WO2014009412A1 - Applicateur d'onde de surface pour la production de plasma - Google Patents

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WO2014009412A1
WO2014009412A1 PCT/EP2013/064578 EP2013064578W WO2014009412A1 WO 2014009412 A1 WO2014009412 A1 WO 2014009412A1 EP 2013064578 W EP2013064578 W EP 2013064578W WO 2014009412 A1 WO2014009412 A1 WO 2014009412A1
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WO
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tube
applicator
dielectric
plasma
coaxial assembly
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/064578
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English (en)
Inventor
Ana Lacoste
Jacques Pelletier
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Universite Joseph Fourier - Grenoble 1
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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
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H05H1/461—Microwave discharges
    • H05H1/4615—Microwave discharges using surface waves

Definitions

  • the present invention relates to a surface wave applicator for plasma production, and to a device and method for producing surface wave plasma.
  • Surface wave plasmas are a type of high frequency plasma (HF), that is, at a frequency of 1 MHz or less to more than 10 GHz [1] in which the plasma is maintained by a electromagnetic wave (in particular radiofrequency or microwave) propagating along a dielectric tube in contact with the plasma.
  • HF high frequency plasma
  • the plasma can be generated outside the dielectric tube or inside thereof, or both inside and outside the tube.
  • the plasma and the dielectric tube constitute the propagation medium of the microwaves that generate the plasma along the propagation zone.
  • the microwave electromagnetic field is called surface because the intensity of the electric field is maximum at the interface between the dielectric tube and the plasma.
  • surface wave plasmas are produced in the absence of a static magnetic field, except at low pressure where an axial magnetic field (i.e. in the tube direction) can be applied to improve the radial confinement of the plasma and / or produce plasma excitation at the electron cyclotron resonance.
  • the surface wave plasmas are produced in a dielectric tube by a surface electromagnetic wave generated from a gap gap field applicator (or "gap" according to the English terminology), as schematized on Figure 1.
  • FIG. 1 illustrates a sectional view of half of a dielectric tube 3 containing a plasma 4.
  • the X axis is the axis of revolution of the tube 3.
  • electrically conductive elements 2a, 2b which have, in this configuration, main surfaces respectively parallel and perpendicular to the dielectric tube 3.
  • the elements 2a and 2b are spaced apart from a gap G, whose width is typically of the order of a few mm.
  • An electromagnetic surface wave W is generated from the gap G.
  • the electric field has only a radial component, that is to say in the case illustrated in FIG. perpendicular to the surface of the conductive element 2a and the thickness of the conductive element 2b.
  • the electromagnetic wave W thus propagates in a direction perpendicular to the gap, and substantially symmetrically (waves W1 and W2) on either side of the axis of the gap G (which is perpendicular to the X axis dielectric tube 1).
  • the dielectric tube passes through a box (the applicator is then called “surfatron”) or a waveguide (the applicator is then called “surfaguide”) which allows to apply to the tube, over a short length , the microwave electric field that will produce the plasma along which it can propagate.
  • a box the applicator is then called “surfatron”
  • a waveguide the applicator is then called “surfaguide”
  • Fig. 2A illustrates an example of a surfatron
  • Figure 2B illustrates an example of a surfaguide.
  • the surfatron of Figure 2A is a cylindrical box closed by a conductive partition 2b.
  • the dielectric tube 3 which is perpendicular to the partition 2b, has an axial conductive strip 2a along its entire length.
  • the tube 3 is arranged inside the cylindrical box, a gap G being formed between the end of the tube 3 and the conductive partition 2a.
  • the surfaguide of FIG. 2B comprises a GO waveguide, which is traversed perpendicularly by the dielectric tube 3, the pitch gap G being formed between the wall of the waveguide and the tube.
  • the surface wave is symmetrical with respect to the gap.
  • FIG. 3 illustrates the evolution of the radial and axial components of the electric field of the plasma 4 towards the outside of the dielectric tube 3 (medium A consisting for example of air or of a dielectric), as a function of the distance r in the radial direction from the Z axis of the tube 3.
  • the ordinate axis indicates the intensity of the electrical component of the electromagnetic wave expressed in relative units.
  • FIG. 3 shows that the axial component (dotted line curve) of the electrical component of the electromagnetic wave is continuous from the plasma 4 towards the external medium A, while the radial component (solid line curve) of the electric field a large discontinuity in the dielectric tube 3.
  • the impedance matching systems of these devices are also expensive and bulky.
  • the plasma is produced on either side of the wave launch gap (by the upstream wave and the downstream wave).
  • the range of frequencies accessible to surface wave plasmas is much wider since it starts at less than 1 MHz (the beginning of the radio frequency domain (RF)) and covers the microwave domain up to more than 10 GHz.
  • RF radio frequency domain
  • An object of the invention is to provide a surface wave applicator that overcomes the aforementioned drawbacks.
  • a surface wave applicator for the production of plasma comprising:
  • an electrically conductive coaxial assembly formed of a central core and an outer tubular conductor surrounding the central core and separated therefrom by an annular volume of propagation of an electromagnetic wave
  • a dielectric tube inserted, at the end of said coaxial assembly, into said annular volume of propagation of the electromagnetic wave and extending beyond the plane of leaving the applicator over a length at least equal to twice the outside diameter of said tube, so that an electromagnetic wave propagating in the coaxial assembly is introduced into the section of said dielectric tube in the longitudinal direction of said tube in order to produce a surface wave plasma along the portion of the dielectric tube whose inner wall and / or the outer wall is in contact with a plasma gas.
  • the ends of the central core and the outer conductor of the coaxial assembly are coplanar.
  • the outer conductor at least partially surrounds the dielectric tube beyond the plane of the end of the central core.
  • the central core occupies at least partially the interior volume of the dielectric tube beyond the plane of the end of the outer conductor.
  • the coaxial assembly further comprises an impedance matching device.
  • the length of the dielectric tube inserted in the coaxial assembly is chosen to ensure impedance matching between the impedance of the plasma and the characteristic impedance of the coaxial assembly.
  • the coaxial assembly may comprise a circulation circuit of a cooling fluid arranged in the central core and / or in the outer conductor.
  • the dielectric tube may comprise a circulation circuit of a cooling dielectric fluid arranged in the interior volume and / or in the thickness of said tube.
  • the applicator further comprises a cylindrical permanent magnet whose direction of magnetization is parallel to the axis of the applicator, arranged at the end of the central core.
  • the applicator further comprises:
  • a cylindrical permanent magnet whose direction of magnetization is parallel to the axis of the applicator, arranged at the end of the central core and,
  • At least one annular permanent magnet whose direction of magnetization is parallel to the axis of the applicator and in the same direction as the magnetization of the central cylindrical magnet, arranged around the end of the outer conductor,
  • the magnetization of said magnets being chosen so as to form a magnetic field capable of providing, in a zone distant from the end of the applicator, an electron cyclotron resonance coupling with the microwave electric field generated by said applicator, the outer radius and the magnetization of the annular magnet being further selected so that the magnetic field lines generated by said magnets pass through the electron cyclotron resonance coupling zone in a direction substantially parallel to the axis of the applicator .
  • the applicator comprises a confinement tube made of a dielectric material extending concentrically around the dielectric tube, said confinement tube being embedded in the external electrical conductor of the coaxial assembly.
  • Another object relates to a device for producing surface wave plasma, comprising an enclosure containing a plasmagenic gas and at least one applicator as described above, in which a part of the inner wall and / or the outer wall of the tube dielectric extending beyond the exit plane of the applicator is in contact with the plasma gas.
  • the dielectric tube is sealed and constitutes said chamber containing the plasma gas.
  • the dielectric tube is located inside the enclosure.
  • the enclosure comprises a confinement tube made of a dielectric material extending concentrically around the dielectric tube, said confinement tube being embedded in the external electrical conductor of the coaxial assembly of the applicator.
  • the dielectric tube may be open at its end opposite the coaxial assembly, the plasmagenic gas being in contact with the inner wall and the outer wall of the tube.
  • the dielectric tube may be closed at its end opposite the coaxial assembly, the plasmagenic gas being in contact only with the outer wall of the tube.
  • the dielectric tube may be closed at its end opposite the coaxial assembly, the inside of said tube being evacuated or filled with a material (solid or fluid) dielectric.
  • the chamber may comprise a device for introducing the plasma gas into the chamber and a device for pumping the plasma gas from inside to outside the chamber.
  • the central core comprises a conduit for introducing the plasma gas into the chamber.
  • the plasma gas pressure inside the chamber is preferably less than 133 Pa when a suitable magnetic field providing electronic cyclotron resonance is applied.
  • Another object relates to a method of producing surface wave plasma along a dielectric tube whose inner wall and / or the outer wall is in contact with a plasma gas, characterized in that includes:
  • said dielectric tube being inserted at the end of said coaxial assembly into the annular volume of propagation of the electromagnetic wave and extending beyond the plane of exit of the coaxial assembly over a length at least equal to twice the outside diameter of said tube.
