EP0043740A1 - Plasma generator - Google Patents
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- EP0043740A1 EP0043740A1 EP81400557A EP81400557A EP0043740A1 EP 0043740 A1 EP0043740 A1 EP 0043740A1 EP 81400557 A EP81400557 A EP 81400557A EP 81400557 A EP81400557 A EP 81400557A EP 0043740 A1 EP0043740 A1 EP 0043740A1
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- 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
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- 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
Definitions
- the invention relates to a plasma generator, in particular a plasma torch.
- plasmas are gases ionized at very high temperatures, of the order of several thousand degrees. It has already been proposed to use them in industry to produce torches, in particular in order to carry out surface treatments.
- a plasma can be obtained by excitation, using an electric field, of a gas in an enclosure, such as the inside of a tube.
- a plasma torch is thus known in which an electric field is generated by calling upon an inductance surrounding a tube in which a current of a gas to be excited circulates and which is supplied by a high-frequency or ultra-high alternating current. frequency of the order of 20 to 50 MHz.
- the inductance encloses a tube made of an insulating material such as glass inside which the plasma is formed.
- the formation of plasma inside the tube limits the use of this torch to the treatment of parts of reduced dimensions which can be introduced inside this tube.
- the low value of the energy density of the plasma obtained also limits the field of application of this torch.
- the tube has the disadvantage of being fragile and expensive.
- Plasmas with a higher energy density can be obtained at the outlet of a metal tube using electric arc torches in which an electric field is generated radially between a central cathode disposed inside the tube and the tube. itself constituting an anode to create an electric arc which is blown by the gas to be ionized towards the exit of the tube.
- this torch has drawbacks which limit its applications; in particular, the plasma thus produced inevitably contains impurities originating from the electrodes and these impurities may be undesirable for surface treatments.
- the operating costs of this torch are high because the electrodes deteriorate quickly and the gas flow is important.
- the plasma generator according to the invention has the advantages of known torches without having the disadvantages.
- a gas to be excited is circulated in a metal tube, the terminal part of which has an opening allowing the escape of this gas.
- This tube is supplied with an alternating electric current preferably microwave or microwave of frequency equal to at least 100 MHz by means of an excitation structure allowing the terminal part of this to radiate in electromagnetic form a at least part of the energy transmitted to it.
- the device according to the invention makes it possible, in its application to the plasma torch, to combine the advantages of the plasma torches of the prior art without having the disadvantages.
- the internal diameter of the metal tube is of the order of 0.5 to 2 mm; the length of the flame is then of the order of a centimeter.
- This flame therefore has small dimensions and the energy density of the plasma which forms it is of the order of 20 kW per cm 3 , that is to say approximately four times greater than the energy density obtained with the first known plasma torch mentioned above.
- the efficiency of the device that is to say the ratio between the energy produced by the microwave generator and the energy of the plasma obtained is very close to 100%.
- a straight tube 1, of axis la, made of a material which conducts electricity well, for example a metal such as copper, aluminum, steel etc. is connected by its rear end 2 to a reserve, not shown, of a gas such as argon. It has a front end 3 provided with an opening through which the gas circulating inside this tube can escape.
- a metal ring or washer 4 Around the tube 1, whose internal diameter is between 0.5 and 2 mm, is mounted a metal ring or washer 4 whose thickness, in the axial direction, is of the order of 5 mm and having an internal opening 5 whose diameter is slightly greater than the outside diameter of the tube 1 so that this ring can slide on this tube while maintaining a conductive contact therewith.
- This ring 4 the periphery of which has an outside diameter of the order of a centimeter, is also slidably mounted inside a metal tube or sleeve 6 coaxial with the tube 1 and constituting the internal wall of a hollow metal ring 7, the external wall of which is constituted by a second cylindrical metallic sleeve 8 of circular section, coaxial with the tube 1.
- the cavity 7a defined inside the hollow ring 7 is closed at its rear end by a metal plate or flange 9 perpendicular to the axis-la and connecting the tubes 6 and 8.
- this plate is slidably mounted around the sleeve 6 and inside the sleeve 8 parallel to the axis la as illustrated in arrow 9a, while keeping a conductive contact with the sleeves 6 and 8.
- the cavity 37 is limited by a second flat metal flange 10 in the shape of a crown, also perpendicular to the axis 1a.
- the flange 10 is connected all along its periphery 108 to the front end of the cavity 8. It has a central opening 11, of a diameter substantially equal, in this example, to the diameter of the tube or sleeve 6.
- the flange in the form of a crown 10 is not connected to the front end 12 of the tube 6, an interval 13 of axial length g, of a few millimeters, for example 1.6 mm, being provided between this end 12 and the edge of the flange 10 around the opening 11.
- the tube 1 projects beyond the end 12 and passes through the opening 11 and has a por end 14 projecting outside the ring 7.
- the anterior end 3 of the tube is placed at a distance d, for example about 5 mm in front of the plane of the opening 11.
- the external tube or sleeve 8 has a chimney-shaped opening 15 and closed by an insulating plug 15a allowing passage to the central conductor 16 or core of a coaxial cable 17 including the external conductor or sheath 18 is welded, or otherwise connected, to the tube 8 around the opening 15.
- the central conductor 16 passes through the internal cavity 7a of the ring 7. Its end 20 is joined for example by welding to the internal tube 6 at in the axial direction of the interval 13, that is to say a short distance 1 from the end 12.
- the end 20 of the conductor 16 instead of being welded to the tube 6 can be welded to a small metal plate (not shown), placed at a small distance opposite, but without contact with the external wall of the tube or sleeve 6 inside the ring 7.
- the conductors 16 and 18 are connected to the two output terminals of a microwave generator 21.
- a threaded rod 22 passes radially through the wall of the tube 8 in the vicinity of the plate 9, by means of a bush 22 internally threaded which makes it possible to adjust the depth x of penetration, in the radial direction, of this rod 22 to the interior of the cavity 7a of the ring 7.
- This cavity is normally filled with air, as is the interior of the tube or sleeve 6. It could contain another dielectric medium.
- the coaxial 17 When the coaxial 17 is supplied from the generator 21 with an electrical voltage of a frequency of one or more gigahertz and a current of gas, such as argon, is circulated inside the tube 1, at low flow rate, it is possible to generate, by a very simple priming operation, the formation of a plasma at the outlet of the opening at the end 3 of the tube 1 which is maintained as long as the excitation of the generator 21 is maintained.
- a very simple priming operation it is enough that an operator puts in contact with the end 3 of the tube 1 a metallic piece and withdraws it so that a micro-spark springs which initiates the formation of the plasma.
