FR3038488A1 - Refroidissement d'un troncon de ligne coaxiale et d'un dispositif de production de plasma - Google Patents

Abstract

L'invention concerne le refroidissement d'un tronçon de ligne coaxiale et d'un dispositif de production de plasma comprenant le tronçon de ligne coaxiale. Le tronçon de ligne coaxiale (10) comprenant une âme (11) et un conducteur extérieur (12) séparés par un milieu diélectrique (13), l'âme (11) étant refroidie par circulation d'un fluide caloporteur circulant dans un canal (20) interne à l'âme (11), le tronçon (10) comprenant en outre au moins un tube (21, 22) traversant le milieu diélectrique (13) et le conducteur extérieur (12), le au moins un tube (21, 22) alimentant le canal (20) en fluide caloporteur.

Description

Refroidissement d’un tronçon de ligne coaxiale et d’un dispositif de production de plasma L’invention concerne le refroidissement d’un tronçon de ligne coaxiale et d’un dispositif de production de plasma comprenant le tronçon de ligne coaxiale.

La production de plasma peut se faire à partir d’un gaz enfermé dans une enceinte, le gaz étant excité par une énergie micro-ondes. Le dispositif de production de plasma comprend un ou plusieurs applicateurs permettant d’introduire l’énergie micro-onde dans l’enceinte. Le ou les applicateurs sont généralement formés par un tronçon de ligne coaxiale recevant l’énergie micro-onde par un connecteur. Une extrémité du tronçon débouche dans l’enceinte afin d’exciter le gaz.

Durant le fonctionnement du dispositif de production de plasma, le tronçon de ligne coaxiale s’échauffe et il est nécessaire de le refroidir. Il est connu de refroidir l’âme du tronçon en y faisant circuler de l’eau.

Les dispositifs de production de plasma à micro-ondes utilisent souvent des magnétrons comme source micro-ondes. Les magnétrons les plus répandus fonctionnent dans une bande de fréquence autour de 2,45 GHz. Ces magnétrons sont couramment utilisés dans les fours à microondes domestiques. A cette fréquence un déphasage apparaît entre le champ électrique généré par la source micro-ondes et les pôles de la molécule d’eau. Ce déphasage génère une perte diélectrique génératrice de chaleur mise à profit dans les fours à micro-ondes.

Cette perte diélectrique représente un inconvénient pour de l’eau utilisée pour refroidir l’âme d’un tronçon de ligne coaxiale. On évite donc de faire traverser le milieu diélectrique par l’eau de refroidissement.

Dans un générateur de plasma, on cherche donc à maintenir la circulation de l’eau toujours à l’intérieur de l’âme. L’alimentation de l’eau dans l’applicateur se fait par l’extrémité opposée à celle qui débouche dans l’enceinte. Pour permettre ce montage, le connecteur par lequel est injectée l’énergie micro-ondes est disposé radialement par rapport à l’axe du tronçon de ligne coaxiale et au niveau du connecteur, le tronçon est équipé d’un court-circuit entre l’âme et le conducteur extérieur de la ligne coaxiale, à une distance égale au quart de la longueur d’onde (λ/4) de la source micro-ondes dans le milieu diélectrique considéré. Ce court-circuit à λ/4 se comporte comme un circuit ouvert au niveau du connecteur. Au niveau du court-circuit, il est alors aisé d’introduire l’eau directement dans l’âme de la ligne coaxiale.

Cette structure est adaptée à une fréquence de 2,45 GHz. Si on s’éloigne de cette fréquence, le circuit ouvert perd alors ses caractéristiques électriques, entraînant des pertes au niveau du connecteur. De plus, pour obtenir un circuit ouvert avec de bonnes performances, les tolérances de fabrication du court-circuit à λ/4 sont serrées, ce qui tend à augmenter le coût de réalisation de l’applicateur. L’invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant un nouveau tronçon de ligne coaxiale refroidi au moyen d’un fluide caloporteur circulant dans l’âme et sans court-circuit à λ/4. Ce tronçon de ligne est avantageusement utilisé comme applicateur dans un dispositif de production de plasma. A cet effet, l’invention a pour objet un tronçon de ligne coaxiale comprenant une âme et un conducteur extérieur séparés par un milieu diélectrique, l’âme étant refroidie par circulation d’un fluide caloporteur circulant dans un canal interne à l’âme, le tronçon comprenant en outre au moins un tube traversant le milieu diélectrique et le conducteur extérieur, le au moins un tube alimentant le canal en fluide caloporteur.

