L’idée de ce projet est basée sur l’objectif d’obtenir un plasma peu onéreux. On entend par là que l’on voudrait un plasma généré avec une faible puissance. Les études existantes [4][5][6] (disponibles en annexe) démontrent que la puissance nécessaire à générer un plasma est moins importante si celui-ci est généré dans un trou submillimétrique. Dans ces documents, il a été expérimenté que le diamètre du trou afin d’y générer un plasma varie en fonction de la pression. Ces études décrivent alors la relation suivante : pour une pression de 0.1 bar, le diamètre optimal du trou pour obtenir un plasma est de 5 à 10mm. Comme dans ce projet, les expériences sont réalisées à pression atmosphérique (1 bar), le diamètre optimal du trou pour obtenir un plasma se situe aux environs de 0.2mm.
Principe de la cathode creuse avec électrode en aluminium
Le but est le suivant : on alimente deux électrodes en aluminium avec une haute tension afin de créer un plasma dans un trou submillimétrique usiné dans l’une d’entre elles. Les électrons vont se déplacer de l’électrode négative avec le trou jusqu’à la contre électrode positive. Les charges positives (charges neutres ionisées par l’effet avalanche) vont se déplacer de manière inverse aux électrons.
Les charges positives, étant beaucoup plus lourdes que les électrons, vont se déplacer beaucoup plus lentement que ceux-ci. Le trou submillimétrique formé dans l’électrode négative va créer une agglomération des charges positives en forme de cône. Ce cône positif va attirer les électrons disposés à la surface du trou. Ceux-ci ne se déplaceront plus de manière verticale mais horizontale, ce qui devrait générer un plasma horizontal dans le trou. Ce phénomène à haute fréquence (jusqu’au MHz) devrait créer un effet pendulaire (résonance électrique) et permettre la génération d’un plasma avec une petite puissance. Bien entendu, ceci est théorique. Pour vraiment comprendre le phénomène et être sûr que cela fonctionne, il faut réaliser des mesures et des tests sur un dispositif réel.
Les applications devraient être les mêmes qu’avec les autres sources de plasma traditionnelles (traitement de gaz, de surface, de matériau), mais avec une puissance nécessaire plus basse pour générer un plasma.
Principe de la cathode creuse avec électrode usinée sur PCB
On utilise deux électrodes en cuivre imprimées sur un PCB dans lequel est usiné un trou submillimétrique. On alimente ces électrodes avec une haute tension alternative (kHz, MHz) afin de créer un plasma dans le trou. Les électrons vont se déplacer de la contre électrode négative jusqu’à l’électrode positive et vis-versa. Les charges positives (charges neutres ionisées par l’effet avalanche), beaucoup plus lourdes que les électrons, vont se déplacer plus lentement. Lorsque l’on alimente avec une fréquence élevée (de kHz à MHz), le changement de polarité est tellement rapide que les charges positives n’ont pas le temps de changer de direction et vont donc rester à l’intérieur du trou. Par contre, le changement rapide de polarité va faire que les électrons vont se déplacer alternativement entre les électrodes de cuivre jusqu’à la colonne de charges positives créée au centre du trou. Ce déplacement à haute fréquence va créer un effet pendulaire qui devrait permettre la génération d’un plasma avec une puissance peu élevée.
Avec électrode à plusieurs trous submillimétriques
Si notre source de plasma est ponctuelle, toute l’énergie du système sera concentrée dans un même point. Une source de plasma à grande surface peut pallier ce problème. Une source de plasma à grande surface est composée d’une multitude de sources ponctuelles (par ex : trous submillimétriques) mises en parallèle.
Par exemple :
Si l’on veut séparer Na molécules d’un gaz, il nous faudra une certaine quantité d’énergie. Si toute cette énergie est accumulée dans une seule source ponctuelle, celle-ci risque d’énormément chauffer. En créant une source de plasma grande surface, cette énergie et cette chaleur seront diluées entre les sources ponctuelles. Pour notre projet, 5 trous sont percés dans une électrode usinée sur PCB avec une pastille de cuivre imprimée de chaque côté. C’est sur cette électrode que seront testés et mesurés les plasmas dans une source à grande surface.
