Brevet FR2640439A1 — publié le 19900615

La présente invention ooncerne un laser chimique et plus particulièrement un laser chimique fonctionnant par formation d'acide fluorhydrique HF ou d'acide fluorhydrique deuteré DF. Dans les lasers chimiques de ce type, on fait brûler dans une enceinte un carburant avec un comburant contenant du fluor, ces carburant et comburant étant généralement introduits dans enceinte sous forme gazeuse après dilution dans un gaz neutre. On obtient ainsi un gaz contenant du fluor atomique qui est accéléré à une vitesse supersonique par passage dans des tuyères, puis mélangé avec de l'hydrogène ou du dentérium pour former des molécules de HF ou de DF excitées en vibration et présentant une inversion de population. Le gaz contenant ces molécules excitées circule dans une cavité optique résonnante pour créer un faisceau laser. La présente invention à pour but d'augmenter le rendement de ces lasers chimiques. La présente invention a pour objet un laser chimique, comportant - une enceinte munie de deux entrées et d'une sortie - des moyens pour introduire un carburant dans l'enceinte par une des deux entrées, - des moyens pour introduire dans 1' enceinte par l'autre entrée un comburant contenant du fluor, - des moyens pour faire brûler dans l'enceinte le carburant avec le comburant de façon à obtenir un gaz contenant du fluor atomique, - des tuyères dont les cols sont disposés dans un plan à la sortie de l'enceinte, le gaz contenant du fluor atomique passant à travers ces tuyères d'un côté à l'autre du plan à une vitesse supersonique. - une cavité optique résonnante disposée à la sortie des tuyères, perpendiculairement au sens d'écoulement dans les tuyères - et des moyens pour introduire de l'hydrogène dans la cavité à la sortie des tuyères, parallèlement audit sens, le gaz sortant des tuyères formant, avec l'hydrogène introduit, des molécules d'acide fluorhydrique excitées en vibration et présentant une inversion de population, ces molécules traversant la cavité afin de former un faisceau laser sortant de la cavité, caractérisé en ce qu' il comporte des moyens pour introduire un gaz neutre dans 1' enceinte juste en amont du col des tuyères, ce gaz étant mélangé au gaz contenant du fluor atomique avant traversée du col des tuyères. Des formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation du laser chimique selon l'invention, - la figure 2 est une coupe transversale selon un plan II-II du laser illustré par la figure 1, - la figure 3 est une vue partielle en coupe, à plus grande échelle, des tuyères du laser illustré par la figure 1, cette vue montrant des détails de ces tuyères non visibles sur la figure 1, - et les figures 4 et 5 sont des vues partielles en coupe de tuyères d'autres modes de réalisation du laser chimique selon l'invention. Sur r la figure 1, une enceinte parallélépipédique 1 comporte sur une de ses faces une entrée d'un premier gaz constituée par un injecteur central 2 et une entrée d'un deuxième gaz constituée par deux injecteurs 3 et 4 disposés de part et d'autre de l'injecteur 2. La face opposée de l'enceinte est formée de tuyères juxtaposées telles que 5, dont les cols sont disposés dans le plan II-II de cette face. La figure 2 montre que les cols de tuyères ont une forme de rectangle allongé, les rectangles étant disposés l'un au dessus de l'autre suivant leurs grands côtés. Les parois des tuyères peuvent être, comme représenté, solidaires entre elles de façon à former un volume sensiblement cylindrique dont les génératrices sont parallèles aux grands côtés des rectangles et dont la section est représentée sur la figure 1 et partiellement sur la figure 3, à plus grande échelle. La tuyère 5 représentée sur la figure 3 comporte une entrée parallélépipédique 6 dont la section se rétrécit progressivement vers le col 7 de la tuyère. Au delà du col, une sortie évasée 8 permet d'augmenter la vitesse du gaz se propageant dans le sens de la flèche 9. La figure 3 montre la tuyère 11 et partiellement la tuyère 10,disposées de part et d'autre de la tuyère 5. On voit sur cette figure que la cloison de la tuyère 5 comporte des parties communes avec les cloisons des tuyères 10 et 11, de sorte que l'ensemble des parois des tuyères forme le volume cylindrique mentionné ci-dessus. Dans chacune de ces parties communes, sont disposés des canaux d'amenée de gaz 12 et 13 situés en amont du plan II-II par rapport au sens de la flèche 9, ces canaux étant parallèles aux génératrices dudit volume cylindrique. Les canaux 12 