  • the electromagnetic wave is a microwave wave.
  • the plasma gas pressure is less than 133 Pa and the plasma is produced by electron cyclotron resonance.
  • the electromagnetic wave is a radiofrequency wave.
  • the coaxial assembly is cooled by a circulation of a cooling fluid inside said assembly.
  • the dielectric tube is cooled by circulating a dielectric cooling fluid inside said dielectric tube.
  • FIG. 1 is a block diagram of a conventional surface wave applicator
  • FIGS. 2A and 2B respectively show illustrations of a surfatron and a surfaguide belonging to the state of the art
  • FIG. 3 is a graph illustrating the evolution of the radial and axial components of the electric field of the plasma towards the outside of the dielectric tube
  • FIG. 4 is a block diagram of a surface wave applicator according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 5 is a block diagram of a surface wave applicator according to a second embodiment of the invention (production of plasma inside the dielectric tube),
  • FIG. 6 is a block diagram of a surface wave applicator according to a third embodiment of the invention (production of plasma outside the dielectric tube),
  • FIG. 7 presents an exemplary embodiment making it possible to obtain an impedance matching between the impedance of the plasma and the characteristic impedance of the coaxial line
  • FIG. 8 is a block diagram of a plasma production device according to a particular embodiment of the invention, corresponding to the production of plasma in a dynamic regime, involving a gas introduction and a pumping,
  • FIG. 9 is a block diagram of a variant of a surface wave applicator according to the invention, in which a magnetic field is also applied by means of a permanent magnet arranged at the end of the central soul,
  • FIG. 10 is a block diagram of a variant of a surface wave applicator according to the invention, in which a magnetic field is also applied by means of a first permanent magnet arranged at the end of the central core and a second annular permanent magnet arranged at the end of the outer conductor,
  • FIG. 11A is a block diagram of a surface wave applicator according to another embodiment of the invention (confinement of the plasma produced outside the dielectric tube);
  • Fig. 11B is a block diagram of a less advantageous variant of Fig. 11A.
  • FIG. 4 is a block diagram of a surface wave applicator 1 for plasma production according to the invention.
  • Said applicator comprises a coaxial assembly 2 electrically conductive, formed of a central core 20 and an outer tubular conductor 21 surrounding the central core 20 and separated therefrom by an annular volume 22 for propagating an electromagnetic wave W .
  • Such a coaxial assembly 2 is known in itself and its design is within the reach of the skilled person.
  • a dielectric tube 3 is inserted at the end of the coaxial assembly 2 in the annular volume 22 of propagation of the electromagnetic wave while extending beyond the exit plane of the applicator.
  • the applicator output plane is the interface between the coaxial assembly 2 and a volume containing a plasma gas, said output plane constituting a boundary between the applicator and the plasma generated by the electromagnetic wave from said gas plasma.
  • the dielectric tube thus comprises a first portion inserted into the annular volume 22 and a second portion protruding from the exit plane of the applicator, whose inner wall and / or the outer wall is likely to be in contact with a plasma gas.
  • a plasmagene gas is brought into contact with the tube 3, the plasmagenic gas being able to be located inside and / or outside said tube or on either side of the tube, according to the applications, some examples of which will be described in detail below.
  • the tube 3 may be of any dielectric material, which is a medium adapted to the propagation of an electromagnetic wave without significant losses.
  • the tube 3 may be of silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ) or aluminum nitride (AlN), without the invention being limited to these materials.
  • the tube 3 generally has a circular section and extends in a longitudinal direction X.
  • the radius of the tube 3 is typically of the order of one centimeter, that is to say between a few millimeters and a few centimeters depending on the application and the operating conditions.
  • the dielectric tube 3 may have a gradual change in its diameter as is the case with some devices using surface wave plasmas.
  • the thickness of the tube 3 is generally of the order of one millimeter.
  • the thickness of the portion of the tube 3 inserted in the coaxial assembly is chosen so that the tube 3 occupies substantially the entire width of the annular volume 22.
  • sealing of the junction between the tube and the annular volume vis-à-vis the plasma gas by any suitable means.
  • the length of the tube depends on the intended application.
  • the length of the tube 3 is large in front of the diameter of the coaxial applicator (which is of the order of 1 cm) and may, depending on the application, have a length that may range from about 5 cm to 1 cm. meter order.
  • the length of the portion of the tube 3 extending beyond the exit plane of the applicator advantageously corresponds to the length on which it is desired to generate the plasma.
  • the length of the portion of the extension extending beyond the outlet plane of the applicator greater than or equal to twice the outside diameter of the tube 3 is chosen, so as to produce the plasma essentially along said portion of the tube. tube.
  • the tube extends beyond the outlet plane of the applicator over a short length, that is to say typically smaller than the outside diameter of the tube, the plasma is generated directly at the outlet the applicator without creating a surface wave, which corresponds to a situation not covered by the present invention, wherein a plasma sheet is formed in the exit plane of the applicator.
  • the tube 3 can be open at its end 33 opposite to the coaxial assembly 2; alternatively, the tube 3 can be closed at this end 33.
  • An electromagnetic wave W propagating in the annular volume 22 of the coaxial assembly 2 is introduced into the section of the dielectric tube 3 in the longitudinal direction X of said tube and propagates longitudinally in the thickness of said tube.
  • the electromagnetic wave propagates in an electromagnetic transverse mode (TEM), that is to say a mode where the electric field is purely radial.
  • TEM electromagnetic transverse mode
  • the normal to the metal surface of the central core and the external conductor changes direction, passing from a radial direction to the axial direction, parallel to the X axis.
  • An axial electric field component (in addition to the radial component) thus appears, which constitutes a very favorable situation for launching a surface wave (which comprises both an axial component and a radial component (see FIG. 3) along the dielectric tube beyond the exit plane of the applicator.
  • the exit plane may consist of the plane defining the end of the central core 20 and / or of the outer conductor 21, the central core and / or the outer conductor 21 being in contact with the plasma gas.
  • the ends of the central core 20 and the outer conductor 21 are coplanar and form said output plane Y.
  • the ends of the central core 20 and the outer conductor 21 are not necessarily coplanar.
  • the exit plane of the applicator is defined as the plane defining the end of the portion of the coaxial assembly which is in contact with the plasma gas, depending on whether the plasma gas is located inside and / or outside the dielectric tube 3.
  • the plasmagenic gas is confined inside the dielectric tube 3 and the external conductor 21 protrudes from the central core 20.
  • outlet plane Y of the applicator corresponds to the plane of the end of the central core 20, whatever the position of the end of the outer conductor 21.
  • the plasmagenic gas is confined in an enclosure outside the dielectric tube 3, the external conductor flush with the wall of said enclosure and the central core 20 protruding from the external conductor 21.
  • the output plane Y of the applicator corresponds to the plane of the end of the outer conductor 21 and the wall of the enclosure, whatever the position of the end of the central core 20.
  • the invention proposes to launch an electromagnetic wave in the longitudinal direction of said tube from an electromagnetic wave introduced in the section. dielectric tube.
  • the efficiency of the system is thus substantially improved since, assuming a perfect impedance matching, all the incident electromagnetic power is introduced and then propagates in the dielectric tube.
  • the impedance matching device - which is in itself a device known to those skilled in the art - in the coaxial assembly, as close as possible to the plasma.
  • FIG. 7 describes an example where the impedance matching between the impedance of the plasma Z p and the characteristic impedance Z c of the coaxial assembly is obtained by a quarter-wave transformer of impedance Z, where:
  • the dielectric tube 3 must be introduced into the coaxial assembly over a length corresponding to a quarter wavelength ( ⁇ / 4) in the dielectric.
  • those skilled in the art are able to determine the impedance matching means between a given coaxial structure and a given load impedance.
  • ISM frequencies (acronym for "industrial, scientific and medical) such as 13.56 MHz, 27.12 MHz or 40.68 MHz for the RF domain, and 433 MHz, 2.45 GHz or 5.80 GHz for the microwave field.
  • the power applied may be between 1 or a few watts (for example lighting) and a few hundred watts, or more (eg treatment of gaseous effluents).
  • said plasmagenic gas may be located inside and / or outside the dielectric tube 3.
  • the plasma gas may be any gas whose components make it possible to generate a plasma under the effect of the electromagnetic wave propagating in the dielectric tube 3.
  • the plasma gas may thus be conventionally constituted by one or more rare gases (in particular argon) and mercury.
  • gases such as nitrogen, oxygen, halogenated gases, or any other gas having physicochemical properties of interest for targeted application can also be envisaged.
  • the plasmagenic gas is confined inside the dielectric tube 3, which is sealed at its end 33 opposite to the coaxial assembly 2.
  • Figure 5 illustrates an example of such an embodiment.
  • the plasma gas 4 is enclosed in the dielectric tube 3 which is sealed at one of its ends around the central core 20 and at its other end 33 by a sealed wall.
  • the outer conductor 21 may at least partially surround the dielectric tube 3, beyond the exit plane of the applicator which, in this embodiment, corresponds to the end of the central core 20.
  • This configuration makes it possible, for example, to form a shield at the level of the exit plane of the applicator and thus to prevent the transmission of the electromagnetic radiation to the outside.
