WO2005058514A1 - Procede et dispositif de nettoyage d’une surface au moyen d’un faisceau laser - Google Patents

Procede et dispositif de nettoyage d’une surface au moyen d’un faisceau laser Download PDF

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WO2005058514A1
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laser
cavity
pumping
laser beam
ablation
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Pierre-Yves Thro
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B7/00—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
    • B08B7/0035—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like
    • B08B7/0042—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like by laser
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/146—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing a liquid
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/001—Decontamination of contaminated objects, apparatus, clothes, food; Preventing contamination thereof
    • G21F9/005—Decontamination of the surface of objects by ablation
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/28—Treating solids

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for cleaning a surface by means of a laser beam, in particular when this surface is located in a contaminated area.
  • a laser beam 104 ( Figure la), generally pulsed, to vaporize or sublimate particles present on a surface 100 in order to clean the latter.
  • Such a process, called laser ablation is used for different applications such as the restoration of structures or the decontamination of surfaces.
  • Laser ablation can have the disadvantage of causing contamination of the generator 102 of the laser beam 104 when the latter is used to treat a wall located in a contaminated area 106, for example radioactive.
  • Such contamination of the generator 102 results in a high cost for the treatment of the surface 100 since the generator 102 must in turn be decontaminated, or even replaced if the generator cannot be decontaminated.
  • the pumping elements 112 that is to say providing the energy intended to generate the laser beam, and cooling the generator 102 can also be contaminated, which again increases the cost of the treatment. of the surface 100.
  • the application of the laser beam on this surface 100 can be complex given the 'large footprint of a laser device comprising the laser generator 102 and the pumping and cooling elements 112.
  • the laser generator 102 and its pumping and cooling device 112 are located outside of the contaminated area 106, an optical fiber 105 transmitting the laser beam emitted by the generator 102 to the surface to be treated.
  • Such a method has a drawback linked to the limited capacity for transporting electromagnetic radiation by an optical fiber, in particular in terms of energy and power.
  • the energy transport capacities of current fibers are of the order of 50 millijoules for an average power of 200 to 300 watts, while an ablation process may require powers greater than these capacities. so as to be economically profitable, and in particular an average power greater than 500 watts.
  • powers assume transverse pumping, that is to say penetrating into the laser material by its side wall and not by the faces by which pass through the laser beam.
  • the cleaning laser beam 104 is transmitted via the optical fiber 105 to an amplifier 103, located in the contaminated area, amplifying the laser beam before applying it to the treated surface 100, as described for example in patents EP0475806 or EP0507641 filed in the name of Framatome.
  • the maneuverability of the amplifier 103 is limited by its weight and its size, as well as by the weight and the size of its pumping and cooling elements 103 ′.
  • mirrors 107 are used located in the contaminated area 100 so as to direct the laser beam 104, emitted from an uncontaminated area 108, onto the treated wall 100 In fact, in this case, only the mirrors 107 and the robotic arm 107 'controlling these mirrors are contaminated during the treatment of the wall.
  • this method requires a bulky mirror device, complex to control and requiring a specific installation on the surface and / or the treated installation.
  • lasers having a solid amplifying medium are the lasers most frequently used in laser ablation processes in combination with a lamp pumping system. discharge, the latter tending to be replaced by a pumping system using laser diodes.
  • the pumping elements require a generally greater cooling capacity than the laser generator with which they are associated and, therefore, the cooling circuit of these pumping elements is more bulky than the generator cooling circuit. .
  • the pumping elements generally represent more than 50% of the cost of the laser device with which they are associated.
  • these pumping, power and cooling elements can represent 90% of the cost of the laser device.
  • UV beam a wavelength beam located in the ultraviolet
  • UV beam can be particularly interesting for performing laser ablation as described in patent FR 9300723 or in the document by D. Bau ⁇ rle entitled “Laser processing and Chemistry", 3d edition, Springer Verlag, Berlin, 2000, pp 515-516.
  • a fiber optic laser device as described with the aid of FIG. 1b does not -, cannot be implemented for a UV laser since an optical fiber transmits a UV laser beam with a very low efficiency , a loss of the order of 7 to 10% of the transmitted power per meter traveled is generally suffered by this beam.
  • UV lasers are generally excimer lasers, that is to say using mixtures of possibly toxic gases such as fluorine or chlorine, these gas mixtures being excited by a short electrical discharge and intense which can create electromagnetic radiation triggering alarm devices, in particular of a nuclear power station.
  • the present invention proposes to use solid lasers pumped by diode in order to remedy at least one of the drawbacks mentioned, that is to say that it makes it possible to overcome at least one of the constraints already mentioned linked:
  • the invention relates to a method of laser ablation of a surface located in a cleaning zone, this ablation using a laser beam emitted by a cavity associated with pumping means providing electromagnetic radiation to the cavity, characterized in that the cavity is associated with the pumping means by means of an optical fiber transmitting the electromagnetic radiation so that these pumping means are kept outside the cleaning zone, the radiation from pumping having a slightly attenuated wavelength in the fiber whose length is greater than 10 meters.
  • the method according to the invention makes it possible to treat a surface using a laser beam generator of great maneuverability since the pumping means and the cooling elements, distant from the cavity, must not be taken into account to orient the laser beam.
  • a method according to the invention limits the cost of decontamination since the pumping means supplying the laser beam are kept outside the cleaning area, which allows their reuse with different laser cavities.
  • the invention makes it possible to have a laser beam of significant energy since this beam is not transmitted by a fiber and therefore does not undergo attenuation.
