WO2018229424A1 - Buse d'éjection configurée pour projeter un fluide sous la forme d'un jet convergent - Google Patents

Buse d'éjection configurée pour projeter un fluide sous la forme d'un jet convergent Download PDF

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WO2018229424A1
WO2018229424A1 PCT/FR2018/051377 FR2018051377W WO2018229424A1 WO 2018229424 A1 WO2018229424 A1 WO 2018229424A1 FR 2018051377 W FR2018051377 W FR 2018051377W WO 2018229424 A1 WO2018229424 A1 WO 2018229424A1
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WO
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chamber
ejection nozzle
intermediate chamber
fluid
nozzle
Prior art date
Application number
PCT/FR2018/051377
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English (en)
Inventor
Soriba Franciszek SYLLA
Cédric SIRE
Original Assignee
Sourcelab
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Publication date
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/005—Nozzles or other outlets specially adapted for discharging one or more gases
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G2/00—Apparatus or processes specially adapted for producing X-rays, not involving X-ray tubes, e.g. involving generation of a plasma
    • H05G2/001—X-ray radiation generated from plasma
    • H05G2/003—X-ray radiation generated from plasma being produced from a liquid or gas
    • H05G2/006—X-ray radiation generated from plasma being produced from a liquid or gas details of the ejection system, e.g. constructional details of the nozzle

Definitions

  • An ejection nozzle configured to project a fluid in the form of a convergent jet.
  • the present invention relates to a nozzle for ejecting a fluid and more particularly a gas.
  • the invention relates to an ejection device comprising such a nozzle for ejecting a gas into an enclosure.
  • the invention relates to a source of high energy particles comprising said ejection device.
  • a promising way for producing high-energy particle sources, especially for therapeutic use, is to have a high-power laser beam interact with matter in order to generate particles of high kinetic energy, of the X-ray type. or gamma rays.
  • the material must be placed in the focusing area of the laser beam.
  • the inventors therefore wish to propose a nozzle for ejecting a fluid, making it possible to locally increase the density of the fluid projected by the ejection nozzle, so as to optimize the interactions between the fluid and a laser beam.
  • the invention provides a nozzle for ejecting a fluid comprising a nozzle body, crossed between an upstream end and a downstream end by a passage, defining a plurality of chambers aligned along a longitudinal axis.
  • upstream and downstream is meant a preferred sense of flow of a fluid through the ejection nozzle.
  • the passage defines an inlet chamber, a first intermediate chamber widening towards the downstream end of the nozzle body, and a cylindrical outlet chamber into which the first intermediate chamber opens.
  • the inlet chamber defines upstream the inlet section of the nozzle while the outlet chamber defines downstream the outlet section of the nozzle.
  • the invention is characterized in that the outlet chamber extends the shape defining the largest cross section of the first intermediate chamber, and in that the length of the outlet chamber is less than 1 mm.
  • length is meant a dimension measured along the longitudinal axis.
  • this particular arrangement of the first intermediate chamber with the outlet chamber advantageously makes it possible to eject a fluid from the outlet chamber in a flow of convergent shape. More specifically, the fact that the outlet chamber extends the shape defining the end of the first intermediate chamber allows a fluid flowing divergently at the outlet of the first intermediate chamber to "ricochet" or “reflect” on the inner wall of the outlet chamber. This ricochet phenomenon favors the convergence of the fluid, which makes it possible to progressively and controllably concentrate the fluid along its direction of flow, outside the outlet chamber, to a zone extreme in which the density of the fluid is maximum. In this extreme zone, the fluid density may be of the order of 10 21 atoms per cm 3 .
  • an ejection nozzle according to the invention makes it possible to accurately confine a fluid or a gas, in a volume much smaller than the outlet chamber and located at a distance from the downstream end of the nozzle.
  • the position of this extreme zone does not vary or very slightly over time, so that the ejection nozzle according to the invention facilitates the adjustments of focusing of a laser beam on the ejected fluid, preferably at the extreme zone.
  • an ejection nozzle makes it possible to form an extreme zone which forms a gaseous target which is clearly denser and has gradients (density of gas along its propagation) that are steeper with respect to the state of the art, thus promoting a more efficient coupling (almost total energy conversion) with a high power laser beam.
  • the outlet chamber has a length less than 1 mm. It should be noted that the phenomenon of convergence of the fluid or material gas described above is no longer significant when the length of the outlet chamber is greater than 250-300 ⁇ . In these cases indeed, the recompression area of the fluid is too close to the exit of the nozzle, so that the laser can lick the nozzle and ablate its surface.
  • the outlet chamber has a minimum length to allow this "ricochet" phenomenon to be sufficiently significant to converge the jet of fluid or gas, to the outside of the ejection nozzle.
  • the minimum length of the outlet chamber is equal to or greater than 100 ⁇ .
  • the outlet chamber is as short as possible so as to move this interaction zone or plasma away from the downstream end of the ejection nozzle.
  • the inventors propose that the length of the outlet chamber be between 100 ⁇ and 200 ⁇ , preferably of the order of 150 ⁇ .
  • these indicative lengths can be adapted according to the other dimensions of the ejection nozzle, the the nature of the fluid flowing through the nozzle, its flow rate and the power of the laser beam.
  • the cross section of the outlet chamber is substantially identical to the larger cross section of the first intermediate chamber.
  • the junction between the first intermediate chamber and the outlet chamber has no edge capable of deflecting the flow of a fluid from the first intermediate chamber into the outlet chamber.
  • the cross section of the outlet chamber is identical to the largest section of the first intermediate chamber in order to amplify the phenomenon of "ricochet" of the fluid on the inner wall of the outlet chamber and, thus, obtain a narrower converging gas jet outside the ejection nozzle.
  • the first intermediate chamber widens in at least one direction transverse to the longitudinal axis.
  • the shape delimited by a cross section of the first intermediate chamber whose height and width may be different.
  • the shape delimited by a cross section of the first intermediate chamber can then be rectangular or elliptical.
  • the passage section increases along the longitudinal axis.
  • the shape delimited by a cross section of the first intermediate chamber can then be circular.
