FR2640440A1

FR2640440A1 - Chemical laser

Info

Publication number: FR2640440A1
Application number: FR7902059A
Authority: FR
Inventors: Francois Voignier
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1979-01-26
Filing date: 1979-01-26
Publication date: 1990-06-15
Anticipated expiration: 1999-01-26
Also published as: FR2640440B1

Abstract

The invention relates to a chemical laser. The laser comprises means for passing a gas containing atomic hydrogen through nozzles 5 and for injecting into a laser cavity, at the outlet of the nozzles, chlorine and bromine. The atomic hydrogen is produced by injecting, just upstream of the neck of the nozzles, hydrogen reacting with atomic fluorine obtained by burning a fuel with an oxidant containing fluorine. Application to the analysis of gas pollution.

Description

La présente invention concerne un laser chimique et plus particulièrement un laser chimique fonctionnant par formation d'acide chlorhydrique ou bromhydrique. The present invention relates to a chemical laser and more particularly to a chemical laser operating by the formation of hydrochloric or hydrobromic acid.

Dans les lasers chimiques de ce type on accélère un gaz contenant de l'hydrogène atomique par passage dans des tuyères et on injecte à la sortie des tuyères du chlore ou du brome gazeux de manière à former, par réaction avec l'hydrogène atomique, des molécules excitées d'acide chlorhydrique ou d'acide bromhydrique excitées en vibration et présentant une inversion de population. Ces molécules excitées passent ensuite à travers une cavité optique résonnante afin de créer un faisceau laser
Dans ces lasers, le gaz contenant de l'hydrogène atomique est formé par exemple en excitant par une décharge électrique un mélange d'hydrogène et d'un gaz neutre. Mais ces lasers sont peu puissant car il n1 existe aucune source capable de fournir un débit important d'hydrogène atomique.In chemical lasers of this type, a gas containing atomic hydrogen is accelerated by passing through nozzles and chlorine or bromine gas is injected at the outlet of the nozzles so as to form, by reaction with atomic hydrogen, molecules excited by hydrochloric acid or hydrobromic acid excited in vibration and having a population inversion. These excited molecules then pass through a resonant optical cavity to create a laser beam
In these lasers, the gas containing atomic hydrogen is formed, for example, by exciting an electrical discharge with a mixture of hydrogen and a neutral gas. But these lasers are not very powerful because there is no source capable of providing a large flow of atomic hydrogen.

La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient et d'augmenter la puissance des lasers fonctionnant par formation d'acide chlorhydrique ou bromhydrique. The present invention aims to overcome this drawback and increase the power of lasers operating by the formation of hydrochloric or hydrobromic acid.

La présente invention a pour objet un laser chimique comportant - des tuyères dont les cols sont disposés dans un plan, ces tuyères étant capables d'accélérer à une vitesse supersonique, d'un côté à l'autre du plan, un premier gaz traversant les tuyères, ce premier gaz contenant de l'hydrogène atomique, - une cavité optique résonnante disposée à la sortie des tuyères, perpendiculairement au sens d'écoulement gazeux dans les tuyères, - des moyens pour introduire dans la cavité à la sortie des tuyères et parallèlement audit sens un second gaz choisi dans le groupe constitué par le chlore et le brome, l'hydrogène atomique du premier gaz réagissant avec le second gaz pour former des molécules d'un acide excitées en vibration et présentant une inversion de population, ces molécules traversant la cavité pour créer un faisceau laser, caractérisé en ce qu'il comporte en outre - une enceinte munie de deux entrées et d'une sortie constituée par les tuyères, - des moyens pour introduire dans l'enceinte un carburant par une des deux entrées, - des moyens pour introduire dans ltenceinte un comburant contenant du fluor par l'autre entrée, - des moyens pour faire brûler dans l'enceinte le carburant avec le comburant de façon à obtenir un troisième gaz contenant du fluor atomique - et des moyens pour introduire dans l'enceinte, juste à l'amont du col des tuyères, un quatrième gaz constitué d'un mélange d'hydrogène et d'un gaz neutre, lthydrogène du quatrième gaz réagissant avec le fluor atomique du troisième gaz pour former de l'hydrogène atomique, de façon à obtenir ledit premier gaz contenant de l'hydrogène atomique. The present invention relates to a chemical laser comprising - nozzles whose necks are arranged in a plane, these nozzles being capable of accelerating at a supersonic speed, from one side to the other of the plane, a first gas passing through the nozzles, this first gas containing atomic hydrogen, - a resonant optical cavity disposed at the outlet of the nozzles, perpendicular to the direction of gas flow in the nozzles, - means for introducing into the cavity at the outlet of the nozzles and in parallel said direction a second gas chosen from the group consisting of chlorine and bromine, the atomic hydrogen of the first gas reacting with the second gas to form molecules of an acid excited in vibration and having a population inversion, these molecules crossing the cavity for creating a laser beam, characterized in that it further comprises - an enclosure provided with two inlets and an outlet formed by the nozzles, - Means for introducing fuel into the enclosure through one of the two inlets, - means for introducing into the enclosure an oxidizer containing fluorine through the other inlet, - means for burning the fuel in the enclosure with the oxidant so as to obtain a third gas containing atomic fluorine - and means for introducing into the enclosure, just upstream from the throat of the nozzles, a fourth gas consisting of a mixture of hydrogen and a neutral gas, hydrogen of the fourth gas reacting with the atomic fluorine of the third gas to form atomic hydrogen, so as to obtain said first gas containing atomic hydrogen.

