**ATTENTION** debut du champ DESC peut contenir fin de CLMS **.
REVENDICATIONS
1. Tube à gaz à décharge à haute densité de courant pour émission laser à très haute stabilité d'émission comprenant une chambre d'ionisation formée d'un élément tubulaire muni d'une ouverture centrale circulaire, comportant
- un circuit de refroidissement constitué par un circuit échangeur de chaleur disposé sur la paroi externe de la chambre d'ionisation, et constitué par des ailettes de refroidissement,
- une enveloppe interne contenant ladite chambre d'ionisation, ladite enveloppe interne permettant, en fonctionnement,
la circulation d'un fluide caloporteur entre ladite enveloppe interne et la paroi externe de la chambre d'ionisation,
- un circuit de recirculation du gaz constitué d'une pluralité de circuits de recirculation élémentaires présentant chacun une résistance à l'écoulement du gaz supérieure à celle de la chambre d'ionisation,
- une anode à haute stabilité de densité de courant permettant la transmission du rayonnement laser, caractérisé en ce que
- I'élément tubulaire constituant la chambre d'ionisation étant constitué par un empilement jointif d'éléments métalliques concentriques en forme de disque munis d'une ouverture centrale circulaire, les ailettes de refroidissement sont formées au niveau de chaque élément constitutif de la chambre d'ionisation par une pluralité d'éminences radiales de chaque élément,
et en ce que
- les circuits de recirculation élémentaires s'étendent à l'exté- rieur de l'enveloppe interne.
2. Tube à gaz à décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites éminences de chaque élément sont distribuées, par rapport à un plan de référence selon un même motif, sur la périphérie de chaque disque constituant chaque élément, les éminences de deux éléments consécutifs formant ledit empilement jointif étant alignées de manière à former sur la surface externe de ladite chambre d'ionisation une pluralité d'ailettes distribuées chacune selon une génératrice dudit empilement.
3. Tube à gaz à décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément comporte en outre sur chacune de ses faces d'empilement au moins un joint d'étanchéité annulaire.
4. Tube à gaz à décharge selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque élément comporte au niveau de chaque ouverture centrale un redent formant cache et préservant chaque joint d'étanchéité de l'exposition au rayonnement ultraviolet et au plasma de décharge.
5. Tube à gaz à décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément comporte sur une de ses faces d'empilement au moins deux joints d'étanchéité annulaires concentriques.
6. Tube à gaz à décharge selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque élément est constitué par un alliage des métaux compris dans le groupe aluminium, magnésium, silicium, chaque élément comportant une couche isolante d'alumine.
7. Tube à gaz à décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que les circuits de recirculation élémentaires sont constitués chacun par au moins un tube de section inférieure à la section de la chambre d'ionisation.
8. Tube à gaz à décharge selon la revendication 7, caractérisé en ce que la section s de chaque tube est voisine de - où S est la section p de la chambre d'ionisation et p le nombre de circuits de recirculation élémentaires.
9. Tube à gaz à décharge selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les circuits de recirculation élémentaires sont constitués par deux tubes en chicane, chacun des tubes ayant une longueur supérieure à la demi-longueur de la chambre d'ionisation.
10. Tube à gaz à décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anode à haute stabilité de densité de courant permettant la transmission du rayonnement laser est constituée par un élément conducteur présentant par rapport à l'axe de symétrie longitudinal de la chambre d'ionisation une structure effilée de révolution, la partie acérée de la structure effilée étant dirigée vers la cathode du tube à décharge, L'élément conducteur comportant en outre, au voisinage de l'intersection de l'axe de symétrie longitudinal de la chambre d'ionisation, une ouverture permettant la transmission du rayonnement laser.
11. Tube à gaz à décharge selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'élément conducteur est constitué par un cylindre métallique dans lequel est ménagée une cavité, la cavité étant formée dans le cylindre selon un cône d'axe de symétrie de révolution confondu avec l'axe de symétrie longitudinal de la chambre d'ionisation, ladite structure effilée et la partie acérée de celle-ci étant constituées par l'arête vive, intersection de la surface latérale du cylindre et du cône,
I'extrémité conique de la cavité étant prolongée par une ouverture sensiblement cylindrique permettant le passage du rayonnement laser.
12. Tube à gaz à décharge selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'élément conducteur est constitué par du cuivre pur.
13. Tube à gaz à décharge selon la revendication I, caractérisé en ce que l'élément tubulaire constituant la chambre d'ionisation comporte à chaque extrémité de celle-ci un élément d'adaptation entre la chambre d'ionisation, la chambre d'anode et la chambre de cathode.
14. Tube à gaz à décharge selon la revendication 13, caractérisé en ce que chaque élément d'adaptation est constitué par une pièce sensiblement conique d'axe longitudinal confondu avec l'axe longitudinal de la chambre d'ionisation, chaque pièce comportant un alésage interne central évasé de révolution autour de l'axe longitudinal dt::a pièce, la plus grande ouverture de chaque alésage central étant en vis-à-vis de l'anode et de la cathode du tube respectivement.
La présente invention est relative à un tube à gaz à décharge pour émission laser de puissance à très haute stabilité.