  • the first intermediate chamber forms a truncated cone whose generator defines with the longitudinal axis, an angle whose value is between 5 ° and 50 °.
  • the largest base of the truncated cone opens directly into the exit chamber.
  • the inventors have found that the value of this angle influences the concentration of the fluid along its flow outside the ejection nozzle. Indeed, an angle value tending towards 5 ° favors a lower density of material leaving the nozzle, the density of material along its flow and a radial direction to the jet of material decreases significantly faster to the extreme zone.
  • an angle value of 45 ° favors a less dense end zone of material, but the density of material along the flow of the jet of material and a radial direction to the jet decreases significantly less rapidly. to the extreme zone.
  • an ejection nozzle according to the invention makes it possible to precisely control the density of material in the extreme zone as well as the convergence angle of the jet of material to the extreme zone.
  • an angle value of the order of 45 ° is preferred by the inventors, in order to allow the realization using a known low-cost known machining techniques, of a first low intermediate chamber. dimensions with little or no roughness at its inner wall. The absence of asperity on the inner wall of the first intermediate chamber promotes a jet of better controlled material outside the ejection nozzle and therefore a more precise convergence of said jet.
  • the value of the ratio between the smallest width of the outlet chamber and the length of the passage, delimited by the first intermediate chamber and the outlet chamber is equal to or greater than at 1, preferably equal to or greater than 1.2.
  • the value of this ratio allows the first intermediate chamber to have a sufficient length to form a relatively stable divergent material jet at the outlet of said chamber.
  • the value of this ratio is between 1.5 and 5.
  • the smallest dimension of the cross section of the outlet chamber is equal to or less than 500 ⁇ , preferably of the order of 400 ⁇ .
  • the inventors have found that this allows the ricochet phenomena of the fluid on the inner wall of the outlet chamber to be sufficiently significant to ensure the convergence of the jet of material outside the ejection nozzle.
  • the phenomenon of convergence of the jet of gas described above is no longer significant when the width of the outlet chamber is greater than 900 ⁇ . In this case, if a recompression can be observed, the transverse gradient of the jet at the height of the recompression is not high enough to provide energy-efficient laser-plasma coupling at the shock level. The interest of the invention is therefore greatly reduced in this particular case.
  • the passage defines a second intermediate chamber into which the inlet chamber opens and whose passage section narrows towards the downstream end of the nozzle body.
  • the narrowing of the second intermediate chamber advantageously allows to increase the pressure of the fluid before it passes into the first intermediate chamber.
  • the passage also defines a third intermediate chamber, connecting the second intermediate chamber to the first intermediate chamber and whose shape is cylindrical.
  • the length of the third intermediate chamber is included between 100 ⁇ and 500 ⁇ , preferably it is of the order of 250 ⁇ .
  • all the cross sections of the chambers delimiting the passage are of identical shape, preferably circular, oval or rectangular.
  • the distance between the upstream end and the downstream end of the nozzle is between 5 mm and 30 mm, preferably of the order of 15 mm.
  • the invention also relates to a device for ejecting a fluid comprising an ejection nozzle as described above, the upstream end of the ejection nozzle is fluidly connected to a feed chamber. in fluid, so as to allow the ejection of a fluid present in the supply chamber through the outlet chamber.
  • the ejection device also comprises a fluid flow control means flowing through the ejection nozzle, such as a solenoid valve.
  • the ejection device comprises means for pressurizing the fluid in the feed chamber.
  • the pressurizing means is configured to allow a fluid present in the supply chamber at ambient temperature to be pressurized between 100 and 1000 bar, preferably of the order of 300 bar of pressure.
  • the feed chamber comprises cooling means for cooling the temperature of the fluid present in the feed chamber.
  • the cooling means make it possible to precisely control the temperature of a fluid ejected from the ejection nozzle.
  • the cooling means comprise at least one heat exchanger configured to cool the interior of the feed chamber with a liquid nitrogen refrigerating fluid. The cooling means make it possible to lower the thermal energy of the material contained in the fluid in order to produce a greater density and better energy coupling with a laser beam focused on the fluid ejected by the ejection nozzle.
  • the invention also relates to a source of high energy particles comprising an ejection device as described above, a laser source and means for focusing a laser beam emitted by the laser source, such as focusing the laser beam in an extreme zone in which the density of fluid ejected by the ejection nozzle is maximum.
  • the laser source is a laser source of high power, that is to say, peak power of several terawatts to several petawatts.
  • the invention proposes a source of high energy particles, focusing a laser beam on a gas thrown by the ejection nozzle, whose power and efficiency are much better than they would be for a simple jet of unstructured gas.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an ejection nozzle according to the invention
  • FIG. 2 shows a cross section of the ejection nozzle illustrated in Figure 1;
  • FIG. 3 represents an enlarged zone A of an ejection nozzle illustrated in FIG. 2;
  • FIGS. 4A to 4C show density measurements of a nitrogen flow projected by an ejection nozzle illustrated in FIG. 1;
  • FIGS. 5A to 5C show density measurements of a nitrogen flow projected by another example of an ejection nozzle according to the invention
  • FIG. 6 represents a source of high energy particles comprising an ejection nozzle illustrated in FIGS. 1 to 3.
  • the invention aims to provide a nozzle for ejecting a fluid, making it possible to locally increase the density of the fluid projected by the ejection nozzle, so as to optimize the interactions between the fluid and a fluid.
  • laser beam The invention also aims to provide a source of high energy particles, focusing a laser beam on a gas thrown by the ejection nozzle, which is of higher power and better performance.
  • an ejection nozzle 100 comprises a nozzle body 110 defining a passage 112 extending between an upstream end 114 and a downstream end 116 of the nozzle. More specifically, the upstream and downstream ends are delimited by two opposite faces of the ejection nozzle. As a reminder, the terms “upstream” and “downstream” means the direction of flow of a fluid through the ejection nozzle 100.
  • the passage 112 is delimited by several chambers aligned along a longitudinal axis 118.
  • the various chambers making up the passage 112 are presented in their order of arrangement from the upstream end 114 to the downstream end 116.
