Brevet FR2592237A1 — publié le 19870626

GENERATEUR DE RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE COHERENT La presente invention a pour objet un générateur de rayonnement électromagnétique cohérent comprenant - une source d'alimentation électrique susceptible de fournir un courant; - un tube muni d'une première et d'une deuxieme électrode reliees à ladite source et contenant un gaz susceptible de produire ledit rayonnement en reponse à une decharge électrique produite entre lesdites électrodes par le passage dudit courant; - une bobine entourant ledit tube pour produire un champ magnétique de confinement de ladite decharge; et - des moyens pour filtrer ledit courant comportant un condensateur branché aux bornes de ladite source. De tels générateurs, qui sont généralement appelés lasers à gaz ou lasers ioniques, sont décrits dans de nombreuses publications. Parmi celles-ci, on peut citer l'article de MM. K. Banse et al. paru le 4 fevrier 1969 dans le numéro 3 du volume 26 de la revue "Zeitschrift für angewandte Physik" sous le titre "Hochleistungs Ionenlaser", le brevet US-A-3 763 442 et la demande de brevet EP-A-O 048 690 qui décrivent différentes formes d'exécution de ces lasers à gaz. Ceux-ci, qui ne seront pas décrits en détail ici, comportent un tube contenant un gaz susceptible de produire un rayonnement cohérent par effet laser en réponse à une décharge électrique établie entre une anode et une cathode disposées aux extrémites du tube. De nombreux gaz ont- cette proprieté. Parmi ceux-ci, on peut citer à titre d'exemple non limitatif les gaz rares tels que l'argon, le xénon ou le krypton, les mélanges de ces gaz rares entre eux et/ou avec du monoxyde ou du dioxyde de carbone, et les vapeurs de métaux tels que le cuivre ou l'or. Des miroirs, dont un au moins est semi-transparent, sont disposes dans l'axe du tube, de part et d'autre de celui-ci, de manière à reflechir au moins une partie du rayonnement émis par la decharge électrique. La chaleur dégagée par la décharge est évacuée par un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'huile, qui circule entre la paroi externe du tube et une enveloppe entourant celui-ci. L'énergie électrique nécessaire au fonctionnement du laser est fournie par une source d'alimentation capable de fournir le courant tres intense passant dans la décharge. Cette source comprend egale- ment un circuit susceptible de fournir la tension élevée nécessaire à l'amorçage de cette décharge. Il est bien connu que l'intensité du rayonnement emis par un laser du genre de ceux qui viennent d'être decrits dépend directement de l'intensité du courant dans la décharge. En outre, la resistance interne de cette décharge est négative, ce qui impose des contraintes assez sévères à la source d'alimentation produisant le courant de décharge. Ce courant doit notamment être soigneusement filtre pour éliminer autant que possible l'effet de l'ondulation résiduelle de la tension fournie par la source d'alimentation. Le courant circulant dans la décharge ayant généralement une intensité élevée, atteignant selon les cas plusieurs dizaines d'ampères ou même plus de cent amperes, son filtrage est generalement réalisé à l'aide d'un circuit comportant une bobine d'induction en série avec la décharge et un condensateur branche aux bornes de la source d'alimentation. Les caractéristiques de ces éléments sont calculés, d'une manière qui ne sera pas décrite ici, de telle sorte que la constante de temps du filtre soit nettement supérieure à la période de l'ondu- lation résiduelle qu'il doit attenuer. En outre, cette constante de temps doit être différente de la période d'oscillations de pression qui peuvent se produire dans le gaz pendant le fonctionnement du laser. Enfin, la constante de temps d'amortissement du filtre doit être inférieure à la periode des oscillations de pression mentionnées ci-dessus. L'obligation de remplir toutes ces conditions, parfois contradictoires, a comme conséquence que la résistance interne de la bobine d'induction ne peut pas avoir une valeur arbitrairement faible et ne doit pas être inférieure, selon les cas, à quelques dixièmes d'ohm, voire quelques ohms. Il en découle que les pertes par effet Joule dans la bobine d'induction atteignent généralement des valeurs extrêmement élevées, de l'ordre de plusieurs dizaines de kilowatts, voire même de plusieurs centaines de kilowatts. La chaleur ainsi degagée doit évidemment être évacuée par un dispositif de refroidissement adéquat, ce qui augmenteconsidérab-le- ment l'encombrement et le prix de la bobine d'induction et augmente également les frais d'exploitation du laser. Pendant le fonctionnement du laser, la paroi interne du tube est soumise à un bombardement intense de la part des ions formés dans le gaz par la decharge et des électrons présents