Des formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure t est une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation de laser chimique selon l'invention - la figure 2 est une coupe transversale selon un plan II-II du laser illustré par la figure 1 et la figure 3 est une vue partielle en coupe, à plus grande échelle, des tuyères du laser illustré par la figure 1. Particular embodiments of the object of the present invention are described below, by way of example, with reference to the accompanying drawings in which - Figure t is a longitudinal sectional view of an embodiment of chemical laser according to the invention - FIG. 2 is a cross-section along a plane II-II of the laser illustrated by FIG. 1 and FIG. 3 is a partial sectional view, on a larger scale, of the nozzles of the laser illustrated by the figure 1.

Sur la figure 1, une enceinte parallélépipédique 1 comporte sur une de ses faces une entrée d'un gaz constituée par un injecteur central 2 et une entrée d'un autre gaz constituée par deux injecteurs 3 et 4 disposés de part et d'autre de l'injecteur 2. La face opposée de enceinte est formée de tuyères juxtaposées telles que 5 dont les cols sont disposés dans le plan II-II de cette face. La figure 2 montre que les cols des tuyères ont une forme de rectangle allongé, les rectangles étant superposés suivant leurs grands côtés. In FIG. 1, a parallelepiped enclosure 1 has on one of its faces an inlet for a gas constituted by a central injector 2 and an inlet for another gas constituted by two injectors 3 and 4 arranged on either side of the injector 2. The opposite face of the enclosure is formed of juxtaposed nozzles such as 5, the necks of which are arranged in the plane II-II of this face. Figure 2 shows that the necks of the nozzles have the shape of an elongated rectangle, the rectangles being superimposed along their long sides.

Les parois des tuyères sont avantageusement, comme représenté, solidaires entre elles de façon à former un volume sensiblement cylindrique dont les génératrices sont parallèles aux grands côtés des rectangles et dont la section est représentée schématiquement sur la figure 1 et à plus grande échelle partiellement sur la figure 3. The walls of the nozzles are advantageously, as shown, integral with each other so as to form a substantially cylindrical volume whose generatrices are parallel to the long sides of the rectangles and the section of which is shown schematically in FIG. 1 and on a larger scale partially on the figure 3.

La tuyère 5 représentée sur la figure 3 comporte une entrée parallélépipédique 6 dont la section se rétrécit progressivement vers le col 7 de la tuyère. Au delà du col, une sortie évasée 8 permet d'augmenter la vitesse du gaz se propageant dans le sens de la flèche 9. The nozzle 5 shown in Figure 3 has a parallelepipedic inlet 6 whose section narrows progressively towards the neck 7 of the nozzle. Beyond the neck, a flared outlet 8 makes it possible to increase the speed of the gas propagating in the direction of arrow 9.

La figure 3 montre, de plus, la tuyère 11 et partiellement la tuyère 10 disposées de part et d'autre de la tuyère 5. On voit sur cette figure que la cloison de la tuyère 5 comporte des parties communes avec les cloisons des tuyères 10 et il de manière à former le volume cylindrique mentionné ci-dessus. Figure 3 shows, in addition, the nozzle 11 and partially the nozzle 10 arranged on either side of the nozzle 5. It can be seen in this figure that the partition of the nozzle 5 has common parts with the partitions of the nozzles 10 and it so as to form the cylindrical volume mentioned above.

