Brevet FR2640440A1 — publié le 19900615

La présente invention concerne un laser chimique et plus particulièrement un laser chimique fonctionnant par formation d'acide chlorhydrique ou bromhydrique. Dans les lasers chimiques de ce type on accélère un gaz contenant de l'hydrogène atomique par passage dans des tuyères et on injecte à la sortie des tuyères du chlore ou du brome gazeux de manière à former, par réaction avec l'hydrogène atomique, des molécules excitées d'acide chlorhydrique ou d'acide bromhydrique excitées en vibration et présentant une inversion de population. Ces molécules excitées passent ensuite à travers une cavité optique résonnante afin de créer un faisceau laser Dans ces lasers, le gaz contenant de l'hydrogène atomique est formé par exemple en excitant par une décharge électrique un mélange d'hydrogène et d'un gaz neutre. Mais ces lasers sont peu puissant car il n1 existe aucune source capable de fournir un débit important d'hydrogène atomique. La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient et d'augmenter la puissance des lasers fonctionnant par formation d'acide chlorhydrique ou bromhydrique. La présente invention a pour objet un laser chimique comportant - des tuyères dont les cols sont disposés dans un plan, ces tuyères étant capables d'accélérer à une vitesse supersonique, d'un côté à l'autre du plan, un premier gaz traversant les tuyères, ce premier gaz contenant de l'hydrogène atomique, - une cavité optique résonnante disposée à la sortie des tuyères, perpendiculairement au sens d'écoulement gazeux dans les tuyères, - des moyens pour introduire dans la cavité à la sortie des tuyères et parallèlement audit sens un second gaz choisi dans le groupe constitué par le chlore et le brome, l'hydrogène atomique du premier gaz réagissant avec le second gaz pour former des molécules d'un acide excitées en vibration et présentant une inversion de population, ces molécules traversant la cavité pour créer un faisceau laser, caractérisé en ce qu'il comporte en outre - une enceinte munie de deux entrées et d'une sortie constituée par les tuyères, - des moyens pour introduire dans l'enceinte un carburant par une des deux entrées, - des moyens pour introduire dans ltenceinte un comburant contenant du fluor par l'autre entrée, - des moyens pour faire brûler dans l'enceinte le carburant avec le comburant de façon à obtenir un troisième gaz contenant du fluor atomique - et des moyens pour introduire dans l'enceinte, juste à l'amont du col des tuyères, un quatrième gaz constitué d'un mélange d'hydrogène et d'un gaz neutre, lthydrogène du quatrième gaz réagissant avec le fluor atomique du troisième gaz pour former de l'hydrogène atomique, de façon à obtenir ledit premier gaz contenant de l'hydrogène atomique. 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 t est une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation de laser chimique selon l'invention - la figure 2 est une coupe transversale selon un plan II-II du laser illustré par la figure 1 et la figure 3 est une vue partielle en coupe, à plus grande échelle, des tuyères du laser illustré par la figure 1. Sur la figure 1, une enceinte parallélépipédique 1 comporte sur une de ses faces une entrée d'un gaz constituée par un injecteur central 2 et une entrée d'un autre gaz constituée par deux injecteurs 3 et 4 disposés de part et d'autre de l'injecteur 2. La face opposée de 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 des tuyères ont une forme de rectangle allongé, les rectangles étant superposés suivant leurs grands côtés. Les parois des tuyères sont avantageusement, 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 schématiquement sur la figure 1 et à plus grande échelle partiellement sur la figure 3. 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, de plus, 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 il de manière à former 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. Ces canalisations telles que 14 et 15 peuvent être orientées perpendiculairement au sens 9 d'écoulement gazeux, comme représenté. Les canalisations peuvent être aussi inclinées d'un angle quelconque par rapport au sens d'écoulement gazeux. Les parties communes peuvent également comporter des canaux de circulation d'un fluide de refroidissement tel que liteau, ces canaux 16 et 17 étant parallèles aux canaux 13 et 14 et situés en amont des canaux 13 et 14 par rapport au sens de la flèche 9. Toujours dans les parties communes mais en aval des cols des tuyères sont disposés d'autres canaux d'amenée de gaz 18 et 19 parallèles aux canaux 13 et 14. Les canaux 18 et 19 débouchent à la sortie des tuyères parallèlement au sens de la flèche 9 par des orifices évasés tels que 20 et 21 situés entre les sorties des tuyères. Par exemple l'orifice évasé 20 est situé entre les sorties des tuyères 5 et 10. En référence de noweau à la figure 1, une cavité optique résonnante est disposée à la sortie des tuyères perpendiculairement au sens d'écoulement des gaz dans les tuyères. Cette cavité est formée de deux miroirs 22 et 23, le miroir 22 étant semi-transparent. Ces miroirs sont fixés par exemple sur un prolongement 24 des parois de l'enceinte 1, ce prolongement 24 se terminant par une portion 25 à section progressivement rétrécie. Cette portion 25 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 la manière suivante. On fait pénétrer sous pression dans l'enceinte 1 par l'injecteur 2 un carburant gazeux tel que l'hydrogène ou l'éthylène. 