FR2762748A1 - Dispositif d'excitation d'un gaz par plasma d'onde de surface - Google Patents

Abstract

Ce dispositif d'excitation d'un gaz, du type surfaguide, comprend une structure creuse (24) formant guide d'ondes, destinée à être raccordée à un générateur de micro-ondes et munie d'un passage (38) traversé par un tube creux (40) diélectrique dans lequel circule le gaz à exciter, et d'une zone (30) de concentration des ondes produites par le générateur vers le tube diélectrique. 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.

Description

La présente invention est relative à un disposi-

tif d'excitation d'un gaz, du type surfaguide, dans lequel le gaz à exciter est traité par un plasma d'onde

de surface, en particulier à pression atmosphérique.

Un autre dispositif excitateur efficace pour cette application est connu sous 1' appellation

"s urf at ron-gui de".

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'incon-

vénients, notamment en raison de son coût, du fait de la

plus grande complexité de sa construction.

On connait par ailleurs un autre type de disposi-

tif excitateur de gaz connu sous la désignation "surfa-

gui de".

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 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 concentra-

tion 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 fonctionne-

ment élevées, il apparaît 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 inconvé-

nients 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 maté-

riau conducteur de blindage électromagnétique solidaire de ladite structure et s'étendant dans le prolongement

dudit passage de manière à entourer ledit tube creux.

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 généra-

teur 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.

D'autres caractéristiques et avantages ressorti-

ront 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 perspec-

tive 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; et

- la figure 6 est un tableau montrant les effica-

cités respectives du dispositif excitateur selon l'inven-

tion et du surfaguide de la figure 1.

Sur la figure 1 on a représenté une vue schémati-

que 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 électri-

quement 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 transver-

salement 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 en matériau diélectrique 20 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 présente un certain nombre d'inconvénients.

Tout d'abord, on voit sur la figure 2 que la puissance minimale incidente nécessaire pour obtenir une destruction à 100% du SF6 dans un mélange gazeux constitué par exemple de SF6, de 02 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 destruc-

tion 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 surfa-

guide 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 apparaît 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 dispo-

sitif excitateur de gaz permettant de pallier ces incon-

vénients. On voit sur la figure 4 que 1' 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'uti-

lisation 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

1' 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 linéai-

rement 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 diélectri-

que, tel que de la silice, fictivement tronqué sur la

figure 4 dans lequel circule une colonne de gaz à exci-

ter. 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 électri-

que 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 électrique-

ment 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 généra-

teur, vers la zone de section rétrécie 30, qui constitue

une zone de concentration des micro-ondes, et en particu-

lier vers le tube diélectrique 40.

En effet, la zone 30 de section rétrécie concen-

tre 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.

Il est 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 exponen-

tielle à partir de la paroi du tube 40. Ainsi, la conduc-

tivité du métal n'étant pas infinie, des pertes par

échauffement peuvent apparaître dans la paroi constitu-

tive 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 disposi-

tif. 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 o 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 1' extérieur.

Toutefois, comme cela a été mentionné précédem-

ment, 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 rayonne-

ment 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 com-

porte un seul moyen d'adaptation d'impédance, raccordé à l'une des extrémités de la structure en guide d'ondes 24, à 1' opposé de 1' 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 1' 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.

On voit en effet sur le tableau représenté sur la figure 6 que le surfaguide qui vient d'être décrit, qui

comporte des manchons constituant un blindage électroma-

gnétique, 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 1' énergie micro-onde dans 1' 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 1' 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 trans-

versale 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

1' extérieur.

Claims (11)

REVENDICATIONS

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 soli-

daire de ladite structure (24) et s'étendant dans le prolongement dudit passage (38) de manière à entourer

ledit tube creux (40).

2. Dispositif selon la revendication]., caracté-

risé 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 concen-

tration des ondes.

3. Dispositif selon la revendication 2, caracté-

risé 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 quelconque des revendi-

cations 1 à 3, caractérisé en ce que ledit au moins un manchon (42,44) a une longueur au moins égale à la

longueur du plasma créé dans le gaz.

5. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé 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).

6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et

5, 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.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 6, 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.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 7, 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).

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendi-

cations 3 à 8, 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).

10. Dispositif selon la revendication 9, caracté-

risé 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.

11. Dispositif selon 1' une quelconque des

revendications i à 10, caractérisé en ce que le diamètre

du passage (38) est supérieur au diamètre externe du tube

creux (40).