FR2472329A1

FR2472329A1 - Procede et dispositif pour produire une decharge dans un courant de gaz a vitesse supersonique

Info

Publication number: FR2472329A1
Application number: FR8014261A
Authority: FR
Inventors: Peter Hoffmann; Helmut Hugel; Wolfgang Schall; Wolfram Schock
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1979-12-22
Filing date: 1980-06-26
Publication date: 1981-06-26
Also published as: US4414488A; DE2952046A1; GB2066630B; GB2066630A; FR2472329B1; DE2952046C2; CA1150812A

Abstract

ON FAIT PASSER UN COURANT DE GAZ A TRAVERS UNE TUYERE 3 EN AVAL DE LAQUELLE LE GAZ EST A VITESSE SUPERSONIQUE. A CE COURANT EST SUPERPOSE UN CHAMP ELECTRIQUE ENGENDRE PAR UN GENERATEUR DE MICRO-ONDES QUI INJECTE SON RAYONNEMENT DANS L'AXE DU TUBE-GUIDE A TRAVERS UNE FENETRE DIELECTRIQUE A FAIBLES PERTES 6. LA TUYERE 3 EST FAITE D'UNE DIELECTRIQUE QUI NE PERTURBE PAS LA PROPAGATION DU RAYONNEMENT.

Description

La présente invention se rapporte à un procédé pour

la production d'une décharge dans un gaz s'écoulant à une vi-

tesse supersonique, par superposition-d'un champ de micro-on-

des au courant gazeux.

L'invention concerne en outre un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, qui comprend un canal pour le

gaz en mouvement et une tuyère supersonique montée dans le ca-

nal pour détendre et en même temps accélérer le gaz à la vi-

tesse supersonique, cette buse divisant le canal en une partie à haute pression située en amont et une partie à basse pression

située en aval.

L'excitation des gaz présente de l'intérêt pour di-

verses utilisations. Par exemple, il est connu de provoquer une décharge dans des gaz ou mélanges gazeux pour déclencher des processus en chimie des plasmas. De même pour produire

l'effet laser dans un courant gazeux, il est nécessaire d'ex-

citer un gaz en mouvement, cette excitation étant en général

obtenue par une décharge.

Pour produire et entretenir des décharges dans des gaz ou mélanges gazeux au repos ou en mouvement, il est connu depuis longtemps d'utiliser des champs à haute fréquence dans le domaine des Gigahertz (Micro-ondes) (J. Appl. Physics, 22 (1951) 6, page 835 et suivantes; Review Sci-Instr., 36 (1965)

3, Ier Mars, pages 294 et suivantes). Les micro-ondes se dis-

tinguent entre autres par le fait que la longueur d'onde du

rayonnement est de l'ordre de grandeur d'une géométrie de dé-

charge-type. Il est donc possible d'adapter la répartition du

champ utilisé pour la production de la décharge à l'applica-

tion considérée en donnant une configuration géométrique ap-

propriée au dispositif de décharge.

Dans un dispositif connu, on produit par exemple une

grande intensité de champ à extrémité ouverte d'un guide d'on-

de coaxial, cette intensité de champ déterminant la naissance

d'une décharge à micro-ondes avec un point initial sur le gui-

de intérieur dans l'atmosphère libre et avec superposition

d'un léger écoulement de gaz à la sortie du guide d'onde coa-

xial (J. Appl. Physics, 22 (1951) 6, pages 835 et suivantes).

Toutefois, avec ce dispositif, on perd l'avantage essentiel

des décharges de micro-ondes; un plasma qui n'est pas conta-

miné par la matière des électrodes.

Les diverses variantes de cavité résonantes produi- sent des décharges sous pression réduite; de tels résonateurs sont indiqués dans la Review Sci. Instr., 36 (1965), Mars, pages 294 et suivantes et Proc. IBEE, 62 (1974), 1, Janvier, pages 109 et suivantes. Ici, on tire parti du fait que, dans les cavités résonantes, on peut obtenir des intensités de champ particulièrement élevées en adoptant une géométrie et un

couplage appropriés. Si l'on dispose aux points de grande in-

tensité de champ un récipient à décharge fermé ou ouvert, par-

couru par le courant et fait d'une matière diélectrique à fai-

ble angle de perte (de préférence en verre de quartz), on peut produire une décharge dans ce récipient. Ces décharges servent à étudier et à exécuter des processus de chimie des plasmas (Microware Power Engineering, Volume 2, 1968, Academic Press,

N.Y.) ou, par exemple à dissocier les halogènes pour déclen-

cher des processus d'excitation qui sont nécessaires pour les lasers chimiques (IEEE J. Quantum Electronics QE 9 (1973) 1,

pages 163 et suivantes).

Naturellement, on cherche à exposer des quantités de gaz aussi grandes que possible à l'action de la décharge de micro-ondes. Toutefois, la dimension des cavités résonantes

ayant des modes bien définis est limitée par la longueur d'on-

de du rayonnement. Jusqu'à présent, on connaît deux procédés permettant de résoudre partiellement le problème. Suivant le procédé du brevet G-B 1 367 094, on utilise pour le couplage du rayonnement dans une décharge un conducteur à retard qui joue le rôle d'une antenne de forme appropriée (Slow Ware structure for large volume microware plasma generator: LMP); tandis que dans le procédé de la DE-OS 25 48 220, on produit, a l'aide d'un dispositif analogue à une cavité résonante, des

ondes superficielles ionisantes sur une longue colonne de plas-

ma (Surfatron). Toutefois, il y a dans ces deux procédés une

difficulté-consistant en ce qu'il n'est pas possible d'injec-

ter la totalité de la puissance disponible dans le plasma (voir IEEE Transactions on Plasma Science PS 2 (1974), pages 273 et suivantes et IEBE Journal Quantum Electronics, QE-14

(1978) 1, pages 8 et suivantes).