  • the plasma gas 4 is confined in a chamber (not shown) and the dielectric tube 3 is itself inserted into said chamber.
  • This embodiment is particularly advantageous insofar as the plasma generated outside the dielectric tube, the plasma absorbs the electromagnetic radiation.
  • a particular example is that of lighting, where the bulb constitutes said enclosure containing the plasma gas, the dielectric tube being arranged inside the bulb.
  • the tube 3 is open at its end 33 and thus communicates with the volume of the chamber, plasma can also be formed inside said tube 3.
  • the central core 20 can occupy at least part of the inside of the dielectric tube 3, beyond the exit plane of the applicator which, in this mode of embodiment, corresponds to the end of the outer conductor 21.
  • This embodiment is particularly advantageous for cooling the central core 20 by means of an internal circulation of water or any heat transfer fluid in the case of a heat pipe)
  • the sealing of the plasma volume can be achieved by known techniques.
  • the sealing of the plasma volume vis-à-vis the applicator can be ensured by the establishment of O-rings between the dielectric tube and the central core and the outer conductor of the coaxial assembly.
  • the dielectric tube may be brazed to the central core and the outer conductor of the coaxial assembly.
  • the dielectric tube may be sealed, near its end inserted into the annular volume of the coaxial assembly, by a plug of dielectric material.
  • the dielectric tube 3 can be inserted inside a sealed enclosure, the outer conductor of the coaxial assembly preferably flush with the inner wall of the said enclosure (as illustrated in Figure 8 for example).
  • the seal between the coaxial assembly and the wall of the enclosure through which it passes is ensured by any appropriate means, such as O-rings, brazing, etc.
  • the applicator operates in static mode, that is to say without plasma gas flow.
  • the applicator can be implemented in dynamic mode, that is to say in an enclosure containing a device for pumping plasma gas from outside to inside the chamber.
  • FIG. 8 This particular embodiment is illustrated in FIG. 8, where a pumping device 5 has been schematized in the enclosure.
  • the core may comprise a conduit 23 for introducing plasma gas into the chamber.
  • This embodiment of the invention is advantageous when implementing a chemical reaction in the plasma (for example for the treatment of effluents), since a renewal of the plasma gas and the evacuation of the products of the reaction are then necessary.
  • This cooling can be effected by circulating a suitable fluid (for example, water) inside the central core and / or the outer conductor of the coaxial assembly.
  • a suitable fluid for example, water
  • surface wave plasmas are produced in the absence of a static magnetic field, except at low pressure where an axial magnetic field (in the tube direction) can be applied to improve the radial confinement of the plasma (decrease in plasma losses on the walls of the tube) and / or produce a plasma excitation at the electron cyclotron resonance.
  • a first simplified embodiment, illustrated in FIG. 9, can be obtained by inserting at the end of the central core 20 of the coaxial structure a cylindrical magnet 200 of axial magnetization.
  • Another embodiment makes it possible to benefit from the electronic cyclotron resonance (ECR) mode.
  • ECR electronic cyclotron resonance
  • m e is the mass of the electron
  • e is the charge of the electron
  • B 0 is the intensity of the magnetic field corresponding to the electron cyclotron resonance (ECR) for the microwave frequency f 0 .
  • the applicator comprises, as illustrated in FIG. 10:
  • a cylindrical permanent magnet 200 arranged at the end of the central core 20 and whose magnetization direction (represented by an arrow) is parallel to the axis X; said magnet has a radius substantially identical to that of the central core 20 (concretely, the cylindrical magnet may have a radius slightly less than that of the central core and be housed in a cylindrical housing provided at the end of the central soul);
  • annular magnet 201 arranged at the end of the outer conductor 21 of the coaxial assembly and whose magnetization direction (represented by an arrow) is parallel to the axis X and in the same direction as that of the magnet cylindrical 200.
  • said annular magnet has an inner radius substantially equal to that of the outer conductor 21, which corresponds to the outer radius of the annular volume 22 of propagation of microwaves, noted R.
  • the annular magnet may have an inner radius slightly greater than that of the outer conductor and outer radius less than that of the outer conductor and be housed in an annular housing provided at the end of the outer conductor.
  • the magnets can be made integral with the coaxial assembly by any appropriate means.
  • the magnetization of the cylindrical magnet 200 and the annular magnet 201 is chosen so as to form a magnetic field suitable for providing, in a zone distant from the plane Y output of the applicator, an electron cyclotron resonance coupling with the microwave electric field generated by the applicator.
  • the cylindrical magnet 200 and the annular magnet 201 make it possible to generate magnetic field lines that pass through the electron cyclotron resonance coupling zone in a direction substantially parallel to the X axis of the applicator.
  • This effect can be obtained by a judicious choice of the outer radius and the magnetization of the annular magnet 201.
  • the electron cyclotron resonance zone is delimited, in the radial direction, by the zone in which the microwave electric field is the strongest, the use of an annular magnet whose outside radius is much greater than the radius of this zone makes it possible to obtain a zone of ECR substantially parallel to the output plane Y of the applicator.
  • This zone of strong electric field is considered to extend over a radius of the order of twice the radius of the applicator.
  • the annular magnet 201 has an outer radius greater than the radius of the strong electric field area, the ECR region is substantially parallel to the exit plane of the applicator over its entire radius 2R range.
  • the field lines that start from the pole located at the exit plane of the applicator to reach the opposite pole remain substantially parallel to the axis X of the applicator during their crossing of the zone Z RC E of radius 2R, including the periphery of this zone.
  • the annular magnet has the effect of "straightening" the field lines at the periphery of the ECR area.
  • the electromagnetic field which is maximum at the interface between the plasma and the dielectric tube along which said plasma is generated, can thus be absorbed by the annular volume of gas extending around said tube.
  • the dielectric tube for confining the plasma is designated by the reference 6.
  • the end of the tube 6 opposite to the coaxial assembly is closed, so that the tube 6 constitutes an enclosure capable of enclosing plasma gas.
  • the dielectric confinement tube may constitute the envelope of a light bulb.
  • the dielectric tube 3 along which the plasma is generated can be open or closed at its opposite end to the coaxial assembly.
  • the tube 3 is open so that the inside of the tube 3 communicates with the outside of said tube, which makes it possible to generate plasma both inside and outside the tube 3, said plasma being confined externally by the tube 6.
  • the tube 3 is closed and evacuated or filled with a dielectric material, for example in liquid form, the plasmagenic gas being contained in the confinement tube 6, outside the tube 3. thus plasma in an annular volume between the tubes 3 and 6.
  • a dielectric material for example in liquid form
  • the tube 3 is closed and contains the plasma gas, the tube 6 not containing plasma gas.
  • plasma is formed in the tube 3 only.
  • the dielectric confinement tube 6 is advantageously embedded in the outer tubular conductor 21 of the coaxial assembly, to a depth p.
  • This embedding has the effect of promoting the formation of the two axial and radial components of the electric field HF in the exit plane of said confinement tube, as occurs for the dielectric tube 3 along which the plasma is generated.
  • the depth p is advantageously substantially equal to (2k + 1) ⁇ / 4, where k is an integer and ⁇ is the wavelength of the electromagnetic wave propagating within the dielectric tube 3 inserted into the coaxial set.
  • Said wavelength ⁇ is given by the formula: where A 0 is the wavelength of the electromagnetic wave propagating in the vacuum or in the air, and ⁇ is the relative permittivity of the dielectric material of the confinement tube 6 with respect to the permittivity of the vacuum.
  • k 0 is chosen, ie a embedment depth of the confinement tube of the order of ⁇ / 4.
  • the external electrical conductor may have a shoulder 21a projecting from the outlet plane Y of the applicator.
  • This shoulder makes it possible to prevent the electromagnetic wave from propagating radially outside the dielectric confinement tube 6 in the exit plane.
  • FIG. 11B presents for comparison a situation in which the confinement tube 6 is simply in contact with the exit surface of the external electrical conductor 21.
  • Applicators according to the various embodiments of the invention can be advantageously used, unitarily or in combination to form extended sources, in multiple applications.
  • the invention makes it possible to remedy the disadvantages of the existing devices described above.
  • the applicator has a design and manufacture substantially simpler than existing devices, and adapted to a wide range of frequencies (RF and microwave).
  • the radial size of the applicator is determined by the overall size of the coaxial assembly (typically the external diameter of the outer tubular conductor), which is generally substantially smaller than that of tangential wave launch devices. such as surfatron and surfaguide illustrated in Figures 2A and 2B.
  • the diameter of a coaxial applicator is of the order of 1 to 2 cm while the dimensions of a surfaguide are of the order of the wavelength of the electromagnetic wave.
  • the applicator works with conventional impedance matching devices, depending on the frequency of the electromagnetic wave employed, and therefore does not require the implementation of bulky and expensive devices.
  • the surface wave being launched in a single direction (that is, the direction of the end 33 of the dielectric tube 3 opposite the coaxial assembly 2), there is no loss of energy.
  • the energy efficiency of the applicator is therefore optimal.
  • the applicator can be readily adapted to cyclotron electron resonance (ECR) coupling to form and maintain the plasma at low pressure.
  • ECR cyclotron electron resonance

