Brevet FR3001356A1 — publié le 20140725

Dispositif de production et de manipulation de plasma à partir d'un fluide à structure résonante micro-ondes et actionneur à plasma par champ électrique La présente invention concerne un dispositif de production et de manipulation d'un plasma à partir d'un fluide comprenant une source de micro-ondes, une structure résonante micro-ondes comportant un élément résonant, notamment filaire, de type antenne quart d'onde et un générateur de plasma définissant un espace de génération de plasma, et des moyens de transmission des micro-ondes de la source de micro-ondes vers la structure résonante micro-ondes. On connaît un tel dispositif du document EP 2 374 753 A1. Ce dispositif connu est adapté à la production d'espèces chimiques telles que l'ozone. Néanmoins, avec ce dispositif, la manipulation du plasma généré reste difficile. Un but de l'invention est donc de modifier ce dispositif connu de manière à permettre une meilleure manipulation du plasma généré. Il s'agit notamment de proposer un nouveau dispositif permettant une propulsion contrôlée du plasma généré. Selon l'invention, ces buts sont atteints par un dispositif du type précité, caractérisé par un actionneur à plasma agencé au niveau de l'espace de génération de plasma et adapté à appliquer une différence de potentiel électrique au plasma généré, et un isolateur électrique adapté à isoler électriquement le générateur de plasma de l'actionneur à plasma. En prévoyant un actionneur à plasma par application d'une différence de potentiel électrique isolé du générateur de plasma, il devient possible d'entraîner le plasma. De préférence, le plasma est entraîné dans une direction voulue et on réalise ainsi un écoulement dirigé. Selon d'autres modes de réalisation, le dispositif comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'actionneur à plasma est un actionneur à haute tension électrique ; - l'actionneur à plasma est adapté à propulser le plasma dans une direction définie ; - l'actionneur à plasma comporte deux électrodes de manipulation, au moins une des deux électrodes de manipulation étant en forme de boucle, de plaque ou de pointe ; - une électrode de manipulation, notamment positive, en forme de pointe, et une électrode de manipulation, notamment négative, en forme de boucle ; - les électrodes de manipulation sont situées sensiblement l'une en face de l'autre ; - l'élément résonant de type antenne quart d'onde comprend un tronçon principal définissant un axe longitudinal de la structure résonante, au moins une des deux électrodes de manipulation étant orientée sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal ; - l'isolateur électrique borde l'espace de génération de plasma ; - l'isolateur électrique est une feuille pliée, réalisée de préférence en mica ; - le générateur de plasma comporte deux électrodes génératrices formant entre elles un angle d'ouverture strictement non nul, et de préférence sensiblement égal à 45 degrés. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est un schéma de principe en perspective d'un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention ; et - la figure 2 est un schéma de principe en perspective d'un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention. La figure 1 montre un dispositif 100 de production et de manipulation d'un plasma à partir d'un fluide. Ce dispositif est par la suite dénommé « actionneur Electro-HydroDynamique » ou « actionneur EHD ». En effet, il est conçu pour la propulsion de fluide par action électrique. L'actionneur EHD 100 comprend une source de micro-ondes 102, une structure résonante micro-ondes 104, des moyens de transmission de micro-ondes 106, un actionneur à plasma 108, et un isolateur électrique 110. Dans l'exemple montré à la figure 1, la source de micro-ondes 102 est une unité séparée. De préférence, la source de micro-ondes 102 est apte à générer des micro- ondes d'une fréquence de 500 à 900 MHz, de préférence de 600 à 800 MHz, et de manière particulièrement préférée d'environ 630 MHz. Le choix d'une telle bande de fréquences est avantageux en ce qu'il permet de réaliser la source de micro-ondes 102 à l'aide d'amplificateurs à bas coûts développés pour les télécommunications. De