Brevet FR2473833A1 — publié le 19810717

La présente invention se rapporte aux dispositifs électrotechniques pour ltobtention de plasma è basse température, et a notaient pour obJet un plasmatron 8 ultra-haute fréquence (générateur de plasma & basse température utilisant des décharges électriques à des fréquences ultra-hautes). L'invention peut entre appliquée dans l'industrie chimique, métallurgique et dans d'autres branches, pour la synthèse plasmochimique à plasma de diverses mbstances, par exemple de poudres ultra-pures, finement dispersées (dimension des particules de l'ordre de 100 à 1000 angstroems), d'oxydes, de nitrures et d'autres composés utilisés pour la fabrication de céramique, de charges de fibres synthétiques, de matières réfractaires, etc. La large application, dans les constructions mécaniques, de la technologie des poudres de moulage, permettant d'économiser des matériaux et de la main-d'oeuxw a contribué au développement rapide de la technologie utilisant le plasma pour l'obtention de matériaux pulvérulents dans tous les pays industrialisés. On connatt des plasmatrons à arc, à haute et à ultra-haute fréquence, dont chacun se distingue par une gamme particulière de fréquences du champ électromagnétique engendrant la décharge et permet de réaliser telle ou telle variante de la technologie de synthèse plasmochimique et d'obtenir des matériaux présentant telles ou telles propriétés physico-mécanlques (voir, par exemple, la revue "Plasmochimie théoriqueeb appliquée", Editions "Nauka", Moscou, 1975). Dans certains cas, les plasiatrons à ultra-haute fréquence permettent d'obtenir des substances uniques à paramètres technico-conomiques élevés. On utilise actuellement des constructions différentes de plasmatrons à ultra-haute fréquence. On connaît un plasmatron à ultra-haute fréquence (voir, par exemple, le certificat d'auteur d'invention de l'URSS N 231037, cl. H 05 H, 1/24) constitué par un tronçon de guide d'ondes métalliques de forme rectangulaire à travers les larges parois duquel est incorporé un tube diélectrique à décharge. La décharge dans ledit tube se transforme en une colonne de plasma isolée des parois du tube diélectrique par un courant de gaz froid. L'inconvénient de ce type de plasmatron à ultre-haute fréquence réside dans l'asymétrie azimutale des paramètres de la décharge suivant la section de la colonne de plasma qui se forme dans la limitation de la valeur de la puissance introduite dans la décharge, par suite de la tendance qu'a la colonne de plasma à se déplacer du côté de l'application de l'énergie électromagnétique à celle-ci et provoquant un contact entre la colonne de plasma et le tube à décharge et la destruction dudit tube. On connais également un plasmatron à ultra-haute fréquence du type à résonance de forme cylindrique (voir, par exemple, le brevet des Etats-Unis NO 3280364, cl. 315-111, 1966), équipé d'un plasmatron à ultra-haute frb- quence auxiliaire pour l'allumage de la décharge dans la chambre de décharge principale et comportant un résonateur cylindrique et un plasmatron à flamme disposé à l'une des extrémités du résonateur, coaxialement à celui-ci. Dans ce dispositif, une partie de l'énergie à ultrahaute fréquence est d'abord amenée au plasmatron auxiliaire, dont la flamme, en pénétrant dans la chambre de décharge principale, assure dans ladite chambre l'allumage de la décharge principale. L'inconvénient principal de ce genre de plasmatron à ultra-haute fréquence consiste en ce qu'il doit être équipé d'une ligne complémentaire extérieure de transmiss d'une longueur électrique strictement déterminée, et réside aussi dans la haute sensibilité à la fréquence de la source d'alimentation de l'ensemble du dispositif du fait de l'absence d'une charge absorptive, exigeant l'introduction d'éléments de sous-réglage. Cet inconvénient peut devenir insurmontable en cas d'utilisation du plasmatron à ultra haute fréquence dans les conditions de production industrielle, étant donné que ledit plasmatron exige une haute stabilisation de la tension dans le réseau électrique et une stricte stabilisation de tout le processus technologique. On connaît un plasmatron å ultra-haute fréquence du type à résonateur et à guide d'ondes (voir, par exemple, le certificat d'auteur d'invention de l'URSS NO 2693777, cl. int. 2 H05 H 1/24, 1968), comportant une chambre de