Brevet FR2736792A1 — publié le 19970117

La présente invention concerne un excitateur à micro-ondes auto-adapte, notamment un excitateur de plasma. On connaît déjà des excitateurs de plasma du type comportant un guide d'ondes, de section rectangulaire, dont une grande face est munie de fentes destinées à constituer un applicateur de champ. Ces fentes sont réparties de façon régulière sur la grande face du guide d'ondes, en étant soit parallèles entre elles et disposées en quinconce par rapport à l'axe longitudinal du guide d'ondes, soit alternativement inclinées dans un sens et dans l'autre par rapport à cet axe et disposées sensiblement le long de ce dernier. Ce guide d'ondes est placé avec ses fentes rayonnantes en regard d'une chambre d'ionisation dans laquelle un gaz plasmagène est introduit. Le guide d'ondes est maintenu à la pression atmosphérique, 5 soit environ 10 Pa tandis que la pression du gaz envoyé dans la chambre d'ionisation est voisine de 102 Pa. Cette différence de pression nécessite la présence d'une plaque d'étanchéité séparant le guide d'ondes de la chambre d'ionisation, plaque qui est réalisée en un matériau diélectrique, par exemple en quartz, de manière à laisser passer, avec un minimum de pertes d'énergie, les ondes rayonnées par les fentes. De tels excitateurs de plasma sont en particulier utilisés pour effectuer des traitements de surfaces, notamment pour le dépôt de pellicules protectrices. Dans les excitateurs de plasma connus, une difficulté consiste à adapter la géométrie des différents composants de l'excitateur pour diminuer le plus possible la puissance réfléchie par le plasma en direction du guide d'ondes. Cette adaptation est obtenue généralement par un adaptateur extérieur à l'excitateur, placé entre la source de micro-ondes et le guide d'ondes. Un tel adaptateur présente l'inconvénient d'être relativement encombrant et d'augmenter le prix de revient de l'excitateur, tant par son coût de réalisation que par les différents réglages qu'il requiert en vue d'une utilisation optimale de l'excitateur. La présente invention vise à fournir un excitateur à micro-ondes dans lequel ce problème d'adaptation est résolu sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un adaptateur. La présente invention a pour objet un excitateur à micro-ondes comportant un guide d'ondes à fentes rayonnantes, une chambre de rayonnement placée en regard de ces fentes et séparée de ces dernières par une plaque d'étanchéité en matériau diélectrique, excitateur qui est caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un cylindre électriquement conducteur, placé dans la chambre de rayonnement parallèlement à la plaque d'étanchéité, à une distance prédéterminée de la plaque d'étanchéité. De préférence, la plaque d'étanchéité est réalisée en un matériau diélectrique à faibles pertes, de manière à ce que l'énergie ne soit pas absorbée par le matériau diélectrique, ce qui pourrait provoquer non seulement d'importantes pertes d'énergie, mais également le chauffage de la plaque d'étanchéité et éventuellement sa rupture. Avantageusement, le cylindre électriquement conducteur se trouve à une distance prédéterminée d'une des parois de la chambre. Les distances qui séparent le cylindre de la paroi de la chambre et respectivement de la plaque d'étanchéité peuvent être déterminées par essais successifs. Selon l'invention, on peut prévoir deux cylindres électriquement conducteurs parallèles ou un seul cylindre s'étendant sur toute la périphérie de la chambre de rayonnement. D'une façon encore inexpliquée, il s'est avéré que la présence d'un ou plusieurs cylindres électriquement conducteurs dans la chambre de rayonnement diminue la quantité d'énergie qui est renvoyée dans le guide d'ondes depuis la chambre de rayonnement. En d'autres termes, la présence dans la chambre de rayonnement de cylindres électriquement conducteurs, par exemple métalliques, réalise automatiquement l'adaptation de l'excitateur et ce, de manière inhérente, c'est-à-dire indépendamment de la présence d'un adaptateur entre la source de micro-ondes et le guide d'ondes. Ce résultat est d'autant plus surprenant que, d'après les enseignements de l'état de la technique relatif aux excitateurs de plasma, il est plutôt recommandé d'éliminer de la chambre de rayonnement toute pièce métallique susceptible de perturber l'établissement d'un champ propre à l'excitation du plasma. Pour une puissance très élevée, si l'excitateur présente un léger défaut d'adaptation, il peut se produire que la plaque d'étanchéité en matériau diélectrique, qui est normalement voisine des fentes rayonnantes du guide d'ondes, s'échauffe localement et subisse des contraintes internes importantes. Or, de telles contraintes peuvent provoquer la rupture de la plaque. La présente invention vise également à résoudre cet inconvénient en proposant, dans un mode de réalisation particulier, un excitateur à micro-ondes du type décrit ci-dessus, c'est-à-dire comportant au moins un cylindre électriquement conducteur dans la chambre de rayonnement, qui est caractérisé par le fait que la plaque d'étanchéité est placée à distance des fentes rayonnantes et par le fait qu'il comporte une plaque secondaire en matériau diélectrique, intercalée entre lesdites fentes rayonnantes et la plaque d'étanchéité. Cette plaque secondaire permet d'adapter l'excitateur. Le positionnement de la plaque secondaire, qui peut être par exemple constituée par du téflon, est avantageusement réglable, de manière à permettre une adaptation fine de l'impédance de l'excitateur. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, l'excitateur comporte plusieurs guides d'ondes disposés parallèlement les uns aux autres, avec leurs fentes rayonnantes en regard d'une même chambre de rayonnement. Dans ce mode de réalisation, la chambre peut présenter de grandes dimensions tout en étant le siège d'un rayonnement homogène du fait que les guides d'ondes sont régulièrement répartis par rapport au volume intérieur de la chambre de rayonnement. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le ou les cylindres électriquement conducteurs sont constitués par des tubes métalliques qui sont raccordés à une source de gaz plasmagène et qui comportent des orifices, de préférence latéraux, débouchant dans la chambre de rayonnement, laquelle constitue alors une chambre d'ionisation. Ainsi, les tubes métalliques remplissent deux fonctions distinctes, à savoir une première fonction d'adaptation et une seconde fonction d'introduction du gaz plasmagène dans la chambre d'ionisation. L'excitateur à micro-ondes constitue alors un excitateur de plasma qui permet d'atteindre des puissances relativement élevées, de l'ordre de 3 kW, pour un guide d'ondes de lm de long et ce, pour obtenir dans la chambre d'ionisation, un plasma homogène sur une longueur d'environ 80 cm et une largeur d'environ 40 cm. La présente invention a également pour objet une utilisation d'un excitateur à micro-ondes tel que décrit ci-dessus, comme four à micro-ondes pour chauffer des produits par perte diélectrique, par exemple des produits pharmaceutiques en grande quantité et sous vide, ou comme excitateur de plasma lorsque les cylindres sont des tubes reliés à une source de gaz plasmagène. Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente, en vue de trois quart et de dessous, un excitateur à micro-ondes selon un premier mode de réalisation de l'invention, et - la figure 2 est une vue en coupe d'un excitateur à micro-ondes selon un second mode de réalisation de l'invention. L'excitateur représenté sur le dessin comporte un guide d'ondes 1 de section rectangulaire de 8,6 cm par 4,3 cm, dont lune des deux grandes faces 2 comporte cinq fentes 3 de 5,8 cm de long, espacées entre elles d'une demi-longueur d'onde dans le guide d'ondes de la micro-onde, soit environ 8,8 cm, chaque fente formant, par rapport à l'axe longitudinal 4 du guide d'ondes 1, un angle calculé en fonction du nombre de fentes choisi. La face 2 du guide d'ondes comportant les fentes 3 est placée en regard d'une chambre de rayonnement 5, qui constitue également une chambre d'ionisation, et dont les contours sont schématisés en traits interrompus sur le dessin. Une première plaque diélectrique 6, qui est ici réalisée en verre, est placée en regard des fentes rayonnantes 3, à une distance 1 de ces dernières et parallèlement à la grande face 2 du guide d'ondes. Un mécanisme (non représenté) permet d'ajuster la distance 1 qui separe la plaque de verre 6 de la grande face 2 comportant les fentes du guide d'ondes. L'épaisseur e de la plaque de verre 6 est d'environ 0,4 cm. Une autre plaque diélectrique 7, réalisée en quartz, est placée parallèlement à la plaque de verre 6 à une distance fixe L = 60 mm de la grande face 2 comportant les fentes 3 du guide d'ondes 1. La plaque de quartz 7 divise en deux parties le volume intérieur de la chambre d'ionisation 5, de manière étanche, et presente à cet effet, une épaisseur E de 1,9 cm, de manière à pouvoir résister à une différence de pression entre ses deux faces. En effet, l'intérieur du guide d'ondes 1 et la partie de la chambre d'ionisation comprise entre la grande face 2 du guide d'ondes et la plaque de quartz 7 sont placés sous la pression atmosphérique, soit environ 5 10 Pa, tandis que la partie de la chambre d'ionisation située de l'autre côté de la plaque de quartz 7 renferme un gaz à un pression de 102 Pa. Cette dernière partie de la chambre d'ionisation 5 comporte deux cylindres 8 électriquement conducteurs qui sont ici constitués par des tubes en cuivre de 14 mm de diamètre, s'étendant longitudinalement le long de chaque grande face de la chambre d'ionisation 5, parallèlement à la plaque 7. Chacun des tubes 8 est placé à une distance A - 10 mm de la grande face correspondante de la chambre d'ionisation, et à une distance B4 4 mm de la plaque de quartz 7. Les tubes sont obturés à une de leurs extrémités 9 et sont raccordés, à leur autre extrémité 10, à une source de gaz plasmagène non représentée. Des perçages 11 sont réalisés dans la paroi de chaque tube 8, de manière à diffuser le gaz plasmagène dans la chambre d'ionisation. Cet agencement du générateur de plasma permet d'atteindre des puissances très élevées de l'ordre de 3 à 4 