Brevet FR2578110A1 — publié le 19860829

Laser chimique à acide chlorhydrique La présente invention concerne un laser chimique à acide chlorhy- drique. On connaft un laser de ce type comportant une enceinte de dissocia- tion dans laquelle on injecte un mélange d'hélium et de ehlore moléculaire et on crée une décharge électrique pour former dans le mélange des atomes de chlore. Le mélange contenant du chlore atomique traverse une tuyère à la sortie de laquelle est injecté de l'acide iodhydrique qui réagit avec le chlore atomique pour créer de l'acide chlorhydrique excité. Le gaz excité traverse une cavité optique résonnante pour former un faisceau laser. La circulation des gaz de l'entrée de la chambre de dissociation à la sortie du laser est provoquée par un système de pompage disposé en aval de la eavité. Le laser présente l'inconvénient de ne pouvoir être utilisé dans certaines applications, par exemple à bord des avions, car il n'est pas possible de reJeter dans l'atmosphère les gaz d'échappement du laser, à cause de leur forte toxicité. - Dans d'autres lasers chimiques connus, les gaz d'échappement sont absorbés par du calcium. Mais celui-ci exige un chauffage à 400 C environ pour présenter les caractéristiques d'absorption requises, ce qui constitue un inconvénient important. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients et de réaliser un laser chimique à acide chlorhydrique, dont les gaz d'échap- pement sont absorbés par un matériau qui ne nécessite pas de préchauf- fage. La présente invention a pour objet un laser chimique à acide chlo- rhydrique comportant - au moins deux électrodes opposées, disposées dans une enceinte de dissociation, - des moyens commandables d'introduction dans l'enceinte de dissocia- tion, d'un gaz initial à base de chlore moléculaire, - un générateur électrique commandable dont les sorties sont respective- ment connectées aux deux électrodes, - une tuyère comportant, de son entrée à sa sortie, une partie conver- gente, un col et une partie divergente, l'entrée de la tuyère étant en communication avec la sortie de l'enceinte de dissociation, -2- - des moyens pour injecter de l'acide iodhydrique à la sortie de la tuyère, une enceinte laser placée à la sortie de la tuyère, cette enceinte comportant des moyens pour définir une cavité optique résonnante, - un système d'aspiration gazeuse en communication avec la sortie de l'enceinte laser - et un système de déclenchement simultané du générateur électrique, des moyens d'introduction du gaz initial et des moyens d'injection d'acide iodhydrique, caractérisé en ce que le gaz initial étant constitué par du chlore moléculaire pur, l'enceinte laser et l'enceinte de dissociation étant maintenues sous vide avant la mise en marche du système de déclenchement simultané, le système d'aspiration gazeuse. est constitué par de la zéo- lithe disposée dans une chambre sous vide en communication avec la sortie de l'enceinte laser, de sorte que, dès la mise en marche du système de déclenchement simultané, le chlore moléculaire est introduit dans l'en- ceinte de dissociation et une décharge électrique est créée entre les électrodes, cette décharge entrainant la formation de chlore atomique, le mélange de chlore atomique et de chlore moléculaire étant aspiré vers l'enceinte laser à travers le col de la tuyère, l'acide iodhydrique étant injecté en aval du col de la tuyère et réagissant avec le chlore atomique pour former de l'acide chlorhydrique excité, les gaz contenant l'acide chlorhydrique excité traversant la cavité optique résonnante perpendiculairement à son axe pour créer un faisceau laser sortant de la cavité, la zéolithe étant en quantité suffisante pour absorber les gaz sortant de l'enceinte laser pendant toute la durée de fonctionnement du laser. Une forme particulière d'exécution de l'objet de la présente invention est décrite ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du laser selon l'invention - et la figure 2 est une vue en coupe suivant un -plan II-II de la figure 1. Sur la figure 1 sont représentés trois tubes isolants 3, 4, 5, par exemple en verre. Une extrémité de chaque tube est reliée à la sortie d'un réservoir de chlore moléculaire 1 par des canalisations à travers 2578 1 10 -3- une électrovanne 2. Les axes de ces tubes sont parallèles entre eux dans un même plan qui est celui de la figure. Une électrode métallique telle qu'une anode 6 est disposée à l'intérieur du tube à chaque extrémité reliée au réservoir 1. Cette électrode a une forme conique et comporte une fine ouverture axiale calibrée pour permettre l'introduction du chlore dans le tube à une vitesse sonique. Les autres extrémités des tubes aboutissent à l'entrée d'une tuyère 7 et comportent des électrodes de signe opposé, telles que la cathode 8. Les anodes sont reliées au pôle positif d'un générateur électrique commandable 9 dont le