Brevet FR2478887A1 — publié le 19810925

La présente invention se rapporte à un appareil à décharge électronique et elle a trait plus particulièrement à un appareil à décharge électronique dans lequel une décharge est produite dans un volume par irradiation dudit volume à l'aide d'un fais- ceau électronique. Ces dernières années, on a utilisé des générateurs de faisceaux électroniques pour produire une excitation molécu- laire d'un milieu gazeux de travail. Cette excitation molécu- laire permet de produire une action de stimulation laser dans une cavité optique. En outre, une telle excitation peut être utilisée avantageusement pour conférer la conductivité élec- trique désirée à un milieu gazeux de travail dans un dispositif magnétohydrodynamique tel qu'un générateur et un accélérateur. Elle peut être aussi utilisée avec d'autres dispositifs qui nécessitent ou qui font intervenir des gaz électriquement con- ducteurs ou ionisés. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3 702 973, on a décrit un générateur de faisceau électronique qui, suivant un mode de réalisation, peut être brièvement défini comme se présentant sous la forme d'une chambre à vide dans laquelle une électrode haute tension accélère un faisceau dirigé d'électrons en direction d'une électrode mise à la masse dans la chambre à vide. Une feuille servant de fenêtre de faisceau électronique dans la paroi de la chambre à vide qui est adja- cente à l'électrode mise à la masse établit une barrière phy- sique permettant de maintenir le vide dans la chambre, mais elle est essentiellement transparente au passage des électrons pour permettre au courant d'électrons de sortir de la chambre à vide. Une troisième électrode est placée dans une position étroitement adjacente à la feuille à l'extérieur de la chambre à vide, tandis qu'une quatrième électrode est espacée de la troisième électrode de façon à for-fmer une cavité de stimulation laser à l'extérieur de la chambre à vide, qui peut être sollici- t.ee par une pression comprise entre environ un dixième de bar et la pression atmosphérique ou plus. Un potentiel de haute tension est appliqué entre la troisième et la quatrième élec- trode et ce potentiel produit, en coopération avec le faisceau électronique, une décharge qui provoque une excitation molécu- laire d'un gaz de travail, qui s'écoule typiquement entre les électrodes, de manière à produire dans un laser une inversion de population et la génération d'un faisceau laser. On a trouvé que, dans les dispositifs de types connus, le faisceau électronique ne pouvait pas atteindre une unifor- mité car il en était empêché par une dispersion des électrons sortant par la feuille, cette dispersion étant essentiellement indépendante de la tension d'accélération. On a en outre cons- taté que le profil'du faisceau électronique dans la région de travail ou d'interaction était virtuellement indépendant des caractéristiques du générateur de faisceau, excepté dans une zone très proche de la feuille. Des composants qui pénètrent dans l'écoulement de gaz de travail au travers de la zone de réaction produisent une turbulence qui, dans le cas de lasers, dégradent la qualité optique du faisceau laser. Dans les dispositifs connus, la dispersion des électrons par la feuille provoque l'accumulation de quantités substan- tielles d'énergie dans le gaz, dans des parties de la région de travail qui ont une faible importance. L'invention apporte des perfectionnements à des appareils du type général défini ci-dessus, en n'étant pas limitée uni- quement à des appareils lasers mais en pouvant être appliquée également à des appareils servant à produire des réactions chimiques dans des gaz, à ioniser un gaz et/ou à produire une décharge contrôlée dans un gaz afin d'assurer son excitation moléculaire, l'invention ayant également pour but de limiter l'angle inclus d'électrons passant au travers de la feuille et dispersés par celle-ci, de manière à maintenir les électrons dans une région désirée tout en réduisant les pertes au minimum. Conformément à la présente invention, il est prévu un appareil à décharge électronique, comprenant une région de travail que traverse un gaz de travail et dans laquelle un faisceau d'électrons de grande section est introduit au tra- vers d'une feuille mince disposée dans l'une de deux parois opposées délimitant la région de travail, un champ électrique étant engendré dans la région de travail par deux électrodes espacées l'une de l'autre, l'appareil étant caractérisé en ce qu'un écran électriquement conducteur et comportant plusieurs ouvertures est placé à proximité de la feuille de f ason que le courant électronique doive d'abord traverser la feuille, puis passer par les ouvertures, de manière à pénétrer dans la région de travail, les ouvertures ayant une profondeur, une dimension et un espacement qui permettent au courant électronique de traverser seulement un volume prédéterminé dans la région de travail. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins an- nexés dans lesquels:- la Fig. 1 représente schématiquement un appareil laser agencé conformément à la présente invention; la Fig. 2 est une vue en perspective, avec des parties indiquées en vue arrachée, d'une forme modifiée de l'écran à fenêtre de passage de faisceau électronique de l'appareil laser indiqué sur la Fig. 1; et la Fig. 3 est un graphique donnant la densité de courant de faisceau électronique dans la région de travail pour une largeur de fenêtre donnée, le graphique donnant une comparai- son entre le cas o on utilise une fenêtre à faisceau électro- nique de type connu et le cas o on utilise une fenêtre à faisceau électronique comme dans la présente invention. Sur la Fig. 1, on a représenté schématiquement un appareil laser à entretien ou maintien de faisceau électronique, cet appareil étant désigné dans son ensemble par la référence 10. Bien que l'invention soit décrite dans la suite en référence à ce laser, il est à noter qu'elle est également applicable à d'autres appareils à décharges électroniques, comme indiqué ci-dessus. L'appareil laser 10, comme indiqué seulement à titre d'exemple, comprend un carter extérieur 12 qui est pourvu d'une région de stimulation laser 14. Le carter 12 reçoit du gaz par l'intermédiaire d'une entrée 16, ce gaz traversant la région de stimulation 14 pour parvenir à une sortie 18. Bien que la Fig. 1 montre que l'écoulement du gaz s'effectue dé la droite vers la gauche, il est à noter que l'écoulement s'effectue de préférence dans la direction normale au plan de la figure. Ce gaz forme un milieu de stimulation pour le faisceau laser et il peut être composé de mélanges gazeux de gaz carbonique, d'azote et d'hélium, ainsi que d'autres gaz de stimulation laser ou de mélanges desdits gaz. Une électrode allongée 20 est placée le long d'un côté du carter 12, tandis qu'une électrode allongée 22 (de préférence mise à-la masse) est prévue dans une position opposée à l'électrode 20 de façon que les électrodes délimitent entre elles la région de stimulation laser 14. L'électrode 20 reçoit un potentiel électrique élevé à partir d'une source de courant 24, mise à-la masse de façon appropriée, par l'inter- médiaire d'une ligne 26. Le gaz se trouvant dans la région de stimulation laser 14 est excité moléculairement par un courant d'électrons provenant d'un générateur de faisceau électronique qui est disposé dans la chambre 30. Cette chambre 30 est main- tenue à une très basse pression par une pompe à vide 32 reliée à un conduit approprié 34 partant de la chambre 30. Une élec- trode à haute tension 36 du générateur de faisceau électronique est disposée à l'intérieur de la chambre 30 et est sollicitée par un potentiel électrique à l'aide d'un système d'alimenta- tion et de commande 38, convenablement mis à la masse, par l'intermédiaire d'une ligne 39. L'électrode 36 du générateur de faisceau électronique peut être maintenue à une tension élevée de façon qu'elle accélère un courant dirigé d'électrons vers une électrode 42 mise à la masse de façon appropriée. Cette électrode 42 peut être formée d'un matériau analogue à un tamis de manière qu'une proportion substantielle des élec- trons qui ont été dirigés vers l'électrode la traversent. Le courant dirigé d'électrons passe également au travers d'une feuille 40 qui est placée sur leur trajet. La feuille 40, qui fonctionne comme une fenêtre pour le faisceau électronique, est formée d'un matériau qui assure physiquement l'étanchéité de la chambre 30, mais qui permet cependant le passage du courant dirigé d'électrons avec un minimum d'atténuation. Pour former cette feuille, on peut utiliser de nombreux maté- riaux différents, tels que l'aluminium, le titane, etc. La feuille 40 recouvre de façon étanche une ouverture ménagée dans la chambre 30 et elle est supportée, de la façon la plus avantageuse, par une plaque métallique réticulée (non représentée), en liaison électrique avec le carter 12. La feuille 40 recouvre complètement l'ouverture de la chambre et elle s'étend de chaque côté de celle-ci sur une distance suffisante pour être fixée de façon amovible et hermétique sur la paroi de la chambre 30 par un anneau de retenue de fenêtre approprié ou une partie semblable. Comme cela sera décrit de façon plus détaillée en référence à la Fig. 2, il est prévu sur la feuille 40, de manière à la recouvrir, un écran 45 qui est pourvu d'une série de fentes 46 ayant une profondeur, une dimension et un espacement prédéter- minés pour permettre le passage des électrons au travers de la feuille 40 suivant l'angle inclus