Les décharges de micro-ondes dans un gaz au repos ou en écoulement lent ont été répétitivement utilisées comme

moyens d'excitation de l'effet laser mais sans avantage impor-

tant comparativement aux décharges classiques (Proc. IEEE 52 (1964) 1773; AFIT/EN-Report AD 776 349; J. Appl. Physics,49

(1978) 7,pages 3 753 à 3 756). Dans les dispositifs à écoule-

ment gazeux superposé, l'injection de puissances relativement

faibles par couplage n'a permis de traiter que de petits dé-

bits à vitesse supersonique. On a réussi à injecter une énergie microondes par couplage dans un canal de décharge dans lequel

un gaz engendrant l'effet laser s'écoulait à une vitesse su-

personique, comme l'indique le rapport ISL R 111/77, rapport ISL semestriel CR 74/29. Le couplage s'effectue à l'aide du LMP cité dans le brev4t G-B 1 367 094 et sert à l'ionisation préalable d'un laser à CO5 à écoulement excité électriquement, avec excitation dans la plage supersonique; ce procédé peut remplacer avec des moyens techniques plus simples et moins

coûteux l'ionisation préalable exécutée à l'aide d'un fais-

ceau d'électrons.

Ce couplage latéral connu dans le canal d'écoulement

présente malheureusement toute une série d'inconvénients.

L'intensité du champ des micro-ondes a sa valeur maximum à proximité immédiate de la "slow wave structure", c'est-à-dire le long du bord du canal, o se trouve la couche limite de l'écoulement, et elle décroît progressivement vers le milieu

du canal. Ceci a pour effet que la décharge se forme de préfé-

rence dans la couche limite de l'écoulement au lieu de se for-

mer dans le volume en écoulement. Etant donné que les pertes

par les porteurs de charges se produisent non pas par entrai-

nement avec le courant mais par une diffusion plus lente, il s'établit dans cette couche limite une couche à haute densité d'électrons qui réfléchit une partie de l'énergie micro-ondes et, de ce fait, conduit à un nouvel abaissement de l'intensité du champ des micro-ondes dans la région du courant proprement dit. L'asymétrie de champ qui en résulte dans le canal peut certes être éliminée par le montage.d'un dispositif analogue

sur l'autre côté du canal mais il subsiste un minimum d'inten-

sité de champ au milieu du canal.

L'invention vise à donner à la décharge de micro-

ondes dans un écoulement supersonique une constitution telle que l'énergie micro-ondes disponible soit autant que possible entièrement injectée dans le gaz, avec une répartition aussi

uniforme que possible sur toute la section du canal d'écoule-

ment, notamment dans la région centrale de l'écoulement ga-

zeux. Suivant l'invention, ce problème est résolu dans un procédé du genre défini au début par le fait qu'on superpose le gaz en écoulement et le champ de micro-ondes dans la région dans laquelle le gaz est accéléré à une vitesse supersonique

par détente de ce gaz au moyen d'une tuyère, en ce qu'on choi-

sit pour l'écoulement du gaz et pour la propagation des micro-

ondes une direction à peu près identique et en ce qu'on donne

a l'intensité du champ de micro-ondes dans la région de super-

position une valeur suffisamment élevée pour que, dans les conditions de basse pression qui règnent dans cette région de

superposition, il se produise une décharge.

L'ionisation, l'excitation et/ou la dissociation du gaz qui se produit dans la région de la décharge peut servir aussi bien à déclencher des processus de chimie des plasmas,

auquel cas le refroidissement du gaz de travail, dû à l'écoule-

ment et qui se produit en même temps peut être particulièrement

utile pour "geler" la réaction chimique, qu'à ioniser préala-

blement une décharge non spontanée pour un laser excité élec-

triquement, courant gazeux. Finalement, on peut produire de

cette façon une décharge spontanée pour créer un milieu engen-

drant un effet laser.

Il est avantageux qu'il se produise dans la région de la tuyère une forte détente du gaz, c'est-à-dire une forte

chute de pression de manière que, dans les conditions d'in-

tensité de champ électrique à peu près uniforme existant dans cette région, on atteigne avec la poursuite de la détente, le point o une décharge se déclenche. Etant donné que la détente du gaz croit en partant du point le plus étroit de la tuyère, on peut faire varier le lieu de la décharge par le choix de

l'intensité de champ électrique du champ de micro-ondes.

Un autre but de l'invention est de réaliser un dis-

positif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention.

Suivant l'invention, ce problème est résolu dans un dispositif du genre décrit au début par le fait que, du moins dans sa zone qui s'étend audelà de la tuyère supersonique, le canal d'écoulement est disposé dans un ensemble tubulaire formant guide de micro-ondes, dans lequel des microondes produites

par un générateur de micro-ondes relié à cet ensemble, se pro-

pagent à peu près dans la direction de l'écoulement gazeux.

Dans un tel dispositif, il est particulièrement a-

vantageux que les parois de l'ensemble tubulaire constituent en même temps les parois du canal d'écoulement. Toutefois, il

est également possible de réaliser les parois du canal d'écou-

lement, du moins partiellement, en une matière diélectrique à faibles pertes et de disposer ces parois à l'intérieur de

l'ensemble tubulaire. De cette façon, il est possible de don-

ner au canal d'écoulement une section différente de celle du tube-guide, par exemple de concentrer le canal d'écoulement dans la région centrale du tube-guide, dans laquelle règne une intensité de champ électrique maximum et qui ne présente qu'une faible variation sur la section. Dans un tube-guide

rectangulaire, il est par exemple avantageux d'insérer une pla-

que diélectrique le long de chacune de ces faces étroites, de façon que la section du canal d'écoulement soit plus petite

que celle du tube.

Dans le cas de tubes de section quelconque, on peut ménager à l'intérieur d'un tube-guide un canal d'écoulement

de section rectangulaire délimité par des parois diélectriques.

Suivant les circonstances le tube-guide lui-même peut présenter différentes sections, par exemple, il peut être constitué par un tube rond qui a de préférence des dimensions permettant uniquement la propagation de l'onde fondamentale H11. Il est également avantageux d'utiliser des tubes qui

présentent un profil rectangulaire dans la région de l'écoule-

ment gazeux, notamment lorsque la face large du tube-guide-rec-

tangulaire a une dimension établie pour permettre exclusive-

ment la propagation de l'onde fondamentale Hi0.