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Abstract

L'invention concerne un applicateur d'onde de surface (1) pour la production de plasma, comprenant : - un ensemble coaxial (2) électriquement conducteur, formé d'une âme centrale (20) et d'un conducteur tubulaire externe (21) entourant l'âme centrale (20) et séparé de celle-ci par un volume annulaire (22) de propagation d'une onde électromagnétique (W), et - un tube diélectrique (3) inséré, à l'extrémité dudit ensemble coaxial (2), dans ledit volume annulaire (22) de propagation de l'onde électromagnétique et s'étendant au-delà du plan de sortie (Y) de l'applicateur sur une longueur au moins égale au double du diamètre extérieur dudit tube (3), de sorte qu'une onde électromagnétique (W) se propageant dans l'ensemble coaxial (2) est introduite dans la section dudit tube diélectrique (3) selon la direction longitudinale (X) dudit tube (3) afin de produire un plasma à onde de surface le long de la partie du tube diélectrique dont la paroi interne (30) et/ou la paroi externe (31 ) est en contact avec un gaz plasmagène (4).

Description

APPLICATEUR D'ONDE DE SURFACE POUR LA PRODUCTION DE PLASMA DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un applicateur d'onde de surface pour la production de plasma, ainsi qu'un dispositif et un procédé de production de plasma d'onde de surface.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Les plasmas d'onde de surface sont un type de plasma à haute fréquence (HF, c'est-à-dire à une fréquence comprise entre 1 MHz ou moins à plus de 10 GHz [1 ] dans lequel le plasma est entretenu par une onde électromagnétique (notamment, radiofréquence ou micro-onde) se propageant le long d'un tube diélectrique en contact avec le plasma.
L'article de M. Moisan et al [2] fournit une revue approfondie de la bibliographie dans ce domaine.
Selon les cas, le plasma peut être généré à l'extérieur du tube diélectrique ou à l'intérieur de celui-ci, ou encore à la fois à l'intérieur et à l'extérieur du tube.
Dans cette technologie, le plasma et le tube diélectrique constituent le support de propagation des micro-ondes qui génèrent le plasma le long de la zone de propagation.
Le champ électromagnétique micro-onde est dit de surface car l'intensité du champ électrique est maximale à l'interface entre le tube diélectrique et le plasma.
De manière générale, les plasmas à onde de surface sont produits en l'absence de champ magnétique statique, sauf à basse pression où un champ magnétique axial (c'est- à-dire dans la direction du tube) peut être appliqué pour améliorer le confinement radial du plasma et/ou produire une excitation du plasma à la résonance cyclotronique électronique.
Généralement, les plasmas à onde de surface sont produits dans un tube diélectrique par une onde électromagnétique de surface générée à partir d'un applicateur de champ à interstice de lancement (ou « gap » selon la terminologie anglo-saxonne), tel que schématisé sur la figure 1 .
La figure 1 illustre une vue en coupe de la moitié d'un tube diélectrique 3 contenant un plasma 4.
L'axe X est l'axe de révolution du tube 3.
Autour du tube sont agencés des éléments électriquement conducteurs 2a, 2b qui présentent, dans cette configuration, des surfaces principales respectivement parallèle et perpendiculaire au tube diélectrique 3.
Par ailleurs, les éléments 2a et 2b sont distants d'un interstice G, dont la largeur est typiquement de l'ordre de quelques mm. Une onde électromagnétique de surface W est générée à partir de l'interstice G. A la surface des éléments conducteurs 2a et 2b, le champ électrique présente exclusivement une composante radiale, c'est-à-dire dans le cas illustré à la figure 1 , perpendiculaire à la surface de l'élément conducteur 2a et à l'épaisseur de l'élément conducteur 2b.
L'onde électromagnétique W se propage donc dans une direction perpendiculaire à l'interstice, et sensiblement symétriquement (ondes W1 et W2) de part et d'autre de l'axe de l'interstice G (qui est perpendiculaire à l'axe X du tube diélectrique 1 ).
Différents dispositifs, ou applicateurs, permettant de lancer une onde électromagnétique de surface dans le tube diélectrique ont déjà été proposés.
Dans ces dispositifs, le tube diélectrique traverse une boîte (l'applicateur est alors dénommé « surfatron ») ou un guide d'onde (l'applicateur est alors dénommé « surfaguide ») qui permet d'appliquer au tube, sur une courte longueur, le champ électrique micro-onde qui produira le plasma le long duquel il pourra se propager.
La figure 2A illustre un exemple d'un surfatron ; la figure 2B illustre un exemple d'un surfaguide. Ces deux figures sont extraites de [3].
Le surfatron de la figure 2A est une boîte de forme cylindrique fermée par une cloison conductrice 2b.
Le tube diélectrique 3, qui est perpendiculaire à la cloison 2b, présente une bande conductrice axiale 2a sur toute sa longueur.
Le tube 3 est agencé à l'intérieur de la boîte cylindrique, un interstice G étant ménagé entre l'extrémité du tube 3 et la cloison conductrice 2a.
L'introduction de la puissance électromagnétique est schématisée par le repère P.
Le surfaguide de la figure 2B comprend un guide d'onde GO, qui est traversé perpendiculairement par le tube diélectrique 3, l'interstice de lancement G étant ménagé entre la paroi du guide d'onde et le tube.
La plupart de ces dispositifs, qui permettent de lancer une onde de surface à symétrie azimutale (mode m = 0), possèdent soit des moyens d'adaptation d'impédance qui leur sont propres (comme dans le cas du surfatron), soit des moyens indépendants (cas du surfaguide).
Le plus souvent, comme illustré à la figure 1 , l'onde de surface est symétrique par rapport à l'interstice.
La figure 3 illustre l'évolution des composantes radiale et axiale du champ électrique du plasma 4 vers l'extérieur du tube diélectrique 3 (milieu A constitué par exemple d'air ou d'un diélectrique), en fonction de la distance r dans la direction radiale à partir de l'axe Z du tube 3.
L'axe des ordonnées indique l'intensité de la composante électrique de l'onde électromagnétique exprimée en unités relatives. On observe sur la figure 3 que la composante axiale (courbe en pointillés) de la composante électrique de l'onde électromagnétique est continue du plasma 4 vers le milieu extérieur A, tandis que la composante radiale (courbe en trait plein) du champ électrique présente une importante discontinuité au niveau du tube diélectrique 3.
Les dispositifs actuels présentent cependant un certain nombre d'inconvénients.
En premier lieu, la plupart des applicateurs (également appelés lanceurs) d'onde de surface (ou « surface wave launcher » selon la terminologie anglo-saxonne) présentent une grande complexité de conception et de fabrication, d'où un coût relativement élevé.
D'autre part, comme on peut le voir aux figures 2A et 2B, tous ces applicateurs présentent un encombrement important par rapport au diamètre des tubes diélectriques généralement utilisés (celui-ci étant habituellement de l'ordre du cm).
Cet encombrement est très préjudiciable en particulier dans les cas où une pluralité de décharges est envisagée.
Les systèmes d'adaptation d'impédance de ces dispositifs sont également coûteux et encombrants.
Par ailleurs, dans la plupart des applicateurs, en l'absence de dispositif annexe, tel qu'un réflecteur, le plasma est produit de part et d'autre de l'interstice de lancement de l'onde (par l'onde amont et l'onde aval).
Or, en général, on ne souhaite produire du plasma que dans l'une de ces directions, d'où une puissance perdue (jusqu'à un facteur 2) dans de nombreux cas et donc un bilan énergétique peu favorable.
Enfin, certains dispositifs sont adaptés à une fréquence donnée (comme dans le cas du surfaguide) et d'autres ne peuvent couvrir, avec la même configuration, qu'une gamme limitée de fréquences.
Or, la gamme des fréquences accessibles aux plasmas à onde de surface est beaucoup plus vaste puisqu'elle débute à moins de 1 MHz (début du domaine radiofréquence (RF)) et couvre le domaine micro-onde jusqu'à plus de 10 GHz.
Un but de l'invention est de proposer un applicateur d'onde de surface qui permette de remédier aux inconvénients susmentionnés.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
Conformément à l'invention, il est proposé un applicateur d'onde de surface pour la production de plasma, comprenant :
- un ensemble coaxial électriquement conducteur, formé d'une âme centrale et d'un conducteur tubulaire externe entourant l'âme centrale et séparé de celle-ci par un volume annulaire de propagation d'une onde électromagnétique, et
- un tube diélectrique inséré, à l'extrémité dudit ensemble coaxial, dans ledit volume annulaire de propagation de l'onde électromagnétique et s'étendant au-delà du plan de sortie de l'applicateur sur une longueur au moins égale au double du diamètre extérieur dudit tube, de sorte qu'une onde électromagnétique se propageant dans l'ensemble coaxial est introduite dans la section dudit tube diélectrique selon la direction longitudinale dudit tube afin de produire un plasma à onde de surface le long de la partie du tube diélectrique dont la paroi interne et/ou la paroi externe est en contact avec un gaz plasmagène.
Selon un mode de réalisation, les extrémités de l'âme centrale et du conducteur externe de l'ensemble coaxial sont coplanaires.
Selon un autre mode de réalisation, le conducteur externe entoure au moins partiellement le tube diélectrique au-delà du plan de l'extrémité de l'âme centrale.
Selon un autre mode de réalisation, l'âme centrale occupe au moins partiellement le volume intérieur du tube diélectrique au-delà du plan de l'extrémité du conducteur externe.
De manière particulièrement avantageuse, l'ensemble coaxial comporte en outre un dispositif d'adaptation d'impédance.
Selon une forme d'exécution avantageuse de l'invention, la longueur du tube diélectrique insérée dans l'ensemble coaxial est choisie pour assurer l'adaptation d'impédance entre l'impédance du plasma et l'impédance caractéristique de l'ensemble coaxial.
Par ailleurs, l'ensemble coaxial peut comprendre un circuit de circulation d'un fluide de refroidissement agencé dans l'âme centrale et/ou dans le conducteur externe.
D'autre part, le tube diélectrique peut comprendre un circuit de circulation d'un fluide diélectrique de refroidissement agencé dans le volume intérieur et/ou dans l'épaisseur dudit tube.
Selon un mode de réalisation, l'applicateur comprend en outre un aimant permanent cylindrique dont la direction d'aimantation est parallèle à l'axe de l'applicateur, agencé à l'extrémité de l'âme centrale.
Selon un autre mode de réalisation, l'applicateur comprend en outre :
- un aimant permanent cylindrique dont la direction d'aimantation est parallèle à l'axe de l'applicateur, agencé à l'extrémité de l'âme centrale et,
- au moins un aimant permanent annulaire dont la direction d'aimantation est parallèle à l'axe de l'applicateur et de même sens que l'aimantation de l'aimant cylindrique central, agencé autour de l'extrémité du conducteur externe,
l'aimantation desdits aimants étant choisie de sorte à former un champ magnétique propre à procurer, dans une zone distante de l'extrémité de l'applicateur, un couplage de résonance cyclotronique électronique avec le champ électrique micro-onde généré par ledit applicateur, le rayon extérieur et l'aimantation de l'aimant annulaire étant en outre choisis de sorte que les lignes de champ magnétique générées par lesdits aimants traversent la zone de couplage de résonance cyclotronique électronique selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de l'applicateur.
