Brevet FR2734979A1 — publié le 19961206

cavité de décharge forte puissance à onde lente dans le domaine des radiofréquences" La présente invention concerne une cavité forte puissance à onde lente dans le domaine des radiofréquences pour créer des décharges plasma dans les gaz. Elle comprend un tube en matière diélectrique renfermant un gaz sous faible pression, ce tube étant entouré coaxialement par une structure à onde lente et une enceinte cylindrique en matière électriquement conductrice. On connaît selon le brevet européen 0 376 546, une cavité à onde électromagnétique pour créer des décharges plasma dans un gaz, comprenant un tube en matière diélectrique renfermant un gaz sous faible pression. Ce tube est entouré coaxialement par une enceinte cylindrique en matière électriquement conductrice. Ce tube est lui-même entouré dans sa partie située dans l'enceinte cylindrique par un élément en matière électriquement conductrice enroulé hélicoïdalement autour dudit tube. Cet élément est relié électriquement à un générateur d'onde. Toutefois, cette cavité ne convient que pour de faibles puissances (0,05 W/cm3). Le problème de l'utilisation des radiofréquences pour la réalisation de coupleurs de type cavité réside en la longueur d'onde des fréquences considérées, qui implique des dimensions de coupleurs importantes. Une possibilité pour contourner cet inconvénient est l'utilisation de structures à onde lente. Dans ces structures, la longueur d'onde longitudinale dans le vide Ro est multipliée par le rapport VP/C où Vp est la vitesse de phase de l'onde dans la structure et Ç la célérité de la lumière. Dans le cas de l'hélice qui est décrite dans le brevet européen 0 376 546, on montre que l'on a en première approximation tg'I' VP/C où T est l'angle que font les spires de l'hélice avec un plan perpendiculaire à l'axe de cette hélice.Un angle T faible permet d'obtenir une vitesse de phase faible et donc une diminution notable de la longueur d'onde: x = Vp/C. Xo Dès lors pour une onde de fréquence égale à 13,56 MHz ayant une longueur d'onde dans le vide de 22,1 m environ on peut réaliser en jouant sur les paramètres dimensionnels de l'hélice un coupleur mesurant, par exemple pour un tube plasma de 6 cm de diamètre extérieur, 50 cm de longueur et 10 cm de diamètre, ou encore, toujours pour la même fréquence, un coupleur avec un tube plasma de 25 cm de diamètre extérieur, 80 cm de longueur et 40 cm de diamètre. Ainsi, l'utilisation de radiofréquences, sur l'ensemble des bandes légales (40,68 MHz, 27 MHz, 13,56 MHz et 6,8 MHz) et l'utilisation d'une hélice permet théoriquement de réaliser des coupleurs sur un vaste domaine de dimensions. La présence sur le marché de générateur radiofréquence de forte puissance ( > 10 KW) offre la possibilité de générer de gros volumes de plasma avec une grande variété de gaz. Le but de la présente invention est par conséquent de créer une cavité forte puissance à onde lente dans le domaine des radiofréquences, pour pouvoir créer des volumes de plasma importants. L'invention vise ainsi une cavité à onde lente dans le domaine des radiofréquences à forte puissance pour créer des décharges plasma dans un gaz, comprenant un tube en matière diélectrique renfermant un gaz sous faible pression, ce tube étant entouré coaxialement par une enceinte cylindrique en matière électriquement conductrice, ledit tube étant lui-même entouré dans sa partie située dans l'enceinte cylindrique par un élément en matière électriquement conductrice enroulé hélicoïdalement autour dudit tube, cet élément étant relié électriquement à un générateur d'onde dans le domaine des radiofréquences. Suivant l'invention, cette cavité est caractérisée en ce que ledit élément en matière électriquement conductrice enroulé hélicoïdalement autour du tube à gaz est un tube hélicoïdal, des moyens étant prévus pour faire circuler dans ce tube hélicoïdal un gaz pour assurer son refroidissement et en ce que ce tube hélicoïdal est maintenu à l'intérieur de l'enceinte cylindrique par une série d'entretoises en matière diélectrique reliant ledit tube hélicoïdal à la paroi de 1 'enceinte cylindrique. La circulation de gaz par exemple d'air dans le tube hélicoïdal permet d'éviter tout risque d'échauffement lorsque ce tube est connecté à un générateur radiofréquence de puissance élevée. De même, les entretoises diélectriques maintiennent parfaitement le tube hélicoïdal, ce qui rend également la cavité selon l'invention apte à supporter