Brevet FR2480552A1 — publié le 19811016

L'invention est relative à un générateur de plasma, notamment un chalumeau à plasma. On sait que les plasmas sont des gaz ionisés à des températures très élevées, de l'ordre de plusieurs milliers de degrés,qui commencent à être utilisés dans l'industrie pour leurs propriétés thermiques, notamment afin d'effectuer des traitements de surfaces. Un plasma est généralement obtenu par l'excitation, à l'aide d'un champ électrique, d'un gaz sortant d'un - ou contenu dans un - tube. On connaît ainsi un chalumeau à plasma dans lequel le champ électrique est engendré en faisant appel à une inductance entourant le courant à exciter et qui est alimentée par un courant alternatif à haute fréquence ou ultra haute fréquence de l'ordre de 20 à 50 MHz. Mais les utilisations pratiques d'un tel chalumeau sont limitées au traitement delièces de dimensions réduites qui peuvent être introduites à l'intérieur d'un bobinage o est produite la flamme. La faible valeur de la densité d'énergie du plasma obtenu limite également le domaine d'application de ce chalumeau. Enfin, le gaz est amené par un tube isolant, notamment en verre,qui présente l'inconvénient d'être fragile et onéreux. Des plasmas de densité d'énergie plus importante sortant d'un tube métallique peuvent cependant être obtenus à l'aide de chalumeaux à arc électrique dans lesquels le champ élec- trique est engendré radialement entre une cathode centrale disposée à l'intérieur du tube et le tube lui-même consti- tuant une anode, l'arc électrique engendré étant soufflé par le gaz à ioniser vers la sortie du tube.Mais les inconvénients présentés par ce chalumeau en limitent également les appli- cations; en particulier, le plasma engendré contient inévi- tablement des impuretés provenant des électrodes et ces impu- retés peuvent être indésirables pour des traitements de sur- face. De plus, les frais liés au fonctionnement de ce cha- lumeau sont élevés car les électrodes se détériorent rapide- ment et le débit du gaz est important. Le générateur de plasma selon l'invention présente les avantages des chalumeaux connus sans en comporter les incon- vénients. Il est caractérisé en ce que le gaz à exciter sort à 2 2480552 l'extrémité d'un tube métallique qui, en l'absence de gaz, constitue la partie rayonnante d'une antenne d'émission de champ électrique alimentée en courant alternatif, de préfé- rence hyperfréquence ou micro-onde, de fréquence au moins égale à 100 MHz. Lorsque le gaz sort du tube métallique, t on a constaté que l'extrémité du tube n'est plus rayonnante, mais que l'énergie qui lui est apportée est utilisée exclu- sive."ent, ou presque exclusivement, à exciter le gaz pour le transformer en un plasma. Le dispositif selon l'invention combine les avantages de ceux présentés par les chalumeaux à plasma de la technique antérieure. On s'affranchit de l'uti- lisation d'un tube en verre; il n'est pas indispensable que l'extrémité du tube métallique o est produite la flamme soit entourée par le générateur d'alimentation de l'antenne, la flamme pouvant alors être utilisée comme celle engendrée par un chalumeau classique à combustion de gaz; et le plasma obtenu est de très grande pureté et sa densité d'énergie est importante Dans le cas o le champ électrique est dans le domaine des hyperfréquences, on obtient de bons résultats si le dia- mètre intérieur du tube métallique est de l'ordre de 0,5 à 2 mm; la longueur de la flamme est alors de l'ordre du cen- timètre. Cette flamme a donc de petites dimensions et la densité d'énergie qu'elle contient est de l'ordre de 20 kW par cm, c'est-à-dire environ quatre fois supérieure à la densité d'énergie contenue dans des flammes engendrées par le chalumeau à plasma connu qui a été mentionné ci- dessus en premier lieu. On a également constaté que le rendement du dispositif, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie produite par le géné- rateur hyperfréquence et l'énergie du plasma obtenu est très proche de 100%. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant au dessin ci-annexé, sur lequel: la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un générateur de plasma selon l'invention; - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 mais pour ure variante; - la figure 3 est également une vue analogue à celle de la figure 1 mais encore pour une autre variante. On se réfère d'abord à la figure 1. Un tube métallique 1 rectiligne, d'axe la, est relié par son extrémité postérieure 2 à une réserve d'un gaz tel que de l'argon et il présente une extrémité antérieure 3 par laquelle s'échappe le gaz. Sur le tube 1 dont le diamètre interne est compris entre 0,5 et 2 mm est montée une bague métallique 4 dont l'épaisseur, dans la direction axialeest de l'ordre de 5 mm et dont le diamètre de l'ouverture interne 5 est légè- rement supérieur au diamètre extérieur du tube 1 de façon que cette bague puisse coulisser sur ce tube. Cette bague 4, dont le diamètre extérieur est de l'ordre du centimètre, est également montée à coulissement dans un tube métallique 6 coaxial au tube 1 et constituant la laroi interne d'un anneau métallique creux 7 dont la paroi externe est également un cylindre 8 de section circulaire, coaxial au tube 1. La cavité de l'anneau creux 7 est fermée à son extrémité arrière par une couronne métallique plate 9 perpendiculaire à l'axe la et raccordant les tubes 6 et 8, et, à son extrémité avant, par une autre couronne métallique plate 10, également perpendiculaire à l'axe la et identique à la couronne 9. Cependant, l'ouverture centrale 11 de cette couronne 10 n'est pas raccordée à l'extrémité avant 12 du tube 6, un intervalle 13 de longueur axiale g. de quelques millimètres, par exemple de 1,6 mm, étant ménagé entre cette extrémité 12 et la couronne 10. Cette dernière est disposée à une distance d, par exemple de 5 mm, à l'arrière de l'extré- mité antérieure 3 du tube 1, celui-ci présentant donc une partie 14 en saillie de l'anneau 7. Au voisinage de son extrémité avant, le tube externe 8 de l'anneau 7 présente une ouverture 15 laissant le passage au conducteur central 16 d'un câble coaxial 17 dont le conducteur externe 18 est soudé, ou raccordé d'une autre manière, au tube 8 autour de l'ouverture 15. L'extrémité du conducteur central 16 du coaxial 17 est soudée au tube interne 6 au voisinage, en direction axiale, de l'in- tervalle 13, c'est-à-dire à une courte distance 1 de l'extrémité 12. En variante, l'extrémité 20 du conducteur 16 n'est pas soudée au tube 6 mais est soudée à une petite plaque mé- tallique (non montrée).à courte distance, en direction radiale, du tube 6 à l'intérieur de l'anneau 7. Les conducteurs 16 et 18 sont raccordés aux deux bornes de sortie d'un générateur hyperfréquence 21. Une tige 22 traverse le tube 8 au voisinage de la couronne 9 et des moyens - par exemple la coopération d'un filetage de la tige avec un taraudage du tube 8 - sont prévus pour faire varier la profondeur x de pénétration, en direc- tion radiale, de cette tige 22 à l'intérieur de l'anneau 7. Le déplacement de la bague 4 dans l'intervalle annulaire entre les tubes 1 et 6 permet de faire varier le rendement du dispositif, c'est-à-dire de rendre maximum le rapport entre la puissance fournie à l'extrémité 3 pour produire le plasma ou flamme 23 à la sortie dutube 1 et la puissance fournie par le générateur 21. Pour ce réglage, on peut également utiliser la tige filetée 22 et les moyens pour faire varier la profondeur x. Il est égalem nt possible de rendre la couronne 9 mobile en direction axiale entre les tubes 8 et 6. On a constaté que de bons résultats pouvaient être obtenus si la relation suivante était satisfaite 2 (a+b) = 2 Dans cette formule, a est la différence entre le rayon du tube 8 et celui du tube 6, b est la longueur axiale de l'anneau 7, c'est-à-dire la distance séparant les couronnes ou flasques 9 et 10, et x- la longueur de l'onde-produite par le générateur 21. Dans l'exemple, la fréquence du courant produit par le générateur hyperfréquence 21 est de 2450 MHz, le tube 1 a un diamètre interne-de l'ordre de 0,5 à 2 mm, le diamètre interne du tube 6 est de