Selon un mode de réalisation, l'applicateur comprend un tube de confinement en un matériau diélectrique s'étendant de manière concentrique autour du tube diélectrique, ledit tube de confinement étant encastré dans le conducteur électrique externe de l'ensemble coaxial.
Un autre objet concerne un dispositif de production de plasma à onde de surface, comprenant une enceinte contenant un gaz plasmagène et au moins un applicateur tel que décrit plus haut, dans lequel une partie de la paroi interne et/ou de la paroi externe du tube diélectrique s'étendant au-delà du plan de sortie de l'applicateur est en contact avec le gaz plasmagène.
Selon une forme d'exécution, le tube diélectrique est étanche et constitue ladite enceinte contenant le gaz plasmagène.
Selon une variante, le tube diélectrique est situé à l'intérieur de l'enceinte.
Selon une forme d'exécution de l'invention, l'enceinte comprend un tube de confinement en un matériau diélectrique s'étendant de manière concentrique autour du tube diélectrique, ledit tube de confinement étant encastré dans le conducteur électrique externe de l'ensemble coaxial de l'applicateur.
De manière particulièrement avantageuse, la profondeur d'encastrement dudit tube diélectrique de confinement est égale à (2k + 1 ) λ/4, où k est un nombre entier, λ est la longueur d'onde de l'onde électromagnétique se propageant au sein du tube diélectrique inséré dans l'ensemble coaxial, ladite longueur d'onde λ étant donnée par la formule λ = λ0 / ε1/2, où λ0 est la longueur d'onde de l'onde électromagnétique se propageant dans le vide ou dans l'air et ε est la permittivité relative du matériau diélectrique du tube de confinement par rapport à la permittivité du vide
Le tube diélectrique peut être ouvert à son extrémité opposée à l'ensemble coaxial, le gaz plasmagène étant en contact avec la paroi interne et la paroi externe du tube.
De manière alternative, le tube diélectrique peut être fermé à son extrémité opposée à l'ensemble coaxial, le gaz plasmagène étant en contact uniquement avec la paroi externe du tube.
Selon une autre variante, le tube diélectrique peut être fermé à son extrémité opposée à l'ensemble coaxial, l'intérieur dudit tube étant mis sous vide ou rempli d'un matériau (solide ou fluide) diélectrique.
Par ailleurs, l'enceinte peut comprendre un dispositif d'introduction du gaz plasmagène dans l'enceinte et d'un dispositif de pompage du gaz plasmagène de l'intérieur vers l'extérieur de l'enceinte. Selon une forme particulière d'exécution, l'âme centrale comprend un conduit d'introduction du gaz plasmagène dans l'enceinte.
La pression du gaz plasmagène à l'intérieur de l'enceinte est de préférence inférieure à 133 Pa lorsqu'un champ magnétique adapté procurant une résonance cyclotronique électronique est appliqué.
Enfin, un autre objet se rapporte à un procédé de production de plasma d'onde de surface le long d'un tube diélectrique dont la paroi interne et/ou la paroi externe est en contact avec un gaz plasmagène, caractérisé en ce qu'il comprend :
- la propagation d'une onde électromagnétique dans un ensemble coaxial électriquement conducteur, formé d'une âme centrale et d'un conducteur externe entourant l'âme centrale et séparé de celle-ci par un volume annulaire de propagation de l'onde électromagnétique, et
- l'introduction de ladite onde électromagnétique dans la section dudit tube diélectrique selon la direction longitudinale dudit tube, ledit tube diélectrique étant inséré, à l'extrémité dudit ensemble coaxial, dans le volume annulaire de propagation de l'onde électromagnétique et s'étendant au-delà du plan de sortie de l'ensemble coaxial sur une longueur au moins égale au double du diamètre extérieur dudit tube..
Selon une forme de mise en œuvre du procédé, l'onde électromagnétique est une onde micro-onde.
De manière optionnelle, la pression du gaz plasmagène est inférieure à 133 Pa et l'on produit le plasma par résonance cyclotronique électronique.
Selon une autre forme d'exécution du procédé, l'onde électromagnétique est une onde radiofréquence.
De manière avantageuse, on refroidit l'ensemble coaxial par une circulation d'un fluide de refroidissement à l'intérieur dudit ensemble.
Eventuellement, on refroidit le tube diélectrique par une circulation d'un fluide diélectrique de refroidissement à l'intérieur dudit tube diélectrique.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 est un schéma de principe d'un applicateur d'onde de surface conventionnel,
les figures 2A et 2B présentent respectivement des illustrations d'un surfatron et d'un surfaguide appartenant à l'état de la technique,
la figure 3 est un graphe illustrant l'évolution des composantes radiale et axiale du champ électrique du plasma vers l'extérieur du tube diélectrique, la figure 4 est un schéma de principe d'un applicateur d'onde de surface selon un premier mode de réalisation de l'invention,
la figure 5 est un schéma de principe d'un applicateur d'onde de surface selon un deuxième mode de réalisation de l'invention (production de plasma à l'intérieur du tube diélectrique),
la figure 6 est un schéma de principe d'un applicateur d'onde de surface selon un troisième mode de réalisation de l'invention (production de plasma à l'extérieur du tube diélectrique),
la figure 7 présente un exemple de mode de réalisation permettant d'obtenir une adaptation d'impédance entre l'impédance du plasma et l'impédance caractéristique de la ligne coaxiale,
la figure 8 est un schéma de principe d'un dispositif de production de plasma selon une forme d'exécution particulière de l'invention, correspondant à la production de plasma en régime dynamique, impliquant une introduction de gaz et un pompage,
- la figure 9 est un schéma de principe d'une variante d'un applicateur d'onde de surface selon l'invention, dans laquelle on applique en outre un champ magnétique au moyen d'un aimant permanent agencé à l'extrémité de l'âme centrale,
la figure 10 est un schéma de principe d'une variante d'un applicateur d'onde de surface selon l'invention, dans laquelle on applique en outre un champ magnétique au moyen d'un premier aimant permanent agencé à l'extrémité de l'âme centrale et d'un second aimant permanent annulaire agencé à l'extrémité du conducteur externe,
la figure 1 1A est un schéma de principe d'un applicateur d'onde de surface selon un autre mode de réalisation de l'invention (confinement du plasma produit à l'extérieur du tube diélectrique) ; la figure 1 1 B est un schéma de principe d'une variante moins avantageuse de la figure 1 1 A.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La figure 4 est un schéma de principe d'un applicateur d'onde de surface 1 pour la production de plasma selon l'invention.
Ledit applicateur comprend un ensemble coaxial 2 électriquement conducteur, formé d'une âme centrale 20 et d'un conducteur tubulaire externe 21 entourant l'âme centrale 20 et séparé de celle-ci par un volume annulaire 22 de propagation d'une onde électromagnétique W.
Un tel ensemble coaxial 2 est connu en lui-même et sa conception est à la portée de l'homme du métier.
Par ailleurs, un tube diélectrique 3 est inséré, à l'extrémité de l'ensemble coaxial 2, dans le volume annulaire 22 de propagation de l'onde électromagnétique tout en s'étendant au-delà du plan de sortie de l'applicateur. On appelle plan de sortie de l'applicateur l'interface entre l'ensemble coaxial 2 et un volume contenant un gaz plasmagène, ledit plan de sortie constituant une frontière entre l'applicateur et le plasma généré par l'onde électromagnétique à partir dudit gaz plasmagène.
Le tube diélectrique comprend donc une première portion insérée dans le volume annulaire 22 et une seconde portion dépassant du plan de sortie de l'applicateur, dont la paroi interne et/ou la paroi externe est susceptible d'être en contact avec un gaz plasmagène.
Pour la génération de plasma, un gaz plasmagène est mis en contact avec le tube 3, le gaz plasmagène pouvant se situer à l'intérieur et/ou à l'extérieur dudit tube ou encore de part et d'autre du tube, selon les applications, dont quelques exemples seront décrits en détail plus bas.
Le tube 3 peut être en tout matériau diélectrique, qui est un milieu adapté à la propagation d'une onde électromagnétique sans pertes significatives.
De préférence, le tube 3 peut être en silice (Si02), en alumine (Al203) ou en nitrure d'aluminium (AIN), sans que l'invention soit limitée à ces matériaux.
Le tube 3 présente généralement une section circulaire et s'étend selon une direction longitudinale X.
Le rayon du tube 3 est typiquement de l'ordre du centimètre, c'est-à-dire compris entre quelques millimètres et quelques centimètres selon l'application et les conditions opératoires.
Au-delà du plan de sortie de l'applicateur, le tube diélectrique 3 peut présenter une modification progressive de son diamètre comme c'est le cas de certains dispositifs utilisant des plasmas à onde de surface.
L'épaisseur du tube 3 est généralement de l'ordre du millimètre.
L'épaisseur de la partie du tube 3 insérée dans l'ensemble coaxial est choisie de sorte que le tube 3 occupe sensiblement toute la largeur du volume annulaire 22.
Avantageusement, on assure l'étanchéité de la jonction entre le tube et le volume annulaire vis-à-vis du gaz plasmagène par tout moyen approprié.
La longueur du tube est fonction de l'application visée.
Typiquement, la longueur du tube 3 est grande devant le diamètre de l'applicateur coaxial (qui est de l'ordre du cm) et peut, suivant l'application, présenter une longueur pouvant aller de l'ordre de 5 cm à de l'ordre du mètre.
La longueur de la portion du tube 3 s'étendant au-delà du plan de sortie de l'applicateur correspond avantageusement à la longueur sur laquelle on souhaite générer le plasma. De préférence, on choisit la longueur de la portion du s'étendant au-delà du plan de sortie de l'applicateur supérieure ou égale au double du diamètre extérieur du tube 3, de sorte à produire le plasma essentiellement le long de ladite portion du tube.
Dans le cas contraire, si le tube s'étend au-delà du plan de sortie de l'applicateur sur une faible longueur, c'est-à-dire typiquement inférieure au diamètre extérieur du tube, le plasma est généré directement à la sortie de l'applicateur sans création d'une onde de surface, ce qui correspond à une situation non visée par la présente invention, dans laquelle on forme une nappe de plasma dans le plan de sortie de l'applicateur.
Comme on le verra plus bas, le tube 3 peut être ouvert à son extrémité 33 opposée à l'ensemble coaxial 2 ; de manière alternative, le tube 3 peut être fermé à cette extrémité 33.
Une onde électromagnétique W se propageant dans le volume annulaire 22 de l'ensemble coaxial 2 est introduite dans la section du tube diélectrique 3 selon la direction longitudinale X dudit tube et se propage longitudinalement dans l'épaisseur dudit tube.
Dans la partie coaxiale du dispositif, l'onde électromagnétique se propage selon un mode transversal électromagnétique (TEM), c'est-à-dire un mode où le champ électrique est purement radial.
Dans le plan Y de sortie de l'applicateur 1 , la normale à la surface métallique de l'âme centrale et du conducteur externe change de direction, en passant d'une direction radiale à la direction axiale, parallèle à l'axe X.
Il apparaît donc une composante de champ électrique axiale (en plus de la composante radiale), ce qui constitue une situation très favorable au lancement d'une onde de surface (qui comporte à la fois une composante axiale et une composante radiale (cf. figure 3) le long du tube diélectrique au-delà du plan de sortie de l'applicateur.
Selon les configurations de l'applicateur et du gaz plasmagène, le plan de sortie peut consister en le plan définissant l'extrémité de l'âme centrale 20 et/ou du conducteur externe 21 , l'âme centrale et/ou le conducteur externe 21 étant en contact avec le gaz plasmagène.
