Brevet FR2628004A1 — publié le 19890908

RÉPUBLIQUE FRAN AISE N de publication 2 628 004 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE LA PROPRiETI= INDUSTRIELLE DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE N d'enregistrement national 88 02634 PARIS Int CI4: B 01 D 59/34. @ DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1 ( Date de dépôt: 2 mars 1988. Demandeur(s): COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATO- MIQUE. Etablissement de Caractère Scientifique, Tech- Priorité nique et Industriel. - FR. ( Inventeur(s) Maurice Michon. ) Date d' la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n 36 du 8 septembre 1989. (i Références à d'autres documents nationaux appa- rents:s (r) Titulaire(s): G Mandataire(s): Brevatome. ( Dispositif de répartition des faisceaux lasers utilisés dans un procédé de séparation isotopique par lasers. Dispositif de répartition des faisceaux lasers utilisés dans un processus de séparation isotopique. Les faisceaux lasers S1..., Sn, n entier au moins égal à 2 utilisés dans le processus sont divisés au moyen de miroirs d >,' ' partiellement réfléchissants 20, 21, 25, 26 et superposés par r des miroirs dichroiques 22a, 22b, 32a, 42a, 42b, 52a appro-. - priés.__ Les faisceaux superposés sont envoyés sur plusieurs pas- sages dans une enceinte 10 de réaction. Lorsque l'un des t faisceaux a sa fluence qui égale la fluence à saturation, une nouvelle partie de ce faisceau est superposée aux faisceaux ' -,, I grâce à un miroir dichroTque adapté. Les interférences entre ' cette nouvelle partie et le faisceau résiduel ayant traversé t: lI'enceinte 10 sont évitées. L L O Application à la séparation isotopique de vapeur d'uranium O par faisceaux lasers. vN IL D Vente des fascicules à l'IMPRIMERIE NATIONALE. 27, rue de la Convention -75732 PARIS CEDEX 15 DISPOSITIF DE REPARTITION DES FAISCEAUX LASERS UTILISES DANS UN PROCEDE DE SEPARATION ISOTOPIQUE PAR LASERS DESCRIPTION La présente invention a pour objet un dispositif de répartition des faisceaux lasers utilisés dans un procédé de séparation isotopique par lasers. Elle s'applique notamment aux réactions sélectives, telle la séparation isotopique de vapeur d'uranium par lasers. Dans un dispositif de séparation isotopique, on excite sélectivement une espèce isotopique contenue dans un écoulement de vapeur, puis on isole cette espèce excitée, par photo- ionisation, par exemple. Dans les montages connus de répartition des faisceaux lasers utilisés dans les réactions de séparation isotopique, tels que ceux décrits dans la demande de brevet français n 8 504 827 du 29 Mars 1985, les faisceaux d'excitation sélective et de photo-ionisation ont nécessairement des polarisations différentes - dans la zone d'irradiation; ces polarisations sont perpendiculaires si elles sont rectilignes, ou droite et gauche si elles sont circulaires. On voit sur la figure 1 un dispositif selon l'art antérieur. Des faisceaux Se et St, respectivement d'excitation et de photo-ionisation, de polarisations perpendiculaires, sont superposés et dirigés vers une enceinte 10 de réaction par l'intermédiaire d'un premier prisme de Glan 15. Le faisceau Se peut contenir plusieurs faisceaux à plusieurs longueurs d'ondes différentes. Les sections efficaces d'absorption pour le faisceau Se et pour le faisceau St sont différentes: le faisceau Se est plus absorbé que le faisceau St. Après de multiples passages dans l'enceinte, le faisceau Se est fortement atténué, le processus de réaction sélective n'est plus efficace. Le faisceau St résiduel est envoyé vers un second prisme de Glan 15 et superposé à nouveau à un faisceau Se provenant d'une source laser non représentée. Après traversée du second prisme de Glan 15, les faisceaux superposés Se+St sont envoyés dans l'enceinte et ainsi de suite jusqu'à absorption totale du faisceau St. Selon les transitions atomiques choisies, le fait que les polarisations des faisceaux soient fixées par le montage est défavorable. D'autres