CA1177543A - Generateur de plasma - Google Patents
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- CA1177543A CA1177543A CA000375139A CA375139A CA1177543A CA 1177543 A CA1177543 A CA 1177543A CA 000375139 A CA000375139 A CA 000375139A CA 375139 A CA375139 A CA 375139A CA 1177543 A CA1177543 A CA 1177543A
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- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/26—Plasma torches
- H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
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- H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
Abstract
La présente demande concerne un générateur de plasma comprenant un tube métallique de petit diamètre à l'intérieur duquel on peut faire circuler un gaz tel que de l'argon à un faible débit, qui s'échappe à l'extrémité antérieure du tube. Ce tube est couplé à une structure excitatrice qui peut comprendre un générateur de fréquence alimentant par une liaison coaxiale une structure de couplage permettant le transfert de l'énergie du générateur à la partie antérieure du tube métallique. En l'absence d'un courant de gaz dans ce tube, cette partie antérieure rayonne l'énergie qui lui est transmise à la manière d'une antenne. Lorsqu'un gaz s'échappe à l'extrémité du tube, cette énergie permet d'entretenir un plasma à l'avant de celle-ci. Ce dispositif générateur de plasma peut recevoir des applications, notamment comme chalumeau, source lumineuse ou torche utilisable en spectrographie, moteur à plasma ou source d'ions.
Description
1~7759,~
GLNERATEUR ~ PLASMA
L'invention est relative à un gencrateur de plasma, notamment un chalumeau a plasma.
On sait que les plasmas sont des gaz ioniscs à des températures très élevées, de l'ordre de plusieurs milliers 5 de degrés. On a déjà propose de les utiliser dans l'indus-trie pour rcaliser des chalumeaux, notamment afin d'ef~ec-tuer des traitements de surfaces.
Un pIasma peut être obtenu par l'excitation, c`l l'aide d'un champ electrique, d'un gaz dans une enceinte, telle 10 que l'intérieur d'un tube.
On connalt ainsi un chalumeau à plasma dans lequel un champ électrique est engendré en faisant appel à une inductan-ce entourant un tube dans lequel circule Ull courant d'un gaz à exciter et qui est alimentee pàr un courant al~ernatif 15 à haute-frcquence ou ultra haute-frequence de l'ordre de 7~1 r~ 4 3 20 a 50 ~ilz. l.'ill~uctallce enscrIe un tube Cll un matériau isolant tcl que (lu verre .i l'intcrieur duqucl se ~orme le plasma. Ccpcndallt la l~ormation du plasma a l'interieur du tube limite llemploi de ce chalumeau au traitement de piè-ces de dimensions reduites qui peuvent être introduites àl'interieur de cc tube. La Laible valeur de la densite d'énergie du plasrna obtellu limite égalcment le domaine d'ap-ylication dc ce chalumcau. EnEin, le tube prcsente l'incon-vénient d'être fragile et oncreux.
On peut obtenir des plasmas de densité d'energie plus importante en sortie d'un tube mctallique à l'aide de chalu-meaux a arc électrique dans lesquels un champ electrique est engendré radialelllent entre une cathode centrale disposée a llinterieur du tube et le tube lui-même constituant une anode pour créer un arc électrique qui est soufflé par le gaz à ioniser vers la sortie du tube-. Ce chalumeau présente cependant des inconvcnients qui en limitent les applications;
en particulier, le plasma ainsi produit contient inévitable-ment des impuretcs provenant des électrodes et ces impuretés peuvent être indésirables pour des traitements de surface.
De plus, les frais de fonctionnement de ce chalumeau sont élevés car les clectrodes se dctériorent rapidement et le debit du gaz est important.
Le gcnérateur de plasma selon l'invention présente les avantages des chalumeaux connus sans en comporter les incon-vcnients.
Selon l'invention, on fai* circuler un gaz à exciter dans un tube métallique dont la partie terminale présente une ouverture permettant l'échappement de ce gaz. Ce tube est alimenté en un courant électrique alternatif de préfé-rence hyperfrcquence ou micro-onde de frcquence egale à au moins 100 Mllz par l'intermcdiaire dlune structurc dlexcita-tion permettant ~1 la partie terminale de celui-ci de rayonner sous forrne clectromagnctique une partie au moins de l'éner-gie qui lui est transmise. Lorsque le gaz sléchappe à l'ex-trémite du tube métallique, on a constaté que celle-ci n'est plus rayonnante, mais que llcnergie qui lui est apportée est utilisée exclusivement, ou presque exclusivement, à exciter le gaz pour le transformer en Ull plasma qui se présente sous ~ ~ 77~3 la .formc d'ul1e .Elammc locali.sce dans une petite zone à la sortie du tube.
Le dispositif sclon l'invention permet dans son appli-cation au chalumeau ~I plasma de combiner les avantages des S cl1alumeaux a plasma dc la technique antérieure sans en pré-senter lcs inconvcnients. On s'af.Eranchit de la nccessité
d'utiliser un tube de verre ou autre matcriau isolant pro-pre à rcsister aux temperatures élevces. Il n'est pas in-dispensable que l'extr~mité du tube mctallique oll se produit la flamme soit entourée par l.e gencra.teur d'alimentation de l'antenne..Cette flamme peut alors être utilisée comme celle d'un chalumeau classi~ue à combustion de gaz . ~nfin le plasma obtenu est de tr.cs grand.e purete et sa densitc d'éner-gie est clevée.
Avec une alimentation en cnergie dans le domaine des hyperfrcquences, on obtient de bons résultats lorsque le diamètre intérieur du tube mctallique est de l'ordre de 0,5 à 2 mm ; la longueur de la flamme est alors de l'ordre du centimctre. Cette flamme a donc de petites dimensions et la densitc d'énergie du plasma qui la forme est de l'ordre de 20 kW par cm3, c'est-a-dire environ quatre fois supérieure à la densité d'énergie obtenue avec le premier chalumeau à
plasma connu mentionné ci-dessus.
On a cgalemel1t constatc 4ue le rendement du dispositif, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie produite par le gé-nérateur hyperfréquence et l'cnergie du plasma obtenu est très proche de 100 %.
D'autres caracteristiques de l'invention apparaltront avec la description de certains de ses modes de réalisation qui fait réference au dessin ci-annexc, sur lequel :
- Za figure 1 est une vue schcmatique en coupe axiale d'un genérateur de plasma selon l'invention ;
- za figure 2 est une vue analogue de la figure 1 mais pour une variante ;
- za figure 3 est également une vue analogue à celle ~e la figure 1 mais encore pour une autre variante.
On se réfère d'abord à la figure 1.
Un tube rectiligne 1, d'axe 1a, en un matériau bon con-ducteur de l'clectricité, par exemple un métal tel que du ~ IL i 7 7~i; 4! 3 cuivrc, dc l a~ m, dc l~ae:i.er cst reli.e par son CXtrelll.it6 poster:icurc 2 ~ UllC rcserve, l~on reprCsel1tee, d'un gaz tel que de l'argon. Il pr6sell~e une extrC~mit6 anteri-eure 3 pourvue d'une ouverture par laquelle peut s'echapper le gaz circulant a llintérieur de ce tube.
Autour du tube 1, dont le ~iametre interne est com-pris entre 0,5 et 2 mm est montee une bague ou rondelle mé-tallique 4 dont l'epaisseur, dans la direetion axiale, est de l'ordre de S mm et pr6sentant une ouverture interne 5 dont le diametre est l6gerement superieur au diam~tre exté-rieur du tube 1 de façon que cette ba~ue puisse ceulisser sur ee tube en mainte1lal1t un eontact condueteur avee celui-ci .
Cette bague 4, dont la peripherie a un diamètre exté-rieur de l'ordre du centimètre, est egalement montée à cou-lissement a l'interieur d'un tube ou mancllon m6taIlique 6 coaxial au tube 1 et constituant la paroi interne d'ùn an~
neau mCtallique creux 7 dont la paroi externe est constituée par un deuxième mancl1on cylindrique 8 métallique de seetion .
circulaire, co-axial au tube 1. La cavite 7a d~-finie à l'in-terieur de l'anneau creux 7 est fermee ~ son extr6mité ar-rière par une plaque ou un ~lasque metallique 9 perpendicu-laire à l'axe 1a et raecordant les tubes 6 et 8. Dans un mode de r6alisation, cette plaque est mont6e eoulissante autour du mancho11 6 et à l'interieur ~u manchon 8 parallèle-ment à l'axe 1a comme l'illustre la flèche 9a, tout en gar-dant un eontact conducteur av-ee les manchons 6 et 8. A son extremite avant, la cavité 7a est limitée par un deuxième flasque plat 10 metallique en forme de couronlle, également perpendiculaire à l'axe 1a. Le flasque 10 est raccordé tout le long de sa peripherie 108 à l'extr6mite avant de la eavi-. t~ 8. Il prCse]1te UllO ouverture centrale 11, d'ul1 diametresensiblemel-t egal,dans eet exemple,au diametre du tube ou mancl1ol1 6. Le .~lasque en forme de couronne 10 n'est pas rac-cordc a l'extrem:ite avant 12 du tube 6, un lntervalle 13 delongueur axiale g, de quelques millillletres, par exemple de 1j6 mm, étant m6nage entre cette extremité 12 et le bord du flasque 10 autour de l'ouverture 11. Le tube 1 ~6passe l'ex-tremit6 12 et traverse l'ouverture 11 et prCsente une por-.
