Brevet FR2624400A1 — publié le 19890616

DISPOSITIF DE REPARTITION DES FAISCEAUX LASERS UTILISES LORS D'UNE REACTION SELECTIVE DANS UN PROCEDE DE SEPARATION ISOTOPIQUE PAR LASERS DESCRIPTION La présente invention a pour objet un dispositif de répartition des faisceaux lasers utilisés lors d'une réaction sélective dans un procédé de séparation isotopique par lasers. L'invention s'applique aux réactions sélectives telle la séparation isotopique de L'uranium par lasers. Dans un dispositif de séparation isotopique basé sur L'excitation sélective d'une espèce suivie de sa photoionisation, La faiblesse de la section efficace de photoionisation pose un problème capital. Le faisceau laser à la Longueur d'onde Xi de photoionisation est beaucoup moins absorbé que celui (ou ceux) à la longueur d'onde 'Xe d'excitation sélective. Par ailleurs, pour conserver une bonne sélectivité, on ne peut opérer avec une puissance trop importante du faisceau d'excitation sélective; en effet, on aurait une -perte de sélectivité due par exemple à L'éLargissement spectral par saturation ou à des transitions à plusieurs photons. On ne peut donc pas maintenir tout le long de leur parcours dans l'enceinte la présence simultanée des deux faisceaux. Il en résulte que le faisceau d'ionisation est très mal utilisé, son énergie étant gaspiLlée dans la dernière partie du trajet o le faisceau d'excitation sélective est très atténué. Afin d'utiliser au mieux L'énergie des différents faisceaux, on peut adapter leurs polarisations aux transitions correspondantes et d'autre part leur faire suivre des parcours différents. On renvoie le faisceau à la longueur d'onde \ i sur plusieurs passages à L'intérieur de L'enceinte de réaction, un faisceau à La Longueur d'onde X e est injecté dans L'enceinte à chaque passage. Sur La Longueur d'un passage dans L'enceinte le faisceau à La Longueur d'onde > e est totalement absorbé. Dans les montages connus de répartition des faisceaux lasers, Les faisceaux d'excitation sélective et de 2 2624400 photoionisation ont nécessairement des polarisations différentes dans la zone d'irradiation. Ces polarisations sont perpendiculaires si elles sont rectilignes, ou circulaires, droite et gauche. On trouve des exemples de tels dispositifs dans le brevet français n 85 04 827 du Commissariat à L'Energie Atomique. Selon les transitions atomiques choisies, le fait que les polarisations des faisceaux soient fixées par le montage peut être défavorable. Le but de la présente invention est de permettre une meilleure utilisation de l'énergie des faisceaux par le libre choix des polarisations sur chacun des faisceaux indépendamment les unes des autres et grâce à une bonne répartition de l'intensité des faisceaux dans l'enceinte de réaction. De façon plus précise, l'invention a pour objet un dispositif de répartition des faisceaux lasers utilisés lors d'une réaction sélective dans un procédé de type séparation isotopique par lasers comprenant: - dans une enceinte, un corps dont on veut extraire une espèce, ce corps étant sous forme d'un écoulement de vapeur, - des sources lasers délivrant des impulsions lasers suivant des faisceaux SI1,..., Sn, n étant un entier au moins égal à 1, aux longueurs d'ondes >1,..., X n d'excitation sélective et suivant un faisceau St à la longueur d'onde t permettant une transformation de cette espèce excitée, - des moyens de renvoi des faisceaux permettant plusieurs passages à travers l'enceinte. Ce dispositif se caractérise en ce qu'il comporte: - des miroirs à réflexion partielle, disposés de telle sorte que les faisceaux S1,..., Sn, St transmis et réfléchis soient superposes. Une première partie de ces faisceaux est dirigée vers l'enceinte, une autre vers le miroir à réflexion partielle suivant. L'utilisation de ces miroirs à réflexion partielle permet d'éviter le recours à tout élément polariseur (tel un prisme de Glan) pour superposer les faisceaux. - des moyens de renvoi permettant d'ajuster La Longueur du trajet dans L'enceinte entre deux miroirs à réflexion partielle, - des moyens de retard optique permettant la synchronisation des impulsions des faisceaux provenant d'un miroir à réflexion partielle et dirigés vers Le suivant avec Les impulsions des faisceaux ayant traversé l'enceinte. Selon un mode préféré de réalisation de ce dispositif, les miroirs à réflexion partieLLe sont en nombre suffisant pour qu'après La dernière