décharge diélectrique entourée d'un résonateur, et un absorbeur de puissance à ultra-haute fréquence monté sur le résonateur, et dans lequel la présence d'une liaison par résonance avec la charge absorptive nécessaire à l'absorption de l'énergie à ultra-haute fréquence appliquée au moment de l'allumage de la décharge, permet d'améliorer le coefficient d'application utile ou d'utilisation effective de la puissance à ultra-haute fréquence et de réduire le caractère critique de la fréquence pour la source d'alimentation. L'inconvénient d'une telle construction du plasmatron & ultra-haute fréquence réside dans l'asymétrie azimutale des paramètres de la décharge suivant la section de la colonne de plasma et, par conséquent, dans la limitation de la puissance introduite dans la décharge. Le but de la présente invention est d'éliminer les inconvénients mentionnés ci-dessus. Dans le cadre de l'invention, on s'est donc proposé de mettre au point un plasmatron à ultra-haute fréquence qui permettrait d'élever la valeur de la puissance à ultra-haute fréquence introduite dans la décharge, aurait un coefficient élevé d'application utile de l'énergie à ultra-haute fréquence et serait fiable dans les conditions industrielles grâce à une modification de la construction de la chambre de décharge. Ce problème est résolu du fait que le pasmatron à ultra-haute fréquence du type comportant une chambre de décharge diélectrique centrale et un résonateur disposés coaxialement, ledit résonateur étant relié par l'inter médiaire d'un guide d'ondes à une source d'alimentation, et un absorbeur de puissance à ultra-haute fréquence monté dans le résonateur, est caractérisé, selon l'invention, en ce que, & l'intérieur du résonateur est disposé un tube métallique dont une extrémité est introduite à l'intérieur du résonateur coaxialement à la chambre de charge diélectrique, et qui est relié rigidement à celle-ci, l'absorbeur de puissance à ultra-haute fréquence étant placé sur ledit tube, la longueur du résonateur étantchoisie de façon à être d'au moins deux fois supérieure à la longueur de l'onde dans le résonateur,et la longueur de la partie du tube métallique qui est enfoncée dans lerésonateur étant plus grande que la longueur de l'onde- de l'espace libre, mais inférieure à la longueur de l'onde dans le résonateur. Ceci permet, avant l'allumage de la décharge, de transmettre à la charge absorptive, toute l'-énergie à ultra-haute fréquence appliquée au plasmatron, en assurant ainsi l'adaptation de la source d'alimentation au plasma-tron, ce qui est indispensable pour un fonctionnement normal de la source d'alimentation, ainsi que 1ëS conditions d'allumage de la décharge dans la chambre de décharge diélectrique. Après l'allumage de la décharge, pratiquement toute l'énergie à ultra-haute fréquence appliquée est absorbée dans la chambre de décharge diélectrique et dans le tube métallique, étant donné que la transformation de 1 'onde après la formation de la colonne de plasma suivant le centre de la chambre de décharge diélectrique conduit à une modification de sa longueur et, par conséquent, du rapport de celle-ci à la longueur de l'onde dans la zone de la charge absorptive, ce qui réduit fortement la liaison entre la charge absorptive et le résonateur. Il est avantageux de réaliser l'absorbeur de puissance à ultra-haute fréquence sous une forme proche n me forme toroïdale. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d' un mode de réalisation donnd uniquement à titre d'exemple non limitatif , avec références au dessin non limitatif annexé dans lequel - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un plasmatron à ultra-haute fréquence, selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la figure 1. Le plasmatron à ultra-haute fréquence (figures 1,2), selon l'invention, comporte un résonateur de forme cylindrique à l'intérieur duquel est montée coaxialement une chambre de décharge diélectrique 2. A l'une de ses extrémite-s, le résonateur cylindrique 1 est délimité par un fond 3 percé d'un orifice, et à son autre extrémité, par un piston mobile 4. Sur sa surface cylindrique extrieure le résonateur 1 comporte un guide d'ondes 5 monte. de manière que sa paroi large soit parallèle à la gdndratrlce de la surface cylindrique du résonateur 1. h travers l'orifice pratiqué dans le fond 3 du résonateur 1, est