  • the passage 112 is delimited by an inlet chamber 120 whose inner wall 122 defines a straight cylinder extending between an opening 124 opening at the upstream end 114 of the ejection nozzle 100, and an opening 134 opening into a second intermediate chamber 130.
  • the second intermediate chamber 130 is defined by an inner wall 132 defining a right circular cone trunk extending between the opening 124 forming its largest base, and an opening 134 defining its small based.
  • the opening 134 has a circular passage section whose diameter is between 30 ⁇ and 500 ⁇ . According to the present example, the value of this diameter is equal to 200 ⁇ .
  • the generatrix defining the inner wall 132 forms with the longitudinal axis 118 an angle of between 10 ° and 60 °. According to the present example, the value of this angle is 59 °.
  • the opening 134 is common to a third intermediate chamber 140 whose inner wall 142 defines a right cylinder extending to an opening 144 of shape circular and whose diameter is identical to the opening 134.
  • the length of the third intermediate chamber 140 is between 0 ⁇ and 500 ⁇ .
  • length is meant a collinear dimension to the longitudinal axis 118. According to the present example, the length of the third intermediate chamber 150 is equal to 240 ⁇ .
  • the opening 144 opens into a first intermediate chamber 150 whose internal wall 152 defines a right circular cone frustum whose small base is delimited by the opening 144.
  • the largest base of the first intermediate chamber 150 forms a opening 154 opening into an outlet chamber 160.
  • the openings 144 and 154 are separated by a distance of between 300 ⁇ and 1 mm. According to the present example, this distance is equal to 570 ⁇ .
  • the generatrix defining the inner wall 152 forms with the longitudinal axis 118 an angle ⁇ between 5 ° and 45 °. According to the present example, the value of this angle is 10 °.
  • the outlet chamber 160 is delimited by an inner wall 162 defining a straight cylinder extending between the opening 154 and an opening 164 opening on the downstream end 116 of the ejection nozzle.
  • the wall 162 forms a right angle with an outer face 117 delimiting the downstream end 116 of the ejection nozzle 100.
  • the openings 154 and 164 have circular sections whose diameter is between 100 ⁇ and 900 ⁇ . According to the present example, the diameter of these openings is equal to 400 ⁇ .
  • the length of the outlet chamber 160 delimited by said openings is between 100 ⁇ 250 ⁇ . According to the present example, this distance is equal to 150 ⁇ .
  • the chambers described above are aligned with the longitudinal axis 118 so as to form a rectilinear passage whose section varies along said passage 112.
  • the nozzle body 110, delimiting the passage 112, is made from a metal alloy such as stainless steel or composite.
  • FIGS. 4A to 4C now illustrate density measurements of a nitrogen stream flowing from the ejection nozzle 100 at a pressure of 400 bar.
  • the measurements appearing in FIGS. 4A to 4C were carried out using a sensor marketed under the reference “SID4-Density” by the company “Phasics”, coupled with a "SL-GT-10" treatment device marketed by the applicant whose characteristics are described more precisely at the following link: http://www.sourcelab-plasma.com/sourcelab-products/gas- targetry /.
  • FIG. 4A and 4B indicates the spacing of the target relative to the longitudinal axis 118 and the ordinate axis shown in Figures 4A and 4C indicates the distance traveled by the stream of material from the outer face 117 of the ejection nozzle 100.
  • FIGS. 5A to 5C illustrate measurements of density of a nitrogen flow carried out under the same conditions as for FIGS. 4A to 4C, at the outlet of an ejection nozzle, which is different from the previous example in that the value of the angle ⁇ is equal to 45 °.
  • These measurements show the possibility of modifying the density of material along the flow of the fluid (see FIG. 5C) and in a direction transverse to this flow (see FIG. 5B), as well as the convergence angle of this flow up to at an extreme zone 119, in particular by varying the value of the angle ⁇ .
  • a lower convergence angle of the jet of material towards the end zone 119 is favored, which also makes it possible to remove this end zone 119 at a greater distance from the ejection nozzle to prevent premature wear of the nozzle by the laser beam and / or the plasma generated by said beam at the extreme zone.
  • the inlet chamber 120 can lead directly into the first intermediate chamber 150 or into the third intermediate chamber 140 without significantly modifying the results described above.
  • the invention also relates to a source of high energy particles 200 illustrated in FIG. 6.
  • the particle source 200 comprises an ejection device 210 comprising a gas supply chamber 212.
  • the feed chamber may be pressurized or fluidly connected to a compressor (not shown in the figures) to maintain a constant pressure in said chamber.
  • One end 214 of the supply chamber is fluidly connected with the opening 124 of an ejection nozzle 100 described above, so as to allow the flow of a gas 216 contained in the feed chamber through the passage 112 formed by the ejection nozzle 100.
  • the feed chamber 212 comprises cooling means 218 for cooling the temperature of the gas 216 present in the feed chamber 212.
  • the cooling means 218 designate a heat exchanger in which circulates a liquid nitrogen refrigerating fluid 219.
  • the particle source 200 also comprises a laser source 220 and focusing means 222 of a laser beam 224 emitted by the laser source 220, so as to focus the laser beam 224 in an extreme zone 226 in which it concentrates.
  • the gas 216 ejected by the ejection nozzle 100 at a density of the order of 10 21 atoms per cm 3 .
  • the gas 216 contained in the feed chamber 212 is typically helium or hydrogen.
  • the gas 216 is maintained at a pressure of the order of 300 bars before flowing through the ejection nozzle 100.
  • the laser source 220 has a peak power of several terawatt to several petawatts.
  • the focusing means are configured to focus the laser beam 224 emitted by the laser source 220 in the extreme zone 226 where the gas density 216 is the largest in front of the downstream end 116 of the ejection nozzle 100 (see also FIGS. 4A to 4C).
  • the source of particles 200 is capable of emitting high energy particles 228 of a few hundred keV to several tens of MeV.
