Applicateurs pour la génération du plasma

Le plasma est généré et alimenté par un générateur micro-onde état solide (SAIREM GMS200WSM56) ajustable en puissance (de 0 à 200 W, par pas de 1 W) et en fréquence (de 2400 à 2500 MHz, par pas de 0,1 MHz). Le générateur permet également d’afficher la puissance réfléchie, avec une résolution de 1 W. La réponse du générateur fournie par le constructeur à 2,45 GHz et pour 50 W de puissance consigne est tracée sur la figure 21. La largeur à mi-hauteur est de 0,4 MHz, supérieure au pas en fréquence, mais permettant une sélectivité importante par rapport à la largeur totale de la bande accessible (100 MHz). Le signal est ensuite transmis par un câble coaxial de 1,5 m de long, d’impédance 50 Ω, afin d’avoir la même impédance le long de la ligne et donc un couplage optimisé. Le signal est alors transmis à différents composants coaxiaux, à savoir un coupleur bi-directionnel permettant de mesurer la puissance micro-onde, ainsi que des connexions coaxiales pour transférer la puissance micro-onde à un applicateur plasma. Ces éléments, coupleur bi-directionnel, connexions et applicateur, dont les spécifications seront données ultérieurement, seront regroupés sous l’appellation « éléments de couplage micro-onde ». On dispose, pour générer le plasma, de plusieurs applicateurs conçus à partir de simulations électroma-gnétiques résolvant les équations de Maxwell en 3D (par CST Microwave Studio) dans toute la géométrie considérée. Un exemple d’une de ces simulations, pour le cas du surfatron, est présentée figure 22.

Figure 21 – Réponse spectrale du générateur micro-onde pour une puissance consigne de 50 W à 2,45 GHz, donnée par le constructeur.

Figure 22 – Modélisation 3D du champ électrique à l’intérieur de l’applicateur surfatron d’après [79]. Les applicateurs utilisés sont conçus pour avoir un pic de résonance dans la plage d’émission du générateur, et sont inspirés des modèles décrits dans la partie 1.4.2 et 1.4.3 et leur réponse en réflexion a été mesurée par un analyseur de réseau (Agilent 8714ET) pour confirmer ou non les simulations. Tous ces applicateurs sont percés d’un trou de 3 mm de diamètre sur toute leur longueur pour permettre le passage du capillaire. • Le premier est un applicateur de type "strip-line" circulaire. Il est composé d’un anneau en cuivre de quelques millimètres d’épaisseur et d’environ 40 mm et 20 mm de diamètres externe et interne respective-ment. Cet anneau est pris en sandwich dans un cylindre plein composé de matériau diélectrique (téflon) de diamètre 70 mm et d’épaisseur 12 mm. Ce dernier est enfin encastré à son tour entre deux disques métalliques (inox) donnant un ensemble d’environ 100 mm de diamètre et d’épaisseur 24 mm. L’ensemble est finalement enfermé dans un cylindre en inox, pour ne pas laisser apparent les éléments en téflon, pouvant résulter en des fuites de champ micro-onde, point discuté ultérieurement.

La zone où le champ sera le plus intense, et donc le "centre" du plasma, est située au milieu de l’applicateur, une partie qui n’est donc pas optiquement accessible. Cette zone inaccessible optiquement correspond à une longueur de capillaire de 2,4 cm, soit l’épaisseur totale de l’ensemble. Une représentation "ouverte" de cet applicateur est présentée figure 23.

Figure 23 – Représentation de l’applicateur strip-line utilisé, sans disque métallique ni pièce de téflon sur une moitié de son épaisseur.

• Le second est un surfatron en aluminium. Il est composé d’un cylindre interne de diamètre 20 mm et partage son axe avec un cylindre externe de diamètre interne 40 mm et de longueur 70 mm. Ces deux cylindres sont fermés à leur extrémité par un disque. La longueur du cylindre interne est plus courte de 1 mm par rapport au cylindre externe, ce qui laisse donc un "gap" de cette même longueur, lieu où le champ électrique sera le plus intense, et donc où le plasma pourra être généré. Contrairement au strip-line, sa zone de plus fort champ est accessible optiquement, mais en revanche, seule une partie du plasma sera visible, en aval de l’applicateur, l’autre partie étant cachée par ce dernier (sur toute sa longueur, soit 7 cm) ; en pratique, la décharge plasma ne s’étendra jamais au-delà de cette longueur, donc seule la partie en aval de l’applicateur sera visible. Cet ensemble est ensuite fermé par un autre disque à proximité du gap. Une représentation "ouverte" de cet applicateur est présentée figure 24.

On dispose également d’un autre modèle de surfatron, ajustable. Les dimensions sont identiques au précédent, excepté une longueur totale plus grande (95 mm) mais le "fond" de la cavité peut se déplacer le long du cylindre interne, modifiant sa longueur et permettant de déplacer la position du pic de résonance. Cette étape permet un ajustement "grossier" de la fréquence de résonance de l’applicateur, qui peut se déplacer sur une distance spectrale de l’ordre de la centaine de MHz, pour qu’elle se situe dans la gamme spectrale atteignable par le générateur. On peut alors réaliser un ajustement "fin" à partir de la variation de fréquence du générateur pour se situer précisément sur le pic de résonance. Une photographie de cet applicateur est présentée figure 25.

Figure 25 – Représentation de l’applicateur surfatron ajustable utilisé, au niveau de partie "déplaçable". La réponse en fréquence du strip-line, avec et sans le revêtement métallique extérieur (respectivement "fermé" et "ouvert") ainsi que celle du surfatron ajustable, sont mesurées afin d’obtenir leur efficacité de couplage. Cette grandeur, définie comme le rapport ^Pinp−P_ref

Pinp est tracée pour le cas de ces 3 applicateurs, en l’absence de plasma, sur la figure 26.

Figure 26 – Efficacité de couplage des applicateurs surfatron ajustable et strip-line, avec et sans revête-ment métallique extérieur ("fermé" et "ouvert"), mesurée par analyseur de réseau.

Pour le cas du strip-line, en configuration "ouverte", on atteint un maximum de l’ordre de 90 % de couplage, mais ce maximum est hors de la gamme atteignable par le générateur, avant 2,4 GHz. Sur toute la plage spectrale atteignable par le générateur micro-onde, l’efficacité de couplage reste cependant élevée, de l’ordre de 80-85 %. En configuration "fermée", on constate que l’efficacité de couplage chute, à cause du revêtement métallique qui modifie complètement la résonance, et qui n’est pas prise en compte lors des modélisations. Le maximum sur la gamme atteignable par le générateur est ici à 40 %. Cependant cette réponse spectrale n’est valable que pour le cas sans plasma, et donne donc seulement une idée de l’efficacité de couplage pour l’allumage du plasma, sa présence modifiant l’impédance de la ligne, donc le couplage. La configuration "fermée", sera toujours celle utilisée en présence de plasma, pour se prémunir des fuites de champ micro-onde.

Par rapport au strip-line, l’efficacité du sufatron, est beaucoup plus "piquée" (une FWHM de l’ordre de 10 MHz, contre environ 300 MHz pour le strip-line) et un profil beaucoup plus proche d’une gaussienne, moins bruité. Le maximum d’efficacité de couplage se trouve dans la gamme atteignable par le générateur, autour de 2,43 GHz, pour une valeur supérieure à 95 %.