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 4, les extrémités de l'âme centrale 20 et du conducteur externe 21 sont coplanaires et forment ledit plan de sortie Y.
Cependant, comme on le verra plus bas, les extrémités de l'âme centrale 20 et du conducteur externe 21 ne sont pas nécessairement coplanaires.
Dans ce cas, le plan de sortie de l'applicateur est défini comme étant le plan définissant l'extrémité de la partie de l'ensemble coaxial qui est au contact du gaz plasmagène, selon que le gaz plasmagène est situé à l'intérieur et/ou à l'extérieur du tube diélectrique 3. Ainsi, dans le mode de réalisation illustré à la figure 5, le gaz plasmagène est confiné à l'intérieur du tube diélectrique 3 et le conducteur externe 21 dépasse de l'âme centrale 20.
Dans ce cas, le plan de sortie Y de l'applicateur correspond au plan de l'extrémité de l'âme centrale 20, quelle que soit la position de l'extrémité du conducteur externe 21 .
Inversement, dans le mode de réalisation illustré à la figure 6, le gaz plasmagène est confiné dans une enceinte à l'extérieur du tube diélectrique 3, le conducteur externe affleurant avec la paroi de ladite enceinte et l'âme centrale 20 dépassant du conducteur externe 21 .
Dans ce cas, le plan de sortie Y de l'applicateur correspond au plan de l'extrémité du conducteur externe 21 et de la paroi de l'enceinte, quelle que soit la position de l'extrémité de l'âme centrale 20.
En raison du changement de direction de la normale à la surface métallique dans le plan de sortie Y de l'applicateur, une composante de champ électrique axial apparaît, ce qui constitue une situation très favorable au lancement d'une onde de surface (qui comporte à la fois une composante axiale et une composante radiale) dans la section du tube diélectrique 3 au-delà du plan de sortie Y de l'applicateur.
Ainsi, contrairement aux techniques existantes, dans lesquelles une onde électromagnétique est lancée dans le tube diélectrique tangentiellement à celui-ci, l'invention propose de lancer une onde électromagnétique selon la direction longitudinale dudit tube à partir d'une onde électromagnétique introduite dans la section du tube diélectrique.
L'efficacité du système est ainsi sensiblement améliorée puisque, dans l'hypothèse d'une adaptation d'impédance parfaite, toute la puissance électromagnétique incidente est introduite puis se propage dans le tube diélectrique.
Pour obtenir une adaptation d'impédance optimale, il est souhaitable de placer le dispositif d'adaptation d'impédance - qui est en lui-même un dispositif connu de l'homme du métier - dans l'ensemble coaxial, le plus près possible du plasma.
A titre d'exemple, la figure 7 décrit un exemple où l'adaptation d'impédance entre l'impédance du plasma Zp et l'impédance caractéristique Zc de l'ensemble coaxial est obtenue par un transformateur quart d'onde d'impédance Z, où :
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Dans ce cas, le tube diélectrique 3 doit être introduit dans l'ensemble coaxial sur une longueur correspondant à un quart de longueur d'onde (λ/4) dans le diélectrique.
De manière plus générale, l'homme du métier est à même de déterminer les moyens d'adaptation d'impédance entre une structure coaxiale donnée et une impédance de charge donnée. Pour la mise en œuvre de l'invention, on peut employer une onde électromagnétique dans une gamme de fréquences couvrant les domaines radiofréquence (RF) et micro-onde.
Au sein de cette gamme, qui est très étendue, on peut notamment utiliser les fréquences ISM (acronyme de « industrielles, scientifiques et médicales) telles que 13,56 MHz, 27,12 MHz ou 40,68 MHz pour le domaine RF, et 433 MHz, 2,45 GHz ou 5,80 GHz pour le domaine micro-onde.
Naturellement, cette liste n'est pas limitative et l'homme du métier pourra choisir toute autre fréquence dans le domaine RF (c'est-à-dire entre 1 et 100 MHz) ou dans le domaine micro-onde (c'est-à-dire entre 100 MHz et 10 GHz) sans pour autant sortir du cadre de la présente invention.
Selon les applications, la puissance appliquée peut être comprise entre 1 ou quelques watts (cas de l'éclairage par exemple) et quelques centaines de watts, voire davantage (cas du traitement des effluents gazeux par exemple).
L'homme du métier est à même de déterminer la puissance adéquate en fonction de l'application envisagée.
Sous l'effet de l'onde électromagnétique se propageant dans le tube diélectrique 3, du plasma est généré dans le gaz plasmagène qui est au contact du tube 3.
Comme mentionné précédemment, ledit gaz plasmagène peut être situé à l'intérieur et/ou à l'extérieur du tube diélectrique 3.
Le gaz plasmagène peut être n'importe quel gaz dont les composants permettent de générer un plasma sous l'effet de l'onde électromagnétique se propageant dans le tube diélectrique 3.
Dans les applications relatives à l'éclairage, le gaz plasmagène peut ainsi être constitué, de manière conventionnelle, d'un ou plusieurs gaz rares (notamment, de l'argon) et de mercure.
A titre d'exemples non limitatifs, des gaz comme l'azote, l'oxygène, les gaz halogénés, ou tout autre gaz présentant des propriétés physico-chimiques intéressantes en vue d'une application ciblée peuvent aussi être envisagés.
Selon une forme d'exécution de l'invention, le gaz plasmagène est confiné à l'intérieur du tube diélectrique 3, lequel est scellé à son extrémité 33 opposée à l'ensemble coaxial 2.
Le tube diélectrique 3, une fois inséré dans l'ensemble coaxial 2, forme donc une enceinte étanche pour la génération de plasma.
La figure 5 illustre un exemple d'un tel mode de réalisation.
Sur celle-ci, le gaz plasmagène 4 est enfermé dans le tube diélectrique 3 qui est scellé, à l'une de ses extrémités, autour de l'âme centrale 20 et, à son autre extrémité 33, par une paroi étanche. Comme on peut le voir sur cette figure, le conducteur externe 21 peut entourer au moins en partie le tube diélectrique 3, au-delà du plan de sortie de l'applicateur qui, dans ce mode de réalisation, correspond à l'extrémité de l'âme centrale 20.
Cette configuration permet par exemple de constituer un blindage au niveau du plan de sortie de l'applicateur et d'éviter ainsi la transmission du rayonnement électromagnétique vers l'extérieur.
Selon une autre forme d'exécution de l'invention, illustrée sur la figure 6, le gaz plasmagène 4 est confiné dans une enceinte (non représentée) et le tube diélectrique 3 est lui-même inséré dans ladite enceinte.
On peut ainsi former du plasma à l'extérieur du tube diélectrique 3.
Cette forme d'exécution est particulièrement avantageuse dans la mesure où le plasma généré à l'extérieur du tube diélectrique, le plasma absorbe le rayonnement électromagnétique.
Un exemple particulier est celui de l'éclairage, où l'ampoule constitue ladite enceinte contenant le gaz plasmagène, le tube diélectrique étant agencé à l'intérieur de l'ampoule.
Si le tube 3 est ouvert à son extrémité 33 et communique ainsi avec le volume de l'enceinte, il peut se former du plasma également à l'intérieur dudit tube 3.
De manière optionnelle, comme on peut le voir sur la figure 6, l'âme centrale 20 peut occuper au moins en partie l'intérieur du tube diélectrique 3, au-delà du plan de sortie de l'applicateur qui, dans ce mode de réalisation, correspond à l'extrémité du conducteur externe 21 .
Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux pour refroidir l'âme centrale 20 au moyen d'une circulation intérieure d'eau ou d'un fluide caloporteur quelconque dans le cas d'un caloduc)
Concrètement, l'étanchéité du volume de plasma peut être réalisée par des techniques connues.
Ainsi, l'étanchéité du volume de plasma vis-à-vis de l'applicateur peut être assurée par la mise en place de joints toriques entre le tube diélectrique et l'âme centrale et le conducteur externe de l'ensemble coaxial.
De manière alternative ou complémentaire, le tube diélectrique peut être brasé sur l'âme centrale et le conducteur externe de l'ensemble coaxial.
De manière optionnelle, le tube diélectrique peut être scellé, au voisinage de son extrémité insérée dans le volume annulaire de l'ensemble coaxial, par un bouchon en matériau diélectrique.
Par ailleurs, lorsque le plasma doit être généré à l'extérieur du tube diélectrique, le tube diélectrique 3 peut être inséré à l'intérieur d'une enceinte étanche, le conducteur externe de l'ensemble coaxial affleurant de préférence avec la paroi intérieure de ladite enceinte (comme illustré à la figure 8 par exemple). L'étanchéité entre l'ensemble coaxial et la paroi de l'enceinte qu'il traverse est assurée par tout moyen approprié, tel que des joints toriques, un brasage, etc.
Dans le cas d'application à l'éclairage, l'applicateur fonctionne en régime statique, c'est-à-dire sans flux de gaz plasmagène.
De manière alternative, l'applicateur peut être mis en œuvre en régime dynamique, c'est-à-dire dans une enceinte contenant un dispositif de pompage de gaz plasmagène de l'extérieur vers l'intérieur de l'enceinte.
Ce mode de réalisation particulier est illustré à la figure 8, où un dispositif de pompage 5 a été schématisé dans l'enceinte.
De manière optionnelle (illustrée également à la figure 8), l'âme peut comprendre un conduit 23 d'introduction de gaz plasmagène dans l'enceinte.
Cette forme d'exécution de l'invention est avantageuse lorsque l'on met en œuvre une réaction chimique dans le plasma (par exemple pour le traitement d'effluents), puisqu'un renouvellement du gaz plasmagène et l'évacuation des produits de la réaction sont alors nécessaires.
Grâce au dispositif de pompage 5 et, le cas échéant, au conduit 23, on peut ainsi contrôler la pression de travail ou le débit de gaz en régime dynamique.
Dans le cas de l'utilisation de puissances électromagnétiques élevées, il peut être nécessaire de refroidir l'applicateur.
Ce refroidissement peut être effectué par circulation d'un fluide adéquat (par exemple, de l'eau) à l'intérieur de l'âme centrale et/ou du conducteur externe de l'ensemble coaxial.
Il est également possible de faire circuler un fluide de refroidissement diélectrique dans l'espace 22 de propagation des micro-ondes.
La définition et la réalisation des canaux permettant cette circulation est connue en elle-même et à la portée de l'homme du métier selon les contraintes techniques rencontrées.
Lorsque l'on travaille à de très fortes puissances, il peut être nécessaire de refroidir également le tube diélectrique.
Ceci peut être réalisé en faisant circuler un fluide diélectrique dans l'épaisseur dudit tube, et/ou à l'intérieur du tube diélectrique (dans le cas où le plasma est produit à l'extérieur du tube)
De manière générale, les plasmas à onde de surface sont produits en l'absence de champ magnétique statique, sauf à basse pression où un champ magnétique axial (dans la direction du tube) peut être appliqué pour améliorer le confinement radial du plasma (diminution des pertes de plasma sur les parois du tube) et/ou produire une excitation du plasma à la résonance cyclotronique électronique. Un premier mode de réalisation simplifié, illustré à la figure 9, peut être obtenu en insérant à l'extrémité de l'âme centrale 20 de la structure coaxiale un aimant cylindrique 200 d'aimantation axiale.
Un autre mode de réalisation, encore plus avantageux, permet de bénéficier du mode de résonance cyclotronique électronique (RCE).
A la résonance cyclotronique électronique, les électrons sont accélérés très efficacement par le champ électrique micro-onde si l'intensité du champ magnétique (qui peut être produit par des bobines ou des aimants permanents) est telle que la fréquence de giration des électrons dans le champ magnétique est égale à la fréquence f0 du champ électrique micro-onde, soit :
