Brevet FR2408972A1 — publié le 19790608

B'invention a pour objet une source de plasma utilisant le phénomène de décharge gazeuse sous l'action d'un champ électromagnétique, et susceptible de fournir un flux élevé de particules. De telles sources sont notamment utilisables pour la réalisation d'accélérateurs de particules, d'installations de traitement de surface, de certaines installations chimiques, etc. Certaines applications toutefois requièrent des flux de plasma - ou d'ions - importants, pouvant aller jusqu'à quelques dizaines ou centaines d'ampères. Pour beaucoup de ces applications, on désire en outre que le flux de particules soit animé d'une vitesse relativement petite, afin de réduire les longueurs nécessaires aux interactions auxquelles participe le plasma. Or les techniques physico-chimiques connues pour la production de plasma ne permettent guère de tels flux. On connait également des sources dolions qui utilisent le phénomène de décharge gazeuse en hyperfréquence, le plasma ainsi créé diffusant hors du circuit électrique où il peut être recueilli. Toutefois la section des flux de plasma qu'il est ainsi possible d'obte-nir se trouve imitée par plusieurs phénomènes - les dimensions du circuit hyperfréquence sont liées à la longueur d'onde, et limitent supérieurement la section du flux de plasma - le plasma ne doit pas remplir complètement le circuit hyperfréquence afin que les propriétés de celui-ci ne dépendent pas trop des caractéristiques assez variables du plasma, ce qui entrainerait un fonctionnement difficilement controlable ou meme instable - enfin, les ouvertures qui sont pratiquées dans le circuit hyperfréquence, pour permettre au plasma de diffuser hors de ce circuit, ne peuvent être trop grandes sous peine de diminuer excessivement le champ électromagnétique ou de dissiper la puissance hyperfréquence par rayonnement. La présente invention a pour objet une source de plasma utilisant un champ magnétique hyperfréquence pour ioniser un gaz mais, dans ce dispositif, les inconvénients mentionnés précédemment sont évités grâce au fait que le volume du circuit hyperfréquence accessible au plasma se trouve limité. Plus précisément, la source de plasma selon l'invention comporte - un circuit hyperfréquence périodique dans lequel se propage une onde électromagnétique, les éléments constituant ce circuit étant suffisamment rapprochés les uns des autres pour que la formation de plasma à l'intérieur de ce circuit ne soit pas possible - des moyens d'arrivée de gaz dans le circuit hyperfréquence. L'ionisation du gaz est réalisée grâce à l'énergie qui lui est communiquée par l'onde hyperfréquence, tout le long du circuit. On obtient de la sorte un flux de plasma de grande section au voisinage du circuit hyperfréquence mais extérieurement à celui-ci, donc sans en perturber trop considérablement les caractéristiques. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés, qui représente tent - la figure 1, un schéma général de la source de plasma selon l'invention - la figure 2, le schéma d'un premier mode de réalisation du circuit hyperfréquence utilisé dans la source de plasma selon l'invention - les figures 3 et 4, des vues partielles de variantes de la figure précédente - la figure 5, une vue en perspective d'une autre variante de la figure 2 - la figure 6, un second mode de réalisation du circuit hyperfréquence utilisé dans la source de plasma selon l'invention. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. La figure 1 est donc un schéma général de la source de plasma selon l'invention. Elle comporte principalement : - un générateur d'énergie hyperfréquence I ; - un circuit 3 permettant de guider selon une direction OZ 1 'éner- gie hyperfréquence fournie par le générateur 1 et transmise au circuit 3 par un guide d'onde 2 - une entrée 5 dans le circuit 3 pour le gaz non ionisé. te circuit 7 comporte des éléments conducteurs périodiquement disposés, dont les distances mutuelles sont inférieures à une certaine distance critique, définie par un phénomène connu dans la technique des plasnas sous le nom de phénomène de gaine. En effet, il est connu que se forme un espace vide de plasma, appelé gaine, entre ce dernier et toute surface solide avec laquelle il se trouverait en contact. L'épaisseur de cette gaine est définie par les propriétés de plasma : elle augmente lorsque celui-ci devient plus énergétique et diminue lorsqu'il devient plus dense. Si la densité du plasma est limitée supérieurement et si sa température est limitée inférieurement, il existe donc pour la gaine une épaisseur minimale. La conséquence en est qu'aucun plasma ne peut se former dans ces conditions entre deux surfaces solides dont la distance est inférieure à une distance critique égale au double de l'épaisseur minimale