ES2400053T3 - Procedimiento de ablación de una capa superficial de una pared, y dispositivo asociado - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de ablación de una capa superficial (2) de una pared (P) por barrido de dicha capa (2), quecomprende: - una etapa (Ecom) de mando direccional por un deflector (5) óptico de una pluralidad de haces láser (7)pulsados; - una etapa (Eab) de ablación de la capa (2) sobre unas zonas de impactos (ILC) creadas por la pluralidad sehaces láser, estando cada zona de impacto (ILC) definida por un centro (C) y por una dimensión característica(d1, d2, d3), estando las zonas de impacto (ILC) separadas; caracterizado porque la distancia (DI) entre cada centro (C) de las zonas de impacto (ILC) es igual a por lo menosdiez veces la mayor dimensión característica (d1, d2, d3) de las zonas de impactos.
Description
Procedimiento de ablación de una capa superficial de una pared, y dispositivo asociado.
La presente invención se refiere a un procedimiento de ablación láser de una capa superficial de una pared tal como un revestimiento mural de pintura, por ejemplo en una instalación nuclear, y a un dispositivo para la realización de este procedimiento.
La descontaminación y el saneamiento de las instalaciones nucleares que han quedado obsoletas o que han alcanzado su límite de edad se han vuelto prioritarios para la industria nuclear.
Se han realizado esfuerzos para limpiar las partes contaminadas de estas instalaciones, evitando producir unos desechos también contaminados y procurando minimizar los efluentes de limpieza.
Para una gran parte de los muros de los locales nucleares, es suficiente una simple extracción de la pintura.
Las técnicas utilizadas hasta el presente son en particular el decapado por medio de una amoladora, de una contorneadora, por arenado o por geles químicos.
Estas técnicas tienen como principal interés su simplicidad de realización tecnológica. Sin embargo, las mismas adolecen de inconvenientes tales como su coste elevado, directamente imputable a la intervención humana en medio irradiado, la liberación importante de polvo en el local y la cantidad de desechos generados.
Otra solución conocida para efectuar la descontaminación de instalaciones nucleares consiste en utilizar la ablación láser.
La ablación láser consiste en retirar una capa de espesor reducido del material contaminante a extraer, por medio de la interacción de una luz coherente y enfocada procedente de un láser pulsado con este material.
El calentamiento rápido de la superficie de esta capa provoca la vaporización y después la expulsión de los primeros estratos del material. Esta técnica de ablación láser es también aplicable a otros campos no nucleares.
Los dispositivos de ablación láser comprenden típicamente una fuente láser prevista para generar un haz láser pulsado y unos medios de transporte de este haz hasta un cabezal de decapado situado aguas abajo de la fuente láser, y que está provista de un sistema óptico para enfocar los disparos sobre la capa a ablacionar.
La tendencia actual del experto en la materia consiste en aumentar no solamente el número de impulsos láser aplicados sucesivamente en un mismo punto, sino también las potencias de los disparos láser utilizados en estos procedimientos de ablación por láser pulsado, con el fin de mejorar la eficacia de la ablación, siendo estas potencias típicamente del orden de algunos centenares de vatios. Resultan de ello unas servidumbres (es decir aprovisionamientos necesarios de electricidad y de aire comprimido, en particular) y unas obligaciones de funcionamiento penalizantes, así como un volumen y un coste de realización relativamente elevados.
Otra consecuencia reside en el diámetro del haz enfocado que ha sido suministrado por dichos láseres que es del orden de algunos milímetros, con el fin de obtener la potencia superficial requerida, ni demasiado grande, ni demasiado pequeña en función del material a tratar. Teniendo en cuenta estos diámetros importantes, la cadencia de disparo elevada y las velocidades de desplazamiento de los haces que se puede realizar, la superposición de los disparos es inevitable. Ahora bien, estos disparos superpuestos adolecen del inconveniente de favorecer los redepósitos de material ablacionado, obligando al operario a efectuar varias pasadas durante el barrido de la superficie a ablacionar para reducir su importancia. El rendimiento de la operación de ablación está penalizado otro tanto.
Para evitar estos inconvenientes, el documento FR 2 887 161 describe un procedimiento de ablación de una capa superficial de una pared por barrido de dicha capa según el preámbulo de la reivindicación 1 y un dispositivo según el preámbulo de la reivindicación 5.