_ 5 ~ 7~ ~ ~
tiOIl tcrminale l~l aisallt saillie 1 l'exterieur de l'anlleau 7. L'extr~mite ~Interieule 3 du tube est plac~e à une dis-tance _, par exelllple d'ellviroll 5 mm C`l- avant du plan de l'ouverture 11.
Au voisinage de SOIl extreillité avant, le tube ou man-chon exterlle 8 prese]lte une ouverture en forme de cllerninée 15 et obtu-re par un bouchon isolant 15a laissant le passage au conducteur central 16 ou allle d'un c~ble coaxial 17 dont le conducteur externe ou gaine 18 est soudé, ou raccordé
d'une autre maniere, au tube 8 autour de l'ouverture 15. Le conducteur celltral l6 traverse la cavite interne 7a de l'anneau 7. Son extrelnité Z0 est réunie par exemple par sou-dure au tube interne 6 au voisinage, en direction axiale, de l'intervalle 13, c'est-a-dire à une courte distance l de l'extremité 12.
~ n variante, l'extremitc 20 du conducteur 16 au lieu d'être soudee au tube 6 peut être soudée à une petite plaque metallique (non montrée), disposee à faible distance en regard de, mais sans contact avec la paroi externe du tube ou manchon 6 à l'intérieur de l'anneau 7-Les conducteurs 16 et 18 sont raccordes aux deux bor-nes de sortie d'ull gen6rateur llyperfréquence 21.
Une tige iletée 22 traverse radialement la paroi du tube 8 au voisinage de la plaque 9, par l'intermediaire d'une douille 22 a taraudce intérieurement qui permet d'ajus-ter la profondeur x de pénétration, en direction radiale, ~e cette tige 22 ~i l'interieur de la cavité 7a de l'anneau 7.
Cette cavite est normalement remplie d'air, de même que l'interieur du tube ou manchon 6. Elle pourrait contenir un ; 30 autre milieu diélectrique.
Lorsqu'on alimente le coaxial 17 à partir du générateur 21 avec une tension electriclue d'une Erequellce d'un ou plu-sieurs gigahertz et que l'on fait circuler un courant de gaz, tel que de l'argon à l'intérieur du tube 1, à faible debit, on peut engen~rer par une operation d'amorcage très simple, la formation d'un plasma à la sortie de l'ouverture à l'ex-trémité 3 du tube 1 qui se maintient tant que l'excitation du générateur 21 est maintenue. I'our effectuer l'amorc~age il suffit qu' Ull opcrateur mette en contact avec l'extremite . .
75~3 , 3 du tul)c I UIlC piccc mctcllliquc ct la retire pour qu'une micro-ctincellc jaillisse qui amorce la formation du plas-ma. Celui-ci sc mainticnt sous la formc ~'une courte flamme 23 d' Ull OU q~leklues ccntimctres dans l'air ci l'avant de l'extr6mit6 3 tallt quc lc dcbit dc gaz et l'excitation de la sourcc 21 sollt maintcnus . 0n a constatc en particulier que la partie antcrieurc du tube I sul)it Ull très Eaible 6chauLrcmellt Cll prcsellce de plasma ce qui traduit un trcs bon rendement de la transformation de l'éncrgie amenée par le tubc au plasma. On a e~pcrimellté un genérateur de type dccrit l la rigurc 1 en l'alimelltallt avec des puissances variant de 15 ~ 500 watt6 et on a mesuré les pertes par réfle-xion et par rayonnement electromagnétique de l'énergie dé-livrée au dispositiL. Ces pertes n'ont pas dépass6 5 de l'énergie fournie.
~ ien que l'on ne puisse pas encore donner d'analyse scientifique complète des raisons pour lesquelles un dispo-sitif à tube métallique tel que représenté à la figure 1, permet d'obtenir un plasma 23 à haute densit6 d'cnergie dans un faible volume, on peut cependant indiquer qu'en 1' absence de gaz s'échappant par l'extrémité du tube cc dis-positi~ se comporte commc une structure d'antenne dont l'ex-trémitc 3 du tube I constitue la partie rayonnante. Une energie hyperfréquence est transmise par le coaxial 17 à
l'anneau creux 7 celui-ci constituant un coupleur qui permet de transf6rer cette cnergie au système rayonnant formé à
l'extrcmitc de la partie antcrieure 14 du tube 1. Un champ électrique élevé règne dans l'intervalle 13 entre l'extrémi-té avant du mallchon 6 et le flasque 10. L'énergie contenue dans cet espace 13 est transf6rée vers l'extérieur et notam-ment à l'avant 14 du tube grâce à l'ouverture 11 dont la dlmension cst déterminée pour Laciliter ce transfert d'éner-gle .
Il est important de noter que la structure annulaire creuse 7 n'est pas une cavité résonnclnte, c'est-à-dire pro-pre à fonctionner uniquement à une fréquence relativement bien déterminée mais qu'elle réalise une ~daptation d'impédance et permet le transfert d'éllergie par couplage dans unc plage ~e fréquence qui peut aisément varier de 20 OD OU davantage 77~.3 autour de la frc(lucncc noTnillalc. Par e:xcmpl.c avec unc fré-quence nominalc de 2450 ~II-Iz Ull tel coupleur peut fonctionner sans difficultc dans une pla~e de 2000 ~ 2800 Ml~z ce que n~
pou~ait faire une cavitc résonnante. On note en particulier S qu'3 la dirfcrence de cette ~ernicre le coefficient de sur-tensioll que l'on peut mesurer dans la cavi.tc 7a ne dépasse guere 4 dans l'exemple décrit. Ceci résulte notamment du positionnement du point de connexion du c~axial 17 apportant l'énergle, ~ proximité du flasque lo.
Le dispositif pcrd sa qualité d'antenne quand un plas-ma se orme à l'extrémité 3 dc la partie antérieure 14 du tube 1. La naissance d'une etincelle provoque en effet la lil)cration d'clectrons dans le milieu gazeux ~ la sortie de ce tube, lesquels sont accélérés très -fortement par le champ électrique qui règne à la sortie de ce tube et provoquent, par des collisions multiples avec les molécules du gaz am-biant, la formation d'ions supplcmentaires jusqu'à ce qu'un ctat de dccharge ionique en équilibre s'établisse dans lequel le plasma formc absorbe une très grande partie de l'énergie ; 20 électromagnétique issue du tube 1.
l'our ~ue le plasma s'etablisse et se maintienne dans cle bonnes conditions avec un bon rendement, il est nécessai-re que le maximum d'énergie soi.t transféré par le coupleur réalisé par l'anneau creux 7 au tube 14 par l'intermédiaire . 25 de l'intervalle 13. Ce coupleur realise une adaptation de l'impedance du gcnérateur de plasma à l'impédance du câble coaxial 17 ~'amenée de l'cnergie.
n pratique, on a constaté que l'impédance du généra-: teur de plasma variait ~e facon importante avec celle du :: 30 .plasma lui-meme, Cette dernicre dépend d'ull nombre considé-rable de facteurs tels que l'cnergie dii.onisati.on du gaz utilise, ic rc~ime dcs prcssions de ce dernier etc. Cepen-dant, on sait que cette impédance est essentiellement résis-tive à haute pression, telle que la pression atmosphérique, ~; 35 et varie de ~a~on sensit~le avec la puissance consommée par ~ ce plasma, c'est-~-dire en fait avec le volume de plasma. On peut donc pour chaque configuration de puissance du généra-~: teur hyperfréquence 21 effectuer un réglage ~e l'impcdance du coupleur constitué par l'anneau creux 7.
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~ ~7~;~3 rlusicurs dispos itions pcuvent être utilisces ~l cet effet. En particulier, on a constaté clue le déplacement de la rondelle 4 clans 1 ' intervalle annulaire entre les tubes et 6 permettait de faire varier le rendemellt du dispositif, s c ' est-à-dire pour une puissance dcterminée fournie par le gcnérateur 21, d'obtenir ;i l'extremitc 3 du tube 1, une puis-sance maximale de plasma.