de la gaine. C'est ce phénomène qui est utilisé dans ie dispositif selon l'invention, où les conducteurs constituant le circuit périodique hyperfréquence t3) sont à une distance mutuelle inférieure à la distance critique définie ci-dessus, afin de rendre ce circuit inaccessible au plasma Dans ce circuit 3, l'énergie hyperfréquence se propage selon l'axe OZ et produit une nappe de plasma 4 dont les particules sont guidées par exemple dans une direction OX, normale à OZ, par un champ magnétique B, parallèle à Ox. Dans le schéma de la figure 1, la nappe de plasma 4 est créée sur une face du circuit 3 qui est perpendiculaire à l'axe OX. Elle peut également, comme il est montré plus en détail ci-dessous, être créée sur la face supérieure (ou inférieure) de ce circuit 3 (-parallèles au plan XOZ) Enfin, la source de plasma selon l'invention comporte encore une enceinte à vide enfermant circuit 3 et nappe de plasma 4, et des moyens de pompage des atomes non ionisés, qui ne sont pas représentés sur la figure I. ta figure 2 montre un schéma partiel, vu en coupe dans le plan XOZ, d'un premier mode de réalisation de la source de plasma selon l'invention, dans lequel le circuit 3 est du type circuit à ailettes, également connu sous le nom de circuit à vannes. La source de plasma est enfermée dans une enveloppe rigide étanche 6 qui contient le circuit 3 recevant l'énergie hyperfréquence, fournie par le générateur 1 de la figure I, par l'intermédiaire d'un guide d'onde 2 en cornet par exemple, qui se termine par une fenêtre étanche 20. te circuit 3 est constitué par une ligne à ailettes, chacune des ailettes (31) étant perpendiculaire à l'axe OZ. te dispositif comporte encore un système de canalisations qui, à partir de l'entrée 5 de gaz non ionisé, distribue ce dernier périodiquement dans le circuit 3, par exemple entre chaque paire d'ailettes 31 (points 51). En fonctionnement, si le générateur (1) fournit une onde de fréquence f = 2 7 à laquelle correspond une longueur d'onde h=o.c , avec w= pulsation de l'onde de fréquence f c = vitesse de propagation de l'énergie dans le vide, les composantes du champ électromagnétique Ex,z au niveau du circuit 3 sont sensiblement de la forme E = Ax,z F (27Lg ).e-&gamma;X où : :- A est l'amplitude du champ; - F est une fonction périodique qui traduit la variation du champ dans la direction OZ, c'est-à-dire dans le circuit 3, étant la longueur d'onde de l'onde électromagnétique retardée par le circuit 3 - &gamma; est un coefficient dépendant de la fréquence f. Dans la direction OZ, la variation périodique du champ représente des ondes qui peuvent être stationnaires ou progressives en un point donné de l'axe OZ, selon que le système ne consomme pas ou consomme de la puissance en aval de ce point. Dans la direction OX, le champ ne varie pas périodiquement mais décroit exponnentiellement, la décroissance étant fixée par 2 facteur qui est t 2 le facteur &gamma; qui est tel que : 2 = 2 - 2 c où v# est la vitesse de phase de l'onde électromagnétique, telle que : = 2it jazz Il existe donc, dans la direction OX, un champ hyperfréquence qui peut céder de l'énergie aux particules chargées qui s'y trouvent, notamment aux électrons, lesquels acquièrent ainsi suffisamment d'énergie pour ioniser, par chocs entre les particules, les atomes de gaz injectés par les ouvertures 51 entre les ailettes 31. Ainsi est formée la nappe de plasma 4 qui s'étend dans le plan XOZ tout le long du circuit 3. En ce qui concerne l'établissement du fonctionnement, il est souhaitable d'établir une pression élevée dans une première phase, afin que les quelques électrons libres qui existent toujours dans un gaz aient une probabilité élevée de collision avec les atomes non Ionisés du gaz en vue de produire une décharge.torsque celle-ei se produit, le phénomène de gaine apparaît ; la pression doit alors être réduite, de l'ordre de 10-3 à 10-5 Torr, afin de réduire la probabilité de recombinaison électron-ion. On choisît par ailleurs la fréquence f (f = 2#) de l'onde électromagnétique fournie par le générateur 1 de telle sorte qu'il existe dans la direction OX un champ suffisant pour la création de plasma, mais pas Qrop important pour éviter que les propriétés du plasma ne modifient trop celles du circuit hyperfréquence. Une valeur de compromis convenable est une frequence correspondant à une valeur telle pour y que le produit .g soit au moins peu inférieur à l'unité et au plus-égal à quelques unités, g étant l'épaisseur de la gaine formée autour du circuit hyperfréquence. A titre d'exemple, l'épaisseur de cette gaine peut être de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres. On peut ainsi, grâce à un circuit hyperfréquence exploitant le phénomène de gaine, obtenir la création de plasma extérieurement au