Alimentation de la source à 4 MHz

La source ICP a été préalablement caractérisée avant son intégration dans le propulseur ID-HALL. Pour cela, un amplificateur de signaux radiofréquence de la marque CREATIVE ELECTRONICS a été utilisé. Il amplifie des signaux pour des fréquences comprises entre 2 et 30 MHz et délivre une puissance maximale de 200 W. Afin de limiter au mieux la quantité de puissance réfléchie vers l’amplificateur, il est nécessaire de réaliser un circuit d’adaptation d’impédance de sorte que la charge vue par le générateur soit égale à la résistance de sortie du générateur, soit 50 Ω. Il existe différentes architectures standards de boîte d’accord : en L, en PI, en T, ou à transformateur. Nous décrivons dans la suite les deux modèles utilisés pour ce projet : une boîte d’accord en L commandée sur mesure pour la fréquence de 4 MHz et une boîte d’accord à autotransformateur fabriquée au laboratoire durant cette thèse.

II.4.3.1 Boîte d’accord en L

Le circuit d’adaptation d’impédance le plus couramment utilisé est le réseau d’adaptation en L. Dans ce réseau, décrit sur la Figure II.31, une borne de l’antenne est reliée à la masse et un condensateur de capacité ë_È- est installé en parallèle de la bobine. Un deuxième condensateur de capacité ë_{£, U} est placé entre l’amplificateur et l’antenne. En modifiant la capacité de chaque condensateur, l’impédance de la bobine couplée au plasma (´ , - ) peut être égalée avec l’impédance de sortie de l’amplificateur.

Les deux condensateurs de ce réseau d’adaptation d’impédance ont un rôle distinct qu’il est possible d’identifier à partir du circuit électrique de la Figure II.31. En effet, si on pose ì_{£, U} = −(ë_{£, U}b)†m et ì = - b et que l’on considère l’admittance vue à droite des bornes A et A’, on a :

í_™ = Ä_™+ ¶d_™ (II.38)

avec :

Ä_™ = _{´ + (ì}^´

Figure II.31 - Schéma électrique du réseau d’adaptation en L implémenté dans le système « bobine + plasma ».

Les équations (II.39) permettent de dimensionner les condensateurs à utiliser pour la charge ´ , - . ë_{£, U} est choisi de sorte à avoir :

Ä_™ =_{50 Ω}¹ †m _(II.40)

Ensuite, on dimensionne ë_È- de sorte à annuler la partie réactive, tel que :

bë_È- = −d_™ (II.41)

Ces boîtes d’accord fonctionnent habituellement grâce à des condensateurs variables (à air ou sous vide) car ´ et - sont des paramètres dépendant des conditions de décharge. Typiquement, pour des plasmas ICP, ´ est de l’ordre de la dizaine d’Ohm tandis que - est légèrement inférieur à - . Les capacités requises pour ë_È- et ë_{£, U} pour différentes valeurs de ´ et - sont résumées dans le Tableau II.4.

R_ð (Ω) L_ð(μH) C_©õö÷ (pF) C_ùúûü (pF) 10 6 1590 304 20 6 975 315 30 6 650 315 20 5 975 393 20 4 975 523

Tableau II.4 - Valeurs des capacités requises pour réaliser l’accord en fonction de la charge vue par le générateur.

On constate que la capacité ë_È- est très sensible aux variations de ´ . Il est à première vue nécessaire d’utiliser un condensateur variable d’une amplitude d’environ 1000 pF. Face à la difficulté de se procurer de tels condensateurs, un autre circuit d’adaptation d’impédance a été étudié, faisant l’objet de la section suivante.

II.4.3.2 Boîte d’accord à autotransformateur

II.4.3.2.1 Principe de fonctionnement

Le fonctionnement de cette boîte d’accord requiert un transformateur et un condensateur. On considère d’abord le système illustré sur la Figure II.32 où le couple (- , ´ ) représente la

charge. Le condensateur permet d’annuler la partie réactive du système, induite par - . Le dimensionnement de sa capacité suit la relation :

ë _?? =_{b -}¹ (II.42)

Figure II.32 - Circuit primaire d’adaptation d’impédance.

Le rôle du transformateur est de ramener la résistance vue au primaire à 50 Ω. En effet, si on pose µ, le rapport de transformation (le nombre de spires au secondaire divisé par le nombre de spires au primaire), _• , l’intensité électrique dans le primaire, et _?, l’intensité électrique dans le secondaire, on a la relation :

µ = ^•

? ^(II.43)

Dans le cas d’un circuit bien adapté, on a un transfert parfait de puissance électrique du primaire au secondaire, d’où l’expression :

´_{• •} = ´ _{? ?} (II.44)

ce qui donne pour µ :

µ =^´_´ ^?

