteen référence aux dessins annexés sur lesquels- la figure 1 est une coupe verticale d'un laser à gaz à décharge électrique stabilisée par faisceau électronique de type classique la figure 2 est une coupe verticale analogue à la figure 1 d'un laser à gaz à décharge électrique stabilisée par un faisceau d'électrons selon l'invention 1à figure 3 est une coupe verticale d'un ensemble selon l'invention formant une électrode d'entretien et une fenêtre pour le faisceau d'électrons la figure 4 est une coupe horizontale suivant la ligne 4-4 de la figure 3 et elle représente la partie supérieure de l'ensemble de la figure 3 la figure 5, est une vue de dessous de l'ensemble des figures 3 et 4 ; et la figure 6 est une vue en plan d'un cache utilisé pour la réalisation de l'ensemble selon l'invention formant une électrode d'entretien et une fenêtre de passage du faisceau d'électrons. La figure 1 représente un laser à gaz E à excitation après détente de type classique, comprenant deux électrodes d'entretien combinées à un canon électronique. le laser E est un exemple de type connu mettant en oeuvre une décharge électrique stabilisée par faisceau électronique, entre deux électrodes d'entretien placées au contact d'un courant de gaz. Ainsi, les électrodes d'entretien assurent l'excitation des électrodes secondaires ainsi formées et le "pompage" des molécules du gaz du laser pour la création d'un faisceau laser. le laser E comprend de façon générale une enceinte 10 ayant une paroi interne 12 délimitant une cavité 14. L'en- ceinte 10 est de préférence en matière conductrice de l'électricité, par exemple en acier inoxydable ou analogue, bien qu'elle puisse être en matière non-conductrice de l'électricité, notamment en une matière plastique telle que le polycarbonate. Dans tous les cas, l'enceinte 10 est de préférence, prévue de manière qu'elle supporte des différences importantes de températures. A l'extrémité gauche, la paroi interne s'effile et vient se raccorder à une buse 16 de détente supersonique de gaz, permettant ltécoulement du courant de gaz d'une réserve externe (non représentée) par un orifice 18. Un canon électronique 20 est monté dans la paroi de l'enceinte 10 et comporte une fenêtre 22 très mince, sous forme d'une feuille, prolongeant la paroi interne 12 de l'enceinte 10. Une anode métallique 24 d'entretien entourée par un isolateur diélectrique 25 est montée dans la paroi de l'enceinte 10, en position diamétralement opposée par rapport à la fenêtre 22. Une cathode 28 d'entretien est aussi disposée près de la fenêtre 22 et elle peut recevoir les électrons du canon 20. La cathode 28 d'entretien coopère avec l'anode 24 et crée un courant d'électrons sous forme d'un champ électronique d'entretien sur le trajet du courant de gaz. Le laser E comprend aussi une extrémité convenable de décharge (non représentée) de l'enceinte, 10, comprenant un. appareillage convenable d'évacuation et analogue. le laser E comporte aussi convenablement des miroirs et tout autre ensemble compris normalement dans un laser de ce type et nécessaire à la création d'un faisceau laser convenable. Dans l'appareil décrit précédemment, on note que, alors que les, électrodes 24 et 28 créent un champ électronique d'entretien entre elles, la cathode 28 se trouve dans le courant gazeux. Cette cathode est en général en matière métallique comportant des orifices ou analogue à un écran, mais néanmoins, elle interfère avec le courant normal de gaz, notamment aux vitesses supersoniques. Ces perturbations du courant gazeux provoquent la création de diverses zones de chocs du type décrit précédemment et perturbent notablement la création convenable d'un faisceau laser La figure 2 représente un laser A à gaz à décharge électrique entretenue par un faisceau électronique qui est analogue à de nor-,-broux égards au laser E décrit précédemment. le laser A comprend 'aussi une enceinte 30 ayant une paroi in terne 32 formant une cavité ou "chambre laser" 34. l'enceinte 30 est normalewenb en meme matière que l'enceinte 10 et