Brevet FR2584541A1 — publié le 19870109

L'invention concerne un procédé pour faire fonctionner un laser à gaz excité électriquement ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Un procédé et un dispositif de ce type figu- rent dans la demande de brevet allemand publiée avant examen DE-OS 31 48 570. Ce document préconise, en par- ticulier, pour des températures extrêmes et en rela- tion avec des pressions de gaz élevées, des mesures spécifiques des surfaces superficielles et des gaz qui assurent un fonctionnement stable du laser, et, par conséquent, une grande longévité. Or, si l'on doit fai- re fonctionner aussi un tel laser avec une valeur im- portante d'énergie et de puissance, c'est-à-dire un rapport de l'énergie et de la puissance de pompage au. volume de gaz, et de dissociation du gaz plus notable, à quoi s'ajoutent des trains d'impulsions plus élevés compliquant la situation, les mesures connues ne suffi- sent pas. Il en résulterait des construction plus im- portantes, et des densités d'énergie et de puissance ainsi que des fréquences de trains d'impulsions plutôt amoindries, c'est-à-dire basses. Le but de l'invention est, dans le cas des lasers à gaz de haute énergie qui sont équipés d'un catalyseur, d'une part d'améliorer la réaction de ce- lui-ci, et, d'autre part, d'empoêcher la sursaturation de sa surface superficielle avec des molécules indési- rables. L'invention a pour objet un procédé pour faire fonctionner un laser à gaz ou un amplificateur de laser excités électriquement ayant une enceinte fermée, une arrivée de courant et un système cataly- seur pour l'établissement et la conservation de l'é- quilibre chimique des gaz, caractérisé en ce que: a) on envoye un rayonnement sur les surfaces su- perficielles du catalyseur et/ou des molécules se fi- xant mal et/ou b) on règle ou ajuste l'écoulement du gaz sur les surfaces du catalyseur et/ou c) on introduit d'autres additions qui ne font qu'aider à la réaction catalytique, mais ne la provo- quent pas elles-mêmes dans les surfaces du catalyseur, en dehors des domaines catalytiquement actifs, servant à la régénération du gaz. L'invention a pour effet un dispositif notain- ment pour la mise en oeuvre de ce procédé dont l'encein- te est munie d'une arrivée de courant et d'une cavité résonnante avec un catalyseur et qui est caractérisée en ce que les surfaces superficielles du catalyseur ou bien les atomes ou molécules à faire réagir sont, soit disposées sans démasquage directement dans le champ de rayonnement de la décharge, de la pré-ionisation, du & rayonnement du laser ou de l'effet secondaire du rayon- nement laser ou de sources de rayonnement supplémentai- res, soit associées à celui-ci par des moyens optiques. Ce but est atteint conformément à l'invention dont les particularités sont mentionnées dans la partie caractérisante de la revendication 1. Avec un laser de ce type, on peut obtenir des formes de construction compactes, qui conviennent, tant pour des températures et des variations de température extrêmes, en ce qui concerne les pertes de chaleur et la température de l'environnement, que pour des densités de puissance et d'énergie, des dissociations des gaz et des fréquences des trains d'impulsions élevées, de sorte que l'on obtient en fin de compte ici encore un fonction- nement stable en ce qui concerne les propriétés de dé- charge électrique, la puissance moyenne, le rendement, la forme des impulsions, la longueur d'onde, et, dans le cas des lasers à impulsions, la puissance des crêtes d'impulsion et la reproductibilité. Les sous-revendications précisent les caracté- ristiques de l'invention. Par taux élevé de transformation des matières, on entend la recombinaison des produits de dissociation par unité de temps, et éventuellement aussi des adjonc- tions de gaz à température plus basse et gênantes; les propriétés qui suivent limitent les possibilités d'uti- lisation de catalyseurs. Sur un catalyseur, on fixe de préférence, par exemple, dans le cas de lasers à C02, les produits de dissociation et dérivés, tels que des molécules