- the hollow annular structure 7 is not a resonant cavity, that is to say capable of operating only at a relatively well determined frequency, but that it performs an adaptation of impedance and allows energy transfer by coupling in a frequency range which can easily vary by 20% or more around the nominal frequency.
- a nominal frequency of 2450 MHz such a coupler can operate without difficulty in a range from 2000 to 2800 MHz, which a resonant cavity could not do.
- the overvoltage coefficient which can be measured in the cavity 7a hardly exceeds 4 in the example described. This results in particular from the positioning of the connection point of the coaxial 17 supplying the energy, near the flange 10.
- the device loses its antenna quality when a plasma forms at the end 3 of the front part 14 of the tube 1.
- the creation of a spark in fact causes the release of electrons in the gaseous medium at the outlet of this tube, which are accelerated very strongly by the electric field which prevails at the exit of this tube and cause, by multiple collisions with the molecules of the ambient gas, the formation of additional ions until a state of discharge ionic equilibrium is established in which the plasma formed absorbs a very large part of the electromagnetic energy from tube 1.
- This coupler performs an adaptation of the impedance of the plasma generator to the impedance of the coaxial cable 17 for supplying energy.
- the impedance of the plasma generator varies significantly with that of the plasma itself. The latter depends on a considerable number of factors such as the ionization energy of the gas used, the pressure regime of the latter, etc.
- this impedance is essentially resistive at high pressure, such as atmospheric pressure, and varies appreciably with the power consumed by this plasma, that is to say in fact with the volume of plasma. It is therefore possible, for each power configuration of the microwave generator 21, to adjust the impedance of the coupler constituted by the hollow ring 7.
- Another means of adapting the impedance of the hollow ring coupler 7 consists in varying the penetration depth x of the threaded rod 22. Another means also consists in modifying the position of the plate 9 closing the rear end of the cavity or enclosure delimited between the sleeves 6 and 8, parallel to the arrow 9a.
- a is the difference between the radius of the tube 8 and that of the tube 6
- b is the axial length of the ring 7, that is to say the distance separating the plates or flanges 9 and 10, and At the wavelength of the current produced by the generator 21.
- the frequency of the current produced by the microwave generator 21 is 2450 MHz
- the tube 1 has an internal diameter of the order of 0.5 to 2 mm
- the internal diameter of the tube 6 is of the order of a centimeter
- the parameters a and b have for a value respectively 12.5 mm and 20 mm
- the axial length g of the gap 13 between the crown 10 and the end 12 of the tube 6 is of the order of a few millimeters
- the length d of the projection 14 of the tube 1 outside the ring 7 is also of the order of a centimeter.
- the flow rate of the gas leaving the tube 1, which in this example is argon, is between 0.2 and a few liters per minute.
- Argon is a gas which has a high ionization potential and which is inert even at high temperature with respect to a very large number of surfaces capable of being treated.
- the power density of the plasma 23 is of the order of 20 KW / cm 3 if the power of the generator 21 is of the order of 200 W.
- the plasma 23 can be used for its thermal properties as a "micro-torch” in order to carry out surface treatments, welds, etc.
- the flame 23 can also be used as a torch or light source in a spectroscopy to analyze the gas or the gas mixture introduced into the tube 1. The device then constitutes a torch or "micro-torch".
- the internal surface of the latter is covered with a protective layer, for example a layer of alumina. It is sufficient in this case that the external surface of the end portion 14 of the tube is conductive to function as an antenna, the internal coating of the tube with an insulator not opposing the production of plasma.
- the projection 14 formed by the front of the tube 1 may include a removable tip 3a, the shape of this tip depending, on the one hand, on the desired flow rate, on the other hand, on the use of the device. In other words, the same device can be used for several applications and to excite gases of various natures.
- This tip can be made, if necessary, of a refractory material.
- the length of the part 14a of the tube 1 which protrudes from the external face of the flange 10 is greater than that of the protruding part 14 in the example of figure 1.
- this part 14a of the tube 1 is surrounded at a distance by another metal tube 30, coaxial with the tube 1 and with a diameter between that of the tube 6 and that of the tube 8.
- the diameter of the tube 30 can also be less than that of the tube 6.
- the tube 30 is in conductive contact at its rear end 42 with the front face of the plate or flange 10.
- the washer 4 does not exist and the sleeve 6 is simply closed at its front part 12a by a partition 25 through which the tube 1 passes.
- the rear end of the sleeve 6 can advantageously also be closed by a partition 26, also crossed by the tube 1 and which extends at its periphery to come to be connected with the rear end 109 of the sleeve 8 for closing, by a partition 9c, the rear part of the cavity 7a.
- the position of the rear closure plate of this cavity is not adjustable. It is of course possible to adopt, as for FIG. 1, a plunger such as 22 for carrying out the adaptation of the impedance of the hollow ring 7, as has been explained. It would also be possible, instead of a fixed partition 25, to provide a sliding ring or washer such as 4 in FIG. 1 between the tube 1 and the sleeve 6.
- the internal face 10a of the plate 10 is covered by an insulating disc 31, for example made of Teflon, having a central opening 32 whose diameter is equal to the external diameter of the tube 1, and against the external or front face 10b of the crown 10 inside the tube 30, another insulating disk 33 is applied such as a teflon disk mounted around the tube 1.
- the annular space 34 delimited by the projection 14a and the tube 30 are thus isolated from the space.
- annular 7a delimited by the tubes 8 and 6 so that a gas injected by a nozzle 35 in the first annular space 34 cannot enter the second annular space 7a, between the tubes 6 and 8.
- the injected gas can also be of the argon so as to generate a plasma 23a obtained by the excitation of the argon escaping from a nozzle 3b at the end of the projecting part 14a in an atmosphere of the same gas.
- the gas introduced into the space 34 may be of a different nature from that of the gas to be excited, the latter naturally being able to be another gas than argon. It is noted that this arrangement thus makes it possible to generate a plasma at a pressure which is not equal - lower or higher - to atmospheric pressure.
- the gap between the tube 14a and the sleeve 30 could also be filled with a solid dielectric for example.
- the diameter of the tube 30 is 18 mm
- the diameter of the tube 6 is of the order of 10 mm
- the diameter of the tube 8 is 40 mm
- the axial length of said tube 8 is 32 mm
- the distance g defining the thickness of the gap 13a between the end 12a of the sleeve 6 and the edges of the opening 11a in the center of the flange 10 is 1.6mm
- the distance between this flange 10 and the conductor 16 is 8 mm.
- the frequency of the generator 21 is 2450 MHz and its power of 2 KW.