Las figuras 1a y 1b muestran que el procedimiento de este documento está caracterizado porque las zonas de impacto de cada haz sobre la capa están yuxtapuestas, o bien por dos (véanse las zonas 6a y 6b de la figura 1a) o por cuatro, yuxtapuestas según las líneas 6a, 6b y con eventualmente un ligero cabalgamiento según las columnas 6b, 6d (véase figura 1b). La disposición de cuatro impactos (véase la figura 1b) permite evidentemente duplicar la velocidad de ablación con respecto a una disposición con dos impactos (véase la figura 1a).
Así, gracias al multiplexado de varios pequeños láseres, la eficacia del procedimiento aumenta de forma proporcional al número de láser a utilizar.
Sin embargo, dichas disposiciones adolecen de inconvenientes.
En primer lugar, para poder yuxtaponer las zonas de impacto como en las figuras 1a y 1b, es necesario concebir una cadena óptica compleja y costosa en el dispositivo de ablación. En efecto, en el caso representado, la disposición de las zonas de impactos debe ser precisa.
Además, un dispositivo de ablación de este tipo está previsto para ser utilizado en unas obras, y la cadena óptica citada es muy sensible a las vibraciones exteriores.
Por último, el dispositivo necesita una sincronización temporal extremadamente precisa de las pulsaciones láser (del orden del nanosegundo), con el fin de evitar los redepósitos de material en el momento de los diferentes impactos.
La presente invención permite liberarse de la concepción difícil de la cadena óptica y de la sincronización temporal, permitiendo al mismo tiempo utilizar unos haces láser de pequeña potencia. El dispositivo según la invención es menos sensible a los desajustes debidos en particular a las vibraciones.
Así, según un primer aspecto, la invención se refiere a un procedimiento de ablación de una capa superficial de una pared según la reivindicación 1.
Teniendo unas zonas de impacto así separadas, se evita la dificultad de concepción y de ajuste de la cadena óptica, y de la sincronización temporal, evitando al mismo tiempo los redepósitos de material ablacionado. En efecto, debido a la distancia entre las zonas de impacto, en cada impacto, el polvo de materiales separados son ciertamente proyectados a uno y otro lado de la zona de impacto, pero no influye nada en otro haz láser.
Y según un segundo aspecto, la invención se refiere a un dispositivo de ablación según la reivindicación 5 para la realización del procedimiento según el primer aspecto de la invención.
El dispositivo según la invención comprende: una pluralidad de fuentes láser adaptadas para generar unos haces láser pulsados; un deflector óptico aguas abajo de los cabezales láser para desviar unos haces sobre una capa superficial de una pared; y un dispositivo de guiado adaptado para guiar los haces generados hacia una pupila de entrada del deflector óptico, siendo la pupila de entrada del orden de magnitud de los haces láser.
El dispositivo según la invención es de una complejidad menor con respecto a los dispositivos conocidos, puesto que no necesita ningún dispositivo de alineación en la cadena óptica, ni la sincronización temporal de los disparos. Por otra parte, el dispositivo de la invención es poco sensible a las vibraciones exteriores, puesto que la obligación de alineación está suprimida.
Otras características y ventajas de la invención resaltarán también de la descripción siguiente, la cual es puramente ilustrativa y no limitativa, y debe ser leída con respecto a las figuras adjuntas en las que, además de las figuras 1a 1b ya comentadas:
- -
- la figura 2 ilustra una vista esquemática lateral de un dispositivo según la invención;
- -
- las figuras 3a, 3b y 3c ilustran diferentes zonas de impactos de haces láser disparados en el curso del procedimiento según la invención;
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- la figura 4 ilustra unas etapas del procedimiento según la invención;
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- la figura 5 ilustra una vista de perfil de dos haces láser que impactan sobre la superficie a ablacionar;
- -
- la figura 6 ilustra una pasada de barrido en el curso de la cual se mandan dos haces según el procedimiento de la invención:
- -
- la figura 7 ilustra una pasada de barrido en el curso de la cual se mandan cuatro haces según el procedimiento de la invención;
- -
- las figuras 8a, 8b, 8c y 8d ilustran unas configuraciones de un dispositivo de guiado de haz hacia un deflector óptico del dispositivo según la invención.
Se ha ilustrado en la figura 2 un dispositivo de ablación para separar una capa 2 de pintura mural de una pared P a descontaminar, por ejemplo en una instalación nuclear, correspondiendo este revestimiento 2 a una superficie denominada de categoría 1 en este campo (es decir con una contaminación por aerosoles fijados por la pintura).
La invención se aplica evidentemente a otros campos que el campo nuclear.