de CO, H2, NO ou NO2. Ceci s'effectue, le plus souvent, beau- coup plus vite que par exemple dans le cas de molécules d'O2. Si donc le rapport de la surface du catalyseur aux produits de dossiciation qui se forment, prtncipa- lement par exemple CO, est trop petit, de sorte que de basses températures et des mélanges de gaz (impuretés) constituent encore une entrave dans une mesure partiou- lière, on aboutit à un effet de saturation ou, pour uti- liser une image, à un blocage de la surface active du catalyseur. Il en résulte que la durée des réactions proprement dites de CO + O --> C02, NO2 -- N + 02, etc. augmente, et que, par conséquent, le catalyseur perd beaucoup de son efficacité. Par conséquent, s'il n'est possible ni d'aug- menter suffisamment la surface active du catalyseur, ce qui s'effectuerait aux dépens de la compacité, ni d'augmenter la température, la concentration de quel- ques produits de dissociation se fixant moins, tels que par exemple celle d'O2, 03, N20, augmente forte- ment et la décharge électrique dégénère en une déchar- ge d'étincelle avec une dissociation encore plus im- portante. On aboutit en même temps, en raison de l'aug- mentation de la concentration d'O2, à la formation d'oxyde sur les surfaces internes du laser. Dans des processus de chimie des plasmas de ce type, on peut même observer des modifications des surfaces des cata- lyseurs. Il peut en résulter une destruction irréver- sible du gaz du laser, du catalyseur, des électrodes et des miroirs du laser. Pour éviter ces détériorations, les surfaces des catalyseurs ou aussi quelques molécules seulement, telles que par exemple la molécule d'02, peuvent être activées par un rayonnement, de telle sorte que le processus de fixation sur les centres de haute activi- té se déroule de manière plus spécifique et beaucoup plus rapidement. Ceci peut s'effectuer, soit sans dé- masquage par irradiation directe, soit encore par des moyens de liaison optiques. Comme source de rayonne- ment, on peut envisager essentiellement le champ de rayonnement de la décharge ou d'une partie du rayonne- ment laser, ou de l'effort secondaire du rayonnement laser; dans le cas d'une décharge impulsionnelle, par exemple d'un laser à décharge partielle (laser TE>, ce peut être la décharge effectuée avant la décharge principale pour la préionisation du gaz. Des sources de rayonnement accessoires incorporées ou des moyens indirects de production de rayonnement tels que des lampes a éclair, des éclateurs à étincelle, des déchar- ges de surface, des sources radioactives, des déchar- ges corona, des photodissociations superficielles (par exemple des métaux) ou l'électroluminescence sont aus- si imaginables, les sources de rayonnement spécifiques au laser ou supplémentaires pouvant aussi être munies si nécessaire de moyens auxiliaires pour le changement et/ou la sélection des longueurs d'onde, tels que des verres, des agents de fluorescence, des filtres, des convertisseurs de fréquence appropriés, comme des cris- taux non linéaires ou des cellules Raman, etc. Les lon- gueurs d'onde peuvent être optimisées par le choix des matériaux (spectres d'émission des substances), comme ceci est le cas en particulier pour les moyens indi- rects cités. I1 s'est ensuite avéré que dans le spectre d'absorption de la molécule d'O2, les plages autour de O 2O 1200 A, c'est-à-dire 120 nm, de 1300 à 1700 A, c'est- à-dire de 130 à 170 nm et autour de 1850 A, c'estàdire rm a ie-nt particulièrement pour 1 'activation; das le cas d'un catalyseur de Pt sur céramique, on citera aussi celles autour de 6300 A, c'est-à-dire 630 nm. Ces techniques peuvent effectivement être pratiquées en associant le catalyseur et/ou des par- ties du gaz, par exemple dans les canaux d'écoulement du gaz, à des moyens d'irradiation, y compris les dis- positifs prévus pour le changement ou la sélection des longueurs d'onde et des moyens optiques supplémentaire- ment utilisés, c'est-à-dire en effectuant une "intégra- tion" de tous ces constituants. La construction peut par exemple être faite avantageusement