On accepte de faire circuler de l’eau (ou un autre fluide caloporteur) en partie dans le milieu diélectrique durant un trajet court par rapport à la longueur du canal circulant dans l’âme. Même si l’eau est légèrement chauffée durant ce trajet, elle conserve néanmoins des propriétés thermiques suffisantes pour refroidir l’âme.

Le fait de traverser le milieu diélectrique pour alimenter le canal de refroidissement de l’âme permet de se passer du court-circuit à λ/4. On peut ainsi avec une même structure de tronçon de ligne coaxiale prévoir une utilisation large bande. Plus précisément, l’invention permet d’éviter la contrainte liée à la longueur d’onde imposée par le court-circuit. De plus, le court-circuit à λ/4 augmente inutilement la longueur du tronçon de ligne coaxiale. Pour des fréquences inférieures à 1 G Hz, la longueur du court-circuit à λ/4 peut être prohibitive. L’invention permet donc de réduire la longueur totale du tronçon de ligne coaxiale.

Le tronçon de ligne coaxiale peut comprendre deux tubes traversant le milieu diélectrique et le conducteur extérieur, le fluide pénétrant dans le canal par un premier des deux tubes et sortant du canal par un second des deux tubes.

Un premier des deux tubes peut être disposé dans un second des deux tubes.

Le conducteur extérieur est coaxial de l’âme autour d’un axe. Le ou les tubes traversent avantageusement le milieu diélectrique et le conducteur extérieur radialement par rapport à l’axe. L’âme et le conducteur extérieur s’étendent entre deux extrémités du tronçon selon l’axe. Le canal peut être replié à l’intérieur de l’âme Les deux tubes peuvent être situés dans une même section du tronçon de ligne coaxiale, la section étant perpendiculaire à l’axe.

La section est avantageusement disposée au voisinage de l’une des extrémités du tronçon et le canal peut être disposé d’un seul coté de la section.

Le au moins un tube peut comprendre une enveloppe de forme tubulaire en matériau diélectrique à l’intérieur de laquelle circule le fluide, l’enveloppe étant en contact avec le conducteur extérieur.

Le au moins un tube peut comprendre un matériau métallique de forme tubulaire entouré par l’enveloppe en matériau diélectrique.

Le conducteur extérieur est coaxial de l’âme autour d’un axe. Le canal peut comprendre un tube central s’étendant selon l’axe, une cavité disposée à l’extrémité et une cavité formée autour du tube central.

Le conducteur extérieur est coaxial de l’âme autour d’un axe. L’âme et le conducteur extérieur s’étendant entre deux extrémités du tronçon selon l’axe. Le tronçon peut comprendre un connecteur coaxial raccordé à l’âme et au conducteur extérieur, le connecteur coaxial étant disposé coaxialement au tronçon à une première de ses extrémités. L’invention a également pour objet un dispositif de production de plasma à partir d’un gaz comprenant une enceinte contenant le gaz et au moins un applicateur coaxial d’une énergie micro-ondes comprenant un tronçon de ligne coaxiale selon l’invention, l’énergie micro-ondes étant apportée au dispositif par le connecteur coaxial, une seconde des deux extrémités du tronçon débouchant dans l’enceinte. L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : la figure 1 représente schématiquement un tronçon de ligne coaxiale mettant en œuvre l’invention ; les figures 2a et 2b représentent deux variantes de réalisation de tubes permettant le refroidissement du tronçon de ligne coaxiale de la figure 1 ; la figure 3 représente schématiquement un dispositif de production de plasma dans lequel l’invention peut être mise en œuvre ; les figures 4 et 5 représentent un applicateur d’énergie microondes mis en œuvre dans le dispositif de la figure 3 la figure 6 représente une variante tronçon de ligne coaxiale.

Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.

La figure 1 représente schématiquement un tronçon de ligne coaxiale 10 comprenant une âme 11 et un conducteur extérieur 12 séparés par un milieu diélectrique 13. Le conducteur extérieur 12 est coaxial de l’âme 11 autour d’un axe 14. L’âme 11 et le conducteur extérieur 12 s’étendent entre deux extrémités 15 et 16 du tronçon 10 selon l’axe 14. Le tronçon de ligne coaxiale 10 peut être mis en œuvre dans de nombreuses utilisations où une transmission d’une onde électromagnétique est nécessaire entre les deux extrémités 15 et 16. Ce type de tronçon de ligne coaxiale est notamment utilisé pour la transmission de micro-ondes. La bande de fréquence généralement utilisée pour les micro-ondes est comprise entre 300 MHz et 3 GHz. L’invention fonctionne bien dans cette bande de fréquence. Il est néanmoins possible de mettre en œuvre l’invention au-delà où en deçà de cette bande de fréquence.

Dans l’exemple représenté, un connecteur coaxial 17 permet d’introduire l’onde électromagnétique à l’extrémité 16 du tronçon de ligne coaxiale 10. L’axe du connecteur coaxial 17 est l’axe 14 du tronçon 10. L’autre extrémité 15 du tronçon 10 peut également être équipée d’un connecteur ou de tout autre moyen permettant à l’onde électromagnétique de quitter le tronçon 10. L’âme 11 comprend un canal 20 interne dans lequel circule un fluide caloporteur, comme par exemple de l’eau, permettant de refroidir l’âme 11. Tout autre fluide caloporteur peut être mis en oeuvre dans le cadre de l’invention. Des fluides comme par exemple le méthane, le fréon, l’hélium... peuvent être mis en œuvre. Dans le cas de l’eau utilisée comme fluide caloporteur, des additifs peuvent être utilisés comme des alcools qui permettent d’abaisser sa température de solidification.

Le canal 20 est alimenté en fluide caloporteur par des tubes, deux tubes 21 et 22 dans l’exemple représenté. Le tube 21 est utilisé pour amener le fluide vers le canal 20 et le tube 22 est utilisé pour faire ressortir le fluide du canal 20. Il est également possible de prévoir un plus grand nombre de tubes permettant l’alimentation en fluide du canal 20. Le nombre de tubes et leur disposition sont définis en fonction de la localisation de zones chaudes le long de l’âme 11.

Selon l’invention, au moins un des tubes 21 et 22 traverse le milieu diélectrique 13 et le conducteur extérieur 12. Dans l’exemple représenté les deux tubes 21 et 22 traversent le milieu diélectrique 13 et le conducteur extérieur 12. Dans cette disposition les tubes 21 et 22 ne sortent pas du tronçon de ligne coaxiale 10 par l’une des extrémités 15 ou 16 qui se trouve ainsi libérée, par exemple pour accueillir plus facilement le connecteur coaxial 17. On peut ainsi mettre en œuvre un connecteur standard non prévu pour la circulation du fluide caloporteur. Le fait de disposer un connecteur coaxialement à l’axe du tronçon 10 permet de faciliter l’introduction de l’onde électromagnétique dans le tronçon 10 sans rupture dans la direction de l’onde. Cela permet par exemple de favoriser une transmission d’onde en mode TEM dans le tronçon 10. Le mode TEM est un mode de transmission dans lequel les champs électrique (E) et magnétique (H) de l’onde électromagnétique sont perpendiculaires à l’axe 14 du tronçon 10.

Afin de faciliter la traversée du milieu diélectrique par les tubes 21 et 22, ceux-ci le traversent radialement par rapport à l’axe 14. En fonction de la configuration du tronçon de ligne coaxiale 10 et de l’équipement dans lequel le tronçon est mis en œuvre, il est possible, pour les tubes 21 et 22, de traverser le milieu diélectrique 13 et le conducteur extérieur 12 en suivant une direction inclinée par rapport à une direction radiale à l’axe 14. Néanmoins, l’utilisation de la direction radiale permet de réduire la distance parcourue par le fluide caloporteur dans le milieu diélectrique 13. Cette disposition radiale est également plus facile à fabriquer.