Un autre moyen d ' adaptation de 1 ' impedance du coupleur 3 anneau creux 7 consiste à faire varier la profondeur x de 10 pénétratioll cle la tige filetee 22. Un autre moyen consiste également à modifier la position de la plaque 9 fermant 1 ' ex-trémitc post6ricurc de la cavitc ou enceinte dclimit~e entre les manchons 6 et 8, parallclement à la flèche 9a.
On a constaté que de bons rcsultats pouvaient être ob-- 15 tenus si la relation suivante était satisfaite :
GLNERATEUR ~ PLASMA
L'invention est relative à un gencrateur de plasma, notamment un chalumeau a plasma.
On sait que les plasmas sont des gaz ioniscs à des températures très élevées, de l'ordre de plusieurs milliers 5 de degrés. On a déjà propose de les utiliser dans l'indus-trie pour rcaliser des chalumeaux, notamment afin d'ef~ec-tuer des traitements de surfaces.
Un pIasma peut être obtenu par l'excitation, c`l l'aide d'un champ electrique, d'un gaz dans une enceinte, telle 10 que l'intérieur d'un tube.
On connalt ainsi un chalumeau à plasma dans lequel un champ électrique est engendré en faisant appel à une inductan-ce entourant un tube dans lequel circule Ull courant d'un gaz à exciter et qui est alimentee pàr un courant al~ernatif 15 à haute-frcquence ou ultra haute-frequence de l'ordre de 7~1 r~ 4 3 20 a 50 ~ilz. l.'ill~uctallce enscrIe un tube Cll un matériau isolant tcl que (lu verre .i l'intcrieur duqucl se ~orme le plasma. Ccpcndallt la l~ormation du plasma a l'interieur du tube limite llemploi de ce chalumeau au traitement de piè-ces de dimensions reduites qui peuvent être introduites àl'interieur de cc tube. La Laible valeur de la densite d'énergie du plasrna obtellu limite égalcment le domaine d'ap-ylication dc ce chalumcau. EnEin, le tube prcsente l'incon-vénient d'être fragile et oncreux.
On peut obtenir des plasmas de densité d'energie plus importante en sortie d'un tube mctallique à l'aide de chalu-meaux a arc électrique dans lesquels un champ electrique est engendré radialelllent entre une cathode centrale disposée a llinterieur du tube et le tube lui-même constituant une anode pour créer un arc électrique qui est soufflé par le gaz à ioniser vers la sortie du tube-. Ce chalumeau présente cependant des inconvcnients qui en limitent les applications;
en particulier, le plasma ainsi produit contient inévitable-ment des impuretcs provenant des électrodes et ces impuretés peuvent être indésirables pour des traitements de surface.
De plus, les frais de fonctionnement de ce chalumeau sont élevés car les clectrodes se dctériorent rapidement et le debit du gaz est important.
Le gcnérateur de plasma selon l'invention présente les avantages des chalumeaux connus sans en comporter les incon-vcnients.
Selon l'invention, on fai* circuler un gaz à exciter dans un tube métallique dont la partie terminale présente une ouverture permettant l'échappement de ce gaz. Ce tube est alimenté en un courant électrique alternatif de préfé-rence hyperfrcquence ou micro-onde de frcquence egale à au moins 100 Mllz par l'intermcdiaire dlune structurc dlexcita-tion permettant ~1 la partie terminale de celui-ci de rayonner sous forrne clectromagnctique une partie au moins de l'éner-gie qui lui est transmise. Lorsque le gaz sléchappe à l'ex-trémite du tube métallique, on a constaté que celle-ci n'est plus rayonnante, mais que llcnergie qui lui est apportée est utilisée exclusivement, ou presque exclusivement, à exciter le gaz pour le transformer en Ull plasma qui se présente sous ~ ~ 77~3 la .formc d'ul1e .Elammc locali.sce dans une petite zone à la sortie du tube.
Le dispositif sclon l'invention permet dans son appli-cation au chalumeau ~I plasma de combiner les avantages des S cl1alumeaux a plasma dc la technique antérieure sans en pré-senter lcs inconvcnients. On s'af.Eranchit de la nccessité
d'utiliser un tube de verre ou autre matcriau isolant pro-pre à rcsister aux temperatures élevces. Il n'est pas in-dispensable que l'extr~mité du tube mctallique oll se produit la flamme soit entourée par l.e gencra.teur d'alimentation de l'antenne..Cette flamme peut alors être utilisée comme celle d'un chalumeau classi~ue à combustion de gaz . ~nfin le plasma obtenu est de tr.cs grand.e purete et sa densitc d'éner-gie est clevée.
Avec une alimentation en cnergie dans le domaine des hyperfrcquences, on obtient de bons résultats lorsque le diamètre intérieur du tube mctallique est de l'ordre de 0,5 à 2 mm ; la longueur de la flamme est alors de l'ordre du centimctre. Cette flamme a donc de petites dimensions et la densitc d'énergie du plasma qui la forme est de l'ordre de 20 kW par cm3, c'est-a-dire environ quatre fois supérieure à la densité d'énergie obtenue avec le premier chalumeau à
plasma connu mentionné ci-dessus.
On a cgalemel1t constatc 4ue le rendement du dispositif, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie produite par le gé-nérateur hyperfréquence et l'cnergie du plasma obtenu est très proche de 100 %.
D'autres caracteristiques de l'invention apparaltront avec la description de certains de ses modes de réalisation qui fait réference au dessin ci-annexc, sur lequel :
- Za figure 1 est une vue schcmatique en coupe axiale d'un genérateur de plasma selon l'invention ;
- za figure 2 est une vue analogue de la figure 1 mais pour une variante ;
- za figure 3 est également une vue analogue à celle ~e la figure 1 mais encore pour une autre variante.
On se réfère d'abord à la figure 1.
Un tube rectiligne 1, d'axe 1a, en un matériau bon con-ducteur de l'clectricité, par exemple un métal tel que du ~ IL i 7 7~i; 4! 3 cuivrc, dc l a~ m, dc l~ae:i.er cst reli.e par son CXtrelll.it6 poster:icurc 2 ~ UllC rcserve, l~on reprCsel1tee, d'un gaz tel que de l'argon. Il pr6sell~e une extrC~mit6 anteri-eure 3 pourvue d'une ouverture par laquelle peut s'echapper le gaz circulant a llintérieur de ce tube.
Autour du tube 1, dont le ~iametre interne est com-pris entre 0,5 et 2 mm est montee une bague ou rondelle mé-tallique 4 dont l'epaisseur, dans la direetion axiale, est de l'ordre de S mm et pr6sentant une ouverture interne 5 dont le diametre est l6gerement superieur au diam~tre exté-rieur du tube 1 de façon que cette ba~ue puisse ceulisser sur ee tube en mainte1lal1t un eontact condueteur avee celui-ci .
Cette bague 4, dont la peripherie a un diamètre exté-rieur de l'ordre du centimètre, est egalement montée à cou-lissement a l'interieur d'un tube ou mancllon m6taIlique 6 coaxial au tube 1 et constituant la paroi interne d'ùn an~
neau mCtallique creux 7 dont la paroi externe est constituée par un deuxième mancl1on cylindrique 8 métallique de seetion .
circulaire, co-axial au tube 1. La cavite 7a d~-finie à l'in-terieur de l'anneau creux 7 est fermee ~ son extr6mité ar-rière par une plaque ou un ~lasque metallique 9 perpendicu-laire à l'axe 1a et raecordant les tubes 6 et 8. Dans un mode de r6alisation, cette plaque est mont6e eoulissante autour du mancho11 6 et à l'interieur ~u manchon 8 parallèle-ment à l'axe 1a comme l'illustre la flèche 9a, tout en gar-dant un eontact conducteur av-ee les manchons 6 et 8. A son extremite avant, la cavité 7a est limitée par un deuxième flasque plat 10 metallique en forme de couronlle, également perpendiculaire à l'axe 1a. Le flasque 10 est raccordé tout le long de sa peripherie 108 à l'extr6mite avant de la eavi-. t~ 8. Il prCse]1te UllO ouverture centrale 11, d'ul1 diametresensiblemel-t egal,dans eet exemple,au diametre du tube ou mancl1ol1 6. Le .~lasque en forme de couronne 10 n'est pas rac-cordc a l'extrem:ite avant 12 du tube 6, un lntervalle 13 delongueur axiale g, de quelques millillletres, par exemple de 1j6 mm, étant m6nage entre cette extremité 12 et le bord du flasque 10 autour de l'ouverture 11. Le tube 1 ~6passe l'ex-tremit6 12 et traverse l'ouverture 11 et prCsente une por-.
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tiOIl tcrminale l~l aisallt saillie 1 l'exterieur de l'anlleau 7. L'extr~mite ~Interieule 3 du tube est plac~e à une dis-tance _, par exelllple d'ellviroll 5 mm C`l- avant du plan de l'ouverture 11.