elle a la même épaisseur La paroi interne 32 s'effile aussi vers l'intérieur à ltextrémité gauche et elle se raccorde à une base 36 de détente 'supersonique de gaz permettant le passage du courant de gaz laser d'une réserve externe (non représentée) dans un orifIce 38 à des vitesses supersoniques. Un canon électronique ou accélérateur d'électrons 40 est monté dans la paroi de l'enceinte 30 et' communique avec la chambre 34 colrm.e décrit dans la suite en détail. De plus, une anode 42 d'entretien est aussi montée dans la paroi de l'enceinte 30, en position diamétralement opposée par rapport au canon 40. l'anode 42 est de plus maintenue dans un isolateur électrique 44 comme représenté sur la figure 2. L'anode 42 fonc- tionne aussi avec une cathode d'entretien d'un type particulier décrit en détail dans la suite, pour 'l'établissement d'un champ électronique d'entretien sur le trajet du courant de gaz. le canon électronique 40 comporte un bottier de forme rectangulaire et conducteur de l'électricité, avantageusement en acier inoxydable ou analogue, qui est ouvert initialement à son extrémité inférieure comme représenté sur la figure 3. Les électrons sont créés de manière classique, par exemple par émission thermoionique par plusieurs filaments distants (non représentés) et qui sont supportés dans le bottier 46. De plus, ce boîtier 46 contient une anode. de canon électronique (non représentée) et une cathode réticulée 48e Cependant, il faut noter que les électrons du courant d'électrons primaires d'énergie élevée peuvent être créés par un autre dispositif connu, par exemple par émission dans un champ ou par émission par une cathode froide. Un circuit classique d'impulsions (non représenté) peut aussi être relié, au générateur d'électrons dans le boîtier 46 de manière qu'il transmette le potentiel nécessaire et commande la quantité d'électrons d'énergie élevée du courant primaire transmis par le canon 40. Celui-ci donne de façon générale les électrons d'énergie élevée en abondance, ces électrons formant efficacement des paires électrons-ions à partir des atomes du gaz du laser. Un ensemble 50 formant une cathode d'entretien et une fenêtre pour-le courant d'électrons, cet ensemble étant en une seule pièce, est placé sur l'extrémité ouverte du boîtier 46, colle représenté sur les figures 2 et 3. Cet ensemble 50 est -représenté plus en détail sur les figures 4 et 5 et on le décrit en détail dans la suite. Selon l'invention cependant, la disposition de la cathode et de l'anode d'entretien peut être inversée si bien que la cathode peut prendre la position de l'anode 42. Dans ce cas, l'ensemble 50 comprend une anode d'entretien et une fenêtre. Dans le cas considéré, le canon 40 crée un courant d'électrons primaires d'énergie élevée destiné à la création d'électrons .secondaires à partir du gaz du laser, par chocs avec les atomes du gaz. le champ électronique d'entretien excite ces électrons secondaires et assure ainsi le pompage des molécules du gaz. De cette manère, le faisceau laser est créé. L'ensemble 50 comprend de façon générale un cadre 52 conducteur de l'électricité et de forme rectangulaire qui est avantageusement en un métal conducteur de l'électricité, par exemple en acier inoxydable ou analogue. le cadre 52 comprend plusieurs bras parallèles 54 de support disposés transversalement et distants les uns des autres. Comme représenté sur les figures 3 et 5, les faces inférieures planes des bras 54 sont coplanaires avec la face inférieure plane 56 du cadre 52. Un joint d'étanchéité 58 en métal conducteur de l'électricité et de forme rectangulaire est formé ou disposé dans une face 60 tournée vers le haut du cadre 52 de manière qu'il soit en butée contre la partie inferieure du boîtier 46, comme représenté sur la figure 3. Dans une varianiè;--il faut noter que le joint annulaire 58 peut être placé dans la face inférieure du bottier 46 et assure l'étanchéité avec la face -supérieure 60 du cadre 52. le joint 58 est de préférence en or ou en cuivre broyé ou en matière conductrice de