  • the invention thus proposes a new type of nozzle for ejecting a fluid, more precisely a gas, making it possible to concentrate the gas in a confined and fixed zone over time, in order to increase the power. as well as the efficiency of a source of high energy particles, focusing a high power laser on a target of gaseous material.

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Abstract

L'invention concerne une buse d'éjection configurée pour projeter un fluide sous la forme d'un jet convergent. Pour cela, l'invention propose une buse d'éjection(100) comprenant un corps de buse (110) délimitant un passage (112) entre une extrémité amont (114) et une extrémité aval (116) de la buse. Le passage (112) délimite plusieurs chambres alignées selon un axe longitudinal (118), dont une chambre d'entrée (120), une première chambre intermédiaire (150) s'élargissant en direction de l'extrémité aval (116), et une chambre de sortie (160) de forme cylindrique dans laquelle débouche la première chambre intermédiaire (150). La chambre de sortie (160) prolonge la forme délimitant la plus grande section transversale de la première chambre intermédiaire (150) et la longueur de la chambre de sortie (160) est inférieure à 1mm.

Description

Buse d'éjection configurée pour projeter un fluide sous la forme d'un jet convergent.
Domaine technique
[01] La présente invention concerne une buse d'éjection d'un fluide et plus particulièrement d'un gaz. Dans une application préférée, mais non exclusive, l'invention se rapporte à un dispositif d'éjection comprenant une telle buse pour éjecter un gaz dans une enceinte. Dans un mode de réalisation particulier, l'invention concerne une source de particules à forte énergie comprenant ledit dispositif d'éjection.
État de la technique
[02] Une voie prometteuse pour la réalisation de sources de particules à forte énergie, notamment à usage thérapeutique, consiste à faire interagir un faisceau laser de forte puissance avec de la matière afin de générer des particules à forte énergie cinétique, de type rayons X ou rayons gamma.
[03] Pour optimiser le rendement de la source de particules, la matière doit être placée dans la zone de focalisation du faisceau laser. On opte généralement pour l'utilisation d'une cible solide qui offre l'avantage de permettre de contrôler précisément la position de la matière par rapport au faisceau laser. Les réglages de focalisation du faisceau laser sur la matière s'en trouvent alors facilité.
[04] Toutefois, l'utilisation d'une cible solide nécessite l'utilisation d'une quantité de matière conséquente pour obtenir une cible de densité suffisante. D'autre part, la focalisation du faisceau laser sur la cible entraine localement une consommation rapide de matière et donc une usure irrégulière de la cible. Il s'avère alors nécessaire de déplacer fréquemment la cible afin d'uniformiser son usure. Cela implique des manipulations fastidieuses qui sont susceptibles de modifier la position de la cible par rapport au point de focalisation du faisceau laser et donc la puissance de la source de particules. De plus, le temps de déplacement ou de repositionnement de la cible solide induit un certain temps de cycle.
[05] Au vu de ces diverses contraintes, une alternative consiste à faire interagir le faisceau laser avec de la matière sous forme gazeuse. Cette alternative est nettement plus économique en raison de la quantité bien moindre de matière nécessaire. Elle offre également l'avantage de pouvoir utiliser, à température ambiante, une plus grande variété d'éléments chimiques. Néanmoins, la densité d'interaction entre un faisceau laser et une cible gazeuse est nettement moindre qu'avec une cible solide. C'est pourquoi l'utilisation d'une cible solide est de nos jours privilégiée pour réaliser des sources de particules de forte puissance, en dépit des inconvénients mentionnés ci-dessus.
[06] Les inventeurs souhaitent donc proposer une buse d'éjection d'un fluide, permettant d'augmenter localement la densité du fluide projeté par la buse d'éjection, de manière à optimiser les interactions entre le fluide et un faisceau laser. Description de l'invention
[07] Pour cela, l'invention propose une buse d'éjection d'un fluide comprenant un corps de buse, traversé entre une extrémité amont et une extrémité aval par un passage, délimitant plusieurs chambres alignées selon un axe longitudinal. Par les termes « amont » et « aval », on entend un sens privilégié d'écoulement d'un fluide à travers la buse d'éjection. Le passage délimite une chambre d'entrée, une première chambre intermédiaire s'élargissant en direction de l'extrémité aval du corps de buse, et une chambre de sortie de forme cylindrique dans laquelle débouche la première chambre intermédiaire. La chambre d'entrée délimite en amont la section d'entrée de la buse tandis que la chambre de sortie délimite en aval la section de sortie de la buse.
[08] L'invention se caractérise en ce que la chambre de sortie prolonge la forme délimitant la plus grande section transversale de la première chambre intermédiaire, et en ce que la longueur de la chambre de sortie est inférieure à 1 mm. Par le terme « longueur », on entend une dimension mesurée selon l'axe longitudinal.
[09] Les inventeurs ont constaté que cet agencement particulier de la première chambre intermédiaire avec la chambre de sortie permet avantageusement d'éjecter un fluide de la chambre de sortie selon un écoulement de forme convergente. Plus précisément, le fait que la chambre de sortie prolonge la forme délimitant l'extrémité de la première chambre intermédiaire permet à un fluide s'écoulant de façon divergente à la sortie de la première chambre intermédiaire de « ricocher » ou de se « réfléchir » sur la paroi interne de la chambre de sortie. Ce phénomène de ricochet favorise la convergence du fluide, ce qui permet de concentrer progressivement et de façon contrôlée le fluide le long de sa direction d'écoulement, à l'extérieur de la chambre de sortie, jusqu'à une zone extrême dans laquelle la densité du fluide est maximale. Dans cette zone extrême, la densité de fluide peut être de l'ordre de 1021 atomes par cm3.
[10] Autrement dit, une buse d'éjection selon l'invention permet de confiner précisément un fluide ou un gaz, dans un volume nettement plus petit que la chambre de sortie et situé à distance de l'extrémité aval de la buse. Pour un même débit de fluide s'écoulant de la buse d'éjection, la position de cette zone extrême ne varie pas ou bien très légèrement au cours du temps, de sorte que la buse d'éjection selon l'invention facilite les réglages de focalisation d'un faisceau laser sur le fluide éjecté, de préférence au niveau de la zone extrême.
