Brevet FR2649088A1 — publié le 19910104

Procédé et appareil pour obtenir un mélange homogène d'iode atomique et de fluor atomique à l'état fondamental . et laser chimique IF à émission dans le domaine visible en faisant application. La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux procédés et appareils permettant d'obtenir un melange homogène d'iode atomique et de fluor atomique à l'état fondamental, et elle concerne également l'application de ces procédé et appareil perfectionnés à la réalisation d'un laser chimique à monofluorure d'iode IF émettant dans le domaine visible. De nombreuses recherches ont été conduites dansle monde pour tenter d'opérer un rayonnement laser continu de puissance élevée, à source chimique et à courte longueur d'onde (émission dans le domaine visible). On a pu obtenir, en particulier, un rayonnement laser dans la région rouge du spectre électromagnétique à partir de la molécule IF obtenue dans l'état fondamental IF X, pompée optiquement et sélectivement dans l'état excité IF B par un rayonnement issu d'un laser à colorant (voir S.J. Davis, L. Hanko et R.F. Shea, Journal of Chemical Physics, 78 (1), 1 janvier 1983). La molécule de monofluorure d'iode IF est donc un candidat intéressant pour un laser chimique émettant dans le domaine visible. De nombreux essais ont été menés pour tenter de réaliser un laser chimique IF émettant dans le domaine visible, mais aucun n'a permis d'aboutir à la réalisation d'un appareil facilement exploitable. La grande difficulté d'obtenir un rayonnement laser par pompage chimique dans le domaine visible est, en partie, liée aux problèmes de production et de mélange des espèces chimiques gazeuses conduisant ultérieurement à l'obtention d'une inversion de population nécessaire à l'émission du rayonnement. Les inventeurs ont démontré ("Concept de laser chimique émettant dans le visible", article publié dans la Recherche Aérospatiale, année 1988 N' 6, p. 23 à 29) la possibilité théorique d'obtenir une inversion de population par pompage chimique (et non plus optique) sur la nolécule de IF, en faisant réagir, dans des proportions déterminées, les espèces fluor atomique, iode atomique et oxygène singulet delta. Les inventeurs ont d'abord pensé qu'il suffisait d'intégrer dans le système laser les différents générat eues de gaz nécessaires à la création du milieu amplificateur, dans un montage de principe comprenant - un générateur d'oxygène singulet delta, 02in, - une chambre de combustion munie d'une tuyère de sortie supersonique et génératrice de fluor atomique, F( P3/2), - une chambre de combustion munie d'une tuyère de sortie supersonique et génératrice d'iode atomique, 1(2 P3/2), - une zone de mélange en amont immédiat de la cavité laser, - une cavité laser, - et un système de reprise des gaz. Toutefois, il s'est avéré, en pratique, qu'il était extrêmement difficile de mélanger, dans les proportions souhaitées et de façon homogène, les jets supersoniques de fluor atomique et d'iode atomique obtenus à la sortie des deux chambres de combustion respectives. En outre, un tel agencement est complexe, volumineux et peu approprié pour aboutir à un appareil facilement exploitable. L'invention a donc essentiellement pour but de remédier aux inconvénients ci-dessus exposés et de proposer des moyens perfectionnés qui, tout en conservant le fonctionnement de principe qui donne satisfaction, permettent une mise en oeuvre plus simple et plus efficace. A cette fin, selon un premier aspect, l'invention propose un procédé pour obtenir par une réaction de combustion un mélange homogène d'iode atomique et de fluor atomique à l'état fondamental, à partir d'un comburant fluoré et d'un mélange de deux combustibles dont l'un au moins est un composé iodé, qui se caractérise essentiellement en ce qu'on introduit le comburant et le mélange combustible simultanément dans une seule chambre de combustion, le comburant et le mélange combustible étant introduits avec un apport de valences réductrices du mélange combustible en léger défaut par rapport à