dispositifs répartissant les faisceaux au moyen de miroirs partiellement réfléchissants appropriés ont été étudiés pour pallier cet inconvénient: le choix des polarisations est libre. On a représenté figure 2 un tel arrangement de dispositif utilisant des miroirs partiellement réfléchissants. Le faisceau d'excitation sélective Se, pouvant contenir plusieurs faisceaux à des longueurs d'ondes différentes, est superposé à un faisceau St de photo-ionisation. Les faisceaux superposés sont divisés en deux parties P1 et P2 par un premier miroir partiellement réfléchissant M1. La partie P1 est dirigée vers l'enceinte 10 de réaction. La partie P2 est dirigée vers un second miroir partiellement réfléchissant par l'intermédiaire de moyens 16 de synchronisation. La partie P1 est envoyée à l'intérieur de l'enceinte 10 pour de multiples passages. Lorsque la fluence du faisceau St est égale à la fluence à saturation pour la longueur d'onde de ce faisceau, c'est-àdire lorsque le nombre de photons par impulsion par unité de surface à la longueur d'onde de photo-ionisation est égale à l'inverse de la section efficace d'absorption pour cette longueur d'onde, la partie résiduelle de P1 est superposée à la partie P2 provenant du miroir partiellement réfléchissant M1. Les impulsions de P1 et de P2 sont synchronisées par des moyens 16 de synchronisation. Un second miroir partiellement réfléchissant M2 divise en deux parties les faisceaux P1 et P2 provenant du miroir partiellement réfléchissant M1. Le choix des coefficients de réflexion des miroirs partiellement réfléchissants, de la longueur du trajet dans l'enceinte entre deux miroirs et du nombre de ces miroirs permet d'utiliser au mieux l'énergie des différents faisceaux lasers. Dans ce type de dispositif, L'efficacité est limitée par la formation d'interférences entre la partie résiduelle de P1 et la partie P2 des faisceaux lors de leur superposition. Ces interférences détruisent l'homogénéité spatiale des faisceaux, nécessaire au bon déroulement du processus d'extraction. La présente invention tout en laissant libre le choix des polarisations des différents faisceaux, permet d'éliminer toute interférence entre les faisceaux. La présente invention permet aussi d'adapter les valeurs des intensités des faisceaux aux différentes valeurs des sections efficaces d'absorption aux différentes longueurs d'ondes mises en jeu. De manière plus précise, la présente invention a pour objet un dispositif de répartition des faisceaux lasers utilisés dans un procédé de séparation isotopique par lasers comprenant: - dans une enceinte, un corps dont on veut extraire une espèce, ce corps s'écoulant dans l'enceinte, - des sources lasers délivrant des impulsions lasers suivant des faisceaux S1,..., Sn, n étant un entier au moins égal à 2 et correspondant au nombre de faisceaux mis en jeu dans l'extraction, à des longueurs d'ondes différentes, permettant une excitation sélective de l'espèce à extraire et une transformation de ladite espèce après excitation, chaque longueur d'onde correspondant à une valeur de section efficace d'absorption de l'espèce à extraire, - des miroirs partiellement réfléchissants permettant de diviser les faisceaux S1,..., Sn en plusieurs parties, - des moyens pour superposer les faisceaux S1,..., Sn et les introduire en différents endroits de l'enceinte, - des moyens - de renvoi des faisceaux permettant plusieurs passages à travers l'enceinte et un réglage des longueurs de trajet à travers l'enceinte. Les moyens pour superposer les faisceaux comprennent des miroirs dichroiques de différentes catégories, chaque catégorie présentant des caractéristiques spectrales différentes de ceLes des autres catégories. Les miroirs partiellement réfléchissants et les miroirs dichro;ques sont disposés de manière à optimiser l'absorption d'au moins deux faisceaux de longueurs d'ondes différentes, quelles que soient les valeurs des sections efficaces d'absorption correspondant aux longueurs d'ondes de ces