EP0874537B1 - Dispositif d'excitation d'un gaz par plasma d'onde de surface et installation de traitement de gaz incorporant un tel dispositif - Google Patents

Dispositif d'excitation d'un gaz par plasma d'onde de surface et installation de traitement de gaz incorporant un tel dispositif Download PDF

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EP0874537B1
EP0874537B1 EP98400974A EP98400974A EP0874537B1 EP 0874537 B1 EP0874537 B1 EP 0874537B1 EP 98400974 A EP98400974 A EP 98400974A EP 98400974 A EP98400974 A EP 98400974A EP 0874537 B1 EP0874537 B1 EP 0874537B1
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EP
European Patent Office
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gas
tube
sleeve
plasma
hollow
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EP98400974A
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German (de)
English (en)
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EP0874537A1 (fr
Inventor
Michel Moisan
Roxane Etemadi
Jean-Christophe Rostaing
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Definitions

  • the present invention relates to a device excitation of a gas, of the surfaguide type, in which the gas is excited by a surface wave plasma, especially at atmospheric pressure.
  • the invention also relates to an installation for treating a gas incorporating such a device excitation.
  • a particularly interesting example of application of these types of devices is the plasma treatment of a chemically non-reactive gas containing impurities consisting of perfluorinated greenhouse gas compounds or volatile organic compounds.
  • the gas to be treated and the impurities it contains are placed in an electric field sufficiently intense to achieve an electric discharge by ionization gas molecules, caused by the wrenching of electrons initially neutral gas molecules.
  • the molecules of the gas are dissociated to form plus size radicals smaller than the original molecules and, therefore, the case where appropriate, individual atoms, these atoms or fragments of molecules thus excited giving rise to substantially no chemical reaction.
  • the atoms or gas molecules de-energize and recombine respectively, to be left intact on exit.
  • the impurities undergo by excitation irreversible dissociation and transformation by formation of new molecular fragments having chemical properties different from those of molecules initials, which are therefore likely to be extracted from the gas by appropriate further treatment.
  • a guide surfatron has a hollow structure in electrically conductive material comprising a first part closed by a movable piston in waveguide forming short circuit and a second part extending perpendicularly to the first part and in which rose coaxially a tube of dielectric material in which circulates the gas to be treated.
  • the second part is provided with a tuning piston axially displaceable to adapt the impedance of the device.
  • This type of electromagnetic field applicator gives satisfaction for creating a surface wave plasma at atmospheric pressure.
  • This type of excitation device includes a hollow structure forming waveguides, of material electrically conductive, intended to be connected to a microwave generator provided with a passage intended to be crossed by a hollow discharge tube of dielectric material in which circulates said gas to be excited and an area of wave concentration suitable for concentrating radiation microwave produced by the generator towards said tube, during operation of the device, with a view to producing a plasma surface wave in said gas.
  • the surfaguide does not have a tuning piston and is therefore less expensive than the guide-surfatron.
  • the length of the plasma created by the surfaguide is, at power equal, a little higher than that of the plasma created by the surfatron guide.
  • the density of the plasma column produced by the guide surfatron is locally higher than for the surfaguide.
  • the surfaguide is less effective than the guide-surfatron, when using discharge tubes with a diameter greater than 20 mm at the frequency of 2.45 GHz.
  • the object of the invention is to overcome the drawbacks state of the art devices and provide a device for excitation of a less expensive gas than the surfatron-guide, and able to work also under pressure atmospheric.
  • an excitation device of a gas of the surfaguide type comprising a hollow structure forming waveguide, of electrically conductive material, intended to be connected to a microwave generator and provided with a passage intended to be crossed by a hollow tube dielectric in which circulates said gas to be excited and of a wave concentration zone adapted to concentrate the microwave radiation produced by the generator towards said tube, during the operation of said device, with a view to producing a surface wave plasma in said gas, characterized in that it further comprises at least one sleeve of conductive material of integral electromagnetic shielding of said structure and extending in the extension of said passage so as to surround said hollow tube said at least one sleeve having a length at least equal to the length of the plasma created in the gas.
  • the invention also relates to an installation for treatment of a gas, comprising a device for exciting the gas connected to a microwave generator and crossed by a hollow dielectric tube in which the gas to be excited circulates, the device comprising means for concentrating the microwave radiation produced by the generator towards the tube dielectric, so as to produce a plasma in the gas atmospheric ionization and excitation of molecules of the gas to be treated for the formation of gaseous compounds reagents, the installation further comprising at least one reactive compound processing unit arranged at the outlet of the dielectric hollow tube, characterized in that the gas excitation device consists of a device excitation as defined above.
  • Figure 1 there is shown a schematic view in perspective of a classic type surfaguide, designated by the general reference 10.
