Brevet FR2683422A1 — publié le 19930507

GENERATEUR HAUTE FREQUENCE POUR TORCHE A PLASMA La présente invention concerne un générateur haute fréquence pour torche à plasma, ctest-à-dire destiné à la production d'une flamme de plasma à partir d'un jet gazeux. De tels générateurs pour torche à plasma sont fréquemment utilisés pour des analyses en spectrométrie d'émission, pour l'analyse d'un mélange gazeux, ou pour l'analyse d'un produit introduit sous forme d'aérosol dans un jet gazeux, l'ensemble étant excité par une induction haute fréquence jusqutà l'obtention d'une flamme de plasma. On obtient généralement une flamme de plasma en faisant arriver un jet de gaz comme de l'argon à l'intérieur d'une bobine inductrice alimentée à très haute fréquence, de l'ordre par exemple de 40 à 60 MHz. Le générateur haute fréquence, qui alimente la bobine inductrice, doit pouvoir être accordé sur une impédance très élevée pendant la courte période entre la mise en route et l'allumage de la flamme, puis s'adapter automatiquement à une impédance faible dès l'allumage, et donc présenter un très haut coefficient de surtension. On connait déjà de tels générateurs haute fréquence pour torche à plasma, par exemple tels que décrits dans un article publié en 1976, pages 271 à 282 dans le N 84 de la revue "ANALYTICA CHIMICA ACTA". Dans de tels générateurs haute fréquence, l'adaptation d'impédance est obtenue en utilisant un circuit oscillateur à lignes accordées en quart d'onde. Un tel générateur haute fréquence connu est représenté sur la figure 1. I1 comprend un circuit oscillateur 1 comportant deux triodes 2 et 3 dont les cathodes respectives 4 et 5 sont connectées l'une à l'autre et à une ligne d'alimentation négative haute tension 6, et dont les anodes respectives 7 et 8 sont connectées en série respectivement avec une première ligne accordée en quart d'onde 9 et avec une seconde ligne accordée en quart d'onde 10. Les lignes accordées en quart d'onde 9 et 10 sont elles-mêmes connectées l'une à l'autre en un point de raccordement il lui-même connecté à une ligne d'alimentation positive haute tension 12. Le générateur comprend en outre un circuit de couplage 13, couplé magnétiquement au circuit oscillateur 1, et comportant deux lignes accordées 14 et 15 en série l'une avec l'autre et avec un circuit oscillant parallèle formé d'un condensateur 16 et d'une bobine inductri ce 17. Le champ magnétique haute fréquence de formation de plasma est créé dans ladite bobine inductrice 17. L'une des difficultés d'un tel générateur connu vient du fait que, au cours de leur fonctionnement, les triodes 2 et 3 tendent à se modifier, par l'effet du vieillissement, ledit vieillissement étant généralement inégal en fonction des triodes. I1 en résulte un déséquilibre du circuit oscillateur, qui perd assez rapidement son efficacité. Une autre difficulté de tels générateurs est leur encombrement. En effet, la constitution elle-même des circuits induit des pertes d'énergie dans les diverses lignes, ce qui nécessite de surdimensionner le générateur pour obtenir une puissance donnée. Egalement, il apparat souhaitable d'augmenter encore l'aptitude de tels générateurs à s'adapter automatiquement à des impédances de charge très variables. La présente invention a notamment pour objet d'éviter les inconvénients des générateurs connus, en proposant une nouvelle structure de générateur haute fréquence pour torche à plasma qui soit à la fois de plus faible dimension pour une puissance donnée et qui permette de conserver un fonctionnement correct même en cas de déséquilibre des triodes dû à un vieillisement différentiel. Ces résultats sont obtenus selon l'invention sans augmenter le coût du générateur. Pour atteindre ces buts ainsi que d'autres, le générateur haute fréquence pour torche à plasma selon l'invention comprend - un circuit oscillateur, comportant deux triodes connectées l'une à l'autre et à une première ligne d'alimentation haute tension et connectées en série respectivement avec une première ligne accordée en quart d'onde et avec une seconde ligne accordée en quart d'onde, lesdites lignes accordées en quart d'onde étant elles-mêmes connectées l'une à l'autre en un point de raccordement