Brevet FR2632462A1 — publié le 19891208

! La présente invention concerne un dispositif laser à flux gazeux. On connait des générateurs lasers dans lesquels on produit une décharge électrique dans un gaz primaire que l'on mélange à un gaz secondaire dans une chambre d'expansion dans laquelle est disposée une cavité résonnante. La déchar- ge électrique a pour effet de fournir au gaz primaire une énergie d'excitation qui est ensuite transférée au deuxième gaz par interaction moléculaire. L'exci- tation 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'o il résulte que lorsque les molécules d'azote et les molécules du-gaz secondaire, par exemple du gaz carbonique, se mélangent dans la chambre d'expansion, c'est l'énergie vibrationnelle de l'azote qui produit au sein du gaz carbonique l'inversion de population qui donne naissance à une impulsion laser de forte puissance. Le gaz secondaire pourrait cependant être aussi, par exemple, de l'oxyde de carbone CO. Pour que l'excitation del'azote se produise dans de bonnes conditions, il faut que la décharge électrique d'excitation soit stable et diffuse, et il faut en particulier qu'il n'y ait pas apparition d'arc électrique.!ais, pour que la puissance du laser soit importante, il y a intéret à augmenter la puissance de la décharge d'excitation et la pression de l'azote. On est cependant limité dans cette voie d'une part par le risque d'appari- tion d'arc électrique, même si l'écoulement de l'azote est rendu tourbillonnaire, d'autre part par le fait qu'une augmentation de pression nécessite une augmenta- tion de la tension électrique de la décharge. Si cette tension devient trop élevée, il faut éviter l'apparition de décharges électriques parasites à l'extérieur de la chambre d'excitation et ceil nécessite l'emploi de moyens d'isolement électriques très couteux. Pour que l'azote se mélange au gaz carbonique dans la chambre d'expansion avant d'avoir perdu son excitation vibrationnelle, il faut lui donner une vitesse supersonique dans des tuyères faisant communiquer la chambre d'excita- tion avec la chambre d'expansion. Il faut pour celà que la pression dans la chambre d'expansion soit inférieure à environ la moitié de la pression dans la chambre d'excitation. La pression dans la chambre d'expansion doit d'autre part être suffisament faible pour que le transfert d'énergie d'excitation de l'azote vers le gaz carbonique et l'émission stimulé de lumière par ce dernier puissent se faire dans de bonnes conditions. Plus précisement, si la pression dans la chambre d'expansion est trop élevée, voisine par exemple de la pression atmosphérique, le temps de relaxation des molécules de gaz carbonique devient trop faible c'est-à-dire que ces molécules perdent trop rapidement leur énergie d'excita- tion par collision entre molécules. Il en résulte que les molécules de gaz carbonique qui sont excitées au début du processus de mélange avec l'azote, ont perdu leur énergie d'excitation avant la fin de ce processus. Seule une faible fraction de l'énergie d'excitation transférée au gaz carbonique pourra alors être utilisée pour l'émission stimulée de lumière. Des moyens d'évacuation sont donc nécessaires pour maintenir la pression dans la chambre d'expansion à une valeur suffisament faible, et très inférieure ]0 à l'atmosphère. Ils sont classiquement constitués par une enceinte à forte section qui est munie de moyens de pompage convenables et dans laquelle la chambre d'expansion débouche.Cette enceinte et ces moyens de pompage sont couteux et encombrants. 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 permet 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. Cette disposition permet un bon mélange des deux gaz. La présente invention a pour but la réalisation d'un dispositif laser à flux gazeux dans lequel les moyens d'évacuation de la chambre d'expansion sont simples, peu encombrants et peu couteux. 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 saz 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 primaires à travers lesquelles le gaz priraire peut passer de la chambre d'excitation à la chambre d'expansion, chacune des ces tuyères primaires présen- tant un col de section minimale et une partie divergente à partir de ce col et débouchant dans la chambre d'expansion, ce qui permet au gaz primaire d'acquérir dans cette partie divergente une vitesse supersonique lorsqu'il existe un rap- port de pression suffisant entre la chambre d'excitation et la chambre d'expan- sion, chacun des injecteurs secondaires possédant au moins un orifice d'injec- tion s'ouvrant vers la chambre d'expansion 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, - le débit de l'injecteur primaire et la section totale des cols de l'ensemble des tuyères primaires étant choisis de manière à ce que la pression du gaz primaire dans la chambre d'excitation soit comprise entre 0,3 et 3 atmosphères, ce qui rend cette pression compatible avec une décharge électrique à la fois puissante, stable et