  • variants of the invention make it possible to generate a UV laser beam from a laser beam of higher wavelength.
  • the method of decontaminating a surface by ablation uses a laser beam of wavelength located in the ultraviolet.
  • a laser beam of wavelength located in the ultraviolet For this purpose, at least one non-linear crystal is used to decrease the wavelength of the laser beam so that this wavelength is included in the ultraviolet domain (typically £ 400 nm).
  • a UV laser beam is generated from a laser beam of distinct wavelength.
  • this embodiment of the invention can be generalized to the generation of laser beam of any wavelength which cannot be transmitted satisfactorily via a fiber.
  • the cleaning is applied to a toxic element, for example radioactive, so that the cleaning zone is considered to be a contaminated zone.
  • the ablation laser beam is emitted in an impulse fashion.
  • the electromagnetic pumping radiation is supplied continuously by the optical fiber.
  • a plurality of fibers being used to transmit the pumping energy this pumping energy is diffused transversely with respect to the axis of the laser medium located in the cavity.
  • the pumping energy is transmitted by fiber diodes.
  • the cleaned surface is radioactive.
  • the wavelength of the laser beam generated by the cavity is modified by means of at least one non-linear crystal so that this wavelength is included in the UV range.
  • the modified wavelength is less than 400 nm.
  • a layer of liquid or droplets is deposited on the sublimated surface.
  • the average power delivered by the laser is greater than 200 w.
  • the invention also relates to a device for laser ablation of a surface located in a cleaning zone, this ablation using a laser beam emitted by a cavity associated with pumping means supplying electromagnetic radiation to the cavity, characterized in that it comprises an optical fiber transmitting the electromagnetic radiation from the pumping means to the cavity according to one of the methods according to one of the preceding claims.
  • the invention also relates to a robotic laser ablation system of a surface comprising a device according to the invention, characterized in that it comprises a articulated arm capable of sweeping the surface to be ablated.
  • the articulated arm is a robot able to operate in the presence of ambient nuclear radiation.
  • FIG. 1 is a diagram of an ablation device according to the invention.
  • Figures 3a and 3b are diagrams relating to an advantageous arrangement around a laser generator of the transverse pumping means according to the invention.
  • FIG. 2 shows a device 200 for laser ablation according to the invention, that is to say such that the pumping device 202 generating the light supplying the cavity 204 generating the laser beam is associated with the latter via a fiber 210.
  • the surface to be treated is contaminated with a toxic element, that is to say harmful to the health of an individual, so that the ablation of the surface causes the formation of a contaminated area, within which the environment is also toxic, and an uncontaminated area isolated from the contaminated area.
  • the pumping device 202 is located in an uncontaminated area 208 protected from the contaminated and confined area 206 in which is located the generator 204.
  • the laser cavity 204 risks being contaminated in the contaminated area 206 while that, in the uncontaminated zone 208, the various elements of the pumping device 202, and in particular its electrical supply and cooling means, are protected from any contamination.
  • the entire ablation device 214 includes, in addition to the laser cavity 204, elements such as rollers 220, making it possible to move this cavity so that the laser beam 216 emitted have a given impact.
  • this incidence is constant and advantageously chosen to be normal with respect to the surface 218 treated.
  • a normal incidence results in the highest yields for most ablation procedures.
  • the device 214 can also be associated with means 222 for spraying water to generate the presence of fine water droplets, or of a film of water, on the treated surface 218 and thus improve the performance of decontamination if the laser beam has a wavelength included in the UV, as previously described.
  • the laser cavity 204 can emit a laser beam of wavelength located in the UV range by using a non-linear crystal 224 transforming the wavelength of the emitted laser beam 216.
  • the laser cavity 204 generates a laser beam 216 of length wave included in or greater than the infrared range, this wavelength being modified one (or more) non-linear crystal (s) 224 before reaching the surface to be treated.
  • a non-linear frequency doubling crystal making it possible to halve the wavelength of the laser beam, can be used. To divide this wavelength by three or four, it is possible to use several non-linear crystals.
  • a galvanometric deflection head is placed on the laser beam, on the one hand either between the output of the laser cavity or the output of any beam shaping or homogenization devices, if any, and on the other hand the surface to be treated.
  • a galvanometric device also known to those skilled in the art, comprises in particular two mirrors, each mounted on a galvanometer, and a device for controlling the galvanometers.
  • Such a galvanometric head makes it possible to scan the laser beam on a square surface whose east side, for example, on the order of five to ten centimeters.
  • the sublimed particles are preferably recovered by a suction device 226 controlled from the uncontaminated zone 208.
  • This device comprises a turbine 228 and a container 230 which stores the decontamination waste.
  • a neutral gas is diffused in the vicinity of the surface treated by ablation so as to avoid chemical reactions such as oxidation reactions.
  • an oxidizing gas is diffused in the vicinity of the treated surface so as to accelerate chemical reactions, such as oxidation reactions.
  • the laser cavity 204 comprises an Nd-YAG bar, located between a bottom mirror 234 and a semi-reflecting mirror 236. This bar is surrounded by a cooling circuit 238 the supply 240 of which is located outside of the contaminated zone 206.
  • the power supply (not shown) which supplies various components of the system such as the laser diode control circuit, located with these diodes in the pumping device 202, the power supply 240 in cooling fluid and its electrical supply, the waste suction turbine 228 and container 230 which stores the decontamination waste, if any, the water spray system 222.