- the internal diameter of the tube 1 is 0.5 mm and its external diameter is 3 mm.
- the length of the part 14a and of the sleeve 30 can be determined at will. In an embodiment described, it is 80 millimeters.
- the projecting part 14a of the tube 1 forms the core of a coaxial structure having a sheath formed by the tube 30, this coaxial being supplied from the coaxial 17 via 'a coupling coaxial formed by the structure in the form of a hollow ring 7.
- the coupling between the coaxial 17 and the coaxial formed by the sleeves 6 and 8 which respectively form the core and the sheath is obtained by direct bonding, for example by welding, as explained in connection with FIG. 1.
- the coaxial formed by the hollow annular structure 7 allows an impedance adaptation by means which have been explained above.
- the coupling between this coaxial and the coaxial formed by the tube 14a and the tube 30 is effected by means of the interval 13a, in which there is a very strong electric field by which this energy transfer takes place, and from the central opening 11a in the plate 10 which allows the energy to escape from the interval 13a to propagate along the coaxial 14a, 30.
- the end free from the tube 14a radiates the energy which reaches it. After ignition, this energy is on the contrary entirely used to ionize the gas of the flame 23a at the outlet of the tube 14a.
- the impedance matching coaxial formed by the hollow annular structure 7 is coupled via the interval 13 to an excitation coaxial whose core is constituted by the tube 1 and the sheath by the portion of the sleeve 6 surrounding this tube between the washer 4 and the front end 12 of this sleeve, the end portion 14 of the tube projecting from this coaxial structure.
- Such a device which is intended for an application in which an adjustment of the efficiency of the plasma flame as a function of the power emitted is not necessary, the gas to be excited being argon, is not distinguishes from that of FIG. 1 only by the following arrangements: instead of having a sliding ring to establish the conductive connection between the sleeve 6 and the tube 1, this sleeve 6 is closed at its front end 12b by a partition 25b through which the tube 1. This partition is located at a distance g from the edges of the central opening 11 formed in the flange 10, this distance representing the thickness of the coupling gap 13 between the hollow annular structure 7 and the tube 1. At the rear, the sleeve 6 is closed by a partition 9b traversed by the tube 1 and which also closes the rear part of the annular cavity 7a delimited between the sleeves 6 and 8.
- the tube 1 has a projection 14b which, after having passed through the opening 11, projects at the front of the flange 10 over a distance which is determined according to the operating conditions of the device (nature of the gas flow rate, transmitted power, operating frequency) and is 5 mm in this example to obtain a plasma flame at the end 3c of the tube 1 through which the gas escapes.
- This struc ture constitutes a borderline case of the structure exposed in connection with FIGS. 1 and 3 in which the energy transmitted in the coupling interval 13 does not propagate along a coaxial structure but is directly transmitted to the radiating part 14b of the tube.
- the conductor 16 is at a distance of 1.6 mm from the crown 10.
- this plasma is obtained under very good conditions even at high pressures, such as atmospheric pressure, unlike the results obtained with certain prior plasma generators.
- This pressure can moreover be adjusted to a certain extent by external tube devices 30 with gas supply 35 as described with reference to FIG. 3.
- This application at high pressures is not limiting. Thanks to an arrangement of the coaxial type (14a, 30) as shown in FIG. 3, it is possible to cause the plasma to form at a certain distance from the excitation part of the latter comprising the generator 21 and the coupling device 7 .
- the transverse dimension of the tube 1 is much smaller than that of the sleeves 6 and 30, a ratio of 1 to 10 being common, on the one hand, because the formation of a plasma at high pressure takes place more easily at the exit of a small opening and on the other hand, because it has been found that a diameter of man chon 6 and 30 larger than that of the tube 1 was generally necessary to achieve a suitable adaptation of the impedance of the device.
- the central opening 11a in the front flange 10 must be dimensioned sufficiently wide to allow the energy concentrated in the interval 13, 13a, or 13b by the intense electric field which prevails therein to escape therefrom. to be transferred to the anterior part of the tube.
- the plasma generator can, whatever its embodiment, be used not only for the thermal and optical properties of the flame but also for the mechanical properties of the plasma. Indeed, the gas leaving the tube 1 at high temperature produces a force; this can be used for example for the stabilization of artificial satellites.
- This generator can also be used to constitute an ion source having a precise reference of potential constituted by the metal tube 1.
- An ion source in fact, implies that the ions generated in a plasma can be accelerated to escape from this last. This acceleration is generally obtained by subjecting these ions to a continuous electric field between two electrodes.
- the ions produced are at the potential of the metal tube itself and it is easy to accelerate them by placing a second electrode at a suitable potential at a sufficient distance from the plasma. .
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Abstract
Un générateur de plasma comprend un tube métallique (1) 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 (3) du tube. Ce tube est couplé à une structure excitatrice qui peut comprendre un générateur de fréquence (21) alimentant par une liaison coaxiale (17) 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 (14) rayonne l'énergie qui lui est transmise à la manière d'une antenne. Lorsqu'un gaz s'échappe à l'extrémité (3) du tube (1), 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.A plasma generator comprises a small diameter metal tube (1) inside which a gas such as argon can be circulated at a low flow rate, which escapes at the anterior end (3) of the tube . This tube is coupled to an excitation structure which may include a frequency generator (21) supplying by a coaxial link (17) a coupling structure allowing the transfer of energy from the generator to the front part of the metal tube. In the absence of a gas current in this tube, this front part (14) radiates the energy which is transmitted to it in the manner of an antenna. When a gas escapes at the end (3) of the tube (1), this energy makes it possible to maintain a plasma at the front thereof. This plasma generating device can receive applications, in particular as a torch, light source or torch usable in spectrography, plasma engine or ion source.
Description
L'invention est relative à un générateur de plasma, notamment un chalumeau à plasma.The invention relates to a plasma generator, in particular a plasma torch.
On sait que les plasmas sont des gaz ionisés à des températures très élevées, de l'ordre de plusieurs milliers de degrés. On a déjà proposé de les utiliser dans l'industrie pour réaliser des chalumeaux, notamment afin d'effectuer des traitements de surfaces.We know that plasmas are gases ionized at very high temperatures, of the order of several thousand degrees. It has already been proposed to use them in industry to produce torches, in particular in order to carry out surface treatments.
Un plasma peut être obtenu par l'excitation, à l'aide d'un champ électrique, d'un gaz dans une enceinte, telle que l'intérieur d'un tube.A plasma can be obtained by excitation, using an electric field, of a gas in an enclosure, such as the inside of a tube.