Dans un autre exemple préféré de réalisation de l'in-

vention, il est prévu que, dans la région de l'écoulement ga-

zeux, le tube-guide présente une section elliptique ou forme

un tube rectangulaire à faces bombées.

Il est également avantageux qu'une arrivée de gaz

soit prévue dans la partie à haute pression et que le tube-

- guide soit obturé en amont de cette arrivée de gaz au moyen

d'une couche diélectrique à faibles pertes.

Dans un dispositif de ce genre, qui est muni d'élec-

trodes destinées à produire une autre décharge dans la partie

à basse pression,-on peut prévoir que le tube-guide se ter-

mine en amont des électrodes et que, dans la région de dé-

charge qui fait suite à ce tube, le canal d'écoulement soit fait d'une matière isolanted l'électricité dans laquelle les

électrodes sont encastrées.

Dans un tel dispositif le tube-guide peut être re-

vêtu dans la région de la décharge d'une matière isolante dié-

lectrique à faibles pertes dans laquelle sont encastrées les

électrodes, ces électrodes étant isolées électriquement du tu-

be.

Dans un autre exemple préféré de réalisation de l'in-

vention, il est prévu que le tube-guide se termine dans la région de décharge tandis que ses faces larges sont prolongées

pour former un guide d'ondes ouvert latéralement, que le ca-

nal d'écoulement est prolongé dans une matière isolante de l'électricité entre les faces larges et que les électrodes

sont encastrées dans les faces étroites de ce canal.

Dans une forme particulièrement avantageuse de réa- lisation de l'invention, plusieurs tubes-guides dont chacun

entoure son propre canal d'écoulement sont directement adja-

cents entre eux et ces conducteurs débouchent dans un canal

d'écoulement commun à l'intérieur de la partie à basse pres-

sion. Dans ce cas, les parois séparant deux tubes-guides ad-

jacents peuvent être communes à ces deux tubes. Chaque tube-

guide peut être relié à un générateur de micro-ondes propre mais il peut également être avantageux que l'injection des micro-ondes se produise diun tube-guide au tube-guide-voisin à travers un coupleur directionnel qui est placé en amont de l'arrivée de gaz dans le tube-guide.- Il suffit alors de mettre

l'un des tubes-guides en liaison avec le générateur de micro-

ondes. Dans une telle forme de réalisation, les électrodes

destinées à produire une autre décharge dans la partie à bas-

se pression sont de préférence montées dans un canal d'écoule-

ment commun. La même observation est valable pour la disposi-

tion des résonateurs dans les lasers à courant gazeux.

L'invention se rapporte en particulier à la confi-

guration de la tuyère supersonique. A cet égard il peut être

prévu que, dans le cas d'un tube-guide rond, la tuyère desti-

née à produire l'écoulement supersonique soit constituée par un élément métallique qui fait partie intégrante du tube, et

qu'elle ait également une section ronde. En amont de la sec-

tion la plus étroite, elle a un profil tel que le coefficient de réflexion des micro-ondes soit aussi réduit que possible tandis que, en aval de la section la plus étroite, le profil

correspondant aux exigences de la dynamique des gaz.

De la même façon, dans le cas d'un tube-guide rec-

tangulaire il peut être prévu que la tuyère destinée à produi-

re l'écoulement supersonique soit un élément métallique qui fait partie intégrante du tube-guide et présente une section rectangulaire. Dans ce cas, la tuyère a en amont de la section la plus étroite un profil tel que le coefficient de réflexion des micro-ondes soit aussi réduit que possible tandis que le profil en aval de la section la plus étroite correspond aux

exigences connues de la dynamique des gaz.

Suivant une autre caractéristique de l'invention,

la tuyère est faite d'une matière diélectrique à faibles per-

tes et a un profil correspondant aux exigences de la dynami-

que des gaz. Comme matières particulièrement bien appropriées, on peut citer en particulier les céramiques à base de BeO ou

de A1203, le quartz ou le verre de quartz. L'avantage essen-

tiel d'une telle forme de réalisation réside dans la grande indépendance entre les critères de forme qui sont relatifs à la propagation des microondes et ceux qui sont relatifs à

l'écoulement supersonique.

De plus, on dispose de la possibilité avantageuse de

donner à la tuyère la forme d'une grille à plusieurs orifices.

Les avantages apportés par l'objet de l'invention consistent notamment en ce que l'on peut produire directement une décharge à micro-ondes dans un écoulement supersonique

avec un grand débit massique sans que le rayonnement de micro-

ondes doive tout d'abord traverser une couche limite de l'écou-

lement. De cette façon, et contrairement à ce que l'on observe

dans tous les autres procédés connus, même dans ceux qui uti-

lisent un écoulement subsonique, il est possible d'injecter la totalité de l'énergie des micro-ondes disponible dans le gaz ou mélange gazeux après une faible adaptation de l'impédance

du plasma 'à l'ensemble tubulaire par un organe de transforma-

tion connu (par exemple un dispositif d'accord -E-H ou à dou-

ble vis).

D'autres avantages résultant du fait que la réparti-

tion du champ dans le tube-guide peut être influencée avanta-

geusement par une conformation appropriée du tube-guide. C'est

ainsi que, dans le cas de l'utilisation de la décharge à micro-

ondes pour l'ionisation préalable d'une décharge non sponta-

née, il est avantageux de choisir les dimensions du tube-gui-

de d'une manière qui permette la propagation exclusivement du mode fondamental H10 Ce mode se distingue par le fait qu'il n'existe aucune composante de l'intensité de champ électrique le long des faces étroites du tube-guide. De cette façon, il

ne peut pas exister dans la couche limite de l'écoulement ad-

jacente à la face étroite du canal d'écoulement un plasma à haute conductibilité qui, autrement, pourrait court-circuiter

la décharge principale.