l'électricité de type analogue. les joints classiques en élastomère sont en général moins avantageux dans le cadre de l'invention que les joints précités. étant donné qu'ils ne sont pas conducteurs de.l'élec tricoté De plus, dans de nombreux cas, ces joints ne peuvent pas supporter les températures élevées atteintes au cours du fonctionnement du laser. Cependant, les joints en élastomère peuvent être modifiés le cas échéant de manière qu'ils conduisent l'électricité et qu'ils résistent suffisamment à lachaleur. Une plaque 62 délimitant une fenêtre et la cathode d'entretien, est placée sur la face inférieure 56 du cadre 52 et est rigidement fixée à celui-ci et aux divers bras 54. La plaque est avantageusement formée à partir d'une feuille d'aluminium et elle est fixée au cadre 52 par brasage continu sur toute sa periphérie de manière que le vide soit maintenu dans le canon 40. Cependant, d'autres matières conviennent pour la plaque 62. Ainsi, divers alliages d'aluminium, le titane,le béryllium, l'acier inoxydable et d'autres types de métaux conducteurs de l'électricité qui peuvent former des feuilles relativement minces peuvent être utilisés le cas échéant par exemple. L'invention ntest pasNlimitée au brasage d'une feuille et divers types de fixations de la feuille sur le cadre 52 peuvent être considérés. Par exemple, la fixation par diffusion d'or ou le soudage continu peut remplacer le brasage. le dispositif de fixation utilisé dépend essentiellement de la matière qui forme la plaque 62. La plaque 62 est de préférence en matière relativement mince de manière qu'elle ne pose pas des problèmes trop importants de dégagement de chaleur et de dispersion des électrons. La feuille utilisée pour la réalisation de la plaque 62 doit avoir une épaisseur minimale d'environ 2,5 microns et une épaisseur maximale d'environ 125 microns. Cependant, la feuille a de préférence une épaisseur globale comprise entre environ 12 > et 50 microns. La plaque 62 comporte aussi une série de zones 64 cachées qui empêchent efficacement le passage des électrons à travers la plaque 62 au niveau des zones 64. Cependant, les électrons d'énergie élevée du-faisceauprimaire traversent les zones 64 et pénètrent dans la cavité 34. Comme représenté sur la figure 5, les zones cachées 64 sont disposées entre les divers bras 54 placés sur le cadre 52.On note aussi sur la figure 5 que la totalité pratiquement de la surface placée entre les branches longitudinales du cadre 52 et les bras transversaux 54 est cachée au courant d'électrons du champ d'entretien si bien que les seules zones ouvertes ou non cachées de la plaque 62 sont disposées en face des bras 54. le cache peut être formé par anodisation ou d'une autre manière, par application d'un revêtement externe sur la plaque 62 avant fixation au cadre 52. Les zones cachées de la piaque 62 peuvent être créées par un cache 70 représenté sur la figure 6. Ce cache 70 est norr'ale-ent utilisé pour la réalisation de la plaque 62 avant fixation sur le cadre 52,'et le revêtement est alors appliqué sur la feuille par les zones ouvertes 72 du cache 70. Dans le cas consi-léré, le cache 70 a une configuration analogue à celle du cadre 52 si bien que le cache 70 présente les zones ouvertes 72 dans les régions correspondant aux parties cachées 64 de la plaque 62. Cependant, il faut noter que d'autres procédésde formation des zones cachées 64 conviennent aussi. On constate que l'ensemble réalisé est très efficace car le courant d'électronsdu champ d'entretien ne traverse la plaque 62 qu'au niveau des bras 54. Etant donné la construction relativement mince de la feuille 60, celle-ci a normalement une très faible capacité thermique. les bras 54 constitue une sorte de radiateur et en conséquence, comme le courant des électrons du champ d'entretien ne traverse la feuille que dans les régions des bras 54, la détérioration thermique de la feuille due au courant du champ d'entretien est ainsi éliminée. De cette manière, la dissipation thermique peut être très élevée lorsque le courant