Brevet FR2412340A1 — publié le 19790720

La présente invention a pour objet un dispositif pour la séparation industrielle des isotopes, qui utilise un champ électromagnétique hyperfréquence et un rayonnement cohérent tel que celui d'un laser. Il est connu d'effectuer la séparation des isotopes par ionisation isotopiquement sélective, puis entraînement des ions à l'aide d'un champ magnétique. L'opération d'ionisation sélective peut être réalisée en deux étapes successives - l'excitation de l'isotope choisi, du niveau d'énergie fondamental à un niveau excité déterminé, proche de l'ionisation ; l'apport d'énergie nécessaire à cette première étape peut être réalisé par exemple à l'aide d'un laser, les rayonnements des lasers étant caractérisés par leur grande puissance et leur fréquence bien définie; cette étape présente l'avantage de pouvoir facilement être isotopiquement sélective - l'ionisation des atomes excités, à l'aide d'un apport d'énergie w relativement faible, qui doit rester insuffisant pour ioniser les atomes non excités; cette seconde étape peut également être réalisée à l'aide d'un laser. L'invention a pour objet un dispositif de séparation isotopique dans lequel il est possible, d'une part, de controler avec suffisamment de précision l'apport d'énergie de la seconde étape afin que les atomes non excités ne soit pas ionisés également, et, d'autre part, d'obtenir des flux de particules élevés en vue d'améliorer l'intérêt économique de ce type de dispositif. A cet effet, le dispositif selon l'invention comporte notamment - une enceinte à vide, contenant les atomes des isotopes à séparer sous forme gazeuse - un faisceau d'énergie rayonnée (laser) dirigé selon une direction OZ,portant sélectivement les atomes d'un des isotopes à un niveau d'excitation défini - un circuit dans lequel se propage une énergie hyperfréquence selon la direction OZ, qui fournit aux atomes excités par le faisceau laser une énergie suffisante pour réaliser leur ionisation ; ce circuit hyperfréquence et le faisceau d'énergie rayonnée sont placés extérieurement l'un à l'autre mais à une distance telle l'un de l'autre que les atomes excités par le second, dont la durée de vie est courte, puissent être soumis au champ hyperfréquence existant au voisinage du premier, afin que l'ionisation de ces atomes excités soit réalisée à l'extérieur du circuit hyperfréquence :ainsi, il est possible d'obtenir des flux de plasma élevés sans perturbation trop considérable des caractéristiques du circuit hyperfréquence - des moyens de guidage (champ magnétique par exemple) des ions ainsi créés vers des collecteurs. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante et des figures annexées, parmi lesquelles - la figure 1 est le schéma général d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention - la figure 2 est une variante de la figure précédente - la figure 3 est une vue en coupe partielle du dispositif de la figure précédente - la figure 4 est une vue en coupe partielle d'une variante de réalisation du dispositif selon l'invention. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. Le dispositif de séparation isotopique représenté figure 1 comporte - un générateur d'énergie hyperfréquence 1 - un circuit 31 permettant de guider selon une direction OZ l'énergie hyperfréquence fournie par le générateur i et transmise au circuit 31 par un guide d'onde 2 - une entrée 5 dans le circuit 31 pour le gaz non ionisé - une source 80 d'énergie rayonnée cohérente, telle qu'un laser, fournissant un faisceau 8 dirigé selon OZ - un collecteur 7 des atomes de l'isotope sélectionné. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant : un gaz contenant des atomes de divers isotopes, ou des molécules comportant ces atomes, est amené par l'entrée 5, à travers le circuit hyperfréquence 31, sur le trajet du faisceau laser 8. Ainsi qu'il a été rappelé plus haut, la fonction du rayonnement 8 est d'apporter au gaz une quantité d'énergie telle que les atomes de l'un seulement des isotopes constituant ce gaz puissent passer dans un état excité, d'énergie définie (bye) proche du niveau d'ionisation 1 L'énergie hyperfréquence qui se propage dans le circuit 31 a, elle, pour fonction de céder de l'énergie aux particules chargées qui se trouvent dans son