Brevet FR2520563A1 — publié le 19830729

La présente invention se rapporte à de nouveaux lasers chimiques à haute cadence de répétition Les la- sers fonctionnent par prémélange de réactifs qui sont en- suite détendus à travers une tuyère supersonique, à l'a- 5 val de laquelle est située une cavité ou enceinte laser comportant des moyens d'application d'une décharge élec- trique impulsionnelle au dit mélange de réactifs, ce qui déclenche la réaction chimique requise produisant les élé- ments excités et aboutissant à l'émission laser désirée. 10 Le nouveau laser peut fonctionner effectivement à des cadences d'impulsions de plusieurs dizaines de kilohertz Le nouveau laser peut être utilisé pour la séparation des i- sotopes. On connatt différents types de lasers chimiques. 15 Ils sont classés en deux types principaux : a) Le premier type est basé sur le mélange in situ d'un oxydant et d'un combustible gazeux, produisant une émis- sion continue Le mélange gazeux peut être activé par une décharge électrique (microonde, radiofréquence ou courant 20 continu) ou par décomposition thermique (chauffage à l'arc ou brûleurs), afin de produire les éléments de déclenche- ment de la réaction La vitesse de la réaction chimique est déterminée principalement par la diffusion et, par conséquent, ce type de laser doit fonctionner sous des 25 pressions relativement basses, de l'ordre de 1 à 20 Torr, afin que le taux de production des éléments d'émission la- ser soit supérieur à leur taux de destruction par collision. b) La deuxième type est basé sur l'utilisation de combustibles et d'oxydants prémélangés, les éléments nécessai- 30 res au déclenchement de la réaction étant produits par photolyse éclair, par un faisceau d'électrons ou par une décharge à impulsion De tels réactifs prémélangés peuvent présenter des risques d'inflammation et d'explosion Une fois que le mélange est allumé, il est difficile de l'étein- 35 dre et la combustion peut se transformer, par une réaction 2 en chatne, en une onde d'explosion qui peut provoquer la détérioration du dispositif. Deux types principaux de molécules sont utili- sés comme éléments d'émission laser, dans les lasers chi- 5 miques = un halogénure d'hydrogène (HX) et l'oxyde de carbone (CO) Pour les lasers de type HX, les combusti- bles appropriés sont des molécules contenant de l'hydrogène (ou du deuterium), telles que l'hydrogène, des hy- drocarbures et divers hybrides organiques et non organi- 10 _ ques ; les oxydants appropriés sont des molécules conte- nant un halogène, par exemple fluorure, trifluorure d'azo- te, hexafluorure de soufre, chlore, brome et divers halo- génures organiques et non organiques Afin d'inhiber la préréaction dans les mélanges combustible-oxydant, on peut 15 utiliser des éléments de balayage appropriés, par exemple l'oxygène et un oxyde d'azote Pour les lasers de type CO, les combustibles appropriés sont des molécules contenant du carbone, par exemple bisulfure de carbone et bisele- niure de carbone ; les oxydants appropriés sont des molé- 20 cules contenant de l'oxygène, par exemple oxygène,ozone, oxyde nitreux et anhydride sulfureux Les réactifs actifs sont souvent dilués-avec un gaz inerte approprié, par exemple hélium, argon ou azote Des listes détaillées de combustibles, oxydants et diluants pour lasers chimiques 25 sont données dans "Handbook of Chemical Lasers", publié par R W F Gross et J F Bott , et ces corps conviennent à l'utilisation dans un dispositif du type décrit ci-après. L'invention a pour objet un laser chimique à 30 impulsions à haute cadence de répétition Le laser com- prend, en combinaison : une chambre de mélange, pour le prémélange des réactifs qui sont introduits de façon con- tinue dans le dispositif ; des moyens d'entrée dans cette chambre; une tuyère supersonique conduisant de la chambre 35 à une cavité laser, cette dernière comportant des moyens 3 d'application d'une décharge électrique d'impulsion aux réactifs, afin de déclencher la réaction chimique qui pro- duit les éléments excités et l'émission laser Le procédé d'émission laser conforme à l'invention comprend : le 5 prémélange des réactifs et du diluant gazeux, avec un inhibiteur si on le désire ; la détente du mélange gazeux résultant, de façon continue, à travers une tuyère superso- nique, à une vitesse supérieure à la vitesse de combustion; et l'application d'une décharge électrique d'impulsion qui 10 déclenche la réaction chimique aboutissant à la production des éléments laser Les gaz usés sont déplacés hors de la cavité, tandis qu'on introduit de nouveaux réactifs gazeux frais