faisceaux. Les miroirs dichroiques se comportent comme des filtres. Une première partie des faisceaux superposés utilisés dans le processus d'extraction est dirigée vers l'enceinte de réaction pour un trajet comprenant plusieurs passages à travers l'enceinte. Selon un mode préféré de réalisation de ce dispositif, lorsque la fluence d'un des faisceaux est égale à la fluence à saturation, on superpose une nouvelle partie de ce faisceau aux faisceaux qui ont déjà traversé l'enceinte. Cette superposition est effectuée grâce à un miroir dichro;que approprié qui permet de réfléchir les faisceaux ayant traversé l'enceinte et dont la fluence est supérieure à la fluence à saturation. Selon l'invention, le miroir dichro;que est choisi tel qu'il transmette le faisceau dont la fluence est égale à la fluence à saturation et permette la superposition d'une nouvelle partie de ce faisceau aux autres faisceaux dont la fluence est supérieure à la fluence à saturation. L'intensité de la nouvelle partie du faisceau est telle que la fluence de cette nouvelle partie du faisceau superposé soit supérieure à la fluence à saturation. Ce moyen de superposition des faisceaux permet donc bien d'éviter la création d'interférences entre le résidu du faisceau dont la fluence est égale à la fluence à saturation et la nouvelle partie de ce faisceau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et non limitatif, en référence aux figures 3 et 4, annexées dans lesquelles: - la figure 3A représente les courbes de réflectivité de deux miroirs dichroïques en fonction de la longueur d'onde; - la figure 3B représente un dispositif conforme à l'invention répartissant trois faisceaux lasers; - la figure 4A représente des courbes de réflectivité de deux miroirs dichro;ques en fonction de la longueur d'onde; - la figure 4B représente un dispositif conforme à l'invention répartissant quatre faisceaux lasers. La figure 3A représente les courbes de réflectivité de deux miroirs dichroïques en fonction de la longueur d'onde. Les deux courbes Ra et Rb présentent un flanc très marqué et passent donc très franchement, quand la longueur d'onde augmente, d'un état o la réflectivité est nulle à un état o la réfLectivité est totale (100%). Les deux miroirs dichroïques correspondant à ces courbes sont utilisés pour superposer des faisceaux S1, 52 et S3 dont les longueurs d'ondes respectives sont > 1,) 2 et > 3. La longueur d'onde > 3 n'est réfLéchie par aucun des deux miroirs. La longueur d'onde >2 est réfléchie par le miroir correspondant à la courbe Ra et transmise par le miroir correspondant à la courbe Rb. La longueur d'onde > 1 est réfléchie par les deux miroirs. La figure 3B représente un dispositif conforme à l'invention répartissant trois faisceaux S1, S2, S3 de longueurs d'ondes \1, \ 2, \3 et utilisant des miroirs dichro;ques teLs que décrits figure 3A. Des sources lasers 12 délivrent des faisceaux S1, S2, S3 de longueurs d'ondes 1, 2 eta3. On suppose dans cet exemple que l'intensité de chacun des faisceaux S1, S2, S3 est la même. Les sections efficaces d'absorption correspondant aux longueurs d'ondes A1, 2, >3 sont différentes: la section efficace d'absorption à > 3 est supérieure à La section efficace d'absorption à > 2, qui est supérieure à la section efficace d'absorption à 1, par exemple. La section efficace à >3 est égale à deux fois la section efficace à >2, elle-même égale à deux fois la section efficace à >1 par exemple. Le coefficient de réflexion et le coefficient de transmission des miroirs partiellement réfléchissants utilisés dans cet exemple sont alors de 0,5. On voit sur la figure 3B que le faisceau S1 est renvoyé par un moyen de renvoi 24, un miroir par exemple, vers un premier miroir dichroïque 22b, caractérisé par la courbe de réflectivité Rb. Le faisceau S2 est divisé en deux parties par un miroir partiellement réfléchissant 20. Une première partie du faisceau S2 est dirigé par un miroir, par exemple, vers un second miroir dichrolque 22a, caractérisé