désiroé. L'écran 45 est de préférence placé de manière à affleurer -la paroi 49 dans la- quelle il est monté afin de réduire au minimum la turbulence dans cette zone. Lorsque l'appareil laser 10 doit être utilisé, on fait passer le milieu gazeux de travail au travers de la région de stimulation 14 et la source de courant 24, ainsi que le système d'alimentation et de commande 38, fournissent de l'énergie électrique aux électrodes 20 et 22 qui sont placées dans la région de stimulation laser et, également, à l'électrode 36 du générateur de faisceau électronique. Pour fonctionner dans le mode à impulsions multiples, la source de courant 24 peut s'appliquer à un potentiel pulsatoire entre les électrodes 20 et 22, tandis que le système d'alimentation et de commande 38 de l'électrode 36 du générateur de faisceau électronique peut produire une série d'impulsions coincidant avec les impulsions de maintien qui sont appliquées aux électrodes 20 et 22. Quand la source de courant 38 est excitée, une combinaison de l'action des électrodes 20 et 22 et du courant dirigé d'électrons qui traverse la région de travail ou de stimulation laser produit une inversion dans le gaz se trouvant à l'inté- rieur de la région de stimulation laser 14 afin de produire une action de stimulation laser. Des miroirs 44 et 47 placés aux extlrités opposées des électrodes 20 et 22 forment entre eux une cavité de laser optique à régénération de manière qu'un faisceau laser cohéerent soit engendre dans la région 14. Le miroir de laser 47 peut assurer une transmission partielle de sorte qu'une partie du faisceau qui arrive sur lui sort du carter sous la forme d'un faisceau laser dirigé. En variante, comme cela est bien connu dans ce domaine, les miroirs 44 et 47 peuvent être supprimés et on peut faire pas- ser un faisceau laser approprié dans la cavité de laser lors- que l'appareil doit fonctionner comme un amplificateur. Sur la Fig. 2, on a représenté un mode de réalisation de l'écran 45 qui se présente sous une forme rectangulaire, avec des fentes 46 orientées dans sa direction longitudinale. Les fentes occupent la majorité de la section droite de l'écran 45. Bien que l'écran 45 ait été représenté comme étant placé au contact de la feuille 40 de manière à la recouvrir, il va de soi que, le cas échéant, on peut espacer l'écran 45 de cette feuille 40. L'espacement de l'écran 45 par rapport à la feuille , tout en réduisant la transmission de chaleur entre cette feuille 40 et l'écran 45, procure l'avantage de réduire le profil des fentes ou des ouvertures, et par conséquent de di- minuer les pertes affectant le faisceau électronique lors de la traversée de l'écran. D'une façon générale, une détermination des dimensions des fentes ou ouvertures est basée sur le champ ou volume qu'on désire irradier. Après détermination du champ ou volume à irradier, on définit d'une manière classique les dimensions des fentes ou ouvertures, et des voiles intermédiaires 50, en choisissant de préférence des dimensions qui limitent l'irra- diation par le faisceau électronique au volume désiré et le plus efficace, tout en maintenant les pertes dans l'écran au minimum. Lorsqu'on désire obtenir à la sortie des puissances importantes, on peut ménager dans l'écran des passages de réfrigérant (non représentés) et/ou on peut prévoir des con- duits 48 d'écoulement d'un réfrigérant. Pour l'application classique o il est prévu un faisceau électronique rectangulaire de grande section, il est plus commode d'utiliser des fentes 46 telles que celles de la Fig. 2 puisqu'une dispersion des électrons dans la direction longitu- dinale est faible, excepté aux extrémités de la région de tra- vail ou de stimulation laser. En conséquence, lorsqu'on fait intervenir des régions de travail qui ont des sections autres que la forme rectangulaire, les ouvertures ménagées dans l'écran ne doivent pas avoir obligatoirement une forme rectangulaire, 247883 7 et elles peuvent prendre toute autre forme, profil ou orien- tation désirés. L'invention est applicable très avantageusement à des appareils dans lesquels l'énergie du faisceau électronique atteint une valeur telle qu'une dispersion se produit lorsque des électrons sortent de la feuille 40. Pour des énergies de faisceau électronique suffisamment élevées, des électrons sortent de la feuille et se déplacent suivant des lignes plus ou moins droites, ce qui évite de prévoir un écran. Cependant, dans de nombreuses applications, de telles énergies élevées d'un faisceau électronique sont soit inutiles soit indésirables. La Fig. 3 met en évidence le perfectionnement qu'on peut obtenir avec l'écran d'un appareil agencé conformément à la présente invention. La courbe extérieure donne, à titre d'exem- ple, la densité de courant d'un faisceau électronique dans