voisinage, notamment aux électrons, lesquelles acquièrent ainsi suffisamment d'énergie pour io#niser par chocs entre particules les atomes déjà excités (d'énergie E ), e mais insuffisamment pour ioniser les atomes non excités. Les particules chargées ainsi obtenues sont guidées, par exemple par un champ magnétique B parallèle à une direction OX normale à OZ, vers le collecteur 7 où on recueille ainsi les ions de l'isotope sélectionné, par exemple après condensation de ces ions sur les parois et recombinaison avec les électrons. En ce qui concerne le circuit hyperfréquence 31, il peut être réalisé selon tout moyen connu à condition de comporter au moins une fente parallèle à OZ, s'étendant sur toute sa longueur (36 sur la figure 1), par laquelle l'énergie hyperfréquence peut agir sur les atomes excités Pour que soit produit un flux d'ions important, il est souhaitable que l'interaction s'effectue sur une grande longueur, c'est-à-dire que le circuit 31 soit suffisamment long. Par ailleurs, comme il a été noté ci-dessus, la durée de vie des atomes-excités est en général courte (en moyenne de l'ordre de 10~7 à 10-89) ; cela conduit à placer le circuit: 31 et le faisceau laser 8 suffisamment proches l'un de l'autre pour-que l'interaction onde hyperfréquence - atomes excités par le faisceau 8 soit possi ble, mais suffisamment distants pour que les atomes excités ne pénètrent pas dans le circuit 31 afin que l'ionisation se produise à l'extérieur du circuit 31.Cette disposition permet d'éviter que les caractéristiques du circuit 3 ne soient trop considérablement perturbées par le plasma car, ainsi qu'il est connu, lorsqu'il existe un plasma à l'intérieur d'un circuit hyperfréquence, les caractéristiques de ce dernier dépendent de celles du plasma qui sont elles mêmes assez variables, ce qui a pour conséquence un fonctionnement difficilement contrôlable ou même instable. Toutefois, cette disposition peut se révéler insuffisante pour interdire l'accès du circuit 31 à tous les atomes excités on utilise alors un circuit hyperfréquence dans lequel la formation de plasma est interdite par effet de gaine ; un tel circuit est décrit plus en détail ci-dessous. En ce qui concerne le faisceau laser 8, il peut être monochromatique comme-décrit ci-dessus :les atomes sont alors portés directement au niveau d'énergie E e Mais il peut également résulter de la superposition de deux faisceaux monochromatiques (ou plus), fournis chacun par un système laser, puis combinés en un même faisceau 8 à l'aide par exemple d'un miroir dichroïque. Dans ce dernier cas, l'opération d'excitation isotopiquement sélective jusqu'au niveau E e est réalisée en deux étapes (ou plus), avec passage des atomes par un (ou plusieurs) niveau d'excitation intermédiaire . Cette méthode par niveaux intermédiaires peut être préférable pour des raisons de sélectivité des transitions. Enfin, la source de plasma selon l'invention comporte encore une enceinte à vide enfermant circuit 31, nappe de plasma 4, faisceau laser 8 et collecteur 7, et des moyens de pompage des atomes non ionisés, qui ne sont pas représentés sur la figure 1. La figure 2 est une variante de la figure précédente, dans laquelle la fente (36 sur la figure 1) permettant l'interaction énergie hyperfréquence - atomes excités est réalisée sur une face du circuit hyperfréquence parallèle non plus au plan YOZ, mais au plan IOZ. Sur la figure 2, on retrouve donc le circuit hyperfréquence, repéré maintenant 32, portant la fente 36 sur sa face supérieure, le générateur 1 , et le laser 80 émettant le faisceau 8, placé maintenant au voisinage de la face supérieure du circuit 32, toujours en regard de la fente 36. La nappe de plasma (4) se forme donc au dessus du circuit 32 et le dispositif comporte alors deux collecteurs, 73 et 74, destinés à recueillir les ions guidés par le champ B (parallèle à CZ). La figure 3 représente un schéma partiel, vu en coupe dans un plan XOZ, d'un mode de réalisation du circuit hyperfréquence utilisé dans le séparateur d'isotopes de la figure 1. Ce circuit repéré globalement 3, est enfermé dans une enceinte à vide 6 et il reçoit l'énergie hyperfréquence fournie par le générateur 1 de la figure 1 par l'intermédiaire d'un guide d'ondes 2,par exemple en forme de cornet se terminant par une fenêtre