dans la cavité laser, à vitesse supersonique Puisque les gaz de réaction sont chassés hors de la cavité laser 15 à une vitesse plus grande que celle à laquelle la réaction peut se propager à l'amont, il n'y a pas d'empêchement au remplissage de la cavité laser avec des gaz n'ayant pas en- core réagi, avant le déclenchement du cycle d'impulsion suivant La fréquence des impulsions peut être réglée en 20 fonction des applications envisagées Elle est en général de l'ordre du kilohertz, et des cadences d'impulsions de l'ordre de dizaines de kilohertz peuvent être atteintes. Les impulsions électriques sont de l'ordre de fractions de joule à plusieurs joules, et elles sont appliquées à 25 une fréquence de 100 Hz à 100 k Hz environ Les gaz sont introduits dans la chambre de mélange, sous des pressions de l'ordre de quelques Torr à plusieurs bars, et ils s'écoulent à partir de cette chambre à travers une tuyère su- personique, atteignant ainsi une vitesse de 1 à 10 Mach. 30 Le nouveau laser peut être utilisé dans un procédé de sé- paration isotopique, du type défini dans le brevet DA-S- 2 312 194 du 12 3 1973, dans lequel on utilise jusqu'à trois lasers, à des cadences de répétition de plusieurs kilohertz, pour exciter sélectivement l'un de plusieurs 35 éléments isotopiques et pour ioniser ces éléments excités 4 par un photon infrarouge provenant d'un laser à gaz carbo- nique. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de sa forme de réalisation, non limitative, 5 représentée sur les dessins annexés dans lesquels : Fig 1 est une vue de côté, en coupe, d'un laser conforme à l'invention ; et Fig 2 est une vue en perspective du même laser, en coupe pour la clarté du dessin. 10 Comme représenté sur la figure 1, le nouveau laser suivant l'invention comprend, en combinaison, une chambre de mélange 1 comportant des moyens d'entrée 2, 3 et 4 pour les éléments gazeux qui pénètrent ensuite, par l'intermédiaire d'une tuyère supersonique 5, dans la ca- 15 vitê laser 6 Dans cette dernière, des moyens sont prévus pour appliquer des impulsions électriques à haute cadence de répétition Ces moyens comprennent une anode métallique 7 et une borne d'application d'impulsions à haute tension à des cathodes 9 à tige métallique L'anode métallique est 20 reliée à un retour par la masse, et la borne 8 d'impulsions à haute tension est raccordée, à travers un ballast approprié, à un circuit d'élaboration d'impulsions à haute ten- sion Un miroir 10 de couplage de sortie est disposé en face d'un autre miroir, non représenté, situé à distance 25 du premier, sur la paroi opposée de la cavité laser Un réservoir tampon 11, sous vide, est relié à une pompe à vi- de Sur la figure 2, les différents éléments du laser por- tent les mêmes repères que sur la figure 1. Plusieurs modes de réalisation de l'invention, 30 non limitatifs, sont décrits ci-après, pour mieux faire comprendre l'invention. 1 On fabrique un dispositif dans lequel la chambre de mélange a un volume de 84 ml et on injecte dans cette cham- bre de tiélange, par des buses appropriées, de l'hexafluoru- 35 re de soufre sous une pression de 2 bars, de l'hydrogène s gazeux sous une pression de 10 bars et de l'hélium sous une pression de 10 bars Le mélange gazeux résultant dans la chambre de mélange est composé de 8 % d'hexafluorure de soufre, 4 % d'hydrogène et 88 % d'hélium, les pourcentages s' 5 entendant en volume, sous une pression statique de 200 Torr dans la chambre de mélange Le mélange gazeux pénè- tre dans la chambre de décharge, à travers une tuyère su- personique à 2,5 Mach, à un débit de 65 Nl/s La hauteur de col de la tuyère supersonique est de 9 mm La chambre 10 de décharge, de section transversale rectangulaire, a une hauteur de 2 cm et une longueur de 10 cm La pression dans la chambre de décharge est de 12 Torr On applique une impulsion électrique transversale de 2 joules, à une fréquence de 6500 Hertz La cavité laser est disposée 15 transversalement à la fois à la direction de l'écoulement et de la décharge L'ouverture est de 20 mm La distance entre les miroirs est de 100 mm Le réflecteur total est en or sur du verre à diélectrique amélioré Le réflecteur partiel est constitué par du séléniure de zinc à revêtement diélectrique, ayant une réflectivité de 92 % autour de 2,8 microns Les deux miroirs ont un rayon de courbure de lm On obtient des impulsions laser de 1,5 millijoule environ chacune, dans la bande haute fréquence La puis- sance moyenne du laser est ainsi de l'ordre de 10 watts. 