Par ailleurs, il est avantageux de produire une ré-

partition aussi homogène que possible dans la section de l'é-

coulement par une forme bombée donnée à un tube-guide rectan-

gulaire ou par utilisation d'un tube elliptique et également

par le montage d'insertions diélectriques permettant de con-

server au canal d'écoulement une section rectangulaire. Sui-

vant le mode d'utilisation, il peut être avantageux d'utiliser

une tuyère métallique ou une tuyère diélectrique pour la pro-

duction de l'écoulement supersonique. Dans le cas d'une tuyère métallique, l'intensité de champ électrique est à son maxixủm dans la région de la section la plus étroite; à unniveau de

pression appropriée, la décharge se produit en cet endroit.

Le coefficient de réflexion dépend de la géométrie de l'entrée

de la tuyère ainsi que du mode utilisé.

L'utilisation d'une tuyère diélectrique n'est pas critique pour le coefficient de réflexion. Dans ce cas, la

décharge ne se produit qu'au-delà de la section la plus étroi-

te, suivant la nature du gaz, l'intensité du champ et le pro-

fil de variation de la pression. Par ailleurs, cette tuyère permet de réaliser de grands rapports de surfaces, ce qui est d'une importance décisive pour le fonctionnement d'un laser à CO d'écoulement. En outre la tuyère peut alors être réalisée

sous la forme d'une tuyère-grille comportant plusieurs orifices.

Ceci n'est pas possible dans le cas d'une tuyère métallique parce que cette tuyère métallique se comporterait comme un court-circuit réflecteur vis-à-vis de l'onde circulant dans le tube. Il est avantageux d'utiliser un verre de quartz comme matière des éléments diélectriques intérieurs et de la tuyère, parce que cette matière réunit à de bonnes propriétés mécaniques et thermiques, une transparence optique (possibi- lité de diagnostic) et de très faibles angles de pertes aux

fréquences des micro-ondes.-

Dtautres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion apparaîtront au cours de la description qui va suivre.

Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, - la Fig. 1 est une coupe longitudinale du canal d'écoulement réalisé sous la forme d'un tube-guide pour un

gaz en écoulement supersonique qu'il s'agit d'ioniser, d'ex-

citer et éventuellement de dissocier;

- la Fig. 2 est une vue analogue a la Fig. 1, repré-

sentant un autre exemple de réalisation;

- la Fig. 2a est une vue analogue à la Fig. 1, re-

présentant un autre exemple de réalisation;

- la Fig. 2b est une vue analogue à la Fig. 1, re-

présentant un autre exemple de réalisation;

- la Fig. 3 est une vue analogue à la Fig. 1, repré-

sentant un autre exemple de réalisation;

- la Fig. 4 est une vue analogue à la Fig. 1, repré-

sentant un autre exemple de réalisation; - la Fig. 5 est une coupe d'un tube-guide à section

rectangulaire avec la répartition correspondante du champ é-

lectrique dans le mode H - la Fig. 6 est une coupe d'un tube-guide à section

rectangulaire dans lequel sont insérés des éléments diélectri-

ques destinés à limiter la section de l'écoulement;

- la Fig. 7 est une vue analogue à la Fig. 6, repré-

sentant un tube-guide à section circulaire;

- la Fig. 8 est une vue analogue à la Fig. 6, repré-

sentant un tube-guide dont les faces latérales larges sont bombées;

- la Fig. 9 est une vue analogue à la Fig. 6, repré-

il sentant un tube-guide dont les faces larges sont bombées et

dans lequel est inséré un canal d'écoulement à section rec-

tangulaire fait d'une matière sans perte;

- la Fig. 10 est une vue analogue à la Fig. 6, re-

présentant un tube-guide à section elliptique et avec un con- tour rectangulaire du canal d'écoulement;

- la Fig. 11 est une vue analogue à la Fig. 6, re-

présentant un tube-guide à section elliptique, dans lequel est inséré un canal d'écoulement à section rectangulaire fait d'une matière sans perte; - la Fig. 12 est une coupe longitudinale d'une unité

comprenant plusieurs tubes-guides juxtaposés.

Sur la Fig. 1, est représentée une partie d'un tube-

guide 1 ayant des parois métalliques 2, qui est raccordé du côté gauche à un générateur de micro-ondes connu en soi, non représenté sur le dessin, par exemple à un Magnétron ou à un Klystron. A l'intérieur du tube se trouve un rétrécissement en

forme de tuyère qui sera appelé dans la suite la tuyère super-

sonique 3. Dans ltexemple de réalisation représenté, cette tuyère supersonique est faite d'une matière diélectrique, à faibles pertes, par exemple en quartz ou verre de quartz ou en

une céramique à base de BeO ou de A 203.

La tuyère supersonique 3 qui divise le volume inté-

* rieur du tube-guide 1 en deux régions qui sont, plus précisé-

ment, une partie à haute pression 4 et une partie à basse pres-

sion 5 placée en aval. La partie à haute pression 4 est limitée du côté opposé à la tuyère supersonique 3 par une fenêtre de pression 6 qui ferme le tube 1 en l'isolant à joint étanche du générateur de micro-ondes. Cette fenêtre depression 6 est faite d'une matière diélectrique à faibles'pertes. La partie à

haute pression 4 est en communication par une conduite d'arri-

vée 7 avec une source de gaz non représentée sur le dessin.

En fonctionnement, le rayonnement micro-ondes se

propage dans le tube-guide dans le sens de la flèche A, la pro-

pagation n'étant pratiquement pas influencée par la fenêtre de pression 6 ni par le tuyère supersonique 3, qui sont toutes deux en une matière diélectrique à faibles pertes. Le gaz à exciter est introduit dans la partie à haute pression 4 dans

le sens de la flèche B, par la conduite d'arrivée 7 et tra-

verse ensuite la tuyère supersonique 3. Après franchissement de la section la plus étroite 8, c'est-à-dire du col de la

tuyère il se produit une détente du gaz accompagnée d'une ac-

célération qui porte la vitesse d'écoulement à une vitesse

supersonique. Le profil de la tuyère supersonique 3 est éta-

bli de manière à être optimisé en ce qui concerne la dynami-

que du gaz en écoulement qui se détend. Dans le cas considéré, on peut obtenir sans difficulté une configuration optimale, qui est connue en soi, puisque, grâce à l'utilisation d'une matière diélectrique, la tuyère supersonique ne gêne pas la propagation des micro-ondes, de sorte qu'il existe un champ

de micro-ondes pratiquement dépourvu de distorsion dans la ré-

gion située en amont de la tuyère, dans la région de la tuyère

et également dans la région située en aval de la tuyère.