étanche 20. le circuit 3 est du type à ailettes, également connu sous le nom de circuit à vannes, chacune des ailettes (30) étant perpendiculaire à l'axe OZ. le dispositif comporte encore un sys tème de canalisation qui, à partir de l'entrée 5 de gaz non ionisé, distribue ce dernier périodiquement dans le circuit 3, par exemple entre chaque paire d'ailettes 30 (points 50). le circuit hyperfréquence 3 est donc constitué par des éléments conducteurs périodiquement disposés (les ailettes 50), guidant l'éner- gie hyperfréquence sur une grande longueur selon la direction OZ. Afin d'améliorer la séparation entre le plasma et le circuit 3, il est possible en outre de disposer les ailettes 30 à des distances mutuelles inférieures à une certaine distance critique, définie par un phénomène connu dans la technique des plasmas sous le nom de phénomène de gaine. En effet, il est connu que se forme un espace vide de plasma, appelé gaine, entre ce dernier et toute surface solide avec laquelle il se trouverait en contact. l'épaisseur de cette gaine est définie par les propriétés de plasma : elle augmente lorsque celui-ci devient plus énergétique et diminue lorsqu'il devient plus dense. Si la densité du plasma est limitée supérieurement et si sa température est limitée inférieurement, il existe donc pour la gaine une épaisseur minimale La conséquence en est qu'aucun plasma ne peut se former dans ces conditions entre deux surfaces solides dont la distance est inférieure à une distance critiqué égale au double de l'épaisseur minimale de la gaine. En ce qui concerne le fonctionnement de ce dispositif, si le générateur (1) fournit une onde de fréquence à laquelle correspond une longueur d'onde avec - M = pulsation de l'onde de fréquence f - c = vitesse de propagation de l'énergie dans le vide, les composantes du champ électromagnétique E z au niveau du x,z circuit 3 sont sensiblement de la forme où : - A est l'amplitude du champ - F est une fonction périodique qui traduit la variation du champ dans la direction OZ, c'est-à-dire dans le circuit 3, Wr étant la longueur d'onde de l'onde électromagnétique r retardée par le circuit 3 - [ est un coefficient dépendant de la fréquence f. Dans la direction OZ, la variation périodique du champ représente des ondes qui peuvent entre stationnaires ou progressives en un point donné de l'axe OZ, selon que le système ne consomme pas ou consomme de la puissance en aval de ce point. Dans la direction OX, le champ ne varie pas périodiquement mais décroit exponentiellement, la décroissance étant fixée par le facteur # qui est tel que où v est la vitesse de phase de l'onde électromagnétique, telle que : Il existe donc, dans la direction OX, un champ hyperfréquence qui peut céder de l'énergie aux particules chargées qui s'y trouvent, notamment aux électrons, lesquels acquièrent ainsi suffisamment d'énergie pour ioniser, par chocs entre les particules, les atomes préalablement excités par le rayonnement laser (8, sur la figure 1). Ainsi est formée la nappe de plasma 4 qui s'étend dans le plan XOZ tout le long du circuit 3. En ce qui concerne l'établissement de fonctionnement, il est souhaitable d'établir une pression élevée dans une première phase, afin que les quelques électrons libres qui existent toujours dans un gaz aient une probabilité élevée de collision avec les atomes excités mais non ionisés du gaz, en vue de produire une décharge. Lorsque celle-ci se produit, la pression doit alors être réduite, de l'ordre de 10 3 à 10 5 Torr, afin de rendre négligeable la probabilité de collisions entre ions et atomes neutres, collisions dans lesquelles s t opère un échange des charges qui anéantit la sélectivité de l'ionisation réalisée précédemment. On choisit par ailleurs la fréquence f de l'onde électromagnétique fournie par le générateur 1 de telle sorte qu'il existe dans la direction OX un champ suffisant pour la création de plasma, mais pas trop important pour éviter que les propriétés du plasma ne modifient trop celles du circuit hyperfréquence. Enfin, l'enveloppe 6 présente au moins un orifice 9 de grande section par lequel est pompé le gaz qui n'a pas été ionisé dans la région du circuit 3. Le circuit hyperfréquence 3 peut bien entendu adopter des formes différantt- de ce qui est représenté figure 