dans cette décharge. Les particules du matériau de cette paroi détachees par ce bombardement peuvent perturber, ou même empêcher, le fonctionnement du laser. Pour diminuer cet inconvénient, il a eté proposé de confiner la décharge au centre du tube en la soumettant à un champ magnétique axial produit par une bobine disposée autour de ce tube. Ce confinement de la décharge a également comme avantage d'augmenter le rendement du laser. Selon l'intensité du champ magnétique de confinement, ce rendement peut être augmenté de plus de 30 %. Les effets d'un tel champ magnétique de confinement de la décharge sont décrits, notamment, dans un article intitulé "Continuous-Duty Argon Ion Lasers" écrit par MM. E.F. Labuda et al. et publié dans la revue "IEEE Journal of Quantum Electronics", volume QE-1, No 6, de septembre 1965. Le courant nécessaire à la production de ce champ magnétique est fourni par une source d'alimentation distincte de celle qui fournit le courant de décharge et dont la tension doit être égale- ment soigneusement stabilisée et filtrée pour éviter autant que possible les variations de l'intensité du rayonnement emis par le laser dues aux variations du courant dans la bobine produisant ce champ. Les lasers à gaz du genre de ceux qui viennent d'être decrits sont donc relativement chers, aussi bien a l'achat qu'à l'usage, à cause des deux sources d'alimentation stabilisée et de la bobine de filtrage qu'ils doivent comporter, cette bobine de filtrage dissipant une énergie importante qui doit être évacuée par un dispositif de refroidissement adéquat distinct du dispositif de refroidissement du tube à décharge. Le but de la présente invention est de proposer un générateur de rayonnement électromagnétique cohérent du genre de ceux qui ont été décrits ci-dessus qui ne nécessite pas de source d'alimentation séparee pour fournir le courant destiné à produire le champ magnétique de confinement, et qui ne nécessite pas non plus de dispositif de refroidissement autre que celui qui est destine à evacuer la chaleur produite dans le tube à décharge pendant le fonctionnement du générateur. Ce but est atteint par le fait que, dans le générateur selon l'invention, la bobine destinée à produire le champ magnétique de confinement de la décharge est branchée en série entre la source d'alimentation et l'une des electrodes du tube pour produire. ce champ en réponse au courant de décharge et pour former, avec le condensateur branché aux bornes de la source, le circuit destiné à filtrer ce courant de décharge. L'invention va être décrite à l'aide du dessin annexe dans lequel - la figure 1 est un schéma du générateur selon l'invention; et - les figures 2 et 3 sont des coupes partielles et schématiques du tube à décharge du générateur de la figure 1 réalisées respectivement selon l'axe A - A de la figure 3 et l'axe B - B de la figure 2. Le générateur selon l'invention représenté de manière schématique à la figure 1, qui sera appelé laser dans la suite de cette description, comporte un tube à décharge 1 contenant un gaz du genre de ceux dont des exemples ont été mentionnés ci-dessus. Une anode 2 et une cathode 3 sont disposées de manière classique, chacune à une des extrémités du tube 1. Cette anode 2 et cette cathode 3 sont évidemment constituées de maniere à laisser passer le rayonnement émis par la décharge électrique qui est établie entre elles pendant le fonctionnement du laser. Le tube a décharge 1 est disposé dans une enveloppe 4 dans laquelle circule un fluide de refroidissement du tube 1, par exemple de l'eau ou de l'huile. L'enveloppe 4 est bien entendu munie d'orifices, non représentés, qui permettent l'entrée et la sortie du fluide de refroidissement. Une bobine 5 coaxiale au tube 1, dont un exemple sera décrit plus loin, est disposée, dans ce cas, autour de l'enveloppe 4, de maniere à être en contact thermique avec celle-ci. Dans d'autres formes d'exécution du laser selon l'invention, cette bobine 5 peut être disposée à l'intérieur de l'enveloppe 4, de manière à baigner dans le fluide de refroidissement. Une telle forme d'execution n'a pas été représentée. Une des bornes de la bobine 5, désignée par 5a, est reliée à la borne positive 6a d'une source d'alimentation 6 destinée à fournir le courant continu nécessaire au maintien de la décharge dans le tube 1. La source 6 est reliée, d'une maniere non représentée, à un réseau de distribution d'énergie électrique. La deuxième borne de la bobine 5, désignée par 5b, est reliée, par l'intermédiaire d'une diode 7, à l'anode 2 du tube 1 et à une autre borne, 6b, de la source d'alimentation 6. Cette borne 6b est destinée à fournir la tension élevée nécessaire à l'amorçage de la décharge dans le tube 1. Il faut noter que la résistance désignée par Ri et représentée dans la figure 1 entre la borne 5b et