  • the laser diodes supply the laser cavity 204 with pumping energy by means of a strand 210 of optical fibers 215, the use of these optical fibers making it possible to optimize this pumping as explained later in using Figures 3a and 3b.
  • the laser diodes provide continuous pumping, of a power of several kilowatts while the laser cavity creates a pulse emission with a peak power of the order of 400 kW and being able to reach 1 MW.
  • the beam transmitted by the optical fibers is slightly attenuated because the pumping radiation can be transmitted according to a wavelength of 808 nm slightly attenuated in the silica fiber of 800 ⁇ m of core. ,-AT
  • an attenuation is considered to be weak when it does not exceed 25 percent over the entire length of the fiber, this length being several meters, or even tens of meters. .
  • a laser cavity 300 comprising a laser bar placed inside the cylindrical surface 302, along the axis of symmetry of this surface, possibly a trigger system, not shown, which is located with the pumping diodes in the pumping device 202, a cavity bottom mirror 302a, a semi-reflecting mirror 302b, connectors 306 placed at the end of the fibers from the fiber laser diodes and a schematic cooling circuit via the inlet tube 308
  • this cooling circuit closely surrounds the laser rod 302 to promote heat transfer, and the ends 306 of the fibers from the pumping diodes are distributed transversely all around this laser rod 302 for better distribution of pumping energy.
  • the small size of these fibers 310 makes it possible to make the supply of pumping light dense, in terms of light power per unit area of the bar. 302, thanks to the small size of these fibers.
  • the wavelength of the beam emitted by the fiber diodes is chosen according to the nature of the bar. But among several possibilities, we choose the one corresponding to a weak attenuation of the fiber. In this embodiment using an Nd-YAG laser bar, the wavelength of the supply beam is around 808 nm.
  • an electrode is used, creating a large electric field, to attract and capture the particles sublimated under the effect of the laser. These particles are then stored in a container as in the case of suction.
  • the invention allows the use of a device provided with fibers which can have a length greater than ten meters given the low attenuation of the radiation transmitted by the fibers, which then allows the use of the ablation system in large installations such as nuclear power plants.
  • This articulated arm can be a robot able to evolve in the environment considered.
  • this articulated arm also carries means for sucking the ablation residues, means for confining the ablation gases in the vicinity of the treated surface, means for move these containment means along the treated surface, such as for example rollers and / or means for injecting gases ensuring the entrainment of the ablation residues.
  • the cleaning device is applied to the decontamination of the surfaces of a hot cell suitable for the nuclear industry.
  • the cleaning device is fixed to the end of a robotic system capable of scanning the surface to be cleaned in a highly radioactive environment.
  • the robotic arm must then be able to operate in the ambient nuclear radiation, for example by using sensors in wound technology such as resolvers or differential transformers with linear variation (in English, LVDT: Linear Variable Differential Transformer), or optical encoders all of whose active components are deported to a non-radioactive zone.
  • sensors in wound technology such as resolvers or differential transformers with linear variation (in English, LVDT: Linear Variable Differential Transformer), or optical encoders all of whose active components are deported to a non-radioactive zone.
  • LVDT Linear Variable Differential Transformer
  • optical encoders all of whose active components are deported to a non-radioactive zone.
  • a Staubli robot type RX 170L is well suited to this type of application. Its angular position sensors are resolvers, and more precisely the association of a resolver of speed 0 and a resolver of speed n in order to obtain an absolute coding, they support 10 rads, and if necessary, the
  • a square surface of 10 cm side can be carried out in a time of a few tens of seconds to a few minutes, depending on the required dose in each point of the surface to be treated.

Abstract

L'invention concerne un procédé d'ablation laser d'une surface (218) située dans une zone (206) de nettoyage, cette ablation utilisant un faisceau laser (216) émis par une cavité (204) associée à des moyens (202) de pompage fournissant un rayonnement électromagnétique à la cavité (204). Conformément à l'invention, le procédé est caractérisé en ce qu'on associe la cavité (204) aux moyens (202) de pompage par l'intermédiaire d'une fibre optique (210) transmettant le rayonnement électromagnétique de telle sorte que ces moyens (202) de pompage soient maintenus à l'extérieur de la zone (206) de nettoyage, le rayonnement de pompage ayant une longueur d'onde faiblement atténuée dans la fibre dont la longueur est supérieure à 10 mètres.

Description

Description
[001] PROCEDE ET Dispositif de nettoyage d'une surface au moyen d'un faisceau laser.
[002] La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif de nettoyage d'une surface au moyen d'un faisceau laser, notamment lorsque cette surface est située dans une zone contaminée.
[003] On utilise un faisceau laser 104 (figure la), généralement impulsionnel, pour vaporiser ou sublimer des particules présentes sur une surface 100 afin de nettoyer cette dernière. Un tel procédé, dit d'ablation laser, est utilisé pour différentes applications telles que la restauration d'ouvrages ou la décontamination de surfaces.
[004] L'ablation laser peut présenter l'inconvénient de provoquer la contamination du générateur 102 du faisceau laser 104 lorsque ce dernier est utilisé pour traiter une paroi située dans une zone 106 contaminée, par exemple radioactive.
[005] Une telle contamination du générateur 102 entraîne un coût élevé pour le traitement de la surface 100 puisque le générateur 102 doit être décontaminé à son tour, voire même remplacé si le générateur ne peut pas être décontaminé.