diffuse dans ce gaz et avec un bon fonctionnement des tuyères primaires sans nécessiter des dispositifs d'isolement électrique excessifs à l'extérieur de la chambre d'excitation, - 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 inférieure à 0,4 atmosphère, ce qui d'une part assure une vitesse au moins sonique au gaz primraire 2 la sortie des tuyères primaires et lui permet de se mélanger au gaz secondaire pour lui transférer son énergie d'excitation avant que cette énergie soit perdue,'et ce qui d'autre part, en raison de l'augmentation du temps de relaxation-du gaz secondaire lorsque la pression diminue, empèche que les molécules du gaz secondaire, excitées au début du processus de mélange et de transfert d'énergie d'excitation, n'aient perdu leur énergie d'excitation avant la fin de ce processus et en amont de ladite zone d'émission, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'évacuation comportent - une tubulure d'évacuation continuant la chambre d'expansion et débouchant dans l'atmosphère, cette tubulure ayant une longueur suffisante pour permettre auxdits gaz mélangés de ralentir jusqu'à une vitesse subsonique avant la sortie de cette tubulure, en augmentant leur pression jusqu'à au moins la pression atmosphérique, - et des tuyères secondaires divergentes disposées à la sortie desdits orifices d'injection des injecteurs secondaires, de manière à ce que le gaz secondaire acquière dans ces tuyères secondaires, une vitesse supersonique en se détendant jusqu'à une pression inférieure à celle qui doit être maintenue en régime permament dans la chambre d'expansion. A l'aide de la figure schématique unique ci-jointe, on va décrire ciaprès, à titre non limitatif, un mode de mise en oeuvre de l'invention. La figure unique représente une vue en coupe d'un dispositif selon l'inven- tion. Le dispositif représenté comporte une chambre d'excitation 2, de forme cylindrique de révolution, avec un diamètre de 5cm et une longueur de 30cm. A une extrémité 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 a son extrémité aval à une chambre d'expansion 8 prismatique à section rectangulaire, avec une hauteur de 3cm perpendiculairement au plan de la figure et une largeur de 9cm dans le plan de la figure. L'extrémité amont de la chambre d'expansion 8 est partiellement obturée par 15 barreaux métalliques tels que 10 et 12 parallèles, équidistants et disposés perpendiculairement au plan de la figure a travers toute la hauteur de cette chambre. Les intervalles entre ces barreaux forment des tuyères primaires 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 à la chambre 8. La largeur de 14 de ces tuyères au col est de 0,85rmn. La lar- geur 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 à l'écoulement de l'azote, est de 13,5m.. La longueur de la partie convergente de ces tuyères doit être inférieure à 1Sm1 environ, par exemple 10mm pour éviter une desexcitation de l'azote sur les parois. La largeur des barreaux au col des tuyères est de 5,15mm, donnant un pas de 6mmo A condition que la pression dans l'enceinte 8 soit suffisament basse, l'azote prend une vitesse sonique au col des tuyères primaires telle que 14, et une vitesse supersonique dans la partie divergente de ces tuyères. Le débit des injecteurs primaires 4 et 6 est choisi de façon à ce que la pression dans l'enceinte 2 soit de 1 atmosphère environ. La grande vitesse du jet d'azote qu'ils fournissent, ainsi que le choix des dimensions de la chambre d'excita- tion 2 et des tuyères primaires telles que 14 font qu'il se produit un écoule- ment 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 reliés 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 kilogrammes d'azote injecté, par exemple 1.500 kj/kgo Les barreaux tels que 10 et 12 constituent des injecteurs secondaires per- mettant d'injecter dans 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 à ce que le gaz secondaire soit animé d'un mouvement parallèle à celui de l'azote et se mélange a ce dernier dès la sortie des tuyères primaireso Pour celà ces injecteurs secondaires sont alimentés en parallèles sous pression à partir d'un réservoir SC et sont munis chacun d'un orifice d'injection rectangulaire tel que 16, s'étendant sur toute la hauteur de l'injecteur et à travers lequel le gaz secondaire atteint une vitesse sonique. Conformément à l'invention, et dans le but d'augmenter la vitesse et d'abaisser la pression du gaz secondaire, ces orifices d'injections sont suivis par des tuyères secondaires divergentes telles que 18 de 5mm de longueur dirigées parallèlement aux tuyères primaires telles que 14. Ceci permet d'abaisser la pression dans l'enceinte 8 à une valeur convenable. La face aval des injecteurs secondaires tels que 12 est entièrement creusée pour former la sortie des tuyères secondaires telles que 18 dont les deux parois latérales se raccordent donc aux extrémités aval de deux parois latérales de deux tuyères primaires selon deux lignes d'arrête à angle aigu. Ces deux lignes