Dans chacune de ces parties communes sont disposés des canaux d'amenée de gaz 12 et 13 situés en amont du plan II-II par rapport au sens de la flèche 9, ces canaux étant parallèles aux génératrices dudit volume cylindrique. Les canaux 12 et 13 débouchent par des canalisations dans les entrées telles que 6 juste en amont du col des tuyères. Ces canalisations telles que 14 et 15 peuvent être orientées perpendiculairement au sens 9 d'écoulement gazeux, comme représenté. Les canalisations peuvent être aussi inclinées d'un angle quelconque par rapport au sens d'écoulement gazeux. In each of these common parts are arranged gas supply channels 12 and 13 located upstream of the plane II-II relative to the direction of the arrow 9, these channels being parallel to the generatrices of said cylindrical volume. Channels 12 and 13 open out through pipes in the inlets such as 6 just upstream from the nozzle throat. These pipes such as 14 and 15 can be oriented perpendicular to the direction 9 of gas flow, as shown. The pipes may also be inclined at any angle relative to the direction of gas flow.

Les parties communes peuvent également comporter des canaux de circulation d'un fluide de refroidissement tel que liteau, ces canaux 16 et 17 étant parallèles aux canaux 13 et 14 et situés en amont des canaux 13 et 14 par rapport au sens de la flèche 9. The common parts may also include channels for circulation of a cooling fluid such as a batten, these channels 16 and 17 being parallel to the channels 13 and 14 and situated upstream from the channels 13 and 14 relative to the direction of the arrow 9.

Toujours dans les parties communes mais en aval des cols des tuyères sont disposés d'autres canaux d'amenée de gaz 18 et 19 parallèles aux canaux 13 et 14. Les canaux 18 et 19 débouchent à la sortie des tuyères parallèlement au sens de la flèche 9 par des orifices évasés tels que 20 et 21 situés entre les sorties des tuyères. Par exemple l'orifice évasé 20 est situé entre les sorties des tuyères 5 et 10. Still in the common parts but downstream of the necks of the nozzles are arranged other gas supply channels 18 and 19 parallel to the channels 13 and 14. The channels 18 and 19 open at the outlet of the nozzles parallel to the direction of the arrow 9 by flared orifices such as 20 and 21 located between the outlets of the nozzles. For example, the flared orifice 20 is located between the outlets of the nozzles 5 and 10.

En référence de noweau à la figure 1, une cavité optique résonnante est disposée à la sortie des tuyères perpendiculairement au sens d'écoulement des gaz dans les tuyères. Cette cavité est formée de deux miroirs 22 et 23, le miroir 22 étant semi-transparent. Ces miroirs sont fixés par exemple sur un prolongement 24 des parois de l'enceinte 1, ce prolongement 24 se terminant par une portion 25 à section progressivement rétrécie. Cette portion 25 peut comporter un dispositif d'aspiration non représenté pour accélérer le passage des gaz dans les tuyères. Referring now to Figure 1, a resonant optical cavity is disposed at the outlet of the nozzles perpendicular to the direction of flow of the gases in the nozzles. This cavity is formed of two mirrors 22 and 23, the mirror 22 being semi-transparent. These mirrors are fixed for example on an extension 24 of the walls of the enclosure 1, this extension 24 ending in a portion 25 of progressively narrowed section. This portion 25 may include a suction device, not shown, to accelerate the passage of gases through the nozzles.

Le dispositif représenté sur la figure 1 fonctionne de la manière suivante. The device shown in Figure 1 operates as follows.

On fait pénétrer sous pression dans l'enceinte 1 par l'injecteur 2 un carburant gazeux tel que l'hydrogène ou l'éthylène. Simultanément on introduit dans l'enceinte 1 par les injecteurs 3 et 4 un comburant contenant du fluor tel que du fluor gazeux ou du trifluorure d'azote. La réaction de combustion entre le carburant et le comburant su amorce spontanément lorsque le comburant est du fluor gazeux, mais elle nécessite l'utilisation d'un système d'allumage non représenté lorsque le comburant est du trifluorure d'azote. La réaction est exothermique et on atteint rapidement une température comprise entre 1000 et 2000 degrés K. qui provoque la dissociation des molécules de fluor ou de trifluorure d'azote pour obtenir un gaz contenant du fluor à l'état atomique. Gaseous fuel such as hydrogen or ethylene is made to enter pressure vessel 1 through the injector 2. Simultaneously, an oxidizer containing fluorine such as gaseous fluorine or nitrogen trifluoride is introduced into enclosure 1 by injectors 3 and 4. The combustion reaction between the fuel and the oxidizer su initiates spontaneously when the oxidant is gaseous fluorine, but it requires the use of an ignition system not shown when the oxidant is nitrogen trifluoride. The reaction is exothermic and a temperature between 1000 and 2000 degrees K is quickly reached, which causes the molecules of fluorine or nitrogen trifluoride to dissociate to obtain a gas containing fluorine in the atomic state.