kW, pour une fréquence de 2,45 GHz, sans rencontrer de problèmes d'adaptation. En effet, dans de telles conditions, on mesure un taux d'ondes stationnaires compris entre environ 1,07 et environ 1,15. Ceci résulte du fait que, d'une part, les tubes métalliques procurent une auto-adaptation du générateur, et que, d'autre part, l'éloignement de la plaque de quartz par rapport aux fentes évite tout chauffage local excessif de cette dernière. En outre, le déplacement de la plaque de verre permet d'adapter finement le générateur. Sur la figure 2, on a représenté en coupe un excitateur de plasma selon un second mode de réalisation de l'invention. La chambre de rayonnement 5, ou chambre d'ionisation, présente des dimensions plus importantes que dans le précédent mode de réalisation, ce qui permet de traiter des pièces plus volumineuses en les introduisant dans ladite chambre. Deux guides d'ondes 1 sont prévus sur la face supérieure de la chambre de rayonnement, chaque guide d'ondes étant sensiblement identique à celui décrit en référence à la figure 1. En regard des fentes 3 de chaque guide d'ondes, on retrouve, comme décrit précédemment, une plaque de verre 6 et une plaque de quartz 7, laquelle se situe à hauteur de la paroi métallique de la chambre de rayonnement 5. La paroi de la chambre de rayonnement 5 est percée à cet effet en face de chaque guide d'ondes 1. Deux cylindres conducteurs 8 sont placés dans la chambre de rayonnement, parallèlement et au droit de chaque plaque d'étanchéité 7, à une distance B de cette dernière et à une distance A d'un plan P qui prolonge virtuellement la face latérale du guide d'ondes, comme dans le premier mode de réalisation. Pour des dimensions de guides d'ondes, de plaques et de cylindres identiques à celles déjà indiquées, un écartement C entre guides d'ondes de 8 cm permet d'obtenir une bonne homogénéité du rayonnement dans la chambre 5. Il est bien entendu que le mode de réalisation qui vient d'être décrit ne présente aucun caractère limitatif et qu'il pourra recevoir toutes modifications désirables sans sortir pour cela du cadre de l'invention. En particulier, les deux cylindres disposés longitudinalement aux grandes faces de la chambre de rayonnement pourraient être remplacés par un seul tube périphérique, éloigné de manière appropriée des parois de la chambre et de la plaque de quartz. Le ou les cylindres pourraient également être disposés perpendiculairement à ceux représentés sur le dessin. De même, les matériaux utilisés pour réaliser la plaque d'étanchéité, la plaque secondaire et les cylindres pourraient être différents de ceux mentionnés ci-dessus. Par exemple, la plaque secondaire pourrait également, mais non limitativement, être réalisée en téflon. REVENDICATIONS 1 - Excitateur à micro-ondes comportant un guide d'ondes (1) à fentes rayonnantes (3), une chambre de rayonnement (5) placée en regard de ces fentes (3) et séparée de ces dernières par une plaque d'étanchéité (7) en matériau diélectrique caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un cylindre (8) électriquement conducteur, placé dans la chambre de rayonnement (5) parallèlement à la plaque d'étanchéité à une distance (B) prédéterminée de la plaque d'étanchéité (7). 2 - Excitateur à micro-ondes selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte deux cylindres (8) électriquement conducteurs parallèles. 3 - Excitateur à micro-ondes selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un seul cylindre (8) électriquement conducteur s'étendant sur toute la périphérie de la chambre d'ionisation (4). 4 - Excitateur à micro-ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la plaque d'étanchéité (7) est placée à distance des fentes rayonnantes (3) et par le fait qu'il comporte une plaque secondaire (6) en matériau diélectrique, intercalée entre lesdites fentes rayonnantes (3) et la plaque d'étanchéité (7). 5 - Excitateur à micro-ondes selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le positionnement de la plaque secondaire (6) est réglable, de manière à permettre une adaptation fine de l'impédance de l'excitateur. 6 - Excitateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comporte plusieurs guides d'ondes (1) disposés parallèlement les uns aux autres, avec leurs fentes rayonnantes (3) en regard d'une même chambre de rayonnement (5). 7 - Excitateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le ou chaque cylindre électriquement conducteur (8) est placé à une distance (A) prédéterminée d'une des parois de la chambre de rayonnement. 8 - Excitateur à micro-ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le ou les cylindres électriquement conducteurs sont constitués par des tubes métalliques (8) qui sont raccordés à une source de gaz plasmagène et qui comportent des orifices (11), de préférence latéraux, débouchant dans la chambre de rayonnement (5). 9 - Utilisation d'un excitateur à micro-ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 comme four à micro-ondes pour chauffer des produits par perte diélectrique. 10 - Utilisation d'un excitateur à micro-ondes selon la revendication 8 comme excitateur de plasma.