On connaît ainsi un chalumeau à plasma dans lequel un champ électrique est engendré en faisant appel à une inductance entourant un tube dans lequel circule un courant d'un gaz à exciter et qui est alimentée par un courant alternatif à haute-fréquence ou ultra haute-fréquence de l'ordre de 20 à 50 MHz. L'inductance enserre un tube en un matériau isolant tel que du verre à l'intérieur duquel se forme le plasma. Cependant la formation du plasma à l'intérieur du tube limite l'emploi de ce chalumeau au traitement de pièces de dimensions réduites qui peuvent être introduites à l'intérieur de ce tube. La faible valeur de la densité d'énergie du plasma obtenu limite également le domaine d'application de ce chalumeau. Enfin, le tube présente l'inconvénient d'être fragile et onéreux.A plasma torch is thus known in which an electric field is generated by calling upon an inductance surrounding a tube in which a current of a gas to be excited circulates and which is supplied by a high-frequency or ultra-high alternating current. frequency of the order of 20 to 50 MHz. The inductance encloses a tube made of an insulating material such as glass inside which the plasma is formed. However, the formation of plasma inside the tube limits the use of this torch to the treatment of parts of reduced dimensions which can be introduced inside this tube. The low value of the energy density of the plasma obtained also limits the field of application of this torch. Finally, the tube has the disadvantage of being fragile and expensive.
On peut obtenir des plasmas de densité d'énergie plus importante en sortie d'un tube métallique à l'aide de chalumeaux à arc électrique dans lesquels un champ électrique est engendré radialement entre une cathode centrale disposée à l'intérieur 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 inconvénients qui en limitent les applications; en particulier, le plasma ainsi produit contient inévitablement des impuretés 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 électrodes se détériorent rapidement et le débit du gaz est important.Plasmas with a higher energy density can be obtained at the outlet of a metal tube using electric arc torches in which an electric field is generated radially between a central cathode disposed inside the tube and the tube. itself constituting an anode to create an electric arc which is blown by the gas to be ionized towards the exit of the tube. However, this torch has drawbacks which limit its applications; in particular, the plasma thus produced inevitably contains impurities originating from the electrodes and these impurities may be undesirable for surface treatments. In addition, the operating costs of this torch are high because the electrodes deteriorate quickly and the gas flow is important.
Le générateur de plasma selon l'invention présente les avantages des chalumeaux connus sans en comporter les inconvénients.The plasma generator according to the invention has the advantages of known torches without having the disadvantages.
Selon l'invention, on fait 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 préférence hyperfréquence ou micro-onde de fréquence égale à au moins 100 MHz par l'intermédiaire d'une structure d'excitation permettant à la partie terminale de celui-ci de rayonner sous forme électromagnétique une partie au moins de l'énergie qui lui est transmise. Lorsque le gaz s'échappe à l'extrémité du tube métallique, on a constaté que celle-ci n'est plus rayonnante, mais que l'énergie qui lui est apportée est utilisée exclusivement, ou presque exclusivement, à exciter le gaz pour le transformer en un plasma qui se présente sous la forme d'une flamme localisée dans une petite zone à la sortie du tube.According to the invention, a gas to be excited is circulated in a metal tube, the terminal part of which has an opening allowing the escape of this gas. This tube is supplied with an alternating electric current preferably microwave or microwave of frequency equal to at least 100 MHz by means of an excitation structure allowing the terminal part of this to radiate in electromagnetic form a at least part of the energy transmitted to it. When the gas escapes at the end of the metal tube, it has been found that the latter is no longer radiant, but that the energy which is brought to it is used exclusively, or almost exclusively, to excite the gas for the transform into a plasma that comes under the shape of a flame located in a small area at the exit of the tube.
Le dispositif selon l'invention permet dans son application au chalumeau à plasma de combiner les avantages des chalumeaux à plasma de la technique antérieure sans en présenter les inconvénients. On s'affranchit de la nécessité d'utiliser un tube de verre ou autre matériau isolant propre à résister aux températures élevées. Il n'est pas indispensable que l'extrémité du tube métallique où se produit la flamme soit entourée par le générateur d'alimentation de l'antenne. Cette flamme peut alors être utilisée comme celle d'un chalumeau classique à combustion de gaz . Enfin le plasma obtenu est de très grande pureté et sa densité d'énergie est élevée.The device according to the invention makes it possible, in its application to the plasma torch, to combine the advantages of the plasma torches of the prior art without having the disadvantages. This eliminates the need to use a glass tube or other insulating material capable of withstanding high temperatures. It is not essential that the end of the metal tube where the flame occurs is surrounded by the antenna power generator. This flame can then be used like that of a conventional gas combustion torch. Finally, the plasma obtained is of very high purity and its energy density is high.
Avec une alimentation en énergie dans le domaine des hyperfréquences, on obtient de bons résultats lorsque le diamètre intérieur du tube métallique est de l'ordre de 0,5 à 2 mm ; la longueur de la flamme est alors de l'ordre du centimètre. Cette flamme a donc de petites dimensions et la densité d'énergie du plasma qui la forme est de l'ordre de 20 kW par cm3, c'est-à-dire environ quatre fois supérieure à la densité d'énergie obtenue avec le premier chalumeau à plasma connu mentionné ci-dessus.With an energy supply in the microwave domain, good results are obtained when the internal diameter of the metal tube is of the order of 0.5 to 2 mm; the length of the flame is then of the order of a centimeter. This flame therefore has small dimensions and the energy density of the plasma which forms it is of the order of 20 kW per cm 3 , that is to say approximately four times greater than the energy density obtained with the first known plasma torch mentioned above.
On a également constaté que le rendement du dispositif, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie produite par le générateur hyperfréquence et l'énergie du plasma obtenu est très proche de 100 %.It has also been found that the efficiency of the device, that is to say the ratio between the energy produced by the microwave generator and the energy of the plasma obtained is very close to 100%.
D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation qui fait référence au dessin ci-annexé, sur lequel :
- - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un générateur de plasma selon l'invention ;
- - la figure 2 est une vue analogue de la figure 1 mais pour une variante ;
- - la figure 3 est également une vue analogue à celle de la figure 1 mais encore pour une autre variante.
- - Figure 1 is a schematic view in axial section of a plasma generator according to the invention;
- - Figure 2 is a similar view of Figure 1 but for a variant;
- - Figure 3 is also a view similar to that of Figure 1 but again for another variant.
On se réfère d'abord à la figure 1.We first refer to Figure 1.