On injecte aussi dans l'enceinte 1, juste à l'amont du col des tuyères (par exemple à un millimètre du col) un mélange d'hydrogène et d'un gaz neutre tel que l'hélium, l'azote ou l'argon à travers les canaux 12 et 13 et les canalisations 14 et 15 ménagés dans la paroi des tuyères. L'hydrogène de ce mélange réagit avec le fluor atomique du gaz résultant de la combustion pour former de l'hydrogène atomique suivant la réaction d'échange suivante :

Also injected into enclosure 1, just upstream from the neck of the nozzles (for example one millimeter from the neck) a mixture of hydrogen and a neutral gas such as helium, nitrogen or argon through the channels 12 and 13 and the pipes 14 and 15 formed in the wall of the nozzles. The hydrogen in this mixture reacts with the atomic fluorine of the gas resulting from the combustion to form atomic hydrogen according to the following exchange reaction:

Cette réaction est très rapide et très exothermique et la chaleur qu'elle produit compense l'abaissement de température provoqué par la dilution de lthydrogène dans le gaz neutre. This reaction is very rapid and very exothermic and the heat it produces compensates for the lowering of temperature caused by the dilution of hydrogen in the neutral gas.

Dans ces conditions la température du gaz à l'amont du col des tuyères stétablit à une valeur constante de 11 ordre de 15000K et la pression des gaz à quelques bars. Par suite de la différence de pression gazeuse existante entre l'entrée et la sortie des tuyères, le gaz contenant de l'hydrogène atomique est accéléré à une vitesse supersonique par passage dans les tuyères. Under these conditions, the temperature of the gas upstream from the throat of the nozzles is established at a constant value of 11 orders of 15000K and the pressure of the gases at a few bars. As a result of the difference in gas pressure existing between the inlet and the outlet of the nozzles, the gas containing atomic hydrogen is accelerated at a supersonic speed by passage through the nozzles.

On injecte alors du chlore ou du brome gazeux dans la cavité laser à la sortie des tuyères à travers les canaux tels 19 et les orifices évasés tels que 21. Le gaz contenant de l'hydrogène atomique sortant des tuyères forme par combinaison avec le chlore ou le brome injecté des molécules d'acide chlorhydrique ou bromhydrique excitées en vibration. Il en résulte une inversion partielle ou totale de population dans les niveaux quantiques attachés à la molécule HCl ou HBr. Cette inversion de population provoque l'émission d'un faisceau laser continu 26 traversant le miroir semi-transparent 22 suivant un axe 27 perpendiculaire au sens d'écoulement des gaz. Chlorine or bromine gas is then injected into the laser cavity at the outlet of the nozzles through the channels such as 19 and the flared orifices such as 21. The gas containing atomic hydrogen leaving the nozzles forms by combination with the chlorine or bromine injected with hydrochloric or hydrobromic acid molecules excited in vibration. This results in a partial or total inversion of the population in the quantum levels attached to the HCl or HBr molecule. This population inversion causes the emission of a continuous laser beam 26 passing through the semi-transparent mirror 22 along an axis 27 perpendicular to the direction of flow of the gases.

L'hydrogène injecté à l'amont du col des tuyères peut être remplacé par du dentérium. On obtient alors par réaction avec le fluor atomique du dentérium atomique qui forme à la sortie des tuyères' par réaction avec le chlore ou le brome, respectivement de l'acide chlorhydrique dentéré ou de l'acide bromhydrique denteré. The hydrogen injected upstream from the nozzle neck can be replaced by denterium. Is then obtained by reaction with atomic fluorine atomic denterium which forms at the outlet of the nozzles' by reaction with chlorine or bromine, respectively, dentate hydrochloric acid or dentate hydrobromic acid.

On voit donc qu'on peut réaliser quatre types de laser notés sur le tableau suivant
Gaz injectés Molécules excitées Longueur d'onde
H2/Cl2 HCl 3,5 à 4 microns
D2/Cl2 Dcl 5 microns
H2/Br2 HBr 4 à 4,5 microns D2/Br2 DBr 6,5 microns
Le laser chimique selon l'invention présente l'avantage d'avoir une puissance de sortie beaucoup plus forte que celle des lasers selon l'art antérieur. L'augmentation de puissance est due principalement à l'augmentation du taux d'hydrogène atomique dans le gaz traversant les tuyères. So we see that we can make four types of laser noted in the following table
Injected gases Excited molecules Wavelength
H2 / Cl2 HCl 3.5 to 4 microns
D2 / Cl2 Dcl 5 microns
H2 / Br2 HBr 4 to 4.5 microns D2 / Br2 DBr 6.5 microns
The chemical laser according to the invention has the advantage of having a much higher output power than that of lasers according to the prior art. The increase in power is mainly due to the increase in the rate of atomic hydrogen in the gas passing through the nozzles.