Au voisinage de SOIl extreillité avant, le tube ou man-chon exterlle 8 prese]lte une ouverture en forme de cllerninée 15 et obtu-re par un bouchon isolant 15a laissant le passage au conducteur central 16 ou allle d'un c~ble coaxial 17 dont le conducteur externe ou gaine 18 est soudé, ou raccordé
d'une autre maniere, au tube 8 autour de l'ouverture 15. Le conducteur celltral l6 traverse la cavite interne 7a de l'anneau 7. Son extrelnité Z0 est réunie par exemple par sou-dure au tube interne 6 au voisinage, en direction axiale, de l'intervalle 13, c'est-a-dire à une courte distance l de l'extremité 12.
~ n variante, l'extremitc 20 du conducteur 16 au lieu d'être soudee au tube 6 peut être soudée à une petite plaque metallique (non montrée), disposee à faible distance en regard de, mais sans contact avec la paroi externe du tube ou manchon 6 à l'intérieur de l'anneau 7-Les conducteurs 16 et 18 sont raccordes aux deux bor-nes de sortie d'ull gen6rateur llyperfréquence 21.
Une tige iletée 22 traverse radialement la paroi du tube 8 au voisinage de la plaque 9, par l'intermediaire d'une douille 22 a taraudce intérieurement qui permet d'ajus-ter la profondeur x de pénétration, en direction radiale, ~e cette tige 22 ~i l'interieur de la cavité 7a de l'anneau 7.
Cette cavite est normalement remplie d'air, de même que l'interieur du tube ou manchon 6. Elle pourrait contenir un ; 30 autre milieu diélectrique.
Lorsqu'on alimente le coaxial 17 à partir du générateur 21 avec une tension electriclue d'une Erequellce d'un ou plu-sieurs gigahertz et que l'on fait circuler un courant de gaz, tel que de l'argon à l'intérieur du tube 1, à faible debit, on peut engen~rer par une operation d'amorcage très simple, la formation d'un plasma à la sortie de l'ouverture à l'ex-trémité 3 du tube 1 qui se maintient tant que l'excitation du générateur 21 est maintenue. I'our effectuer l'amorc~age il suffit qu' Ull opcrateur mette en contact avec l'extremite . .
75~3 , 3 du tul)c I UIlC piccc mctcllliquc ct la retire pour qu'une micro-ctincellc jaillisse qui amorce la formation du plas-ma. Celui-ci sc mainticnt sous la formc ~'une courte flamme 23 d' Ull OU q~leklues ccntimctres dans l'air ci l'avant de l'extr6mit6 3 tallt quc lc dcbit dc gaz et l'excitation de la sourcc 21 sollt maintcnus . 0n a constatc en particulier que la partie antcrieurc du tube I sul)it Ull très Eaible 6chauLrcmellt Cll prcsellce de plasma ce qui traduit un trcs bon rendement de la transformation de l'éncrgie amenée par le tubc au plasma. On a e~pcrimellté un genérateur de type dccrit l la rigurc 1 en l'alimelltallt avec des puissances variant de 15 ~ 500 watt6 et on a mesuré les pertes par réfle-xion et par rayonnement electromagnétique de l'énergie dé-livrée au dispositiL. Ces pertes n'ont pas dépass6 5 de l'énergie fournie.
~ ien que l'on ne puisse pas encore donner d'analyse scientifique complète des raisons pour lesquelles un dispo-sitif à tube métallique tel que représenté à la figure 1, permet d'obtenir un plasma 23 à haute densit6 d'cnergie dans un faible volume, on peut cependant indiquer qu'en 1' absence de gaz s'échappant par l'extrémité du tube cc dis-positi~ se comporte commc une structure d'antenne dont l'ex-trémitc 3 du tube I constitue la partie rayonnante. Une energie hyperfréquence est transmise par le coaxial 17 à
l'anneau creux 7 celui-ci constituant un coupleur qui permet de transf6rer cette cnergie au système rayonnant formé à
l'extrcmitc de la partie antcrieure 14 du tube 1. Un champ électrique élevé règne dans l'intervalle 13 entre l'extrémi-té avant du mallchon 6 et le flasque 10. L'énergie contenue dans cet espace 13 est transf6rée vers l'extérieur et notam-ment à l'avant 14 du tube grâce à l'ouverture 11 dont la dlmension cst déterminée pour Laciliter ce transfert d'éner-gle .
Il est important de noter que la structure annulaire creuse 7 n'est pas une cavité résonnclnte, c'est-à-dire pro-pre à fonctionner uniquement à une fréquence relativement bien déterminée mais qu'elle réalise une ~daptation d'impédance et permet le transfert d'éllergie par couplage dans unc plage ~e fréquence qui peut aisément varier de 20 OD OU davantage 77~.3 autour de la frc(lucncc noTnillalc. Par e:xcmpl.c avec unc fré-quence nominalc de 2450 ~II-Iz Ull tel coupleur peut fonctionner sans difficultc dans une pla~e de 2000 ~ 2800 Ml~z ce que n~
pou~ait faire une cavitc résonnante. On note en particulier S qu'3 la dirfcrence de cette ~ernicre le coefficient de sur-tensioll que l'on peut mesurer dans la cavi.tc 7a ne dépasse guere 4 dans l'exemple décrit. Ceci résulte notamment du positionnement du point de connexion du c~axial 17 apportant l'énergle, ~ proximité du flasque lo.
Le dispositif pcrd sa qualité d'antenne quand un plas-ma se orme à l'extrémité 3 dc la partie antérieure 14 du tube 1. La naissance d'une etincelle provoque en effet la lil)cration d'clectrons dans le milieu gazeux ~ la sortie de ce tube, lesquels sont accélérés très -fortement par le champ électrique qui règne à la sortie de ce tube et provoquent, par des collisions multiples avec les molécules du gaz am-biant, la formation d'ions supplcmentaires jusqu'à ce qu'un ctat de dccharge ionique en équilibre s'établisse dans lequel le plasma formc absorbe une très grande partie de l'énergie ; 20 électromagnétique issue du tube 1.
l'our ~ue le plasma s'etablisse et se maintienne dans cle bonnes conditions avec un bon rendement, il est nécessai-re que le maximum d'énergie soi.t transféré par le coupleur réalisé par l'anneau creux 7 au tube 14 par l'intermédiaire . 25 de l'intervalle 13. Ce coupleur realise une adaptation de l'impedance du gcnérateur de plasma à l'impédance du câble coaxial 17 ~'amenée de l'cnergie.
n pratique, on a constaté que l'impédance du généra-: teur de plasma variait ~e facon importante avec celle du :: 30 .plasma lui-meme, Cette dernicre dépend d'ull nombre considé-rable de facteurs tels que l'cnergie dii.onisati.on du gaz utilise, ic rc~ime dcs prcssions de ce dernier etc. Cepen-dant, on sait que cette impédance est essentiellement résis-tive à haute pression, telle que la pression atmosphérique, ~; 35 et varie de ~a~on sensit~le avec la puissance consommée par ~ ce plasma, c'est-~-dire en fait avec le volume de plasma. On peut donc pour chaque configuration de puissance du généra-~: teur hyperfréquence 21 effectuer un réglage ~e l'impcdance du coupleur constitué par l'anneau creux 7.
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~ ~7~;~3 rlusicurs dispos itions pcuvent être utilisces ~l cet effet. En particulier, on a constaté clue le déplacement de la rondelle 4 clans 1 ' intervalle annulaire entre les tubes et 6 permettait de faire varier le rendemellt du dispositif, s c ' est-à-dire pour une puissance dcterminée fournie par le gcnérateur 21, d'obtenir ;i l'extremitc 3 du tube 1, une puis-sance maximale de plasma.
Un autre moyen d ' adaptation de 1 ' impedance du coupleur 3 anneau creux 7 consiste à faire varier la profondeur x de 10 pénétratioll cle la tige filetee 22. Un autre moyen consiste également à modifier la position de la plaque 9 fermant 1 ' ex-trémitc post6ricurc de la cavitc ou enceinte dclimit~e entre les manchons 6 et 8, parallclement à la flèche 9a.
On a constaté que de bons rcsultats pouvaient être ob-- 15 tenus si la relation suivante était satisfaite :
2 (a+b) = 2 Dans cette formule, a est la dii~ference entre le rayon du tube 8 et celui clu tube 6, b est la longueur axiale de l ' anneau 7, c ' est-à-dire la distance séparant les plaques 20 ou flasques 9 et lO, et ~ la longueur d'onde du courant pro-duit par le gcnérateur 21.