la diode 7 n'est pas un composant separe mais symbolise la résistance interne de la bobine 5. La borne négative 6c de la source 6 est reliée au point milieu de l'enroulement secondaire d'un transformateur 9 destiné à fournir le courant alternatif nécessaire au chauffage de la cathode 3. A cet effet les deux extrémités de cet enroulement secondaire sont reliées aux extrémités de la cathode 3. Cette disposition, bien connue, assure que la cathode 3 est reliée, en courant continu, a la borne 6c de la source 6. L'enroulement primaire du transformateur 9 est relié à un réseau de distribution d'énergie électrique non représenté. Enfin, un condensateur 10 est branché entre les bornes 6a et 6c de la source 6. Les autres composants du laser de la figure 1, notamment les miroirs disposés de part et d'autre du tube 1, n'ont pas éte représentés car ils sont bien connus des spécialistes et ne sont pas directement liés à la présente invention. De manière bien connue, la décharge dans le tube 1 est amorcée en appliquant entre l'anode 2 et la cathode 3, une impulsion de tension de l'ordre de 1'000 à 2'000 Volts fournie par la borne 6b de la source 6. La diode 7 est destinée à empêcher cette impulsion d'atteindre la borne 6a de cette source 6. Après que cette décharge a été amorcée, elle est maintenue par le courant fourni par la borne 6a de la source 6. La bobine 5 étant parcourue par ce courant, elle produit évidemment un champ magnétique axial. Connaissant l'intensité de ce courant de décharge et le diamètre de l'enveloppe 4 sur laquelle est disposee la bobine 5, il est aisé de calculer le nombre de spires que doit avoir cette dernière pour que ce champ magnétique axial ait l'intensité pour laquelle son effet de confinement de la décharge et d'augmentation de la puissance du rayonnement émis par le tube 1 est optimum. Le fait de brancher la bobine 5 en série avec la décharge a donc comme avantage de supprimer la source d'alimentation qui, dans les lasers connus, fournit le courant destiné à produire le champ magnétique de confinement de la décharge. En outre, le rendement du laser est augmenté grâce au fait qu'il n'est pas nécessaire de fournir spécialement l'énergie qui, dans les lasers connus, est dissipée dans la bobine produisant le confinement. On a constaté que cette disposition a encore l'avantage que, en genéral, la stabilité à long terme de la puissance du rayonnement émis par le tube 1 est améliore par rapport à celle des lasers connus. La raison de cette amélioration de stabilité n'est cependant pas encore parfaitement comprise. On voit en outre dans la figure 1 que la bobine 5 et le condensateur 10 constituent, ensemble, le filtre destiné à atténuer les fluctuations du courant de décharge dues à l'ondulation résiduelle de la tension fournie par la source 6. Les caractéristiques de la bobine 5 et du condensateur 10 doivent donc être calculées de manière que le filtre qu'ils forment remplisse toutes les conditions énumérées ci-dessus. Ces calculs sont faits à l'aide d'équations et d'inéquations qui ne seront pas reproduites ici car elles sont bien connues des spécialistes. Parmi ces caractéristiques, l'inductivité de la bobine 5 est évidemment déjà déterminée, puisque le nombre de ses spires et son diamètre sont imposés par l'intensité du champ magnétique de confinement qu'elle doit produire et par sa disposition sur l'enveloppe 4. Les équations et inéquations mentionnées ci-dessus montrent qu'il est cependant possible d'obtenir, malgré cette contrainte, les caractéristiques de filtrage desirees, en choisissant convenablement la capacité du condensateur 10 et la resistance interne-Ri de la bobine 5. Cette capacite et cette résistance interne Ri peuvent même être choisies dans une certaine gamme de valeurs, ce qui permet de les optimiser, jusqu'à un certain point, en fonction d'autres paramètres tels que l'encombrement et le prix de revient du condensateur 10, et l'énergie dissipee par effet Joule dans la bobine 5, qui doivent évidemment etre tous aussi faibles que possible. Lorsque ces calculs ont éte faits, il est aise de calculer la section que doit avoir le conducteur formant la bobine 5 pour que celle-ci ait la résistance interne voulue. Il est évident que, toutes autres choses étant égales, l'éner- gie dissipée par effet Joule dans la bobine 5 du laser de la figure 1 est la même que celle qui est dissipee par la bobine du filtre des lasers connus. Mais, dans le cas du laser de la figure 1, cette énergie peut être évacuée par le fluide de refroidissement du tube 1 puisque la bobine 5 est disposée directement sur l'enveloppe 4 dans laquelle circule ce fluide. Il n'est donc pas nécessaire de prévoir un dispositif spécial pour evacuer l'énergie dissipée par la bobine de filtrage du courant de decharge des lasers connus. En résumé, on voit