sont perpendiculaires au plan de la figure. Cette disposition permet d'assurer un mélange rapide du gaz secondaire avec l'azote. L'aire de la section de sortie des tuyères primaires telles que 14 semble devoir être comprise de préférence entre 1,1 et 5 fois, par exemple égale à 2 fois l'aire de la section de ces tuyères à leur col. Dans le cas ou le gaz secondaire contient de l'hélium, l'aire de la section de sortie des tuyères secondaires telles que 18 semble devoir être de préférence comprise eitre 1,5 et 5 fois, par exemple égale à 3,5 fois l'aire de la section de ces tuyères à leur col. L'aire totale des sorties de ces tuyères secondaires semble devoir être de préférence comprise entre 60% et 90%, par exemple égale à 75% de l'aire de la section de la chambre d'expansion 8. Le mélange des trois gaz peut comporter les proportions suivantes, données respectivement à titre d'exemple et à titre de limites inférieure et supérieure apparentes: moyenne mini maxi C02 12% 5% 20% Re 65% 60% 70% N2 23% 35% 10% ou C02 75% 70% 80% H20 2% 1% 5% N2 23% 29% 15% 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 rectan- gulaire, de 3cm de hauteur, perpendiculairement au plan de la feuille, sut 8cm de longueur parallèlement à l'écoulement gazeux. Le miroir 20 est concave et plein. Le miroir 22 est plan et percé d'une ouverture centrale de 12mm de diamètre, obturée par une fenêtre 24 constituée de chlorure de sodium. On constitue ainsi une cavité optique résonante permettant l'apparition d'une émission stimulée de lumière à partir de l'énergie d'excitation fournie par l'azote au gaz carbonique, 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 mmrie si l'on remplace les miroirs et 22 par des fenêtres pour utiliser le dispositif décrit comme un amplifica- teur 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 également prismatique et de m9me section sur 48 cm de long puis débouche dans l'atmosphère par une partie légèrement divergente 28 d'une longueur de 12cmo Cette partie divergente a deux parois parallèles au plan de la figure en continuité avec les parois correspondantes de la première partie de la tubulure et deux parois perpendiculaires au plan de la figure formant un angle de 6 avec le prolongement des parois correspondantes de la première partie de la tubulure. - Il semble preférable que la longueur totale de la tubulure d'évacuation 26 (60cm dans l'exemple décrit) soit au moins égale à 25 fois son "diamètre hydrau- lique" c'est-à-dire le rapport de l'aire de la section de cette tubulure (27cm2 dans l'exemple décrit) au périmètre de cette section (24cm). Ceci permet aux gaz qui ont une vitesse supersonique et une pression inférieure à 0,3 atmosphère dans la chambre d'expansion 8, de ralentir jusqu'à une vitesse subsonique, à l'intérieur de la tubulure 26, ce qui s'accompagne d'une remontée de la pres- sion jusqu'à une atmosphère. REVENDICATION$ 1/ Dispositif laser à flux gazeux comportant: - une chambre d'excitation allongée 2 s'ouvrant à son extrémité aval dans une chambre d'expansion 8, - au moins un injecteur primaire 6 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 6, 12, pour créer dans cette chambre d'excitation une décharge électrique "d'excitation" stable et diffuse pour exciter ce gaz pri- maire, - une pluralité d'injecteurs secondaires 10, 12 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 primaires 14 à travers lesquelles le gaz primaire peut passer de la chambre d'excitation 2 à la chambre d'expansion 8, chacune des ces tuyères primaires présentant un col de section minimale et une partie divergeant à partir de ce col et débouchant dans la chambre d'expansion, ce qui permet au gaz primaire d'acquérir 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 possédant au moins un orifice d'injection 16 s'ouvrant vers la chambre d'expansion 8 de manière à introduire un gaz secondaire dans l'écoulement du gaz primaire, certaines molé- cules de ce gaz secondaire étant propres à Ztre excitées par transfert d'éẻrgie 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, - le débit de l'injecteur primaire et la section totale des cols de l'ensemble des tuyères primaires étant choisis de manière à ce que la pression du gaz primaire dans la chambre d'excitation soit comprise entre 0,3 et 3 atmospheres, ce qui rend cette pression compatible avec une décharge électrique à la fois puissante, stable et diffuse dans ce gaz et avec un bon fonctionnement des tuyères primaires, sans nécessiter des dispositifs d'isolement électrique excessifs à l'extérieur de la chambre d'excitation, - la pression d'alimentation des injecteurs secondaires 10, 12 étant choisie suffisante pour que le deuxième gaz atteigne une vitesse sonique dans les orifices d'injection 16, - des moyens d'évacuation étant prévus pour maintenir lapression dans la chambre d'expansion à une valeur inférieure à 0,4 atmosphère, ce qui d'une part assure une vitesse au moins sonique au gaz primaire à la sortie des tuyères primaires et lui