Brevet FR2569062A1 — publié le 19860214

La Drsente invention concerne un dispositif laser à flux gazeux, On connaît des générateurs lasers dans lesquels on produit une décharge électrique dans un gaz primaire que l'on mélange ensuite à un gaz secondaire. La décharge électrique a pour effet de fournir au gaz primaire une énergie d'excitation qui est ensuite transférée au gaz secondaire par intéraction molé- culaire. L'excitation de ce deuxième gaz permet à ce dernier une émission de lumière stimulée au sein d'une cavité optique, c' est-à-dire une émission laser. Les molécules du gaz primaire, par exemple de l'azote, possèdent trois modes d'excitation possibles, thermique, rotationnelle et vibrationnelle. Les temps de relaxation des deux premiers modes sont très faibles, d'oi il résulte que lorsque les molécules d'azote et les molécules du gaz secondaire, par exemole du gaz car- bonique, se mélangent, c'est l'énergie vibrationnelle de l'azote qui produit au sein du gaz carbonique l'inversion de population qui donne naissance à une impul- sion laser de forte puissance. Le gaz secondaire pourrait cependant être aussi, par exemple, de l'oxyde de carbone CO. Pour un fonctionnement efficace du laser, il faut que l'azote se mélange au gaz carbonique et que le mélange parvienne rapidement dans la cavité optique. C'est pourquoi il est connu de donner à l'azote une vitesse supersonique dans des tuyères faisant communiquer la chambre d'excitation avec une chambre d'expansion, dans laquelle la pression est inférieure à environ la moitié de la pression dans la chambre d'excitation. Il est, par ailleurs, connu d'introduire le gaz carbonique dans la chambre d'expansion au moyen d'injecteurs alimentés en gaz sous forte pression et percés d'orifices d'injection à travers lesquels le gaz prend une vitesse égale à celle du son. Cette disposition Dermet une détermination précise du débit de gaz carbonique. Il est également connu de disposer les injecteurs de gaz carbonique de manière à ce que les intervalles entre deux injecteurs voisins forment les tuyères à travers lesquelles l'azote passe de la chambre d'excitation vers la chambre d'expansion. Les orifices d'injection de gaz carbonique sont percés dans la face "aval" de ces injecteurs de manière à diriger le jet vers la chambre d'expansion, parallèlement au flux d'azote. La cavité optique est disposée à faible distance de la sortie des tuyères pour éviter que le gaz carbonique n'ait le temps de perdre une trop grande pro- portion de l'énergie d'excitation qu'il a reçue de l'azote. Cette distance doit cependant être suffisante pour que le transfert d'énergie résultant du mélange des deux gaz ait le temps de se faire de manière efficace. Quelle que soit la distance choisie, une fraction importante de l'énergie d'excitation de l'azote est perdue. La présente invention a pour but la réalisation d'un dispositif laser à flux 2 2569062 gazeux à rendement énergétique accru. Elle a pour objet un dispositif laser à flux gazeux comportant: - une chambre d'excitation allongée s'ouvrant à son extrémité aval dans une chambre d'expansion, - au moins un injecteur primaire pour introduire un gaz primaire à l'extrémité amont de cette chambre d'excitation en créant dans cette chambre un écoulement turbulent, - au moins deux électrodes pour créer dans cette chambre d'excitation une déchar- ge électrique "d'excitation" stable et diffuse pour exciter ce gaz primaire, - une pluralité d'injecteurs secondaires étant disposés à l'extrémité aval de cette chambre d'excitation en formant une barrière la séparant de la chambre d'expansion, les intervalles entre deux injecteurs secondaires formant des tuyères à travers lesquelles le gaz primaire peut passer de la chambre d'excita- tion à la chambre d'expansion, chacune de ces tuyères présentant un col de section minimale et à partir de ce col, une partie divergente débouchant dans la chambre d'expansion, ce