Un tube rectiligne 1, d'axe la, en un matériau bon conducteur de l'électricité, par exemple un métal tel que du cuivre, de l'aluminium, de l'acier etc.. est relié par son extrémité postérieure 2 à une réserve, non représentée, d'un gaz tel que de l'argon. Il présente une extrémité antérieure 3 pourvue d'une ouverture par laquelle peut s'échapper le gaz circulant à l'intérieur de ce tube.A straight tube 1, of axis la, made of a material which conducts electricity well, for example a metal such as copper, aluminum, steel etc. is connected by its
Autour du tube 1, dont le diamètre interne est compris entre 0,5 et 2 mm est montée une bague ou rondelle métallique 4 dont l'épaisseur, dans la direction axiale, est de l'ordre de 5 mm et présentant une ouverture interne 5 dont le diamètre est légèrement supérieur au diamètre extérieur du tube 1 de façon que cette bague puisse coulisser sur ce tube en maintenant un contact conducteur avec celui-ci.Around the tube 1, whose internal diameter is between 0.5 and 2 mm, is mounted a metal ring or
Cette bague 4, dont la périphérie a un diamètre extérieur de l'ordre du centimètre, est également montée à coulissement à l'intérieur d'un tube ou manchon métallique 6 coaxial au tube 1 et constituant la paroi interne d'un anneau métallique creux 7 dont la paroi externe est constituée par un deuxième manchon cylindrique 8 métallique de section circulaire, coaxial au tube 1. La cavité 7a définie à l'intérieur de l'anneau creux 7 est fermée à son extrémité arrière par une plaque ou un flasque métallique 9 perpendiculaire à l'axe-la et raccordant les tubes 6 et 8. Dans un mode de réalisation, cette plaque est montée coulissante autour du manchon 6 et à l'intérieur du manchon 8 parallèlement à l'axe la comme l'illustre la flèche 9a, tout en gardant un contact conducteur avec les manchons 6 et 8. A son extrémité avant, la cavité 37 est limitée par un deuxième flasque plat 10 métallique en forme de couronne, également perpendiculaire à l'axe 1a. Le flasque 10 est raccordé tout le long de sa périphérie 108 à l'extrémité avant de la cavité 8. Il présente une ouverture centrale 11, d'un diamètre sensiblement égal,dans cet exemple,au diamètre du tube ou manchon 6. Le flasque en forme de couronne 10 n'est pas raccordé à l'extrémité avant 12 du tube 6, un intervalle 13 de longueur axiale g, de quelques millimètres, par exemple de 1,6 mm, étant ménagé entre cette extrémité 12 et le bord du flasque 10 autour de l'ouverture 11. Le tube 1 dépasse l'extrémité 12 et traverse l'ouverture 11 et présente une portion terminale 14 faisant saillie à l'extérieur de l'anneau 7. L'.extrémité antérieure 3 du tube est placée à une distance d, par exemple d'environ 5 mm en avant du plan de l'ouverture 11.This
Au voisinage de son extrémité avant, le tube ou manchon externe 8 présente une ouverture en forme de cheminée 15 et obturé par un bouchon isolant 15a laissant le passage au conducteur central 16 ou âme d'un câble coaxial 17 dont le conducteur externe ou gaine 18 est soudé, ou raccordé d'une autre manière, au tube 8 autour de l'ouverture 15. Le conducteur central 16 traverse la cavité interne 7a de l'anneau 7. Son extrémité 20 est réunie par exemple par soudure au tube interne 6 au voisinage, en direction axiale, de l'intervalle 13, c'est-à-dire à une courte distance 1 de l'extrémité 12.Near its front end, the external tube or
En variante, l'extrémité 20 du conducteur 16 au lieu d'être soudée au tube 6 peut être soudée à une petite plaque métallique (non montrée), disposée 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.As a variant, the
Les conducteurs 16 et 18 sont raccordés aux deux bornes de sortie d'un générateur hyperfréquence 21.The
Une tige filetée 22 traverse radialement la paroi du tube 8 au voisinage de la plaque 9, par l'intermédiaire d'une douille 22 a taraudée intérieurement qui permet d'ajuster la profondeur x de pénétration, en direction radiale, de cette tige 22 à l'intérieur de la cavité 7a de l'anneau 7. Cette cavité est normalement remplie d'air, de même que l'intérieur du tube ou manchon 6. Elle pourrait contenir un autre milieu diélectrique.A threaded
Lorsqu'on alimente le coaxial 17 à partir du générateur 21 avec une tension électrique d'une fréquence d'un ou plusieurs gigahertz et que l'on fait circuler un courant de gaz, tel que de l'argon à l'intérieur du tube 1, à faible débit, on peut engendrer par une opération d'amorçage très simple, la formation d'un plasma à la sortie de l'ouverture à l'extrémité 3 du tube 1 qui se maintient tant que l'excitation du générateur 21 est maintenue. Pour effectuer l'amorçage il suffit qu'un opérateur mette en contact avec l'extrémité 3 du tube 1 une pièce métallique et la retire pour qu'une micro-étincelle jaillisse qui amorce la formation du plasma. Celui-ci se maintient sous la forme d'une courte flamme 23, d'un ou quelques centimètres dans l'air à l'avant de l'extrémité 3 tant que le débit de gaz et l'excitation de la source 21 sont maintenus . On a constaté en particulier, que la partie antérieure du tube 1 subit un très faible échauffement en présence de plasma ce qui traduit un très bon rendement de la transformation de l'énergie amenée par le tube au plasma. On a expérimenté un générateur de type décrit à la figure 1 en l'alimentant avec des puissances variant de 15 à 500 Watts et on a mesuré les pertes par réflexion et par rayonnement électromagnétique de l'énergie délivrée au dispositif. Ces pertes n'ont pas dépassé 5 % de l'énergie fournie.When the coaxial 17 is supplied from the
Bien que l'on ne puisse pas encore donner d'analyse scientifique complète des raisons pour lesquelles un dispositif à tube métallique tel que représenté à la figure 1, permet d'obtenir un plasma 23 à haute densité d'énergie dans un faible volume, on peut cependant indiquer qu'en l' absence de gaz s'échappant par l'extrémité du tube, ce dispositif se comporte comme une structure d'antenne dont l'extrémité 3 du tube 1 constitue la partie rayonnante. Une énergie hyperfréquence est transmise par le coaxial 17 à l'anneau creux 7, celui-ci constituant un coupleur qui permet de transférer cette énergie au système rayonnant formé à l'extrémité de la partie antérieure 14 du tube 1. Un champ électrique élevé règne dans l'intervalle 13 entre l'extrémité avant du manchon 6 et le flasque 10. L'énergie contenue dans cet espace 13 est transférée vers l'extérieur et notamment à l'avant 14 du tube grâce à l'ouverture 11 dont la dimension est déterminée pour faciliter ce transfert d'énergie.Although we cannot yet give a complete scientific analysis of the reasons why a metal tube device as shown in FIG. 1, makes it possible to obtain a