recevant lui-même le potentiel continu d'une seconde ligne d'alimentation haute tension, - un circuit de couplage, couplé magnétiquement au circuit oscillateur et comportant deux lignes accordées connectées à une bobine inductrice dans laquelle est créé le champ magnétique haute fréquence de formation de plasma, - un circuit de contre-réaction entre les deux lignes accordées en quart d'onde, assurant le maintien d'une symétrie de fonctionnement entre les deux moitiés du circuit oscillateur en cas de déséquilibre entre les deux triodes. Selon un mode de réalisation préféré, le circuit de contreréaction comprend - une ligne de contre-réaction connectée entre le point de raccordement des lignes accordées en quart d'onde et un point de jonction lui-même connecté à la première ligne d'alimentation haute tension par un condensateur de découplage, - deux impédances couplées complémentaires, insérées respectivement en série avec la première ligne accordée en quart d'onde et avec la seconde ligne accordée en quart d'onde. Selon un mode de réalisation avantageux, les grilles des triodes sont connectées à la première ligne d'alimentation haute tension par des impédances complexes capacitives d'accord complémentaires, et sont en outre connectées en un point commun par des résistances de polarisation, ledit point commun étant connecté à la première ligne d'alimentation haute tension par une impédance commune découplée par un condensateur. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante d'un mode de réalisation particulier, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles - la figure 1 illustre le schéma électrique d'un générateur pour torche à plasma de type connu ; et - la figure 2 illustre le schéma électrique d'un générateur haute fréquence pour torche à plasma selon un mode de réalisation de la prés ente invention. Le générateur connu de la figure 1 a été décrit ci-dessus. I1 permet, par alimentation au moyen d'une source d'énergie électrique continue à haute tension 18, de produire dans la bobine inductrice 17 un champ magnétique alternatif à haute fréquence susceptible de créer une flamme de plasma par ionisation et constriction d'un flux gazeux. Le générateur de la présente invention, par exemple le générateur selon le mode de réalisation représenté sur la figure 2, reprend un certain nombre d'éléments du générateur connu. Ces éléments communs sont repérés par les mêmes références numériques. Ainsi, on retrouve dans le générateur de la figure 2 un circuit oscillateur 1, une première triode 2, une seconde triode 3, une première ligne d'alimentation haute tension 6 qui peut être avantageusement la ligne d'alimentation négative haute tension, une seconde ligne d'alimentation haute tension 12 qui peut être avantageusement la ligne d'alimentation positive à haute tension, un circuit de couplage 13, une bobine inductrice 17. La cathode 4 de la première triode 2 est connectée à la ligne d'alimentation négative haute tension 6 par une première ligne cathodique 40, tandis que la cathode 5 de la seconde triode 3 est connectée à la même ligne d'alimentation négative haute tension 6 par une seconde ligne cathodique 50. L'anode 7 de la première triode 3 est connectée à une première ligne accordée en quart d'onde 9, tandis que l'anode 8 de la seconde triode 3 est connectée à une seconde ligne accordée en quart d'onde 10. Lesdites lignes accordées en quart d'onde 9 et 10 sont ellesmêmes connectées l'une à l'autre en un point de raccordement 11 lui-même connecté à la ligne d'alimentation positive haute tension 12. Le circuit de couplage 13 est couplé magnétiquement au circuit oscillateur 1, et comporte deux lignes accordées 14 et 15 connectées en série avec la bobine inductrice 17 elle-même en parallèle sur le condensateur 16. Pour supprimer la composante statique du couplage et ne capter que la composante magnétique, on dispose de façon connue entre la boucle des lignes anodiques 9 et 10 et la boucle des lignes accordées 14 et 15 du circuit de couplage 13 un écran 19 formé par une série de dipôles ouverts. Le circuit du générateur selon l'invention se distingue tout d'abord par la présence d'un circuit de contre-réaction entre les deux lignes accordées