fo = e B0 / 2 π me (1 )
où me est la masse de l'électron, -e est la charge de l'électron et B0 l'intensité du champ magnétique correspondant à la résonance cyclotronique électronique (RCE) pour la fréquence micro-onde f0.
En l'absence de collisions, la trajectoire des électrons dits rapides, ainsi accélérés à la résonance cyclotronique électronique dans le champ magnétique, s'enroule alors suivant un mouvement hélicoïdal autour d'une ligne de champ magnétique.
Pour mettre en œuvre ce mode de résonance, l'applicateur comprend, comme illustré à la figure 10 :
- un aimant permanent cylindrique 200, agencé à l'extrémité de l'âme centrale 20 et dont la direction d'aimantation (schématisée par une flèche) est parallèle à l'axe X ; ledit aimant présente un rayon sensiblement identique à celui de l'âme centrale 20 (concrètement, l'aimant cylindrique peut présenter un rayon légèrement inférieur à celui de l'âme centrale et être logé dans un logement cylindrique ménagé à l'extrémité de l'âme centrale) ;
- un aimant annulaire 201 , agencé à l'extrémité du conducteur externe 21 de l'ensemble coaxial et dont la direction d'aimantation (schématisée par une flèche) est parallèle à l'axe X et de même sens que celle de l'aimant cylindrique 200.
De préférence, ledit aimant annulaire présente un rayon intérieur sensiblement égal à celui du conducteur externe 21 , qui correspond au rayon extérieur du volume annulaire 22 de propagation des micro-ondes, noté R. Concrètement, l'aimant annulaire peut présenter un rayon intérieur légèrement supérieur à celui du conducteur externe et un rayon extérieur inférieur à celui du conducteur externe et être logé dans un logement annulaire ménagé à l'extrémité du conducteur externe.
Les aimants peuvent être rendus solidaires de l'ensemble coaxial par tout moyen approprié.
L'aimantation de l'aimant cylindrique 200 et de l'aimant annulaire 201 est choisie de sorte à former un champ magnétique propre à procurer, dans une zone distante du plan de sortie Y de l'applicateur, un couplage de résonance cyclotronique électronique avec le champ électrique micro-onde généré par l'applicateur.
Ceci suppose que l'aimantation desdits aimants 200 et 201 soit suffisante pour générer, à distance du plan de sortie Y de l'applicateur, un champ magnétique présentant l'intensité B0 permettant la résonance cyclotronique électronique en fonction de la fréquence micro-onde prévue, selon la formule (1 ) ci-dessus.
Pour une excitation du plasma à la résonance cyclotronique électronique par des micro-ondes à 2,45 GHz, la condition de résonance (B0 = 875 gauss) peut être obtenue par des aimants permanents conventionnels, par exemple en samarium-cobalt.
D'autre part, l'aimant cylindrique 200 et l'aimant annulaire 201 permettent de générer des lignes de champ magnétique qui traversent la zone de couplage de résonance cyclotronique électronique selon une direction sensiblement parallèle à l'axe X de l'applicateur.
Cet effet peut être obtenu par un choix judicieux du rayon extérieur et de l'aimantation de l'aimant annulaire 201 .
En effet, plus l'aimant annulaire 201 présente un rayon extérieur important, plus les lignes d'iso-intensité du champ magnétique généré à distance de l'applicateur restent parallèles au plan de sortie Y de l'applicateur sur un rayon important.
La zone de résonance cyclotronique électronique étant délimitée, dans la direction radiale, par la zone dans laquelle le champ électrique micro-onde est le plus fort, l'utilisation d'un aimant annulaire dont le rayon extérieur est bien supérieur au rayon de cette zone permet l'obtention d'une zone de RCE sensiblement parallèle au plan de sortie Y de l'applicateur.
On considère que cette zone de champ électrique fort s'étend sur un rayon de l'ordre du double du rayon de l'applicateur.
Par conséquent, si l'aimant annulaire 201 présente un rayon extérieur supérieur au rayon de la zone de champ électrique fort, la zone de RCE est sensiblement parallèle au plan de sortie de l'applicateur sur toute son étendue de rayon 2R.
D'autre part, du fait de la présence de l'aimant annulaire 201 ayant un rayon extérieur supérieur à 2R, les lignes de champ qui partent du pôle situé au niveau du plan de sortie de l'applicateur pour rejoindre le pôle opposé, restent sensiblement parallèles à l'axe X de l'applicateur pendant leur traversée de la zone ZRCE de rayon 2R, y compris à la périphérie de cette zone.
En d'autres termes, l'aimant annulaire a pour effet de « redresser » les lignes de champ à la périphérie de la zone de RCE.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, dans le cas où l'on souhaite produire un plasma d'onde de surface annulaire le long de la paroi extérieure du tube diélectrique, il peut être avantageux de confiner ledit plasma au moyen d'un tube diélectrique de confinement présentant un diamètre supérieur à celui du tube le long duquel on produit le plasma, et disposé de manière concentrique à celui-ci.
Le champ électromagnétique, qui est maximal à l'interface entre le plasma et le tube diélectrique le long duquel on génère ledit plasma, peut ainsi être absorbé par le volume annulaire de gaz s'étendant autour dudit tube.
Ceci permet de limiter le rayonnement électromagnétique vers l'extérieur.
Ce mode de réalisation est illustré sur la figure 1 1A.
Le tube diélectrique de confinement du plasma est désigné par le repère 6.
L'extrémité du tube 6 opposée à l'ensemble coaxial est fermée, de sorte que le tube 6 constitue une enceinte susceptible de renfermer du gaz plasmagène.
Ainsi, selon un exemple particulier de réalisation, le tube diélectrique de confinement peut constituer l'enveloppe d'une ampoule d'éclairage.
Le tube diélectrique 3 le long duquel on génère le plasma peut être ouvert ou fermé à son extrémité opposée à l'ensemble coaxial.
On peut ainsi obtenir trois configurations de génération du plasma.
Dans un premier cas, le tube 3 est ouvert de sorte que l'intérieur du tube 3 communique avec l'extérieur dudit tube, ce qui permet de générer du plasma à la fois à l'intérieur et à l'extérieur du tube 3, ledit plasma étant confiné extérieurement par le tube 6.
Dans un second cas, le tube 3 est fermé et mis sous vide ou rempli d'un matériau diélectrique, par exemple sous forme liquide, le gaz plasmagène étant contenu dans le tube de confinement 6, à l'extérieur du tube 3. On forme ainsi du plasma dans un volume annulaire compris entre les tubes 3 et 6.
Enfin, dans un troisième cas, le tube 3 est fermé et contient le gaz plasmagène, le tube 6 ne contenant pas de gaz plasmagène. On forme ainsi du plasma dans le tube 3 uniquement.
Le tube diélectrique de confinement 6 est avantageusement encastré dans le conducteur tubulaire externe 21 de l'ensemble coaxial, sur une profondeur p.
Cet encastrement a pour effet de favoriser la formation des deux composantes axiale et radiale du champ électrique HF dans le plan de sortie dudit tube de confinement, comme cela se produit pour le tube diélectrique 3 le long duquel on génère le plasma.
La profondeur p est de manière avantageuse sensiblement égale à (2k+1 ) λ/4, où k est un nombre entier et λ est la longueur d'onde de l'onde électromagnétique se propageant au sein du tube diélectrique 3 inséré dans l'ensemble coaxial.
On obtient ainsi un ventre (maximum) de champ électrique dans le plan de sortie de l'applicateur.
Ladite longueur d'onde λ est donnée par la formule : où A0 est la longueur d'onde de l'onde électromagnétique se propageant dans le vide ou dans l'air, et ε est la permittivité relative du matériau diélectrique du tube de confinement 6 par rapport à la permittivité du vide.
De préférence, pour favoriser la compacité du dispositif, on choisit k = 0, soit une profondeur d'encastrement du tube de confinement de l'ordre de λ/4.
Comme on peut le voir sur la figure 1 1A, le conducteur électrique externe peut présenter un épaulement 21 a en saillie par rapport au plan de sortie Y de l'applicateur.
Cet épaulement permet d'éviter que l'onde électromagnétique ne se propage radialement à l'extérieur du tube diélectrique de confinement 6 dans le plan de sortie.
La figure 1 1 B présente à titre de comparaison une situation dans laquelle le tube de confinement 6 est simplement en contact avec la surface de sortie du conducteur électrique externe 21 .
Dans ce cas, seule la composante axiale du champ électrique HF, normale à la surface du conducteur électrique externe 21 , est présente, ce qui est peu favorable au lancement d'une onde de surface ; au contraire, cette configuration favorise la propagation radiale de l'onde, à la surface du conducteur externe 21.
Les applicateurs conformes aux différents modes de réalisation de l'invention peuvent être avantageusement utilisés, unitairement ou associés pour former des sources étendues, dans de multiples applications.
Parmi celles-ci, on peut citer de manière non limitative l'éclairage, la formation de sources de plasma étendues pour effectuer des traitements de surface (par association de plusieurs applicateurs dans une même enceinte), la gravure pour la microélectronique et les nanotechnologies, le traitement des effluents gazeux, la stérilisation plasma, les sources d'espèces neutres, les sources de photons, ou encore la propulsion ionique.
L'invention permet en effet de remédier aux inconvénients des dispositifs existants décrits plus haut.
En particulier, l'applicateur présente une conception et une fabrication sensiblement plus simples que les dispositifs existants, et adaptées à une vaste gamme de fréquences (RF et micro-ondes).
Par ailleurs, l'encombrement radial de l'applicateur est déterminé par l'encombrement de l'ensemble coaxial (typiquement, le diamètre extérieur du conducteur tubulaire externe), qui est généralement sensiblement plus faible que celui des dispositifs à lancement d'onde tangentiel tels que le surfatron et le surfaguide illustrés aux figures 2A et 2B.
A titre d'exemple, le diamètre d'un applicateur coaxial est de l'ordre de 1 à 2 cm alors que les dimensions d'un surfaguide sont de l'ordre de la longueur d'onde de l'onde électromagnétique. D'autre part, l'applicateur fonctionne avec les dispositifs d'adaptation d'impédance conventionnels, en fonction de la fréquence de l'onde électromagnétique employée, et ne nécessite donc pas la mise en œuvre de dispositifs encombrants et coûteux.
L'onde de surface étant lancée dans une seule direction (à savoir, la direction de l'extrémité 33 du tube diélectrique 3 opposée à l'ensemble coaxial 2), il n'y a pas de déperdition d'énergie.
L'efficacité énergétique de l'applicateur est donc optimale.
Enfin, comme mentionné plus haut, l'applicateur peut être aisément adapté à un couplage par résonance électronique cyclotronique (RCE) pour former et maintenir le plasma à basse pression.
Les modifications structurelles à apporter à l'applicateur sont en effet minimes, puisqu'il suffit, comme on l'a vu plus haut, de disposer des aimants permanents à l'extrémité de l'âme centrale et du conducteur externe de l'ensemble coaxial. REFERENCES
[1 ] M. Moisan, J. Pelletier, Physique des plasmas collisionnels, EDP Sciences, Les
Ulis, France (2006), pp 405-408
[2] M. Moisan, A. Shivarova, A.W. Trivelpiece, « Expérimental investigations of the propagation of surface waves along a plasma column », Plasma Physics, Vol. 24, No. 1 1 , pp. 1331 -14000, 1982
[3] M. Moisan, Z. Zakrzewski, Surface wave plasma sources, dans "Microwave Excited
Plasmas", édité par M. Moisan et J. Pelletier, Elsevier, Amsterdam (novembre 1992)
Chapitre 5, pp 123-180, Fig. 5.13
[4] M. Moisan, J. Margot, Z. Zakrzewski, Surface wave plasma sources, dans "High Density Plasma Sources", édité par Oleg A. Popov, Noyés Publication, Park Ridge,
New Jersey (1995), Chap 5, pp 191 -250