Dans un exemple ~l' application du générateur de plasma qui vient d' être décrit à un chalumeau dans lequel on utilise la flamme 23 à 1 ' extrémité du tube 3 pour élever la tempéra-25 ture d'une pi-èce attaquee par cette flamme, la fréquence du courant produit par le générateur hyperfrcquence 21 est de 2450 Mllz, le tube 1 a un diamètre interne de l'ordre de 0,5 2 mm, le diamètre interne du tube 6 est de 1 ' ordre du cen-timètrc, les paramctres a et b ont pour valeur respective-30 ment 12,5 mm et 20 mm, la longueur axiale g de l'intervalle13 entre la couronne 10 et l'extrémité 12 du tube 6 est de 1 ' ordrc de quelques millimctres et la longucur d de la sail-lie 14 du tube 1 à l'ext~rieur de l'anneau 7 est également de 1 ' ordre du centimètre. Le débit du gaz sortant du tube 1, 35 qui, dans cet exemple, est de l'argon, est compris entre 0,2 ~; ~ et quelques litres par minute. Llargon étant un gaz qui posscde un potentiel d' ionisation clevé et qui est iner-`~ te même à température clevce vis-à-vis d'un très grand nom-bre de surface susceptibles d' etre traitées .
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~ vcc ccttc rcalisatio~ clellsitc de puissance du plasma 23 est cle l'ordre de 20 KW/cm3 si la puissance du generateur 21 est de l'ordre de 200 W.
Ainsi, le plasma 23 peut être utilisé pour ses propri-étés thermiques comme "micro-chalumeau" en vue d'effectuer cles traitements de surfaces, ~es soudures,etc. On peut éga-lement utiliscr la flamme 23, comme torche ou source de lu-mière dans un spectroscope ~ur analyser le gaz ou le mélan-ge de gaz introduit dans lc tube 1. Le dispositif constitue alors une torche ou "micro-torche".
Dans le cas où lc gaz est corrosif à l'égarcl du métal constituant le tube 1, la surface interne de ce dernier est recouverte d'une couche protectrice, par exemple une couche d'alumine. Il est suffisant dans ce cas que la sur-face externe de la partie terminale 14 du tube soit con-cluctrice pour Eonctionner comme une antenne, le revetement interne du tube par un isolant ne s'opposant pas ~ la product ion de p lasma.
La saillie 14 formee par l'avant du tube 1 peut com-prendre un embout amovible 3a, la forme de cet embout dépen-dant, d'une part, du débit souhaité, d'autre part, de l'uti-lisation du dispositif. ~n d'autres termes, un même disposi-tif peut etre utilis~ pour plusieurs applications et pour exciter des gaz de natures diverses. Cet embout peut être Z5 constitue au besoin en un matériau réfractaire.
Dans unc variante d'un gcncrateur selon l'invention, représentée sur la figure 3, la longueur de la partie 14a du tube 1 qui fait saillie à partir de Ia face externé du flasque 10 est plus grande que celle de la partie saillante 14 dans liexemple de la figure 1.
Dans cette rcalisation, cette partie 14a du tube 1 est entourée à distance par un autre tube metal-lique 30, coaxial au tube 1 et de diamètre compris entre celui du tube 6 et celui du tube 8. Le cliamatre clu tube 30 peut cgaleme11t etre inférieur à celui du tube 6. Le tube 30 ~; est en contact conducteur à son extremité postérieure 42 ~; avec la face frontale de la plaque ou flasque 10.
~ Dans cet exemplc, la rondelle 4 n'existe pas et le man-;; chon 6 est simplement fermc à sa ~artie anterieure 12a par .... , ~ .
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;' :' ~ ' ' : ' ' ~ , ~7r -- 1 () --une cloison 25 ~`l travers lacluelle passe le tube 1. I,'extre-mitc postcrieure clu mancl1ol1 6 p~ut avantageusement également etre fcrmce par une cloison 26, ~galement traversée par le tube 1 et qui. se prolonge à sa p~riphérie pour venir se rac-corcler avec l'extremité posterieure 109 du manchon 8 pourfermer, par une cloison 9c, la partie postcrieure de la ca-vitc 7a. Ainsi, clans cet exemple, la position de la plaque de fermeture postcrieure de cette cavitc n'est pas rcglable.
On peut bien entendu, adopter comme pour la figure 1, un plongeur tel que 22 pour effectuer l'aclaptation de l'impé-dance ~e l'anneau creux 7, comme il a éte expliqué. Il se-rait egalement possible au lieu d'une cloison fi~e .25, de.
prévoir une bague ou rondelle coulissante telle que 4 de la figure l entre le tube 1 et le manchon 6.
La face interne 10a de la plaque 10 est recouverte par un disque isolant 31, par exemple en téflon, présentant une ouverture centrale ~2 dont le diamètre est cgal au diamètre externe du tube 1, et contre la-face externe ou frontale 10b de la couronne 10, ~ l'intérieur du tube 30, est appli-qué un autre disque isolant 33 tel qu'un disque de téflon monté autour du tube 1. 0n isole ainsi l'espace annulaire 34 dclimité par la saillie 1 4d et le tube 30 de l'espace annu-laire 7a délimité par les tubes 8 et 6 afin qu'un gaz injec-t~ par un embout 35 dans le premier espace annulaire 34 ne puisse pas pcnétrer dans le second espace annulaire 7a, . entre les tubes 6 et 8.. Le gaz injecté peut etre également de l'argon de fa~on à engendrer un plasma 23a obtenu par l'excitation de l'argon s'échappant d'une buse 3b ~ l'extré-m.ité de la partie saillante 14a dans une atmosphere du même ; 30 gaz. Cependant, le gaz introduit dans l'espace 34 peut être de nature difforente de celle du gaz ~ exciter, ce dernier pouvant bien entendu être un autre gaz que de l'argon. On remarque que cette disposition permet ainsi d'engendrer un plasma a une:p~ression qui n'est pas égale - inférieure ou supérieure - ~ la pression atmosphcrique. L'intervalle entre . le tube 14a et le manchon 30 pourrait égalcment etre rempli d'un dielectrique soli~e par exemple.
: Afin de canaliser un gaz admis par l'arrivée 35 ~ l'in-~: t~rieur du tube 30 en directior. de la flamme 23a ~ la ~ " , .
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~.~, ' ' ' , ' -1~7759,3 ~ 11 --sortie de ce tub~, on peut prév~ir, comme représenté sur la figure 3, que l'extrémité 30a de celui-ci est rabattue en direction de l'axe du tube.
Dans cet exempLe qui représente une forme de réalis~_ tion particulièrement intéressante pour un chalumeau, le (llamctrc ~u tube 30 cst de 18 n.,n, le diamctre du tube 6 est d.e l'ordre de 10 mm, le diamctre du tube 8 est de 40 mm, la longueur axiale dudit tubc 8 est cle 32 mm, la distance ~
définissant l'cpaisseur de l'intervalle 13a entre l'extré-mité 12a du manchon 6 et les bords de l'ouverture 11a aucentre du -flasque 10 est de 1,6mm et la distance entre ce flasque 10 et le conducteur 16 est de 8 mm. La fréquence du gcncrateur 21 est de 2450 Mllz et sa puissance de 2 KW. Le diamètre interne du tube 1 est de 0,5 mm et son diamctre externe est de 3 mm. Ia longueur de la partie 14a et du manchon 30 peut être determinée à volonté. Dans une réalisa-tion décrite elle est ~e 80 millimètres.
On peut considcrer que dans ce mode de realisation, la partie saillante 14a du tube 1 :Eorme l'âme d'une struc-ture de coaxial ayant une gaille formce par le tube 30, cecoaxial étant alimenté ~ partir du coaxial 17 par l'inter-médiaire d'un coaxial de couplage constitue par la structure : en forme d'anneau creux 7. Tel que représenté sur la figure
Dans un exemple ~l' application du générateur de plasma qui vient d' être décrit à un chalumeau dans lequel on utilise la flamme 23 à 1 ' extrémité du tube 3 pour élever la tempéra-25 ture d'une pi-èce attaquee par cette flamme, la fréquence du courant produit par le générateur hyperfrcquence 21 est de 2450 Mllz, le tube 1 a un diamètre interne de l'ordre de 0,5 2 mm, le diamètre interne du tube 6 est de 1 ' ordre du cen-timètrc, les paramctres a et b ont pour valeur respective-30 ment 12,5 mm et 20 mm, la longueur axiale g de l'intervalle13 entre la couronne 10 et l'extrémité 12 du tube 6 est de 1 ' ordrc de quelques millimctres et la longucur d de la sail-lie 14 du tube 1 à l'ext~rieur de l'anneau 7 est également de 1 ' ordre du centimètre. Le débit du gaz sortant du tube 1, 35 qui, dans cet exemple, est de l'argon, est compris entre 0,2 ~; ~ et quelques litres par minute. Llargon étant un gaz qui posscde un potentiel d' ionisation clevé et qui est iner-`~ te même à température clevce vis-à-vis d'un très grand nom-bre de surface susceptibles d' etre traitées .