qui permet au gaz primaire d'acquérir dans cette partie diver- gente une vitesse supersonique lorsqu'il existe un rapport de pression suffisant entre la chambre d'excitation et la chambre d'expansion, chacun des injecteurs secondaires possédant des orifices d'injection disposés de manière à introduire un gaz secondaire dans l'écoulement du gaz primaire, certaines molécules de ce gaz secondaire étant propres à être excitées par transfert d'énergie à partir des molécules excitées du gaz primaire et à émettre alors de la lumière, - des moyens optiques pour permettre l'émission stimulée de lumière cohérente par le gaz secondaire dans une zone d'émission de la chambre d'expansion. _ la pression d'alimentation des injecteurs secondaires étant choisie suffisante pour que le deuxième gaz atteigne une vitesse sonique dans les orifices d'injec- tion, - des moyens d'évacuation étant prévus pour maintenir la pression dans la chambre d'expansion à une valeur suffisamment basse pour assurer une vitesse au moins sonique au gaz primaire à la sortie des tuyères primaires, caractérisé par le fait que lesdits orifices d'injection débouchent dans lesdites tuyères au voisi- nage du col de celles-ci de manière à ce que lesdits gaz primaire et secondaire se détendent ensemble tout en se mélangeant dans lesdites parties divergentes des tuyères. A l'aide des figures schématiques I et 2 ci-jointes, on va décrire ciaprès, à titre non limitatif, un mode de mise en oeuvre de l'invention. Les éléments qui se correspondent sur ces deux figures y sont désignés par les memes numéros de référence. La figure I représente une vue en coupe d'un dispositif selon l'invention. La figure 2 représente un agrandissement d'une partie de la figure 1. Le dispositif représenté comporte une chambre d'excitation 2, de forme cv- lindrique de révolution, avec un diametre de 5cm et une longueur de 33cm. & une extrmit é amont de cette chambre sont disposés deux injecteurs primaires 4 et 6 reliés à une source d'azote sous pression SN. Ces deux injecteurs sont métalliques et se terminent chacun par une tuyère permettant la formation d'un jet d'azote supersonique. La chambre d'excitation 2 se raccorde à son extrémité aval à une chambre d'expansion 8 prismatique h section rectangulaire, avec une hauteur de 18mm per- nendiculairement au plan de la figure et une largeur de 126mm dans le plan de la figure. L'extremité amont de la chambre d'expansion 8 est partiellement obturée par 21 barreaux métalliques tels que 10 et 12, équidistants avec un pas de 6mm et disposés perpendiculairement au plan de la figure X travers toute la hauteur de cette chambre. Les intervalles entre ces barreaux forment des tuyères telles que 14, qui sont d'abord convergentes jusqu'à un col, puis divergentes à partir de ce col et à travers lesquelles l'azote peut passer de la chambre 2 a la chambre 8. La largeur de ces tuyères au col de lmm. La largeur au col est divisée par deux pour les deux tuyères latérales situées entre une paroi latérale de la chambre 8 et un barreau tel que 10 voisin de cette paroi. La longueur totale de ces tuyères, c'est-à-dire la longueur des barreaux tels que 10 parallèlement h l'coulement de l'azote, est de 16,5mm. A condition que la pression dans l'enceinte 8 soit sufflsament basse, l'amte prend une vitesse sonique au col des tuyères primaires telle que 14, et une vitesse supersonique dans la partie divergente de ces tuyres. Le débit des injecteurs primaires 4 et 6 est choisi de façon a ce que la pression dans l'enceinte 2 soit de I atmosphère environ. La grande vitesse du jet d'azote qu'ils fournissent, ainsi que le choix des dimensions de la chambre d'excitation 2 et des tuyères telles que 14 font qu'il se produit un écoulement tourbillonnaire de - l'azote dans cette chambre. Cet écoulement permet de rendre stable une décharge électrique d'excitation établie entre d'une part les injecteurs primaires 4 et 6 