El dispositivo de ablación 1 comprende un bastidor 3 sobre el cual están montados:
- -
- una pluralidad de fuentes láser 4 (está representada solo unaen el ejemplo de la figura 1) conectadas a unos medios de bombeo (no ilustrados);
- -
- un deflector 5 óptico que está previsto aguas abajo de las fuentes láser 4 para recibir los haces láser 7 y desviarlos de manera que estén animados con un movimiento de barrido. El deflector 5 comprende ventajosamente a su salida un cabezal 5a de deflexión que comprende una lente de enfocado 6 para enfocar los haces 7 láser sobre la superficie de la capa 2 a ablacionar; y
- -
- una unidad de confinamiento 8 del espacio comprendido entre el deflector 5 y eventualmente el cabezal de deflexión 5a, y la superficie de la capa 2 a ablacionar, que comprende en particular unos medios de aspiración y de filtrado 9 de los residuos de ablación.
Las fuentes 4 láser son del tipo YLP (en inglés, Ytterbium Fiber Lasers). Cada fuente emite un haz de láser 7 pulsado en el campo infrarrojo -ventajosamente en el infrarrojo próximo- que presenta un diámetro que va de 2 a 15 mm y por ejemplo igual a 9 mm, siendo este diámetro considerado como constante en toda la longitud de su trayecto en el aire, pero el diámetro de cada haz disminuye durante su trayecto en el dispositivo, debido en particular a la lente 6 de enfocado.
Como muestran las figuras 3, cada zona de impacto está definida por un centro C y por una dimensión característica, d1, d2 o d3.
Las figuras 3a, 3b y 3c ilustran respectivamente tres formas de impactos posibles pero no limitativas: circular de dimensión característica el diámetro d1, elipsoidal de dimensión característica la distancia d2 entre los dos focos f1 y f2 de la elipse, y cuadrada de dimensión característica la diagonal d3.
Cada dimensión característica es del orden de 100 !m.
La unidad de confinamiento 8 comprende un sumidero 10 de forma sustancialmente troncocónico que está adaptado para ser montado por su base menor sobre el bastidor 3, alrededor del deflector 5 óptico. El sumidero 10 está provisto ventajosamente de una cámara externa 11 que está destinada a ser aplicada sobre la capa 2 a ablacionar, estando esta cámara 11 destinada a la visualización del estado de la capa 2 con el fin de controlar y mandar la ablación.
El sumidero 10 está previsto para asegurar un confinamiento dinámico de los gases y aerosoles protegiendo al mismo tiempo al operario y, por medio de una entrada de aire (no representada), permite un flujo laminar de estos gases y aerosoles con el fin de recuperarlos en unos filtros 12 que equipan los medios de aspiración 9 cuyo caudal es de 180 m3/h.
Estos filtros 12 están concebidos específicamente para no ser colmatados por los residuos de ablación, gracias a una caracterización previa de estos últimos. La elección de los filtros 12 depende de la naturaleza, de la masa y del tamaño de las partículas generadas por la ablación.
El dispositivo de ablación 1 funciona de la manera siguiente: se coloca el dispositivo de ablación 1 contra la capa 2 de pintura a una distancia D del orden de 500 mm de ésta, por medio de un sistema de posicionado (no ilustrado) de la unidad de confinamiento 8.
Después, se aplica el procedimiento de ablación de la capa 2 de la pared P. La figura 4 ilustra unas etapas del procedimiento.
El procedimiento de ablación comprende una tapa Egen de generación de una pluralidad de haces láser por medio de una pluralidad de fuentes láser y una atapa Egui de guiado de los haces generados por medio de un dispositivo DG de guiado de los haces, hacia una pupila de entrada 5b del deflector 5 óptico.
Un dispositivo DG de guiado de este tipo permite guiar de manera simple por lo menos dos haces en la pupila 5b del deflector 5 óptico del dispositivo 1 de ablación.
El procedimiento de ablación comprende una etapa Ecom de mando direccional por el deflector 5 óptico de una pluralidad de haces láser 7 pulsados y una etapa Eab de ablación de la capa 2 sobre unas zonas de impactos ILC creadas por la pluralidad de haces láser, estando cada zona de impacto ILC definida por el centro C y por la dimensión característica d1, d2, d3 (véanse las figuras 2a, 2b y 2c).
De manera más precisa, las zonas de impactos ILC están separadas, siendo la distancia Dl entre cada centro C de las zonas de impactos ILC igual a por lo menos diez veces la mayor dimensión característica d1, d2, d3 de las zonas de impactos.