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. La réaction de combustion entre le carburant et le comburant su amorce spontanément lorsque le comburant est du fluor gazeux, mais elle 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 à l'amont du col des tuyères (par exemple à un millimètre du col) un mélange d'hydrogène et d'un gaz neutre tel que l'hélium, l'azote ou l'argon à travers les canaux 12 et 13 et les canalisations 14 et 15 ménagés dans la paroi des tuyères. L'hydrogène de ce mélange réagit avec le fluor atomique du gaz résultant de la combustion pour former de l'hydrogène atomique suivant la réaction d'échange suivante : Cette réaction est très rapide et très exothermique et la chaleur qu'elle produit compense l'abaissement de température provoqué par la dilution de lthydrogène dans le gaz neutre. Dans ces conditions la température du gaz à l'amont du col des tuyères stétablit à une valeur constante de 11 ordre de 15000K et la pression des gaz à quelques bars. Par suite de la différence de pression gazeuse existante entre l'entrée et la sortie des tuyères, le gaz contenant de l'hydrogène atomique est accéléré à une vitesse supersonique par passage dans les tuyères. On injecte alors du chlore ou du brome gazeux dans la cavité laser à la sortie des tuyères à travers les canaux tels 19 et les orifices évasés tels que 21. Le gaz contenant de l'hydrogène atomique sortant des tuyères forme par combinaison avec le chlore ou le brome injecté des molécules d'acide chlorhydrique ou bromhydrique excitées en vibration. Il en résulte une inversion partielle ou totale de population dans les niveaux quantiques attachés à la molécule HCl ou HBr. Cette inversion de population provoque l'émission d'un faisceau laser continu 26 traversant le miroir semi-transparent 22 suivant un axe 27 perpendiculaire au sens d'écoulement des gaz. L'hydrogène injecté à l'amont du col des tuyères peut être remplacé par du dentérium. On obtient alors par réaction avec le fluor atomique du dentérium atomique qui forme à la sortie des tuyères' par réaction avec le chlore ou le brome, respectivement de l'acide chlorhydrique dentéré ou de l'acide bromhydrique denteré. On voit donc qu'on peut réaliser quatre types de laser notés sur le tableau suivant Gaz injectés Molécules excitées Longueur d'onde H2/Cl2 HCl 3,5 à 4 microns D2/Cl2 Dcl 5 microns H2/Br2 HBr 4 à 4,5 microns D2/Br2 DBr 6,5 microns Le laser chimique selon l'invention présente l'avantage d'avoir une puissance de sortie beaucoup plus forte que celle des lasers selon l'art antérieur. L'augmentation de puissance est due principalement à l'augmentation du taux d'hydrogène atomique dans le gaz traversant les tuyères. L'exemple ci-dessous donne une valeur indicative de l'importance du taux d'hydrogène atomique qu'il est possible obtenir. - Composition des gaz à ltentrée de l'enceinte Comburant F2 93,4% (proportion molaire) Carburant C2H4 6,4S (proportion molaire) - Composition du gaz dans l'enceinte après la combustion F 70% F2 3S HF 172 CF4 10S Composition du gaz dans l'enceinte, juste en amont du col des tuyères, après injection d'un mélange H2/He H 12S HF 16S 4 2% He 70% Le laser chimique selon l'invention peut être appliqué à l'obtention de faisceaux laser de grande énergie ou à l'analyse des gaz pollués ou toxiques. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits ou représentés qui n'on 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, selon l'invention 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 - des tuyères dont les cols sont disposés dans un plan, ces tuyères étant capables d'accélérer à une vitesse supersonique, d'un coté à l'autre du plan, un premier gaz traversant les tuyères, ce premier gaz contenant de lthydrogène atomique, - une cavité optique résonnante disposée à la sortie des tuyères, perpendiculairement au sens d'écoulements gazeux dans les tuyères, - des moyens pour introduire dans la cavité à la sortie des tuyères et parallèlement audit sens un second gaz choisi dans le groupe constitué par le chlore et le brome, l'hydrogène atomique du premier gaz réagissant avec le second gaz pour former des molécules d'un acide excitées en vibration et présentant une - -trsion de population, ces molécules traversant la cavité pour créer un faisceau laser, caractérisé en ce qu' il comporte en outre - une enceinte munie de deux entrées et d'une sortie constituée par les tuyères, - des moyens pour introduire dans l'enceinte un carburant par une des deux entrées, - des moyens pour introduire dans l'enceinte un comburant contenant du fluor par l'autre entrée, - des moyens pour faire brûler dans l'enceinte le carburant avec le comburant de façon à obtenir un troisième gaz contenant du fluor atomique - et des moyens pour introduire dans l'enceinte, juste à l'amont du col des tuyères, un quatrième gaz constitué d'un mélange d1 hydrogène et d'un gaz neutre, l'hydrogène du quatrième gaz réagissant avec le fluor atomique du troisième gaz pour former de 1 1hydrogène atomique, de façon à obtenir ledit premier gaz contenant de l'hydrogène atomique. 2/ Laser chimique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour introduire dans l'enceinte un quatrième gaz comportent des canalisations traversant la paroi des tuyères. 3/ Laser chimique selon la revendication 2, caractérisé en ce que, le col der r es ayant une section en forme de rectangle allongé, ces rectangles téta; Derposés dans ledit plan suivant leurs grands cotés, les parois des tuyères étant solidaires entre elles de façon à former un volume cylindrique dont les génératrices sont parallèles audit plan, lesdits moyens pour introduire un quatrième gaz dans l'enceinte comportant des canaux d'amenée de ce quatrième gaz, ces canaux étant situés dans ledit volume parallèlement auxdites génératrices en amont dudit plan par rapport audit sens d'écoulement gazeux, les canalisations étant raccordées aux canaux. 4/ Laser chimique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des canaux de circulation d'eau situés dans ledit volume parallèlement auxdites génératrices et en amont des canaux d1 amenée du quatrième gaz par rapport audit sens d'écoulement. 5/ Laser chimique selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens pour introduire un second gaz dans la cavité comportent des canaux d'amenée du second gaz disposés dans ledit volume parallèlement auxdites génératrices et en aval dudit plan par rapport audit sens d'écoulement, ces canaux d'amenée du second gaz comportant des orifices débouchant dans la cavité optique résonnante.