Les dispositifs d'émission laser de puissance continue ou pulsée dans le spectre visible et ultraviolet sont le plus souvent actuellement des dispositifs dans lequel le milieu d'amplification laser est constitué par un gaz ionisé tel que l'argon Ar+ +. De tels dispositifs sont caractérisés du point de vue de leur fonctionnement par une très forte densité de courant au niveau du milieu d'amplification, densité de l'ordre de 450 A/cm2 nécessitant une alimentation en énergie électrique très importante du dispositif compte tenu d'un rendement global d'émission peu élevé de l'ordre de 0,5%0. La contrepartie de tels systèmes est la nécessité de munir de tels dispositifs d'un système très efficace d'évacuation de la chaleur, énergie dégradée de l'énergie d'alimentation électrique.
Des tubes à gaz à décharge pour émission laser de ce type ont été décrits dans le brevet suisse N" 522287 dans lequel le corps du tube proprement dit ou chambre d'ionisation est constitué d'un empilement d'éléments comportant chacun des perforations constituant, après empilement des éléments, des canaux de circulation d'un liquide de refroidissement, et où, le circuit de recirculation du gaz, milieu d'amplification laser, est effectué par un by-pass unique reliant les chambres de cathode et d'anode d'autre part reliées par la chambre d'ionisation.
Le fonctionnement de tels dispositifs n'est pas satisfaisant dans la mesure où, d'une part, le montage du corps du tube, ou chambre d'ionisation, par empilement d'éléments apparaît très complexe du fait de la nécessité d'assurer au niveau de chaque perforation constituant, après empilement, les canaux de circulation du fluide réfrigérant, une étanchéité parfaite des jonctions. La multiplicité des jonctions entraîne une augmentation du risque de fuite vers la chambre d'ionisation du liquide réfrigérant avec pour conséquence directe une déstabilisation de l'émission laser par modification locale des paramètres de conductibilité et de rigidité diélectrique du milieu am
plificateur de la chambre d'ionisation. Cette déstabilisation peut entrainer même à l'extrême une destruction locale de la paroi du corps du tube ou de la jonction par amorçage d'arc avec le plasma de décharge.
D'autre part, I'existence pour la recirculation du gaz de décharge d'un unique by-pass de section nécessairement voisine de celle de la chambre d'ionisation, en vue d'assurer un écoulement homogène de ce gaz, présente, avec un risque non négligeable d'ionisation du gaz à l'intérieur même du by-pass et de destruction du tube, un défaut de stabilité des conditions d'écoulement du gaz. Ce défaut se manifeste, notamment lors de l'amorçage de la décharge, par l'apparition d'une onde de pression entraînant en tout point de circulation du gaz une oscillation transitoire de la pression du gaz et une modulation correspondante de la densité de courant et de l'intensité d'émission laser correspondante.
De tels dispositifs ne peuvent en tout cas prétendre atteindre des degrés de stabilité d'émission meilleurs que + 10% de la puissance maximale d'émission sur une durée de l'io de seconde.
Le tube à gaz à décharge pour émission laser continue selon l'invention permet de remédier aux inconvénients précités et a pour but la mise en oeuvre d'un tube à gaz à décharge pour émission laser continue à très haute stabilité.
Un autre but de la présente invention est la mise en oeuvre d'un tube à gaz à décharge pour émission laser de grande fiabilité et présentant un MTBF élevé à puissance d'émission maximale nominale.
Un autre but de la présente invention est la mise en oeuvre d'un tube à gaz à décharge pour émission laser de réalisation simple et dans lequel chaque jonction des éléments constitutifs du corps du tube présente un haut degré d'étanchéité de la chambre d'ionisation au fluide de refroidissement.
Le tube à gaz à décharge pour émission laser continue selon l'invention est défini par l'ensemble des caractéristiques techniques de l'actuelle revendication 1. Il peut en particulier être utilisé, compte tenu des performances obtenues par sa mise en oeuvre, dans les systèmes d'impression ou d'offset, les matériaux à impression étant sensibles au rayonnement de faible longueur d'onde du spectre visible ou à l'ultraviolet, dans les systèmes de séparation isotopique et dans les techniques de photobiologie ou médicales, ainsi qu'en vue de la télécommunication pour mesure de position d'un vaisseau tel qu'un sous-marin à partir de l'émission d'une station terrestre vers un satellite relais.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description et des dessins ci-après dans lesquels les mêmes références représentent les mêmes éléments et où:
- la fig. 1 représente en perspective et en arraché le tube à gaz à décharge selon l'invention,
- les fig. 2a, 2b, 2c représentent un détail de réalisation d'un des éléments constitutifs du tube à gaz à décharge selon la fig. 1,
- la fig. 3a représente, en coupe, selon un plan de symétrie longitudinale de la fig. 1, un autre détail de réalisation d'un élément constitutif du tube à gaz selon l'invention,
- la fig. 3b représente une coupe selon un plan longitudinal de symétrie de la fig. 1, la la fig. 3c représente une coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de symétrie de la fig. 1.
Selon la fig. 1, le tube à gaz à décharge de l'invention comprend une chambre d'ionisation 1 formée par un élément tubulaire d'axe de symétrie longitudinal x'x. L'élément tubulaire est muni d'une ouverture centrale formant la chambre d'ionisation 1. L'élément tubulaire peut être formé soit par un tube en céramique soit par un empilement de disques percés d'un trou en leur centre. L'élément tubulaire comporte en outre un circuit échangeur de chaleur 2 disposé sur la paroi externe de la chambre d'ionisation. Une enveloppe interne 3 contient la chambre d'ionisation 1 et l'échangeur de chaleur. L'enveloppe interne permet, en fonctionnement, la circulation d'un fluide caloporteur entre l'enveloppe interne 3 et la paroi externe de la chambre d'ionisation munie de l'échangeur de chaleur.