• ^(II.45)

II.4.3.2.2 Optimisation et dimensionnement des composants

Plusieurs optimisations, inspirées des travaux de thèse de Lara Popelier [Popelier 2012], sont apportées par rapport au circuit d’adaptation de base. L’utilisation d’un transformateur à ligne de transmission a été privilégiée afin d’optimiser le transfert de puissance tout en réduisant l’encombrement. Le secondaire est connecté à la masse en son point milieu tandis que deux condensateurs de capacité identique ë_m sont placés entre le secondaire et l’antenne. Les deux branches du circuit secondaire sont donc symétriques, en opposition de phase, et une masse virtuelle apparait au milieu de l’antenne excitatrice. Cette conception permet de diviser par deux le potentiel aux bornes de la bobine ce qui limite la contribution du couplage

capacitif dans la décharge plasma. Afin de pouvoir adapter plusieurs résistances, il est possible de modifier le nombre de tours du primaire et du secondaire du transformateur. Un sélecteur rotatif à 5 positions (1-2-3-4-5) permet d’ajuster le nombre de tours du primaire tandis qu’un interrupteur de type « on-on » permet de doubler ou pas le nombre de tours du secondaire (a-b). Ainsi, 10 rapports de transformation sont possibles correspondant à 10 charges adaptables résumées dans le Tableau II.5.

Position : 1 2 3 4 5 a 2.5 3.1 4.1 5.5 8

b 12.5 16.3 22.2 32 50

Tableau II.5 - Ensemble des 10 charges adaptables (Ohm) par la boîte d’accord.

La boîte d’accord schématisée sur la Figure II.32 est dite « figée », car dimensionnée pour la seule impédance - . Deux condensateurs variables à air connectés en parallèle de l’antenne, de capacités identiques ë _{??, U}, sont utilisés en supplément des capacités ë_m pour adapter la charge (- , ´ ). Afin que les deux capacités soient en tout temps égales, on utilise un condensateur variable à air triple section (20-500 pF pour chaque section) [RF parts], dont l’armature est reliée à la masse. Deux sections parmi les trois disponibles constituent les capacités ë _{??, U}. Les condensateurs fixes ë_m sont des condensateurs RF supportant une tension maximale de 1 kV. Ils sont dimensionnés pour annuler l’inductance de la demi-bobine - /2 (plasma éteint) avec les capacités variables en position médiane (ë _{??, U}= 250 Sý). L’impédance totale d’une branche du secondaire á_, s’écrit alors :

á_, = ¶ #_{2 − ë}^{- b}

??, U- b −ë_m¹b$ ^(II.46)

á_, s’annule pour :

ë_m = ^{2 − ë}_{- b²}^{??, U- b²} (II.47)

On obtient une capacité ë_m d’environ 300 pF. Disposant au laboratoire de condensateurs RF de capacités égales à 800 et 1000 pF, l’association en série de 2 condensateurs de 800 pF avec 1 condensateur de 1000 pF permet d’obtenir une capacité de 286 pF, proche de la valeur requise.

Une photographie de la boîte d’accord construite durant cette thèse et son circuit électrique simplifié sont exposés sur la Figure II.33. Le bobinage du transformateur est enroulé autour d’un noyau en ferrite 4C65 (Ferroxcube) permettant de canaliser efficacement le flux magnétique RF tout en limitant les pertes fer. Ainsi, le système ne nécessite aucun moyen de refroidissement actif, même parcouru par des puissances de 100 à 200 W.

Figure II.33 - (a) Schéma électrique simplifié et (b) photographie de la boîte d’accord à autotransformateur construite durant la thèse.

On remarque enfin l’utilisation d’un deuxième condensateur variable de capacité ë_C, identique au condensateur variable utilisé pour ë _{??, U}, placé en parallèle du primaire du transformateur. Il permet d’annuler l’inductance induite par l’utilisation du transformateur grâce à l’emploi de ses trois sections, permettant d’atteindre une capacité maximale de 1500 pF.

Cette boîte d’accord, accompagnée de l’amplificateur RF CREATIVE ELECTRONICS, sera utilisée pour la caractérisation expérimentale de la source ICP. A partir des données électriques mesurées par la sonde I-V, les valeurs de ´ et - seront précisément connues. A terme, un générateur RF à 4 MHz de plus forte puissance (600 W) accompagné d’une boîte

(b) (a)

d’accord en L à réglage automatique et dimensionnée sur mesure sera utilisé pour les travaux sur le propulseur ID-HALL.