  • the surfaguide 10 mainly consists of a hollow structure 12 made of electrically material conductor, provided with a first end 14 intended to be connected to a microwave generator (not shown) and of an opposite open end 16 intended to be closed by a plate arranged transversely to the axis longitudinal of the structure 12 and constituting a short circuit.
  • the short circuit plate has not been represented.
  • the wall of the middle part of the structure 12 is provided with transverse holes 18 for the passage of a tube to discharge 20 of dielectric material in which a gas column.
  • the microwave radiation produced by the microwave generator is guided by the structure 12 which concentrates the incident radiation towards the tube 20 of so as to spread in it and in the mixture ionized gas it contains an electromagnetic wave progressive surface including the associated electric field generates and maintains the discharge in the gas column.
  • this guy exciter can be used in the field of processing by plasma of gaseous effluents of various types with a view to their purification or destruction of perfluorocarbon compounds or volatile organic compounds in a mixture gas, by excitation of the gas mixture and treatment later adapted to react chemical species excited by the action of plasma with a reactive compound corresponding so as to remove them from the gas or mixture gaseous incident.
  • FIGS. 4 and 5 show a device gas exciter which overcomes these drawbacks.
  • the exciter designated by the reference numeral 22
  • the exciter has a hollow structure 24 of longitudinal shape and made of electrically material conductor suitable for the intended use, in particular a metal.
  • the hollow structure 24 preferably has a section transverse parallelepiped and has two ends open, respectively 26 and 28 intended one to be connected to a microwave generator and the other to suitable means for forming a short circuit, preferably a conductive plate arranged transversely and adjustable longitudinally.
  • the structure 24 includes a zone 30 of narrowed section having a middle portion 32 of constant cross section extending between two parts 34 and 36 of section linearly increasing towards the end zones 26 and 28.
  • the constituent walls of the middle part 32 are equipped each of an orifice, such as 38, these orifices forming a passage for a tube 40 of dielectric material, such as silica, fictitiously truncated in Figure 4 in which circulates a column of gas to be excited.
  • a tube 40 of dielectric material such as silica, fictitiously truncated in Figure 4 in which circulates a column of gas to be excited.
  • a sleeve, 42 and 44 of material is mounted electrically conductive, preferably identical to the material constituting the structure 24.
  • the sleeves are of preferably cylindrical and placed coaxially on the way formed by the orifices 38.
  • these sleeves 42 and 44 must be made of an electrically conductive material. It is necessary furthermore that the contact of these sleeves with the structure 24 is electrically excellent. Indeed, for waves electromagnetic with a frequency of 2.45 GHz, all discontinuity in electrical conduction would be likely to offer an escape route to the outside of the radiation produced by the generator, even with mechanical adjustment very tight.
  • the structure 24 and the sleeves 42 and 44 are preferably made of brass so as to avoid creation in the fixing area of these parts of a layer insulating oxide.
  • the free ends of the sleeves 42 and 44 are each equipped with a flange, such as 50, fixed by screwed onto them and provided with an orifice, such as 52, for the passage of the dielectric tube 40.
  • the flanges 50 can be made of material electrically conductive, made of insulating material or possibly be removed depending on the length of the sleeves.
  • each sleeve is provided with orifices 54 allowing the visualization of the plasma in the gas column during operation of the device.
  • the waveguide 24 guides the incident microwave radiation from the generator towards the narrowed section area 30, which constitutes an area of concentration of microwaves, and in particular towards the tube dielectric 40.
  • the zone 30 of narrowed section concentrates the incident radiation towards the middle part 32 in order to make propagate in tube 40 and in the gas column that it contains a progressive electromagnetic surface wave whose associated electric field generates and maintains a plasma in the gas column in sight, as is conventional, to excite and ionize gaseous particles.
  • the transition between the two end zones and the middle part 32 takes place substantially gradually, using a length of transition zone approximately equal to a multiple of half the wavelength ⁇ g / 2 of propagation in the waveguide 24.
  • each sleeves must be chosen large enough not to disrupt the propagation of the surface wave creating the dump.
  • the minimum diameter depends on the power microwave that we want to inject into the plasma, i.e. operating conditions of the device.
  • the minimum diameter of the sleeve is chosen equal to twice that of tube 40.
  • the structure of the electromagnetic field may lose its character progressive surface wave and cavity type couplings resonant manifest themselves, which will make the diet of unstable discharge operation by energy exchange between the cavity modes and that of the surface wave.
  • a compromise between these two considerations is to choose a diameter between three to four times the diameter of the tube 40, for example a diameter included between 60 and 80 mm, for an incident frequency of 2.45 GHz.
  • the length of the sleeves is chosen at least equal to the length of the plasma, so that it is fully understood within sleeves.
  • the flanges 50 are preferably made of electrically conductive material so as to prevent the radiation from escaping towards outside.