[11] De façon avantageuse, une buse d'éjection selon l'invention permet de former une zone extrême qui forme une cible gazeuse nettement plus dense et présentant des gradients (densité de gaz le long de sa propagation) plus raides par rapport à l'état de la technique, favorisant ainsi un couplage plus efficace (conversion d'énergie quasi totale) avec un faisceau laser de forte puissance. Afin que cette zone extrême se situe en dehors de la buse d'éjection, la chambre de sortie à une longueur inférieure à 1 mm. Il est à noter que le phénomène de convergence du fluide ou gaz de matière décrit ci-dessus n'est plus significatif lorsque la longueur de la chambre de sortie est supérieure à 250- 300μιη. Dans ces cas en effet, la zone de recompression du fluide se trouve trop proche de la sortie de la buse, si bien que le laser peut lécher la buse et ablater sa surface.
[12] Les inventeurs ont pu observer qu'il est préférable que la chambre de sortie ait une longueur minimale pour permettre à ce phénomène de « ricochet » d'être suffisamment significatif pour faire converger le jet de fluide ou de gaz, à l'extérieur de la buse d'éjection. De préférence, la longueur minimale de la chambre de sortie est égale ou supérieure à 100 μιη.
[13] D'autre part, afin de limiter une usure précoce de l'extrémité aval de la buse d'éjection, par exemple par l'énergie émise due à l'interaction du jet de gaz avec un faisceau laser de forte puissance, il est préférable que la chambre de sortie soit la plus courte possible de sorte à éloigner cette zone d'interaction ou plasma de l'extrémité aval de la buse d'éjection. Afin de satisfaire ces deux conditions mentionnées ci-dessus, les inventeurs proposent que la longueur de la chambre de sortie soit comprise entre 100 μιη et 200 μιη, de préférence de l'ordre de 150 μιη. Bien entendu, ces longueurs indicatives peuvent être adaptées en fonction des autres dimensions de la buse d'éjection, de la nature du fluide s'écoulant à travers la buse, de son débit et de la puissance du faisceau laser.
[14] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la section transversale de la chambre de sortie est sensiblement identique à la plus grande section transversale de la première chambre intermédiaire. En d'autres termes, la jonction entre la première chambre intermédiaire et la chambre de sortie ne comporte pas de bord susceptible de dévier l'écoulement d'un fluide de la première chambre intermédiaire dans la chambre de sortie. De préférence, la section transversale de la chambre de sortie est identique à la plus grande section de la première chambre intermédiaire afin d'amplifier le phénomène de « ricochet » du fluide sur la paroi interne de la chambre de sortie et, ainsi, obtenir un jet de gaz convergent plus étroit à l'extérieur de la buse d'éjection.
[15] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la première chambre intermédiaire s'élargit selon au moins une direction transversale à l'axe longitudinal. En d'autres termes, la forme délimitée par une section transversale de la première chambre intermédiaire dont la hauteur et la largeur peuvent être différentes. La forme délimitée par une section transversale de la première chambre intermédiaire peut alors être rectangulaire ou elliptique.
[16] Selon une variante de réalisation préférée de l'invention, la section de passage augmente le long de l'axe longitudinal. La forme délimitée par une section transversale de la première chambre intermédiaire peut alors être circulaire.
[17] Selon une alternative préférée, la première chambre intermédiaire forme un cône tronqué dont la génératrice délimite avec l'axe longitudinal, un angle dont la valeur est comprise entre 5° et 50°. La plus grande base du cône tronqué débouche directement dans la chambre de sortie. Les inventeurs ont pu constater que la valeur de cet angle influence sur la concentration du fluide le long de son écoulement à l'extérieur de la buse d'éjection. En effet, une valeur d'angle tendant vers 5° favorise une densité plus faible de matière en sortie de la buse, la densité de matière le long de son écoulement et une direction radiale au jet de matière décroît nettement plus rapidement jusqu'à la zone extrême. À l'inverse, une valeur d'angle tendant vers 45° favorise une zone extrême moins dense en matière, mais la densité de matière le long de l'écoulement du jet de matière et une direction radiale au jet décroît nettement moins rapidement jusqu'à la zone extrême. Ainsi, en fonction de la valeur de l'angle choisie, une buse d'éjection selon l'invention permet de contrôler précisément la densité de matière dans la zone extrême ainsi que l'angle de convergence du jet de matière jusqu'à la zone extrême.
[18] Une valeur d'angle de l'ordre de 45° est toutefois privilégiée par les inventeurs, afin de permettre la réalisation à l'aide de techniques d'usinage connues et à faible coût, d'une première chambre intermédiaire de faibles dimensions comportant peu ou pas d'aspérité au niveau de sa paroi interne. L'absence d'aspérité sur la paroi interne de la première chambre intermédiaire favorise un jet de matière mieux contrôlé à l'extérieur de la buse d'éjection et donc une convergence plus précise dudit jet.
[19] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la valeur du rapport entre la plus petite largeur de la chambre de sortie et la longueur du passage, délimité par la première chambre intermédiaire et la chambre de sortie, est égale ou supérieure à 1, de préférence égale ou supérieure à 1,2. La valeur de ce rapport permet à la première chambre intermédiaire d'avoir une longueur suffisante pour former un jet de matière divergent relativement stable à la sortie de ladite chambre. De préférence, afin de réduire l'encombrement de la buse d'éjection tout en préservant ses qualités de convergence d'un jet de matière à l'extérieur de ladite buse, la valeur de ce rapport est comprise entre 1,5 et 5.
[20] Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la plus petite dimension de la section transversale de la chambre de sortie est égale ou inférieure à 500 μιη, de préférence de l'ordre de 400 μιη. Les inventeurs ont constaté que cela permet aux phénomènes de ricochet du fluide sur la paroi interne de la chambre de sortie d'être suffisamment significatifs pour assurer la convergence du jet de matière à l'extérieur de la buse d'éjection. Il est à noter que le phénomène de convergence du jet de gaz décrit ci- dessus n'est plus significatif lorsque la largeur de la chambre de sortie est supérieure à 900μιη. Dans ce cas, si une recompression peut être observée, le gradient transverse du jet à la hauteur de la recompression n'est pas assez élevé pour assurer un couplage laser- plasma efficace en énergie au niveau du choc. L'intérêt de l'invention est donc fortement réduit dans ce cas particulier.