Le fluide caloporteur peut par exemple être constitué par de l'eau déionisée. Le tube à gaz à décharge de l'invention comporte en outre un circuit de recirculation 4 du gaz milieu d'amplification laser. Le circuit de recirculation du gaz 4 permet une recirculation du gaz, tel que de l'argon par exemple, entre la chambre d'ionisation 1, une chambre d'anode 8 comportant une anode 5 et une chambre de cathode 7 comportant une cathode 6, la chambre d'ionisation étant également en communication avec la chambre d'anode et la chambre de cathode. Le circuit de recirculation du gaz est constitué par une pluralité de circuits de recirculation élémentaires notés sur les fig. 1, 41, 42, 4p et présentant chacun une résistance à l'écoulement du gaz supérieure à celle de la chambre d'ionisation.
La chambre de cathode 7 comporte la cathode 6 formée par un enroulement conducteur d'axe longitudinal confondu avec l'axe x'x. L'enroulement de cathode est connecté aux plots de connexion 61, 62.
Un circuit de refroidissement 610, 620 permet le refroidissement des plots de cathode afin d'empêcher le vieillissement des joints d'étanchéité de la chambre de cathode. Une vanne permet pour la mise en fonctionnement du tube d'effectuer le vide dans l'ensemble du tube, le gaz milieu d'amplification laser étant ensuite admis par une vanne d'entrée 10. La chambre de cathode 7 comporte en outre centré sur l'axe x'x un miroir 71 constitutif du résonateur laser. Le miroir 71 a par exemple un coefficient de réflexion de l'ordre de 96% permettant la transmission du rayonnement laser utile.
La chambre d'anode 8 comporte une anode 5 à haute stabilité spatiale de densité de courant permettant la transmission du rayonnement laser vers un deuxième miroir du résonateur laser 72 également situé sur l'axe x'x. L'anode 5 est reliée à un plot de connexion d'anode 51 et comporte un circuit de refroidissement 510, 520. La chambre d'anode et/ou la chambre de cathode comportent une chambre étanche 1 1 d'admission du fluide caloporteur en communication avec l'espace délimité par l'enveloppe interne 3 et l'échangeur de chaleur 2. Le fluide caloporteur est mis en circulation par des vannes telles que 110 et 111. Une enveloppe externe 12 assure une protection mécanique du circuit de recirculation du gaz 4, I'enve- loppe externe 12 formant avec l'enveloppe interne 3 également une chambre étanche.
La chambre d'ionisation 1,1'échangeur de chaleur 2,1'enveloppe interne 3, le circuit de recirculation du gaz 4, Fenve- loppe externe 12, la chambre d'anode 8 et de cathode 7 forment une structure sensiblement de révolution par rapport à l'axe x'x du résonateur laser formé par les miroirs 71 et 72. L'échangeur de chaleur 2 est constitué par des ailettes de refroidissement. Dans le cas où l'élément tubulaire formant la chambre d'ionisation 1 est en céramique, les ailettes sont constituées par un manchon métallique en contact avec la paroi externe de l'élément tubulaire.
Conformément aux fig. 2a, 2b, 2c l'élément tubulaire formant la chambre d'ionisation 1 est constituée par un empilement jointif d'éléments 15 en forme de disques concentriques munis d'une ouverture centrale circulaire 150. Les ailettes de refroidissement sont formées dans ce cas au niveau de chaque élément constitutif de chambre d'ionisation par une pluralité d'éminences radiales notées 151, 152 à 15p sur les fig. 2a à 2c.
Selon les fig. 2a et 2b, les émincences 151 à 15p de chaque élément sont distribuées, par rapport à un plan de référence tel que le plan x, selon un même motif, sur la périphérie de chaque disque constituant chaque élément. Les éminences de deux éléments consécutifs après empilement ainsi que représenté à la fig. 2b sont alignées de manière à former sur la surface externe de la chambre d'ionisation une pluralité d'ailettes 161, 162 à 16p distribuées chacune selon une génératrice de l'empilement formant l'élément tubulaire.
Afin d'assurer un meilleur échange de chaleur ainsi que symbolisé à la fig. 2b par la flèche F, chaque élément 15 peut être décalé en rotation d'un angle a donné autour de l'axe x'x par rapport à l'élément suivant de manière à former une pluralité d'ailettes sensiblement distribuées selon une spirale par rapport aux génératrices de l'élément tubulaire formant la chambre d'ionisation 1. Un décalage d'un angle a égal sensiblement à l'angle de la demi-ouverture ss de deux éminences consécutives d'un même élément permet la formation d'un échangeur de chaleur 2 en chicane permettant également une meilleure évacuation de la chaleur.