relies à la borne positive d'un générateur électrique 6 à travers une résistance de stabilisation R, et d'autre part les barreaux tels que 10 et 12. L'énergie de cette décharge est comprise de préférence entre 500 et 5000 kilojoules par kilo- grammes d'azote injecté-, par exemmple 1.500 kj/kg avec une tension comprise entre 20 et 70 kV. Les barreaux tels que 10 et 12 constituent des injecteurs secondaires per- mettant d'injecter vers la chambre d'expansion un gaz secondaire constitué par un mélange de gaz carbonique et d'hélium, ou de gaz carbonique et de vapeur d'eau. Ces injecteurs secondaires sont disposés de manière h ce que le gaz secondaire se détende en meme temps que 1 'azote et se mélange h ce dernier dans 4 2569062 les tuyères. Pour cela ces injecteurs secondaires sont alimnentés en parallèles sous pression à partir d'un réservoir SC et sont munis chacun de deux fentes latérales verticales telles que 16 et 18, s'étendant sur toute la hauteur de l'injecteur des deux côtés de celui-ci et à travers lesquelles le gaz secondaire atteint une vitesse sonique. Ces fentes débouchent dans les tuyères telles que 14 à leur col et sont dirigées vers l'aval en formant un angle d'environ 450 avec la direction de l'écoulement. Elles ont une largeur de 0,25mm. Tous les injecteurs secondaires sont constitués comme l'injecteur 12 qui 0 comportent un tube d'alimentation 30 en acier inoxydable. Ce tube est cylindrique de révolution, avec un diamètre extérieur de 4mm et une épaisseur de 0,2mm. Il s'étend perpendiculairement au plan des figures sur toute la hauteur de l'injec- teur en dépassant aux deux extrémités de manière a permettre sa fixation dans les parois de la chambre d'expansion 8 qui sont parallèles au plan des figures. Les deux extrémités de ce tube sont raccordées au réservoir SC qui lui fournit le gaz secondaire sous pression. L'injecteur secondaire 12 comporte encore une partie amont en laiton 32 située en amont des fentes 16 et 18 et du tube 30. La face amont de cette partie amont est cylindrique avec une section semi-circulaire concentrique au tube 30. Le diamètre de cette face à section semi-circulaire est de 5cm. La face aval de cette partie amont est constituée dans son milieu, par la surface extérieure du tube 30, et sur ses bords, par les parois des fentes 16 et 18 qui débouchent sensiblement dans un même plan passant par les axes de tous les tubes tels que 30. Les extrémités latérales des parties amont telles que 32 ont donc une forme en lame de couteau,c'est-à-dire qu'elles se terminent par une arête vive, perpen- diculaire au plan des figures, les deux c6tés de cette arête formant un angle de environ. L'injecteur secondaire 12 comporte encore une partie aval 34 en laiton. La face amont de cette partie aval est constituée dans sa partie médiane par la surface extérieure du tube 30 et, sur ses bords, par les parois des fentes 16 et 18. La largeur de la partie aval 34 est la plus grande dans le plan passant par les axes de tous les tubes tels que 30. Cette largeur la plus grande est la distance qui sépare les extrémités latérales de cette partie aval, ces extrémités latérales constituent le bord intérieur de l'ouverture des fentes 16 et 18. Cette ouverture a une largeur de 0,35rm environ et est située sensiblement dans le plan passant par les axes de tous les tubes tels que 30, alors que la largeur des fentes 16 et 18, mesurée perpendiculairement à ces fentes est de 0,25Nm environ. Ces fentes se prolongent à travers la paroi du tube 30 pour assurer leur ali- mentation. 