Les deux tubes 21 et 22 peuvent être situés dans une même section 25 du tronçon de ligne coaxiale 10. La section 25 est perpendiculaire à l’axe 14. Cette disposition permet de faciliter la réalisation de pièces mécaniques permettant la transition entre les tubes 21 et 22 d’une part et le canal 20 d’autre part. Toujours en fonction de la configuration du tronçon de ligne coaxiale 10 et de l’équipement dans lequel le tronçon 10 est mis en œuvre, il est possible pour les tubes 21 et 22 de traverser le milieu diélectrique 13 et le conducteur extérieur 12 chacun selon une section différente.

Avantageusement, la section 25 est disposée au voisinage de l’extrémité 16. De plus, le canal 20 est disposé d’un seul coté de la section 25. Cela facilite la réalisation du canal 20 qui suit deux trajets 20a et 20b parallèles à l’axe 14 et un repliement 20c disposé au voisinage de l’extrémité 15. Le fluide caloporteur se déplace dans le tronçon de ligne coaxiale 10 en suivant dans l’ordre, le tube, 21, le trajet aller 20a, le repliement 20c, le trajet retour 20b et enfin le tube 22 pour sortir du tronçon de ligne coaxiale 10.

Alternativement, la section 25 peut être disposée à distance des deux extrémités 15 et 16. Le canal 20 peut alors comprendre plusieurs circulations de fluide caloporteur notamment de part et d’autre de la section 25.

Les figures 2a et 2b représentent deux variantes de réalisation des tubes 21 et 22. Les tubes 21 et 22 peuvent être réalisés dans un matériau diélectrique homogène afin d’éviter tout contact électrique direct entre le conducteur extérieur 12 et l’âme 11. A titre d’exemple, on peut réaliser les tubes 21 et 22 en polytétrafluoroéthylène ou en polypropylène homopolymère qui sont des matériaux diélectriques à faible perte. Le matériau diélectrique forme une enveloppe 21a et 22b respectivement dans laquelle circule le fluide caloporteur. L’enveloppe 21a ou 22a peut être directement en contact avec le conducteur extérieur 12 sans risquer de court-circuit avec l’âme 11.

Il est possible de rigidifier les tubes 21 et 22 en disposant un tube métallique respectivement 21b et 22b, par exemple en cuivre à l’intérieur de l’enveloppe 21a ou 22a en matériau diélectrique. Un tube métallique dont le potentiel est flottant, c'est-à-dire non raccordé électriquement à l’âme 11 ou au conducteur extérieur 12, permet de masquer la constante diélectrique du fluide caloporteur et permet ainsi de limiter les pertes diélectriques dues à la traversée du milieu diélectrique par le fluide caloporteur.

La figure 3 représente schématiquement un dispositif 30 de production de plasma dans lequel l’invention peut être mise en œuvre. Le dispositif comprend une enceinte étanche 31 dans laquelle est confiné un gaz. Un ou plusieurs applicateurs 32 d’énergie micro-ondes permettent d’exciter le gaz. Chaque applicateur 32 est formé à partir d’un tronçon de ligne coaxiale 10 tel que décrit précédemment. En fonction du domaine de pression régnant dans l’enceinte 31 et de la présence ou non d'un champ magnétique, le plasma peut être produit à la résonance cyclotronique électronique (RCE), lorsque la fréquence du champ électrique micro-onde appliqué est égale à la fréquence de giration des électrons dans le champ magnétique. Le plasma peut être produit à la résonance cyclotronique électronique (RCE), mais aussi par tout autre processus d'absorption des micro-ondes, collisionnel ou non. L’énergie micro-ondes peut être, par exemple, générée par des magnétrons ou des générateurs de micro-ondes à transistors, non représentés, raccordés aux applicateurs 32 par les connecteurs 17. Les applicateurs sont refroidis au moyen d’un fluide caloporteur. On retrouve les tubes 21 et 22 précédemment décrits. Les extrémités 15 de chacun des tronçons de ligne coaxiale 10 débouchent dans l’enceinte 31.