que le fait de brancher la bobine 5 en serie avec la decharge augmente le rendement du laser selon l'invention et diminue son encombrement, son prix de revient et ses frais d'utilisation. En --effet, contrairement aux lasers connus, le laser selon l'invention ne comporte pas de source d'alimentation spéciale pour fournir le courant produisant le champ magnétique de confinement de la décharge, aucune puissance supplémentaire ne devant d'ailleurs être dissipée pour produire ce champ, et ne comporte pas non plus de bobine séparée pour coopérer au filtrage du courant de décharge. Le dispositif de refroidissement de la bobine de filtrage des lasers connus est donc egalement supprimé dans le laser selon l'invention. Les figures 2 et 3 montrent à titre d'exemple non limitatif comment la bobine 5 est disposée dans un laser dont le tube à decharge est construit de la manière décrite dans la demande de brevet EP-A-O 048 690. Dans cet exemple, le tube à decharge est constitué par un empilement d'elements identiques 11. Ces éléments 11 ont chacun la forme d'un disque percé en son centre d'une ouverture 12 et muni d'ailettes de refroidissement 13. Les éléments 11 etant alignés, les ouvertures 12 forment, ensemble, la cavité contenant le gaz traversé par la décharge. Des éléments terminaux, non représentés, comportent l'un l'anode 2 et l'autre la cathode 3. Des joints, egalement non représentés, sont disposés entre les éléments 11 pour assurer l'étanchéité de la cavité contenant le gaz. L'enveloppe 4, qui a déjà été représentée schématiquement à la figure 1, est disposée autour des ailettes 13 et forme avec cellesci des canaux 14 dans lesquels circule le fluide de refroidissement servant à evacuer la chaleur produite par la décharge. La bobine 5 schématisée à la figure 1 est constituée par un conducteur 15 enroulé directement sur l'enveloppe 4. Enfin, l'ensemble des composants du laser enumérés ci-dessus est protégé et maintenu en place, de maniere non représentée, par une enceinte extérieure 16 à laquelle sont également fixés les miroirs qui délimitent la cavité résonante du laser et qui n'ont pas non plus été représentés. Tout contact électrique entre le conducteur 15 et l'enveloppe 4 est évidemment empêché par une isolation, non représentée, disposée autour de cette enveloppe 4 et/ou autour de ce conducteur 15. La section du conducteur 15 peut être circulaire. Cependant, pour améliorer son contact thermique avec l'enveloppe 4, il est préférable de lui donner une section rectangulaire, comme dans l'exemple représenté. Le transfert de la chaleur produite dans la bobine 5 au fluide de refroidissement à travers l'enveloppe 4 en est évidemment amélioré. Pour améliorer l'évacuation, par le fluide de refroidissement, de la chaleur produite dans la bobine 5, il serait possible de disposer celle-ci à l'intérieur de l'enveloppe 4. La résistance thermique constituée par cette dernière serait ainsi éliminée. Dans un tel cas, qui n'a pas été illustré, il serait cependant préférable que le fluide de refroidissement soit constitué par de l'huile du genre de celle qui est utilisée dans les transformateurs de puissance, pour éviter tout risque de court-circuit qui pourrait survenir si ce fluide était de l'eau. REVENDICATIONS 1. Générateur de rayonnement électromagnétique cohérent comprenant - une source d'alimentation électrique (6) susceptible de fournir un courant; - un tube (1) muni d'une premiere (2) et d'une deuxième électrode (3) reliées à ladite source (6) et contenant un gaz susceptible de produire ledit rayonnement en réponse à une décharge électrique produite entre lesdites électrodes par le passage dudit courant; - une bobine (5) entourant ledit tube (1) pour produire un champ magnétique de confinement de ladite décharge; et - des moyens pour filtrer ledit courant comportant un condensateur (10) branche aux bornes de ladite source (6); caractérisé par le fait que ladite bobine (5) est branchée en série entre ladite source (6) et l'une desdites électrodes (2, 3) pour produire ledit champ magnétique en réponse audit courant et pour former avec ledit condensateur (10) lesdits moyens pour filtrer le courant. 2. Générateur de rayonnement selon la revendication 1, comprenant en outre des moyens pour évacuer la chaleur produite dans ledit tube (1) par ladite décharge comportant une enveloppe (4) entourant ledit tube et un fluide de refroidissement circulant entre ledit tube (1) et ladite enveloppe (4), caractérisé par le fait que ladite bobine (5) est disposée autour de ladite enveloppe (4) et en contact thermique avec celle-ci. 3. Generateur de rayonnement selon la revendication 2, carac térisé par le fait que ladite bobine (5) est formée par un conducteur (15) de section rectangulaire dont l'une des faces est en contact thermique avec ladite enveloppe (4).