par la courbe de réflectivité Ra. Le faisceau $2 est réfléchi par le second miroir dichroïque 22a, il est transmis et superposé au faisceau S1 par le premier miroir dichroïque 22b. Le faisceau S3 est divisé une première fois par un miroir partiellement réfléchissant 21 puis une seconde fois par un autre miroir partiellement réfléchissant 25. Le faisceau S3 est ensuite superposé aux faisceaux S1 et S2 après traversée des miroirs dichro;ques 22a, 22b. Les faisceaux S1, S2, S3 superposés traversent, en de multiples passages, l'enceinte 10. Pour ce faire, les faisceaux Sl, S2, S3 sont renvoyés par des moyens de renvoi 24, des miroirs, par exemple. Lorsque la fluence d'un des faisceaux, S3 par exemple, est égale à la fluence à saturation, par exemple, on superpose la partie de 53 issue de sa deuxième division aux faisceaux S1 et 52. Le faisceau résiduel de S3 (en pointillé sur la figure 3B) est séparé des autres faisceaux ayant traversé l'enceinte par passage à travers un miroir dichroique 32a du même type que le miroir dichro;que 22a. On évite ainsi toute formation d'interférences entre le faisceau résiduel S3 et la partie de 53 issue de la deuxième division. Apres un nouveau trajet constitué de plusieurs passages dans l'enceinte 10, les faisceaux $2 et S3 ont leur fluence égale à la fluence à saturation pour les longueurs d'ondes 2 et 3, par exemple. Les faisceaux constitués par une deuxième partie du faisceau S2 et du faisceau issu de la première division du faisceau S3 sont superposés aux faisceaux ayant traversé l'enceinte 10 par un jeu de miroir partiellement réfléchissant 26 et de miroirs dichroiques 42a, 42b du même type que les miroirs 22a et 22b respectivement. Les faisceaux S2 et S3 ayant traversé l'enceinte 10 et dont la fluence est égale à la fluence à saturation sont séparés du faisceau Sl par passage à travers le miroir dichro'que 42b (ces faisceaux sont représentés en traits tiretés sur la figure 3B). Les longueurs de parcours effectués par les différents faisceaux sont égalisées afin d'avoir une synchronisation entre les diverses impulsions au moment de leur superposition. De même que précédemment, les faisceaux Sl, S2, S3 superposés traversent l'enceinte 10 en de multiples passages. Lorsque la fluence du faisceau S3, par exemple est égale à la fluence à saturation, par exemple, on superpose la partie du faisceau S3 issue de la première division aux faisceaux Sl et S2. Le faisceau résiduel de S3 (en pointillé sur la figure 3B) est séparé des autres faisceaux ayant traversé l'enceinte 10 par passage à travers un miroir dichroique 52a du même type que le miroir dichroique 22a. Sur la figure 3B, on suppose que la section efficace d'absorption du faisceau S3 est égale au double de la section efficace d'absorption du faisceau S2, cette dernière étant égale au double de la section efficace d'absorption du faisceau S1. On suppose aussi que les intensités des faisceaux sont identiques. Cet exemple n'est nullement limitatif, il suffit d'adapter Les coefficients de réflexion des miroirs partiellement réfléchissants et leur nombre pour adapter le dispositif à un autre jeu de valeurs de sections efficaces d'absorption et d'intensités lasers. De même, un autre jeu de longueurs d'ondes entraîne l'utilisation de miroirs dichrolques possédant d'autres caractéristiques spectrales que celles décrites par les courbes Ra et Rb. La figure 4A représente des courbes de réflectivité de deux miroirs dichro;ques en fonction de la longueur d'onde. Les miroirs dichroiques correspondant à ces courbes sont utilisés pour superposer des faisceaux S4, S5, S6, S7 de longueurs d'ondes respectives >4, > 5, >6, X7. Un premier miroir dont la courbe caractéristique est notée Rd permet la réflexion du faisceau à la longueur d'onde > 7 seul. Un second miroir dont la courbe caractéristique est notée Rc permet la réflexion des faisceaux aux longueurs d'ondes \6 et 7. La figure 4B représente un dispositif conforme à l'invention répartissant quatre