traversée de L'enceinte par le faisceau Lumineux La fLuence à la Longueur d'onde \ t soit égale à la fLuence à saturation pour cette longueur d'onde. En d'autres termes, Le nombre de photons par impulsion par unité de surface à La Longueur d'onde considérée (fLuence) est égal, après traversée du dispositif à L'inverse de la section efficace d'interaction (fluence à saturation). Selon un mode préféré de réalisation de ce dispositif, Les moyens de renvoi permettent d'ajuster la longueur du trajet dans l'enceinte, entre deux miroirs à réflexion partielle, de manière teLLe que la fluence à L'une des longueurs d'onde 1, An au moins soit égale à la fluence à saturation. Le choix du coefficient de réflexion des miroirs à réflexion partielle, 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. Selon une variante de réalisation de L'invention, Le dispositif comprend: - dans une enceinte, un corps dont on veut extraire une espèce, ce corps étant sous forme d'un écoulement de vapeur, - des sources Lasers délivrant des impulsions Lasers suivant des faisceaux S1,..., Sn, n étant un entier au moins égal à 1, aux Longueurs d'onde >1,...! n d'excitation sélective et suivant un faisceau St à La longueur d'onde Xt permettant une transformation de cette espèce excitée, - des moyens de renvoi des faisceaux permettant plusieurs passages à travers l'enceinte. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux étages. Chaque étage comprend: - une source laser Se, e étant un entier compris entre 1 et n, délivrant des impulsions à la longueur d'onde e, - des miroirs à réflexion partielle disposés de telle sorte que, à l'exceptiondu faisceau Se, les faisceaux Si,..., Sn, St transmis et réfléchis soient superposés, une partie de ces faisceaux étant dirigée vers un miroir à réflexion partielle, une autre partie vers l'étage suivant, - des miroirs à réflexion partielle disposés de telle sorte que les faisceaux S1,..., Se,..., Sn, St transmis et réfléchis soient superposés, une partie de ces faisceaux étant dirigée vers l'enceinte, une autre vers le miroir suivant, - des moyens de renvoi permettant d'ajuster la longueur du trajet dans l'enceinte, entre deux miroirs à réflexion partielle, - des moyens de retard optique permettant la synchronisation des impulsions provenant d'un miroir à réflexion partielle et dirigé vers le suivant avec les impulsions ayant traversé l'enceinte, - des moyens de synchronisation des impulsions provenant d'un étage avec celles délivrées par La source laser Se de l'étage suivant. Ce dispositif se caractérise d'autre part en ce que les faisceaux résiduels, après traversée d'un étage, sont injectés dans l'étage suivant. Selon un mode préféré de réalisation, le nombre d'étages est suffisant pour que, après la dernière traversée de l'enceinte de réaction par le faisceau lumineux, la fluence à la longueur d'onde > t soit égale à la fluence à saturation pour cette longueur d'onde. Selon un mode préféré de réalisation, les moyens de renvoi permettent d'ajuster la Longueur du trajet dans l'enceinte, entre deux miroirs à réflexion partielLe, de manière telle que la fluence à La longueur d'onde A e soit égale à la fLuence à saturation pour cette longueur d'onde. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles: - la figure 1 représente un arrangement connu de dispositif de séparation isotopique par lasers; - La figure 2 représente une variante connue du dispositif décrit figure 1; - la figure 3 représente une autre variante connue du dispositif décrit figure 1; - la figure 4 représente le dispositif selon l'invention; - la figure 5 représente une variante du dispositif selon l'invention. La figure 1 décrit le montage connu à la base des dispositifs de séparation isotopique par lasers. Des faisceaux S1 et St, respectivement excitateur et photoionisant, de polarisation perpendiculaire sont superposés et dirigés vers une enceinte de réaction 10 par l'intermédiaire d'un prisme de Glan 1. Apres de multiples passages dans l'enceinte, le faisceau S1 est absorbé. Le faisceau St est alors envoyé vers un prisme de Glan 1. Un nouveau faisceau S1 est fourni par une source laser (non représentée). Apres traversée du prisme de Glan, les faisceaux S1+St sont envoyés dans l'enceinte et ainsi de suite jusqu'à absorption complète du faisceau St. La figure 2 décrit une variante connue du dispositif précédent. Des lames quart d'onde 2 