l'apport de valences oxydantes du comburant, le rapport des fractions molaires du combustible iodé et du comburant fluoré étant compris entre 0,05 et 0,2. Avantageusement le rapport des fractions mclaires du combustible iodé et du combustible non iodé est compris entre 0,05 et 0,2. Ainsi, la production du fluor atomique et de l'iode atomique à l'état fondamental au sein d'une même enceinte et de façon simultanée conduit à la formation d'un mélange homogène de fluor et d'iode atomiques, qui évite les difficultés rencontrées auparavant pour le mélange des jets distincts de fluor atomique et d'iode atomique à la sortie des deux chambres de combustion distinctes respectives. En outre, l'appareillage est plus compact que celui envisagé auparavant. Enfin, l'association d'un combustible iodé et d'un combustible non iodé est particulièrement intéressante dans le cas de petites chambres de combustion pour lesquelles les pertes thermiques sont très levées. Bien que le comburant et/ou le combustible utilisés puissent se présenter sous forme liquide ou solide (par exemple une association de type propergol solide), il est toutefois plus facile de mettre en oeuvre des produits sous forme gazeuse. Bien entendu, le comburant et/ou tout ou partie du combustible peut être associé à un diluant. Le comburant fluoré gazeux peut être choisi parmi F2 NF3 ClF3 ClF5 La fraction combustible gazeux iodé peut être choisie parmi 12 HI CF3I C3F7I CH3 I La fraction combustible gazeux non iodé peut être choisie parmi N2H4 C2H2 H2 C6H6 CH4 C6F6 C H CS2 CH Selon un second aspect, l'invention propose un appareillage pour produire par une réaction chimique un mélange homogène d'iode atomique et de fluor atomique à l'état fondamental, à partir d'un comburant fluoré et d'un mélange de deux combustibles dont l'un au moins est un composé iodé, pour la mise en oeuvre du procédé cidessus, qui se caractérise essentiellement en ce qu'il comporte - une seule chambre de combustion, - des premiers moyens pour introduire dans la chambre le melange de deux combustibles dont'l'un au moins est un composé iodé, - des seconds moyens pour introduire dans la chambre le comburant fluoré, - et au moins une tuyère de sortie pour créer, à la sortie de la chambre, un courant gazeux supersonique contenant un mélange de fluor atomique et d'iode atomique, - les susdits premiers et seconds moyens permettant d'introduire le combustible et le comburant étant a gencés pour que l'apport de valences réductrices du mélange combustible soit légèrement en défaut par rap port à l'apport de valences oxydantes du comburant et que le rapport des fractions molaires du combustible iodé et du comburant fluoré soit compris entre 0,05 et 0,2. De préférence, le combustible et/ou le comburant fluoré sont fluides et les premiers et/ou les seconds moyens permettant d'introduire les combustibles et le comburant dans la chambre, respectivement, sont des canalisations d'alimentation comprenant chacune au moins un injecteur de fluide. Avantageusement, notamment dans le cas où la chambre de combustion est de petites dimensions, on prévoit en outre des moyens mélangeurs situés en amont de la chambre de combustion et aptes à mélanger la fraction combustible iodé et la fraction combustible non iodé. Enfin, l'invention propose un laser chimique IF continu à émission dans le domaine visible du spectre électromagnétique, qui met en oeuvre le procédé précité et qui, à cette fin, comporte - un appareillage pour produire un mélange homogène d'iode atomique et de fluor atomique à l'état fondamental qui est constitué comme indiqué plus haut, - des moyens d'alimentation en oxygène singulet delta, - des moyens mélangeurs pour créer, par mélange du fluor atomique et de l'iode atomique à l'état fondamental avec l'oxygène singulet delta, du monofluorure d'iode à l'état excité, et - une cavité optique située à la sortie des moyens mélangeurs et recevant un courant gazeux contenant le monofluorure d'iode à l'état excité, cette cavité ayant son axe sensiblement perpendiculaire à la direction dudit courant gazeux. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description -détaillée qui suit, dans laquelle on se réfère au dessin ci-annexé sur lequel - la figure 1 est un schéma de principe très simplifié illustrant l'agencement conforme à l'invention d'un appareillage générateur d'iode atomique et de fluor atomique à l'état fondamental, et - la figure 2 montre en perspective, de façon schématique, la structure essentielle d'un laser chimique IF continu à émission dans le domaine visible du spectre électromagnétique et agencé conformément à 1 'invention. En se référant tout d'abord à la fig. 1, l'appareillage générateur conforme à l'invention comporte une chambre de combustion unique 1 équipée de sa bougie 2, qui s' ouvre par un col supersonique dans un conduit 3 de recueil des produits de combustion, en amont d'un accélérateur 4 du type venturi. Des moyens 5 de mise en circulation permettent de recueillir en sortie, après mélange avec de l'oxygène singulet delta, un courant gazeux contenant du monofluorure d'iode à l'état excité. Les espèces atomiques sont obtenues par combustion, simultanément et dans l'unique chambre 1, d'un comburant fluoré et d'un mélange de deux combustibles dont l'un au moins est un composé iodé qui, bien que l'un au moins de ces corps puisse être utilisé à l'état solide, se présentent avantageusement à l'état fluide, et de préférence gazeux pour simplifier la mise en oeuvre. Le comburant fluoré et le mélange combustible sont admis dans la chambre 1 par des moyens d'alimentation respectifs 6 et 7, qui, en pratique, comprennent chacun au moins un injecteur de gaz. Les comburants fluorés et les combustibles gazeux précédemment cités peuvent être utilisés. Bien entendu, tous les gaz utilisés peuvent être associés à un diluant, tel que He, N2, Ar,... On va maintenant indiquer deux exemples de combustion susceptibles de conduire à la formation d'un mélange -d'iode atomique et de fluor atomique à l'état fondamental utilisable, comme indiqué plus loin, dans un laser chimique IF émettant une lumière dans le domaine visible du spectre électromagnétique. Dans ces exemples, on utilisera les notations abrégées I et F pour désigner l'iode et le fluor atomiques à l'état fondamental. Exemple 1 combustion NF3/H2/CF3I comburant fluoré : NF3 combustible : mélange H2 et CF3I débit massique(g/s) mNF3=2,36 mH2=0,09 mCF3I=0,85 mHe=0,087 k1 = somme des apports de valences réductrices du mélange combustible/somme des apports de valences oxydantes du combinant = 0,94 k2 = fraction molaire du combustible iodé/fraction molaire du comburant fluoré = 0,12 Section de la tuyère=0,0594 cm2 Pression=6,75x105Pa Puissance de combustion=18,81 kW Température théorique de fin de flamme adiabatique T = 3892*K. La pression dans la chambre de combustion peut varier entre 105 et 20x105 pascals sans modification substantielle des quantités d'iode atomique et de fluor atomique à l'état fondamental produites. - Composition du mélange gazeux obtenu fraction débit constituant molaire massique (g/s) F 0,049 0,13 F2 0,00014 0,00074 I 0,0066 0,12 I2 0,000012 0,00045 IF 0,024 0,50 IFO -0,0090 0-19 IF1 0,0057 0,12 IF2 0,0036 0,075 IF3 0,0023 0,047 IF4 0,0014 0,030 IF5 0,00089 0,019 IF6 0,00056 0,012 IF7 0,00035 0,0074 HF 0,62 1,8 N2 0,12 0,47 He 0,15 0,087 CF4 0,030 0,38 température réelle de fin de combustion : T = 1848-K # = 1,33 avec y = Cp/co, Cp et Co désignant respective- ment la chaleur spécifique à pression constante et la chaleur spécifique à volume constant. Rendement thermique = 0,4 Débit molaire total = 0,14 mol/s Les réactions principales intervenant au cours de cette combustion sont les suivantes (2+E) NF3 + 3H2-- 6 HF + (1+#/2)N2 + &alpha;F+ ssF2 avec (a + 2 ) = 3E NF3 + 3 CF3I---- 3 CF4 + 1/2 N2 + wI + 512 avec (w + 2 6) = 3 I + F ---- IF X v"i Cette dernière réaction est une réaction parasite qui produit divers niveaux vibrationnels (OSv"47) du niveau électronique IF X.Un calcul de variation de composition en cours de détente dans la tuyère prenant en compte la cinétique de relaxation