Lorsque le gaz après avoir franchi le col 8 de la tuyère 3, subit une forte chute de pression, l'intensité de champ disruptive est considérablement réduite de sorte que, en raison de l'intensité de champ électrique prédéterminée du

champ de micro-ondes, il se produit une décharge dans la ré-

gion de la tuyère qui fait suite au col 8, pourvu que l'inten-

sité du champ électrique soit choisie suffisamment élevée. Le gaz excité par cette décharge parcourt ensuite, dans le sens

de la flèche C, la partie à basse pression dans laquelle l'ex-

citation du gaz est utilisée de la façon appropriée par le

rayonnement micro-ondes.

Dans l'exemple de réalisation représenté sur la Fig.l, le canal d'écoulement est formé par les parois métalliques du tube-guide aussi bien dans la: partie à haute pression que dans

la partie à basse pression. L'exemple de réalisation représen-

té sur la Fig. 2, pour lequel les éléments correspondants sont désignés par les mêmes références que pour l'exemple de la Fig. 1, se distingue essentiellement de celui de la Fig. 1 par le fait que le tube-guide 1 se termine à l'extrémité de la tuyère supersonique 3 et que le canal d'écoulement est formé

dans la partie à basse pression 5 par des parois 9 en une ma-

tière isolante de l'électricité, qui se raccordent, sans solu-

tion de continuité, aux parois métalliques du conducteur creux 1. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la Fig.2, le dispositif comprend des électrodes 10 noyées dans deux parois

opposées 9 et entre lesquelles peut être produite, par appli-

cation d'une tension, une décharge complémentaire non sponta-

née ou spontanée dans le gaz qui s'écoule entre les plaques-

électrodes. Grâce à l'utilisation d'une matière de paroi iso-

lante de l'électricité, les deux électrodes 10 sont isolées

l'une de lVautre.

Le dispositif représenté sur la Fig. 2 est particu-

lièrement bien approprié pour la production d'un milieu géné-

rateur d'effet laser. Dans ce cas, après avoir quitté le lieu

de décharge compris entre les disques électrodes, le gaz exci-

té circule à travers un résonateur qui est limité par deux mi-

roirs de résonateur 11. Sur la Fig. 2, l'un des miroirs de ré-

sonateur 11 a été indiqué en traits interrompus. L'axe longi-

dutinal du résonateur est perpendiculaire à la direction de l'écoulement et s'étend parallèlement aux électrodes 10. Dans ce cas, la décharge à micro-ondes qui se produit entre le col

8 et l'extrémité du tube-guide 1 sert à l'ionisation préala- ble de la décharge transversale non spontanée produite entre

les électrodes 10.

Sur la Fig.2a, est représenté un autre exemple de

réalisation dans lequel, de même que dans l'exemple de réali-

sation de la Fig. 1, les parois métalliques 2 du tube-guide 1

entourent le canal d'écoulement sur toute sa longueur, c'est-

à-dire également dans la région de la partie à basse pression 5. Toutefois dans cette région, le tube-guide 1 est revêtu sur tout son pourtour d'une matière isolante diélectrique 12 à faibles pertes qui ne se raccorde pratiquement sans solution

de continuité avec le profil divergent de la tuyère superso-

nique 3. Dans cette matière isolante 12 sont noyées des élec-

trodes 10 disposées de telle façon qu'elles soient isolées

électriquement des parois métalliques du tube 1. Les conne-

xions 13 des électrodes 10 traversent les parois métalliques 2 du conducteur creux 1 en restant isolées de ces parois. Dans cette disposition, la décharge à micro-ondes sert principalement à la stabilisation d'une décharge sous

tension continue superposée dans l'espace entre les électro-

des 10.

La construction représentée sur la Fig. 2b est éga-

lement appropriée pour cette application. Ici et contrairement à la construction de la Fig. 2a, seules les faces étroites du

tube-guide 1 se terminent à l'extrémité de la tuyère superso-

nique 3 tandis que les faces larges 14 sont prolongées plus loin sous forme plate. Dans la partie à basse pression 5, le canal d'écoulement est entouré par des parois diélectriques

qui se raccordent, sans solution de continuité avec le pro-

fil divergent de la tuyère supersonique 3. Les électrodes 10

sont noyées dans les faces étroites du canal d'écoulement dié-

lectrique en amont des miroirs 11 du résonateur.

Sur la Fig. 3 est représenté un exemple de réalisa-

tion qui correspond essentiellement à celui de la Fig. 1 mais o le tubeguide 1 a une section rectangulaire et o la tuyère supersonique 3 présente la forme d'une tuyère à fente. Dans la partie à basse pression 5 se trouvent des miroirs Il qui forment un résonateur pour le gaz de laser excité. Dans cet exemple de réalisation, l'excitation est obtenue, non pas à l'aide d'une décharge produite dans la partie à basse pression

entre les électrodes mais exclusivement à l'aide de la déchar-

ge qui est produite par le champ à micro-ondes dans la région de la chute de pression. Avec une construction aussi simple, on a pu construire un laser capable de fonctionner avec les

données suivantes: avec une puissance disponible de micro-

ondes entretenues de N. = 5 kW et un débit massique m = 40 g/s in d'un mélange gazeux composé de 5 5% de CO dans 95 F% de He, on

a obtenu une puissance laser de 165 W avec une longueur d'on-

de d'environ 5 Pm.