La figure 4 représente plus en détail un applicateur 32 d’énergie micro-ondes mis en œuvre dans le dispositif de production de plasma 30 de la figure 3. On retrouve l’âme 11, le conducteur extérieur 12 et le milieu diélectrique 13. L’extrémité 15 est destinée à déboucher dans l’enceinte 31 et l’extrémité 16 est munie du connecteur coaxial 17.

Le canal 20, permettant de refroidissement de l’âme 20, est formé d’un tube central 35 s’étendant selon l’axe 14. Le tube central 35 forme le trajet 20a amenant le fluide vers l’extrémité 15. Le trajet retour 20b est ici formé dans une cavité 36 formée autour du tube central 35. La cavité 36 est coaxiale du tube central 35. Alternativement, il est possible de faire circuler le fluide dans la cavité 36 pour le trajet aller 20a et dans le tube central 35 pour le trajet retour 20b. Les trajets 20a et 20b ont été définis à la figure 1. Le repliement du canal 20 est réalisé dans une cavité 38 disposée à l’extrémité 15 et dans laquelle débouchent à la fois le tube central 35 et la cavité 36. Cette disposition coaxiale des trajets 20a et 20b peut être mise en oeuvre pour tout tronçon de ligne coaxiale mettant en œuvre l’invention.

Un canon 40, appartenant à l’âme 11, permet de faire la liaison d’une part entre le tube 21 et le tube central 35 et d’autre part entre le tube 22 et la cavité 36. Les tubes 21 et 22 traversent de l’air formant ici le milieu diélectrique 13. Des raccords, respectivement 41 et 42 permettent de raccorder les tubes 21 et 22 à un circuit d’échange thermique, non représenté, et permettant d’échanger vers le milieu extérieur la chaleur récupérée dans l’âme 11 par le fluide caloporteur.

La figure 5 représente une variante d’applicateur 45 d’énergie micro-ondes pouvant être mis en œuvre dans le dispositif de production de plasma 30 de la figure 3. Cette variante diffère de celle de la figure 4 essentiellement par le fait que le milieu diélectrique 13 est formé soit d’air, repéré 13a, soit de matériau rigide approprié repérés 13b.

Les tubes 21 et 22 traversent l’air 13a formant ici le milieu diélectrique 13. Alternativement, il est possible de faire traverser le matériau rigide 13b par les tubes 21 et 22. Dans le matériau rigide 13b, les tubes 21 et 22 peuvent être directement formés par des perçages réalisés dans le matériau rigide 13b.

Dans cette variante, les tubes 21 et 22 traversent une pièce mécanique intermédiaire 47 fixée au conducteur extérieur 12 et au connecteur coaxial 17. Dans la variante de la figure 4, les tubes traversent directement le conducteur extérieur 12. Il est également possible de développer un connecteur coaxial particulier dont le conducteur extérieur est traversé par les tubes 21 et 22. La pièce 47 et le conducteur extérieur du connecteur sont tous reliés électriquement et remplissent tous la fonction de conducteur extérieur du tronçon de ligne coaxiale.

Il est également possible de refroidir le conducteur extérieur 12 par une autre circulation de fluide caloporteur. Le conducteur extérieur 12 comprend une cavité alimentée par des canaux réalisés dans le conducteur extérieur 12 et des raccords semblables aux raccords 41 et 42. La circulation du fluide caloporteur dans le conducteur extérieur 12 est plus simple à réaliser que dans l’âme 11. En effet, dans le conducteur extérieur 12, il n’est pas nécessaire de traverser le milieu diélectrique 13.

Les raccords 41 et 42 aussi bien que les raccords utilisés pour le refroidissement du conducteur extérieur 12 peuvent être disposés radialement par rapport à l’axe 14.

