Brevet FR2674526A1 — publié le 19921002

DISPOSITIF A SOURCE DE RAYONNEMENT ULTRAVIOLET INDUIT PAR DES MICRO-ONDES, POUR LA POLYMERISATION D'OBJETS PHOTOPOLYMERISABLES DESCRIPTION La présente invention concerne un dispositif de polymérisation d'un objet photopolymérisable, ce dispositif comprenant une source de rayonnement ultraviolet auquel est exposé l'objet. L'invention s'applique notamment à L'obtention d'un revetement protecteur d'une fibre optique par exempLe en Si lice ou, plus généralement, de tout matériau filiforme. L'invention s'applique également à la fabrication de préformes pour fibres optiques ou, plus généralement, de tout objet en matière plastique que L'on peut obtenir par polymérisation par un rayonnement ultraviolet. On connaît déjà, par la demande de brevet français nO 88 03867 du 24 mars 1988, un dispositif de polymérisation comportant une source de rayonnement ultraviolet. Ce dispositif connu permet de polymériser un revêtement photopolymérisable d'une fibre optique. Pour ce faire, on utilise, en tant que source de rayonnement ultraviolet, un tube à vapeur de mercure. Ce dernier est alimenté par un courant électrique alternatif de basse fréquence. Ce dispositif connu présente des inconvénients. La source que comporte ce dispositif connu a un faibLe rendement de conversion de La puissance électrique reçue en puissance ultraviolette rayonnée. En effet, ce rendement de conversion est généralement inférieur à 10X. En fait, la puissance électrique non convertie en rayonnement ultraviolet induit une élévation excessive de la température de l'environnement du tube par effet Joule et rayonnement infrarouge. Pour ne pas détériorer Le revêtement de la fibre, il est alors nécessaire de prévoir des moyens de refroidissement autour de cette fibre qui défile dans le dispositif. De plus, le tube utilisé est normalement conçu pour une utilisation en position horizontale. Or, dans une tour de fibrage, le tube est disposé verticalement. De ce fait, la soudure verre-métal qui existe au niveau du culot supérieur du tube émetteur de rayonnement ultraviolet est surchauffée par convexion. IL en résulte des différences de dilatation dans le tube. De ce fait, la durée de vie moyenne du tube ne dépasse pas 1000 heures alors qu'un tel tube, utilisé normalement, devrait avoir une durée de vie moyenne de 2000 heures. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents. L'invention résout le problème de l'obtention d'un dispositif de polymérisation à source ultraviolette "froide". Pour résoudre ce problème, le dispositif objet de L'invention est caractérisé en ce que sa source de rayonnement ultraviolet comprend : - des moyens de production de micro-ondes et - un récipient fermé qui est exposé aux micro-ondes produites, qui est transparent au rayonnement ultraviolet et à ces micro-ondes et qui contient des moyens capables d'engendrer un rayonnement ultraviolet sous L'effet des micro-ondes. Dans le dispositif objet de la présente invention, la quantité produite de rayonnement infrarouge est radicalement diminuée essentiellement du fait de la nature de L'énergie d'excitation utilisée, à savoir L'énergie des micro-ondes qui, contrairement à un courant électrique de basse fréquence, ne nécessite pas d'électrodes sur le récipient fermé pour l'arrivée de cette énergie. L'énergie des micro-ondes conduit ainsi à un rendement de conversion en rayonnement ultraviolet qui est largement supérieur au rendement de conversion obtenu lorsqu'on utilise, en tant qu'énergie d'excitation, un courant éLectrique alternatif de basse fréquence. Avec l'invention, on peut en effet obtenir des rendements de conversion largement supérieurs à 1 ou. Un avantage de la présente invention est la possibilité de moduler aisément la puissance du rayonnement ultraviolet par modulation de la puissance des micro-ondes. Un autre avantage de l'invention réside dans La possibilité de réamorcer la source de rayonnement ultraviolet immédiatement après son extinction. Cette possibilité n'existe pas avec le tube ultraviolet qui est utilisé dans le dispositif connu mentionné plus haut. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, les moyens de production de micro-ondes comprennent - un générateur de micro-ondes, - un guide de micro-ondes et - un élément de couplage entre le générateur de micro-ondes et ce guide de micro-ondes et le récipient fermé est placé dans le guide de microondes. Lorsque l'objet, pour être polymérisé convenablement, doit être irradié de tous côtés par le rayonnement ultraviolet, il est préférable que le récipient fermé comprenne - une première paroi tubulaire et - une deuxième paroi tubulaire qui entoure la première paroi tubulaire et dont Les extrémités sont respectivement raccordées de façon étanche aux deux extrémités correspondantes de la première paroi tubulaire, L'objet étant alors maintenu dans, ou circulant à travers, la zone délimitée par la première paroi tubulaire, d'où une irradiation de l'objet de tous côtés. Bien entendu, les dimensions de cette zone sont à choisir en fonction de L'objet à polymériser. Un tel récipient fermé à parois tubulaires est particulièrement intéressant dans le cas où l'on veut polymériser un revêtement de fibre optique. On fait alors défiler la fibre optique, qui est enduite du revêtement à polymériser, à travers la zone délimitée par La première paroi tubulaire. Pour utiliser au mieux le rayonnement ultraviolet produit avec le récipient à parois tubulaires, il est préférable que la surface externe de La deuxiéme paroi tubulaire soit revêtue d'un matériau capable de réfléchir le rayonnement ultraviolet. Le dispositif objet de l'invention peut comprendre en outre des moyens pour faire circuler L'objet à travers la zone délimitée par la première paroi tubulaire. L'objet peut être une fibre optique enduite d'un revêtement protecteur photopolymérisable. Ce peut être aussi un coeur de fibre optique, enduit d'un revêtement photopolymérisable destiné à constituer La gaine optique de la fibre. Dans le cas où l'on utilise Le récipient fermé à parois tubulaires, le dispositif objet de L'invention peut comprendre en outre un autre récipient qui est transparent au rayonnement ultraviolet, qui est disposé dans la zone délimitée par la première paroi tubulaire et qui est destiné à contenir l'objet. Bien entendu, dans ce cas, on choisit les dimensions dudit autre récipient et de La zone délimitée par La première paroi tubulaire en fonction des dimensions de l'objet à polymériser. Dans la présente invention, l'objet à polymériser peut être une matière photopolymérisable destinée à constituer une préforme de fibres optiques. Le problème de La fabrication d'une préforme en matière plastique permet d'illustrer l'intérêt de l'invention. En effet, pour fabriquer une préforme en matière plastique par polymérisation, il convient que 2 la quantité de rayonnement ultraviolet par cm soit très faible et homogène et, plutôt que d'atténuer le rayonnement d'une lampe ultraviolette classique fonctionnant à plein régime (à cause des défauts d'amortissement) par des lames de verre successives, il est possible, avec la présente invention, de moduler la puissance des micro-ondes afin d'obtenir une très 2 faible quantité de rayonnement ultraviolet par cm . L'homogénéité du rayonnement ultraviolet peut, quant à elle, être obtenue naturellement en utilisant Le récipient à deux parois tubulaires et en disposant la matière, qui est apte à donner la préforme par polymérisation, dans la zone délimitée par la première paroi tubulaire. Dans la présente invention, en tant que moyens capables d'engendrer le rayonnement ultraviolet sous L'effet des micro-ondes, on peut utiliser : - une matière (le mercure par exemple) qui est apte à la vaporisation sous l'effet d'un plasma et dont la vapeur engendre le rayonnement ultraviolet sous l'effet des micro-ondes et - un gaz capable de former Le plasma sous L'effet des micro-ondes. Le rendement de conversion dépend du type de plasma choisi. En tant que moyens capables d'engendrer le rayonnement ultraviolet sous L'effet des micro-ondes, on peut également utiliser un gaz (le xénon par exemple) apte à engendrer le rayonnement ultraviolet sous l'effet des micro-ondes. Avec la présente invention on dispose d'une source ultraviolette "froide", à haut rendement, qui est utilisable, dans les systèmes de fibrage à grande vitesse, pour La polymérisation des revêtements photopolymérisables des fibres optiques. La présente invention sera mieux comprise à La lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après à titre purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur Lesquels - la figure 1 est une vue schématique et partielle d'une installation de fabrication de fibres optiques, comportant un mode de réalisation particulier du dispositif objet de L'invention, - La figure 2 est une vue schématique d'une enceinte fermée que comporte ce mode de réalisation particulier, et - la figure 3 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement et partiellement une installation de fabrication de fibres optiques. Dans