préférence, la puissance délivrée par la source de micro-ondes 102 est de l'ordre de 2 à 5 Watts. Les moyens 106 de transmission de micro-ondes, notamment un câble coaxial ultra haute-fréquence, relient la source de micro-ondes 102 à la structure résonante micro-ondes 104. La structure résonante micro-ondes 104 dispose d'un élément résonant de type antenne quart d'onde 112, d'une surface de masse 114, et d'un générateur de plasma 115. La surface de masse 114 est notamment un plan de masse. Un diélectrique est situé entre l'élément résonant de type antenne quart d'onde 112 et la surface de masse 114. La fréquence de résonance de la structure résonante 104 est fonction du diélectrique utilisé. Le diélectrique est notamment de l'air. L'élément résonant de type antenne quart d'onde 112 comprend un tronçon principal 116 ainsi qu'une première 118 et deuxième 120 extrémité reliées au tronçon principal et sensiblement perpendiculaires à celui-ci. Le tronçon principal 116 définit un axe longitudinal X-X de la structure résonante 104. La première et deuxième extrémité 118 et 120 sont normales au plan de masse 114, tandis que le tronçon principal 116 est sensiblement parallèle au plan de masse 114. La première extrémité 118 de l'élément résonant de type antenne quart d'onde 104 est reliée au plan de masse 114. La seconde extrémité 120 est libre et saillante vers le plan de masse 114 à partir du tronçon principal 116. La distance D entre le tronçon principal 116 et le plan de masse 114 est de préférence de l'ordre de 6 à 8 millimètres. De préférence, la surface de masse 114 et l'élément résonant de type antenne quart d'onde 112 sont réalisées en métal, l'élément résonant de type antenne quart d'onde 112 de préférence en inox, en tantale ou en platine, et la surface de masse 114 de préférence en cuivre. Le choix du cuivre pour la surface de masse 114 assure une bonne conductivité électrique surfacique impliquant un fort coefficient de surtension de la structure résonante 104. L'élément résonant de type antenne quart d'onde 112 dispose d'un point de connexion ultra haute-fréquence 121 au niveau de son tronçon principal 116. L'emplacement exact du point de connexion 121 sur le tronçon principal 116 est choisi de façon à ce que l'impédance de l'élément résonant de type antenne quart d'onde 112, vue de la source de micro-ondes 102, soit de l'ordre de 50 Ohms. Le point de connexion 121 est relié au conducteur central du câble coaxial ultra haute-fréquence 106. Le blindage du câble coaxial 106 est relié à la surface de masse 114. Le générateur de plasma 115 comporte deux électrodes génératrices définissant entre elles un espace E de génération de plasma et aptes à générer un champ électrique de génération Cg dans ledit espace E. La première électrode génératrice est une électrode d'antenne 122 sensiblement parallèle au plan de masse 114. L'électrode d'antenne 122 est fixée au bout de la seconde extrémité 120 de l'élément résonant 112. De préférence, l'électrode d'antenne 122 affleure le plan de masse 114. En particulier, l'électrode d'antenne 122 peut se présenter sous la forme d'une plaquette dont les dimensions sont avantageusement de l'ordre de 8 x 4 mm et donc la surface de l'ordre de 32 mm2. Cette plaquette 122 est notamment un rectangle, dont la longueur est sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal X-X. La deuxième électrode génératrice est une électrode de masse 124 en regard de l'électrode d'antenne 122. L'électrode de masse 124 est notamment constituée d'un bord du plan de masse 114. De préférence, l'électrode d'antenne 122 et l'électrode de masse 124 sont espacées de quelques millimètres. De manière particulièrement préférée, la distance entre les deux électrodes génératrices est d'environ 3 millimètres. Dans l'exemple représenté à la figure 1, les deux électrodes génératrices sont sensiblement parallèles l'une à l'autre. Néanmoins, les deux électrodes génératrices peuvent aussi former entre elles un angle d'ouverture strictement non nul, et de préférence sensiblement égal à 45 degrés. Dans ce cas de figure, l'électrode d'antenne 122 est inclinée par rapport au plan de masse 114. De préférence, la longueur caractéristique L de la structure résonante