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~ vcc ccttc rcalisatio~ clellsitc de puissance du plasma 23 est cle l'ordre de 20 KW/cm3 si la puissance du generateur 21 est de l'ordre de 200 W.
Ainsi, le plasma 23 peut être utilisé pour ses propri-étés thermiques comme "micro-chalumeau" en vue d'effectuer cles traitements de surfaces, ~es soudures,etc. On peut éga-lement utiliscr la flamme 23, comme torche ou source de lu-mière dans un spectroscope ~ur analyser le gaz ou le mélan-ge de gaz introduit dans lc tube 1. Le dispositif constitue alors une torche ou "micro-torche".
Dans le cas où lc gaz est corrosif à l'égarcl du métal constituant le tube 1, la surface interne de ce dernier est recouverte d'une couche protectrice, par exemple une couche d'alumine. Il est suffisant dans ce cas que la sur-face externe de la partie terminale 14 du tube soit con-cluctrice pour Eonctionner comme une antenne, le revetement interne du tube par un isolant ne s'opposant pas ~ la product ion de p lasma.
La saillie 14 formee par l'avant du tube 1 peut com-prendre un embout amovible 3a, la forme de cet embout dépen-dant, d'une part, du débit souhaité, d'autre part, de l'uti-lisation du dispositif. ~n d'autres termes, un même disposi-tif peut etre utilis~ pour plusieurs applications et pour exciter des gaz de natures diverses. Cet embout peut être Z5 constitue au besoin en un matériau réfractaire.
Dans unc variante d'un gcncrateur selon l'invention, représentée sur la figure 3, la longueur de la partie 14a du tube 1 qui fait saillie à partir de Ia face externé du flasque 10 est plus grande que celle de la partie saillante 14 dans liexemple de la figure 1.
Dans cette rcalisation, cette partie 14a du tube 1 est entourée à distance par un autre tube metal-lique 30, coaxial au tube 1 et de diamètre compris entre celui du tube 6 et celui du tube 8. Le cliamatre clu tube 30 peut cgaleme11t etre inférieur à celui du tube 6. Le tube 30 ~; est en contact conducteur à son extremité postérieure 42 ~; avec la face frontale de la plaque ou flasque 10.
~ Dans cet exemplc, la rondelle 4 n'existe pas et le man-;; chon 6 est simplement fermc à sa ~artie anterieure 12a par .... , ~ .
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On peut bien entendu, adopter comme pour la figure 1, un plongeur tel que 22 pour effectuer l'aclaptation de l'impé-dance ~e l'anneau creux 7, comme il a éte expliqué. Il se-rait egalement possible au lieu d'une cloison fi~e .25, de.
prévoir une bague ou rondelle coulissante telle que 4 de la figure l entre le tube 1 et le manchon 6.
La face interne 10a de la plaque 10 est recouverte par un disque isolant 31, par exemple en téflon, présentant une ouverture centrale ~2 dont le diamètre est cgal au diamètre externe du tube 1, et contre la-face externe ou frontale 10b de la couronne 10, ~ l'intérieur du tube 30, est appli-qué un autre disque isolant 33 tel qu'un disque de téflon monté autour du tube 1. 0n isole ainsi l'espace annulaire 34 dclimité par la saillie 1 4d et le tube 30 de l'espace annu-laire 7a délimité par les tubes 8 et 6 afin qu'un gaz injec-t~ par un embout 35 dans le premier espace annulaire 34 ne puisse pas pcnétrer dans le second espace annulaire 7a, . entre les tubes 6 et 8.. Le gaz injecté peut etre également de l'argon de fa~on à engendrer un plasma 23a obtenu par l'excitation de l'argon s'échappant d'une buse 3b ~ l'extré-m.ité de la partie saillante 14a dans une atmosphere du même ; 30 gaz. Cependant, le gaz introduit dans l'espace 34 peut être de nature difforente de celle du gaz ~ exciter, ce dernier pouvant bien entendu être un autre gaz que de l'argon. On remarque que cette disposition permet ainsi d'engendrer un plasma a une:p~ression qui n'est pas égale - inférieure ou supérieure - ~ la pression atmosphcrique. L'intervalle entre . le tube 14a et le manchon 30 pourrait égalcment etre rempli d'un dielectrique soli~e par exemple.
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Dans cet exempLe qui représente une forme de réalis~_ tion particulièrement intéressante pour un chalumeau, le (llamctrc ~u tube 30 cst de 18 n.,n, le diamctre du tube 6 est d.e l'ordre de 10 mm, le diamctre du tube 8 est de 40 mm, la longueur axiale dudit tubc 8 est cle 32 mm, la distance ~
définissant l'cpaisseur de l'intervalle 13a entre l'extré-mité 12a du manchon 6 et les bords de l'ouverture 11a aucentre du -flasque 10 est de 1,6mm et la distance entre ce flasque 10 et le conducteur 16 est de 8 mm. La fréquence du gcncrateur 21 est de 2450 Mllz et sa puissance de 2 KW. Le diamètre interne du tube 1 est de 0,5 mm et son diamctre externe est de 3 mm. Ia longueur de la partie 14a et du manchon 30 peut être determinée à volonté. Dans une réalisa-tion décrite elle est ~e 80 millimètres.
On peut considcrer que dans ce mode de realisation, la partie saillante 14a du tube 1 :Eorme l'âme d'une struc-ture de coaxial ayant une gaille formce par le tube 30, cecoaxial étant alimenté ~ partir du coaxial 17 par l'inter-médiaire d'un coaxial de couplage constitue par la structure : en forme d'anneau creux 7. Tel que représenté sur la figure
3, le couplagc cntre le coaxial 17 et le coaxial constitué
par les manchons 6 et 8 qui en forment respectivement l'âme et la gaine est obtenu par liaison directe, par exemple par soudure, comme il est exposc ~ propos de la figure 1.
Le coaxial forme par la structure annulaire creuse 7 permet une adaptation d'impcdance par des moyens qui ont été exposcs preccdemnlent. Le couplage entre ce coaxial et : le coaxial. fQrmé par le tu`be 14a et le tube 30 s'effectue par l'intermédiaire de.l'int.ervalle 13a,dans lequel règne : ; un très fort champ electri.que par lequel s'effectue ce - transÇert d'~nergie,et de l'ouverture centrale 11a dans la ~ 35 plaque 10 qui permet à l'éner.gie de s'e;chapper de l'inter-.~ . valle 13a pour se propager le long du coaxial 14a, 30. En llabsence de gaz d?ns le tube 1,.1'extrémitc libre du tube ; ~ 14a rayonne l'c-nergic qui lui parvient. Ap.rès amorçage, cet-te énergie est au contraire entièrement utilisée pour ioni-ser le gaz de la flamme 23a ~l la sortic du tube 14a.
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I z ~7754,3 L'explication de la structure du g~nérateur de la figure 3 qui vient d'être donllée peut être appliquée égale-ment au dispositif de la figure 1. Dans celui-ci, le coaxial d'adaptation d'impédance forme par la structure annulaire 5 creuse 7 est couplc par l'intermédiaire de l'intervalle 13 ~a un coaxial d'excitation dont l'âme est constituée par le tube l et la gaine par la portion du manchon 6 entourant ce tube entre la rondelle 4 et l'extrémité antérieure 1Z de ce manchon, la partie terminale 14 du tube faisant saillie lO hors de cette structure coaxiale.
On a représente en figure 2, un cas limite dans le-quel la structure coaxiale de la partie rayonnante compre-nant le tube 1 a disparu. Comme pour la figure 3, les élé-: ments identiques à ceux de la figure.1 ont eté d~signés par 15 les mêmes numéros de ré-férence.
; Un tel dispositif t:Eig. 2), qui est destiné à une application dans laquelle un réglage du rendement de la ~: flamme de plasma en fonction de la puissance emise n'est pas,nécessaire, le gaz 3 exciter étant de l'argon, ne se 20 distingue de celui de la figure 1 que par les dispositions . suivantes : au lieu de comporter uné bague coulissante pour ,:~ établir la liaison conductri.ce entre le manchon 6 et le ~:~ tube l, ce manchon 6 est fermé ~ son extrémité antérieure 12b par une cloison 25b travers~e par le tube 1.~Cette cloi-25 son se trouve a une distance g des bords de.l'ouverture cen-trale 11 ménagée dans le flasque 10, cette distance repré-sentant l'epaisseur de l'intervalle de,couplage 13 entre la structure annulaire.creuse 7 et le. tube 1. A l'arrière le ~ , manchon 6 est fermé par une cloison 9b traversée par le tube .~ 30 1 et qui ferme également la partie posterieure de la cavité
annulaire 7a dclimitée entre les manchons 6 et 8.