3 ; à titre d'exemple, il est possible d'incliner les ailettes par rapport à la direction OX. Il est également possible de réduire l'espace d'interaction entre énergie hyperfréquence et plasma afin, d'une part, d'améliorer la propagation de l'énergie dans le circuit 3 en la rendant moins dépendante du plasma et, d'autre part, de réduire la variation d'amplitude du champ le long du circuit 3 (selon l'axe OZ), du fait que l'interaction avec le plasma qui consomme de l'énergie est réduite. Cela peut être réalisé à l'aide de plaques conductrices, disposées le long du circuit 3 en laissant subsister sur une des faces de ce dernier (face parallèle au plan YOZ ou au plan XOZ) une fente parallèle à l'axe OZ, dont la largeur détermine celle de la nappe de plasma. Enfin, le circuit 3 peut encore être du type circuit à barreaux, connus et décrits dans la littérature, notamment dans "Etude des ligues à barreaux à structure périodique" par IEBIOND et MOURIER, paru dans "Annales de radioélectricité (9 avril 1954, pages 180-192 et 9 octobre 1954, pages 311-328). Ta figure 4, est une vue en coupe partielle d'une variante de réalisation du dispositif selon l'invention, reprenant la disposition décrite figure 2. Sur cette figure 4, on a représenté - l'enceinte étanche 6 - le circuit hyperfréquence, globalement repéré 37 - l'arrivée (5) du gaz formé du mélange isotopique à séparer - la trace du faisceau laser 8 - trois ouvertures dans l'enceinte 6 : une ouverture 90 par laquelle sont pompés les atomes non ionisés, et deux ouvertures 71 et 72 par lesquelles sont collectés les atomes ionisés. Le circuit 37 est, dans ce mode de réalisation, par exemple un circuit à ailettes (30) isolé du reste de l'enceinte 6 par des plaques parallèles à YOZ (plaques 35) et'à XOZ (plaques 36), laissant subsister une fente 34 parallèle à OZ dans le plan XOZ. l'énergie cohérente 8- se propage selon OZ au dessus de la fente 34. Selon le mécanisme de fonctionnement indiqué plus haut, les atomes de l'isotope recherché, ou des molécules comportant ces atomes, sont d'abord excités par l'énergie rayonnée 8 puis ionisés par l'énergie hyperfréquence se propageant dans le circuit 3. le champ magnétique (B parallèle à OX) permet, en limitant leurs mouvements dans la direction perpendiculaire (OY), de guider les particules chargées dans la direction OX, à travers des conduits 71 et 72 ou elles se recombinent par exemple pour former un gaz aspiré par un premier système de pompes. L'ouverture 90 est ménagée dans l'enceinte 6 au dessus de la fente 34 et elle est reliée à un second système de pompes. Elle est destinée à évacuer les atomes non ionisés, c'est-à-dire correspondant aux isotopes non sélectionnés, dont le mouvement selon OY n'est pas entravé par le champ B. Toutefois, afin d'améliorer la séparation entre particules chargées et atomes non ionisés, il peut être interposé à l'entrée des conduits 71 et 72 des éléments 18 affectant peu l'écoulement du gaz ionisé mais freinant le flux de gaz indésire. Ces éléments 18 peuvent être par exemple formés par deux séries de lames métalliques parallèles : une première série, perpendiculaires à OY, dont la trace est représentée sur la figure, et une seconde série, non représentée, perpendiculaires aux précédentes, c'est-à-dire parallèles au plan de la figure ; on constitue ainsi des grilles épaisses à mailles de section carrée.En ce qui concerne le dimensionnement des mailles de telles grilles, il est conditionné par deux facteurs d'une part la séparation entre le mélange ionisé, isotopiquement sélectionné, et le gaz contenant l'ensemble des isotopes tel qu'il arrive par l'entrée 5 ; d'autre part le fait que le guidage des particules chargées par le champ magnétique ne peut se faire à travers les ouvertures des grilles 18 que si celles-ci sont suffisamment grandes. En ce qui concerne qe second facteur, il est à noter que les dimensions admissibles pour les trous des grilles seront d'autant plus petites que la température électronique sera plus basse et que la densité des particules sera plus élevée.Par ailleurs, il se produit inévitablement un dépôt des atomes sur toutes les parois et en particulier sur les grilles 18, ce qui implique pour les trous de ces grilles une dimension minimum. On a donc ainsi réalisé un dispositif