introduit dans celui-ci un tube métallique 6 relié à la chambre de décharge diélectrique 2. Dans la cavité annulaire formbe entre les surfaces cylindriques du résonateur 1 et du tube métallique 6, sur ledit tube métallique 6, est placé un absorbeur 7 de puissance à ultra-haute fréquence, réalisé sous n'importe quelle forme appropriée, par exemple sous une forme toroldale. Le tube métallique 6 est introduit dans le résona teur 1 jusqu'S une profondeur supérieure à la longueur de l'onde de l'espace libre, mais inférieure à la longueur de l'onde dans le résonateur 1. La longueur du résonateur 1 constitue, au moins, deux longueurs de l'onde dans le résonateur 1. Un formateur de courant de gaz 8 est montd du côté du piston mobile 4. Avant l'allumage du plasma, le résonateur 1 est constitué en quelque sorte de deux résonateurs à longueur d'onde ;1 et lo reliés entre eux, 1 étant la longueur d'onde dans le guide d'ondes circulaire, et ;0, la longueur d'onde de l'espace libre. Le dernier desdits résonateurs est muni de l'absorbeur de puissance 7, et la liaison entre eux est déterminée par la profondeur d'introduction du tube métallique 6 et est choisie de manière à assurer un accord fiable entre la source d'alimentation (non représentée sur le dessin) et l'absorbeur de puissance 7 par l'intermédiaire du guide d'ondes 5. Le gaz plasmagène est introduit au moyen du formateur de courant 8 dans la chambre de décharge diélectrique 2. Après l'allumage de la décharge à ultrahaute fréquence, il apparaît dans lX chambre de décharge diélectrique 2 une formation plasmatique stable qui remplit le volume intérieur de la chambre de décharge diélectrique 2 et du tube métallique 6 et s'échappe hors du plasmatron. En présence de-la formation plasmatique dans lo chambre de décharge diélectrique 2 du résonateur 1, l'onde électromagnétique engendrée par l'intermédiaire du guide d'ondes 5 se transforme et la longueur de l'onde dans l'un des résonateurs 1 reliés entre eux se distingue de la valeur initiale 1 et sa liaison avec le résonateur chargé d'absorbeur de puissance 7 diminue à cause de la modification de la phase des oscillations, et toute l'énergie des oscillations électromagnétiques est absorbée par le plasma de la décharge à ultra-haute fréquence. Le tube métallique 6 relié d'une manière étanche à la chambre de décharge diélectrique 2 constitue une partie de ladite chambre de décharge, dans laquelle l'énergie des oscillations électromagnétiques est absorbée par la formation plasmatique, et ses paramètres mécaniques assurent la fiabilité de la construction lors du déroulement des réactions plasmochimiques avec l'utilisation de plasma dans la zone de décharge à haute température en présence des champs électromagnétiques, et permet d'élever le niveau de la puissance à ultra-haute fréquence introduite dans la décharge tout en assurant une grande longévité du plasmatron. La construction proposée du plasmatron assure un fonctionnement fiable (déroulement des processus plasmochimiques) à un niveau de puissance pouvant atteindre 100 kW et à un taux de transformation de l'énergie électromagnétique non inférieur à 90%. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si cellesci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATIONS 1.- Plasmatron à ultra-haute fréquence comportant, disposés coaxialement, une chambre de décharge diélectrique centrale et un résonateur relié par l'intermédiaire d'un guide d'ondes à une source d'alimentation, et un absorbeur de puissance à ultra-haute fréquence placé dans le résonateur, caractérisé en ce qu'il comporte un tube métallique engagé à l'intérieur du résonateur à travers l'une des extrémités de celui-ci et disposé coaxialement à la chambre de décharge diélectrique, ledit tube étant rigidement relié à ladite chambre; et l'absorbeur de puissance à ultra-haute fréquence étant placé sur ledit tube métallique, la longueur du résonateur étant choisie au moins deux fois supérieure à la longueur de l'onde dans le résonateur, la partie du tube métallique située à l'intérieur du résonateur ayant une longueur - supérieure - à la longueur de l'onde de l'espace libre, mais inférieure à la longueur de l'onde dans le résonateur. 2.- Plasmatron à ultra-haute fréquence.suivant la revendication ?, caractérisé en ce que l'absorbeur de puissance à ultra-haute fréquence est de forme toroïdale.