256906Z La largeur de la partie aval 34 décroit ensuite progressivement vers l'aval jusqu'à l'extrémité aval en forme de lame de couteau, dont l'arête vive est parallèle a l'axe du tube 30 et située à une distance de 14 mm de celui-ci, le plan passant par cette arête et cet axe étant parallèle à la direction de l',cou- lement. Entre les extrémités latérales et l'extrîmité aval de la partie aval 34 les parois de celles-ci sont planes et forment chacune l'une des parois de la partie divergente d'une tuyère telle que 14. Il résulte de cette disposition que le gaz secondaire sortant des fentes 16 et 18 trouve un espace libre de 0,35mm de large le long des parois divergentes, des tuyères telles que 14. Il se mélange au gaz primaire tout en se détendant avec lui. Les pressions des gaz primaire et secondaire sont choisies sensible- ment égales au col des tuyères. La pression dans les tubes tels que 30 est de 0,7 ou 0,8 bars environ, avec une proportion de 16 % de 2 et de 84 % d'hélium, en volume. Le débit d'azote est de 20 % du débit gazeux total, en volume. La pression dans la chambre d'expansion 8 est de 8 torrs pour l'azote et de 32 torrs pour le mélange CO2 + He. Immédiatement en aval des injecteurs secondaires tels que 10 et 12 les deux parois latérales de la chambre d'expansion 8 perpendiculaires au plan de la figure sont remplacées par deux miroirs métalliques 20 et 22, de forme rectangu- laire, de 8cm de longueur parallèlement à l'écoulement gazeux. Le miroir 20 est concave et plein. Le miroir 22 est plan et perce d'une ouverture centrale de 12mm de diamètre, obtur5e par une fenetre 24 constituée de chlorure de sodium. On constitue ainsi une cavité optique résonante permettant une émission stimulée de lumière à partir de l'énergie d'excitation fournie par l'azote au gaz carbo- nique, la lumière ainsi produite pouvant sortir par la fenêtre 24. L'espace intérieur à cette cavité a été précédemment appelée zone d'émission. La position de cette zone reste la même la meme si l'on remplace les miroirs 20 et 22 par des fengtres pour utiliser le dispositif décrit commne un amplificateur laser. La chambre d'expansion 8, dont l'extrémité aval peut coïncider avec celle des miroirs 20 et 22, se continue par une tubulure d'évacuation 26 qui est éga- lement prismatique et de même section et qui débouche dans une enceinte évacuée 28 communiquant avec un ensemble de pompage 29. 6 2569062 REVENDICATIONS 1/ Dispositif laser à flux gazeux comportant: - une chambre d'excitation allongée (2) s'ouvrant à son extrnémité aval dans une chambre d'expansion (8), - au moins un injecteur primaire (6) pour introduire un gaz orimaire à l'extré- mité amont de cette chambre d'excitation en créant dans cette chambre un écou- lement turbulent, - au moins deux électrodes (6, 12), pour créer dans cette chambre d'excitation une décharge électrique "d'excitation" stable et diffuse pour exciter ce gaz primaire, - une pluralité d'injecteurs secondaires (10, 12) étant disposes à l'extrémité aval de cette chambre d'excitation en formant une barrière la séparant de la chambre d'expansion, les intervalles entre deux injecteurs secondaires formant des tuyères (14) à travers lesquelles le gaz primaire peut passer de la chambre d'excitation (2) à la chambre d'expansion (8), chacune de ces tuyères présentant un col de section minimale et, à partir de ce col, une partie divergente dgbou- chant dans la chambre d'expansion, ce qui permet au gaz primaire d'acqu6rir dans cette partie divergente une vitesse supersonique lorsqu'il existe un rapport de pression suffisant entre la chambre d'excitation et la chambre d'expansion, chacun des injecteurs secondaires possèdant des orifices d'injection (16, 18) disposés de manière à introduire un gaz secondaire dans l'écoulement du gaz primaire, certaines molécules de ce gaz secondaire étant propres ê 'être excitées par transfert d'énergie à partir des molécules excitées du gaz primaire et à émettre alors de la lumière, - des moyens optiques (20, 22) pour permettre l'omission stimulée de lumière cohérente par le gaz secondaire dans une zone d'émission de la chambre d'expansion, - la pression d'alimentation des injecteurs secondaires (10, 12) étant choisie suffisante pour que le deuxième gaz atteigne une vitesse sonique dans les ori- fices d'injection (16, 18), - des moyens d'évacuation (29) 6tant prévus pour maintenir la pression dans la chambre d'expansion à une valeur suffisament basse pour assurer une vitesse au moins sonique au gaz primaire à la sortie des tuyères primaires, caractérisé par le fait que lesdits orifices d'injection (16, 18) débouchent dans lesdites tuyères (14) au voisinage du col de celles-ci de manière à ce que lesdits gaz primaire et secondaire se détendent ensemble tout en se mélangeant dans lesdites parties divergentes des tuyères. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits orifices d'injection (16, 18) sont orientés de manière à ce que la vitesse du gaz secondaire dans ces orifices présente une composante dans le sens de l'écou- lement du gaz primaire. 7.2569062 3/ Dispositif selon la revenidcation I caractérisé par le fait que lecqits injecteurs secondaires (10, 12) présentent la forme de barreaux paralliles, lesdits orifices d'injection (16, 18) formant des fentes d'injection s'étendant selon la longueur de ces barreaux des deux côtés de chaque barreau. 4/ Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le fait que l'ensemble desdits barreaux (10, 12) forme une barrière présentant une largeur, mesurée pernendiculairenent ' la longueur desdits barreaux et à la direction d'écoulement desdits gaz, plus grande que sa-hauteur, mesurée selon la longueur de ces barreaux. 5/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que chacun desdits injecteurs secondaires (10, 12) comporte une partie amont (32), située en amont desdites fentes d'injection (16, 18) et une partie aval (34) située en aval de ces fentes, la largeur de la partie amont étant plus grande que la largeur de la partie aval à l'endroit de fentes d'injection de manière à laisser l'espace nécessaire pour que le gaz secondaire sortant de ces fentes ne vienne pas compri- mer le gaz primaire dans la tuyère (M4), lesdites largeurs étant mesurées perpen- diculairement à la longueur des injecteurs secondaires et à la direction de lVécoulement gazeux dans la tuyère. 6/ Di4positif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ladite partie aval (34) se termine en lame de couteau vers l'avale 7/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ladite partie amont (32) se termine vers l'aval en formant deux lames de couteau, chacune de ces lames de couteau ayant une face extérleure formant une paroi d'une des tuyères (14) et une face intérieure formant une pqroi d'ne dite fente d'injec- tion (18). 8/ Dispositif selon la revendication 4, caractérise par le fait que chacun desdits injecteurs secondaires (10) comporte en tube d'alimentation (30) à section circu= laire s' étendant selon la longueur de cet injecteur et recevant par ses extrémités ledit gaz secondaire sous pression, ce tube étant muni de deux fentes latérales situées dans sa moitié amont et dirigées vers l'aval, ladite partie awF)nt (32) de l'injecteur formant, par rapport à ce tube une saillie vers l'amont a section sensiblement semi-circulaire concentrique à ce tube, lesdites fentes d'injectlon (16, 18) séparant les parties amont (32) et aval (34) de l'injecteur constituant les prolongements des fentes latérales de ce tube. 9/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit gaz nr-tiaiire est l'azote et les molécules dudit gaz secondaire susceptibles d'être excitées par les molécules excitées du gaz primaire sont des molécules de gaz carbonique. I0/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux électrodes pour créer ladite décharge d'excitation sont constituées l'une par 8 2569062 l'injecteur primaire (4, 6), l'autre par les faces amont des injecteurs secon- daires (10, 12), la chambre d'excitation (2) étant cylindrique de révolution, la longueur de cette chambre d'excitation étant comprise entre 5 et 7 fois son diamètre, l 'énergie de la décharge d'excitation étant comprise entre 500 et 5000 joules par gramme d'azote injecté.