Il est important de noter que la structure annulaire creuse 7 n'est pas une cavité résonnante, c'est-à-dire propre à fonctionner uniquement à une fréquence relativement bien déterminée,mais qu'elle réalise une adaptation'd'impédance et permet le transfert d'énergie par couplage dans une plage de fréquence qui peut aisément varier de 20 % ou davantage autour de la fréquence nominale. Par exemple avec une fréquence nominale de 2450 MHz un tel coupleur peut fonctionner sans difficulté dans une plage de 2000 à 2800 MHz ce que ne pourrait faire une cavité résonnante. On note en particulier qu'à la différence de cette dernière le coefficient de surtension que l'on peut mesurer dans la cavité 7a ne dépasse guère 4 dans l'exemple décrit. Ceci résulte notamment du positionnement du point de connexion du coaxial 17 apportant l'énergie, à proximité du flasque 10.It is important to note that the hollow
Le dispositif perd sa qualité d'antenne quand un plasma se forme à l'extrémité 3 de la partie antérieure 14 du tube 1. La naissance d'une étincelle provoque en effet la libération d'électrons dans.le milieu gazeux à 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 ambiant, la formation d'ions supplémentaires jusqu'à ce qu'un état de décharge ionique en équilibre s'établisse dans lequel le plasma formé absorbe une très grande partie de l'énergie électromagnétique issue du tube 1.The device loses its antenna quality when a plasma forms at the
Pour que le plasma s'établisse et se maintienne dans de bonnes conditions avec un bon rendement, il est nécessaire que le maximum d'énergie soit transféré par le coupleur réalisé par l'anneau creux 7 au tube 14 par l'intermédiaire de l'intervalle 13. Ce coupleur réalise une adaptation de l'impédance du générateur de plasma à l'impédance du câble coaxial 17 d'amenée de l'énergie.In order for the plasma to be established and maintained in good conditions with good efficiency, it is necessary that the maximum of energy is transferred by the coupler produced by the
En pratique, on a constaté que l'impédance du générateur de plasma variait de façon importante avec celle du plasma lui-même. Cette dernière dépend d'un nombre considérable de facteurs tels que l'énergie d'ionisation du gaz utilisé, le régime des pressions de ce dernier etc. Cependant, on sait que cette impédance est essentiellement résis- tive à haute pression, tell.e que la pression atmosphérique, et varie de façon sensible avec la puissance consommée par ce plasma, c'est-à-dire en fait avec le volume de plasma. On peut donc pour chaque configuration de puissance du générateur hyperfréquence 21 effectuer un réglage de l'impédance du coupleur constitué par l'anneau creux 7.In practice, it has been found that the impedance of the plasma generator varies significantly with that of the plasma itself. The latter depends on a considerable number of factors such as the ionization energy of the gas used, the pressure regime of the latter, etc. However, it is known that this impedance is essentially resistive at high pressure, such as atmospheric pressure, and varies appreciably with the power consumed by this plasma, that is to say in fact with the volume of plasma. It is therefore possible, for each power configuration of the
Plusieurs dispositions peuvent être utilisées à cet effet. En particulier, on a constaté que le déplacement de la rondelle 4 dans l'intervalle annulaire entre les tubes 1 et 6 permettait de faire varier le rendement du dispositif, c'est-à-dire pour une puissance déterminée fournie par le générateur 21, d'obtenir à l'extrémité 3 du tube 1, une puissance maximale de plasma.Several arrangements can be used for this purpose. In particular, it has been found that the displacement of the
Un autre moyen d'adaptation de l'impédance du coupleur à anneau creux 7 consiste à faire varier la profondeur x de pénétration de la tige filetée 22. Un autre moyen consiste également à modifier la position de la plaque 9 fermant l'extrémité postérieure de la cavité ou enceinte délimitée entre les manchons 6 et 8, parallèlement à la flèche 9a.Another means of adapting the impedance of the
On a constaté que de bons résultats pouvaient être obtenus si la relation suivante était satisfaite :
Dans cette formule, a est_ la différence entre le rayon du tube 8 et celui du tube 6, b est la longueur axiale de l'anneau 7, c'est-à-dire la distance séparant les plaques ou flasques 9 et 10, et À la longueur d'onde du courant produit par le générateur 21.In this formula, a is the difference between the radius of the
Dans un exemple d'application du générateur de plasma qui vient d'être décrit à un chalumeau dans lequel on utilise la flamme 23 à l'extrémïté du tube 3 pour élever la température d'une pièce attaquée par cette flamme, la fréquence du courant produit par le générateur hyperfréquence 21 est de 2450 MHz, le tube 1 a un diamètre interne de l'ordre de 0,5 à 2 mm, le diamètre interne du tube 6 est de l'ordre du centimètre, les paramètres a et b ont pour valeur respectivement 12,5 mm et 20 mm, la longueur axiale g de l'intervalle 13 entre la couronne 10 et l'extrémité 12 du tube 6 est de l'ordre de quelques millimètres et la longueur d de la saillie 14 du tube 1 à l'extérieur de l'anneau 7 est également de l'ordre du centimètre. Le débit du gaz sortant du tube 1, qui, dans cet exemple, est de l'argon, est compris entre 0,2 et quelques litres par minute. L'argon étant un gaz qui possède un potentiel d'ionisation élevé et qui est inerte même à température élevée vis-à-vis d'un très grand nombre de surface susceptibles d'être traitées.In an example of application of the plasma generator which has just been described to a torch in which the
Avec cette réalisation, la densité de puissance du plasma 23 est de l'ordre de 20 KW/cm3 si la puissance du générateur 21 est de l'ordre de 200 W.With this embodiment, the power density of the
Ainsi, le plasma 23 peut être utilisé pour ses propriétés thermiques comme "micro-chalumeau" en vue d'effectuer des traitements de surfaces, des soudures,etc. On peut également utiliser la flamme 23, comme torche ou source de lumière dans un spectroscopepdur analyser le gaz ou le mélange de gaz introduit dans le tube 1. Le dispositif constitue alors une torche ou "micro-torche".Thus, the
Dans le cas où le gaz est corrosif à l'égard 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 surface externe de la partie terminale 14 du tube soit conductrice pour fonctionner comme une antenne, le revêtement interne du tube par un isolant ne s'opposant pas à la production de plasma.In the case where the gas is corrosive with respect to the metal constituting the tube 1, the internal surface of the latter is covered with a protective layer, for example a layer of alumina. It is sufficient in this case that the external surface of the