Selon la fig. 2c qui représente une vue en coupe selon le plan it de l'élément représenté fig. 2a, chaque élément comporte en outre sur une de ses faces d'empilement au moins un joint d'étanchéité annulaire 17. Les joints d'étanchéité sont par exemple des joints polymères. Les éléments peuvent sans sortir du cadre de la présente invention comporter deux ou plusieurs joints sur une ou chacune des faces d'empilement. Afin de préserver le ou les joints d'étanchéité 17 de l'exposition au plasma de décharge constitué principalement d'ions argon Ar + + et au rayonnement ultraviolet facteur important de vieillissement, chaque élément 15 comporte au niveau de chaque ouverture centrale 150 et à sa périphérie un redent 1502 formant partie mâle pour l'empilement et un logement 1501.
Le redent 1502 lors de l'empilement s'engage dans le logement 1501 de l'élément voisin. Une gorge 1500 à la périphérie du logement 1501 reçoit le joint d'étanchéité 17. Le redent 1502, le logement 1501 et la gorge 1500 forment une protection pour lejoint d'étanchéité 17. Le rapport l/d de la longueur de chaque élément au diamètre d de l'ouverture centrale est inférieur à 3, l/d < 3. A titre d'exemple, chaque élément 15 est constitué par un alliage des métaux compris dans le groupe aluminium, magnésium, silicium.
Chaque élément 15 comporte une couche isolante d'alumine. Les éléments 15 sont par exemple débités à partir d'un profilé de cet alliage, chaque élément étant ensuite soumis à un traitement d'anodisation dure de manière à obtenir une couche d'alumine d'épaisseur supérieure à 20 ttm sur toute la surface de chaque élément. De même l'ensemble des parties du tube à décharge soumises à l'action du plasma de décharge sont constituées par ce même matériau connu sous le nom commercial de Anticorodal ainsi que l'enveloppe interne 3, Enveloppe externe 12 et les chambres d'anode 8 et de cathode 7.
Selon la fig. 3a, l'anode 5 à haute stabilité spatiale de densité de courant est constituée par un élément conducteur 50 présentant par rapport à l'axe de symétrie longitudinal x'x de la chambre d'ionisation une structure effilée 501 de révolution. La structure effilée comporte une partie acérée 502 dirigée vers la cathode 6 du tube à décharge. L'élément conducteur 50 comporte en outre, au voisinage de l'intersection de l'axe de symétrie longitudinal x'x de la chambre d'ionisation, une ouverture 503 permettant la transmission du rayonnement laser vers le miroir 72 du résonateur. L'élément conducteur 50 est constitué par un cylindre métallique dans lequel est ménagée une cavité.
La cavité est formée dans le cylindre selon un cône d'axe de symétrie de révolution confondu avec l'axe de symétrie longitudinal de la chambre d'ionisation et d'angle solide au
z sommet sensiblement égal à 2. La structure effilée est constituée par les parois du cône et la partie acérée de celle-ci est constituée par l'arête vive, intersection de la surface latérale du cylindre et du cône.
L'extrémité conique de la cavité est prolongée par une ouverture 503
sensiblement cylindrique permettant le passage du rayonnement laser. L'élément conducteur 50 est monté dans un manchon isolant
505 en téflon par exemple, l'anode étant portée en fonctionnement à une tension de l'ordre de 250 V, et comporte un circuit 504 de refroi
dissement. Une telle structure d'anode combinée àun choix conve
nable de l'espacement entre l'anode et l'extrémité de la chambre
d'ionisation 1 permet par effet de bord au niveau du champ électri
que au voisinage de l'anode d'obtenir une distribution de celui-ci
pour laquelle l'absorption du faisceau laser est notablement dimi
nuée. L'élément conducteur 50 est par exemple constitué par un cy
lindre de cuivre pur.
Selon la fig. 3b, qui représente une coupe selon un plan de symé
trie longitudinal de la fig. 1, L'élément tubulaire constituant la
chambre d'ionisation 1 comporte à chaque extrémité de celle-ci un
élément d'adaptation 13, 14 entre la chambre d'ionisation et
chambre d'anode 8 et chambre de cathode 7 permettant notamment
l'adaptation progressive d'impédance de ces différentes chambres.
Chaque élément d'adaptation 13, 14 est constitué par une pièce sensiblement conique d'axe longitudinal confondu avec l'axe longitudinal de la chambre d'ionisation x'x. Chaque pièce 13, 14 comporte un alésage interne central 130, 140 de forme évasée et de révolution autour de l'axe longitudinal de la pièce. La plus grande ouverture de chaque alésage central est en vis-à-vis de l'anode 5 et de la cathode 6 du tube respectivement. La grande ouverture de l'alésage 130 correspond sensiblement à l'ouverture du cône de la cavité d'anode 502.
La grande ouverture de l'alésage 140 correspond sensiblement au diamètre de l'enroulement constituant la cathode 6. Le profil de l'alésage central de chaque pièce correspond sensiblement à une décroissance exponentielle du diamètre de l'alésage à partir de l'ouverture maximale de chaque pièce jusqu'à une valeur égale à celle du diamètre de l'ouverture centrale 150 des éléments, la décroissance intervenant au maximum sur une longueur équivalente à celle de trois éléments. Un tel arrangement de la structure des éléments d'adaptation 13 et 14 permet, du fait du maintien des conditions d'écoulement du gaz très proches de l'écoulement laminaire, en particulier dans les phases d'initiation des émissions continues ou pulsées, une atténuation très importante de l'érosion ionique des surfaces de l'alésage.