circuit et tout le long de celui-ci. Pour obtenir un flux de plasma s'écoulant dans la direction OX, on utilise par exemple un champ magnétique B, dirigé suivant OX. Enfin, l'enveloppe 6 présente au moins un orifice 9 de grande section par lequel est pompé le gaz qui n'a pas été ionisé dans la région du circuit 3. La figure 3 représente une vue partielle en coupe dans le plan XOZ d'une variante de la figure 2, dans laquelle on a représenté seulement une fraction du circuit 3, avec des ailettes 32 qui sont maintenant inclinées par rapport à l'axe OX. Une telle disposition permet d'éviter une difficulté liée à la présence du champ magnétique B qui est destiné à guider le plasma selon la direction OX. En effet, le champ B a pour effet de limiter le mouvement dans la direction OZ des particules chargées, et principalement les particules les plus légères qui sont les électrons ; or c'est l'absorption rapide par une paroi de tout électron formé par ionisation qui est, ainsi qu'il est connu, à l'origine du phénomène de gaine entre le plasma et cette paroi. il est donc nécessaire d'incliner le champ B par rapport aux ailettes du circuit 3 afin que le mouvement des électrons vers ces ailettes ne soit pas inhibé. Ceci peut être obtenu soit en inclinant B par rapport à OX, soit en inclinant les ailettes par rapport à OX, B restant parallèle à OX, comme représenté figure 3. La figure 4 représente une vue en perspective d'une autre variante du circuit hyperfréquence représenté figure 2. Sur la figure 4, on a représenté l'enveloppe 6 portant les ailettes 31 par exemple (on peut également utiliser dans cette variante comme dans les suivantes les ailettes 32 de la figure 3), et l'arrivée du gaz non ionisé (entrée 5 et canalisation 51). te circuit 3 est muni de plaques 33 et 34 qui le referment dans le plan XOY , placées à une distance de ce circuit. suffisamment faible pour interdire toute formation de plasma entre plaques et circùit 3. Ces plaques 33 et 34 laissent subsister une fente 35 selon l'axe OZ, dont la largeur détermine celle de la- nappe de plasma 4. Le plasma formé peut bien entendu être guidé comme précédemment par le champ magnétique B. Selon une variante de ce mode de réalisation, la fente 35 peut également être ménagée, toujours selon OZ, sur une face infe rieure ou supérieure du circuit 3, c'est-à-dire parallèle au plan XOZ. tes plaques 33 et 34 ont pour effet de réduire l'espace d'interaction entre énergie hyperfréquence et plasma, et donc pour avantage, d'une part, d'améliorer la propagation de l'énergie dans le circuit 3 en la rendant moins dépendante du plasma et, d'autre part, de réduire la variation d'amplitude du champ le long du circuit 7 (selon l'axe OZ), du fait que l'interaction avec le plasma qui consomme de l'énergie est réduite. Cette solution conduit bien entendu à une nappe de plasma 4 de section réduite par rapport au mode de réalisation de la figure 2. Toutefois, il est possible dans ce cas comme dans celui de la figure 2, de juxtaposer des sources de plasma donnant chacune une nappe mince pour former un faisceau de plasma de grande section. La figure 5 est une vue en perspective d'une autre variante de la figure 2. Dans ce mode de réalisation, l'enveloppe 6 porte toujours un circuit hyperfréquence 3 à ailettes (32 par exemple), s'étendant dans la direction OZ ; le circuit 3 est enfermé sur deux de ses côtés par l'enveloppe 6,sur un troisième côté par une plaque 37 et sur une partie du quatrième côté par une plaque 36 d'une manière analogue à ce qui est décrit figure 4, mais laissant subsister une ouverture (38) plus grande sur le quatrième côté (par exemple un côté parallèle au plan XOZ). L'enveloppe 6 comporte une partie 61j parallèle au plan XOZ, en vis-à-vis de l'ouverture 38, définissant un espace 40 plus réduit au niveau du circuit 5 que dans le reste de l'enveloppe 6. En fonctionnement, le plasma se forme donc dans la région 40, au voisinage de l'ouverture -38. Un champ magnétique B dirigé comme précédemment selon OX permet de canaliser le plasma dans cette direction. L'enveloppe 6 comporte encore deux ouvertures de grande section, 9 et 10, de part et d'autre du circuit 3, pour que soit pompé le gaz qui n' a pas été ionisé dans la région 40. Beaucoup de structures dérivant du circuit à ailettes simple schématisé sur les figures sont connues en hyperfréquence, et rentre dans le cadre de l'invention le remplacement de ce circuit par l'une de ces structures connues, telle que celles à cavités alternées du type dit "rising sun" ou celles qui utilisent la technique dite de "strapping" Toutefois, le circuit 3 de la figure 1 ne doit pas être obligatoirement un circuit à ailettes. il peut être également du type circuit à barreaux et un exemple de réalisation en est décrit figure 6. La