en quart d'onde 9 et 10 du circuit oscillateur 1. Ce circuit de contre-réaction est destiné à assurer le maintien d'une symétrie de fonctionnement entre les deux moitiés du circuit oscillateur en cas de déséquilibre de caractéristiques entre les deux triodes 2 et 3. Dans le mode de réalisation représenté, le circuit de contreréaction comprend une ligne de contre-réaction 20, d'impédance appropriée, connectée entre le point de raccordement 11 des lignes accordées en quart d'onde 9 et 10 et un point de jonction 21 lui-même connecté à la ligne d'alimentation négative haute tension 6 par un condensateur de découplage 24. Le circuit de contre-réaction comprend en outre deux impédances couplées complémentaires, à savoir une première impédance 22 insérée en série avec la première ligne accordée en quart d'onde 9, et une seconde impédance 23 connectée en série avec la seconde ligne accordée en quart d'onde 10. Le point de jonction 21 est connecté en outre à la ligne d'alimentation positive à haute tension 12 par une inductance série 25. Selon une première possibilité, les grilles respectives 26 et 27 des triodes 2 et 3 peuvent être polarisées de façon connue, par exemple comme représenté sur le schéma de la figure 1. Toutefois, on pourra préférer une disposition particulière selon la présente invention, qui améliore l'équilibrage du générateur selon ce mode de réalisation, les grilles sont connectées en un point commun 28 par des résistances de polarisation 29 et 30, ledit point commun 28 étant connecté à la ligne d'alimentation négative à haute tension 6 par une impédance commune 31 découplée par un condensateur 32. En outre, selon l'invention, les grilles respectives 26 et 27 des triodes 2 et 3 sont connectées à la ligne d'alimentation négative à haute tension 6 par des impédances complexes capacitives d'accord complémentaires, à savoir l'impédance 33 et l'impédance 34. Selon un mode de réalisation avantageux, l'impédance commune 31 peut être constituée par l'impédance interne d'un milliampèremètre, qui donne simultanément l'indication de l'énergie fournie par le générateur. Le circuit de couplage 13 selon l'invention comprend avantageusement une boucle de couplage 35, connectée en série avec les lignes accordées 14 et 15. Un condensateur double d'ajustage 36 est avantageusement connecté entre les départs des lignes accordées 14 et 15, comme représenté sur la figure 2, pour augmenter les possibilités d'autoadaptation du générateur à des variations d'impédance d'utilisation dans la bobine inductrice 17. En pratique, le condensateur double d'ajustage 36 comprend un premier condensateur 37 connecté entre le départ de la ligne accordée 15 et un point commun 38, et un second condensateur 39 connecté entre le départ de la ligne accordée 14 et le même point commun 38. Ce même point commun 38 est connecté au point milieu du conducteur formant la boucle de couplage 35, ainsi qu'au point milieu des conducteurs formant l'écran 19. Les valeurs respectives des condensateurs d'ajustage 37 et 39 peuvent être réglées pour équilibrer et accorder l'ensemble du circuit de couplage 13. Dans le circuit de la présente invention, les deux impédances couplées complémentaires 22 et 23 sont réglées pour ajuster le taux de contre-réaction entre les lignes accordées 9 et 10. De préférence, les lignes cathodiques 40 et 50 sont accordées en quart d'onde. Les couplages cathodiques réalisés par ces lignes cathodiques 40 et 50 peuvent rester fixes. Les couplages de grilles sont ajustés respectivement par les impédances complexes 33 et 34. La ligne de contre-réaction 20 assure la symétrie de fonctionnement des deux triodes 2 et 3, même en cas d'évolution non strictement parallèle du vieillissement de ces triodes. La bobine inductrice 17 est accordée par le condensateur 16. Le générateur selon la présente invention peut être utilisé notamment pour la spectrométrie de haute précision et sensibilité, par exemple : spectrométrie d'émission, spectrométrie d'absorption, spectrométrie de masse par injection directe de l'échantillon à analyser soit sous forme d'aérosol soit sous forme pulvérulente. Le générateur peut également être utilisé pour créer des plasmas de haute puissance, soit pour des traitements, soit dans des réacteurs chimiques, soit pour la destruction de matières non biodégradables, sous surveillance analytique constante. Dans toutes ces utilisations, le générateur peut produire des puissances dans une gamme très étendue, depuis la petite unité pour l'enseignement soit de l'ordre de la centaine de watts, jusqu'à de grands ensembles en cellule blindée de l'ordre du kilowatt ou du mégawatt pour le nucléaire, le spatial, l'environnement. Pour chaque application, le choix des valeurs d'impédances des différents éléments composant le circuit est à la portée de l'homme du métier. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1 - Générateur haute fréquence pour torche à plasma, comprenant - un circuit oscillateur (1), comportant deux triodes (2, 3) connectées l'une à l'autre et à une première ligne d'alimentation haute tension (6) et connectées en série respectivement avec une première ligne accordée en quart dwonde (9) et avec une seconde ligne accordée en quart d'onde (10), lesdites lignes accordées en quart d'onde (9, 10) étant ellesmêmes connectées l'une à l'autre en un point de raccordement (11) recevant lui-même le potentiel continu d'une seconde ligne d'alimentation haute tension (12), - un circuit de couplage (13), couplé magnétiquement au circuit oscillateur (11) et comportant deux lignes accordées (14, 15) connectées à une bobine inductrice (17) dans laquelle est créé le champ magnétique haute fréquence de formation de plasma, caractérisé en ce qu'il comprend en outre - un circuit de contre-réaction entre les deux lignes accordées en quart d'onde (9, 10), assurant le maintien d'une symétrie de fonctionnement entre les deux moitiés du circuit oscillateur en cas de déséquilibre entre les deux triodes (2, 3). 2 - Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de contre-réaction comprend - une ligne de contre-réaction (20) connectée entre le point de raccordement (11) des lignes accordées en quart d'onde (9, 10) et un point de jonction (21) lui-même connecté à la première ligne d'alimentation haute tension (6), par un condensateur de découplage (24), - deux impédances couplées complémentaires (22, 23), insérées respectivement en série avec la première ligne accordée en quart d'onde (9) et avec la seconde ligne accordée en quart d'onde (10). 3 - Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le point de jonction (21) est connecté d'une part à la première ligne d'alimentation haute tension (6) par le condensateur de découplage (24), et d'autre part à la seconde ligne d'alimentation haute tension (12) par une inductance série (25). 4 - Générateur selon l'une quelconque des révendications 1 à 3, caractérisé en ce que les lignes accordées en quart d'onde (9, 10) sont connectées aux anodes respectives (7, 8) des triodes (2, 3), la seconde ligne d'alimentation haute tension (12) étant une ligne d'alimentation positive haute tension, les cathodes (4, 5) des triodes (2, 3) étant connectées entre elles et à une ligne d'alimentation négative haute tension (6) respectivement par des lignes cathodiques (40, 50) ellesmêmes accordées. 5 - Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les grilles (26, 27) des triodes (2, 3) sont connectées à la ligne d'alimentation négative haute tension (6) par des impédances complexes capacitives d'accord complémentaires (33, 34). 6 - Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les grilles (26, 27) sont en outre connectées en un point commun (28) par des résistances de polarisation (29, 30), ledit point commun (28) étant connecté à la ligne d'alimentation négative haute tension (6) par une impédance commune (31) découplée par un condensateur (32). 7 - Générateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite impédance commune (31) est l'impédance interne d'un milliampèremètre donnant l'indication de l'énergie fournie par le générateur. 8 - Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le circuit de couplage (13) comprend un condensateur double d'ajustage (36) connecté entre les départs des lignes accordées (14, 15), augmentant les possibilités d'auto-adaptation du générateur à des variations d'impédance d'utilisation dans la bobine inductrice (17).