Esta distancia DI es preferentemente igual a por lo menos cincuenta veces la mayor dimensión característica d1, d2, d3 de las zonas de impactos y aún más preferentemente entre cincuenta y cien veces la mayor dimensión característica d1, d2, d3 de las zonas.
Se han representado en la figura 5, según una vista de perfil, dos haces 7 láser y las zonas de impacto ILC asociadas.
Dado que las zonas de impactos están separadas, se evitan los redepósitos de polvo de materias ablacionadas, puesto que la distancia entre las zonas de impacto es tal que el polvo no tiene ninguna influencia sobre los otros haces 7. Se evitará así además la sincronización temporal de los haces. En efecto, a cada impacto, se proyecta polvo 40 de materias ablacionadas a uno y otro lado de la zona de impacto, y según la invención, el polvo no perturba el procedimiento de ablación, siendo suficiente la distancia entre las zonas de impacto. Los haces láser pulsados no tienen por tanto necesidad de ser sincronizados.
Se evita así también la concepción difícil y costosa (puesto que es extremadamente precisa) de una cadena óptica de posicionado de las zonas de impactos según la técnica anterior. Es suficiente según la invención que la distancia entre las zonas de impactos sea suficiente, pero no hay obligación de posicionado preciso de las zonas de impactos unas con respecto a las otras.
Sin embargo, para controlar la zona sobre la cual se efectúa el barrido de la superficie a ablacionar, las zonas ILC sobre la capa están confinadas en una superficie MLC entre 0,2 y 4 cm2.
Las figuras 6 y 7 ilustran una manera de barrer la capa a ablacionar según un desplazamiento por columnas en la dirección FC. Dicho desplazamiento se completa a continuación por un desplazamiento por línea en la dirección FL.
En la figura 6, se ha representado una pasada durante la cual se mandan dos haces láser pulsados. A cada pasada se forman dos zonas de impactos ILC, JLC sobre la capa a ablacionar con el índice L correspondiente a la línea y el índice C correspondiente a la columna. Otra pasada según la dirección FC se podrá efectuar después de un desplazamiento según la dirección FI del conjunto de los haces.
Asimismo, en la figura 7, se ha representado una pasada de barrido durante la cual se mandan cuatro haces láser pulsados. A cada pasada, cuatro haces forman cuatro impactos ILC JLC, KLC, LLC con el índice L correspondiente a la línea y el índice C a la columna.
El dispositivo DG de guiado puede ser implementado de varias maneras con el fin de guiar los haces hacia la pupila de entrada, siendo esta última del orden de magnitud de cada haz láser.
Se han representado en las figuras 8a, 8b, 8c y 8d estas diferentes implementaciones posibles del dispositivo de guiado.
Se debe observar que se elegirá una implementación con respecto a las obligaciones de volumen fijadas.
En la figura 8a, el dispositivo DG de guiado comprende dos espejos M1, M2 de reenvío montados en configuración en bayoneta. Como se ha ilustrado en esta figura, los haces láser procedentes de cada fuente 4 son reflejados por un primer espejo M1 y los haces procedentes del primer espejo M1 son reflejados por un segundo espejo M2 para entrar en el deflector 5 óptico por la pupila de entrada 5b.
En las figuras 8b y 8c, las fuentes 4 láser están montadas en estrella alrededor de un prisma 20 central de reenvío que comprende un número de haces igual al número de fuentes 4.
Presentando así el dispositivo un primer eje óptico BB’ entre cada fuente 4 y el prisma 20 central de reenvío, y un segundo eje óptico AA’ entre el prisma 20 central y la pupila de entrada 5b del deflector 5 óptico, cada primer eje óptico AA’ y el segundo eje óptico BB’ son perpendiculares entre sí.
En la figura 8d, las fuentes 4 láser están montadas en estrella alrededor de un prisma 20 central de reenvío que comprende un número de caras igual al número de fuentes 4.
El dispositivo DG de guiado comprende un pentaprisma 22 asociado a cada fuente 4, siendo cada pentaprisma 22 apto para reenviar los haces procedentes de cada fuente a la que está asociado hacia el prisma 20 central de reenvío, presentando así el dispositivo:
5 -un primer eje óptico CC’ entre cada fuente 4 y cada pentaprisma 22;
- -
- un segundo eje óptico BB’ entre cada pentaprisma 22 y el prisma 20 central de reenvío; y
- -
- un tercer eje AA’ óptico entre el prisma 20 central y la pupila de entrada 5b del deflector 5 óptico.
