Le choix de la configuration expérimentale que nous avons retenue pour cette étude a été discuté dans l’introduction de ce mémoire.
Dans cette section, nous allons dans un premier temps présenter et détailler les fonctionnalités des différents éléments de la torche micro-ondes. Nous décrivons ensuite le mode opératoire permettant de générer et d’observer le plasma dans le but de le caractériser par spectroscopie optique d’émission.
3.2.1 Elements de la torche
Les éléments principaux de la torche plasma micro-onde retenue pour cette étude sont le générateur, la tête micro-onde, l’isolateur, le guide d’ondes, le réseau d’accord d’impédance, la fenêtre séparatrice en quartz et le piston court-circuit. Le dispositif expérimental réel est présenté sur la figure 3.4.
FIGURE3.4 Photographie de la torche plasma micro-ondes.
La tête micro-ondes est composée d’un tube magnétron, d’un transformateur filament et d’un isolateur intégré. Les cavités résonantes du tube magnétron
sont accordées à la fréquence f = 2.45 GHz permettant d’exciter le mode fondamental TE10. La tête micro-ondes est alimentée par un générateur de puissance fonctionnant sous tension triphasée de 400 V en courant alternatif de fréquence 50/60 Hz et capable de délivrer une puissance maximale de 6 kW avec une stabilité de ± 1% entre 600 W et 6 kW. La puissance réellement émise par le magnétron est contrôlée sur l’écran LCD du générateur et peut être ajustée par pas de 10 W à l’aide d’une vis de réglage. Lorsqu’elle est émise par le magnétron, l’onde traverse l’isolateur qui permet de contrôler la direction de la transmission micro-onde de manière que l’onde réfléchie ne puisse interférer avec la tête magnétron et l’endommager. L’isolateur est équipé d’une charge à eau lui permettant d’absorber la puissance réfléchie et d’une sortie BNC connectée au générateur permettant de surveiller en temps réel la puissance absorbée, représentative de la puissance réfléchie. Un débitmètre est connecté à la sortie du circuit de refroidissement de l’isolateur ; ce capteur agit comme un voyant de sécurité qui arrête complètement le générateur si un débit d’eau insuffisant est détecté. La sortie de l’isolateur, adaptée à un guide d’ondes de type WR-340, est ensuite connectée au réseau de trois stubs qui permet d’accorder l’impédance du circuit de transmission à celle du plasma. Comme nous l’avons vu dans le paragraphe précédent, ce réseau permet de minimiser la puissance réfléchie au magnétron et de piéger l’énergie micro-ondes entre les vis d’accord et le plasma.
La section du guide d’ondes contenant le réseau d’accord est physiquement séparée de la section contenant le tube de confinement par une fenêtre en quartz.
Cette barrière permet, en cas de rupture du tube, de protéger l’antenne émettrice de l’impact des débris potentiellement destructifs. La section du guide d’ondes située entre la fenêtre en quartz et le piston court-circuit est conçue de façon à accepter un tube de confinement au travers duquel la décharge est créée. Dans ces travaux, nous avons utilisé un tube en quartz de diamètre intérieur de 6 mm et extérieur de 10 mm. Ce choix est le résultat de nombreux tests que nous avons effectués avec des tubes de plus grands diamètres et c’est celui qui offrait la meilleure constriction du plasma. Le dernier élément de la torche est le piston court-circuit consistant en une plaque en aluminium de position réglable. Nous avons vu dans le paragraphe précédent que ce piston permettait de déplacer les maxima et minima du champ électrique dans le guide d’ondes de façon à avoir un maximum du champ micro-onde au centre du tube de confinement en quartz lors de l’amorçage de la décharge. Ce piston permet également de corriger l’effet de l’indice optique induit par l’introduction du tube dans le guide d’ondes qui modifie la longueur d’onde des micro-ondes.
3.2.2 Amorçage de la décharge
Après avoir présenté les différents constituents de la torche, nous allons maintenant nous intéresser au processus de génération du plasma et les conditions
physiques de son entretien.
La première étape de la phase d’amorçage consiste à injecter le gaz plasmagène dans le tube de confinement en quartz via un injecteur dissymétrique permettant d’introduire le gaz dans le tube en régime tourbillonnaire (ouswirlen anglais). En fait, cette injection enswirlconfine le plasma loin de la paroi intérieure du tube en créant une couche de gaz froid autour de celle-ci [Gre00]. En effet, la température de changement de phase du quartz est de l’ordre de 1900 K et comme nous le verrons plus tard, la température du plasma peut largement dépasser cette valeur.
Enfin, une borne de commande permet à l’utilisateur d’ouvrir (ou de fermer) les vannes des débitmètres et de contrôler le débit de gaz injecté dans le tube.
La deuxième étape consiste à choisir la puissance délivrée par le générateur qui représente l’énergie portée par les micro-ondes émises par le magnétron dans le guide d’ondes et qui servira à entretenir le plasma après sa création.
L’argon, ayant servi comme gaz principal dans notre étude expérimentale, est un gaz inerte avec un champ de claquage de l’ordre de 10 kV/cm à la pression atmosphérique [Rai91]. Or, comme nous l’avons vu précédemment (cf.
Section 3.1.1), l’amplitude du champ électrique du mode TE10 est maximale au centre du guide d’ondes. Pour la gamme de puissances étudiées dans ce mémoire, à savoir 1000-2500 W, la figure 3.2 montre que cette amplitude est comprise entre 220 et 380 V/cm et qu’elle est inférieure au seuil de claquage de l’argon de plusieurs ordres de grandeur. Le besoin d’électrons germes pour initier l’ionisation tout en amplifiant le champ micro-onde se manifeste alors. Pour cela, nous insérons une pointe en tungstène au centre du tube qui permet à la fois d’amplifier le champ micro-onde (E∝1/r2avecrle rayon de la tige) et de fournir les électrons germes qui seront ensuite accélérés dans le champ micro-onde et induiront l’ionisation du gaz par collisions avec les atomes d’argon.
Une fois le plasma amorcé, nous procédons à un accord d’impédance afin de minimiser les pertes et aboutir à un couplage micro-ondes–plasma optimal.
Nous introduisons ensuite le gaz moléculaire N2-H2dans la décharge d’argon pur, toujours en surveillant la puissance réfléchie. Une fois le plasma stabilisé, nous pouvons collecter le rayonnement émis par notre plasma afin de le caractériser. La description du montage optique ainsi que du monochromateur constitue l’objet de la section suivante.
3.2.3 Montage optique, monochromateur et caméra
Afin d’acheminer le signal lumineux vers l’entrée du monochromateur, nous avons mis en place un banc optique constitué d’un jeu de lentilles et de miroirs