pôle négatif est relié aux cathodes. Comme il apparaît sur la figure 2, la tuyère 7 eomporte, de l'entrée à la sortie, une partie convergente 10, un col 11 et une partie divergente 12. Dans un mode de réalisation avantageux, les électrodes 8 sont solidaires de la partie convergente. La section du col 11 de la tuyère à la forme d'un rectangle allongé dont les grands ectés sont disposés parallèlement au plan de la figure 1, de part et d'autre de ce plan, suivant un plan 17 perpendiculaire aux axes des tubes. Des ouver- tures 13 traversent la partie divergente 12 de la tuyère. Ces ouvertures peuvent comporter une portion extérieure cylindrique 14 dont l'axe est perpendiculaire au plan de symétrie 15 de la tuyère et une portion intérieure 16 également cylindrique, de plus faible diamètre, dont l'axe est incliné, par rapport à celui de la portion 14, d'un angle faible 28 de l'ordre de 10 , dans le sens indiqué sur la figure 2. Les ouvertures 13 sont alignées le long de la tuyère suivant deux droites 18 parallèles à la grande dimension du col de la tuyère 7, de part et d'autre de ce col. Les ouvertures 13 sont reliées par des canalisations à la sortie d'un réservoir d'acide iodhydrique 24 à ouverture commandable. L'élec- trovanne 2, le générateur 9 et la commande d'ouverture du réservoir 24 sont électriquement connectés à un circuit de déclenchement 25. Une enceinte laser 19 est disposée en communication avec la sortie de la tuyère 7. Deux miroirs opposés 20 et 21 sont montés dans l'enceinte 19 pour constituer une cavité optique résonnante dont l'axe 22 est situé dans le plan des axes des tubes 3 à 5, perpendiculairement à ces axes. Le miroir 21 est partiellement transparent. Une chambre 23 contenant de - 4 la zéolithe industrielle est disposée en communication avec la sortie de l'enceinte 19. A titre indicatif, la zéolithe peut être du type 200 H vendu par la Société NORTON sous la marque ZEOLON. Le laser décrit ci-dessus fonctionne de la manière suivante. Au départ, les volumes internes de la chambre 23, de l'enceinte 19, de la tuyère 7 et des tubes 3 à 5 sont maintenus sous vide. Lorsqu'on veut mettre en marche le laser, on agit sur le circuit 25 pour simultanément ouvrir la vanne 2, appliquer la tension du généra- teur 9 sur les électrodes des tubes 3 à 5 et injecter l'acide iodhydrique à travers les ouvertures 13. Le réservoir 1 contient du chlore molécu- laire pur qui pénètre à une vitesse sonique suivant la flèche 26 dans les tubes 3 à 5 à travers la fine ouverture axiale des électrodes 6. La tension appliquée sur les électrodes provoque la formation d'une décharge longitudinale dans le gaz, entrainant une dissociation partielle du chlore moléculaire. Le gaz formé de chlore atomique et de chlore moléculaire est aspiré vers l'enceinte 19 à travers le col 11 de la tuyère 7 suivant la flèche 27 (figure 2). L'acide iodhydrique est injecté à travers les ouvertures 13 à la sortie du col de la tuyère, l'inclinaison 28 de l'ouverture interne 16 favorisant son mélange avec le gaz contenant du chlore atomique s'écou- lant suivant la flèche 27. Le chlore atomique réagit avec l'acide iodhy- drique suivant la réaction Cl + HI = H Cl + I L'acide chlorhydrique excité traverse la cavité optique résonnante et provoque la formation d'un faisceau laser 29 sortant du miroir 21, ce faisceau ayant une longueur d'onde de 3,8 microns. Les gaz d'échappement du laser qui comportent du chlore atomique et moléculaire, de l'acide chlorhydrique, de l'acide iodhydrique et de l'iode sont absorbés par la zéolithe. Celle-ci se trouve dans la cham- bre 23 en quantité suffisante pour absorber les gaz d'échappement pen- dant toute la durée prévue du fonctionnement du laser. Il y a lieu de noter que la zéolithe absorbe rapidement ces gaz à la température ambiante (200C) et que sa capacité d'absorption augmente -5lorsque la température descend en dessous de 20 C. L'utilisation de ce matériau procure donc un avantage important par rapport aux dispositifs connus employant du calcium comme matériau absorbant, celui-ci exigeant un chauffage à 400 C pour obtenir un pompage suffisamment rapide. La zéolithe saturée peut être régénérée par un chauffage sous vide à 250 C. L'absorption des gaz d'échappement du laser par la zéolithe exige que les gaz réactifs, et notamment le chlore, soient des gaz purs. En particulier, le chlore ne peut être dilué dans de l'hélium, comme dans le cas des lasers connus.. Pour obtenir une décharge électrique homogène dans du chlore pur, il est nécessaire que les dimensions des tubes soient choisies de façon convenable. Ainsi pour une tension électrique de décharge de 3500 à 4000 volts, le diamètre intérieur des tubes est compris entre deux et cinq centimètres et la distance entre les électrodes le long du tube est comprise entre 10 et 15 centimètres. A titre indicatif, le diamètre intérieur du tube étant de 3 