permettent de rendre circulaires Les polarisations des faisceaux S1 et St. Inversement, une Lame quart d'onde rend rectiligne la polarisation du faisceau St à l'entrée du second prisme de Glan. Ce dispositif permet d'éliminer tout faisceau Slr résiduel dans 6 2 2624400 le second faisceau S1+St. En effet après passage par la lame quart d'onde le faisceau Slr reprend une polarisation rectiligne perpendiculaire à la polarisation du faisceau St. Le faisceau résiduel Slr est donc transmis par le prisme de Glan et non réfléchi comme le faisceau St. Ce faisceau résiduel, s'il était présent, viendrait interférer avec Le nouveau faisceau S1+St. La figure 3 représente une autre variante du dispositif représenté figure 1. Ce cas de figure peut être appliqué à l'uranium. Les faisceaux d'excitation sélective Sl, S2, S3 aux longueurs d'onde respectives > 1, X2, \3 sont regroupés suivant la même polarisation et le faisceau St de photoionisation a une autre polarisation. La figure 4 représente le dispositif conforme à l'invention. Des sources lasers 12 délivrent des impulsions lumineuses à des longueurs d'onde >1,.. ., Xn suivant des faisceaux S1,..., Sn, et un faisceau St à la longueur d'onde >t. Ces faisceaux S1,..., Sn, St sont réfléchis et transmis par un premier miroir à réflexion partielle M1. Une partie P1 de ces faisceaux est dirigée vers une enceinte de réaction 10. Cette partie P1 effectue plusieurs passages dans l'enceinte. Des moyens de renvoi 14 permettent d'ajuster la longueur de ce trajet, puis de diriger le faisceau P1 vers un second miroir à réflexion partielle M2. Une partie P2 des faisceaux S1,..., Sn, St transmis et réfléchis par Le miroir M1 est dirigée vers le second miroir à réflexion partielle M2. La synchronisation des impulsions issues des parties P1 et P2 est assurée par des moyens de retard optique 16. A hauteur du miroir M2 une partie des impulsions sera dirigée vers L'enceinte et l'autre vers un miroir à réflexion partielle M3 (non représenté). La figure 5 représente une variante du dispositif selon l'invention. Des sources lasers 12 sont à l'origine des faisceaux lumineux S1,..., Sn, St et Se aux longueurs d'onde >,...,X n, \t et > e. Le dispositif comprend au moins deux étages Ei, i est un entier au moins égal à 1. 7 2624400 Chaque étage Ei comprend au moins un miroir M'I à réflexion partielle qui transmet et réfléchit les faisceaux S1, Sn, St. Chaque étage Ei comprend encore une source laser 12 délivrant un faisceau Se à la longueur d'onde \ e La plus absorbée lors du processus de réaction sélective. A L'intérieur de chaque étage une partie P'i des faisceaux S1,..., Sn, St transmis et réfléchis par M'I est dirigée vers un miroir à réflexion partielle M1. Cette partie P'1 et le faisceau Se sont réfléchis et transmis par M1. Une partie P1 de ces faisceaux est dirigée vers une enceinte de réaction 10. Cette partie P1 effectue plusieurs passages dans l'enceinte. Des moyens de renvoi 14 permettent d'ajuster la longueur de ce trajet, puis de diriger le faisceau P1 vers un second miroir à réflexion partielle M2. Une partie P2 des faisceaux Se et P'I transmis et réfléchis par le miroir M1 est dirigée vers le second miroir à réflexion partielle M2. La synchronisation des impulsions issues des parties P1 et P2 est assurée par des moyens de retard optique 16. A hauteur du miroir M2, une partie des impulsions est dirigée vers l'enceinte 10 et l'autre vers un miroir à réflexion partielle M3 (non représenté) et ainsi de suite. Le faisceau résiduel Sr n'ayant pas été absorbé après ces multiples traversées de miroirs à réflexion partielle et passages à travers l'enceinte de réaction 10 est dirigé, grâce à des moyens de renvoi 14 vers l'étage Ei+l. L'étage Ei comprend en dernier lieu des moyens 17 qui permettent de diriger une partie P'2 des faisceaux S1,..., Sn, St transmis et réfléchis par le miroir M'i vers l'étage Ei+1. Ces moyens 17 permettent aussi la synchronisation des impulsions de la partie P'2 avec les impulsions du faisceau Sr. REVENDICATIONS 1. Dispositif de répartition des faisceaux lasers utilisés lors d'une réaction sélective dans un procédé de séparation isotopique par lasers comprenant: - dans une enceinte (10), un corps dont on veut extraire une espèce, ce corps étant sous forme d'un écoulement de vapeur, - des sources lasers (12) délivrant des impulsions lasers suivant des faisceaux Sl,..., Sn, n étant un entier