permet de se mélanger au gaz secondaire pour lui transférer son énergie d'excitation avant que cette énergie soit perdue et ce qui d'autre part, en raison de l'augmentation du temps de relaxation du gaz secondaire lorsque la pression diminue, émpèche que les molécules du gaz secondaire, excitées au début du processus de mélange et de transfert d'énergie d'excitation, n'aient perdu leur énergie d'excitation avant la fin de ce processus et en amont de ladite zone d'émission, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'évacuation comportent: - une tubulure d'évacuation 26 continuant la chambre d'expansion 8 et débouchant dans l'atmosphère, cette tubulure ayant une longueur suffisante pour permettre auxdits gaz mélangés de ralentir jusqu'à une vitesse subsonique avant la sortie de cette tubulure, en augmentant leur pression jusqu'à au moins la pression atmosphérique, - et des tuyères secondaires divergentes 18 disposées à la sortie desdits orifices d'injection 16 des injecteurs secondaires 12, de manière à ce que le gaz secondaire acquière dans ces tuyères secondaires 18 une vitesse supersonique en se détendant jusqu'à une pression inférieure a celle qui doit tre maintenue en régime permanent dans la chambre d'expansion 8. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit gaz primaire 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. 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit gaz secondaire contient en outre de l'hélium, le débit de gaz carbonique étant compris entre 5% et 20% de celui du mélange des trois dits gaz et le débit d'hélium étant compris entre 70% et 60% de celui du mélange des trois gaz, la longueur de la partie convergente des tuyères primaires étant inférieure à 15mm et l'aire de la section de sortie des tuyères primaires 14 étant comprise entre 1,1 et 5 fois l'aire de la section de ces tuyères à leur col, l'aire de la section de sortie des tuyères secondaires 18 étant comprise entre 1,5 et 5 fois l'aire de la section de ces tuyères à leur col, la section totale de sortie des tuyères secondaires étant comprise entre 60% et 90% de la section de la chambre d'expansion, l'aire de la section de ladite tubulure d'évacuation 26 étant sensiblement égale à celle de la chambre d'expansion, la longueur de l'ensemble de cette chambre d'expansion et de cette tubulure d'évacuation étant supérieure ou égale à 25 fois le rapport de l'aire de cette section au périmètre de cette section, de manière à permettre aux dits gaz mélanges de ralentir jusqu'à une vitesse subsonique avant la sortie de cette tubulure, et de remonter à une pression supérieure ou égale à la pression atmosphérique. 4/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit gaz secondaire contient en outre de la vapeur d'eau, le débit de gaz carbonique étant compris entre 70% et 80% de celui du mélange des trois dits gaz et le débit de vapeur d'eau étant compris entre 1% et 5% de celui du mélange des trois gaz, la longueur de la partie convergente des tuyères primaires étant inférieure à 15mm et l'aire de la section de sortie des tuyères primaires 14 étant comprise entre 1,1 et 5 fois l'aire de la section de ces tuyères à leur col, la section totale de sortie des tuyères secondaires étant comprise entre 60% et 90% de la section de la chambre d'expansion, l'aire de la section de ladite tubulure d'évacuation 26 étant sensiblement égale à celle de la chambre d'expansion, la longueur de l'ensemble de cette chambre d'expansion et de cette tubulure d'éva- cuation étant supérieure ou égale à 25 fois le rapport de l'aire de cette section au périmètre de cette section, de manirèe à permettre auxdits gaz mélangés de ralentir jusqu'à une vitesse subsonique avant la sortie de cette tubulure, et de remonter à une pression supérieure ou égale à la pression atmosphérique. 5/ Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que ladite tubulure d'évacuation est divergente à son extrémité aval 28. 6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits injecteurs secondaires présentent la forme de barreaux (10, 12) sensiblement parallèles les uns aux autres, les deux faces latérales en regard de deux bar- reaux voisins (10, 12) forment les deux parois d'une même tuyère primaire (14), la face aval de chacun de ces barreaux étant sensiblement entièrement creusée pour former l'orifice de sortie d'une tuyère secondaire, de telle sorte que les deux parois latérales de cette tuyère secondaire se raccordent à leurs extrémités aval aux extrémités aval de deux parois latérales de deux tuyères primaires selon deux lignes d'arr9te à angle aigu, ces deux lignes d'arrête étant disposées selon la longueur de ce barreau. 7/ Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que les deux électrodes pour créer ladite décharge d'excitation sont constituées l'une par l'injecteur primaire, l'autre par les faces amont des injecteurs secondai- res, la chambre d'excitation 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 5000kJ/kg d'azote injecté.