  • these flanges 50 are not necessarily made in conductive material, since the intensity of the microwave field is weak in this region beyond the plasma limit.
  • the intensity of the radiation is substantially zero at the end edge of the sleeves 42 and 44.
  • the flanges 50 can be removed.
  • the surfaguide device that comes to be described is of a very simple structure. It has a only impedance matching means, connected to one of the ends of the waveguide structure 24, opposite to the arrival of microwaves from the generator then that the guide surfatron has an intrinsic means additional adaptation. It can however be advantageous to add on the waveguide, on the arrival side of microwave power, three impedance adapter screw plungers in the long side of the guide, of known type.
  • the installation shown in this figure is for example intended for the destruction of C 2 F 6 in a gas mixture consisting, for example, of C 2 F 6 , O 2 and Ar introduced into the discharge tube 40, by one of its ends, as represented by the arrow F.
  • the surfaguide 22 identical to the exciter shown in FIGS. 4 and 5, is connected, by one of its ends 26, to a generator microwave 56, the other end 28 being equipped with a conductive plate 58 forming a short circuit arranged transversely and longitudinally adjustable.
  • the discharge tube 40 opens into a pipe 60, via a cooling cartridge 62, consisting for example of a heat exchanger equipped with a coil, in which the gas to be treated circulates, enclosed in an enclosure inside which is established a water circulation.
  • a cooling cartridge 62 consisting for example of a heat exchanger equipped with a coil, in which the gas to be treated circulates, enclosed in an enclosure inside which is established a water circulation.
  • Line 60 routes the excited gas under the action of the plasma 64 towards a processing unit 66, consisting of a cartridge comprising an element suitable for react with excited chemical species to be destroyed, for example an alkaline element such as lime soda or an alkaline aqueous solution and then to a unit of dehydration 68.
  • a processing unit 66 consisting of a cartridge comprising an element suitable for react with excited chemical species to be destroyed, for example an alkaline element such as lime soda or an alkaline aqueous solution and then to a unit of dehydration 68.
  • the line 60 has two bypass assemblies 70 and 72 controlled by corresponding valves, such as 74 and 76, and on which come tightly mount sampling cells 78 and 80 capable of analyzing the gas by Fourrier transform infrared spectrometry.
  • This installation provides a rate of destruction, at the outlet of the dehydration unit 68 comparable to that obtained using a guide surfatron.
  • the diameter of the passage 38 is greater than the external diameter of the tube 40.
  • the diameter of the passage is preferably chosen between 20 and 22 mm, so as to arrange a interstice between the wall constituting the middle part 32 and tube 40.
  • the sleeves have a cylindrical shape.

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Description

La présente invention est relative à un dispositif d'excitation d'un gaz, du type surfaguide, dans lequel le gaz est excité par un plasma d'onde de surface, en particulier à pression atmosphérique.
L'invention se rapporte également à une installation de traitement d'un gaz incorporant un tel dispositif d'excitation.
Un autre dispositif excitateur efficace pour cette application est connu sous l'appellation "surfatron-guide".
Un exemple d'application particulièrement intéressante de ces types de dispositifs est le traitement par plasma d'un gaz chimiquement non réactif contenant des impuretés constituées de composés gazeux perfluorés à effet de serre ou de composés organiques volatiles.
Pour ce faire, le gaz à traiter et les impuretés qu'il contient sont placés dans un champ électrique suffisamment intense pour réaliser une décharge électrique par ionisation des molécules de gaz, provoquée par l'arrachement d'électrons des molécules du gaz initialement neutres.
Sous l'action de la décharge, les molécules du gaz sont dissociées pour former des radicaux de tailles plus petites que les molécules initiales et, par suite, le cas échéant, des atomes individuelles, ces atomes ou fragments de molécules ainsi excitées ne donnant lieu à sensiblement aucune réaction chimique.
Ainsi, après passage dans la décharge, les atomes ou molécules de gaz se désexcitent et se recombinent respectivement, pour se retrouver intacts en sortie.
Au contraire, les impuretés subissent par excitation une dissociation et une transformation irréversibles par formation de nouveaux fragments moléculaires ayant des propriétés chimiques différentes de celles des molécules initiales, qui sont dès lors susceptibles d'être extraites du gaz par un traitement ultérieur approprié.
Un surfatron-guide comporte une structure creuse en matériau électriquement conducteur comportant une première partie obturée par un piston mobile en guide d'onde formant court-circuit et une deuxième partie s'étendant perpendiculairement à la première partie et dans laquelle est monté de façon coaxiale un tube en matériau diélectrique dans lequel circule le gaz à traiter.
La deuxième partie est munie d'un piston d'accord axialement déplaçable pour l'adaptation de l'impédance du dispositif.