L'exemple ci-dessous donne une valeur indicative de l'importance du taux d'hydrogène atomique qu'il est possible obtenir. The example below gives a value indicative of the importance of the rate of atomic hydrogen that it is possible to obtain.

- Composition des gaz à ltentrée de l'enceinte
Comburant F2 93,4% (proportion molaire)
Carburant C2H4 6,4S (proportion molaire) - Composition du gaz dans l'enceinte après la combustion
F 70%
F2 3S
HF 172
CF4 10S
Composition du gaz dans l'enceinte, juste en amont du col des tuyères, après injection d'un mélange H2/He
H 12S
HF 16S 4 2%
He 70%
Le laser chimique selon l'invention peut être appliqué à l'obtention de faisceaux laser de grande énergie ou à l'analyse des gaz pollués ou toxiques.- Composition of gases at the entrance to the enclosure
Oxidizing F2 93.4% (molar proportion)
Fuel C2H4 6.4S (molar proportion) - Composition of the gas in the enclosure after combustion
F 70%
F2 3S
HF 172
CF4 10S
Composition of the gas in the enclosure, just upstream from the nozzle throat, after injection of an H2 / He mixture
H 12S
HF 16S 4 2%
He 70%
The chemical laser according to the invention can be applied to obtaining high energy laser beams or to the analysis of polluted or toxic gases.

Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits ou représentés qui n'on été donnés qu'à titre d'exemple. Of course, the invention is in no way limited to the embodiments described or shown, which have been given only by way of example.

En particulier on peut, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer certains moyens techniques par des moyens équivalents. C'est ainsi que les tuyères du laser chimique, selon l'invention peuvent être non seulement des tuyères à section rectangulaire comme décrit ci-dessus, mais aussi des tuyères de révolution autour d'un axe. In particular, it is possible, without departing from the scope of the invention, to replace certain technical means with equivalent means. Thus, the nozzles of the chemical laser according to the invention can be not only nozzles of rectangular section as described above, but also nozzles of revolution around an axis.

Claims

1 / Chemical laser comprising - nozzles whose necks are arranged in a plane, these nozzles being capable of accelerating at a supersonic speed, from one side to the other of the plane, a first gas passing through the nozzles, this first gas containing atomic hydrogen, - a resonant optical cavity disposed at the outlet of the nozzles, perpendicular to the direction of gas flow in the nozzles, - means for introducing into the cavity at the outlet of the nozzles and parallel to said direction a second gas chosen from the group consisting of chlorine and bromine, the atomic hydrogen of the first gas reacting with the second gas to form molecules of an acid excited in vibration and having a - -trsion of population, these molecules crossing the cavity to create a laser beam, characterized in that it further comprises - an enclosure provided with two inlets and an outlet constituted by the nozzles, - means for introducing into the enclosure a fuel by one of the two inlets, - means for introducing into the enclosure an oxidant containing fluorine through the other inlet, - means for burning the fuel in the enclosure with the oxidant so as to obtain a third gas containing atomic fluorine - and means for introducing into the enclosure, just upstream from the throat of the nozzles, a fourth gas consisting of a mixture of hydrogen and a neutral gas, the hydrogen of the fourth gas reacting with the atomic fluorine of the third gas to form atomic hydrogen, so as to obtain said first gas containing atomic hydrogen.

2 / chemical laser according to claim 1, characterized in that said means for introducing into the enclosure a fourth gas comprise pipes passing through the wall of the nozzles.

3 / Chemical laser according to claim 2, characterized in that, the neck behind having a section in the form of an elongated rectangle, these teta rectangles; Derposed in said plane along their long sides, the walls of the nozzles being integral with each other so as to form a cylindrical volume whose generators are parallel to said plane, said means for introducing a fourth gas into the enclosure comprising supply channels of this fourth gas, these channels being located in said volume parallel to said generators upstream of said plane with respect to said direction of gas flow, the pipes being connected to the channels.

4 / chemical laser according to claim 3, characterized in that it further comprises water circulation channels located in said volume parallel to said generators and upstream of the channels d1 of the fourth gas relative to said direction of flow.

5 / chemical laser according to claim 3, characterized in that said means for introducing a second gas into the cavity comprise supply channels of the second gas disposed in said volume parallel to said generators and downstream of said plane relative to said direction of flow, these second gas supply channels having orifices opening into the resonant optical cavity.