Chapitre IV : Caractérisation de la source inductive
IV.2 Caractérisation de la source ICP du propulseur
IV.2.3 Caractérisation électrique par sonde courant-tension
Grâce aux mesures par sonde courant-tension, les paramètres électriques du circuit (courant, tension aux bornes de l’antenne, déphasage) ont été mesurés. Comme évoqué précédemment, la connaissance du courant permet de calculer la puissance couplée au plasma et donc d’estimer l’efficacité du transfert de puissance. La connaissance supplémentaire de la tension et du déphasage permet en plus de calculer l’impédance globale á vue par le générateur.
IV.2.3.1 Efficacité du transfert de puissance
Le courant efficace circulant dans le circuit et la tension efficace aux bornes de la bobine sont mesurés par la sonde courant tension pour une décharge en argon à des pressions de 3 mTorr et 15 mTorr. Leur évolution en fonction de la puissance couplée au plasma est visible sur la Figure IV.37. et augmentent avec la puissance avec une croissance plus forte à 3 mTorr. Pour une puissance couplée de 100 W, atteint environ 2.5 A et environ 150 V à 3 mTorr. A titre de comparaison, les mesures effectuées dans ces conditions de puissance et pression sur la source à aimant central, à 13.56 MHz, donnent un courant de 4 A et une tension de l’ordre du kV. On note ainsi l’optimisation de la source du propulseur ID-HALL en termes de courant (grâce aux ferrites) et de tension (abaissement de la fréquence et conception de la boîte d’accord). Cela explique également les difficultés rencontrées à l’allumage de la décharge (couplage capacitif moins important).
Figure IV.37 - (a) Courant efficace '¾ circulant dans le circuit et (b) tension efficace ½¾ aux bornes de l’antenne mesurés par sonde courant-tension en fonction de la puissance couplée au plasma, en argon, à 3 mTorr et 15 mTorr.
L’efficacité du transfert de puissance (Figure IV.38), calculée à partir des mesures de et suit la même évolution que dans la configuration avec aimant central. Elle augmente avec la puissance jusqu’à une valeur limite de 73 % à 3 mTorr et 77% à 15 mTorr. Dans le cas présent, la puissance dissipée par effet Joule (notamment à travers les courants de Foucault) est suffisamment modérée pour que le système de refroidissement actif à notre disposition (air comprimé) puisse évacuer efficacement la chaleur.
Figure IV.38 - Efficacité du transfert de puissance mesurée en fonction de la puissance couplée au plasma, en argon, à 3 mTorr et 15 mTorr.
IV.2.3.2 Estimation de la densité électronique
A partir du courant , de la tension , et du déphasage [, on peut déterminer la composante résistive ´ et la composante inductive - de l’impédance á vue par le générateur. En effet, si on reprend les expressions développées dans le chapitre II, on a :
´ = cos([) (IV.5)
et :
- = b sin([) (IV.6)
Sur une source non optimisée, le comportement est presque exclusivement inductif (on peut considérer l’antenne comme une bobine). Le déphasage est alors proche de 90°. A l’opposé, sur certaines sources RF optimisées [Godyak 2013] [Godyak 2006], le déphasage [ est très faible (cos ([) ≈ 1). Ces sources plasma, que l’on peut considérer comme purement résistives, ne nécessitent plus l’usage d’une boîte d’accord.
Dans notre cas, on constate au vu de la Figure IV.39 que le déphasage entre et reste important ([ ≥ 80°). La puissance apparente délivrée à l’antenne et au plasma ( = ) a diminué d’un ordre de grandeur en comparaison avec la source à aimant central. Cela se traduit par une diminution du déphasage de quelques degrés par rapport à 90°. On constate que les valeurs de déphasage sont similaires à 3 et 15 mTorr.
Figure IV.39 - Déphasage B entre '¾ et ½¾ mesuré en fonction de la puissance couplée au plasma, en argon, à 3
mTorr et 15 mTorr.
L’évolution du déphasage en fonction de la puissance est liée à celle de ´ et - (Figure IV.40). Comme montré sur la Figure IV.13, la valeur de ´ augmente avec la puissance, donc la densité électronique : le système devient de plus en plus résistif. L’inductance - diminue légèrement en passant de 6 à 5 µH, ce qui cohérent avec la littérature [Chabert 2011].
Figure IV.40 - (a) Résistance Rs et (b) inductance Ls vues par le générateur en fonction de la puissance couplée au plasma en argon à 3 mTorr et 15 mTorr.
A partir de la mesure de ´ , on peut déterminer, grâce à l’équation (IV.3), la résistance plasma ´• associée et donc en déduire une densité électronique effective 1 † CC. Dans ce calcul, il faut fixer le coefficient de couplage inductif T apparaissant dans l’expression de l’induction mutuelle = T«- -m. Dans [Chabert 2011], une étude spécifique sur les variations de T en fonction de 1 est proposée. Il est montré que T tend vers une valeur limite à partir de 1 ≈ 10mm ³ †N. Dans nos conditions, 1 > 10mm ³ †N et par conséquent, T sera gardé constant dans le modèle. La valeur de T a été choisie après ajustement entre les résultats du modèle et les mesures obtenues à 3 et 15 mTorr pour une puissance de 55 W. La même valeur de k, fixée à 0.6, sera utilisée pour toutes les simulations qui suivent.
Figure IV.41 - Densité plasma effective en fonction de la puissance couplée au plasma déterminée à partir des paramètres courant-tension de la décharge, en argon, à 3 mTorr et 15 mTorr. Les points expérimentaux obtenus par sonde de Langmuir (méthode CL) sont superposés au graphe.
La densité plasma effective obtenue à partir des paramètres électriques de la décharge est tracée sur la Figure IV.41. Celle-ci évolue quasi-linéairement avec la puissance couplée. De plus, la densité est plus importante à 15 mTorr qu’à 3 mTorr. Une comparaison avec les données expérimentales est proposée : nous avons placé les mesures de 1 obtenues au plus proche du diélectrique : une à 10 mTorr, l’autre à 3 mTorr. La mesure est choisie à cette position car, dans le modèle transformateur, la densité plasma est considérée sur l’épaisseur de peau 2. Bien que ce modèle considère une densité constante dans l’épaisseur de peau entre autres approximations, nous constatons un bon accord sur ces points de comparaison. Cette comparaison est faite dans le but d’avoir une estimation de la densité plasma en mesurant uniquement les paramètres électriques externes ( , , et [). Nous constatons ici que la mesure des paramètres électriques (diagnostic non intrusif) permet d’avoir un bon ordre de grandeur de la densité plasma.