Ce type d'applicateur de champ électromagnétique donne satisfaction pour la création d'un plasma d'onde de surface à la pression atmosphérique.
Il présente toutefois un certain nombre d'inconvénients, notamment en raison de son coût, du fait de la plus grande complexité de sa construction.
On connaít par ailleurs un autre type de dispositif excitateur de gaz connu sous la désignation "surfaguide".
Ce type de dispositif d'excitation comporte une structure creuse formant guide d'ondes, en matériau électriquement conducteur, destinée à être raccordé à un générateur de micro-ondes munie d'un passage destiné à être traversé par un tube à décharge creux en matériau diélectrique dans lequel circule ledit gaz à exciter et d'une zone de concentration d'ondes adaptée pour concentrer le rayonnement micro-ondes produit par le générateur vers ledit tube, lors du fonctionnement du dispositif, en vue de produire un plasma d'onde de surface dans ledit gaz.
Le surfaguide est dépourvu de piston d'accord et est donc moins onéreux que le surfatron-guide. En outre, la longueur du plasma crée par le surfaguide est, à puissance égale, un peu plus élevée que celle du plasma créé par le surfatron-guide.
Toutefois, la densité de la colonne de plasma produite par le surfatron-guide est localement plus élevée que pour le surfaguide.
De plus, dans certaines conditions de fonctionnement, le surfaguide est moins efficace que le surfatron-guide, lorsqu'on utilise des tubes à décharge de diamètre supérieur à 20 mm à la fréquence de 2,45 GHz.
Par ailleurs, pour des puissances de fonctionnement élevées, il apparaít des pertes de rayonnement dans l'environnement du surfaguide, très préjudiciables au bilan énergétique du dispositif et posant en outre des problèmes de fiabilité et de sécurité.
Le but de l'invention est de pallier les inconvénients des dispositifs de l'état de la technique et de fournir un dispositif d'excitation d'un gaz moins onéreux que le surfatron-guide, et capable de travailler également à pression atmosphérique.
Elle a donc pour objet un dispositif d'excitation d'un gaz du type surfaguide, comprenant une structure creuse formant guide d'ondes, en matériau électriquement conducteur, destinée à être raccordée à un générateur de micro-ondes et munie d'un passage destiné à être traversé par un tube creux diélectrique dans lequel circule ledit gaz à exciter et d'une zone de concentration d'ondes adaptée pour concentrer le rayonnement micro-ondes produit par le générateur vers ledit tube, lors du fonctionnement dudit dispositif, en vue de produire un plasma d'onde de surface dans ledit gaz, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un manchon en matériau conducteur de blindage électromagnétique solidaire de ladite structure et s'étendant dans le prolongement dudit passage de manière à entourer ledit tube creux ledit au moins un manchon ayant une longeur au moins égale à la longeur du plasma créé dans le gaz.
Le dispositif excitateur selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • ladite structure creuse formant guide d'ondes a une forme générale longitudinale et comporte une première extrémité ouverte destinée à être raccordée audit générateur de micro-ondes, une deuxième extrémité ouverte destinée à être munie de moyens formant court-circuit en guide et une zone de section rétrécie s'étendant entre lesdites première et deuxième extrémités et délimitant ladite zone de concentration des ondes ;
  • ladite zone de section rétrécie comporte une partie médiane de section constante équipée dudit passage et s'étendant entre deux parties de section linéairement croissante en direction desdites extrémités ;
  • ledit au moins un manchon a une longueur au moins égale à la longueur du plasma créé dans le gaz ;
  • l'extrémité libre de chaque manchon porte un flasque équipé d'un trou pour le passage dudit tube diélectrique ;
  • ledit au moins un manchon a une longueur égale à la somme de la longueur du plasma et de la longueur d'onde dudit rayonnement micro-onde dans le vide ;
  • la paroi dudit au moins un manchon est munie d'au moins un orifice de visualisation du plasma dont les dimensions sont adaptées pour éviter le passage du rayonnement;
  • ledit au moins un manchon a une forme générale cylindrique de section au moins égale au double de la section du tube creux ;
  • il comporte deux manchons s'étendant dans le prolongement l'un de l'autre, de part et d'autre de la partie médiane ;
  • chaque manchon comporte une platine d'extrémité s'étendant chacune latéralement au-delà de la partie médiane en vue de la fixation desdits manchons sur ladite structure, par vissage des platines l'une sur l'autre ; et
  • le diamètre du passage est supérieur au diamètre externe du tube creux.