Celles-ci comportant, ainsi que décrit précédemment, un revêtement d'oxyde d'alumine obtenu par anodisation dure permettent une reproductibilité parfaite des conditions de l'écoulement du gaz et de décharge dans des conditions constantes d'adaptation d'impédance entre la chambre d'anode, la chambre de cathode et la chambre d'ionisation respectivement.
Selon les fig. 3b et 3c, la fig. 3c représentant une coupe transversale de la fig. 1, les circuits de recirculation élémentaires 41, 42 à 4p sont constitués chacun par au moins un tube de section s inférieure à la section S de la chambre d'ionisation 1. Les tubes sont des tubes thermo résistants isolants en verre ou en quartz. La section s de chaque tube est voisine de S où S est la section de la chambre d'ioni p sation et p le nombre de circuits de recirculation élémentaires. De S préférence la section s de chaque tube est supérieure à - de 10 à 20%
p environ. Selon le mode de réalisation particulier de la fig. 3b, les circuits de recirculation élémentaires sont chacun constitués par deux tubes en chicane.
Cette disposition permet d'augmenter la longueur de recirculation du gaz, chaque tube ayant une longueur comprise entre enveloppe extérieure 12 et enveloppe interne 3 supérieure à la demi-longueur de la chambre d'ionisation. La pluralité de circuits de recirculation et leur configuration en chicane - sur la fig. 3b le tube 41 est associé au tube 42 et le tube 4p-1 au tube 4p pour former un circuit élémentaire respectivement - permettent une amélioration de la stabilité d'émission et des paramètres de décharge du tube.
Cette amélioration est obtenue par augmentation de la résistance
électrique de chaque circuit de recirculation supprimant pratiquement le risque de décharge dans ces circuits et par augmentation de
la résistance à l'écoulement du gaz au niveau de chacun des circuits
élémentaires diminuant sensiblement les oscillations et les variations
de pression du gaz dans le tube et corrélativement les variations de
densité de courant correspondantes.
Le tube à gaz à décharge ainsi décrit permet d'obtenir, compte tenu de ses caractéristiques techniques, une stabilité d'émission inférieure à 1,5% de la puissance maximale atteinte. Cette dernière est
de 60 W en fonctionnement continu pour les longueurs d'onde bleu
vert 457,9 nm à 514,5 nm et 15 W en rayonnement ultrayiolet
351,1 nm et 363,7 nm.
L'assemblage du tube à gaz à décharge de l'invention est effectué
par introduction de l'empilement des éléments 15 dans l'enveloppe
interne 3, les éléments ayant un diamètre sensiblement égal à celui de
l'enveloppe interne 3. L'empilement ainsi constitué est assemblé avec
l'enveloppe externe 12 et avec les chambres de cathode et d'anode
par l'intermédiaire de joints d'étanchéité 900 et maintenu en pression
à l'aide de vis et écrous de serrage tels que 700 et 800.
** ATTENTION ** start of the DESC field may contain end of CLMS **.
CLAIMS
1. High current density discharge gas tube for laser emission with very high emission stability comprising an ionization chamber formed of a tubular element provided with a circular central opening, comprising
a cooling circuit constituted by a heat exchanger circuit disposed on the external wall of the ionization chamber, and constituted by cooling fins,
an internal envelope containing said ionization chamber, said internal envelope allowing, in operation,
the circulation of a heat transfer fluid between said internal envelope and the external wall of the ionization chamber,
a gas recirculation circuit consisting of a plurality of elementary recirculation circuits each having a resistance to the flow of gas greater than that of the ionization chamber,
- an anode with high stability of current density allowing the transmission of the laser radiation, characterized in that
- the tubular element constituting the ionization chamber being constituted by an adjoining stack of concentric metal elements in the form of a disc provided with a circular central opening, the cooling fins are formed at each element constituting the chamber d ionization by a plurality of radial eminences of each element,
and in that
- the elementary recirculation circuits extend outside the internal envelope.
2. Discharge gas tube according to claim 1, characterized in that said eminences of each element are distributed, with respect to a reference plane in the same pattern, on the periphery of each disc constituting each element, the eminences of two consecutive elements forming said contiguous stack being aligned so as to form on the external surface of said ionization chamber a plurality of fins each distributed along a generatrix of said stack.
3. Discharge gas tube according to claim 1, characterized in that each element further comprises on each of its stacking faces at least one annular seal.
4. Discharge gas tube according to claim 3, characterized in that each element comprises at each central opening a redent forming a mask and preserving each seal from exposure to ultraviolet radiation and to discharge plasma.
5. Discharge gas tube according to claim 1, characterized in that each element comprises on one of its stacking faces at least two concentric annular seals.
6. Discharge gas tube according to one of claims 1 to 5, characterized in that each element consists of an alloy of metals included in the group aluminum, magnesium, silicon, each element comprising an insulating layer of alumina.
7. gas discharge tube according to claim 1, characterized in that the elementary recirculation circuits each consist of at least one tube of section smaller than the section of the ionization chamber.
8. Discharge gas tube according to claim 7, characterized in that the section s of each tube is close to - where S is the section p of the ionization chamber and p the number of elementary recirculation circuits.
9. Gas discharge tube according to claims 7 and 8, characterized in that the elementary recirculation circuits consist of two baffle tubes, each of the tubes having a length greater than the half-length of the ionization chamber.