centi- mètres, la distance entre les électrodes de 10 centimètres et la tension de décharge électrique de 3500 volts, le débit de chlore dans les tubes est de 12 millimoles par seconde, la pression dans les tubes est comprise entre 10 et 15 torrs, le courant de décharge pour les trois tubes est de à 250 milliampères, le débit d'injection d'acide iodhydrique est de 1,5 à 3 millimoles par seconde, la puissance laser délivrée est de 10 watts, le rendement électrique étant de un pour cent. D'autre part 4 kg de ZEOLON, contenus dans une chambre de volume 5 litres, suffisent pour absorber les gaz d'échappement du laser pendant une durée de fonctionne- ment de 20 secondes, la pureté des gaz réactifs étant de 99,5%. Le laser chimique selon la présente invention peut être utilisé comme équipement à bord d'avions. 2578 1 10 -6- REVENDICATIONS 1/ Laser chimique à acide chlorhydrique comportant - au moins deux électrodes opposées (6, 8), disposées dans une enceinte de dissociation, des moyens commandables (1, 2) d'introduction dans l'enceinte de dissociation, d'un gaz initial à base de chlore moléculaire, - un générateur électrique (9) commandable dont les sorties sont respec- tivement connectées aux deux électrodes, - une tuyère (7) comportant, de son entrée à sa sortie, une partie convergente (10), un col (11) et une partie divergente (12), l'entrée de la tuyère étant en communication avec la sortie de l'enceinte de disso- ciation, - des moyens (24) pour injecter de l'acide iodhydrique à la sortie de la tuyère, - une enceinte laser (19) placée à la sortie de la tuyère, cette enceinte comportant des moyens (20, 21) pour définir une cavité optique réson- nante, - un système d'aspiration gazeuse en communication avec la sortie de l'enceinte laser - et un système de déclenchement simultané (25) du générateur électri- que, des moyens d'introduction du gaz initial et des moyens d'injection d'acide iodhydrique, caractérisé en ce que le gaz initial étant constitué par du chlore moléculaire pur, l'enceinte laser (19) et l'enceinte de dissociation (3 à 5) étant maintenues sous vide avant la mise en marche du système de déclenchement simultané, le système d'aspiration gazeuse est constitué par de la zéolithe disposée dans une chambre (23) sous vide en communi- cation avec la sortie de l'enceinte laser, de sorte que, dès la mise en marche du système de déclenchement simultané, le chlore moléculaire est introduit dans l'enceinte de dissociation (3 à 5) et une décharge élec- trique est créée entre les électrodes (6, 8), cette décharge entrainant la formation de chlore atomique, le mélange de chlore atomique et de chlore moléculaire étant aspiré vers l'enceinte laser (19) à travers le col (11) de la tuyère (7), l'acide iodhydrique étant inJecté en aval du col de la tuyère et réagissant avec le chlore atomique pour former de 2578 1 10 - 7 - l'acide chlorhydrique excité, les gaz contenant l'acide chlorhydrique excité traversant la cavité optique résonnante perpendiculairement à son axe (22) pour créer un faisceau laser (29) sortant de la cavité, la zéolithe étant en quantité suffisante pour absorber les gaz sortant de l'enceinte laser pendant toute la durée de fonctionnement du laser. 2/ Laser chimique selon la revendication 1, caractérisé en ee que l'en- ceinte de dissociation comporte des tubes cylindriques isolants (3 à 5), deux électrodes (6, 8) étant disposées respectivement aux deux extré- mités de chaque tube (3) à l'intérieur du tube, les axes de ces tubes étant placés dans un plan passant par l'axe de la cavité optique réson- nante et perpendiculaires à l'axe (22) de cette cavité, l'électrode (6) située à une première extrémité de chaque tube ayant une forme conique de façon à permettre l'introduction du chlore moléculaire dans le tube (3) vers la deuxième extrémité à une vitesse sonique, les deuxièmes extré- mités des tubes aboutissant à l'entrée de la tuyère - en en ce que le col (11) de la tuyère (7) a une section allongée suivant une direction parallèle à l'axe de la cavité (22) et située dans ledit plan. 3/ Laser chimique selon la revendication 2, caraetérisé en ce que le diamètre intérieur des tubes (3 à 5) est compris entre deux et cinq centimètres et que la distance entre les éleetrodes (6, 8) est comprise entre dix et quinze centimètres pour une tension de décharge de 3500 à 4000 volts. 4/ Laser chimique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les électrodes (8) situées à la deuxième extrémité des tubes sont solidaires de la partie convergente (10) de la tuyère. / Laser chimique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie divergente (12) de la tuyère (7) eomporte des ouvertures (13) à travers lesquelles est injecté l'aeide iodhydrique, ces ouvertures étant alignées suivant deux droites (18) parallèles à la grande dimension du col de la tuyère, de part et d'autre de ce col (11).