et 13 débouchent par des canalisations dans les entrées telles que 6, juste en amont du col des tuyères. Certaines de ces canalisations, telles que t4 et 15, sont orientées perpendiculairement au sens d'écoulement gazeux 9. D'autres telles que 16 et 17 sont inclinées par rapport à l'axe des tuyères de façon que le jet de gaz sortant de ces canalisations soit orienté sensiblement vers le col 7 de la tuyère. Ces parties communes peuvent également comporter des canaux de circulation d'un liquide de refroidissement tel que l'eau, ces canaux 18 et 19 étant parallèles aux canaux 13 et 14 et situés par rapport au sens de la flèche 9 entre les canaux 13-14 et le plan II-II. Toujours dans ces parties communes mais en aval des tuyères sont disposés d'autres canaux d'amenée de gaz 20 et 21 parallèles aux canaux 13-14. Les canaux 20 et 21 débouchent à la sortie des tuyères parallèlement au sens de la flèche 9 par des orifices évasés tels que 22 et 23 situés entre les sorties des tuyères. Par exemple l'orifice évasé 22 est situé entre les sorties des tuyères 5 et 10. La figure 4 montre qu'il est possible de prévoir, dans un autre mode de réalisation, des canaux d'amenée de gaz 24 et 25 disposés en amont du col des tuyères entre les canaux 40, 41 de circulation d'un liquide de refroidissement et le plan du col des tuyères. Par exemple le canal 24 débouche dans l'enceinte juste à l'amont du col des tuyères par des canalisations 26 et 27 analogues aux canalisations 14 et 16 visibles sur la figure 3. La figure 5 montre que les canaux d'amenée de gaz situés en amont du col des tuyères peuvent être formés par des rainures telles que 28,29 et 30 ménagées sur la surface cylindrique du volume des tuyères. Dans ce cas une feuille métallique 31 par exemple en nickel est plaquée sur cette surface cylindrique . Le gaz contenu dans ces canaux est distribué dans l'enceinte grâce à des percées telles que 32 de cette feuille métallique. Certaines des rainures, comme la rainure 30 peuvent être disposées de façon à pouvoir injecter le gaz dans l'enceinte parallèlement à la direction d'écoulement 33 des gaz dans les tuyères, mais en sens inverse En référence de nouveau à la figure 1, une cavité optique résonnante est formée de deux miroirs 34-35, le miroir 34 étant semi-transparent. La cavité est disposée à la sortie des tuyères 5 perpendiculairement au sens d'écoulement des gaz dans les tuyères. Ces miroirs sont fixés par exemple sur un prolongement 36 des parois des l'enceinte 1, ce prolongement 36 se terminant par une partie 37 à section progressivement rétrécie. Cette partie 37 peut comporter un dispositif d'aspiration non représenté pour accélérer le passage des gaz dans les tuyères. Le dispositif représenté sur la figure 1 fonctionne de manière suivante. On fait pénétrer sous pression dans l'enceinte 1 par l'injecteur 2 un carburant gazeux. Ce carburant gazeux peut être par exemple de l'hydro- gène ou un de ses composés tel que l'éthylène. Ce carburant peut être aussi du dentérius ou un de ses composés. Simultanément on introduit dans l'enceinte 1 par les injecteurs 3 et 4 un comburant contenant du fluor tel que du fluor gazeux ou du trifluorure d'azote gazeux. La réaction de combustion entre le carburant et le comburant s'amorce spontanément lorsque le comburant est du fluor gazeux et nécessite l'utilisation d'un système d'allumage non représenté lorsque le comburant est du trifluorure d'azote.La réaction est exothermique et on atteint rapidement une température comprise entre 1000 et 2000 degrés K qui provoque la dissociation des molécules de fluor ou de trifluorure d'azote pour obtenir un gaz contenant du fluor à l'état atomique. On injecte aussi dans l'enceinte 1, juste en amont du col des tuyères un gaz neutre tel que l'hélium ou l'azote à travers les canaux tels que 12 et 13 et les canalisations 14 à 17 ménagés dans la paroi des tuyères. Le gaz contenant du fluor atomique se mélange avec le gaz neutre injecté et traverse les tuyères de façon à être accéléré à une vitesse supersonique. Le mélange s'effectue à une vitesse suffisamment grande pour empêcher la recombinaison du fluor atomique en fluor gazeux favorisée par l'abaissement important de température provoqué par l'injection de gaz neutre. Si on a introduit dans l'enceinte de combustion du deutérium ou un de ses composés, on injecte alors de l'hydrogène dans la cavité laser à la sortie des tuyères à travers les canaux tels que 21 et les orifices évasés tels que 23. Inversement, si le carburant introduit dans l'enceinte