des puissances élevées, sans risque de déformation du tube hélicoïdal. Selon une version préférée de l'invention, l'enceinte cylindrique est fermée à ses extrémités opposées par des flasques comportant chacune une ouverture circulaire de passage du tube à gaz, le diamètre de cette ouverture étant légèrement supérieur au diamètre dudit tube à gaz. Cette disposition permet une certaine liberté de mouvement du tube à gaz par rapport aux flasques. Selon une version avantageuse, la paroi de l'enceinte cylindrique comporte au moins une entrée de gaz de refroidissement. Cette disposition permet également de refroidir la cavité soumise à des décharges de forte puissance. Le gaz de refroidissement s'échappe à l'extérieur par les ouvertures prévues dans les flasques. Selon une autre particularité de l'invention, l'une des extrémités du tube hélicoïdal traverse la paroi de l'enceinte cylindrique et comporte des moyens pour la connecter électriquement à une prise coaxiale reliée au générateur radiofréquence, ladite extrémité du tube hélicoïdal étant raccordée à une source d'alimentation en gaz de refroidissement et l'autre extrémité du tube hélicoïdal débouchant à l'intérieur de 1 'enceinte cylindrique. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une cavité à onde lente conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe suivant le plan II-II de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale du dispositif d'alimentation en gaz du tube hélicoïdal de la cavité suivant l'invention; - la figure 4 est un schéma de l'adaptateur d'impédance. Dans la réalisation représentée sur les figures 1 et 2, la cavité forte puissance à onde lente dans le domaine des radiofréquences pour créer des décharges plasma dans un gaz, comprend un tube 1 en matière diélectrique telle que du quartz, renfermant un gaz sous faible pression. Ce tube 1 est entouré coaxialement par une enceinte cylindrique 2 en matière électriquement conductrice telle que de l'aluminium. Le tube 1 est lui-même entouré dans sa partie située dans l'enceinte cylindrique 2 par un élément 3 en matière électriquement conductrice telle que du cuivre, enroulé hélicoïdalement autour du tube 1. Cet élément 3 est relié électriquement à un générateur d'onde dans le domaine des radiofréquences. Conformément à l'invention, l'élément 3 en matière électriquement conductrice enroulé hélicoïdalement autour du tube à gaz 1 est un tube hélicoïdal. Par ailleurs, des moyens sont prévus pour faire circuler dans le tube hélicoïdal 3 un gaz tel que de l'air, pour assurer son refroidissement. Comme également montré par les figures 1 et 2, le tube hélicoïdal 3 est maintenu à l'intérieur de l'enceinte cylindrique 2 par des entretoises 4 en matière diélectrique telle que du polytétrafluoréthylène reliant le tube hélicoïdal 3 à la paroi de l'enceinte cylindrique 2. La figure 2 montre que les entretoises sont régulièrement réparties tout autour du tube 1. On voit également sur la figure 1 que l'enceinte cylindrique 2 est fermée à ses extrémités opposées par des flasques 5 comportant chacun une ouverture circulaire 6 de passage du tube à gaz 1. Le diamètre de cette ouverture 6 est légèrement supérieur au diamètre du tube à gaz 1. Par ailleurs, la paroi de l'enceinte cylindrique 2 comporte plusieurs tubulures 7 d'entrée de gaz de refroidissement, tel q ue de l'air. La figure 3 montre en détail, que l'une 3a des extrémités du tube hélicoïdal 3 traverse une ouverture 8 de la paroi de l'enceinte cylindrique 2 et comporte un embout 9 destiné à être connecté électriquement à une prise coaxiale reliée au générateur radiofréquence. Par ailleurs l'extrémité 3a du tube hélicoïdal 3 est raccordée par une tubulure 10 à une source d'alimentation en gaz de refroidissement, tel que de l'air. D'autre part, l'autre extrémité 3b du tube hélicoïdal 3 débouche à l'intérieur de l'enceinte cylindrique 2. Comme on le voit également sur la figure 3, l'extrémité 3a du tube hélicoïdal 3 raccordée à la source de gaz est entourée, dans une partie comprise entre l'ouverture 8 de la paroi de l'enceinte cylindrique 2 et l'embout 9 de raccordement à une prise coaxiale, par un manchon 11 définissant autour de l'extrémité 3a du tube, une cavité 12 fermée dans laquelle débouche la tubulure 10 d'admission de gaz de refroidissement. D'autre part, la partie du tube hélicoïdal 3 située dans la cavité 12 comporte une série de trous 13 de passage pour le gaz de refroidissement. Les générateurs radiofréquences de forte