du champ d'entretien est limité jusqu'au point où la feuille coopère avec les bras 54 qui constituent des radiateurs. Néanmoins, l'ensemble permet un passage suffisant des électrons du faisceau d'électrons primaires sans détérioration de la feuille. De plus, grâce à cette construction, on note qu'une cathode d'entretien du type perforé n'est pas nécessaire puisque la feuille peut. être suffisamment mince pour qu'elle soit transparente aux électrons du faisceau primaire. Il faut noter de plus que, bien qu'on ait décrit l'ensemble 50 à fenêtre comme constituant un ensemble cathodique, l'ensemble peut constituer aussi un ensemble anodique. Ainsi, l'anode et la ctce peuvent être échangées selon l'invention. L'ensemble 50 formant à la fois cathode d'entretIen et fenêtre pour le faisceau électronique, est placé dans la chambre 34 de plasmd de menière que la plaque 62 se trouve pratiquement niveau d la paroi interne 32 ~4S t ç:olonge en fait cette parei. De cette manière, l'encemble 50 ne crée pas de perturbations du courant de gaz dans le laser. De plus, on note que, grâc@ à la construction profilée précitée, la fenêtre et la cathode d'entretien qui forment normalement des éléments séparés dans de nombreux lasers connus, sont combinées en un seul organe. Cette combinaison réduit ainsi le problème posé par la défaillance de la mince feuille, les problèmes normalement poses par la défaillance de la fenêtre, et rend aussi minimales les perturbations du courant de gaz créées par la cathode. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à tire d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre, qui est défini dans les revendications annexées. RETTICAT TONS 1. Laser à gaz stabilisé par un courant d'électrons, comprenant un canon électronique destiné à créer un faisceau d'électrons primaires d'énergie élevée se déplaçant dans un gaz contenu dans une cavité laser, ledit laser étant caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble solidaire formant à la fois une première électrode d'entretien et une fenêtre pour le courant d'électrons,l'ensemble étant placé sur le trajet du faisceau d'électrons et formant une Senêtre entre le canon et la cavité, l'ensemble étant disposé en dehors du courant principal de gaz du laser de manière que la perturbation du courant de gaz du laser soit minimale, et une seconde électrode d'entretien dis tante de l'ensemble et coopérant avec celui-ci à l'établissement d'un champ électronique d'entretien. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble est placé dans la cavité et forme une paroi lisse non divisée de la cavité. 3. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un support est associé au canon électronique, et l'ensemble est fixé rigidement au support et forme une paroi relativement lisse et non divisée prolongeant pratiquement une paroi délimi tant la cavité. 4. Laser selon la revendication 1, caractérisé-en ce qu'il comprend un support associé au canon et comprenant plu sieurs éléments distants de support, l'ensemble étant rigidement 'fixé à pratiquement tous les éléments de support et formant une fenêtre permettant le passage des électrons dans le champ d'en tretien tout en consSituant une électrode, et le laser comprend un dispositif destiné à cacher au courant d'électrons du champ d'entretien certaines parties de l'ensemble qui ne sont pas fixées aux éléments de support. 5. Laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que le support comprend un cadre rectangulaire ayant plusieurs éléments sensiblement parallèles et distants de support disposés transversalement au cadre, et les zones non cachées de l'ensemble sont rigidement fixées au cadre et aux éléments de support et conduisent le courant d'électrons du champ d'entretien. 6. Laser selon la revendication 5, caractérisé en ce que le cadre de support est placé sur une extrémité ouverte de l'accélérateur d'électrons et coopère de façon étanche avec celui-ci par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité qui est conducteur de l'électricité