Cada primer eje CC’ óptico es perpendicular a cada segundo eje BB’ óptico y es paralelo al tercer eje AA’ óptico. 10
Claims (8)
- REIVINDICACIONES1. Procedimiento de ablación de una capa superficial (2) de una pared (P) por barrido de dicha capa (2), que comprende:
- -
- una etapa (Ecom) de mando direccional por un deflector (5) óptico de una pluralidad de haces láser (7) pulsados;
- -
- una etapa (Eab) de ablación de la capa (2) sobre unas zonas de impactos (ILC) creadas por la pluralidad se haces láser, estando cada zona de impacto (ILC) definida por un centro (C) y por una dimensión característica (d1, d2, d3), estando las zonas de impacto (ILC) separadas;
caracterizado porque la distancia (DI) entre cada centro (C) de las zonas de impacto (ILC) es igual a por lo menos diez veces la mayor dimensión característica (d1, d2, d3) de las zonas de impactos. -
- 2.
- Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque las zonas de impacto (ILC) sobre la capa están confinadas en una superficie (MLC) del orden de 1 cm2.
-
- 3.
- Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende antes de la etapa (EC) de mando:
- -
- una etapa (Egen) de generación de una pluralidad de haces láser pulsados por medio de una pluralidad de fuentes (4) láser;
- -
- una etapa (Egui) de guiado de los haces generados por medio de un dispositivo (DG) de guiado de los haces, hacia una pupila (5b) de entrada del deflector (5) óptico.
-
- 4.
- Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la distancia (DI) entre cada centro (C) de las zonas de impacto (ILC) está comprendida entre cincuenta veces y cien veces la mayor dimensión característica (d1, d2, d3) de las zonas de impactos.
-
- 5.
- Dispositivo de ablación (1) para la realización del procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo dicho dispositivo:
- -
- una pluralidad de fuentes láser (4) adaptadas para generar (Egen) unos haces láseres pulsados (7);
- -
- un deflector (5) óptico aguas abajo de las fuentes (4) láser para desviar los haces (7) sobre una capa superficial (2) de una pared (P); y
- -
- un dispositivo de guiado (DG) adaptado para guiar los haces (7) generados hacia una pupila (5b) de entrada del deflector (5) óptico, siendo la pupila de entrada del orden de magnitud de cada haz (7) láser;
estando el dispositivo adaptado para que las zonas de impactos (ILC) estén separadas, caracterizado porque el dispositivo está adaptado asimismo para que la distancia (DI) entre cada centro (C) de las zonas de impacto (ILC) sea igual a por lo menos diez veces la mayor dimensión característica (d1, d2, d3) de las zonas de impactos. -
- 6.
- Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado porque el dispositivo de guiado comprende dos espejos (M1, M2) de reenvío montados en configuración de bayoneta y porque las fuentes (4) láser están montadas de manera que todos los haces procedentes de estas fuentes sean reflejados por un primer espejo (M1) hacia un segundo espejo (M2) que refleja los haces hacia la pupila de entrada (5b) del deflector (5) óptico.
-
- 7.
- Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado porque las fuentes (4) láser están montadas en estrella alrededor de un prisma (20) central de reenvío que comprende un número de caras igual al número de fuentes (4), presentando así el dispositivo:
- -
- un primer eje óptico de (BB’) entre cada fuente (4) y el prisma (20) central de reenvío, y
- -
- un segundo eje óptico (AA’) entre el prisma (20) central y la pupila de entrada (5b) del deflector (5) óptico,
siendo cada primer eje óptico (AA’) y el segundo eje óptico (BB’) perpendiculares entre sí. - 8. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado porque las fuentes (4) láser están montadas en estrella alrededor de un prisma (20) central de reenvío que comprende un número de caras igual al número de fuentes (4), y porque el dispositivo (DG) de guiado comprende un pentaprisma (22) asociado a cada fuente (4), siendo cada pentaprisma (22) apto para reenviar los haces procedentes de cada fuente a la que está asociado hacia el prisma(20) central de reenvío, presentado así el dispositivo:
- -
- un primer eje óptico (CC’) entre cada fuente y cada pentaprisma (22);
- -
- un segundo eje óptico (BB’) entre cada pentaprisma (22) y el prisma (20) central de reenvío;
- -
- un tercer eje (AA’) óptico entre el prisma (20) central y la pupila de entrada (5b) del deflector (5) óptico;
siendo cada primer eje (CC’) óptico perpendicular a cada segundo eje (BB’) óptico y siendo paralelo al tercer eje (AA’) óptico.
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