[21] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le passage délimite une deuxième chambre intermédiaire dans laquelle débouche la chambre d'entrée et dont la section de passage rétrécit en direction de l'extrémité aval du corps de buse. Le rétrécissement de la deuxième chambre intermédiaire permet avantageusement d'augmenter la pression du fluide avant son passage dans la première chambre intermédiaire.
[22] Selon une variante de réalisation de l'invention, le passage délimite également une troisième chambre intermédiaire, reliant la deuxième chambre intermédiaire à la première chambre intermédiaire et dont la forme est cylindrique. De préférence, afin d'être de longueur suffisante pour permettre une homogénéisation du flux de gaz préalablement à sa détente dans la première chambre intermédiaire, tout en limitant l'encombrement de la buse d'éjection, la longueur de la troisième chambre intermédiaire est comprise entre 100 μιη et 500 μιη, de préférence elle est de l'ordre de 250 μιη.
[23] Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, toutes les sections transversales des chambres délimitant le passage sont de forme identique, de préférence circulaire, ovale ou rectangulaire.
[24] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la distance entre l'extrémité amont et l'extrémité aval de la buse est comprise entre 5 mm et 30 mm, de préférence de l'ordre de 15 mm.
[25] Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation mentionnées ci-dessus peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
[26] L'invention porte également sur un dispositif d'éjection d'un fluide comprenant une buse d'éjection telle que décrite ci-dessus, l'extrémité amont de la buse d'éjection est connectée fluidiquement à une chambre d'alimentation en fluide, de manière à permettre l'éjection d'un fluide présent dans la chambre d'alimentation par la chambre de sortie.
[27] Selon une variante de réalisation, le dispositif d'éjection comporte également un moyen de contrôle du débit du fluide s'écoulant à travers la buse d'éjection, comme une électrovanne.
[28] Selon une autre variante de réalisation, le dispositif d'éjection comprend un moyen de mise en pression du fluide dans la chambre d'alimentation. De préférence, le moyen de mise en pression est configuré pour permettre qu'un fluide présent dans la chambre d'alimentation à température ambiante, puisse être pressurisé entre 100 et 1000 bars, de préférence de l'ordre de 300 bars de pression. [29] Selon une alternative, la chambre d'alimentation comprend des moyens de refroidissement permettant de refroidir la température du fluide présent dans la chambre d'alimentation. Les moyens de refroidissement permettent de contrôler précisément la température d'un fluide éjecté de la buse d'éjection. De préférence, les moyens de refroidissement comprennent au moins un échangeur thermique configuré pour refroidir l'intérieur de la chambre d'alimentation à l'aide d'un fluide frigorifique de type azote liquide. Les moyens de refroidissement permettent d'abaisser l'énergie thermique de la matière contenue dans le fluide afin de produire une plus grande densité et un meilleur couplage en énergie avec un faisceau laser focalisé sur le fluide éjecté par la buse d'éjection.
[30] L'invention porte aussi sur une source de particules à forte énergie comprenant un dispositif d'éjection tel que décrit ci-dessus, une source laser et des moyens de focalisation d'un faisceau laser émis par la source laser, de manière à focaliser le faisceau laser dans une zone extrême dans laquelle la densité de fluide éjecté par la buse d'éjection est maximale. De préférence, la source laser est une source laser de forte puissance, c'est-à-dire de puissance crête de quelques térawatts à plusieurs pétawatts. Ainsi, l'invention propose une source de particules à forte énergie, focalisant un faisceau laser sur un gaz projeté par la buse d'éjection, dont la puissance et le rendement sont bien meilleurs à ce qu'ils ne seraient pour un simple jet de gaz non structuré.
Description des figures
[31] Par ailleurs, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description ci-dessous, effectuée en référence aux dessins qui illustrent une forme non limitative de réalisation d'une buse d'éjection conforme à l'invention :
- la figure 1 représente une vue en perspective d'une buse d'éjection selon l'invention ;
- la figure 2 représente une coupe transversale de la buse d'éjection illustrée à la figure 1 ;
- la figure 3 représente une zone agrandie A d'une buse d'éjection illustrée à la figure 2 ;
- les figures 4A à 4C représentent des mesures de densité d'un flux d'azote projeté par une buse d'éjection illustrée à la figure 1 ;
- les figures 5A à 5C représentent des mesures de densité d'un flux d'azote projeté par un autre exemple de buse d'éjection selon l'invention ; - la figure 6 représente une source de particules à forte énergie comprenant une buse d'éjection illustrée aux figures 1 à 3.
Description détaillée de l'invention
[32] Pour rappel, l'invention vise à offrir une buse d'éjection d'un fluide, permettant d'augmenter localement la densité du fluide projeté par la buse d'éjection, de manière à optimiser les interactions entre le fluide et un faisceau laser. L'invention vise également à proposer une source de particules à forte énergie, focalisant un faisceau laser sur un gaz projeté par la buse d'éjection, qui soit de plus forte puissance et de meilleur rendement.
[33] Comme illustré à la figure 1, une buse d'éjection 100 selon l'invention comprend un corps de buse 110 délimitant un passage 112 s'étendant entre une extrémité amont 114 et une extrémité aval 116 de la buse. Plus précisément, les extrémités amont et aval sont délimitées par deux faces opposées de la buse d'éjection. Pour rappel, par les termes « amont » et « aval », on entend le sens d'écoulement d'un fluide à travers la buse d'éjection 100.
[34] Comme illustré aux figures 2 et 3, le passage 112 est délimité par plusieurs chambres alignées selon un axe longitudinal 118. Les différentes chambres composant le passage 112 sont présentées dans leur ordre d'agencement de l'extrémité amont 114 à l'extrémité aval 116. Le passage 112 est délimité par une chambre d'entrée 120 dont la paroi interne 122 délimite un cylindre droit s'étendant entre une ouverture 124 débouchant au niveau de l'extrémité amont 114 de la buse d'éjection 100, et une ouverture 134 débouchant dans une deuxième chambre intermédiaire 130.