faisceaux S4, S5, S6, S7 de Longueurs d'ondes respectives \4, \5, \6, >7 et utilisant des miroirs dichro;ques tels que décrits par les courbes Rc et Rd. Les faisceaux lasers S4, S5, S6, S7 sont déLivrés par des sources lasers 12. Les faisceaux lasers sont superposés par un jeu de miroirs dichroiques 23c, 23d de courbes caractéristiques respectives Rc et Rd. Les faisceaux superposés traversent l'enceinte 10, ils sont renvoyés par des moyens 24 de renvoi, des miroirs par exemple, qui permettent d'ajuster la longueur du trajet des faisceaux lors des passages à l'intérieur de l'enceinte. Lorsque la fluence d'un au moins des faisceaux, S4, par exemple, est égale à la fluence à saturation, par exemple, une nouvelle partie de faisceau S4 est superposée aux faisceaux ayant traversé l'enceinte. Cette nouvelle partie du faisceau S4 est issue d'une division du faisceau S4 au sortir du laser 12 par les miroirs partiellement réfléchissants 28 et 29. La superposition de la nouvelle partie du faisceau S4 aux faisceaux ayant traversé l'enceinte 10, se fait grâce à un miroir dichro{que 33c de même type que le miroir dichro;que 23c. Le passage par ce miroir dichro{que 33c permet de séparer Le faisceau S4 résiduel ayant déjà traversé l'enceinte 10 des autres faisceaux, et d'éviter ainsi la formation d'interférences entre ce faisceau S4 résiduel et la nouvelle partie du faisceau S4 (le faisceau résiduel séparé est représenté en pointillé figure 4B). 2628004' Dans la suite du parcours, de manière similaire au cas décrit figure 3, lorsqu'un des faisceaux a sa fluence qui est égale à la fLuence à saturation, par exemple, il est remplacé par une nouvelle partie de ce faisceau issu d'une division au sortir des lasers par un miroir partiellement réfléchissant 27, 28. Les faisceaux sont superposés par des miroirs dichro;ques 43c, 43d, 53c, L'indice c indiquant un miroir du type de 23c et l'indice d indiquant un miroir du type de 23d. Le miroir partiellement réfléchissant 30 participe à la superposition des faisceaux par les miroirs dicho;ques 43c et 43d en divisant Le faisceau issu du miroir 28. 2628004- REVENDICATION Dispositif de répartition des faisceaux lasers utilisés dans un procédé de séparation isotopique par Lasers comprenant: - dans une enceinte (10), un corps dont on veut extraire une espèce, ce corps s'écoulant dans l'enceinte (10), - des sources lasers (12) délivrant des impulsions lasers suivant des faisceaux S1,..., Sn, n étant un entier au moins égal à 2, à des longueurs d'ondes différentes, permettant une excitation sélective de l'espèce à extraire et une transformation de ladite espèce après excitation, chaque longueur d'onde correspondant à une valeur de section efficace d'absorption de l'espèce à extraire, - des miroirs partiellement réfléchissants (20, 21, 25, 26, 27, 28, 29, 30) permettant de diviser les faisceaux S1,... Sn en plusieurs parties, - des moyens (22a, 22b, 32a, 42a, 42b, 52a, 23c, 23d, 33c, 43c, 43d, 53c) pour superposer les faisceaux Sl,..., Sn et les introduire en différents endroits de l'enceinte (10), - des moyens (24) de renvoi des faisceaux permettant plusieurs passages à travers l'enceinte et un réglage des longueurs de trajet à travers l'enceinte (10) , caractérisé en ce que les moyens (22a, 22b, 32a, 42a, 42b, 52a, 23c, 23d, 33c, 43c, 43d, 53c) pour superposer les faisceaux comprennent des miroirs dichro;ques de différentes catégories, chaque catégorie présentant des caractéristiques spectrales différentes de celles des autres categories, les miroirs partiellement réfléchissants et les miroirs dichro;ques étant choisis et disposés de manière à optimiser l'absorption d'au moins deux faisceaux de longueurs d'ondes différentes, quelles que soient les valeurs des sections efficaces d'absorption correspondant aux longueurs d'ondes de ces faisceaux. FIG. 1 _ I Ie SL- / Se +$ ie, _ _ _ _ _ _ _ _ i I FIG. 2 St ó Se \.,o I De_. t Ail P2 - 4--! - G kS I VI2 OOSZ9 ' 008ZgZ J,/3 Rd 7 64 AS A L6,527 FIG. 4 3>-43C d _ _E C3C