10. Discharge gas tube according to claim 1, characterized in that the anode with high stability of current density allowing the transmission of the laser radiation is constituted by a conducting element having with respect to the longitudinal axis of symmetry of the ionization chamber a tapered structure of revolution, the sharp part of the tapered structure being directed towards the cathode of the discharge tube, the conductive element further comprising, in the vicinity of the intersection of the longitudinal axis of symmetry of the ionization chamber, an opening allowing the transmission of laser radiation.
11. Discharge gas tube according to claim 10, characterized in that the conductive element consists of a metal cylinder in which is formed a cavity, the cavity being formed in the cylinder according to a cone of axis of symmetry of revolution coinciding with the longitudinal axis of symmetry of the ionization chamber, said tapered structure and the sharp part thereof being formed by the sharp edge, intersection of the lateral surface of the cylinder and of the cone,
The conical end of the cavity being extended by a substantially cylindrical opening allowing the passage of laser radiation.
12. Discharge gas tube according to claim 11, characterized in that the conductive element consists of pure copper.
13. Discharge gas tube according to claim I, characterized in that the tubular element constituting the ionization chamber comprises at each end of the latter an adaptation element between the ionization chamber, the anode and the cathode chamber.
14. Discharge gas tube according to claim 13, characterized in that each adaptation element consists of a substantially conical part with a longitudinal axis coinciding with the longitudinal axis of the ionization chamber, each part having a bore internal central flared of revolution around the longitudinal axis dt :: a piece, the largest opening of each central bore being opposite the anode and the cathode of the tube respectively.
The present invention relates to a gas discharge tube for laser emission of power with very high stability.
The laser emission devices of continuous or pulsed power in the visible and ultraviolet spectrum are most often currently devices in which the laser amplification medium is constituted by an ionized gas such as argon Ar + +. Such devices are characterized from the point of view of their operation by a very high current density at the level of the amplification medium, density of the order of 450 A / cm 2 requiring a very large supply of electrical energy to the device taking into account '' a low overall emission yield of around 0.5% 0. The counterpart of such systems is the need to provide such devices with a very efficient system for removing heat, energy degraded from the power supply energy.
Gas discharge tubes for laser emission of this type have been described in Swiss Patent No. 522287 in which the body of the tube itself or ionization chamber consists of a stack of elements each comprising perforations constituting, after stacking of the elements, circulation channels for a cooling liquid, and where the gas recirculation circuit, laser amplification medium, is carried out by a single bypass connecting the cathode and anode chambers d on the other hand connected by the ionization chamber.
The operation of such devices is not satisfactory insofar as, on the one hand, the mounting of the tube body, or ionization chamber, by stacking of elements appears very complex due to the need to ensure level of each perforation constituting, after stacking, the channels for circulation of the refrigerant, a perfect seal of the junctions. The multiplicity of junctions leads to an increase in the risk of leakage towards the ionization chamber of the coolant with the direct consequence of destabilization of the laser emission by local modification of the parameters of conductivity and dielectric rigidity of the medium.
ionizer chamber plifier. This destabilization can even lead, in the extreme, to local destruction of the wall of the body of the tube or of the junction by arcing with the discharge plasma.
On the other hand, the existence for the recirculation of the discharge gas of a single by-pass of section necessarily close to that of the ionization chamber, in order to ensure a homogeneous flow of this gas, presents, with a significant risk of ionization of the gas inside the bypass and destruction of the tube, a lack of stability of the gas flow conditions. This defect is manifested, in particular during the initiation of the discharge, by the appearance of a pressure wave causing at any point of circulation of the gas a transient oscillation of the pressure of the gas and a corresponding modulation of the current density. and the corresponding laser emission intensity.
In any case, such devices cannot claim to achieve degrees of emission stability better than + 10% of the maximum transmission power over a period of 10 seconds.
The gas discharge tube for continuous laser emission according to the invention overcomes the aforementioned drawbacks and aims to use a gas discharge tube for continuous laser emission with very high stability.
Another object of the present invention is the implementation of a gas discharge tube for laser emission of high reliability and having a high MTBF at maximum nominal emission power.
Another object of the present invention is the implementation of a gas discharge tube for laser emission of simple construction and in which each junction of the constituent elements of the body of the tube has a high degree of tightness of the chamber. ionization with cooling fluid.
The gas discharge tube for continuous laser emission according to the invention is defined by all of the technical characteristics of the current claim 1. It can in particular be used, taking into account the performance obtained by its implementation, in printing or offset systems, the printing materials being sensitive to short wavelength radiation of the visible spectrum or to the ultraviolet, in isotopic separation systems and in photobiology or medical techniques, as well as for telecommunication for position measurement of a vessel such as a submarine from the transmission from a ground station to a relay satellite.
The invention will be better understood with the aid of the description and of the drawings below in which the same references represent the same elements and where:
- fig. 1 shows in perspective and cut away the gas discharge tube according to the invention,
- figs. 2a, 2b, 2c show a detail of an embodiment of one of the constituent elements of the gas discharge tube according to FIG. 1,
- fig. 3a shows, in section, along a longitudinal plane of symmetry in FIG. 1, another detail of an element constituting the gas tube according to the invention,
- fig. 3b shows a section along a longitudinal plane of symmetry in FIG. 1, fig. 3c represents a section along a plane perpendicular to the longitudinal axis of symmetry of FIG. 1.