: Le tube 1 présente une avancée 14b qui après avoir : traversé l'ouverture 11 fait saillie ~ l'avant du flasque 10 sur une dist:ance qui est dcterminée en fonction des con-: 35 ditions opératoires du dispositif (nature du gaz débit, : puissance transmise, fréquence opératoire) et est de 5 mm ~ . . .
.. ,~,~ dans cet exemple pour obtenir une 1amme de plasma à l'ex-~ trémitc 3c du tube 1 par où s'échappe le gaz. Cette struc-~`;:~ .
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_ 13 _ ~ ~ 7~ ~ 3 ture constituc un cas limite de la structure exposee 3 pro-pos des figures 1 et 3 dans lequel l'energie transmise dans l'intervalle de couplage 13 ne se propage pas le long d'une structure coaxiale mais est directement transmise à la par-S tie rayonnante 14b du tube.
Dans cettc réalisation, le conducteur 16 est à une distaIlce de 1,6 mm de la couronne 10.
On remarque que dans tous ces dispositifs on a uti-lisé un tube conducteur relativement fin dans lequel cir-cule un débit de gaz relativement peu elevé juste suffisantpour alimenter la flalnme d'un plasma concentré dans un petit -volume à l'extremite de ce,tube. En particulier, ce courant gazeux n'est pas utilise pour souffler le plasma a l'exté-rieur du tube 1. Celui-ci se forme et se maintient naturel-: 15 lement à l'extrémité de ce tube en raison de l'énergie à
fréquence très élevée qui s'y trouve transférée par les mo-yens qui ont eté explicités. Cette énergie est consommée immédiatement à la sortie du tube par le plasma et ce der-,~ nier ~orme une flamme bien locali$~e utilisable pour de mul-2~ tiples usages dont certains ont déjà été exposés.
Il est intéressant de noter également que l'on ob-, tient ce plasma dans de,très bonnes conditions même ~ des,~ , pressions elevées, telles que la pression atmosphérique,con-~,~ trairement aux rcsultats o-btenus avec certains générateurs de plasma antérieurs. Cette pression peut d'ailleurs être réglée dans une certaine mesure par des dispositifs de tube externe 30,avec amenee de gaz 35 tels que décrits à propos - de la figure 3. Cette application aux pression élevées n'est ; pas limitative,G~âce ~ un agencement de type coax,ial ~14a, 3~ 30) tel que représenté à~ la figure 3, on peut amener le plasma à se former à une certaine distance de la partie exci-tatrice de ce dernier comprenant le genérateur 21 et le dispositif de couplage 7.
En g~néral, la dimension transversale du tube 1 est bea,ucoup plus faible que celle des manchons 6 et 30, un rap-; port de 1 à 10 ~tant courant, d'une part, parce que la for-mation d'un plasma à haute pression s'effectue plus facile-ment à la sortie d'une ouverture de petite dimension et ; ~; d'autre part, parce qu'on a constatc qu'un diam~tre de man-: -.~ .
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~ 7~ ~ 3 chon ~ ct 30 plus gralld que celui du tube l etait en géné-ral nécessaire pour rcaliser une adaptation convenable de l'impcdance du dispositif. Enfin, l'ouverture centrale 11a dans le flasque frontal 10 doit être dimensionnée de façon suffisamment large pour permettre à l'énergie concentrée dans l'intervalle 13, 13a, ou 13b par le champ électrique intense qui y rcgne de s'en échapper afin d'être transférée 3 la partie antérieure du tube.
Le gcncrateur de plasma peut, quelle que soit sa forme de réalisation, être utilisé non seulement pour les propriétés thermiques et optiques de la flamme mais égale-ment pour les proprictés mccaniques du plasma. En effet, le gaz sortant du tube 1 ~ haute température produit une for-ce ; celle-ci peut être utilisée par exemple pour la stabi-lisation de satellites artificiels.
Ce générateur peut aussi être utilisé pour constituerune source d'ions possédant une référence precise de poten-tiel constituée par le tube mctallique 1. Une source d'ions en effet, implique que les ions engendrés dans un plasma puissent être accélérés pour s'échapper de ce dernier. Cette accélération est en gén~ral obtenue en soumettant ces io~s ~ un champ ~lectrique continu entre deux électrodes.
Dans une source d'ions incorporant un géncrateur de plasma selon l'invention, les ions produits sont au potentiel du tube métallique lui-même et il est aisc de les accélérer en placant une deuxième électrode 3 un potentiel convenable à
une distance suffisante du plasma.
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par les manchons 6 et 8 qui en forment respectivement l'âme et la gaine est obtenu par liaison directe, par exemple par soudure, comme il est exposc ~ propos de la figure 1.
Le coaxial forme par la structure annulaire creuse 7 permet une adaptation d'impcdance par des moyens qui ont été exposcs preccdemnlent. Le couplage entre ce coaxial et : le coaxial. fQrmé par le tu`be 14a et le tube 30 s'effectue par l'intermédiaire de.l'int.ervalle 13a,dans lequel règne : ; un très fort champ electri.que par lequel s'effectue ce - transÇert d'~nergie,et de l'ouverture centrale 11a dans la ~ 35 plaque 10 qui permet à l'éner.gie de s'e;chapper de l'inter-.~ . valle 13a pour se propager le long du coaxial 14a, 30. En llabsence de gaz d?ns le tube 1,.1'extrémitc libre du tube ; ~ 14a rayonne l'c-nergic qui lui parvient. Ap.rès amorçage, cet-te énergie est au contraire entièrement utilisée pour ioni-ser le gaz de la flamme 23a ~l la sortic du tube 14a.
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I z ~7754,3 L'explication de la structure du g~nérateur de la figure 3 qui vient d'être donllée peut être appliquée égale-ment au dispositif de la figure 1. Dans celui-ci, le coaxial d'adaptation d'impédance forme par la structure annulaire 5 creuse 7 est couplc par l'intermédiaire de l'intervalle 13 ~a un coaxial d'excitation dont l'âme est constituée par le tube l et la gaine par la portion du manchon 6 entourant ce tube entre la rondelle 4 et l'extrémité antérieure 1Z de ce manchon, la partie terminale 14 du tube faisant saillie lO hors de cette structure coaxiale.
On a représente en figure 2, un cas limite dans le-quel la structure coaxiale de la partie rayonnante compre-nant le tube 1 a disparu. Comme pour la figure 3, les élé-: ments identiques à ceux de la figure.1 ont eté d~signés par 15 les mêmes numéros de ré-férence.
; Un tel dispositif t:Eig. 2), qui est destiné à une application dans laquelle un réglage du rendement de la ~: flamme de plasma en fonction de la puissance emise n'est pas,nécessaire, le gaz 3 exciter étant de l'argon, ne se 20 distingue de celui de la figure 1 que par les dispositions . suivantes : au lieu de comporter uné bague coulissante pour ,:~ établir la liaison conductri.ce entre le manchon 6 et le ~:~ tube l, ce manchon 6 est fermé ~ son extrémité antérieure 12b par une cloison 25b travers~e par le tube 1.~Cette cloi-25 son se trouve a une distance g des bords de.l'ouverture cen-trale 11 ménagée dans le flasque 10, cette distance repré-sentant l'epaisseur de l'intervalle de,couplage 13 entre la structure annulaire.creuse 7 et le. tube 1. A l'arrière le ~ , manchon 6 est fermé par une cloison 9b traversée par le tube .~ 30 1 et qui ferme également la partie posterieure de la cavité
annulaire 7a dclimitée entre les manchons 6 et 8.
: Le tube 1 présente une avancée 14b qui après avoir : traversé l'ouverture 11 fait saillie ~ l'avant du flasque 10 sur une dist:ance qui est dcterminée en fonction des con-: 35 ditions opératoires du dispositif (nature du gaz débit, : puissance transmise, fréquence opératoire) et est de 5 mm ~ . . .
.. ,~,~ dans cet exemple pour obtenir une 1amme de plasma à l'ex-~ trémitc 3c du tube 1 par où s'échappe le gaz. Cette struc-~`;:~ .
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_ 13 _ ~ ~ 7~ ~ 3 ture constituc un cas limite de la structure exposee 3 pro-pos des figures 1 et 3 dans lequel l'energie transmise dans l'intervalle de couplage 13 ne se propage pas le long d'une structure coaxiale mais est directement transmise à la par-S tie rayonnante 14b du tube.
Dans cettc réalisation, le conducteur 16 est à une distaIlce de 1,6 mm de la couronne 10.