25 2 Avec ce dispositif et dans les mêmes conditions de fonctionnement que ci-dessus, sauf en ce que l'hexafluoru- re de soufre est remplacé par du fluor et en ce qu'on ajou- te 1 % d'oxygène au mélange gazeux dans la chambre de mélan- ge, la puissance moyenne du laser augmente alors à plus 30 de 100 watts Le dispositif peut fonctionner sous des pres- sions plus élevées, par exemple des pressions en régime établi de 1 à 10 bars dans la chambre de mélange, avec des rapports analogues de réactifs, ce qui fournit des sorties plus élevées de façon correspondante, proportionnellement 35 au débit massique Dans ce cas, le réservoir tampon de vide 6 n'est pas nécessaire et les gaz usés sont évacués à l'at- mosphère. Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction ,5 du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. 8 réaction chimique, et évacuer les gaz usés de la cavité laser. Revendications 1 Laser chimique à haute cadence de répétition, ca- ractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison : une cham- bre de mélange ( 1); des moyens ( 2,3,4) d'introduction de réactifs de façon continue dans la chambre ( 1) ; une tu- 5 yère supersonique ( 5) constituant une sortie de la cham- bre de mélange ( 1) ; une cavité laser ( 6), située à la sortie de la tuyère ( 5) ; et des moyens ( 7,8,9) d'appli- cation d'une décharge électrique à impulsions aux réactifs dans la cavité laser ( 6) ; et en ce qu'il comprend de pré- 10 férence des moyens d'introduction de réactifs gazeux dans la chambre de mélange. 2 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la tuyère supersonique ( 5) est de section trans- versale rectangulaire, et en ce qu'une paire de miroirs 15 ( 10) est de préférence prévue dans la cavité laser ( 6). 3 Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé en ce qu'il comprend un réservoir tampon ( 11 }, sous vide, relié à la sortie de la cavité laser ( 6). 4 Dispositif suivant l'une quelconque des revendi- 20 cations 1 à 3, caractérisé en ce qu'il peut fonctionner de façon continue, dans un mode de fonctionnement par impul- sions. 5 Dispositif suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens 25 d'application d'une impulsion, à une cadence de répétition de l'ordre du kilohertz. 6 Procédé d'émission laser continue à haute cadence de répétition, qui consiste à : prémélanger les réactifs désirés, si nécessaire avec des diluants ou des inhibiteurs; 30 détendre le mélange gazeux résultant, à travers une tuyère supersonique, à une vitesse supérieure à la vitesse de com- bustion du mélange ; appliquer au mélange une décharge é- électrique à impulsions à haute cadence, qui déclenche la 7 Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la pression en régime établi, dans la chambre 5 de mélange, est inférieure à la pression atmosphérique, les gaz usés étant évacués dans une atmosphère maintenue à une pression inférieure à la pression atmosphérique. 8 Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la pression en régime établi, dans la chambre 10 de mélange, est maintenue à une valeur supérieure à la pression atmosphérique, les gaz usés étant évacués à l'atmosphère. 9 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la fréquence des impulsions 15 est de l'ordre du kilohertz. 10 Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions 6 à 9, caractérisé en ce que les réactifs comprennent de l'hexafluorure de soufre, en combinaison avec l'hydro- gène ou un hydrocarbure comme combustible et un diluant 20 inerte. 11 Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions 6 à 9, caractérisé en ce que les réactifs comprennent en combinaison du fluor avec de l'hydrogène ou un hydrocar- bure comme combustible, et éventuellement de l'oxygène et 25 un diluant. 12 Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions 6 à 9, caractérisé en ce que les réactifs compren- nent du chlore ou du brome en combinaison avec de l'hydro- gène. 13 Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions 6 à 9, caractérisé en ce que les réactifs compren- nent en combinaison de l'hexafluorure de soufre et un al- kane, As H 3, Ge H 4. 14 Procédé suivant l'une quelconque des revendica- 35 tions 6 à 9, caractérisé en ce que les réactifs sont des molécules contenant du carbone, choisies entre le bisul- fure de carbone et le biseleniure de carbone, et l'autre réactif est constitué par des molécules contenant de l'o- kygène, choisies parmi l'oxygène, l'ozone, l'oxyde nitreux 5 et l'anhydride sulfureux. 15 Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions 6 et 8 à 14, caractérisé en ce que la pression sta- tique des gaz est assez élevée pour permettre l'évacuation à l'atmosphère.