L'invention a également pour objet une installation de traitement d'un gaz, comprenant un dispositif d'excitation du gaz raccordé à un générateur de micro-ondes et traversé par un tube creux diélectrique dans lequel circule le gaz à exciter, le dispositif comprenant des moyens pour concentrer le rayonnement micro-onde produit par le générateur vers le tube diélectrique, de manière à produire dans le gaz un plasma atmosphérique d'ionisation et d'excitation des molécules du gaz à traiter en vue de la formation de composés gazeux réactifs, l'installation comportant en outre au moins une unité de traitement des composés réactifs disposés en sortie du tube creux diélectrique, caractérisée en ce que le dispositif d'excitation du gaz est constitué par un dispositif d'excitation tel que défini ci-dessus.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
  • la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un surfaguide de type classique ;
  • les figures 2 et 3 sont des tableaux montrant les efficacités respectives du surfaguide de la figure 1 et d'un surfatron-guide ;
  • la figure 4 est une vue schématique latérale du dispositif d'excitation selon l'invention ;
  • la figure 5 est une vue de dessus du dispositif de la figure 4 ;
  • la figure 6 est une vue schématique d'une installation de traitement d'un gaz utilisant le dispositif d'excitation des figures 4 et 5 ; et
  • la figure 7 est un tableau montrant les efficacités respectives du dispositif excitateur selon l'invention et du surfaguide de la figure 1.
Sur la figure 1 on a représenté une vue schématique en perspective d'un surfaguide de type classique, désigné par la référence numérique générale 10.
Le surfaguide 10 est constitué principalement d'une structure creuse 12 réalisée en matériau électriquement conducteur, munie d'une première extrémité 14 destinée à être connectée à un générateur de micro-ondes (non représenté) et d'une extrémité opposée ouverte 16 destinée à être obturée par une plaque disposée transversalement par rapport à l'axe longitudinal de la structure 12 et constituant un court-circuit. Sur cette figure 1 la plaque du court-circuit n'a pas été représentée.
La paroi de la partie médiane de la structure 12 est munie d'orifices transversaux 18 pour le passage d'un tube à décharge 20 en matériau diélectrique dans lequel circule une colonne de gaz.
En fonctionnement, le rayonnement micro-ondes produit par le générateur de micro-ondes est guidé par la structure 12 qui concentre le rayonnement incident vers le tube 20 de manière à faire se propager dans celui-ci et dans le mélange gazeux ionisé qu'il contient une onde électromagnétique progressive de surface dont le champ électrique associé engendre et maintient la décharge dans la colonne de gaz.
Comme cela a été mentionné précédemment, ce type d'excitateur peut être utilisé dans le domaine du traitement par plasma d'effluents gazeux de types variés en vue de leur épuration ou de la destruction de composés perfluorocarbonés ou de composés organiques volatiles contenus dans un mélange gazeux, par excitation du mélange gazeux et traitement ultérieur adapté pour faire réagir les espèces chimiques excitées sous l'action du plasma avec un composé réactif correspondant de manière à les éliminer du gaz ou mélange gazeux incident.
Ce type d'excitateur présente toutefois, comme indiqué précédemment, un certain nombre d'inconvénients.
Tout d'abord, on voit sur la figure 2 que la puissance minimale incidente nécessaire pour obtenir une élimination à 100% de SF6 dans un mélange gazeux constitué par exemple de SF6, de O2 et d'Ar doit être supérieur à la puissance nécessaire pour obtenir une destruction à 100% avec un surfatron-guide, pour des débits identiques.
Par ailleurs, en comparant les taux de destruction obtenus dans le cas d'un mélange gazeux comportant du C2F6, pour des puissances micro-ondes incidentes très voisines entre le surfaguide classique d'une part et le surfatron-guide d'autre part on constate que pour une concentration de C2F6 égale à 4,5%, la puissance nécessaire pour le maintien d'une décharge stable n'est que de 790 W pour les deux types d'applicateurs. Dans ces conditions le taux de destruction obtenu avec le surfaguide n'est que légèrement inférieur à celui observé dans le cas du surfatron-guide.
Toutefois, à une concentration de C2F6 plus élevée, égale à 8%, la puissance minimale de maintien d'une décharge stable est nettement plus élevée. Cette puissance varie peu entre les deux dispositifs, mais l'efficacité de destruction devient médiocre dans le cas du surfaguide, surtout comparé à l'excellente valeur, proche de l'unité, constatée en ce qui concerne le surfatron-guide. Corrélativement, et comme mentionné précédemment, pour ces puissances élevées, il apparaít des pertes importantes de rayonnement dans l'environnement du dispositif, ces pertes étant donc très préjudiciables au bilan énergétique de l'installation et posant des problèmes de fiabilité et de sécurité.
On a représenté sur les figures 4 et 5 un dispositif excitateur de gaz permettant de pallier ces inconvénients.
On voit sur la figure 4 que l'excitateur, désigné par la référence numérique 22, comporte une structure creuse 24 de forme longitudinale et réalisée en un matériau électriquement conducteur approprié pour l'utilisation envisagée, en particulier un métal.