figure 6 est une vue en perspective d'une partie de ltenveloppe 6 qui porte le circuit hyperfréquence 7. Ce circuit 3 est formé par deux tranchées (62 et 64) ménagées dans l'enveloppe 6 selon l'axe OZ, séparées par un plafond 63 dont la hauteur est inférieure à celle des bords des tranchées. Des barreaux 30, dirigés selon OX, relient électriquement et mécaniquement les flancs opposés des tranchées 62 et 64, au dessus du plafond 63. Afin de pouvoir élargir les tranchées 62 et 64 sans perdre le bénéfice de l'effet de gaine, il est possible de disposer dans ces dernières des ailettes 39, parallèles au plan YOZ, suffisamment rapprochées pour que le plasma ne s'y forme pas. En ce qui concerne le fonctionnement d'un tel dispositif, il est analogue à ce qui a été décrit ci-dessus, le gaz non ionisé étant admis soit au fond des tranchées 62 et 64 soit,de préférence, au niveau du plafond 63, et le plasma formé au voisinage des barreaux 30 étant guidé dans la direction OX par le champ magnétique B. il est à noter que cette structure peut etre inversée par rapport aux axes OX et OY, les tranchées étant alors creusées dans une surface de l'enveloppe 6 parallèle à YOZ et non plus, comme représenté figure 6, dans une surface parallèle à XOZ. Une telle source de plasma conforme à l'invention permet donc d'obtenir un flux de plasma élevé, puisque l'interaction énergie hyperfréquence - plasma peut se produire sur une grande longueur, et ce, avec un bon rendement énergétique pour ce type de dispositif : il a été en effet mesuré pour les électrons du plasma obtenu une énergie cinétique voisine du quart de l'énergie hyperfréquence utilisée. REVENDICATIONS 1. Source de plasma à flux élevé, caractérisée par le fait qu'elle comporte, dans une enceinte à vide, un circuit périodique dans lequel est susceptible de se propager une onde hyperfréquence dans une direction OZ, et des moyens d'admission dans ce circuit d'un gaz à ioniser, la formation du plasma étant réalisée par l'ionisation de ce gaz par l'énergie communiquée à ce dernier par l'onde hyperfréquence,à la périphérie du circuit et tout le long de celui-ci dans la direction OZ, ledit circuit étant constitué par des éléments conducteurs placés à des distances mutuelles suffisamment petites pour interdire, par effet de gaine, la pénétration de ce circuit par le plasma. 2. Source de plasma selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les éléments conducteurs dudit circuit sont des ailettes sensiblement normales à la direction OZ, dont la distance mutuelle est inférieure au double de l'épaisseur de la gaine existant entre le plasma et les surfaces qui l'entourent. 3. Source de plasma selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les éléments conducteurs dudit circuit sont des ailettes sensiblement parallèles entre elles, faisant un angle inférieur à 900 avec la direction OZ, dont la distance mutuelle est inférieure au double de l'épaisseur de la gaine existant entre le plasma et les surfaces qui l'entourent. 4. Source de plasma selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée par le fait que lesdits éléments conducteurs sont entourés sur toutes leurs faces de plaques, normales à ces derniers, ces plaques étant placées à une distance desdits éléments telle que la formation de plasma entre les éléments et les plaques soit inhibée par l'effet de gaine, l'une des plaques étant munie d'une fente selon la direction OZ, par laquelle se produit l'interaction de l'onde hyperfréquence avec le plasma. 5. Source de plasma selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit circuit est constitué par deux tranchées formées dans ladite enceinte selon la direction OZ, ces tranchées étant séparées par un relief dont la hauteur est inférieure à celle des bords des tranchées, et par des barreaux conducteurs, s'étendant entre les bords opposés des tranchées, au dessus de celles-ci et dudit relief, selon une direction sensiblement normale à la direction OZ. 6. Source de plasma selon la revendication 5, caractérisée par le fait que ledit circuit comporte en outre des ailettes, disposées parallèlement à la direction-OZ dans les tranchées, les ailettes et les barreaux étant à des distances mutuelles suffisamment petites pour interdire, par effet de gaine, la pénétration du circuit par le plasma. 7. Source de plasma selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte de plus des moyens de guidage du plasma dans une direction OX sensiblement normale à la direction OZ. 8. Source de plasma melon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre des moyens de pompage du gaz non ironisé, placés au voisinage dudit circuit. 9. Accélérateur de particules, caractérisé par le fait qu'il comporte une source de plasma selon l'une des revendications précédentes.