According to fig. 1, the gas discharge tube of the invention comprises an ionization chamber 1 formed by a tubular element of axis of longitudinal symmetry x'x. The tubular element is provided with a central opening forming the ionization chamber 1. The tubular element can be formed either by a ceramic tube or by a stack of discs pierced with a hole in their center. The tubular element further comprises a heat exchanger circuit 2 arranged on the external wall of the ionization chamber. An internal envelope 3 contains the ionization chamber 1 and the heat exchanger. The internal envelope allows, in operation, the circulation of a heat transfer fluid between the internal envelope 3 and the external wall of the ionization chamber provided with the heat exchanger.
The heat transfer fluid can for example consist of deionized water. The gas discharge tube of the invention further comprises a recirculation circuit 4 of the laser amplification medium gas. The gas recirculation circuit 4 allows gas, such as argon for example, to be recirculated between the ionization chamber 1, an anode chamber 8 comprising an anode 5 and a cathode chamber 7 comprising a cathode 6 , the ionization chamber also being in communication with the anode chamber and the cathode chamber. The gas recirculation circuit consists of a plurality of elementary recirculation circuits noted in FIGS. 1, 41, 42, 4p and each having a resistance to the flow of gas greater than that of the ionization chamber.
The cathode chamber 7 comprises the cathode 6 formed by a conductive winding with a longitudinal axis coincident with the axis x'x. The cathode winding is connected to the connection pads 61, 62.
A cooling circuit 610, 620 allows the cooling of the cathode pads in order to prevent aging of the seals of the cathode chamber. A valve makes it possible for the tube to operate to create a vacuum in the whole of the tube, the laser amplification medium gas then being admitted by an inlet valve 10. The cathode chamber 7 furthermore centers on the axis x'x a mirror 71 constituting the laser resonator. The mirror 71 has for example a reflection coefficient of the order of 96% allowing the transmission of useful laser radiation.
The anode chamber 8 comprises an anode 5 with high spatial stability of current density allowing the transmission of laser radiation to a second mirror of the laser resonator 72 also located on the axis x'x. The anode 5 is connected to an anode connection pad 51 and comprises a cooling circuit 510, 520. The anode chamber and / or the cathode chamber comprise a sealed chamber 1 1 for admitting the heat transfer fluid in communication with the space defined by the internal envelope 3 and the heat exchanger 2. The heat transfer fluid is circulated by valves such as 110 and 111. An external envelope 12 provides mechanical protection of the gas recirculation circuit 4, the external envelope 12 forming with the internal envelope 3 also a sealed chamber.
The ionization chamber 1.1, heat exchanger 2.1, internal envelope 3, the gas recirculation circuit 4, external envelope 12, the anode and cathode chambers 7 form a structure that is substantially of revolution. with respect to the axis x'x of the laser resonator formed by the mirrors 71 and 72. The heat exchanger 2 is constituted by cooling fins. In the case where the tubular element forming the ionization chamber 1 is made of ceramic, the fins consist of a metal sleeve in contact with the external wall of the tubular element.
In accordance with fig. 2a, 2b, 2c the tubular element forming the ionization chamber 1 is constituted by an adjoining stack of elements 15 in the form of concentric discs provided with a circular central opening 150. The cooling fins are formed in this case at level of each constituent element of the ionization chamber by a plurality of radial eminences noted 151, 152 to 15p in FIGS. 2a to 2c.
According to fig. 2a and 2b, the cuts 151 to 15p of each element are distributed, with respect to a reference plane such as the plane x, according to the same pattern, on the periphery of each disc constituting each element. The eminences of two consecutive elements after stacking as shown in FIG. 2b are aligned so as to form on the external surface of the ionization chamber a plurality of fins 161, 162 to 16p each distributed along a generatrix of the stack forming the tubular element.
In order to ensure a better heat exchange as symbolized in fig. 2b by the arrow F, each element 15 can be offset in rotation by an angle a given around the axis x'x relative to the next element so as to form a plurality of fins substantially distributed in a spiral by relative to the generatrices of the tubular element forming the ionization chamber 1. A shift of an angle a substantially equal to the angle of the half-opening ss of two consecutive eminences of the same element allows the formation of a heat exchanger 2 in baffle also allowing a better evacuation of the heat.
According to fig. 2c which represents a sectional view along the plane it of the element shown in FIG. 2a, each element further comprises on one of its stacking faces at least one annular seal 17. The seals are for example polymeric seals. The elements may without departing from the scope of the present invention comprise two or more seals on one or each of the stacking faces. In order to preserve the seal (s) 17 from exposure to the discharge plasma consisting mainly of Ar + + argon ions and to ultraviolet radiation, an important aging factor, each element 15 comprises at each central opening 150 and at its periphery a redent 1502 forming a male part for the stack and a housing 1501.
The redent 1502 during stacking engages in the housing 1501 of the neighboring element. A groove 1500 at the periphery of the housing 1501 receives the seal 17. The redent 1502, the housing 1501 and the groove 1500 form a protection for the seal 17. The ratio l / d of the length of each element to the diameter d of the central opening is less than 3, l / d <3. For example, each element 15 consists of an alloy of metals included in the group aluminum, magnesium, silicon.