La structure creuse 24 a de préférence une section transversale parallélépipèdique et comporte deux extrémités ouvertes, respectivement 26 et 28 destinées l'une à être raccordée à un générateur de micro-ondes et l'autre à des moyens appropriés pour former un court-circuit, de préférence une plaque conductrice disposée transversalement et réglable longitudinalement.
Entre les deux zones d'extrémité 26 et 28, la structure 24 comporte une zone 30 de section rétrécie comportant une partie médiane 32 de section constante s'étendant entre deux parties 34 et 36 de section linéairement croissante en direction des zones d'extrémité 26 et 28.
En se référant également à la figure 5, on voit que les parois constitutives de la partie médiane 32 sont équipées chacune d'un orifice, tel que 38, ces orifices formant un passage pour un tube 40 en matériau diélectrique, tel que de la silice, fictivement tronqué sur la figure 4 dans lequel circule une colonne de gaz à exciter.
Selon l'invention, sur chacune des grandes faces de la partie médiane 32, est monté un manchon, 42 et 44, en matériau électriquement conducteur, de préférence identique au matériau constitutif de la structure 24. Les manchons sont de préférence cylindriques et placés de façon coaxiale au passage formé par les orifices 38.
On conçoit que ces manchons 42 et 44 doivent être réalisés en un matériau électriquement bon conducteur. Il faut en outre que le contact de ces manchons avec la structure 24 soit électriquement excellent. En effet, pour des ondes électromagnétiques ayant une fréquence de 2,45 GHz, toute discontinuité dans la conduction électrique serait susceptible d'offrir un chemin de fuite vers l'extérieur du rayonnement produit par le générateur, même avec un ajustement mécanique très serré.
Ainsi, la structure 24 et les manchons 42 et 44 sont de préférence réalisés en laiton de manière à éviter la création dans la zone de fixation de ces pièces d'une couche d'oxyde isolante.
On voit également sur les figures 4 et 5 que les extrémités des manchons 42 et 44 montées en regard sur le guide d'ondes 24 sont équipées chacune d'une platine, telle que 46, ces platines 46 étant serrées contre la partie médiane 32 à l'aide de vis, telles que 48. On obtient ainsi un contact mécanique très étroit des surfaces métalliques.
Par ailleurs, les extrémités libres des manchons 42 et 44 sont équipées chacune d'un flasque, tel que 50, fixé par vissage sur celles-ci et munies d'un orifice, tel que 52, pour le passage du tube diélectrique 40.
Comme cela sera mentionné par la suite, les flasques 50 peuvent être réalisés en matériau électriquement conducteur, en matériau isolant ou éventuellement être supprimées en fonction de la longueur des manchons.
On voit enfin sur la figure 4 que la paroi de chaque manchon est muni d'orifices 54 permettant la visualisation du plasma dans la colonne de gaz lors du fonctionnement du dispositif.
En fonctionnement, le guide d'ondes 24 guide le rayonnement micro-ondes incident, provenant du générateur, vers la zone de section rétrécie 30, qui constitue une zone de concentration des micro-ondes, et en particulier vers le tube diélectrique 40.
En effet, la zone 30 de section rétrécie concentre le rayonnement incident vers la partie médiane 32 en vue de faire se propager dans le tube 40 et dans la colonne gazeuse qu'il contient une onde électromagnétique progressive de surface dont le champ électrique associé engendre et maintient un plasma dans la colonne de gaz en vue, comme cela est classique, d'exciter et d'ioniser les particules gazeuses.
On notera qu'afin d'éviter que des réflexions multiples n'apparaissent au niveau des deux parties 34 et 36 de transition, susceptibles de donner lieu à une variation spatiale de la phase de l'onde différente de celle d'un guide d'onde de section constante, la transition entre les deux zones d'extrémité et la partie médiane 32 s'effectue sensiblement graduellement, en utilisant une longueur de zone de transition approximativement égale à un multiple de la moitié de la longueur d'onde λg/2 de propagation dans le guide d'onde 24.
Il est par ailleurs à noter que le diamètre de chacun des manchons doit être choisi suffisamment grand pour ne pas perturber la propagation de l'onde de surface créant la décharge.
Ce choix est dicté par deux considérations.
D'une part, si ce diamètre est trop petit, le champ micro-ondes au niveau de la paroi du manchon peut devenir très important, la décroissance de la valeur du champ électrique associé étant approximativement exponentielle à partir de la paroi du tube 40. Ainsi, la conductivité du métal n'étant pas infinie, des pertes par échauffement peuvent apparaítre dans la paroi constitutive des manchons, cet échauffement pouvant de plus engendrer une dégradation des manchons.