l'ordre du centimètre, les paramètres a et b ont pour valeur respectivement 12,5 mm et 20 mm, la longueur axiale gj de l'intervalle 13 entre la couronne 10 et l'extrémité 12 du tube 6 est de l'ordre de quelques millimètres et la longueur d de la saillie 14 du tube 1 à l'extérieur de l'anneau 7 est également de-l'ordre du centimètre. Le débit du gaz sortant du tube 1, qui dans cet exemple est de l'argon, est compris entre 0,2 et quelques litres par minute. Avec cette réalisation, la densité de puissance du plasma 2480552 23 est de l'ordre de 20 kW/cm3 si la puissance du généra- teur 21 est de l'ordre de 200 W. Bien que l'on ne puisse pas encore donner d'analyse scientifique complète de la raison pour laquelle le dispo- sitif permet d'obtenir un plasma 23 à haute densité d'énergie et de faible volume, nn peut cependant indiquer que ce dispo- sitif constitue, en l'absence de gaz sortant du tube 1, une antenne dont l'extrémité 3 constitue la partie rayonnante. Le dispositif perd sa qualité d'antenne quand le gaz ionisé sort du tube 1, l'énergie électromagnétique produite à l0ex- trémité 3 étant alors utilisée pour ioniser le gaz. Mais l'excitation du plasma n'est obtenue que si l'impédance du dispositif générateur de plasma est adaptée à celle du gaz à exciter sortant par l'extrémité 3. On peut également définir la structure d'excitation du gaz de la façon suivante: les tubes 6 et 8 constituent un second coaxial excité par le générateur 21 par l'intermédiaire du premier coaxial 17; un troisième coaxial est constitué par le tube 6 et le tube 1. Le couplage entre le second et le troisième coaxiaux est obtenu par l'intermédiaire de l'in- tervalle 13. Le pla.na 23 peut être utilisé pour ses propriétés ther- miques comme "micro-chalumeau" en vue d'effectuer des traite- ments de surfaces, des soudures, etc.. On peut également uti- liser la flamme 23 dans un spectroscope pour analyser le gaz ou le mélange de gaz introduit dans le tube 1. Le dispositif constitue alors une torche ou "micro-torche". Dans le cas o le gaz a des propriétés corrosives à l'égard du métal constituant le tdbe 1, la surface interne de ce dernier est recouverte d'une cotche protectrice, par exemple une couche d'alumine. La saillie 14 ou une partie de cette dernière peut être constituée par un embout amovible du tube 1, la forme de cet embout dépendant, d'une part, du débit souhaité, d'autre part, de l'utilisation du dispositif. En d'autres termes, un même dispositif peut être utilisé pour plusieurs applications et pour exciter des gaz de natures diverses. Le dispositif représenté sur la figure 2 - qui est destiné à une application déterminée pour laquelle il n'est pas besoin de réglage, le gaz à exciterotant toujours le même, par exemple l'argon - ne se distingue de celui que l'on vient de décrire en relation avec la figure 1 que par les dispositions suivantes: Le générateur ne comporte pas de bague coulissante 4; à la place, l'espace annulaire se trouvant entre les tubes 1 et 6 est fermé par deux couronnes, l'une de référence 25 à l'extrémité avant 12 et l'autre, de référence 26, à l'extrémité arrière dans le même plan que la couronne 9. Dans une réalisation, la couronne 26 est d'une seule pièce avec la couronne 9. En outre, dans cet exemple, on ne prévoit pas de moyen de réglage analogue à la tige 22 de la réalisation représentée sur la figure 1. Dans cette réalisation, le conducteur 16 est à une dis- tance de 1,6 mm de la couronne 10. Dans la variante représentée sur la figure 3, la longueur de la partie 14a du tube 1 qui est en saillie de la face ex- terne de la couronne 10 est plus importante que dans les deux exemples précédents. Elle est dans ce cas de l'ordre de 45 mm. Dans cette réalisation, cette partie 14a du tube 1 est entou- rée par un autre tube métallique 30, coaxial au tube 1 et de diamètre compris entre celui du tube 6 et celui du tube 8. L'ensemble formé par la saillie 14a et le tube 30 constitue encore un autre coaxial auquel est transférée l'énergie pro- venant du générateur 21. Le diamètre du tube 30 peut également être