Claims

REVENDICATIONS
1 . Applicateur d'onde de surface (1 ) pour la production de plasma, comprenant :
- un ensemble coaxial (2) électriquement conducteur, formé d'une âme centrale (20) et d'un conducteur tubulaire externe (21 ) entourant l'âme centrale (20) et séparé de celle- ci par un volume annulaire (22) de propagation d'une onde électromagnétique (W), et
- un tube diélectrique (3) inséré, à l'extrémité dudit ensemble coaxial (2), dans ledit volume annulaire (22) de propagation de l'onde électromagnétique et s'étendant au-delà du plan de sortie (Y) de l'applicateur sur une longueur au moins égale au double du diamètre extérieur dudit tube (3), de sorte qu'une onde électromagnétique (W) se propageant dans l'ensemble coaxial (2) est introduite dans la section dudit tube diélectrique (3) selon la direction longitudinale (X) dudit tube (3) afin de produire un plasma à onde de surface le long de la partie du tube diélectrique dont la paroi interne (30) et/ou la paroi externe (31 ) est en contact avec un gaz plasmagène (4).
2. Applicateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les extrémités de l'âme centrale (20) et du conducteur externe (21 ) de l'ensemble coaxial (2) sont coplanaires.
3. Applicateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le conducteur externe (21 ) entoure au moins partiellement le tube diélectrique (3) au-delà du plan de l'extrémité de l'âme centrale (20).
4. Applicateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'âme centrale (20) occupe au moins partiellement le volume intérieur du tube diélectrique (3) au-delà du plan de l'extrémité du conducteur externe (21 ).
5. Applicateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'ensemble coaxial comporte un dispositif d'adaptation d'impédance.
6. Applicateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la longueur du tube diélectrique (3) insérée dans l'ensemble coaxial (2) est choisie pour assurer l'adaptation d'impédance entre l'impédance du plasma (Zp) et l'impédance caractéristique (Zc) de l'ensemble coaxial (2).
7. Applicateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'ensemble coaxial (2) comprend un circuit de circulation d'un fluide de refroidissement agencé dans l'âme centrale (20) et/ou dans le conducteur externe (21 ).
8. Applicateur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le tube diélectrique (3) comprend un circuit de circulation d'un fluide diélectrique de refroidissement agencé à l'intérieur ou dans l'épaisseur dudit tube.
9. Applicateur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un aimant permanent cylindrique dont la direction d'aimantation est parallèle à l'axe de l'applicateur, agencé à l'extrémité de l'âme centrale.
10. Applicateur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- un aimant permanent cylindrique dont la direction d'aimantation est parallèle à l'axe de l'applicateur, agencé à l'extrémité de l'âme centrale et,
- au moins un aimant permanent annulaire dont la direction d'aimantation est parallèle à l'axe de l'applicateur et de même sens que l'aimantation de l'aiment cylindrique central, agencé autour de l'extrémité du conducteur externe,
l'aimantation desdits aimants étant choisie de sorte à former un champ magnétique propre à procurer, dans une zone distante de l'extrémité de l'applicateur, un couplage de résonance cyclotronique électronique avec le champ électrique micro-onde généré par ledit applicateur,
le rayon extérieur et l'aimantation de l'aimant annulaire étant en outre choisis de sorte que les lignes de champ magnétique générées par lesdits aimants traversent la zone de couplage de résonance cyclotronique électronique selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de l'applicateur.
1 1 . Applicateur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un tube de confinement (6) en un matériau diélectrique s'étendant de manière concentrique autour du tube diélectrique (3), ledit tube de confinement (6) étant encastré dans le conducteur électrique externe (21 ) de l'ensemble coaxial.
12. Dispositif de production de plasma à onde de surface, comprenant une enceinte contenant un gaz plasmagène (4) et au moins un applicateur (1 ) selon l'une des revendications 1 à 1 1 , dans lequel une partie de la paroi interne (30) et/ou de la paroi externe (31 ) du tube diélectrique (3) s'étendant au-delà du plan de sortie de l'applicateur est en contact avec le gaz plasmagène (4).
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le tube diélectrique (3) est étanche et constitue ladite enceinte contenant le gaz plasmagène (4).
14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le tube diélectrique (3) est situé à l'intérieur de l'enceinte.
15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'enceinte comprend un tube de confinement (6) en un matériau diélectrique s'étendant de manière concentrique autour du tube diélectrique (3), ledit tube de confinement étant encastré dans le conducteur électrique externe (21 ) de l'ensemble coaxial de l'applicateur.
16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que la profondeur (p) d'encastrement dudit tube diélectrique de confinement (6) est égale à (2k + 1 ) λ/4, où k est un nombre entier, λ est la longueur d'onde de l'onde électromagnétique se propageant au sein du tube diélectrique (6) inséré dans l'ensemble coaxial, ladite longueur d'onde (λ) étant donnée par la formule λ = λ0 / ε1/2, où λ0 est la longueur d'onde de l'onde électromagnétique se propageant dans le vide ou dans l'air et ε est la permittivité relative du matériau diélectrique du tube de confinement (6) par rapport à la permittivité du vide.
17. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que le tube diélectrique (3) est ouvert à son extrémité (33) opposée à l'ensemble coaxial (2), le gaz plasmagène (4) étant en contact avec la paroi interne (30) et la paroi externe (31 ) du tube (3).
18. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que le tube diélectrique (3) est fermé à son extrémité opposée (33) à l'ensemble coaxial (2), le gaz plasmagène (4) étant en contact uniquement avec la paroi externe (31 ) du tube (3).
19. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que le tube diélectrique (3) est fermé à son extrémité opposée (33) à l'ensemble coaxial (2), ledit tube (3) étant mis sous vide ou rempli d'un matériau diélectrique.
20. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 19, caractérisé en ce que l'enceinte comprend un dispositif d'introduction du gaz plasmagène dans l'enceinte et d'un dispositif (5) de pompage du gaz plasmagène (4) de l'intérieur vers l'extérieur de l'enceinte.
21 . Dispositif selon l'une des revendications 17 à 20, caractérisé en ce que l'âme centrale (20) comprend un conduit (23) d'introduction du gaz plasmagène dans l'enceinte.
22. Dispositif selon l'une des revendications 12 à 21 , caractérisé en ce que la pression du gaz plasmagène à l'intérieur de l'enceinte est inférieure à 133 Pa.
23. Procédé de production de plasma d'onde de surface le long d'un tube diélectrique (3) dont la paroi interne (30) et/ou la paroi externe (31 ) est en contact avec un gaz plasmagène (4), caractérisé en ce qu'il comprend :
- la propagation d'une onde électromagnétique (W) dans un ensemble coaxial (2) électriquement conducteur, formé d'une âme centrale (20) et d'un conducteur externe (21 ) entourant l'âme centrale (20) et séparé de celle-ci par un volume annulaire (22) de propagation de l'onde électromagnétique et
- l'introduction de ladite onde électromagnétique (W) dans la section dudit tube diélectrique (3) selon la direction longitudinale (X) dudit tube (3), ledit tube diélectrique (3) étant inséré, à l'extrémité dudit ensemble coaxial (2), dans le volume annulaire (22) de propagation de l'onde électromagnétique et s'étendant au-delà du plan de sortie de l'ensemble coaxial sur une longueur au moins égale au double du diamètre extérieur dudit tube (3).
24. Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce que l'onde électromagnétique est une onde micro-onde.
25. Procédé selon la revendication 24, caractérisé en ce que la pression du gaz plasmagène est inférieure à 133 Pa et en ce que l'on produit le plasma par résonance cyclotronique électronique.
26. Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce que l'onde électromagnétique est une onde radiofréquence.
27. Procédé selon l'une des revendications 23 à 26, caractérisé en ce que l'on refroidit l'ensemble coaxial (2) par une circulation d'un fluide de refroidissement à l'intérieur dudit ensemble
28. Procédé selon l'une des revendications 23 à 27, caractérisé en ce que l'on refroidit le tube diélectrique (3) par une circulation d'un fluide diélectrique de refroidissement à l'intérieur ou dans l'épaisseur dudit tube diélectrique.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3042092A1 (fr) * 2015-10-05 2017-04-07 Sairem Soc Pour L'application Ind De La Rech En Electronique Et Micro Ondes Dispositif elementaire de production d’un plasma avec applicateur coaxial
FR3052326A1 (fr) * 2016-06-07 2017-12-08 Thales Sa Generateur de plasma
EP3322263A1 (fr) * 2016-11-11 2018-05-16 Korea Basic Science Institute Générateur de swp (plasma à ondes de surface) couplé et refroidi par eau à câble coaxial

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101820242B1 (ko) * 2016-08-02 2018-01-18 한국기초과학지원연구원 수냉식 표면파 플라즈마 발생장치
US11564292B2 (en) * 2019-09-27 2023-01-24 Applied Materials, Inc. Monolithic modular microwave source with integrated temperature control

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2583250A1 (fr) * 1985-06-07 1986-12-12 France Etat Procede et dispositif d'excitation d'un plasma par micro-ondes a la resonance cyclotronique electronique
WO2003103003A1 (fr) * 2002-06-04 2003-12-11 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Dispositif de production d'une nappe de plasma
WO2008009558A1 (fr) * 2006-07-21 2008-01-24 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Dispositif et procédé de production et de confinement d'un plasma
WO2010049456A1 (fr) * 2008-10-30 2010-05-06 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Dispositif et procede de production et/ou de confinement d'un plasma

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS579868A (en) * 1980-06-18 1982-01-19 Toshiba Corp Surface treating apparatus with microwave plasma
JPH0594899A (ja) * 1991-10-02 1993-04-16 Nippon Steel Corp プラズマ処理装置
JPH0685525A (ja) * 1992-08-31 1994-03-25 Kyocera Corp １／２波長アンテナ
JPH05347508A (ja) * 1992-10-30 1993-12-27 Harada Ind Co Ltd 広帯域極超短波アンテナ
JPH0729889A (ja) * 1993-07-08 1995-01-31 Anelva Corp マイクロ波プラズマ処理装置
JPH0821476B2 (ja) * 1993-09-20 1996-03-04 ニチメン電子工研株式会社 Ｅｃｒプラズマ発生装置
JPH07161491A (ja) * 1993-12-02 1995-06-23 Daido Steel Co Ltd マイクロ波プラズマ処理装置
JPH0935651A (ja) * 1995-07-20 1997-02-07 Nissin Electric Co Ltd イオン源
JPH09245997A (ja) * 1996-03-05 1997-09-19 Nissin Electric Co Ltd カバーで覆われた内壁とアンテナを持つプラズマ室
JPH1083895A (ja) * 1996-09-06 1998-03-31 Hitachi Ltd プラズマ処理装置
JPH11102799A (ja) * 1997-09-26 1999-04-13 Mitsubishi Electric Corp プラズマ発生装置
JP4089022B2 (ja) * 1998-07-22 2008-05-21 日新イオン機器株式会社 自己電子放射型ｅｃｒイオンプラズマ源
JP2000277295A (ja) * 1999-03-25 2000-10-06 Toshiba Corp プラズマ処理装置
JP2002093597A (ja) * 2000-09-14 2002-03-29 Miura Gakuen プラズマ発生用アンテナ、プラズマ処理装置、プラズマ処理方法、及び被処理物の製造方法、並びに半導体装置の製造方法
JP5312411B2 (ja) * 2003-02-14 2013-10-09 東京エレクトロン株式会社 プラズマ発生装置およびリモートプラズマ処理装置
JP2005116362A (ja) * 2003-10-08 2005-04-28 Toshiba Corp マイクロ波励起のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法
JP2005353364A (ja) * 2004-06-09 2005-12-22 Shibaura Mechatronics Corp プラズマ発生装置、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法
JP4761244B2 (ja) * 2005-10-20 2011-08-31 株式会社小糸製作所 放電灯及び光源装置
JP4967107B2 (ja) * 2006-02-20 2012-07-04 国立大学法人名古屋大学 マイクロ波導入器、プラズマ発生装置及びプラズマ処理装置
DE102006037144B4 (de) * 2006-08-09 2010-05-20 Roth & Rau Ag ECR-Plasmaquelle
TW201105183A (en) * 2009-07-21 2011-02-01 Delta Electronics Inc Plasma generating apparatus
FR2955451A1 (fr) * 2010-05-25 2011-07-22 Centre Nat Rech Scient Dispositif de production d'un plasma, comportant au moins un applicateur coaxial

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2583250A1 (fr) * 1985-06-07 1986-12-12 France Etat Procede et dispositif d'excitation d'un plasma par micro-ondes a la resonance cyclotronique electronique
WO2003103003A1 (fr) * 2002-06-04 2003-12-11 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Dispositif de production d'une nappe de plasma
WO2008009558A1 (fr) * 2006-07-21 2008-01-24 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Dispositif et procédé de production et de confinement d'un plasma
WO2010049456A1 (fr) * 2008-10-30 2010-05-06 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Dispositif et procede de production et/ou de confinement d'un plasma

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. MOISAN; A. SHIVAROVA; A.W. TRIVELPIECE: "Experimental investigations of the propagation of surface waves along a plasma column", PLASMA PHYSICS, vol. 24, no. 11, 1982, pages 1331 - 14000
M. MOISAN; J. MARGOT; Z. ZAKRZEWSKI: "High Density Plasma Sources", 1995, NOYES PUBLICATION, article "Surface wave plasma sources", pages: 191 - 250
M. MOISAN; J. PELLETIER: "EDP Sciences", 2006, LES ULIS, article "Physique des plasmas collisionnels", pages: 405 - 408
M. MOISAN; Z. ZAKRZEWSKI: "Microwave Excited Plasmas", November 1992, ELSEVIER, article "Surface wave plasma sources", pages: 123 - 180

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3042092A1 (fr) * 2015-10-05 2017-04-07 Sairem Soc Pour L'application Ind De La Rech En Electronique Et Micro Ondes Dispositif elementaire de production d’un plasma avec applicateur coaxial
WO2017060612A1 (fr) * 2015-10-05 2017-04-13 Sairem Societe Pour L'application Industrielle De La Recherche En Electronique Et Micro Ondes Dispositif élémentaire de production d'un plasma avec applicateur coaxial
KR20180064490A (ko) * 2015-10-05 2018-06-14 사이렘 소시에떼 프흐 라플리까시옹 에뒤스트리엘 드 라 레세르세 앙 엘렉트로니끄 에 마이크로 옹데 동축 애플리케이터로 플라즈마를 생성하기 위한 기초 장치
US11120972B2 (en) 2015-10-05 2021-09-14 Sairem Societe Pour L'application Industrielle De La Recherche En Electronique Et Micro Ondes Elementary device for producing a plasma, having a coaxial applicator
KR102635753B1 (ko) 2015-10-05 2024-02-14 사이렘 소시에떼 프흐 라플리까시옹 에뒤스트리엘 드 라 레세르세 앙 엘렉트로니끄 에 마이크로 옹데 동축 애플리케이터로 플라즈마를 생성하기 위한 기초 장치
FR3052326A1 (fr) * 2016-06-07 2017-12-08 Thales Sa Generateur de plasma
EP3322263A1 (fr) * 2016-11-11 2018-05-16 Korea Basic Science Institute Générateur de swp (plasma à ondes de surface) couplé et refroidi par eau à câble coaxial

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