vibrationnelle des IF X v"i montre que, dans la plage de travail préconisée, le débit en IF X v"=5 est divisé par un facteur 1000 à 10 000. Ce débit en IF X v"=5 devient tout-à-fait négligeable et n'altérera en aucun cas les possibilités potentielles d'obtention d'un effet laser. Exemple 2 Combustion NF3/H2/HI comburant fluoré : NF3 combustible : mélange H2 et HI. Débit massique (g/s) mNF3 = 2,16 mH2 = 0,073 mHI = 0,75 mHe = 0,08 k1 = 0,86 k2 = 0,19 Section de la tuyère = 0,0594 cm2 Pression = 6x105Pa Composition du mélange gazeux obtenu fraction débit constituant molaire massique (g/s) F 0,062 0,15 F2 0,00026 0,0012 I 0,0064 0,10 I2 0,000014 0,00046 IF 0,040 0,74 IF5 0,0014 0,027 HF 0,62 1,6 N2 0,12 0,43 He 0,16 0,08 température réelle-de fin de combustion :T = 1809'K = 1,37 Rendement thermique = 0,41 Débit molaire total = 0,13 mol/s Les principales réactions intervenant au cours de la combustion sont (2+E)NF3 + 3H2---- 6HF + (1+E/2)N2 + ciF1 + ssF2 avec (+2ss)=3E 1/3NF3 + HI ---- HF + 1/6 N2 + zI + 512 avec X + 2 6 = 1 I + F ---- IF X v"i On sait que, dans le but d'obtenir du monofluorure d'iode à l'état excité, l'alimentation de la chambre en comburant fluoré et en combustibles doit être faite de manière telle que le débit d'iode atomique produit soit notablement inférieur au débit de fluor atomique produit (~ 1/10). Pour cela, d'une part, l'apport de valences réductrices du mélange combustible doit être en léger défaut par rapport à l'apport de valences oxydantes du comburant fluoré et, d'autre part, le rapport des fractions molaires du combustible iodé et du comburant fluoré doit être compris entre 0,05 et 0,2. De préférence, en outre, le rapport des fraction molaires du combustible iodé et du combustible non iodé est compris entre 0,05 et 0,2. Le mélange de fluor atomique et d'iode atomique à l'état fondamental est, à sa sortie de la chambre, mélangé à un courant gazeux d'oxygène singulet delta, 02in. Le monofluorure d'iode à l'état excité ainsi obtenu peut conduire à un effet laser dans le domaine visible comme cela va maintenant être indiqué. La figure 2 est une vue en perspective très schématique montrant l'essentiel de la structure d'un laser chimique IF mettant en oeuvre l'invention. Sur cette figure, on a utilisé les mêmes références numériques pour désigner les organes identiques à ceux de la figure 1. Une tête d'injection 10 contient les tubulures 6 d'alimentation en comburant fluoré et 7 d'alimentation en mélange combustibles dont l'un au moins est iodé. Ces tubulures d'alimentation débouchent dans la chambre de combustion 1 par un système répartiteur s'étendant sur toute la paroi correspondante de la chambre et aidant à une distribution homogène du comburant et du mélange combustible dans tout le volume de la chambre. La sortie du mélange gazeux obtenu s'effectue par la face opposée à laquelle est accolé un ensemble Il de tuyères 4 supersoniques. Des moyens d'alimentation supplémentaires (non visibles) amènent à la sortie des tuyères un courant gazeux d'oxygène singulet delta qui est mélangé avec le fluor atomique et l'iode atomique à l'état fondamental. Les tuyères refroidies par circulation d'eau débouchent dans la paroi latérale d'une cavité optique laser t2 dont l'axe s'étend transversalement à l'écoulement gazeux contenant le monofluorure d'iode à l'état excité. Une pompe 5 assure la circulation de l'écoulement gazeux. Par le miroir de sortie 13 de la cavité laser est recueilli le rayonnement visible cohérent émis par ce laser chimique IF. En conclusion, la mise en oeuvre de l'invention procure de nombreux avantages - utilisation d'une seule chambre de combustion pour produire simultanément l'iode atomique et le fluor atomique dans les proportions souhaitées, au lieu de deux chambres séparées - mise en oeuvre d'un seul système d'allumage par bougie à haute énergie sous haute intensité - simplification du réseau de distribution des fluides - gain en encombrement et en poids, intéressant pour les appareils destinés à être embarqués - et surtout obtention d'un mélange