cette installation, qui est verticale, une fibre optique 2 est obtenue par étirage vers le bas d'une préforme 4 qui est chauffée dans un four 6. A la sortie de ce four 6, la fibre optique 2 passe dans des moyens 8 de mesure de son diamètre puis est enduite d'un revêtement photopolymérisable 10 par passage dans des moyens d'enduction appropriés 12. La fibre optique 2 passe ensuite dans un dispositif 14 qui est conforme à la présente invention et qui sera décrit par La suite. Ce dispositif 14 est prévu pour la photopolymérisation, par un rayonnement ultraviolet, du revêtement 10 dont est enduit la fibre. A la sortie du dispositif 14, La fibre est enroulée sur un tambour 16 qui est animé d'un mouvement de translation-rotation. Le dispositif de polymérisation 14 conforme à L'invention, qui est schématiquement représenté sur La figure 1, comprend - un générateur de micro-ondes 18, par exemple un magnétron capable d'émettre des micro-ondes dont la fréquence est égale à 2,45 GHz, - un guide de micro-ondes 20, - un élément 22 de couplage des micro-ondes entre le générateur 18 et le guide 20, et - une enceinte, ou récipient, fermée 24 qui est placée dans Le guide de micro-ondes 20. Le magnétron 18 peut être à proximité immédiate de l'élément 22 de couplage de micro-ondes ou peut en être éloigné et lui être alors relié par l'intermédiaire d'une liaison coaxiale. L'enceinte fermée 24, qui est utilisée dans le dispositif 14, est schématiquement représentée sur la figure 2. Cette enceinte fermée 24, ou ampoule, est faite d'un matériau qui est transparent aux micro-ondes produites par Le générateur 18 et également transparent au rayonnement ultraviolet qui est engendré dans cette enceinte 24 d'une manière qui sera expliquée par la suite. On utilise par exemple une enceinte 24 en quartz. Cette enceinte 24 comprend une première paroi tubulaire 26 et une deuxième paroi tubulaire 28 qui entoure La première paroi 26. Chacune des deux extrémités de la paroi 28 est raccordée de façon étanche à l'extrémité de l'autre paroi 26 lui faisant face. L'enceinte 24 est remplie d'un gaz capable de former un plasma sous l'effet des micro-ondes. On utilise par exemple à cet effet un gaz neutre tel que l'argon. L'enceinte 24 contient en outre une bille calibrée de mercure 30. On voit aussi sur la figure 2 la soudure ou queusot 32 résultant de la fermeture de l'enceinte 24 après y avoir placé la bille de mercure 30 et avoir rempli l'enceinte 24 d'argon. Les parois 26 et 28 ont par exemple La forme de cylindres de révolution autour d'un même axe X. Dans l'installation schématiquement représentée sur la figure 1, la fibre optique 10 traverse L'enceinte 24 suivant L'axe X. On voit sur la figure 1 que Le guide de micro-ondes 20, qui contient l'enceinte 24, s'étend égaLement suivant cet axe X. Ce guide de micro-ondes 20 est ouvert en ses deux extrémités pour permettre le passage de la fibre optique 10 dont on veut polymériser le revêtement. Du côté de L'extrémité par laquelle sort la fibre optique (dont le revêtement est alors polymérisé), le guide de micro-ondes 20 est muni de moyens 34 permettant de faire circuler, à travers la zone délimitée par La paroi interne 26, un gaz inerte vis-à-vis du revêtement, par exemple l'argon. Ce gaz inerte ressort par L'autre extrémité du guide de micro-ondes 20. Ce gaz inerte a pour fonction de limiter le contact entre le revêtement en cours de polymérisation et t'oxygène de l'air, contact qui est préjudiciable au rendement de polymérisation de ce revêtement. Les micro-ondes qui arrivent dans l'enceinte 24 transforment le gaz contenu dans cette enceinte 24 en un plasma. Ce plasma chauffe et vaporise la bille de mercure 30. La vapeur de mercure qui remplit alors l'enceinte est excitée par les micro-andes et émet un rayonnement ultraviolet. Le revêtement qui est présent dans la zone délimitée par la paroi interne 26 est alors polymérisé par ce rayonnement ultraviolet. Pour accroître l'utilisation du rayonnement ultravioLet ainsi engendré, la surface externe de la paroi tubulaire 28 est de préférence revêtue d'une couche 36 d'un matériau capable de réfléchir le rayonnement ultraviolet. Toute la surface externe de la paroi 28 est recouverte de cette couche 36 sauf dans une partie périphérique 38 de cette face externe, qui fait le tour de cette dernière et qui est située au niveau de l'éLément 22 de couplage des micro-ondes (cet élément 22, dans l'exemple représenté, entourant Lui-même l'enceinte 24), pour que ces micro-ondes puissent pénétrer dans l'enceinte fermée 24. On utilise