de séparation isotopique particulièrement adapté à l'utilisation industrielle, principalement du fait de l'utilisation d'un circuit hyperfréquence étendu et distinct du reste du dispositif, l'énergie hyperfréquence utile étant celle qui existe au voisinage de ce circuit. Cette disposition permet notamment de disposer d'une grande surface pour pomper les atomes neutres, c'est-à-dire non sélectionnés, ou pour l'admission du gaz, ainsi que d'augmenter les densités d'énergie hyperfréquence utilisables ou, plus généralement, de disposer de davantage de paramètres de réglage, du fait de la relative indépendance des éléments. A titre d'exemple, un dispositif conforme à l'invention permet d'obtenir des flux d'ions de l'ordre de 10 à 100 ampères. Bien entendu, l'invention n'est décrite ci-dessus qu'à titre d'exemple non limitatif. C'est ainsi que sont comprises dans l'invention des variantes de réalisation telles que celles relatives au mode d'admission des atomes à séparer dans le dispositif, consistant par exemple à remplacer l'entrée de gaz par un creuset contenant le matériau à l'état solide, chauffé par exemple par induction, le creuset étant alors placé hors du circuit hyper fréquence REVENDICADIONS 1. Dispositif de séparation isotopique utilisant une onde hyperfréquence et un rayonnement cohérent, comportant une enceinte à vide contenant des atomes d'isotopes de plusieurs types, le rayonnement cohérent étant dirigé selon une direction OZ et ayant une énergie telle que les atomes de l'un seulement des types d'isotopes soient portés à un niveau d'excitation défini ; ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comporte de plus un circuit constitué d'éléments conducteurs périodiquement disposés, dans lequel se propage une énergie hyperfréquence selon la direction OZ fournissant aux atomes excités l'énergie nécessaire à leur iotisation, placé au voisinage du rayonnement cohérent à une distance telle que l'ionisation s'effectue principalement à l'extérieur du circuit hyperfréquence, ce dispositif comportant en outre des moyens de guidage des ions vers des collecteurs. 2 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les éléments-conducteurs du circuit sont des ailettes sensiblement normales à la direction OZ. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les éléments conducteurs sont disposés à des distances mutuelles inférieures au double de l'épaisseur de la gaine existant entre le plasma et les surfaces qui l'entourent. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les éléments eonducteurs sont entourés sur toutes leurs faces de plaques, normales à ces derniers, ces plaques étant placées à une distance des éléments telle que la formation de plasma entre les éléments et les plaques soit inhibée par l'effet de gaine, l'une des plaques étant munie d'une fente selon la direction OZ, par laquelle se produit l'interaction de l'onde hyperfréquence avec le plasma. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens de guidage comportent un champ magnétique normal à la direction OZ. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte de plus des moyens de pompage du gaz non ionisé, placés au voisinage du circuit. 7. Dispositif selon les revendications 5 et 6, caractérisé par le fait que les moyens de pompage du gaz non ionisé aspirent le gaz dans une direction normale au champ magnétique. 8 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comporte de plus des moyens de pompage du gaz ionisé, ce dernier pompage étant réalisé dans la direction du çhamp magnétique. 9. Dispositif selon les revendications 7 et 8, caractérisé par le fait qu'il comporte de plus des grilles placées à l'entrée des conduits par lesquels est réalisé le pompage du gaz ionisé, ces grilles étant transparentes aux particules dans la direction du champ magnétique. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les grilles comportent deux séries normales entre elles de plaques parallèles, les plaques des deux séries étant parallèles à la direction du champ magnétique 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le niveau d'excitation est plus proche du niveau d'ionisation que du niveau d'énergie fondamental. 12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le rayonnement cohérent est fourni par un laser.