parfait du fluor atomique et de l'iode atomique. REVENDICATIONS 1. Procédé pour obtenir par une réaction de combustion un mélange homogène d'iode atomique et de fluor atomique à l'état fondamental, à partir d'un comburant fluoré et d'un mélange de deux combustibles dont l'un au moins est un composé iodé, caractérisé en ce qu'on introduit le comburant fluoré et le mélange combustible simultanément dans une seule chambre de combustion, le comburant et le mélange combustible étant introduit dans la chambre de combustion avec un apport de valences réductrices du mélange combustible en léger défaut par rapport à l'apport de valences oxydantes du comburant, le rapport des fractions molaires du combustible iodé et du comburant fluoré étant compris entre 0,05 et 0,2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport des fractions molaires du combustible iodé et du combustible non iodé est compris entre 0,05 et 0,2. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le mélange combustible et le comburant fluoré sont gazeux. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le comburant fluoré et/ou tout ou partie du combustible est associé à un diluant. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le comburant fluoré gazeux est choisi parmi F2 NF3 C1F3 ClF5 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la fraction combustible iodé gazeux est choisi parmi I2 HI CF3I C3F7I CH3 I 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la fraction combustible non iodé gazeux est choisie parmi N2H4 C2H2 2 C6H6 CH4 C6F6 C H CS2 CH 8.Appareillage pour produire par une réaction chimique un mélange homogène d'iode atomique et de fluor atomique à l'état fondamental, à partir d'un comburant fluoré et d'un mélange de deux combustibles dont l'un au moins est un composé iodé, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte - une seule chambre de combustion (1), - des premiers moyens (7) pour introduire dans cette chambre le mélange de combustibles dont l'un au moins est un composé iodé, - des seconds moyens (6) pour introduire dans cette chambre le comburant fluoré, - et au moins une tuyère de sortie (4) pour créer, à la sortie de la chambre (1), un courant gazeux superso nique contenant un mélange de fluor atomique et.d'iode atomique, - les premiers et seconds moyens pour introduire le mélange combustible et le comburant étant agencés pour que l'apport de valences réductrices du mélange combustible soit légèrement en défaut par rapport à l'apport de valences oxydantes du comburant et que le rapport des fractions molaires du combustible iodé et du comburant fluoré soit compris entre 0,05 et 0,2. 9. Appareillage selon la revendication 8, caractérisé en ce que les combustibles et/ou le comburant fluoré sont fluides et en ce que les premiers et/ou les seconds moyens permettant d'introduire les fluides dans la chambre de combustion sont des canalisations d'alimentation comprenant au moins un injecteur de fluide. 10. Appareillage selon la revendication 9, notamment dans lequel la chambre de combustion est de petites dimensions, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens mélangeurs situés en amont de la chambre de combustion et aptes à mélanger la fraction combustible iodé et la fraction combustible non iodé. 11. Laser chimique IF continu à émission dans le domaine visible du spectre électromagnétique, caractérisé en ce qu'il comporte : - un appareillage (10, 1, 11) pour produire un mélange d'iode atomique et de fluor atomique à l'état fonda mental selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, - des moyens d'alimentation en oxygène singulet delta, - des moyens mélangeurs pour créer, par mélange du fluor atomique et de l'iode atomique à l'état fondamental avec l'oxygène singulet delta, du monofluorure d'iode -à l'état excité, et - une cavité optique laser (12) située à la sortie des moyens mélangeurs et recevant un courant gazeux contenant le monofluorure d'iode à l'état excité, cette cavité ayant son axe sensiblement perpendiculaire à la direction dudit courant gazeux.