La saillie 14 formée par l'avant du tube 1 peut comprendre un embout amovible 3a, la forme de cet embout dépendant, d'une part, du débit souhaité, d'autre part, de l'utilisation du dispositif. En d'autres termes, un même dispositif peut être utilisé pour plusieurs applications et pour exciter des gaz de natures diverses. Cet embout peut être constitué au besoin en un matériau réfractaire.The
Dans une variante d'un générateur selon l'invention, représentée sur la figure 3, la longueur de la partie 14a du tube 1 qui fait saillie à partir de la face externe du flasque 10 est plus grande que celle de la partie saillante 14 dans l'exemple de la figure 1.In a variant of a generator according to the invention, shown in FIG. 3, the length of the
Dans cette réalisation, cette partie 14a du tube 1 est entourée à distance par un autre tube métallique 30, coaxial au tube 1 et de diamètre compris entre celui du tube 6 et celui du tube 8. Le diamètre du tube 30 peut également être inférieur à celui du tube 6. Le tube 30 est en contact conducteur à son extrémité postérieure 42 avec la face frontale de la plaque ou flasque 10.In this embodiment, this
Dans cet exemple, la rondelle 4 n'existe pas et le manchon 6 est simplement fermé à sa partie antérieure 12a par une cloison 25 à travers laquelle passe le tube 1. L'extrémité postérieure du manchon 6 peut avantageusement également être fermée par une cloison 26, également traversée par le tube 1 et qui se prolonge à sa périphérie pour venir se raccorder avec l'extrémité postérieure 109 du manchon 8 pour fermer, par une cloison 9c, la partie postérieure de la cavité 7a. Ainsi, dans cet exemple, la position de la plaque de fermeture postérieure de cette cavité n'est pas réglable. On peut bien entendu, adopter comme pour la figure 1, un plongeur tel que 22 pour effectuer l'adaptation de l'impédance de l'anneau creux 7, comme il a été expliqué. Il serait également possible au lieu d'une cloison fixe 25, de prévoir une bague ou rondelle coulissante telle que 4 de la figure 1 entre le tube 1 et le manchon 6.In this example, the
La face interne 10a de la plaque 10 est recouverte par un disque isolant 31, par exemple en téflon, présentant une ouverture centrale 32 dont le diamètre est égal au diamètre externe du tube 1, et contre la face externe ou frontale 10b de la couronne 10, à l'intérieur du tube 30, est appliqué un autre disque isolant 33 tel qu'un disque de téflon monté autour du tube 1. On isole ainsi l'espace annulaire 34 délimité par la saillie 14a et le tube 30 de l'espace annulaire 7a délimité par les tubes 8 et 6 afin qu'un gaz injecté par un embout 35 dans le premier espace annulaire 34 ne puisse pas pénétrer dans le second espace annulaire 7a, entre les tubes 6 et 8. Le gaz injecté peut être également de l'argon de façon à engendrer un plasma 23a obtenu par l'excitation de l'argon s'échappant d'une buse 3b à l'extrémité de la partie saillante 14a dans une atmosphère du même gaz. Cependant, le gaz introduit dans l'espace 34 peut être de nature différente de celle du gaz à 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 à une pression qui n'est pas égale - inférieure ou supérieure - à la pression atmosphérique. L'intervalle entre le tube 14a et le manchon 30 pourrait également être rempli d'un diélectrique solide par exemple.The
Afin de canaliser un gaz admis par l'arrivée 35 à l'intérieur du tube 30 en direction de la flamme-23a à la sortie de ce tube, on peut prévoir, comme représenté sur la figure 3, que l'extrémité 30a de celui-ci est rabattue en direction de l'axe du tube.In order to channel a gas admitted by the
Dans cet exemple qui représente une forme de réalisation particulièrement intéressante pour un chalumeau, le diamètre du tube 30 est de 18 mm, le diamètre du tube 6 est de l'ordre de 10 mm, le diamètre du tube 8 est de 40 mm, la longueur axiale dudit tube 8 est de 32 mm, la distance g définissant l'épaisseur de l'intervalle 13a entre l'extrémité 12a du manchon 6 et les bords de l'ouverture 11a au centre 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 générateur 21 est de 2450 MHz et sa puissance de 2 KW. Le diamètre interne du tube 1 est de 0,5 mm et son diamètre externe est de 3 mm. La longueur de la partie 14a et du manchon 30 peut être déterminée à volonté. Dans une réalisation décrite elle est de 80 millimètres.In this example which represents a particularly advantageous embodiment for a torch, the diameter of the
On peut considérer que dans ce mode de réalisation, la partie saillante 14a du tube 1 forme l'âme d'une structure de coaxial ayant une gaine formée par le tube 30, ce coaxial étant alimenté à partir du coaxial 17 par l'intermédiaire d'un coaxial de couplage constitué par la structure en forme d'anneau creux 7. Tel que représenté sur la figure 3, le couplage entre 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 exposé à propos de la figure 1.It can be considered that in this embodiment, the projecting
Le coaxial formé par la structure annulaire creuse 7 permet une adaptation d'impédance par des moyens qui ont été exposés précédemment. Le couplage entre ce coaxial et le coaxial formé par le tube 14a et le tube 30 s'effectue par l'intermédiaire de l'intervalle 13a,dans lequel règne un très fort champ électrique par lequel s'effectue ce transfert d'énergie,et de l'ouverture centrale 11a dans la plaque 10 qui permet à l'énergie de s'échapper de l'intervalle 13a pour se propager le long du coaxial 14a, 30. En l'absence de gaz dans le tube 1, l'extrémité libre du tube 14a rayonne l'énergie qui lui parvient. Après amorçage, cette énergie est au contraire entièrement utilisée pour ioniser le gaz de la flamme 23a à la sortie du tube 14a.The coaxial formed by the hollow
L'explication de la structure du générateur de la figure 3 qui vient d'être donnée peut être appliquée également au dispositif de la figure 1. Dans celui-ci, le coaxial d'adaptation d'impédance formé par la structure annulaire .creuse 7 est couplé par l'intermédiaire de l'intervalle 13 à un coaxial d'excitation dont l'âme est constituée par le tube 1 et la gaine par la portion du manchon 6 entourant ce tube entre la rondelle 4 et l'extrémité antérieure 12 de ce manchon, la partie terminale 14 du tube faisant saillie hors de cette structure coaxiale.The explanation of the structure of the generator of FIG. 3 which has just been given can also be applied to the device of FIG. 1. In this, the impedance matching coaxial formed by the hollow
On a représenté en figure 2, un cas limite dans lequel la structure coaxiale de la partie rayonnante comprenant.le tube 1 a disparu. Comme pour la figure 3, les éléments identiques à ceux de la figure 1 ont été désignés par les mêmes numéros de référence.There is shown in Figure 2, a boundary case in which the coaxial structure of the radiating part comprising.the tube 1 has disappeared. As in FIG. 3, the elements identical to those of FIG. 1 have been designated by the same reference numbers.