micro-ondes 104 est de l'ordre de 100 millimètres. La longueur caractéristique L est mesurée en allant du bord extrême de l'électrode d'antenne 122 à la zone de jonction entre le tronçon principal 116 et la première extrémité 118. La longueur caractéristique L correspondant au quart de la longueur d'onde À des micro-ondes, on a alors une longueur d'onde de travail de 100 X 4 = 400 millimètres ce qui correspondrait en rayonnement en espace libre (où la vitesse de phase c des ondes électromagnétiques est de l'ordre de 3 x 108 m/s) à une fréquence de résonance f = c / À d'environ 750 MHz. En pratique, la présence du plan de masse 114 change la vitesse de phase c et la structure résonante 104 résonne à une fréquence inférieure, en l'occurrence d'environ 630 MHz. Cette fréquence peut être calculée avec des outils numériques de simulation des structures électromagnétiques connus. L'actionneur à plasma 108 est un actionneur à haute tension électrique, et notamment un actionneur à décharge à barrière diélectrique (« Dielectric Barrier Discharge, DBD »). Le diélectrique empêche la migration des charges électriques, l'accumulation éventuelle de charges étant évitée par l'emploi de hautes tensions de polarité s'inversant périodiquement. On entend ici par haute tension électrique une tension allant de 1 à 10 kilovolts. A cet effet, l'actionneur à plasma 108 comprend une alimentation électrique haute tension 126 et deux électrodes de manipulation 128, 130. Chaque électrode de manipulation est reliée électriquement à l'une des deux bornes de l'alimentation électrique 126. Les deux électrodes de manipulation 128, 130 définissent entre elles une zone Z d'entraînement de plasma. Elles sont agencées au niveau de l'espace E de génération de plasma, l'une en face de l'autre, de façon à ce qu'elles soient aptes à générer un champ électrique de manipulation Cm sensiblement perpendiculaire au champ électrique de génération Cg. De préférence, les deux électrodes de manipulation 128, 130 sont orientées sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal X-X. En outre, les deux électrodes de manipulation se distinguent en une électrode d'accélération 128, de préférence en forme de fil ou de pointe, et une électrode d'extraction 130, de préférence en forme de boucle. L'électrode d'extraction 130 définit en son sein un passage 132 de sortie de plasma accéléré. De préférence, l'alimentation électrique 126 fournit une tension alternative. Néanmoins, elle peut aussi fournir une tension continue. Dans ce dernier cas, l'électrode d'accélération 128 pourra servir d'anode ou électrode positive, et l'électrode d'extraction 130 de cathode ou électrode négative. L'isolateur électrique 110 borde l'espace E de génération de plasma. Il isole électriquement le générateur de plasma 115 de l'actionneur à plasma 108. L'isolateur électrique 110 peut être réalisé sous la forme d'une feuille pliée en U. L'électrode d'accélération 128 se situe alors au fond du U, l'électrode d'extraction 130 se situe en face des extrémités supérieures du U, et les électrodes génératrices 122, 124 se situent au niveau des branches du U. L'orientation du U est de préférence telle que ses branches soient sensiblement parallèles à l'axe longitudinal X-X. Un matériau préféré pour l'isolateur électrique 110 est le mica dont la rigidité diélectrique forte (118 kV/mm) permet l'application de tensions jusqu'à 10 kV pour une feuille d'une épaisseur de 0,1 mm. Une telle feuille de mica peut être obtenue par clivage sous loupe binoculaire. On va maintenant décrire l'application de l'actionneur EHD 100 selon la figure 1 à la manipulation d'une couche limite en vue de la réduction de la traînée d'un véhicule se déplaçant dans un fluide. On suppose par la suite que l'actionneur EHD 100 est disposé sur l'aile d'un avion en vol. La surface de l'aile est dans le plan perpendiculaire à la surface de masse 114, plusieurs actionneurs EHD étant de préférence disposés en lignes discontinues affleurant à la surface de l'aile de l'aéronef. La flèche F à la figure 1 indique la direction d'écoulement de l'air autour de l'aile de l'avion. Lors de l'écoulement, une couche limite est présente proche de la surface de l'aile. Afin de mettre en mouvement