inférieur à celui du tube 6. Il suffit donc que ce dia- mètre soit compris entre celui du tube 1 et celui du tube 8. La face interne lOa de la couronne 10 est recouverte par un disque isolant 121, par exemple en téflon, présentant une ouverture centrale 32 dont le diamètre est égal au diamètre externe du tube 1, et contre la face externe lOb de la cou- ronne 10, à l'intérieur du tube 30, est appliqué ui autre disque isolant 33 tel qu'un disque de téflon. On isole ainsi l'es- pace annulaire 34 délimité par la saillie 14a et le tube 30 de l'espace annulaire 7 délimité par les tubes 8 et 6 afin qu'un gaz injecté parun embout 35 dans le premier espace annulaire 34 ne puisse pas pénétrer dans le second espace annulaire 7, entre les tubes 6 et 8. Cette dernière disposi- tion permet d'engendrer un plasma 23a obtenu par l'excitation de l'argon dans une atmosphère du même gaz. Cependant, le gaz 7 2480552 introduit dans l'espace 34 peut être de nature différente de celle du gaz à exciter. On peut ainsi engendrer un plasma à une pression qui n'est pas égale - inférieure ou supérieure - à la pression atmosphérique. Dans cet exemple, le diamètre du tube 30 est de 18 mm, le diamètre du tube 6 est de l'ordre de 10 mm; le diamètre du tube 8 est de 40 mm, la longueur axiale dudit tube 8 est de 32 mm, la distance g entre l'extrémité 12 du tube 6 et la couronne 10 est de 1,6 mm et la distance entre cette couronne 10 et le conducteur 16 est de 8 mm. Comme pour la réalisation montrée sur la figure 2, l'espace annulaire entre le tube 6 et le tube 1 est fermé par des couronnes 25 et 26, la couronne 26 pouvant être d'un seul tenant avec la couronne ou flasque 9. Dans cet exemple,on peut, cependant, comme dans le cas de la figure 1, prévoir une bague coulissante (non montrée) montée sur le tube 1 à l'intérieur du tube 6. La fréquence du généra- teur 21 est de 2450 MHz et sa puissance de 200 W. Le diamètre interne du tube 1 est de 0,5 mm et son diamètre externe est de 3 mm. Le générateur de plasma peut, quelle que soit sa forme de réalisation, être utilisé non seulement pour les propriétés thermiques et optiques de la flamme mais également pour les propriétés mécaniques du plasma. En effàt, le gaz sortant du tube 1 à haute température produit une force; celle-ci peut être utilisée par exemple pour la stabilisation de satellites artificiels. Ce générateur peut aussi être utilisé pour constituer une source d'ions présentant une référence précise de potentiel constituée par le tube métallique 1. ?480552 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'excitation, à l'aide d'un champ élec- trique, d'un gaz sortant d'un tube afin de le transformer en plasma, caractérisé en ce que le tube (1) étant métallique, en l'absence de gaz ionisé, l'extrémité (3) de ce tube cons- titue la partie rayonnante d'une antenne d'émission de champ électrique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gérérateur (21) d'alimentation de l'antenne engendre un courant périodique dont la fréquence est au moins égale à 100 MHz. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube métallique constitue le conducteur central d'un premier moyen de coaxial auquel est connecté le géné- rateur. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le conducteur externe du premier moyen de coaxial comporte un tube (6) constituant lui-même le conducteur central d'un second moyen de coaxial relié au générateur par un troisième moyen de coaxial (17). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second moyen de coaxial comporte un flasque conducteur (9) fermant, à son extrémité arrière, l'intervale entre les deux tubes coaxiaux (6,8) de ce second moyen de coaxial et un autre flasque conducteur (10) fermant cet intervalle à son extrémité avant mais à distance de l'extrémité antérieure (12) du tube commun (6) aux premier et second moyens de coaxial de façon à assurer le couplage entre ces derniers. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le troisième moyen de coaxial (17) présente un conducteur central (16) en contact,, notamment par une soudure, avec le tube (6) commun aux premier et second moyens de coaxial, le conducteur externe (18) de ce troisième moyen de coaxial étant en contact avec le tube externe (84 du second moyqn de coaxial. 7. Dispositif selon les revendications 5 et 6, carac- térisé en ce que le contact du conducteur central (16) du troisième moyen de coaxial avec le tube interne (6) du second moyen de coaxial est au voisinage de l'extrémité avant (12) de ce tube. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisée en ce qu'une bague métallique (4) est interposée entre le tube métallique (1) d'amenée de gaz et le tube externe (6) du premier moyen de coaxial. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications - précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (4, 22) d'adaptation d'impédance pour faire varier la puis- sance d'excitation du gaz afin que, pour une puissance constante fournie par le générateur, cette puissance d'excitation soit rendue maximale. 10. Dispositif selon les revendications 8 et 9e carac- térisé en ce que la bague (4) est déplaçable en direction axiale. 11. Dispositif selon les revendications 4 et 9, carac- térisé en ce que les moyens d'adaptation comportent une tige (22) traversant le tube externe (8) du second moyen de coaxial et des moyens pour faire varier la profondeur de pénétration de cette dernière dans l'intervalle séparant les deux tubes (6, 8) du second moyen de coaxial. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'extrémité (14) du tube métallique (1) est en saillie en avant du reste de la struc- ture interposée entre le générateur (21) d'alimentation de l'antenne et ce tube. 13. Dispositif selon les revendications 5 et 9, carac- térisé en ce que le flasque conducteur (9) à l'extrémité arrière de l'intervalle entre les deux tubes (6, 8) du second moyen de coaxial est déplaçable axialement. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface interne du tube métallique (1) présente un revêtement s'opposant à la corro- sion, par exemple un revêtement isolant. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'extrémité (14) du tube présente un embout amovible. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que les extrémités axiales de l'es- pace annulaire entre le tube métallique (1) d'amenée de gaz - et le tube (6) constituant le conducteur externe du premier moyen de coaxial sontiermées par des couronnes ou flasques métalliques (25, 26). 17. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'extrémité (14a) en saillie du tube métallique (1) est entourée par un autre tube métallique (30). 18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'un gaz est introduit dans l'espace annulaire (34) déikmité par l'extrémité (14a) en saillie du tube d'amenée de gaz et le tube (30) qui entoure cette saillie. 19. Dispositif selon les revendications 5 et 18, caractérisé en ce qu'au moins une plaque isolante (31, 33) empêche la diffusion vers la structure d'excitation du gaz introduit dans l'espace annulaire (34) entourant l'extrémité en saillie du tube central. 20. Chalumeau à plasma, caractérisé en ce qu'il com- prend un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes. 21. Source lumineuse à plasma caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 19. 22. Dispositif d'excitation, à l'aide d'un champ élec- trique, d'un gaz sortant d'un tube afin de le transformer en plasma, caractérisé en ce que, le tube (1) étant métallique, il comprend une structure d'excitation entourant le tube à l'arrière de son extrémité (14, 14a) et est alimenté,par un générateur (21), en courant périodique dont la fréquence est au moins égale à 100 MHz. 23. Dispositif selon la revendication 22, caractérisé en ce que la structure d'excitation comprend deux tubes métalliques (6, 8) coaxiaux au tube petit étant à distance d'un flasque (10) dépendant de l'ex- trémité avant du tube (8) de plus grand diamètre, et le générateur (21) étant relié au coaxial (17) formé par ces deux tubes par l'intermédiaire d'un autre coaxial connecté trans- versalement au coaxial précédent.