[006] De plus, les éléments 112 de pompage, c' est-à-dire fournissant l' énergie destinée à générer le faisceau laser, et de refroidissement du générateur 102 peuvent aussi être contaminés, ce qui augmente à nouveau le coût du traitement de la surface 100.
[007] Par ailleurs, lorsque la surface traitée est située dans une zone 106 de faibles dimensions ou difficilement accessible, par exemple à l'intérieur d'une canalisation, l'application du faisceau laser sur cette surface 100 peut être complexe étant donné l'encombrement important d'un dispositif laser comprenant le générateur laser 102 et les éléments 112 de pompage et de refroidissement.
[008] Selon un deuxième procédé d'ablation laser décrit à l'aide de la figure lb, on situe le générateur laser 102 et son dispositif 112 de pompage et de refroidissement à l'extérieur de la zone 106 contaminée, une fibre optique 105 transmettant le faisceau laser émis par le générateur 102 jusqu'à la surface à traiter.
[009] Un tel procédé présente un inconvénient lié à la capacité limitée de transport d'un rayonnement électromagnétique par une fibre optique, notamment en termes d'énergie et de puissance.
[010] De fait, les capacités de transport d'énergie des fibres actuelles sont de l'ordre de 50 millijoules pour une puissance moyenne de 200 à 300 watts tandis qu'un procédé d'ablation peut requérir des puissances supérieures à ces capacités de manière à être économiquement rentable, et notamment une puissance moyenne supérieure à 500 watts. H va de soi que de telles puissances supposent un pompage transversal, c'est-à-dire pénétrant dans le matériau laser par sa paroi latérale et non par les faces par lesquelles transite le faisceau laser.
[011] Dans un cas particulier, le faisceau 104 laser de nettoyage est transmis via la fibre optique 105 jusqu'à un amplificateur 103, situé dans la zone contaminée, amplifiant le faisceau laser avant de l'appliquer sur la surface 100 traitée, comme décrit par exemple dans les brevets EP0475806 ou EP0507641 déposés au nom de Framatome.
[012] Ce cas particulier présente divers inconvénients. Ainsi, l'amplificateur 103 et ses éléments 103' de refroidissement et de pompage peuvent résulter contaminés, ce qui augmente le coût de traitement de la surface 100.
[013] Ce coût est aussi accru par l'utilisation d'un amplificateur qui augmente, en outre, la complexité du procédé.
[014] Finalement, la maniabilité de l'amplificateur 103 est limitée par son poids et son encombrement, ainsi que par le poids et l'encombrement de ses éléments 103' de pompage et de refroidissement.
[015] Dès lors, le traitement de surfaces situées dans des zones de dimensions réduites et/ ou difficilement accessibles est difficilement réalisable avec un tel procédé.
[016] Finalement, il convient de souligner que les procédés faisant intervenir la transmission du rayon laser d'ablation par une fibre optique présente un inconvénient dû à la contrainte imposée sur le choix de la longueur d'onde du rayonnement puisqu'une fibre atténue fortement les rayonnements se propageant à certaines longueurs d'ondes, comme décrit en détail ultérieurement.
[017] Selon un troisième procédé décrit à l'aide de la figure le, on utilise des miroirs 107 situés dans la zone contaminée 100 de façon à diriger le faisceau laser 104, émis depuis une zone non contaminée 108, sur la paroi traitée 100. De fait, dans ce cas, seuls les miroirs 107 et le bras robotisé 107' contrôlant ces miroirs sont contaminés lors du traitement de la paroi.
[018] Cependant, un tel procédé à miroirs présente divers inconvénients. Ainsi, il requiert un hublot 118, situé entre la zone contaminée 106 et la zone non contaminée 108, afin de permettre le passage du faisceau laser 104.
[019] En outre, ce procédé nécessite un dispositif à miroirs encombrant, complexe à contrôler et requérant une installation spécifique à la surface et/ou à l'installation traitée.
[020] Par ailleurs, il convient de noter que les lasers ayant un milieu amplificateur solide, en particulier les lasers Nd: YAG, sont les lasers les plus fréquemment utilisés dans les procédés d'ablation laser en combinaison avec un système de pompage par lampes à décharge, ce dernier tendant à être remplacé par un système de pompage utilisant des diodes laser.
[021] En effet, les lasers de ce type sont plus efficaces, plus compacts et nécessitent moins de maintenance, de refroidissement, et d'énergie mais les diodes laser sont des composants coûteux.
[022] De plus, les éléments de pompage requièrent une capacité de refroidissement généralement plus importante que le générateur laser auquel ils sont associés et, par conséquent, le circuit de refroidissement de ces éléments de pompage est plus encombrant que le circuit de refroidissement du générateur.
[023] De fait, les éléments de pompage représentent généralement plus de 50% du coût du dispositif laser auquel ils sont associés. Lorsque les électroniques d'alimentation et les éléments de refroidissement sont aussi considérés, ces éléments de pompage, d'alimentation et de refroidissement peuvent représenter 90% du coût du dispositif laser.
[024] Par ailleurs, un second aspect de l'invention résulte du fait que l'utilisation d'un laser utilisant un faisceau de longueur d'onde située dans l'ultraviolet (UV), dénommé faisceau UV par la suite, peut être particulièrement intéressant pour effectuer une ablation laser comme décrit dans le brevet FR 9300723 ou dans le document de D. Bauërle intitulé "Laser processing and Chemistry", 3d édition, Springer Verlag, Berlin, 2000, pp 515-516.