sous la forme d'une structure stratifiée (multicouches). Si l'on augment géométriquement la surface superficielle du catalyseur, c'est-à-dire si l'on conr- çoit une construction suffisamment grande, on peut em- pécher une sursaturation de cette surface superficiel- le de catalyseur, par ce seul moyen, ou en combinaison avec l'activation à l'aide d'une irradiation précédem- ment décrite, une neutralisation proportionnée de l'é- coulement sur la surface superficielle du catalyseur, par exemple avec CO, 02 En fonction de la production des produits de dissociation et de la température, on peut influencer ou maîtriser la vitesse de fixation, à l'aide de canaux d'écoulement et/ou de parois (membra- nes) partiellement perméables supplémentaires, de sur- faces poreuses et/ou de filtres, et/ou de sufaces ad- sorbantes, et/ou une dérivation, le cas échéant régla- ble. De cette manière, on peut ralentir le comportement à la fixation, par exemple les molécules de CO par rap- port aux molécules d'O2, de telle sorte que les deux molécules soient fixées sur la surface superficielle du catalyseur dans un rapport approximativement stoe- chiométrique, c'est-à-dire équilibrées chimiquement. La division du courant gazeux par une dérivation est recommandée dans le cas de lasers à circulation de gaz passive ou active, c'est-à-dire spontanée ou for- cée, un réglage ou un calibrage appropriés de l'écou- lement ne permettant aucune sursaturation du catalyseur. Prise séparément ou en combinaison avec la technique d'irradiation et/ou "géométrique" du type pré- cédemment décrit, une activation des domaines ou centres d'efficacité importante du catalyseur peut encore être obtenue par des mesures de soutien, conformément à l'in- vention en question. Dans ce cas, on constitue le cata- lyseur de telle sorte que soient introduites sur ses surfaces superficielles, en plus des domaines catalyti- quement actifs, se composant par exemple d'un métal pré- cieux sur céramique, qui ne représentent par exemple que quelques pourcent de la surface totale, des additions actives sur les atomes ou molécules se fixant peu, par exemple des molécules d'oxygène. Ces dernières se come posent principalement de métaux précieux ou d'oxydes métalliques tels que V205 ou Os 04. Ces additions peu- vent aussi être produites ou améliorées dans leurs fonctions par adjonction au gaz du laser de molécules, par exemple Cs ou Th. Il faut pour celà des processus spéciaux de conditionnement, c'est-à-dire des procédés avec lesquels certains états des surfaces superficiel- les sont stabilisées et activées,par des cycles thermi-- ques en liaison avec le vide et des pressions et mélan- ges de gaz déterminés. A cet effet, on peut utiliser des hydrocarbures. En raison de la proximité atomique des molécules à transformer, les réactions catalyti- ques désirées, par exemple CO + O --) C02 sont favo- risées. Par excitation et fixation-adsorption, éven- tuellement chimiesorption, des atomes ou molécules se fixant peu, par exemple des molécules de 02' on obtient un état énergétique favorable à la réaction ultérieure avec la molécule de CO, une sorte de prédissociation (état énergétique proche de la limite de dissociation) ou un état stérique (= position géométrique avant et pendant la réaction), à partir duquel la transformation catalytique peut se faire directement et beacoup plus rapidement. Naturellement, il est aussi imaginable de produire et d'activer ces domaines ou centres intro- duits en plus de manière indirecte, en passant par des molécules spécialement fixées à cet effet. C'est ainsi que par exemple des molécules d'hydrocarbures fixées peuvent influer de manière appropriée sur l'adsorption et la réaction de la molécule d'O2. REVENDICATIONS 1. Procédé pour faire fonctionner un laser à gaz ou un amplificateur de laser exciteés électriquement ayant une enceinte fermée, une arrivée de courant et un système catalyseur pour l'établissement et la conserva- tion de l'équilibre chimique des gaz, caractérisé en ce que: a) on envoye un rayonnement sur les surfaces super- ficielles du catalyseur et/ou des molécules se fixant mal et/ou b) on règle ou ajuste l'écoulement du gaz sur les surfaces du catalyseur et/ou c) on introduit d'autres additions qui ne font qu'aider a la réaction catalytique, mais ne la provo-f quent pas elles-mêmes dans les surfaces du catalyseur, en dehors des domaines catalytiquement actifs, servant à la régénération du gaz. 2. Procédé suivant la revendication 2, carac- térisé en ce qu'on utilise des additions spécifiques d'O2. 