[35] Comme illustré à la figure 3, la deuxième chambre intermédiaire 130 est délimitée par une paroi interne 132 définissant un tronc de cône circulaire droit s'étendant entre l'ouverture 124 formant sa plus grande base, et une ouverture 134 définissant sa petite base. L'ouverture 134 présente une section de passage de forme circulaire dont le diamètre est compris entre 30μιη et 500μιη. Selon le présent exemple, la valeur de ce diamètre est égale à 200 μιη. La génératrice définissant la paroi interne 132 forme avec l'axe longitudinal 118 un angle a compris entre 10° et 60°. Selon le présent exemple, la valeur de cet angle est de 59°.
[36] L'ouverture 134 est commune à une troisième chambre intermédiaire 140 dont la paroi interne 142 définit un cylindre droit s'étendant jusqu'à une ouverture 144 de forme circulaire et dont le diamètre est identique à l'ouverture 134. La longueur de la troisième chambre intermédiaire 140 est comprise entre 0 μιη et 500 μιη. Par le terme « longueur », on entend une dimension colinéaire à l'axe longitudinal 118. Selon le présent exemple, la longueur de la troisième chambre intermédiaire 150 est égale à 240 μιη.
[37] L'ouverture 144 débouche dans une première chambre intermédiaire 150 dont la paroi interne 152 délimite un tronc de cône circulaire droit dont la petite base est délimitée par l'ouverture 144. La plus grande base de la première chambre intermédiaire 150 forme une ouverture 154 débouchant dans une chambre de sortie 160. Les ouvertures 144 et 154 sont séparées d'une distance comprise entre 300 μιη et 1 mm. Selon le présent exemple, cette distance est égale à 570 μιη. La génératrice définissant la paroi interne 152 forme avec l'axe longitudinal 118 un angle β compris entre 5° et 45°. Selon le présent exemple, la valeur de cet angle est de 10°.
[38] La chambre de sortie 160 est délimitée par une paroi interne 162 définissant un cylindre droit s'étendant entre l'ouverture 154 et une ouverture 164 débouchant sur l'extrémité aval 116 de la buse d'éjection. La paroi 162 forme un angle droit avec une face extérieure 117 délimitant l'extrémité aval 116 de la buse d'éjection 100. Les ouvertures 154 et 164 présentent des sections circulaires dont le diamètre est compris entre 100 μιη et 900 μιη. Selon le présent exemple, le diamètre de ces ouvertures est égal à 400 μιη. La longueur de la chambre de sortie 160 délimitée par lesdites ouvertures est comprise entre 100 μιηθΐ 250 μιη. Selon le présent exemple, cette distance est égale à 150 μιη.
[39] Les chambres décrites ci-dessus sont alignées avec l'axe longitudinal 118 de manière à former un passage rectiligne dont la section varie le long dudit passage 112. Le corps de buse 110, délimitant le passage 112, est réalisé à partir d'un alliage métallique comme de l'acier inoxydable ou composite.
[40] Les figures 4A à 4C illustrent à présent des mesures de densité d'un flux d'azote s'écoulant de la buse d'éjection 100 à une pression de 400 bars. Les mesures figurant sur les figures 4A à 4C ont été réalisées à l'aide d'un capteur commercialisé sous la référence « SID4-Density » par la société « Phasics », couplé à un dispositif de traitement « SL-GT- 10 » commercialisé par le demandeur dont les caractéristiques sont décrites plus précisément au lien suivant : http://www.sourcelab-plasma.com/sourcelab-products/gas- targetry/. L'axe des abscisses présent entre les figures 4A et 4B indique l'écartement de la cible par rapport à l'axe longitudinal 118 et l'axe des ordonnées présent sur les figures 4A et 4C indique la distance parcourue par le jet de matière depuis la face extérieure 117 de la buse d'éjection 100. Ces mesures démontrent que la buse d'éjection 100 décrite ci- dessus permet avantageusement de contrôler précisément à l'extérieur de la buse d'éjection, la densité de matière le long de l'écoulement du fluide (voir figure 4C) et selon une direction transverse à cet écoulement (voir figure 4B), ainsi que l'angle de convergence de cet écoulement jusqu' à une zone extrême 119.
[41] Les figures 5A à 5C illustrent des mesures de densité d'un flux d'azote réalisées dans les mêmes conditions que pour les figures 4A à 4C, à la sortie d'une buse d'éjection se distinguant de l'exemple précédent en ce que la valeur de l'angle β est égale à 45°. Ces mesures montrent la possibilité de modifier la densité de matière le long de l'écoulement du fluide (voir figure 5C) et selon une direction transverse à cet écoulement (voir figure 5B), ainsi que l'angle de convergence de cet écoulement jusqu' à une zone extrême 119 en faisant notamment varier la valeur de l'angle β. Plus précisément, en augmentant la valeur de l'angle β par rapport à l'exemple décrit ci-dessus, on favorise un angle de convergence plus faible du jet de matière en direction de la zone extrême 119 ce qui permet également d'éloigner cette zone extrême 119 à une plus grande distance de la buse d'éjection afin de prévenir d'une usure prématurée de la buse par le faisceau laser et/ou le plasma généré par ledit faisceau au niveau de la zone extrême.
[42] Il est à noter que l'exemple décrit ci-dessus n'est pas limitatif de sorte qu'il est envisageable de réaliser d'autres modes de réalisation non décrits, dans lesquels la deuxième et/ou la troisième chambre intermédiaire ne sont pas présentes. Autrement dit, la chambre d'entrée 120 peut déboucher directement dans la première chambre intermédiaire 150 ou dans la troisième chambre intermédiaire 140, sans que cela modifie de façon significative les résultats décrits ci-dessus.