[025] Dans ce dernier document, il est décrit comment la décontamination d'une surface est améliorée par l'utilisation d'un liquide absorbant les radiations de longueur d'onde comprise dans l'ultraviolet de telle sorte que, lorsque cette surface est soumise à l'ablation laser, l'ébullition rapide de gouttelettes de liquide proches de la surface augmente l'efficacité du nettoyage.
[026] Cependant, un dispositif laser à fibre optique tel que décrit à l'aide de la figure lb ne -, peut pas être mis en place pour un laser UV puisqu'une fibre optique transmet un faisceau laser UV avec un très faible rendement, une perte de l'ordre de 7 à 10% de la puissance transmise par mètre parcouru étant généralement subie par ce faisceau.
[027] Dans certains cas, ces pertes peuvent atteindre jusqu'à 20% de la puissance transmise par mètre parcouru, comme décrit dans "Surface Oxide removalby a XeCl laser for decontamination", Quantum Elec., 30 (6), PP, 495-500 (2000).
[028] Dès lors, il est nécessaire d'introduire la cavité de faisceau laser UV dans la zone contaminée, ce qui provoque la contamination de ce générateur, comme décrit à l'aide de la figure la, augmentant ainsi le coût de la décontamination.
[029] En outre, l'utilisation d'un faisceau laser ultraviolet pour décontaminer une paroi peut présenter d'importants inconvénients, notamment dans une installation nucléaire.
[030] En effet, les lasers UV sont généralement des lasers à excimères, c'est-à-dire utilisant des mélanges de gaz éventuellement toxique tels que du fluor ou du chlore, ces mélanges de gaz étant excité par une décharge électrique courte et intense qui peut créer des rayonnements électromagnétiques déclenchant des dispositifs d'alarme, notamment d'une centrale nucléaire. [031] La présente invention se propose d'utiliser des lasers solides pompés par diode afin de remédier à au moins un des inconvénients mentionnés, c'est-à-dire qu'elle permet de s'affranchir d'au moins une des contraintes déjà mentionnée liée :
[032] - à un encombrement excessif du dispositif laser,
[033] - aux limitations imposées par les capacités de transports énergétiques des fibres optiques vis-à-vis des rayons lasers,
[034] - aux perturbations électromagnétiques qu'un générateur de rayon laser peut provoquer à encontre d'un système de détection de rayonnement électromagnétique,
[035] - à un coût important d'un système de pompage par diodes.
[036] - à une éventuelle atténuation du rayonnement transmis par des fibres optiques,
[037] - à une perturbation électromagnétique dans un milieu sensible à de telles perturbations,
[038] - à l'utilisation d'un composé toxique dans un milieu à risque.
[039] - à une contamination de la cavité laser.
[040] C'est pourquoi, l'invention concerne un procédé d' ablation laser d'une surface située dans une zone de nettoyage, cette ablation utilisant un faisceau laser émis par une cavité associée à des moyens de pompage fournissant un rayonnement électromagnétique à la cavité, caractérisé en ce qu'on associe la cavité aux moyens de pompage par intermédiaire d'une fibre optique transmettant le rayonnement électromagnétique de telle sorte que ces moyens de pompage soient maintenus à l'extérieur de la zone de nettoyage, le rayonnement de pompage ayant une longueur d'onde faiblement atténuée dans la fibre dont la longueur est supérieure a 10 mètres.
[041] Ainsi, le procédé conforme à l'invention permet de traiter une surface à l'aide d'un générateur de rayon laser de grande maniabilité puisque les moyens de pompage et les éléments de refroidissement, distants de la cavité, ne doivent pas être pris en compte pour orienter le faisceau laser.
[042] De plus, un procédé conforme à l'invention limite le coût d'une décontamination puisque les moyens de pompage alimentant le faisceau laser sont maintenus en dehors de la zone de nettoyage, ce qui permet leur réutilisation avec différentes cavités laser.
[043] Finalement, il est important de noter que l'invention permet de disposer d'un faisceau laser d'énergie importante puisque ce faisceau n'est pas transmis par une fibre et ne subit donc pas d'atténuation.
[044] Par ailleurs, des variantes de l'invention permettent de générer un faisceau laser UV à partir d'un faisceau laser de longueur d'onde plus élevée.
[045] Ainsi, dans une réalisation de l'invention, on considère que le procédé de décontamination d'une surface par ablation utilise un faisceau laser de longueur d'onde située dans l'ultraviolet. A cet effet, on utilise au moins un cristal non linéaire pour diminuer la longueur d'onde du faisceau laser afin que cette longueur d'onde soit comprise dans le domaine ultraviolet (typiquement £ 400 nm).
[046] Ainsi, grâce à l'invention, on génère un faisceau laser UV à partir d'un faisceau laser de longueur d'onde distincte. A ce stade, il convient de noter que cette réalisation de l'invention peut être généralisée à la génération de faisceau laser de toute longueur d'onde ne pouvant être transmise de façon satisfaisante par l' intermédiaire d'une fibre.
[047] Il est important de souligner que l'utilisation d'un cristal non-linéaire dans le traitement d'une surface située dans une zone de nettoyage est avantageuse malgré le faible rendement de transformation de la longueur d'onde d'un faisceau laser au moyen d'un cristal.
[048] Dans un mode de réalisation, le nettoyage s'applique à un élément toxique, par exemple radioactif, de telle sorte que la zone de nettoyage est considérée comme une zone contaminée.
[049] Selon un mode de réalisation, le faisceau laser d'ablation est émis de façon impulsionnelle.