La figure 6 représente en coupe partielle une variante du tronçon de ligne coaxiale 50 dans lequel le tube 21 est disposé dans le tube 22. Alternativement, il est possible de disposer le tube 22 dans le tube 21. Le canon 51 permettant de raccorder les tubes 21 et 22 au canal 20 formé ici par le tube central 35 et la cavité 36 est adapté pour recevoir ces tubes 21 et 22. La variante du tronçon de ligne coaxiale 50 permet de simplifier la traversée du milieu diélectrique 13 par les tubes 21 et 22.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Un tronçon de ligne coaxiale (10 ; 50) comprenant une âme (11) et un conducteur extérieur (12) séparés par un milieu diélectrique (13), l’âme (11) étant refroidie par circulation d’un fluide caloporteur circulant dans un canal (20) interne à l’âme (11), le tronçon (10 ; 50) comprenant en outre au moins un tube (21, 22) traversant le milieu diélectrique (13) et le conducteur extérieur (12), le au moins un tube (21, 22) alimentant le canal (20) en fluide caloporteur.
2. 2. Le tronçon de ligne coaxiale selon la revendication 1, comprenant deux tubes (21 et 22) traversant le milieu diélectrique (13) et le conducteur extérieur (12), le fluide pénétrant dans le canal (20) par un premier (21) des deux tubes et sortant du canal (20) par un second (22) des deux tubes.
3. 3. Le tronçon de ligne coaxiale selon la revendication 2 dans lequel un premier (21) des deux tubes est disposé dans un second (22) des deux tubes.
4. 4. Le tronçon de ligne coaxiale selon l’une des revendications précédentes dans lequel le conducteur extérieur (12) est coaxial de l’âme (11) autour d’un axe (14) et dans lequel le ou les tubes (21, 22) traversent le milieu diélectrique (13) et le conducteur extérieur (12) radialement par rapport à l’axe (14).
5. 5. Le tronçon de ligne coaxiale selon les revendications 2 et 4, dans lequel l’âme (11) et le conducteur extérieur (12) s’étendent entre deux extrémités (15, 16) du tronçon (10) selon l’axe (14), le canal (20) étant replié à l’intérieur de l’âme (11) et dans lequel les deux tubes (21, 22) sont situés dans une même section (25) du tronçon de ligne coaxiale (10), la section étant perpendiculaire à l’axe (14).
6. 6. Le tronçon de ligne coaxiale selon la revendication 5, dans lequel la section (25) est disposée au voisinage de l’une des extrémités (16) et dans lequel le canal (20) est disposé d’un seul coté de la section (25).
7. 7. Le tronçon de ligne coaxiale selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le au moins un tube (21, 22) comprend une enveloppe (21a, 22a) de forme tubulaire en matériau diélectrique à l’intérieur de laquelle circule le fluide, l’enveloppe (21a, 22a) étant en contact avec le conducteur extérieur (12).
8. 8. Le tronçon de ligne coaxiale selon la revendication 7, dans lequel le au moins un tube (21, 22) comprend un matériau métallique de forme tubulaire (21b, 22b) entouré par l’enveloppe (21a, 22a) en matériau diélectrique.
9. 9. Le tronçon de ligne coaxiale selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le conducteur extérieur (12) est coaxial de l’âme (11) autour d’un axe (14) et dans lequel le canal (20) comprend un tube central (35) s’étendant selon l’axe (14), une cavité (38) disposée à l’extrémité (15) et une cavité (36) formée autour du tube central (35).
10. 10. Le tronçon de ligne coaxiale selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le conducteur extérieur (12) est coaxial de l’âme (11) autour d’un axe (14), l’âme (11) et le conducteur extérieur (12) s’étendant entre deux extrémités (15, 16) du tronçon (10) selon l’axe (14), et dans lequel le tronçon (10) comprend un connecteur coaxial (17) raccordé à l’âme (11) et au conducteur extérieur (12), le connecteur coaxial (17) étant disposé coaxialement au tronçon (10) à une première de ses extrémités (16).
11. 11. Un dispositif de production de plasma (30) à partir d’un gaz comprenant une enceinte (31) contenant le gaz et au moins un applicateur coaxial (32 ; 45) d’une énergie micro-ondes comprenant un tronçon de ligne coaxiale (10) selon la revendication 10, l’énergie micro-ondes étant apportée au dispositif par le connecteur coaxial (17), une seconde (15) des deux extrémités du tronçon (10) débouchant dans l’enceinte (31).