On remarque que dans tous ces dispositifs on a uti-lisé un tube conducteur relativement fin dans lequel cir-cule un débit de gaz relativement peu elevé juste suffisantpour alimenter la flalnme d'un plasma concentré dans un petit -volume à l'extremite de ce,tube. En particulier, ce courant gazeux n'est pas utilise pour souffler le plasma a l'exté-rieur du tube 1. Celui-ci se forme et se maintient naturel-: 15 lement à l'extrémité de ce tube en raison de l'énergie à
fréquence très élevée qui s'y trouve transférée par les mo-yens qui ont eté explicités. Cette énergie est consommée immédiatement à la sortie du tube par le plasma et ce der-,~ nier ~orme une flamme bien locali$~e utilisable pour de mul-2~ tiples usages dont certains ont déjà été exposés.
Il est intéressant de noter également que l'on ob-, tient ce plasma dans de,très bonnes conditions même ~ des,~ , pressions elevées, telles que la pression atmosphérique,con-~,~ trairement aux rcsultats o-btenus avec certains générateurs de plasma antérieurs. Cette pression peut d'ailleurs être réglée dans une certaine mesure par des dispositifs de tube externe 30,avec amenee de gaz 35 tels que décrits à propos - de la figure 3. Cette application aux pression élevées n'est ; pas limitative,G~âce ~ un agencement de type coax,ial ~14a, 3~ 30) tel que représenté à~ la figure 3, on peut amener le plasma à se former à une certaine distance de la partie exci-tatrice de ce dernier comprenant le genérateur 21 et le dispositif de couplage 7.
En g~néral, la dimension transversale du tube 1 est bea,ucoup plus faible que celle des manchons 6 et 30, un rap-; port de 1 à 10 ~tant courant, d'une part, parce que la for-mation d'un plasma à haute pression s'effectue plus facile-ment à la sortie d'une ouverture de petite dimension et ; ~; d'autre part, parce qu'on a constatc qu'un diam~tre de man-: -.~ .
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~ 7~ ~ 3 chon ~ ct 30 plus gralld que celui du tube l etait en géné-ral nécessaire pour rcaliser une adaptation convenable de l'impcdance du dispositif. Enfin, l'ouverture centrale 11a dans le flasque frontal 10 doit être dimensionnée de façon suffisamment large pour permettre à l'énergie concentrée dans l'intervalle 13, 13a, ou 13b par le champ électrique intense qui y rcgne de s'en échapper afin d'être transférée 3 la partie antérieure du tube.
Le gcncrateur de plasma peut, quelle que soit sa forme de réalisation, être utilisé non seulement pour les propriétés thermiques et optiques de la flamme mais égale-ment pour les proprictés mccaniques du plasma. En effet, le gaz sortant du tube 1 ~ haute température produit une for-ce ; celle-ci peut être utilisée par exemple pour la stabi-lisation de satellites artificiels.
Ce générateur peut aussi être utilisé pour constituerune source d'ions possédant une référence precise de poten-tiel constituée par le tube mctallique 1. Une source d'ions en effet, implique que les ions engendrés dans un plasma puissent être accélérés pour s'échapper de ce dernier. Cette accélération est en gén~ral obtenue en soumettant ces io~s ~ un champ ~lectrique continu entre deux électrodes.
Dans une source d'ions incorporant un géncrateur de plasma selon l'invention, les ions produits sont au potentiel du tube métallique lui-même et il est aisc de les accélérer en placant une deuxième électrode 3 un potentiel convenable à
une distance suffisante du plasma.
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Claims (21)
1. Générateur de plasma du type comprenant un, tube propre à contenir un gaz et des moyens d'excitation de ce gaz pour créer un plasma, caractérisé en ce que ce tube présente une partie terminale conductrice de l'élec-tricité et pourvue d'une ouverture propre à laisser échapper un gaz circulant dans ce tube et en ce que les moyens d'excitation du gaz comprennent des moyens d'ali-mentation en énergie de fréquence élevée propres à exciter la partie terminale du tube pour émettre une énergie électromagnétique qui rayonne en l'absence de gaz ionisé
à la sortie de ladite ouverture et est absorbée par celui-ci pour y entretenir un plasma dans le cas contraire.
à la sortie de ladite ouverture et est absorbée par celui-ci pour y entretenir un plasma dans le cas contraire.
2. Générateur selon la revendication 1, carac-térisé en ce que lesdits moyens d'alimentation comprennent un générateur d'énergie électrique dont la fréquence est au moins égale à 100 MHz.
3. Générateur selon la revendication 1, carac-térisé en ce que la partie terminale dudit tube est prévue pour fonctionner dans l'air ou dans un environnement gazeux à pression voisine de la pression atmosphérique.
4. Générateur de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation comprennent des moyens autour du tube pour former avec ce une structure d'excitation coaxiale dont ce tube forme l'âme.
5. Générateur de plasma selon la revendication 4, caractérisé en ce que cette structure comprend un manchon conducteur monté à distance autour de ladite partie terminale du tube jusqu'à proximité de ladite ouverture.
6. Générateur de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation comprennent une liaison coaxiale et une structure d'excita-tion du tube alimentée par cette liaison, qui comprend un dispositif de couplage propre à adapter l'impédance de cette structure.
7. Générateur de plasma selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de couplage comprend un premier manchon conducteur coaxial audit tube et connecté
à un conducteur de ladite liaison coaxiale, un deuxième conducteur entourant le premier manchon connecté à l'autre conducteur de ladite liaison coaxiale et des moyens con-ducteurs entre ce premier et ce deuxième manchon pour ména-ger un intervalle où règne un champ électrique élevé autour dudit tube.
à un conducteur de ladite liaison coaxiale, un deuxième conducteur entourant le premier manchon connecté à l'autre conducteur de ladite liaison coaxiale et des moyens con-ducteurs entre ce premier et ce deuxième manchon pour ména-ger un intervalle où règne un champ électrique élevé autour dudit tube.
8. Générateur selon la revendication 6, carac-térisé en ce que le dispositif de couplage comprend: un premier manchon conducteur autour du tube relié à un conducteur de ladite liaison coaxiale; un organe conducteur reliant le tube au premier manchon; un deuxième manchon conducteur autour du premier manchon relié à l'autre conduc-teur de ladite liaison coaxiale; un flasque fermant l'espace entre le premier et le deuxième manchon du côté opposé à
ladite partie terminale du tube; un deuxième flasque pourvu d'une ouverture centrale fermant en partie l'espace entre le premier et le deuxième manchon du côté de ladite partie terminale de façon à définir un intervalle entre le premier manchon et les bords de l'ouverture centrale dans ce flasque; la partie terminale du tube se prolongeant au delà de cette ouverture centrale.
ladite partie terminale du tube; un deuxième flasque pourvu d'une ouverture centrale fermant en partie l'espace entre le premier et le deuxième manchon du côté de ladite partie terminale de façon à définir un intervalle entre le premier manchon et les bords de l'ouverture centrale dans ce flasque; la partie terminale du tube se prolongeant au delà de cette ouverture centrale.
9. Générateur de plasma selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il existe un intervalle annulaire entre le tube et le premier manchon.
10. Générateur de plasma selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il existe un intervalle entre ledit tube et les bords de ladite ouverture dans le flasque en couronne.
11. Générateur selon la revendication 8, carac-térisé en ce que ladite liaison coaxiale est réunie auxdits premier et deuxième manchons au voisinage du deuxième flasque.
12. Générateur de plasma selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit organe conducteur entre le tube et le premier manchon est monté entre les extrémités dudit manchon.
13. Générateur de plasma selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit organe conducteur est monté à l'extrémité du premier manchon vis-à-vis de la-dite-ouverture centrale du deuxième flasque.
14. Générateur de plasma selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième manchon métallique conducteur relié audit deuxième flasque autour de ladite ouverture et entourant la partie terminale dudit tube conducteur hors desdits premier et deuxième manchons.
15. Générateur de plasma selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend une admission de gaz à l'intérieur de la chambre définie entre le troisième manchon et ledit tube conducteur.
16. Générateur de plasma selon la revendication 15, caractérisé en ce que ladite ouverture centrale est fermée par une plaque non conductrice anti-diffusante.
17. Générateur de plasma selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le dispositif de couplage comprend des moyens d'adaptation d'impédance réglables.
18. Générateur de plasma selon la revendication 8, 12 ou 13, caractérisé en ce que la position de l'organe conducteur entre le tube et le premier manchon est réglable axialement.
19. Générateur de plasma selon la revendication 8, caractérisé en ce que la position du premier flasque par rapport auxdits premier et deuxième manchons est réglable axialement.
20. Générateur de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite ouverture dudit tube est pratiquée dans un embout amovible ou réfractaire à la chaleur.
21. Générateur de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface interne dudit tube est couverte d'un revêtement protecteur.
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