[050] Dans un mode de réalisation, le rayonnement électromagnétique de pompage est fourni de façon continue par la fibre optique.
[051] Selon un mode de réalisation, une pluralité de fibres étant utilisée pour transmettre l'énergie de pompage, cette énergie de pompage est diffusée transversalement par rapport à l'axe du milieu laser situé dans la cavité.
[052] Dans un mode de réalisation, l'énergie de pompage est transmise par des diodes fibrées.
[053] Selon urtmode de réalisation, la surface nettoyée est radioactive.
[054] Dans un mode de réalisation, on modifie la longueur d'onde du faisceau laser généré par la cavité au moyen d'au moins un cristal non linéaire afin que cette longueur d'onde soit comprise dans le domaine UV.
[055] Selon un mode de réalisation, la longueur d'onde modifiée est inférieure à 400 nm.
[056] Dans un mode de réalisation, on dépose une couche de liquide ou des gouttelettes sur la surface sublimée.
[057] Selon un mode de réalisation, la puissance moyenne délivrée par le laser est supérieure à 200 w.
[058] L'invention concerne également un dispositif d'ablation laser d'une surface située dans une zone de nettoyage, cette ablation utilisant un faisceau laser émis par une cavité associée à des moyens de pompage fournissant un rayonnement électromagnétique à la cavité, caractérisé en ce qu'il comprend une fibre optique transmettant le rayonnement électromagnétique des moyens de pompage à la cavité selon l'un des procédés conformes à l'une des revendications précédentes.
[059] L'invention concerne également un système robotisé d' ablation laser d'une surface comprenant un dispositif conforme à l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend un bras articulé apte à effectuer un balayage de la surface à ablater.
[060] Dans un mode de réalisation, le bras articulé est un robot apte à fonctionner en présence de rayonnements nucléaires ambiants.
[061] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description effectuée ci-dessous, à titre illustratif et non limitatif, en faisant référence aux figures ci-jointes sur lesquelles:
[062] - les figures la, lb et le, déjà décrites, représentent des procédés connus de décontamination de surface par ablation laser,
[063] - la figure 2 est un schéma d'un dispositif d'ablation conforme à l'invention, et
[064] - les figures 3a et 3b sont des schémas relatifs à une disposition avantageuse autour d'un générateur laser des moyens de pompage transversal conformes à l'invention.
[065] Sur la figure 2 est représenté un dispositif 200 d'ablation laser conforme à l'invention, c'est-à-dire tel que le dispositif 202 de pompage générant la lumière alimentant la cavité 204 générant le faisceau laser est associé à ce dernier par l'intermédiaire d'une fibre 210.
[066] Par ailleurs, dans cette réalisation on considère que la surface à traiter est contaminée par un élément toxique, c'est-à-dire nocif à la santé d'un individu, de telle sorte que l'ablation de la surface provoque la formation d'une zone contaminée, à l'intérieur de laquelle l'environnement est également toxique, et d'une zone non contaminée isolée de la zone contaminée.
[067] Le dispositif 202 de pompage est situé dans une zone non contaminée 208 protégée de la zone contaminée et confinée 206 dans laquelle est situé le générateur 204. Ainsi, seule la cavité laser 204 risque d'être contaminée dans la zone 206 contaminée tandis que, dans la zone non contaminée 208, les différents éléments du dispositif 202 de pompage, et notamment ses moyens d'alimentation électrique et de refroidissement, sont protégés de toute contamination.
[068] Par ailleurs, dans la zone contaminée 206 l'ensemble du dispositif 214 d'ablation comprend, outre la cavité laser 204 , des éléments tels que des roulettes 220, permettant de déplacer cette cavité de telle sorte que le faisceau laser 216 émis ait une incidence donnée.
[069] De préférence, cette incidence est constante et avantageusement choisie normale par rapport à la surface 218 traitée. De fait, une telle incidence normale entraîne les rendements les plus élevés pour la plupart des procédés d'ablation.
[070] Le dispositif 214 peut aussi être associé à des moyens 222 de pulvérisation d'eau pour générer la présence de fines gouttelettes d'eau, ou d'un film d'eau, sur la surface traitée 218 et améliorer ainsi la performance de la décontamination si le faisceau laser a une longueur d'onde comprise dans l'UV, comme précédemment décrit.