Each element 15 comprises an insulating layer of alumina. The elements 15 are for example cut from a profile of this alloy, each element then being subjected to a hard anodizing treatment so as to obtain an alumina layer of thickness greater than 20 ttm over the entire surface of every element. Likewise, all of the parts of the discharge tube subjected to the action of the discharge plasma are constituted by this same material known by the commercial name of Anticorodal as well as the internal envelope 3, external envelope 12 and the anode chambers. 8 and cathode 7.
According to fig. 3a, the anode 5 with high spatial stability of current density is constituted by a conductive element 50 having with respect to the longitudinal axis of symmetry x'x of the ionization chamber a tapered structure 501 of revolution. The tapered structure has a sharp portion 502 directed towards the cathode 6 of the discharge tube. The conductive element 50 further comprises, in the vicinity of the intersection of the longitudinal axis of symmetry x'x of the ionization chamber, an opening 503 allowing the transmission of laser radiation to the mirror 72 of the resonator. The conductive element 50 is constituted by a metal cylinder in which a cavity is formed.
The cavity is formed in the cylinder according to a cone of axis of symmetry of revolution coincident with the longitudinal axis of symmetry of the ionization chamber and of solid angle at
z apex substantially equal to 2. The tapered structure is formed by the walls of the cone and the sharp part thereof is formed by the sharp edge, intersection of the lateral surface of the cylinder and the cone.
The conical end of the cavity is extended by an opening 503
substantially cylindrical allowing the passage of laser radiation. The conductive element 50 is mounted in an insulating sleeve
505 in teflon for example, the anode being brought into operation at a voltage of the order of 250 V, and includes a cooling circuit 504
dissement. Such an anode structure combined with a suitable choice
space between the anode and the end of the chamber
ionization 1 allows by edge effect at the electric field
that in the vicinity of the anode to obtain a distribution of it
for which the absorption of the laser beam is notably reduced
cloud. The conductive element 50 is for example constituted by a cy
liner of pure copper.
According to fig. 3b, which represents a section along a plane of symmetry
longitudinal sorting of fig. 1, The tubular element constituting the
ionization chamber 1 has at each end thereof
adaptation element 13, 14 between the ionization chamber and
anode chamber 8 and cathode chamber 7 allowing in particular
the progressive impedance adaptation of these different rooms.
Each adaptation element 13, 14 is constituted by a substantially conical piece with a longitudinal axis coincident with the longitudinal axis of the ionization chamber x'x. Each part 13, 14 has a central internal bore 130, 140 of flared shape and of revolution around the longitudinal axis of the part. The largest opening of each central bore is opposite the anode 5 and the cathode 6 of the tube respectively. The large opening of the bore 130 corresponds substantially to the opening of the cone of the anode cavity 502.
The large opening of the bore 140 corresponds substantially to the diameter of the winding constituting the cathode 6. The profile of the central bore of each part corresponds substantially to an exponential decrease in the diameter of the bore from the maximum opening of each piece up to a value equal to that of the diameter of the central opening 150 of the elements, the decrease occurring at most over a length equivalent to that of three elements. Such an arrangement of the structure of the adaptation elements 13 and 14 allows, due to the maintenance of the gas flow conditions very close to the laminar flow, in particular in the initiation phases of continuous or pulsed emissions, very significant attenuation of ionic erosion of the bore surfaces.
These comprising, as described above, an alumina oxide coating obtained by hard anodization allow perfect reproducibility of the conditions of the gas flow and of discharge under constant conditions of impedance adaptation between the chamber anode, the cathode chamber and the ionization chamber respectively.
According to fig. 3b and 3c, fig. 3c representing a cross section of FIG. 1, the elementary recirculation circuits 41, 42 to 4p each consist of at least one tube with a section s less than the section S of the ionization chamber 1. The tubes are thermo-resistant insulating glass or quartz tubes. The section s of each tube is close to S where S is the section of the ionization chamber and p the number of elementary recirculation circuits. Preferably S section s of each tube is greater than - from 10 to 20%
p approx. According to the particular embodiment of FIG. 3b, the elementary recirculation circuits are each constituted by two chicane tubes.
This arrangement makes it possible to increase the length of gas recirculation, each tube having a length between outer casing 12 and inner casing 3 greater than the half length of the ionization chamber. The plurality of recirculation circuits and their baffle configuration - in fig. 3b the tube 41 is associated with the tube 42 and the tube 4p-1 with the tube 4p to form an elementary circuit respectively - allow an improvement in the emission stability and discharge parameters of the tube.
This improvement is obtained by increasing the resistance
electric of each recirculation circuit practically eliminating the risk of discharge in these circuits and by increasing
resistance to gas flow at each of the circuits
elementaries significantly reducing the oscillations and variations
gas pressure in the tube and correspondingly the variations in
corresponding current density.
The gas discharge tube thus described makes it possible, given its technical characteristics, to obtain emission stability of less than 1.5% of the maximum power reached. The latter is
60 W in continuous operation for blue wavelengths
green 457.9 nm at 514.5 nm and 15 W in ultraviolet radiation
351.1 nm and 363.7 nm.
The assembly of the gas discharge tube of the invention is carried out
by inserting the stack of elements 15 into the envelope
internal 3, the elements having a diameter substantially equal to that of
the internal envelope 3. The stack thus formed is assembled with
the outer casing 12 and with the cathode and anode chambers
through 900 seals and kept under pressure
using clamping screws and nuts such as 700 and 800.