[43] L'invention porte également sur une source de particules 200 à forte énergie illustrée à la figure 6. La source de particules 200 comprend un dispositif d'éjection 210 comportant une chambre d'alimentation 212 en gaz. La chambre d'alimentation peut être mise sous pression ou bien connectée fluidiquement à un compresseur (non représenté sur les figures) pour maintenir une pression constante dans ladite chambre. Une extrémité 214 de la chambre d'alimentation est connectée fluidiquement avec l'ouverture 124 d'une buse d'éjection 100 décrite ci-dessus, de manière à permettre l'écoulement d'un gaz 216 contenu dans la chambre d'alimentation à travers le passage 112 formé par la buse d'éjection 100. La chambre d'alimentation 212 comprend des moyens de refroidissement 218 permettant de refroidir la température du gaz 216 présent dans la chambre d'alimentation 212. Selon le présent exemple, les moyens de refroidissement 218 désignent un échangeur thermique dans lequel circule un fluide frigorifique 219 de type azote liquide.
[44] La source de particules 200 comprend également une source laser 220 et des moyens de focalisation 222 d'un faisceau laser 224 émis par la source laser 220, de manière à focaliser le faisceau laser 224 dans une zone extrême 226 dans laquelle se concentre le gaz 216 éjecté par la buse d'éjection 100 à une densité de l'ordre de 1021 atomes par cm3. Selon le présent exemple, le gaz 216 contenu dans la chambre d'alimentation 212 est de l'hélium ou de l'hydrogène typiquement. Le gaz 216 est maintenu à une pression de l'ordre de 300 bars avant de s'écouler à travers la buse d'éjection 100. La source laser 220 est de puissance crête de de quelque térawatt à plusieurs pétawatts. Les moyens de focalisation sont configurés pour focaliser le faisceau laser 224 émis par la source laser 220 dans la zone 226 extrême où la densité de gaz 216 est la plus importante devant l'extrémité aval 116 de la buse d'éjection 100 (voir également figures 4A à 4C). Ainsi, la source de particules 200 est apte à émettre des particules 228 de forte énergie de quelques centaines de keV à plusieurs dizaines de MeV.
[45] L'invention propose ainsi un nouveau type de buse d'éjection d'un fluide, plus précisément d'un gaz, permettant de concentrer le gaz dans une zone confinée et fixe au cours du temps, afin d'augmenter la puissance ainsi que le rendement d'une source de particules à forte énergie, focalisant un laser de forte puissance sur une cible de matière sous forme gazeuse.

Claims

REVENDICATIONS
1. Buse d'éjection (100) d'un fluide comprenant un corps de buse (110), traversé entre une extrémité amont (114) et une extrémité aval (116) par un passage (112) délimitant plusieurs chambres alignées selon un axe longitudinal (118), dont une chambre d'entrée (120), une première chambre intermédiaire (150) s'élargissant en direction de l'extrémité aval (116), et une chambre de sortie (160) de forme cylindrique dans laquelle débouche la première chambre intermédiaire (150), caractérisée en ce que la chambre de sortie (160) prolonge la forme délimitant la plus grande section transversale de la première chambre intermédiaire (150), et en ce que la longueur de la chambre de sortie (160) est inférieure à 1 mm.
2. Buse d'éjection (100) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la section transversale de la chambre de sortie (160) est identique ou supérieure à la plus grande section transversale de la première chambre intermédiaire (150).
3. Buse d'éjection (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première chambre intermédiaire (150) s'élargit selon au moins une direction transversale à l'axe longitudinal (118).
4. Buse d'éjection (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la section de passage de la première chambre intermédiaire (150) s'élargit le long de l'axe longitudinal (118).
5. Buse d'éjection (100) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la première chambre intermédiaire (150) forme un cône tronqué dont la génératrice délimite avec l'axe longitudinal (118), un angle (β) dont la valeur est comprise entre 5° et 50°.
6. Buse d'éjection (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la valeur du rapport entre la plus petite largeur de la chambre de sortie (160) et la longueur du passage (112), délimité par la première chambre intermédiaire (150) et la chambre de sortie (160), est égale ou inférieure à 1,1.
7. Buse d'éjection selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la plus petite dimension d'une section transversale de la chambre de sortie (160) est égale ou inférieure à 500 μιη
8. Buse d'éjection (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le passage (112) délimite une deuxième chambre intermédiaire (130) dans laquelle débouche la chambre d'entrée (120) et dont la section de passage rétrécit en direction de l'extrémité aval (116) du corps de buse (110).
9. Buse d'éjection (100) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le passage (112) délimite une troisième chambre intermédiaire (140), reliant la deuxième chambre intermédiaire (130) à la première chambre intermédiaire (150) et dont la forme est cylindrique.
10. Buse d'éjection (100) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la longueur de la troisième chambre intermédiaire (140) est comprise entre 100 μιη et 500 μιη.
11. Buse d'éjection (100) selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que toutes les sections transversales des chambres délimitant le passage (112) sont de forme identique, de préférence circulaire, ovale ou rectangulaire.
12. Buse d'éjection (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la distance entre l'extrémité amont (114) et l'extrémité aval (116) de la buse d'éjection (100) est comprise entre 5 mm et 30 mm, de préférence de l'ordre de 15 mm.
13. Dispositif d'éjection (210) d'un fluide comprenant une buse d'éjection (100) selon l'une des revendications précédentes, l'extrémité amont (114) de la buse d'éjection est connectée fluidiquement à une chambre d'alimentation (212) en fluide, de manière à permettre l'éjection d'un fluide (216) présent dans la chambre d'alimentation (212) par la chambre de sortie (160).
14. Dispositif d'éjection (210) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le dispositif d'éjection comporte un moyen de contrôle du débit du fluide s'écoulant à travers la buse d'éjection.
15. Source de particules (200) à forte énergie comprenant un dispositif d'éjection (210) selon la revendication 13 ou 14, et une source laser (220) et des moyens de focalisation (222) d'un faisceau laser (224) émis par la source laser (220) de manière à focaliser le faisceau laser (224) dans une zone extrême (226) dans laquelle la densité de fluide éjecté par la buse d'éjection (100) est maximale.
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