[071] De fait, la cavité laser 204 peut émettre un faisceau laser de longueur d'onde située dans le domaine UV grâce à l'utilisation d'un cristal non linéaire 224 transformant la longueur d'onde du faisceau laser émis 216. [072] En d'autres termes, la cavité laser 204 génère un faisceau laser 216 de longueur d'onde comprise dans ou supérieure au domaine infrarouge, cette longueur d'onde étant modifiée un (ou plusieurs) cristal (cristaux) non linéaire(s) 224 avant d'atteindre la surface à traiter. [073] Un cristal non linéaire doubleur de fréquence, permettant de diviser par deux la longueur d'onde du faisceau laser, peut être utilisé. Pour diviser cette longueur d'onde par trois ou quatre, il est possible d'utiliser plusieurs cristaux non linéaires. [074] Ainsi, en considérant un laser Nd-YAG émettant un faisceau laser avec une longueur d'onde λ de 1,064 μm, on peut obtenir un faisceau laser de longueur d'onde égale à 532 nm (visible), 355 nm (proche UV) ou 266 nm (UV) en fonction de la nature du ou des cristaux utilisés. [075] La taille du faisceau laser varie avec l'application considérée; elle est typiquement de l'ordre de un à quelques millimètres. [076] Selon une "variante destinée à uniformiser la dose reçue par chaque élément de surface à traiter, on utilise un homogénéiseur qui reçoit le faisceau laser de section quasi circulaire et le transforme en un faisceau de section carré et homogène. De tels dispositifs sont connus de l'homme du métier. [077] Selon une seconde variante, généralement utilisée en combinaison avec la variante précédente, on place une tête de déviation galvanométrique sur le faisceau laser, entre d'une part soit la sortie de la cavité laser soit la sortie d'éventuels dispositifs de mise en forme ou d'homogénéisation du faisceau, s'il y a lieu, et d'autre part la surface à traiter. Un tel dispositif galvanométrique, lui aussi connu de l'homme du métier, comprend notamment deux miroirs, chacun monté sur un galvanomètre, et un dispositif de commande des galvanomètres. [078] Une telle tête galvanométrique permet de faire balayer le faisceau laser sur une surface carrée dont le côté est, par exemple, de l'ordre de cinq à dix centimètres. [079] Dans les applications de l'invention à l'industrie nucléaire, les particules sublimées sont préférentiellement récupérées par un dispositif d'aspiration 226 commandé depuis la zone non contaminée 208. Ce dispositif comprend une turbine 228 et un container 230 qui stocke les déchets de décontamination. [080] Selon une variante de l'invention, habituellement mise en œuvre dans l'industrie nucléaire, un gaz neutre est diffusé au voisinage de la surface traitée par ablation de façon à éviter des réactions chimiques telles que des réactions d'oxydation. [081] Dans une variante de l'invention, un gaz oxydant est diffusé au voisinage de la surface traitée de façon à accélérer des réactions chimiques, telles que des réactions d'oxydation. [082] Selon la réalisation de l'invention correspondant à la figure 2, la cavité laser 204 comprend un barreau de Nd-YAG, situé entre un miroir de fond de cavité 234 et un miroir semi-réfléchissant 236. Ce barreau est entouré par un circuit de refroidissement 238 dont l'alimentation 240 est située hors de la zone contaminée 206.
[083] Dans la zone non contaminée 208 est disposée l'alimentation électrique (non représentée) qui alimente différents composants du système tels que le circuit de commande des diodes laser, situé avec ces diodes dans le dispositif 202 de pompage,, l' alimentation 240 en fluide de refroidissement et son alimentation électrique, la turbine 228 d'aspiration des déchets et container 230 qui stocke les déchets de décontamination, le cas échéant, le système 222 de pulvérisation d'eau.
[084] Conformément à l'invention, les diodes laser alimentent la cavité laser 204 en énergie de pompage par intermédiaire d'un toron 210 de fibres optiques 215, l'utilisation de ces fibres optiques permettant d'optimiser ce pompage comme expliqué ultérieurement à l'aide des figures 3a et 3b.
[085] Conformément à une réalisation préférée de l'invention, les diodes laser fournissent un pompage continu, d'une puissance de plusieurs kilowatts tandis que la cavité laser crée une émission impulsionnelle avec une puissance crête de l'ordre de 400 kW et pouvant atteindre 1 MW.
[086] Aussi, il convient de noter que le faisceau transmis par les fibres optique est faiblement atténué car le rayonnement de pompage peut être transmis selon une longueur d'onde de 808 nm faiblement atténuée dans la fibre en silice de 800 μm de coeur. ,-A
[087] A ce stade, il convient de souligner qu'une atténuation est considérée comme faible lorsqu'elle ne dépasse pas 25 pour cent sur l'ensemble de la longueur de la fibre, cette longueur étant de plusieurs mètres, voire dizaines de mètres.
[088] Sur la figure 3a est représenté une cavité laser 300 comprenant un barreau laser placé à l'intérieur de la surface cylindrique 302, selon l'axe de symétrie de cette surface, éventuellement un système de déclenchement, non représenté, qui se trouve avec les diodes de pompage dans le dispositif de pompage 202, un miroir de fond de cavité 302a, d'un miroir semi-réfléchissant 302b, des connecteurs 306 placés à l'extrémité des fibres issues des diodes laser fibrées et un circuit de refroidissement schématisé par le tube d'arrivée 308
[089] Il convient de noter que ce circuit de refroidissement entoure étroitement le barreau 302 laser pour favoriser le transfert thermique, et les extrémités 306 des fibres issues des diodes de pompage sont réparties transversalement tout autour de ce barreau 302 laser pour une meilleure répartition de l'énergie de pompage.
[090] Pour cela, la faible taille de ces fibres 310 permet de rendre dense l'apport de lumière de pompage, en termes de puissance lumineuse par unité de surface du barreau 302, grâce à la faible taille de ces fibres.
[091] En d'autres termes, un nombre important de fibres peuvent être disposées autour du barreau.
[092] La longueur d'onde du faisceau émis par les diodes fibrées est choisie en fonction de la nature du barreau. Mais parmi plusieurs possibilités, on choisit celle correspondant à une faible atténuation de la fibre. Dans cette réalisation utilisant un barreau laser Nd-YAG, la longueur d'onde du faisceau d'alimentation se situe autour de 808 nm.
[093] Selon une variante de l'invention, on utilise une électrode, créant un champ électrique important, pour attirer et capter les particules sublimées sous l'effet du laser. Ces particules sont alors stockées dans un container comme dans le cas de l'aspiration.