au moins égal à 1, aux Longueurs d'ondes >1, ., X n d'excitation sélective et suivant un faisceau St à la longueur d'onde > t permettant une transformation de cette espèce excitée, - des moyens de renvoi (14) des faisceaux permettant plusieurs passages à travers l'enceinte (10), caractérisé en ce qu'il comporte: - des miroirs (Mi) à réflexion partielle, i entier au moins égal à 1, disposés de telle sorte que les faisceaux Sl, Sn, St transmis et réfléchis soient superposés, une première partie (P1) de ces faisceaux est dirigée vers l'enceinte (10), une autre (P2) vers le miroir à réflexion partielle suivant, - des moyens (16) de retard optique permettant la synchronisation des impulsions des faisceaux (P2) provenant d'un miroir (Mi) à réflexion partielle et dirigés vers le miroir (Mi+l) avec les impulsions des faisceaux ayant traversé l'enceinte (10), - des moyens de renvoi (14) étant disposés pour permettre d'ajuster la longueur du trajet dans l'enceinte (10)..CLMF: entre deux miroirs (Mi) et (Mi+1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les miroirs (Mi) à réflexion partielle sont en nombre suffisant pour qu'après la dernière traversée de l'enceinte (10) par le faisceau lumineux la fluence à la longueur d'onde X t soit égale à la fluence à saturation pour cette longueur d'onde. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en 9 2624400 ce que les moyens de renvoi (14) permettent d'ajuster la longueur du trajet dans l'enceinte (10) entre deux miroirs (Mi et Mi+1) de manière telle que la fluence à l'une des longueurs d'onde >1, > n au moins soit égale à la fluence à saturation. 4. Dispositif de répartition des faisceaux lasers utilisés lors d'une réaction sélective dans un procédé de séparation isotopique par lasers comprenant: - dans une enceinte (10), un corps dont on veut extraire une espèce, ce corps étant sous forme d'un écoulement de vapeur, - des sources lasers (12) délivrant des impulsions lasers suivant des faisceaux S1,..., Sn, n étant un entier au moins égal à 1, aux longueurs d'onde >1,. , > n d'excitation sélective et suivant un faisceau St à la longueur d'onde > t permettant une transformation de cette espèce excitée, - des moyens de renvoi (14) des faisceaux permettant plusieurs passages à travers l'enceinte (10), caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux étages, chaque étage (Ei) comprenant: - une source laser Se, e étant un entier compris entre 1 et n, délivrant des impulsions à la longueur d'onde >e, - des miroirs à réflexion partielle (M'j), j étant un entier au moins égal à 1, disposés de telle sorte que, à l'exception du faisceau Se, les faisceaux S1,..., Sn, St transmis et réfléchis soient superposés, une partie (P'1) de ces faisceaux étant dirigée vers un miroir (Mk), l'autre partie (P'2) vers l'étage (Ei+1) suivant, - des miroirs (Mk) à réflexion partielle, k étant un entier au moins égal à 1, disposés de telle sorte que les faisceaux S1,..., Se,... Sn, St transmis et réfléchis soient superposés, une partie (P1) de ces faisceaux étant dirigée vers l'enceinte (10), une autre (P2) vers le miroir suivant (Mk+1), - des moyens de renvoi (14) permettant d'ajuster la longueur du trajet dans l'enceinte (10), entre deux miroirs (Mk et Mk+1),..CLMF: 2624400 des moyens (16) de retard optique permettant la synchronisation des impulsions des faisceaux provenant d'un miroir à réflexion partielle (Mk) et dirigé vers le suivant (Mk+l) avec les impulsions ayant traversé l'enceinte (10), - des moyens (17) de synchronisation des impulsions provenant d'un étage (Ei) avec celles délivrées par la source laser Se à la longueur d'onde Xe de l'étage (Ei+1). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les faisceaux résiduels, après traversée d'un étage (Ei), sont injectés dans l'étage (Ei+1). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les étages (Ei) sont en nombre suffisant pour que, après la dernière traversée de l'enceinte (10) par les faisceaux lumineux, la fluence à la longueur d'onde > t soit égale à la fluence à saturation pour cette longueur d'onde. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4, 5 et 6, caractérisé en ce que les moyens de renvoi (14) permettent d'ajuster la longueur du trajet dans l'enceinte (10) entre deux miroirs (Mk et Mk+1) de manière telle que la fluence à la longueur d'onde Xe soit égale à la fluence à saturation pour cette longueur d'onde.