une région typique de travail dans le cas d'une feuille ouverte, tandis que la courbe intérieure met en évidence le fait que la densité de courant du faisceau électronique est considéra- blement limitée dans la région effective de travail de la feuille protégée par écran. Dans des appareils à décharge électronique du type à entretien de faisceau électronique, la majorité de l'énergie électrique est cédée au gaz de tra- vail provenant du circuit d'entretien qui comporte les élec- trodes 20 et 22 de la Fig. 1. Cette énergie est introduite dans le gaz de travail essentiellement seulement lorsque le faisceau électronique existe. La description faite ci-dessus, et également la Fig. 3, montrent clairement que la réduction de la perte d'énergie dans les régions situées en amont et en aval de la région effective de stimulation laser (c'est-à- dire les régions qui sont situées entre les flancs des deux courbes de la Fig. 3 qui ne contribuent pas effectivement à un fonctionnement efficace) est bien supérieure à la petite augmentation de puissance du faisceau électronique qui peut être imposée pour compenser les pertes se produisant dans l'écran. On va maintenant reconsidérer la Fig. 2, qui montre que l'écran 46 est de préférence placé dans un creux ménagé dans la paroi de canal 49 de telle sorte que sa surface extérieure vienne affleurer la surface exposée de ladite paroi 49. En outre,l'écran 45 fonctionne de préférence comme une anode dans le circuit d'entretien ou de maintien de faisceau (élec- trode 22 de la Fig. 2). L'utilisation de l'écran 45 pour dé- finir une électrode de circuit de maintien ou d'entretien venant affleurer la paroi de chambre, outre qu'elle assure avantageusement un étranglement du faisceau électronique, évite de disposer des électrodes de types connus dans l'écou- lement gazeux, comme cela a été décrit par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3 860 887. L'agencement de l'électrode 20 de la Fig. 1 sous la forme d'une plaque métallique venant affleurer la paroi permet, en combinaison avec l'électrode 22, non seulement d'améliorer la distribution du faisceau électronique et de réduire les pertes en énergie électrique mais, également, par diminution de la turbulence dans la région de stimulation laser, d'améliorer les qualités optiques du faisceau laser. Bien entendu, la présente invention n'est nullement li- mitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. 24788"7 REVENDICATIONS 1.- Appareil à décharge électronique, comprenant une ré- gion de travail que traverse un gaz de travail et dans laquelle un faisceau d'électrons de grande section est introduit au tra- vers d'une feuille mince disposée dans l'une de deux parois opposées délimitant la région de travail, un champ électrique étant engendré dans'la région de travail par deux électrodes espacées l'une de l'autre, appareil caractérisé en ce qu'un écran électriquement conducteur (45) comportant plusieurs ouvertures (46) est placé à proximité de la feuille (40) de façon que le courant électronique doive d'abord traverser la feuille, puis passer par les ouvertures ayant une profondeur, une dimension et un espacement qui permettent au courant élec- tronique de traverser seulement un volume prédéterminé dans la région de travail (14). 2.- Appareil à décharge électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit écran (45) est placé en contact avec ladite feuille (40). 3.- Appareil à décharge électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit écran (45) est espacé de ladite feuille (40). 4.- Appareil à décharge électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la feuille (40) et l'écran (45) sont placés dans un évidement ménagé dans l'une (49) des deux parois placées dans des positions opposées, la surface de l'écran qui n'est pas en contact avec la feuille venant affleurer la sur- face de ladite paroi (49) qui est tournée vers la région de travail (14) 5.- Appareil à décharge électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la feuille (40) et l'écran (45) sont placés dans un évidement ménagé dans l'une (49) desdites parois placées dans des positions opposées, la surface de l'écran qui est la plus éloignée de la feuille venant affleurer la surface de ladite paroi (49) qui est tournée vers la région de travail (14). 6.- Appareil à décharge électronique selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l'écran (45) comprend l'une (22) des deux électrodes précitées (20, 22). 7.- Appareil à décharge électronique selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce que l'autre électrode (22) vient affleurer la surface de ladite autre paroi. 8.- Appareil à décharge électronique selon la revendica- tion 7, caractérisé en ce que ladite autre électrode 22 est une plaque métallique plane.