cette couche limite, on allume la source de micro-ondes 102 avec une fréquence d'environ 630 MHz et une puissance de quelques watts. On allume également l'alimentation électrique 126 qui délivre une tension alternative d'environ 2 kilovolts aux électrodes de manipulation 128, 130_ Les micro-ondes générées par la source 102 sont acheminées vers la structure résonante micro-ondes 104 par l'intermédiaire du câble 106. Les micro-ondes sont injectées dans l'élément résonant de type antenne quart d'onde 112 et la structure résonante micro-ondes 104 entre en résonance. Une dissipation d'énergie intervient dans le diélectrique situé entre l'élément résonant de type antenne quart d'onde 112 et le plan de masse 114. Le champ électrique Cg de haute fréquence, de préférence de quelques centaines de volts par mètre, établi entre l'électrode d'antenne 122 et l'électrode de masse 124, crée un plasma local Q dans l'espace parallélépipédique E de génération de plasma. Lorsque l'électrode d'antenne 122 est inclinée par rapport à l'électrode de masse 124, l'amorçage du plasma Q est plus aisé, par décharge au point le plus reserré entre les électrodes génératrices et l'expansion du plasma Q dans l'espace de génération E. Les différences de potentiel appliquées par les électrodes de manipulation 128, 130 au plasma Q provoquent une séparation entre ions et électrons qui forment une double couche statique. On obtient un flux d'ions qui transfèrent leurs impulsions aux atomes neutres de l'air. Le résultat est un écoulement de gaz dirigé par le passage de sortie 132 de l'électrode d'extraction 130, indiqué par la flèche G, injectant du gaz dans la couche limite. L'écoulement G, qui peut être périodique, modifie l'épaisseur et la dynamique de la couche limite sur l'aile de l'aéronef et permet ainsi de réduire la traînée de celui-ci. En référence à la figure 2, on va maintenant décrire un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention. La figure 2 montre une source de neutrons 200 construite à partir de deux actionneurs EHD 100 selon la figure 1. Les deux actionneurs EHD 100 sont agencés en opposition. Ils définissent entre eux une chambre de réaction R. Les deux générateurs de plasma 115 des deux actionneurs EHD 100 se situent l'un en face de l'autre de manière à ce que chaque passage 132 de sortie du plasma soit orienté vers la chambre de réaction R. La source de neutrons 200 comprend en outre des éléments 202 d'introduction de fluide de réaction dans chaque générateur de plasma 115. Les éléments d'introduction 202 peuvent notamment être des tubes, de préférence en alumine_ Les deux actionneurs EHD 100 sont reliés ensemble à une source de micro-ondes commune 102 par deux câbles coaxiaux 106. Les deux actionneurs à plasma 108 se partagent une alimentation électrique haute tension 126. Les deux électrodes d'extraction 130 sont reliées à la même borne de l'alimentation 126. Il en est de même pour les deux électrodes d'accélération 128. On va maintenant décrire le fonctionnement de la source de neutrons 200. On allume la source de micro-ondes 102 avec une fréquence d'environ 630 MHz et une puissance de quelques watts. On allume également l'alimentation électrique 126 qui délivre une tension alternative d'environ 2 à 5 kilovolts aux électrodes de manipulation 128, 130. En outre, on fait le vide dans la chambre de réaction R à l'aide d'un système de pompage non représenté. Puis, on injecte du gaz de deutérium dans chaque générateur de plasma 115 à l'aide des tubes 202 jusqu'à établir une pression de l'ordre de 1 mbar. Le pompage peut être alors arrêté et on a essentiellement un vide statique dans la chambre de réaction R. Les micro-ondes générées par la source de micro-ondes 102 sont acheminées vers les structures résonantes micro-ondes 104 par l'intermédiaire des câbles 106. Les micro-ondes sont injectées dans les éléments résonants de type antenne quart d'onde 112 et les structures résonantes micro-ondes 104 entrent en résonance. Une dissipation d'énergie intervient dans le diélectrique situé entre chaque élément résonant de type antenne quart d'onde 112 et chaque plan de masse 114. Le champ électrique de haute fréquence, de préférence de quelques centaines de volts par