Dans le dispositif, à peu près identique, qui est

représenté sur la Fig0 4, la tuyère supersonique 3 est cons-

tituée par une tuyère-grille, c'est-à-dire qu'elle possède plusieurs ajutages 16 juxtaposés qui s'élargissent tous à partir d'une zone étroite 17 ou col en direction de la partie

à basse pression 5. L'avantage des tuyères de cette sorte con-

siste dans la faible longueur de construction, les tolérances

de fabrication moins critiques et la meilleure stabilité di-

mensionnelle pendant le fonctionnement. Ceci est valable en particulier dans le cas d'un grand rapport entre la section de sortie de la tuyère et la section du col de cette tuyère. Les tuyères de ce type de construction doivent nécessairement être

faites d'une matière isolante de l'électricité parce que, au-

trement, elles court-circuiteraient les parois opposées du

conducteur creux 1.

En principe, la forme de section du tube-guide peut

être adaptée aux circonstances de l'application considérée.

Dans les exemples de réalisation représentés, le tube a une section circulaire sur la Fig. 1 tandis que sur les Fig. 2 et

4, il s'agit d'un tube-guide à section rectangulaire. En prin-

cipe, les différents modes d'exécution représentés sur les

Fig0 1 à 4 peuvent tre réalisés avec des tubes ayant des ai-

res de section différentes.

Sur la Fig. 5 est représentée la répartition sinu-

soïdale, connue en soi, de l'intensité du champ électrique du

mode H10 sur la section rectangulaire d'un tube-guide 1. Cet-

te répartition du-champ est particulièrement avantageuse pour l'ionisation préalable d'une décharge non spontanée maintenue dans un canal raccordé à ce tube, entre les électrodes qui sont encastrées dans les faces larges du canal. En raison de la faible valeur du champ de micro-ondes dans le voisinage des côtés étroits du tube, sont produits des électrons contenus non pas principalement dans la couche limite de l'écoulement et qui ne donnent aucune contribution à l'ionisation dans la région de l'écoulement, comme dans les autres procédés, mais

essentiellement dans la région centrale.

Si, au contraire, on utilise la décharge à micro-

ondes comme décharge spontanée pour la production directe

d'un milieu capable d'une émission laser (exemple de réali-

sation de l'a Fig.3), l'effet cité est plutôt défavorable par-

ce que, dans ce cas, il s'écoule un grand débit de gaz froid non ionisé le long des faces étroites du canal. On évite ce

phénomène dans l'exemple de la Fig.6, grâce à des plaques dié-

lectriques 18 montées contre ces faces étroites, ces plaques

étant d'une épaisseur établie de manière que la secdDn 19 res-

tant libre du canal d'écoulement concentre le gaz dans la ré-

gion o l'intensité de champ est forte et peu variable. La répartition de l'intensité de champ n'est pratiquement pas

perturbée par le montage des plaques-diélectriques 18.

On peut également procéder de la même façon dans un tube-guide à section circulaire tel que celui représenté, par exemple sur la Fig. 1. Sur la Fig. 7 est représenté en coupe un tel tube à section circulaire qui est revêtu sur sa face

interne d'une couche diélectrique concentrique 20. Cette cou-

che concentre l'écoulement du gaz sur une section réduite 21

dans la région de l'axe longitudinal du tube.

Il est naturellement souhaitable de maintenir la courbe d'intensité de champ invariable à peu près sur toute la section du canal d'écoulement. Pour obtenir ce résultat,on

peut uniformiser la courbe d'intensité de champ, qui est sinu-

soldale dans un tube rectangulaire normal (voir Fig.5) en mo-

difiant la forme de la section. Dans l'exemple de la Fig.8, est représenté un tube-guide 1 à section rectangulaire dont

les faces larges 22 sont bombées vers l'extérieur. A l'inté-

rieur du tube se trouvent des éléments rapportés diélectriques

23 qui sont appuyés contre les faces larges 22 et qui, en com-

binaison avec les faces étroites 24 du tube, forment un canal

d'écoulement à section rectangulaire. Sur la Fig. 9, est re-

présentée une configuration analogue du tube-guide 1. A l'in-

térieur de ce tube se trouve un canal d'écoulement 25 entiè-

rement fermé, fait d'une matière diélectrique à section rec-

tangulaire. Les cavités 26 qui subsistent entre le canal d'é-

coulement 25 et les parois bombées du tube 1 sont remplies d'un milieu diélectrique, par exemple d'un gaz inerte sous

plus forte pression, qui évite un claquage en cet endroit.

Sur les Fig. 10 et 11 sont représentés des conduc-

teurs 1 à section elliptique, l'exemple de la Fig. 10, compor-

tant des éléments rapportés diélectriques 27 qui laissent sub-

sister un canal d'écoulement 28 de forme rectangulaire. Dans l'exemple de la Fig. 11 est emmanché dans le conducteur creux, avec une disposition analogue à celle de l'exemple de la Fig.9,

un canal d'écoulement 29 fermé de tous cotés et composé de pa-

rois diélectriques, les volumes intercalaires 30 compris en-

tre la paroi du tube et celle du canal d'écoulement étant ici également remplis d'un milieu diélectrique, par exemple d'un

gaz inerte sous pression plus élevée.

Sur la Fig. 12 est représenté un exemple de réali-

sation modifié de dispositif prévu pour l'excitation d'un gaz au moyen d'un champ de micro-ondes. Ce dispositif comprend plusieurs tubes-guides la, lb, lc et ld qui sont directement adjacents par leurs faces larges. Chaque paroi délimitant deux tubes voisins est d'une seule pièce. Dans chaque tube-guide, se trouve, exactement comme dans les exemples décrits plus haut une tuyère supersonique 3a, 3b, 3c ou 3d, qui divise le volume intérieur du tube en une partie à haute pression 4a,

4b, 4c et 4d et une partie à basse pression 5a, 5b, 5c ou 5d.

Les parties à haute pression sont fermées à joint étanche au gaz par des fenêtres de pression 6a, 6b, 6c et 6d et le gaz

est introduit dans les parties à haute pression par des con-

duites d'arrivée 7a, 7b, 7c et 7d.

