Bilan avec plasma d’argon

On détaille ici le bilan complet dans les conditions expérimentales listées dans la partie 4.1, qui correspond aux bilans de la figure 95, sur lesquels on présente également les résultats des hypothèses "haute" et "basse" sur la figure 97.

Par rapport aux cas sans plasma, on constate une chute de la puissance réfléchie, passant de la quasi-totalité de la puissance incidente (88 %) à une fraction comprise entre 25 et 33 %. Conformément aux résultats de la partie 3.2.1, cette fraction de puissance réfléchie croît avec le débit de gaz. Avec les hypothèses extrêmes, cette fraction de puissance réfléchie peut être encadrée entre 20 et 40 %, ce qui est dans tous les cas bien supérieur à ce que donne une simple lecture au générateur. La fraction de puissance mesurée en chauffage des éléments de couplage micro-onde est relativement similaire dans les 3 cas étudiés, étant comprise entre 23 et 25 %, sans réellement de tendance significative avec le débit. Avec la prise en compte des incertitudes, cette fraction est comprise entre 15 et 35 %, restant toujours

Figure 97 – Bilans de puissance complets, représentant la fraction de puissance de chaque canal de diffusion significatif en fonction de la puissance incidente mesurée. Résultats pris à basse pression avec de l’argon pur, pour 15 W de puissance consigne, 3 conditions de débit. Les "résultats bruts" ne prennent pas en compte les incertitudes, l"hypothèse basse" les prend pour le cas où le bilan est le plus éloigné de 100 %, et l"hypothèse haute" le plus proche de 100 %.

très proche de celle de la puissance réfléchie. Enfin, la fraction de puissance mesurée en chauffage du capillaire, qui correspond donc à la fraction transmise au plasma, représente entre 13 et 19 % de la puissance incidente. Cette proportion est décroissante avec le débit, condition pour laquelle on obtient une colonne de plasma plus courte (cf. partie 3.2.1). La prise en compte des incertitudes ne fait que peu varier cette fraction, comprise entre 11 et 21 %.

Finalement, la fraction de puissance non mesurée, malgré la prise en compte de tous les canaux de diffusion de la puissance identifiés, est très proche pour les 3 cas ici étudiés, étant comprise entre 28 et 33 %, sans tendance notable avec le débit. Dans l’hypothèse "basse" cette fraction passe à 50 %, et même dans l’hypothèse "haute", il reste une fraction de puissance non-mesurée comprise entre 7 et 14 %, plus proche du cas sans plasma, mais qui reste non-négligeable.

Pour confirmer ces résultats, on réalise également d’autres bilans pour d’autres puissances consignes (5 et 10 W) et les mêmes débits d’argon. Dans un souci de commodité, on n’exposera ici que les résultats bruts, sans les cas des hypothèses "haute" et "basse" des incertitudes. Ces résultats sont représentés figure 98.

Figure 98 – Bilans de puissance complets, représentant la fraction de puissance de chaque canal de diffusion significatif en fonction de la puissance incidente mesurée. Résultats pris à basse pression avec de l’argon pur, pour 3 conditions de débit et de puissance, en ne considérant que les résultats bruts. Ces nouveaux cas nous donnent de légères variations par rapport au cas à 15 W. La fraction de puissance réfléchie décroît avec la puissance, ce qui est en accord avec le couplage pauvre aux faibles puissances pour le strip-line, atteignant des valeurs proches de 50 % pour les plus faibles puissances et les plus hauts débits testés. La fraction de puissance mesurée en chauffage des éléments de couplage micro-onde ne semble pas suivre de tendance significative avec la puissance consigne, tout comme avec le débit. La fraction de puissance mesurée en chauffage du capillaire montre une tendance significative, étant croissante avec la puissance consigne (entre 4 et 7 % à 5 W contre 13 à 19 % pour 15 W consigne), ce qui correspond également à une condition donnant une colonne de plasma plus longue. Enfin, la fraction de puissance non mesurée, reste toujours importante, comprise entre 28 et 36 %, mais ne semble dépendre ni de la puissance consigne, ni du débit d’argon.

Dans tous les cas, et contrairement à la situation sans plasma, le bilan n’est pas complété, car une part importante de la puissance incidente mesurée ne se retrouve dans aucun des canaux de diffusion de la puissance, et ce, malgré la surestimation probable de la puissance dissipée par le capillaire car comptée sous deux régions (discussion dans la partie 4.7). Cela montre la difficulté à réaliser un tel bilan de puissance, et identifier clairement chaque terme de diffusion de la puissance injectée dans un tel système. On peut néanmoins tirer des conclusions de ces bilans, en comparant les résultats obtenus par les méthodes classiques avec les enseignements tirés de ces résultats. Avec les hypothèses classiquement utilisées avec de tels plasmas, seules les mesures au générateur pour les puissances incidente et réfléchie seraient utilisées pour déterminer la puissance injectée au plasma ; dans le cas avec 15 W de puissance consigne, on aurait 14 W injectés dans le plasma (car le générateur mesure une puissance réfléchie de 1 W), soit un couplage de 93 %. Notre simple mesure des puissances incidente et réfléchie aux puissances-mètres nous montre que seuls 50 à 75 % (10 à 11 W dans l’exemple considéré) sont réellement couplés dans le système (i.e. plasma, applicateur, coupleur et connexions). A cette puissance, il faut également soustraire ce qui est mesuré comme chauffage des éléments de couplage micro-onde (i.e. applicateur, coupleur et connexions), à savoir 18 à 25 % de la puissance incidente ( 3 à 3,5 W). En soustrayant cette puissance, on se retrouverait en théorie avec la puissance réellement injectée dans le plasma, qui représente selon les cas 34 à 51 % de la puissance incidente (6,5 à 7,5 W dans l’exemple pris) qui est d’un facteur 2 ou 3 inférieure à ce qu’une lecture des mesures du générateur laisse supposer.

Néanmoins, les mesures de chauffage du capillaire, avec l’analyse d’erreurs, les calibrations et extrapo-lations des données brutes, montrent qu’on ne retrouve que 4 à 19 % de la puissance incidente dissipée en chauffage du tube (entre 2 et 3 W dans l’exemple pris), donc injectée effectivement dans le plasma. On est ici très loin des ' 90 % initiaux supposés par la méthodologie habituelle, ce qui implique une surestimation systématique de la puissance injectée dans les plasmas micro-onde d’un facteur 4 à 20. Pour synthétiser et schématiser l’évolution permise par ces mesures, on compare le cas prenant seulement en compte les mesures de puissance au générateur, et le cas avec toutes les pertes mesurées ici, en faisant la moyenne des cas à 15 W de puissance consigne, représenté figure 99. On en conclut que, même dans le cas extrême où toute la puissance non mesurée se retrouverait dans le plasma, la puissance réellement couplée au plasma serait 2 à 3 fois inférieure à ce qui est traditionnellement supposé dans la littérature.

Figure 99 – Bilan de puissance "avant" (puissances incidente et réfléchie lues au générateur, tout le reste de puissance transmise au plasma) comparé au cas "après" (puissances mesurées au puissance-mètre, pertes de chauffage des éléments de couplage micro-onde considérées, puissance transmise au plasma mesurée en chauffage du capillaire et part de puissance encore non mesurée considérée).