puissance disponibles dans le commerce ont une impédance standard de 50 ohms. L'impédance d'entrée de la cavité de décharge que l'on vient de décrire varie suivant de nombreux paramètres. De ce fait, comme montré à la figure 4, le générateur radiofréquence 14 est relié au tube hélicoïdal par l'intermédiaire d'un circuit 15 d'adaptation de l'impédance. Ce circuit d'adaptation 15 comprend une capacité variable C1 branchée en série avec une self L et une autre capacité variable C2 branchée en dérivation avec cette self L. Les capacités d'accords C1 et C2 permettent d'adapter l'impédance du coupleur, dont la valeur varie en fonction du gaz, de la pression et du débit de ce dernier, à l'impédance de sortie du générateur (50 Q). Lorsque l'adaptation est réalisée, la puissance réfléchie Pr est nulle et la puissance absorbée Pa par le coupleur est égale à la puissance incidente Pi. Le circuit d'adaptation est donc purement réactif. Les dimensions de la cavité que l'on vient de décrire peuvent par exemple être les suivantes: Longueur totale: 800 mm Diamètre extérieur: 400 mm Diamètre du tube à gaz 1: 250 mm Diamètre du tube hélicoïdal: 10 mm Les gaz pouvant être utilisés pour réaliser des décharges à l'intérieur du tube 1 peuvent être de l'argon, de l'azote, de l'oxygène, de l'oxyde d'azote, du trifluorure d'azote où tout autre gaz et mélanges utilisés dand l'industrie. REVENDICATIONS 1. Cavité forte puissance à onde lente dans le domaine des radiofréquences pour créer des décharges plasma dans un gaz, comprenant un tube (1) en matière diélectrique renfermant un gaz sous faible pression, ce tube (1) étant entouré coaxialement par une enceinte cylindrique (2) en matière électriquement conductrice, ledit tube (1) étant lui-même entouré dans sa partie située dans l'enceinte cylindrique (2) par un élément (3) en matière électriquement conductrice enroulé hélicoïdalement autour dudit tube (1), cet élément (3) étant relié électriquement à un générateur d'onde dans le domaine des radiofréquences, caractérisée en ce que ledit élément (3) en matière électriquement conductrice enroulé hélicoïdalement autour du tube à gaz est un tube hélicoïdal, des moyens étant prévus pour faire circuler dans ce tube hélicoïdal (3) un gaz pour assurer son refroidissement et en ce que ce tube hélicoïdal (3) est maintenu à l'intérieur de l'enceinte cylindrique par des entretoises (4) en matière diélectrique reliant ledit tube hélicoïdal à la paroi de l'enceinte cylindrique (2). 2. Cavité conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que l'enceinte cylindrique (2) est fermée à ses extrémités opposées par des flasques (5) comportant chacun une ouverture (6) circulaire de passage du tube à gaz (1), le diamètre de cette ouverture (6) étant légèrement supérieur au diamètre dudit tube à gaz (1). 3. Cavité conforme à la revendication 2, caractérisée en ce que la paroi de l'enceinte cylindrique (2) comporte au moins une entrée (7) de gaz de refroidissement. 4. Cavité conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'une (3a) des extrémités du tube hélicoïdal (3) traverse la paroi de l'enceinte cylindrique (2) et comporte des moyens pour la connecter électriquement à une prise coaxiale reliée au générateur radiofréquence, ladite extrémité (3a) du tube hélicoïdal (3) étant raccordée à une source d'alimentation en gaz de refroidissement et l'autre extrémité (3b) du tube hélicoïdal (3) débouchant à l'intérieur de l'enceinte cylindrique (2). 5. Cavité conforme à la revendication 4, caractérisée en ce que ladite extrémité (3a) du tube hélicoïdal (3) raccordée à une source de gaz est entourée, dans une partie comprise entre la paroi de l'enceinte cylindrique (2) et lesdits moyens de raccordement à une prise coaxiale, par un manchon (11) définissant autour dudit tube une cavité (12) fermée dans laquelle débouche une tubulure (10) d'admission de gaz de refroidissement, la partie du tube hélicoïdal (3) située dans la cavité (12) comportant une série de trous de passage (13) pour le gaz de refroidissement. 6. Cavité conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le générateur radiofréquence (14) est relié au tube hélicoïdal (3) par l'intermédiaire d'un circuit (15) d'adaptation de l'impédance. 7. Cavité conforme à la revendication 6, caractérisée en ce que le circuit d'adaptation (15) comprend une capacité variable (C1) branchée en série avec une self (L) et une autre capacité variable (C2) branchée en dérivation avec cette self (L).