de combustion était de l'hydrogène ou un de ses composés, il faudrait injecter du deutérium dans la cavité laser. Le gaz contenant du fluor atomique sortant des tuyères forme en combinaison avec l'hydrogène ou le deutérium injecté des molécules d'acide fluorhydrique HF ou DF excitées en vibration. Il en résulte une inversion partielle ou totale de population dans les niveaux quantiques attachés à la molécule HF ou DF d'acide fluorhydrique.Cette inversion de population provoque l'émission d'un faisceau laser continu 38 traversant le miroir semi-transparent 34 suivant un axe 39 perpendiculaire au sens d'écoulement des gaz. Le laser chimique selon l'invention présente l'avantage d'augmenter la quantité de fluor atomique sortant des tuyères. Il en résulte une augmentation du nombre de molécules excitées d'acide fluorhydrique traversant la cavité et donc un accroissement du rendement énergétique du laser. En effet dans les lasers chimiques selon l'art antérieur où le carburant et (ou) le comburant sont dilués dans le gaz neutre avant injection dans l'enceinte une partie de l'énergie de combustion est dépensée en pure perte à chauffeur le gaz neutre. Le laser chimique selon l'invention permet de récupérer cette partie d'énergie et d'obtenir ainsi une quantité supplémentaire de fluor atomique. On constate aussi que la quantité de produits inutiles ou nuisibles (tels que HF) formés dans le laser chimique selon l'invention est plus faible, toutes choses égales par ailleurs, que dans les lasers chimiques selon l'art antérieur. Trois exemples comparatifs sont donnés ci-dessous à titre indicatif, pour illustrer les avantages énoncés ci-dessus du laser chimique selon l'invention. Dans ces trois exemples, la pression totale des gaz est de 3 bars et la température est de 15000K. Ces valeurs, mesurées à l'entrée des tuyères, sont identiques pour le laser connu et le laser selon l'invention. EXEMPLE N 1 Combustion fluor- éthylène gaz neutre : hélium A) LASER CONNU Débits musiques des gaz à l'entrée de l'enceinte (avant combustion) : F2 6,5 g/s C2 H4 0,57 g/s He 3 g/s Caractéristiques à la sortie de 11 enceinte ( à l'entrée des tuyères) gaz F F2 HF CF4 He composition (%) 9,6 0,2 8,4 4,2 77,6 débit musique g/s 1,76 0,1 1,63 3,58 3 B) LASER SELON L'INVENTION Débits massiques des gaz à entrée de l'enceinte :: F2 5,3 g/s C2 H4 0,26 g/s He néant Caractéristiques à la sortie de l'enceinte (à l'entrée des tuyères, après injection d'hélium) gaz F F2 HF CF4 Be composition (%) 16 0,7 3,8 1,9 77,6 débit musique (g/a) 2,94 0,Z6 0,74 1,63 3 EXEMPLE 2 Combustion fluor-hydrogène gaz neutre :Hélium A) LASER CONNU Débits massiques des gaz à l'entrée de l'enceinte (avant combustion) : F2 4,7 g/s H2 0,2 g/s He 3 g/s Caractéristiques à la sortie de l'enceinte (à l'entrée des tuyères) : Gaz F F2 HF He Composition (Z) 4,7 0,6 20 74,7 débit massique (g/s) 0,89 0,006 4 3 B) LASER SELON L'INVENTION Débits massiques des gaz à l'entrée de l'enceinte F2 4,8 g/s H2 0,0098 g/s He néant Caractéristiques à la sortie de l'enceinte (à l'entrée des tuyères, après injection d'hélium) Gaz F F2 HF He composition % 14 0,4 9,8 75,8 débit musique (g/s) 2,76 0,17 1,96 3 EXEMPLE N 3 Combustion fluor-hydrogène gaz neutre : azote A) LASER CONNU Débits massiques des gaz à l'entrée de l'enceinte (avant combustion) F2 0,9 g/s 2 0,04 g/s N2 3 g/s Caractéristiques à la sortie de l'enceinte (à l'entrée des tuyères) gaz F F2 HF N2 composition (%) 4,2 .3 26 69,5 débit massique (g/s) 0,12 0,01 0,8 3 B) LASER SELON L'INVENTION Débits massiques des gaz à l'entrée de l'enceinte : : F2 0,87 g/s H2 0,017 g/s N2 néant Caractéristiques à la sortie de l'enceinte (à entrée des tuyères, après injection d'azote) gaz F F2 HF N2 composition (%) 18 2 il 69 débit massique (gus) 0,54 0,05 0,34 3 Ces tableaux montrent qu'avec le laser selon l'invention, la quantité de fluor atomique est 2 à 4 fois plus grande et que la quantité de produits parasites (tels que HF) est 2 à 4 fois plus faible. Il en résulte que le rendement spécifique en fluor atomique, c'està-dire le rapport molaire entre le fluor atomique produit par la combustion et le composé fluoré introduit comme comburant dans la combustion est nettement plus élevé (2 à 4 fois plus grand) dans le laser chimique selon l'invention. Le laser chimique selon l'invention peut être appliqué pour obtenir des faisceaux laser de grande énergie ou pour l'analyse des gaz pollués ou toxiques. Bien entendu, l'invention ntest nullement limitée aux modes de réalisation décrits ou représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier on peut, sans sortir du cadre de l'invention remplacer certains moyens techniques par des moyens équivalents. C'est ainsi que les tuyères du laser chimique peuvent être non seulement des tuyères à section rectangulaire comme décrit ci-dessus mais aussi des tuyères de révolution autour d'un axe. REVENDICATIONS 1/ Laser chimique comportant - une enceinte munie de deux entrées et d'une sortie - des moyens pour introduire un carburant dans l'enceinte par une des deux entrées, - des moyens pour introduire dans l'enceinte par l'autre entrée un comburant contenant du fluor, - des moyens pour faire brûler dans l'enceinte le carburant avec le comburant de façon à obtenir un gaz contenant du fluor atomique, - des tuyères dont les cols sont disposés dans un plan à la sortie de l'enceinte, le gaz contenant du fluor atomique passant à travers ces tuyères d'un côté à l'autre du plan à une vitesse supersonique - une cavité optique résonnante disposée à la sortie des tuyères, perpendiculairement au sens d'écoulement dans les tuyères - et des moyens pour introduire de l'hydrogène dans la cavité à la sortie des tuyères, parallèlement audit sens, le gaz sortant des tuyères formant, avec l'hydrogène introduit, des molécules d'acide fluorhydrique excitées en vibration et présentant une inversion de population, ces molécules traversant la cavité afin de former un faisceau laser sortant de la cavité, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour introduire un gaz neutre dans l'enceinte juste en amont du col des tuyères, ce gaz neutre étant mélangé au gaz contenant du fluor atomique avant traversée du col des tuyères. 2/ Laser chimique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour introduire un gaz neutre dans l'enceinte comportent des canalisations traversant la paroi des tuyères. 3/ Laser chimique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les canalisations débouchent dans le volume intérieur des tuyères perpendiculairement à l'axe de ces tuyères. 4/ Laser chimique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les canalisations débouchent dans le volume intérieur des tuyères et sont inclinées par rapport à l'axe de ces tuyères de façon que le jet de gaz sortant de chaque canalisation soit orienté sensiblement vers le col de la tuyère. 5/ Laser chimique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les canalisations débouchent dans l'enceinte parallèlement audit écoulement et en sens opposé. 6/ Laser chimique selon la revendication 2, caractérisé en ce que, le col des tuyères ayant une section en forme de rectangle allongé, les rectangles étant disposés dans ledit plan ltun au dessus de l'autre suivant leurs grands côtés, les parois des tuyères étant solidaires entre elles de façon à former un volume cylindrique dont les génératrices sont parallèles à ces grands oôtés, lesdits moyens pour introduire un gaz neutre dans ltenceinte comportent des canaux d'amenée d'un gaz neutre, ces canaux étant situés dans ledit volume en amont dudit plan par rapport audit sens d'écoulement, les axes de ces canaux étant parallèles auxdites génératrices, lesdites canalisations étant raccordées aux canaux. 7/ Laser chimique selon la revendication 6, caractérisé en ce qu' il comporte en outre des canaux de circulation d'eau situés dans ledit volume, les axes de ces canaux étant parallèles à ceux des canaux d'amenée du gaz neutre. 8/ Laser chimique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les canaux de circulation d'eau sont, par rapport audit sens d'écoulement, en aval des canaux d'amenée du gaz neutre. 9/ Laser chimique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les canaux de circulation d'eau sont, par rapport audit sens d'écoulement, en amont des canaux d'amenée du gaz neutre. 10/ Laser chimique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les canaux d'amenée du gaz neutre sont formés par des rainures menagées sur la surface cylindrique dudit volume, une feuille métallique étant plaquée sur la surface cylindrique dudit volume, cette feuille comportant des percées constituant lesdites canalisations. 11/ Laser chimique selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens pour introduire de l'hydrogène dans la cavité comportent des canaux d'amenée d' hydrogène, ces canaux étant situés dans ledit volume parallèlement auxdites génératrices et en aval dudit plan par rapport audit sens d'écoulement, ces canaux comportant des percées débouchant vers la cavité optique résonnante.