Ainsi, le diamètre minimal dépend de la puissance micro-ondes que l'on souhaite injecter dans le plasma, c'est-à-dire des conditions de fonctionnement du dispositif. De préférence, afin de limiter les pertes, le diamètre minimum du manchon est choisi égal au double de celui du tube 40.
D'autre part, si le diamètre est trop élevé, la structure du champ électromagnétique peut perdre son caractère d'onde progressive de surface et des couplages de type cavité résonante se manifester, qui vont rendre le régime de fonctionnement de la décharge instable par échange d'énergie entre les modes de cavité et celui de l'onde de surface.
Un compromis entre ces deux considérations consiste à choisir un diamètre compris entre trois à quatre fois le diamètre du tube 40, soit par exemple un diamètre compris entre 60 et 80 mm, pour une fréquence incidente de 2,45 GHz.
Il est également à noter que la longueur des manchons est choisie au moins égale à la longueur du plasma, de sorte que celui-ci soit entièrement compris à l'intérieur des manchons.
Dans le cas où la longueur des manchons n'est que très légèrement supérieure à celle du plasma, les flasques 50 sont de préférence réalisés en matériau électriquement conducteur de manière à éviter que le rayonnement ne s'échappe vers l'extérieur.
Toutefois, comme cela a été mentionné précédemment, ces flasques 50 ne sont pas nécessairement réalisés en matériau conducteur, puisque l'intensité du champ micro-ondes est faible dans cette région au-delà de la limite du plasma.
En particulier, pour une longueur de manchon égale à la somme de la longueur du plasma et de la longueur d'onde du rayonnement, l'intensité du rayonnement est sensiblement nulle au niveau de la tranche d'extrémité des manchons 42 et 44. Dans ce cas, les flasques 50 peuvent être supprimés.
On conçoit que le dispositif surfaguide qui vient d'être décrit est d'une structure très simple. Il comporte un seul moyen d'adaptation d'impédance, raccordé à l'une des extrémités de la structure en guide d'ondes 24, à l'opposé de l'arrivée des micro-ondes en provenance du générateur alors que le surfatron-guide possède un moyen intrinsèque d'adaptation supplémentaire. Il peut être cependant avantageux d'ajouter sur le guide d'onde, du côté de l'arrivée de puissance micro-onde, un adaptateur d'impédance à trois plongeurs à vis dans le grand côté du guide, de type connu.
Il permet toutefois d'atteindre un rendement comparable à celui du surfatron-guide.
La description d'une installation complète de traitement d'un gaz utilisant le dispositif d'excitation décrit précédemment va maintenant être faite en référence à la figure 6.
L'installation représentée sur cette figure est par exemple destinée à la destruction de C2F6 dans un mélange gazeux constitué, par exemple, de C2F6, de O2 et d'Ar introduit dans le tube à décharge 40, par l'une de ses extrémités, comme représenté par la flèche F.
On voit sur cette figure que le surfaguide 22, identique à l'excitateur représenté sur les figures 4 et 5, est relié, par l'une de ses extrémités 26, à un générateur de micro-ondes 56, l'autre extrémité 28 étant équipée d'une plaque conductrice 58 formant court-circuit disposée transversalement et réglable longitudinalement.
En aval, en considérant le sens d'écoulement du gaz à traiter, le tube à décharge 40 débouche dans une canalisation 60, par l'intermédiaire d'une cartouche de refroidissement 62, constituée par exemple d'un échangeur thermique équipé d'un serpentin, dans lequel circule le gaz à traiter, enfermé dans une enceinte à l'intérieur de laquelle est établie une circulation d'eau.
La canalisation 60 achemine le gaz excité sous l'action du plasma 64 vers une unité de traitement 66, constituée d'une cartouche comprenant un élément adapté pour réagir avec les espèces chimiques excitées devant être détruites, par exemple un élément alcalin tel que de la chaux sodée ou une solution aqueuse alcaline, puis vers une unité de déshydratation 68.
On voit par ailleurs sur la figure 6 que la canalisation 60 comporte deux ensembles de dérivation 70 et 72 commandés par des vannes correspondantes, telles que 74 et 76, et sur lesquelles viennent se monter de façon étanche des cellules d'échantillonnage 78 et 80 capables d'analyser les gaz par spectrométrie infrarouge à transformée de Fourrier.
Cette installation permet d'obtenir un taux de destruction, en sortie de l'unité de déshydratation 68 comparable à celui obtenu à l'aide d'un surfatron-guide.
On voit en effet sur le tableau représenté sur la figure 7 que l'installation de la figure 6, qui utilise un surfaguide muni de manchons constituant un blindage électromagnétique présente une efficacité de destruction très supérieure à celle du surfaguide classique qui en est dépourvu, et donc laisse fuir une partie du rayonnement.