CONCEPTION MECANIQUE
Généralité
L’un des objectifs de ce projet est de concevoir un dispositif de test permettant la génération de plasma dans les différents supports à cathode creuse et pouvant résister à des températures d’environ 100°C. Ce dispositif doit être compact afin d’optimiser le coup de fabrication et faciliter son déplacement. Le système doit être élaboré de façon à supporter le passage d’un flux de gaz et doit être conçu de manière à permettre une augmentation d’échelle sans pour autant devoir changer de design. Le dispositif doit être également facilement démontable car il faut que l’électrode à trou puisse être aisément changée selon les tests à faire. Un système pour l’alimentation électrique de l’électrode doit être également réalisé. Les pièces destinées à l’isolation électrique ont été usinées dans un matériau transparent afin de pouvoir mieux observer l’intérieur du système.
Le corps du dispositif se compose de plusieurs parties.
1) Tube ø6mm pour le transport du gaz
2) Connecteur pour tube de gaz
3) Support en aluminium pour le connecteur
4) Support transparent pour isoler électriquement le support en aluminium des électrodes à cathode creuse
5) Anneau avec connecteur pour alimenter l’électrode à trou
6) Anneau avec connecteur pour alimenter la contre électrode .
Le système peut être assemblé de deux manières différentes :
● Avec une électrode à trou en aluminium
● Avec une électrode à trou usinée sur PCB.
Le design global reste le même entre les deux montages. Cependant, il y a une légère modification dans la façon de disposer l’électrode à trou.
Electrode à trou submillimétrique en aluminium
Pour ce support, une pastille en aluminium de 20mm de diamètre et de 1mm d’épaisseur est utilisée comme électrode creuse. Un trou submillimétrique est usiné au centre de celle-ci. Quatre électrodes à trou en aluminium ont été usinées et testées. Le diamètre de l’électrode ainsi que son épaisseur restent identiques. Leur position dans le montage reste la même. Seul le diamètre du trou submillimétrique change (0.1, 0.15, 0.2 et 0.3mm) afin de pouvoir tester le plasma dans différentes conditions. La distance entre l’électrode à trou et la contre électrode est de 1mm.
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Table des matières
1 Introduction
1.1 Descriptif
1.2 Cahier des charges
2 Rappel source de plasma
3 Origine du projet
3.1 Principe de la cathode creuse avec électrode en aluminium
3.2 Principe de la cathode creuse avec électrode usinée sur PCB
3.3 Avec électrode à plusieurs trous submillimétriques
4 Conception Mecanique
4.1 Généralité
4.2 Electrode à trou submillimétrique en aluminium
4.3 Electrode à trou usinée sur PCB
4.4 Problèmes survenus et corrections apportées
5 Mesures et tests
5.1 Alimentation KHz basse tension
5.1.1 Descriptif
5.1.2 Tests et mesures effectués
5.1.3 Résultats obtenus
5.2 Alimentation MHz
5.2.1 Descriptif
5.2.2 Tests et mesures effectués
5.2.3 Résultats obtenus
5.2.4 Observations
5.2.5 Problèmes rencontrés
5.3 Alimentation KHz Haute tension
5.3.1 Descriptif
5.3.2 Tests et mesures effectués
5.3.3 Résultats obtenus
5.4 Schéma électrique équivalent du dispositif avec transformateur KHz
5.5 Comparaison du comportement en fréquence
5.6 DC continu et DC pulsé
6 Orientations futures
6.1 Mécanique
6.1.1 Dispositif avec électrode céramique
6.1.2 Dispositif avec mise sous vide
6.2 Alimentation MHz
6.2.1 Obtenir un claquage en MHz
6.2.2 Obtenir un plasma dans plusieurs trous simultanément
7 Conclusion
8 REMERCIEMENTS
9 Date et signature
10 References
11 Annexes