mètre, établi entre chaque électrode d'antenne et chaque électrode de masse, crée un plasma local Q dans chaque espace parallélépipédique de génération de plasma. Les différences de potentiel appliquées par les électrodes de manipulation 128, 130 aux plasmas Q provoquent une séparation entre ions de deutérium et électrons libres qui forment une double couche statique. On obtient deux flux de plasma dirigés à travers les passages de sortie 132 des électrodes d'extraction 130 vers la chambre de réaction R, indiqués par les flèches G. Les deux flux de plasma G entrent alors en collision frontale au sein de la chambre de réaction R. On provoque ainsi une réaction de fusion nucléaire dégageant entre autres des neutrons libres N et des protons selon les réactions : Drapide + Dlent -> He + n Drapide Dlent T + p+ pour lesquelles la moitié des réactions produit un neutron d'énergie 2.45 MeV et un noyau d'hélium 3, l'autre moitié produisant un proton et un triton. Le maximum de la section efficace de fusion D-D est de 10-29 m2, obtenu pour un deutéron d'énergie voisine de 2 MeV. A plus basse énergie, la section efficace est beaucoup plus faible, mais le taux de fusion attendu, compte tenu de la densité du gaz de deutérium et de la densité du plasma obtenu, permet d'obtenir une production de neutrons de l'ordre de 103 /s à 105 /s. La source de neutrons 200 peut être utilisée pour l'analyse par activation neutronique (NAA) et pour la production de radioéléments à vie courte (par exemple l'azote 13) notamment utilisés dans l'imagerie médicale. On notera que le dispositif 200 selon la figure 2 peut aussi servir à la génération d'autres produits de réaction que les neutrons et les protons. REVENDICATIONS1.- Dispositif (100) de production et de manipulation d'un plasma (Q) à partir d'un fluide (F) comprenant : - une source de micro-ondes (102) ; - une structure résonante micro-ondes (104) comportant un élément résonant, notamment filaire, de type antenne quart d'onde (112) et un générateur (115) de plasma (Q) définissant un espace de génération de plasma (E) ; et -des moyens (106) de transmission des micro-ondes de la source de micro-ondes vers la structure résonante micro-ondes ; caractérisé par : - un actionneur à plasma (108) agencé au niveau de l'espace de génération de plasma (E) et adapté à appliquer une différence de potentiel électrique au plasma généré ; et - un isolateur électrique (110) adapté à isoler électriquement le générateur de plasma (115) de l'actionneur à plasma (108). 2.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'actionneur à plasma (108) est un actionneur à haute tension électrique. 3.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'actionneur à plasma (108) est adapté à propulser le plasma dans une direction définie (G). 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'actionneur à plasma (108) comporte deux électrodes de manipulation (128, 130), au moins une des deux électrodes de manipulation étant en forme de boucle, de plaque ou de pointe. 5.- Dispositif selon la revendication 4, avec une électrode de manipulation (128), notamment positive, en forme de pointe, et une électrode de manipulation (130), notamment négative, en forme de boucle. 6.- Dispositif selon la revendication 4 ou 5, dans lequel les électrodes de manipulation (128, 130) sont situées sensiblement l'une en face de l'autre. 7.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel l'élément résonant de type antenne quart d'onde (112) comprend un tronçon principal (116) définissant un axe longitudinal (X-X) de la structure résonante, et dans lequel au moins une des deux électrodes de manipulation (128, 130) est orientée sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal. 8.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'isolateur électrique (110) borde l'espace de génération de plasma. 9.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'isolateur électrique (110) est une feuille pliée, réalisée de préférence en mica. 10.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le générateur de plasma (115) comporte deux électrodes génératrices (122, 124) formant entre elles un angle d'ouverture strictement non nul, et de préférence sensiblement égal à 45 degrés.