[094] Il convient de signaler que l'invention permet l'utilisation d'un dispositif muni de fibres pouvant avoir une longueur supérieure à dix mètres étant donnée la faible atténuation du rayonnement transmis par les fibres, ce qui permet alors d'utiliser le système d'ablation dans des installations de grandes dimensions telles que les centrales nucléaires.
[095] On prévoit, dans le mode préférentiel de mise en oeuvre de l'invention, qu'un bras articulé, apte à effectuer un balayage de la surface à ablater, assure les déplacements de la cavité laser. Ce bras articulé pouvant être un robot apte à évoluer dans l'environnement considéré.
[096] En fonction des variantes de l'invention, on peut prévoir que ce bras articulé porte aussi des moyens pour aspirer les résidus d'ablation, des moyens pour confiner les gaz d'ablation au voisinage de la surface traitée, des moyens pour déplacer ces moyens de confinement le long de la surface traitée, comme par exemple des roulettes et/ou des moyens pour injecter des gaz assurant l'entraînement des résidus d'ablation.
[097] Dans une réalisation préférée de l'invention, le dispositif de nettoyage est appliqué à la décontamination des surfaces d'une cellule chaude propre à l'industrie nucléaire. Dans ce cas, on fixe le dispositif de nettoyage à l'extrémité d'un système robotisé apte à effectuer un balayage de la surface à nettoyer dans un environnement fortement radioactif.
[098] Le bras robotisé doit alors être apte à fonctionner dans le rayonnement nucléaire ambiant, par exemple en utilisant des capteurs en technologie bobinée tels que des resolvers ou des transformateurs différentiels à variation linéaire (en anglais, LVDT :Linear Variable Differential Transformer), ou encore des codeurs optiques dont tous le composants actifs sont déportés en zone non radioactive. A titre indicatif, un robot Staubli de type RX 170L convient bien à ce type d'applications. Ses capteurs de position angulaire sont des resolvers, et plus précisément l'association d'un resolver de vitesse 0 et d'un resolver de vitesse n afin d'obtenir un codage absolu, us supportent 10 rads, et en cas de besoin, les mêmes resolvers sont réalisables en version durcie. Sa motorisation est électrique pour éviter d'éventuelles fuites d'huile.
[099] Avec un faisceau laser carré de 2 mm de côté, et une tête galvanométrique assurant le balayage, une surface carrée de 10 cm de côté peut être effectuée en un temps de quelques dizaines de secondes à quelques minutes, selon la dose requise en chaque point de la surface à traiter.
[100] Le rayon d'action du robot Staubli de type RX 170L ne permet pas de maintenir le faisceau laser orthogonal à la surface à traiter à toutes les hauteurs. Au delà d'environ 2 m, il convient d'incliner progressivement le faisceau laser par rapport à cette surface, en maintenant le faisceau sur chaque point à traiter d'autant plus longtemps que l'incidence s'éloigne de la normale, de manière à ce que la dose effectivement reçue reste la même. Texte inconnu

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'ablation laser d'une surface (218) située dans une zone (206) de nettoyage, cette ablation utilisant un faisceau laser (216) émis par une cavité (204) associée à des moyens (202) de pompage fournissant un rayonnement électromagnétique à la cavité (204), caractérisé en ce qu'on associe la cavité (204) aux moyens (202) de pompage par l'intermédiaire d'une fibre optique (210) transmettant le rayonnement électromagnétique de telle sorte que ces moyens (202) de pompage soient maintenus à l'extérieur de la zone (206) de nettoyage, le rayonnement de pompage ayant une longueur d'onde faiblement atténuée dans la fibre dont la longueur est supérieure a 10 mètres.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le nettoyage s'applique à un élément toxique, par exemple radioactif, de telle sorte que la zone de nettoyage (206) est considérée comme une zone contaminée.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le faisceau laser d'ablation (216) est émis de façon impulsionnelle.
4. Procédé selon la revendication 1, 2, 3 ou 4 caractérisé en ce que le rayonnement électromagnétique de pompage est fourni de façon continue par la fibre optique (210).
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, une pluralité de fibres étant utilisée pour transmettre l'énergie de pompage, caractérisé en ce que cette énergie de pompage est diffusée transversalement par rapport à l'axe du milieu laser situé dans la cavité.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'énergie de pompage est transmise par des diodes fibrées.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on modifie la longueur d'onde du faisceau laser généré par la cavité au moyen d'au moins un cristal non linéaire (224) afin que cette longueur d'onde soit comprise dans le domaine UV.
8. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que la longueur d'onde modifiée est inférieure à 400 nm.
9. Procédé selon l'une des revendications 9 ou 10 caractérisé en ce qu'on dépose une couche de liquide ou des gouttelettes sur la surface sublimée.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la puissance moyenne délivrée par le laser est supérieure à 200 w.
11. Dispositif d'ablation laser d'une surface située dans une zone de nettoyage, cette ablation utilisant un faisceau laser émis par une cavité associée à des moyens de pompage fournissant un rayonnement électromagnétique à la cavité, caractérisé en ce qu'il comprend une fibre optique transmettant le rayonnement électromagnétique des moyens de pompage à la cavité selon l'un des procédés conformes à l'une des revendications précédentes.
12. Système robotisé d'ablation laser d'une surface comprenant un dispositif conforme à la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend un bras articulé apte à effectuer un balayage de la surface à ablater.
13. Système robotisé selon la revendication 13 caractérisé en ce que la surface à ablater est dans un environnement fortement radioactif, et en ce que le bras articulé est un robot apte a fonctionner en présence de rayonnements nucléaires ambiants.
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