par exemple une couche 36 en aluminium. Le mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention qui est schématiquement représenté sur la figure 3, est destiné à la polymérisation d'une préforme de matière plastique. Comme on Le voit sur la figure 3, le mode de réalisation particulier qui est représenté sur cette figure est identique au mode de réalisation particulier qui est représenté sur la figure 1 à ceci près que l'on n'utilise pas de moyens de circulation 34 et qu'une autre enceinte ou conteneur 40 est disposée dans la zone délimitée par la paroi interne 26 de l'enceinte fermée 24. Ce conteneur 40, qui est fait d'un matériau transparent au rayonnement ultraviolet et éventuellement imperméable aux micro-ondes, est prévu pour contenir une quantité de monomère 42 destinée à constituer la préforme après polymérisation par Le rayonnement ultraviolet. Bien entendu, les dimensions du conteneur 40 sont adaptées aux dimensions de la préforme que l'on veut réaLiser et Les dimensions de l'enceinte 24 sont choisies en fonction des dimensions choisies pour ce conteneur 40. En particulier, la hauteur des parois 26 et 28 est choisie de façon que toute la matière que l'on veut polymériser soit contenue dans la zone délimitée par la paroi interne 26. Au lieu d'un gaz plasmagène, tel que l'argon, et une bille de mercure, l'enceinte 24 pourrait simpLement contenir un gaz capable d'émettre un rayonnement ultraviolet lorsqu'il est excité par les micro-ondes. Un tel gaz est par exemple le xénon. REVENDICATIONS 1. Dispositif de polymérisation d'un objet (10, 42) photopolymérisable, ce dispositif comprenant une source (18, 20, 22, 24) de rayonnement ultraviolet auquel est exposé l'objet, dispositif caractérisé en ce que la source de rayonnement ultraviolet comprend - des moyens (18, 20, 22) de production de micro-ondes et - un récipient fermé (24) qui est exposé aux micro-ondes produites, qui est transparent au rayonnement ultraviolet et à ces micro-ondes et qui contient des moyens (30) capables d'engendrer un rayonnement ultraviolet sous L'effet des micro-ondes. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de production de micro-ondes comprennent un générateur de micro-ondes (18), un guide de micro-ondes (20) et un élément (22) de couplage entre le générateur de micro-ondes et ce guide de micro-ondes et en ce que le récipient fermé (24) est placé dans le guide de micro-ondes. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le récipient fermé (24) comprend une première paroi tubulaire (26) et une deuxième paroi tubulaire (28) qui entoure la première paroi tubulaire et dont les extrémités sont respectivement raccordées de façon étanche aux deux extrémités correspondantes de la première paroi tubulaire (26), l'objet (10, 42) étant alors maintenu dans, ou circulant à travers, la zone délimitée par la première paroi tubulaire (26). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la surface externe de la deuxième paroi tubulaire (28) est revêtue d'un matériau (36) capable de réfléchir le rayonnement ultraviolet. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (16) pour faire circuler l'objet (10) à travers la zone délimitée par la première paroi tubulaire (26). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'objet est une fibre optique enduite d'un revêtement protecteur photopolymérisable (10). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que L'objet est un coeur de fibre optique, enduit d'un revêtement photopolymérisable destiné à constituer la gaine optique de La fibre. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'iL comprend en outre un autre récipient (40) qui est transparent au rayonnement ultraviolet, qui est disposé dans la zone délimitée par la première paroi tubulaire (26) et qui est destiné à contenir L'objet (42). 9. Dispositif selon l'une queLconque des revendications 1 à 4 et 8, caractérisé en ce que L'objet est une matière photopolymérisable (42) destinée à constituer une préforme de fibres optiques. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens capables d'engendrer le rayonnement ultraviolet comprennent - une matière (30) qui est apte à la vaporisation sous L'effet d'un plasma et dont la vapeur engendre le rayonnement ultraviolet sous l'effet des micro-ondes, et - un gaz capable de former le plasma sous l'effet des micro-ondes. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens capables d'engendrer le rayonnement ultraviolet comprennent un gaz apte à engendrer le rayonnement ultraviolet sous L'effet des micro-ondes.