Un tel dispositif (fig. 2), qui est destiné à une application dans laquelle un réglage du rendement de la flamme de plasma en fonction de la puissance émise n'est pas nécessaire, le gaz à exciter étant de l'argon, ne se distingue de celui de la figure 1 que par les dispositions suivantes : au lieu de comporter une bague coulissante pour établir la liaison conductrice entre le manchon 6 et le tube 1, ce manchon 6 est fermé à son extrémité antérieure 12b par une cloison 25b traversée par le tube 1. Cette cloison se trouve à une distance g des bords de l'ouverture centrale 11 ménagée dans le flasque 10, cette distance représentant l'épaisseur 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 1 et qui ferme également la partie postérieure de la cavité annulaire 7a délimitée entre les manchons 6 et 8.Such a device (fig. 2), which is intended for an application in which an adjustment of the efficiency of the plasma flame as a function of the power emitted is not necessary, the gas to be excited being argon, is not distinguishes from that of FIG. 1 only by the following arrangements: instead of having a sliding ring to establish the conductive connection between the
Le tube 1 présente une avancée 14b qui après avoir traversé l'ouverture 11 fait saillie à l'avant du flasque 10 sur une distance qui est déterminée en fonction des conditions opératoires du dispositif (nature du gaz débit, puissance transmise, fréquence opératoire) et est de 5 mm dans cet exemple pour obtenir une flamme de plasma à l'extrémité 3c du tube 1 par où s'échappe le gaz. Cette structure constitue un cas limite de la structure exposée à propos des figures 1 et 3 dans lequel l'énergie transmise dans l'intervalle de couplage 13 ne se propage pas le long d'une structure coaxiale mais est directement transmise à la partie rayonnante 14b du tube.The tube 1 has a
Dans cette réalisation, le conducteur 16 est à une distance de 1,6 mm de la couronne 10.In this embodiment, the
On remarque que dans tous ces dispositifs on a utilise un tube conducteur relativement fin dans lequel circule un débit de gaz relativement peu élevé juste suffisant pour alimenter la flamme d'un plasma concentré dans un petit volume à l'extrémité de ce tube. En particulier, ce courant gazeux n'est pas utilisé pour souffler le plasma à l'extérieur du tube 1. Celui-ci se forme et se maintient naturellement à l'extrémité de ce tube en raison de l'énergie' à fréquence très élevée qui s'y trouve transférée par les moyens qui ont été explicités. Cette énergie est consommée immédiatement à la sortie du tube, par le plasma et ce dernier forme une flamme bien localisée utilisable pour de multiples usages dont certains ont déjà été exposés.It will be noted that in all of these devices, a relatively thin conductive tube has been used in which a relatively low gas flow rate is circulating just sufficient to supply the flame of a plasma concentrated in a small volume at the end of this tube. In particular, this gas stream is not used to blow the plasma outside of the tube 1. The latter forms and is naturally maintained at the end of this tube due to the energy at very high frequency. which is transferred there by the means which have been explained. This energy is consumed immediately at the exit of the tube, by the plasma and the latter forms a well localized flame usable for multiple uses some of which have already been exposed.
Il est intéressant de noter également que l'on obtient ce plasma dans de très bonnes conditions même à des pressions élevées, telles que la pression atmosphérique contrairement aux résultats obtenus 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 amenée de gaz 35 tels que décrits à propos de la figure 3. Cette application aux pression élevées n'est pas limitative. Grâce à un agencement de type coaxial '(14a, 30) tel que représenté à la figure 3, on peut amener le plasma à se former à une certaine distance de la partie excitatrice de ce dernier comprenant le générateur 21 et le dispositif de couplage 7.It is also interesting to note that this plasma is obtained under very good conditions even at high pressures, such as atmospheric pressure, unlike the results obtained with certain prior plasma generators. This pressure can moreover be adjusted to a certain extent by
En général, la dimension transversale du tube 1 est beaucoup plus faible que celle des manchons 6 et 30, un rapport de 1 à 10 étant courant, d'une part, parce que la formation d'un plasma à haute pression s'effectue plus facilement à la sortie d'une ouverture de petite dimension et d'autre part, parce qu'on a constaté qu'un diamètre de manchon 6 et 30 plus grand que celui du tube 1 était en général nécessaire pour réaliser une adaptation convenable de l'impédance du dispositif. Enfin, l'ouverture centrale lla 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 règne de s'en échapper afin d'être transférée à la partie antérieure du tube.In general, the transverse dimension of the tube 1 is much smaller than that of the
Le générateur de plasma peut, quelle que soit sa forme de réalisation, être utilisé non seulement pour les propriétés thermiques et optiques de la flamme mais également pour les propriétés mécaniques du plasma. En effet, le gaz sortant du tube 1 à haute température produit une force ; celle-ci peut être utilisée par exemple pour la stabilisation de satellites artificiels.The plasma generator can, whatever its embodiment, be used not only for the thermal and optical properties of the flame but also for the mechanical properties of the plasma. Indeed, the gas leaving the tube 1 at high temperature produces a force; this can be used for example for the stabilization of artificial satellites.
Ce générateur peut aussi être utilisé pour constituer une source d'ions possédant une référence précise de potentiel constituée par le tube métallique 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 général obtenue en soumettant ces ions à un champ électrique continu entre deux électrodes. Dans une source d'ions incorporant un générateur de plasma selon l'invention, les ions produits sont au potentiel du tube métallique lui-même et il est aisé de les accélérer en plaçant une deuxième électrode à un potentiel convenable à une distance suffisante du plasma.This generator can also be used to constitute an ion source having a precise reference of potential constituted by the metal tube 1. An ion source in fact, implies that the ions generated in a plasma can be accelerated to escape from this last. This acceleration is generally obtained by subjecting these ions to a continuous electric field between two electrodes. In an ion source incorporating a plasma generator according to the invention, the ions produced are at the potential of the metal tube itself and it is easy to accelerate them by placing a second electrode at a suitable potential at a sufficient distance from the plasma. .
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