Dans l'exemple de réalisation représenté, seul le

tube-guide 1 est relié, d'une façon non représentée, à un gé-

nérateur de micro-ondes émettant un rayonnement à micro-ondes émettant un rayonnement à micro-ondes qui se propage dans le sens de la flèche D. Les tubes-guides lb et Id voisins du tube lc reçoivent leur puissance microondes de ce dernier. A cet

effet, ces tubes sont reliés au tube lc à la façon de cou-

pleurs directionnels, c'est-à-dire par l'intermédiaire de deux ouvertures 31 espacées l'une de l'autre. Le tube-guide la est couplé au tube lb au moyen d'un tel coupleur directionnel. De cette façon, l'énergie microondes émise par le générateur est répartie entre les divers tubes-guides adjacents. Dans chaque tube, le gaz qui circule dans ce conducteur avec une vitesse supersonique est excité dans le champ de micro-ondes

pour provoquer une décharge. Finalement, le gaz sort des di-

vers tubes dans une partie à basse pression commune 32 qui

forme un résonateur laser orienté transversalement à la di-

rection de l'écoulement. Ce résonateur laser est délimité par des miroirs 11. Ensuite, le gaz est envoyé à un dispositif de pompage,-dans le sens de la flèche E.

Avec ce dispositif, on parvient à.obtenir une exci-

tation à peu près uniforme du gaz en écoulement sur toute la section du résonateur laser et il est possible de produire, en utilisant des tubes rectangulaires de grande largeur, une grande surface de section d'un gaz laser excité à un niveau

uniforme élevé.

Dans le dispositif qui a été décrit en dernier, le processus d'excitation est approximativement analogue à celui obtenu dans les dispositifs décrits plus haut, dans lesquels

on n'utilise qu'un seul tube-guide. D'ailleurs, il est natu-

rellement possible d'associer un générateur de micro-ondes

propre à chacun des tubes-guides adjacents.

Dans tous les cas, avec le dispositif suivant l'in-

vention on parvient à transmettre entièrement la puissance micro-ondes au gaz en écoulement et ceci de préférence dans

la région centrale du canal d'écoulement, c'est-à-dire ail-

leurs que dans la région marginale défavorable, à l'inverse

de ce qu'on obtient dans tous les autres dispositifs connus.

Ainsi qu'on l'a déjà mentionné à plusieurs reprises, les ioni-

sations, excitations et/ou dissociations dugaz obtenues par

la décharge à micro-ondes peuvent servir aussi bien au déclen-

chement de processus de la chimie des plasmas qu'à l'ionisa-

tion préalable d'une décharge non spontanée ou à l'entretien

d'une décharge spontanée. Naturellement les domaines d'appli-

cation ne sont pas limités aux processus de la chimie des plas-

mas ni à l'excitation de lasers à courant gazeux.

Pour compléter, il convient d'indiquer que, dans

les exemples de réalisation décrits, les tuyères supersoni-

ques 3 sont certes exclusivement composées d'une matière dié-

lectrique à faibles pertes mais qu'en principe, il est égale-

ment possible de réaliser ces tuyères sous la forme d'éléments

métalliques faisant partie intégrante du tube-guide. L'utili-

sation de la matière diélectrique à faibles pertes est avan-

tageuse en ce sens que la tuyère ne gène pratiquement pas le

rayonnement à micro-ondes de sorte que, avec cette configura-

tion de tuyère on peut répondre totalement aux exigences de la

dynamique des gaz. Au contraire, l'utilisation de tuyères mé-

talliques impose une distorsion au champ de micro-ondes. Il est alors avantageux de donner à la tuyère, en amont de son col, une configuration étudiée d'une façon connue en soi de manière que l'influence sur le champ de micro-onde soit réduite autant que possible, c'est-à-dire qu'il ne se présente qu'une réflexion aussi réduite que possible des micro-ondes tandis

que le profil en aval du col est choisi conformément aux exi-

gences de la dynamique des gaz.

Claims

R E V E N D I C A T I 0 N S

1 - Procédé pour produire une décharge dans un cou-

rant de gaz à vitesse supersonique par superposition d'un champ de microondes à l'écoulement gazeux, caractérisé en ce qu'on superpose le gaz en écoulement et le champ de micro- ondes dans la région dans laquelle le gaz est accéléré à une

vitesse supersonique par détente de-ce gaz au moyen d'une tu-

yère, en ce qu'on choisit pour l'écoulement du gaz et pour la propagation des micro-ondes une direction à peu près identique, et en ce qu'on donne à l'intensité du champ de micro-ondes dans la région de superposition une valeur suffisamment élevée pour que, dans les conditions de basse pression régnant dans

cette région il se produise une décharge.

2 _ Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, outre la décharge par les micro-ondes est prévue

une décharge principale, la décharge par les micro-ondes ser-

vant à l'ionisation préalable et/ou à la stabilisation de la

décharge principale.

3 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé

suivant ltune des revendicationsl et 2, comprenant un canal

pour le passage du gaz en écoulement et une tuyère supersoni-

que placée dans ce canal et servant à détendre le gaz et en même temps à l'accélérer à une vitesse supersonique, cette tuyère divisant le canal en une partie à haute pression située

en amont et une partie à basse pression située en aval, carac-

térisé en ce qu'au moins dans sa zone qui s'étend jusqu'au delà de la tuyère supersonique (33 le canal d'écoulement est

disposé dans un ensemble tubulaire formant guide de micro-on-

des, dans lequel des micro-ondes produites par un générateur de microondes relié à cet ensemble se propagent à peu près

dans la direction de l'écoulement du gaz.

4 - Dispositif suivant la revendication 3, caracté-

risé en ce que les parois (2) de l'ensemble tubulaire (1) cons-

tituent en même temps les parois du canal d'écoulement.