Dans le mode de réalisation représenté, le diamètre des orifices, tel que 38 ménagé dans la partie constitutive de la partie médiane et définissant le passage pour le tube 40 a une valeur voisine de celle du diamètre externe de ce tube.
Selon une variante avantageuse, le diamètre du passage 38 est supérieur au diamètre externe du tube 40. Par exemple, pour un tube à décharge 40 ayant un diamètre externe approximativement égal à 15 mm, le diamètre du passage est de préférence choisi entre 20 et 22 mm, de façon à aménager un interstice entre la paroi constitutive de la partie médiane 32 et le tube 40.
Selon ce mode de réalisation, il n'y a plus de concentration de l'énergie micro-onde dans l'interstice de lancement du dispositif au voisinage immédiat de la paroi du tube 40. Il permet donc de travailler à des puissances plus élevées afin d'obtenir une meilleure efficacité du dispositif sans risque de défaillance.
Dans l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit, les manchons ont une forme cylindrique.
Il serait toutefois possible, en variante, de doter le dispositif de manchons ayant une section transversale de forme différente, par exemple rectangulaire, ovale, etc..., ou d'utiliser des manchons sensiblement tronconiques.
En outre, il serait possible de remplacer les trous permettant de visualiser le plasma créé par tout autre type de moyen approprié, tel qu'un grillage ou une fente dont au moins une dimension est suffisamment faible pour éviter des pertes par passage du rayonnement vers l'extérieur.

Claims (11)

  1. Dispositif d'excitation d'un gaz, du type surfaguide, comprenant une structure creuse (24) formant guide d'ondes, en matériau électriquement conducteur, destinée à être raccordée à un générateur de micro-ondes et munie d'un passage (38) destiné à être traversé par un tube creux (40) diélectrique dans lequel circule ledit gaz à exciter et d'une zone (30) de concentration d'ondes adaptée pour concentrer le rayonnement micro-ondes produit par le générateur vers ledit tube (40), lors du fonctionnement dudit dispositif, en vue de produire un plasma d'onde de surface dans ledit gaz, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un manchon (42, 44) en matériau conducteur de blindage électromagnétique solidaire de ladite structure (24) et s'étendant dans le prolongement dudit passage (38) de manière à entourer ledit tube creux (40), ledit au moins un manchon (42, 44) ayant une longueur au moins égale à la longueur du plasma créé dans le gaz.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure creuse (24) formant guide d'ondes a une forme générale longitudinale et comporte une première extrémité ouverte (26) destinée à être raccordée audit générateur de micro-ondes, une extrémité opposée (28) ouverte destinée à être munie de moyens formant court-circuit, et une zone de section rétrécie (30) s'étendant entre lesdites première (26) et deuxième (28) extrémités et délimitant ladite zone de concentration des ondes.
  3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite zone (30) et de section rétrécie comporte une partie médiane (32) de section constante équipée dudit passage (38) s'étendant entre deux parties (34, 36) de section linéairement croissante en direction desdites extrémités (26, 28).
  4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'extrémité libre de chaque manchon (42, 44) porte un flasque (50) équipé d'un trou (52) pour le passage dudit tube diélectrique (40).
  5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit au moins un manchon (42, 44) a une longueur égale à la somme de la longueur du plasma et de la longueur d'onde dudit rayonnement micro-onde dans le vide.
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la paroi dudit au moins un manchon est munie d'au moins un orifice (54) de visualisation du plasma dont les dimensions sont adaptées pour éviter le passage du rayonnement.
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit au moins un manchon (42, 44) a une forme générale cylindrique de section au moins égale au double de la section du tube creux (40).
  8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte deux manchons (42, 44) s'étendant dans le prolongement l'un de l'autre, de part et d'autre de la partie médiane (32).
  9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque manchon comporte une platine d'extrémité (46) s'étendant chacune latéralement au-delà de la partie médiane en vue de la fixation desdits manchons (42, 44) sur ladite structure (24), par vissage des platines (46) l'une sur l'autre.
  10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le diamètre du passage (38) est supérieur au diamètre externe du tube creux (40).
  11. Installation de traitement d'un gaz, comprenant un dispositif (22) d'excitation du gaz raccordé à un générateur de micro-ondes (56) et traversé par un tube creux diélectrique (40) dans lequel circule le gaz à exciter, le dispositif (22) comprenant des moyens (30) pour concentrer le rayonnement micro-onde produit par le générateur vers le tube diélectrique (40), de manière à produire dans le gaz un plasma atmosphérique d'ionisation et d'excitation des molécules du gaz à traiter en vue de la formation de composés gazeux réactifs, l'installation comportant en outre au moins une unité de traitement (66, 68) des composés réactifs disposés en sortie du tube creux diélectrique (40), caractérisée en ce que le dispositif d'excitation du gaz est constitué par un dispositif d'excitation selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
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