3. Procédé suivant la revendication 2, carac- térisé en ce qu'on utilise des additions de métaux, de métaux précieux ou d'oxydes métalliques, par exemple V205 ou OsO4. 4. Procédé suivant l'une quelconque des re- vendications 2 et 3, caractérisé en ce que on stabilise et active en plus les additions par adjonction de molé- cules particulières, par exemple des hydrocarbures, du césiumn ou du thorium, 5. Procédé suivant l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise un rayonnement du spectre d'absorption de la molécule O d'O2, par exemple les plages aux environs de 1200 A, O O de 1300-1700 A et aux environs de 1850 A. 6. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on active un cataly- seur de Pt sur céramique par un rayonnement dans la plage aux environs de 6300 A. 7. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on irradie les sur- faces du catalyseur ou bien les atomes ou molécules à faire réagir à l'aide du champ de rayonnement de la décharge électrique, du champ de rayonnement de la pré-ionisation, du rayonnement du laser, des effets secondaires du rayonnement laser ou des sources de rayonnement supplémentaires directement ou indirecte- ment par des moyens optiques. 8. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on règle le courant gazeux, provoqué ou spontané, par des canaux d'écoule- ment, des surfaces poreuses, des membranes, des fil- tres, des surfaces superficielles adsorbantes et une dérivation réglable. 9. Dispositif notamment pour la mise en oeu- vre du procédé suivant l'une des revendications précé- dentes, dont l'enceinte est munie d'une arrivée de courant et d'une cavité résonnante avec un catalyseur, caractérisé en ce que les surfaces superficielles du catalyseur ou bien les atomes ou molécules à faire ré- agir sont, soit disposées dans démasquage directement dans le champ de rayonnement de la décharge, de la pré-ionisation, du rayonnement du laser ou de l'effet secondaire du rayonnement laser ou de sources de rayonnement supplémentaires, soit associées à celui- ci par des moyens optiques. 10. Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le catalyseur et/ou les canaux d'écoulement du gaz sont associés (intégrés) aux sour- ces de rayonnement et à des moyens optiques supplemen- taires par exemple suivant une structure stratifiée sandwich. 11. Dispositif suivant les revendications 1 et 9, caractérisé en ce que les centres ou domaines catalytiquement actifs et les additions aidant à la catalyse n'embrassent pas à elles seules toute la sur- face superficielle du catalyseur. 12. Dispositif suivant les revendications 1 et 11, caractérisé en ce que les additions facilitant la réaction catalytique sont spécifiques d'O2. 13. Dispositif suivant la revendication 12, caractérisé en ce que les additions se composent de métaux, de métaux précieux et d'oxydes métalliques, par exemple V205 ou OSO4, qui sont activés en outre le cas échéant par des adjonctions telles que des hy- drocarbures, du césium ou du thorium. 14. Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend comme source de rayonnement supplémentaire une lampe à éclair, un éclateur à étincelle, une décharge superficielle, une photodissociation sur des surfaces superficiel- les, une électroluminescence, une source radioactive ou une décharge corona. 15. Dispositif suivant la revendication 9 ou 14, caractérisé en ce que les sources de rayonne- ment sont munies d'auxiliaires pour le changement et/ ou la sélection des longueurs d'onde, par exemple de verres, de filtres, de moyens convertisseurs de fré- quence ou de fluorescence appropriés.