5 - Dispositif suivant la revendication 3, caracté-

risé en ce que les parois du canal d'écoulement sont consti-

tuées, au moins en partie, d'une matière diélectrique à fai-

bles pertes (12) et sont disposées à l'intérieur de l'ensemble

tubulaire (1). -

6 - Dispositif suivant la revendication 5, caracté-

risé en ce que dans un tube-guide (1) de section quelconque est disposé un canal d'écoulement de section rectangulaire

délimité par des parois diélectriques (23, 25, 27, 29).

7 - Dispositif suivant la revendication 5, caracté-

risé en ce que des plaques diélectriques (18) sont disposées à l'intérieur d'un tube-guide rectangulaire (1), contre les

faces étroites de ce tube, de sorte que la section (19) du ca-

nal d'écoulement est plus petite que la section du tube-guide (1).

8 - Dispositif suivant l'une des revendications 3

à 6, caractérisé en ce que le tube-guide (1) est un tube rond

dans la région de l'écoulement du gaz.

9 - Dispositif suivant la revendication 8, caracté-

risé en ce que le diamètre du tube-guide (1) est choisi de

façon à permettre uniquement la propagation de l'onde fonda-

mentale H11.

- Dispositif suivant l'une des revendications 3

à 6, caractérisé en ce que le tube-guide est un tube rectan-

gulaire dans la région de l'écoulement du gaz.

- 11 - Dispositif suivant la revendication 10, carac-

térisé en ce que la face large du tube rectangulaire a des dimensions choisies de manière à permettre exclusivement la

propagation de l'onde fondamentale H10.

12 - Dispositif suivant l'une des revendications 3

à 6, caractérisé en ce que le tube-guide présente une section

elliptique dans la région de l'écoulement du gar.

13 - Dispositif suivant l'une des revendications 3

à 6, caractérisé en ce que le tube-guide a la forme d'un tube

rectangulaire bombé dans la région de l'écoulement du gaz.

14 - Dispositif suivant l'une des revendications 3

à 13, caractérisé en ce que, dans la partie à haute pression

(4) se trouve une arrivée de gaz (7) et en ce que le tube-

guide (1) est obturé en amont de cette arrivée de gaz (7)

par une fenêtre diélectrique (6) à faibles pertes.

- Dispositif suivant l'une des revendications

3 à 14, muni d'électrodes destinées à produire une décharge dans la partie à basse pression, caractérisé en ce que le tube-guide (1) se termine en amont des électrodes (10) et le canal d'écoulement est composé dans la région de décharge adjacente d'une matière (9) isolante de l'électricité dans

laquelle sont encastrées les électrodes (10).

16 - Dispositif suivant l'une des revendications

3 à 14, muni d'électrodes destinées à produire une décharge dans la partie à basse pression, caractérisé en ce que, dans la région de la décharge, le tube-guide (1) est revêtu sur tout son pourtour d'une matière isolante diélectrique (12) à faibles pertes, dans laquelle sont encastrées les électrodes

(10), qui sont isolées électriquement du tube.

17 - Dispositif suivant l'une des revendications

3 à 14, comportant des électrodes pour la production d'une décharge dans la partie à basse pression, caractérisé en ce

que le tube-guide (1) se termine dans la région de la déchar-

ge tandis que ses faces larges (14) sont prolongées pour for-

mer un guide d'ondes ouvert latéralement, en ce que le canal

d'écoulement est prolongé dans une matière isolante de l'é-

lectricité entre les faces larges (14), et en ce que les é-

lectrodes (10) sont encastrées dans les faces étroites de ce canal.

18 - Dispositif suivant l'une des revendications 3

à 17, caractérisé en ce que plusieurs tubes-guides (la, lb, lc, ld) dont chacun entoure son propre canal d'écoulement sont directement adjacents entre eux, et débouchent dans un canal d'écoulement commun (32) à l'intérieur de la partie à basse pression.

19 - Dispositif suivant la revendication 18, carac-

térisé en ce que les parois séparant deux tubes-guides adja-

cents (la, lb, lc, ld) sont communes aux deux tubes.

- Dispositif suivant l'une des revendications

18 et 19, caractérisé en ce que l'injection des micro-ondes

à partir d'un tube-guide (lc; lb) dans le tube-guide adja-

cent (lb, ld; la) est effectuée par un coupleur directionnel qui est disposé en amont de l'arrivée de gaz (7a, 7b, 7c, 7d)

dans les tubes.

21 - Dispositif suivant l'une des revendications

18 à 20, comportant des électrodes pour la production d'une

décharge dans la partie à basse pression ou un résonateur op-

tique dans la partie à basse pression, caractérisé en ce que les électrodes (10) ou le résonateur optique-sont disposés

dans un canal d'écoulement commun (32).

22 - Dispositif suivant l'une des revendications 3

à 21, caractérisé en ce que la tuyère supersonique (3), montée dans un tube-guide rond est un élément métallique qui fait partie intégrante du tube rond, présente une section ronde et a, en amont de sa section la plus étroite ou col un profil tel que le coefficient de réflexion des micro-ondes soit aussi

réduit que possible tandis que le profil en aval de cette sec-

tion la plus étroite correspond aux exigences de la dynamique

des gaz.

23 - Dispositif suivant l'une des revendications 3

à 21, caractérisé en ce que, dans un tube-guide rectangulaire, la tuyère supersonique (3) est un élément métallique qui fait partie intégrante du tube, présente une section rectangulaire et a en amont de la sectIon la plus étroite un profil tel que le coefficient de réflexion des microondes soit aussi réduit que possible tandis que le profil en aval de la section la

plus étroite correspond aux exigences de la dynamique des gaz.

24 - Dispositif suivant l'une des revendications 3

à 21, caractérisé en ce que la tuyère (3) est en une matière diélectrique à faibles pertes et présente un profil dont la

forme correspond aux exigences de la dynamique des gaz.

25 - Dispositif suivant la revendication 24, carac-

24723,29

térisé en ce que la tuyère (3) est en verre de quartz.

26 - Dispositif suivant l'une des revendications

24 et 25, caractérisé en ce que la tuyère est en forme de

grille et comporte plusieurs orifices (16).