Principe de la cathode creuse avec électrode en aluminium

De nos jours, les sources de plasma sont utilisées par de nombreuses technologies issues de la production industrielle, par exemple : pour la production de semi-conducteur, le traitement des matériaux, la découpe du verre ou la séparation des molécules composant un gaz. Le premier objectif de ce travail de diplôme est de designer et concevoir la mécanique d’un dispositif permettant la génération de plasma dans une source ponctuelle. Pour ce projet, des trous submillimétriques sont utilisés comme source ponctuelle afin d’exploiter le principe de cathode creuse. C’est une technologie encore nouvelle et peu explorée, quelques études ont été réalisées sur ce procédé et ces études déclarent qu’avec cette source ponctuelle, la puissance nécessaire pour générer un plasma serait plus basse qu’avec les sources de plasmas déjà existantes dans l’industrie. Les tests et les mesures réalisés lors de ces études n’ont été faits qu’avec un certain nombre de gaz et avec une plage de fréquence spécifique. L’objectif de ce projet est d’expérimenter cette technologie avec une mécanique plus adaptée, des flux de gaz différents et une plage de fréquences plus large. La mécanique de ce système doit être compacte, résistante en température et doit permettre le passage d’un flux de gaz dans le plasma. Mais surtout, le montage du dispositif doit permettre la possibilité de changer facilement le support à trou submillimétrique dans lequel va être généré le plasma. La suite du projet consiste à réaliser une multitude de tests et mesures sur les plasmas générés dans différents supports à trou submillimétrique. Ces mesures permettent d’obtenir la valeur de la puissance nécessaire pour générer un plasma et de déterminer en fonction des différents paramètres de réglage, quels sont la mécanique, le flux de gaz et l’électronique de puissance les plus adaptés pour optimiser cette puissance nécessaire.

RAPPEL SOURCE DE PLASMA 

Le plasma se forme dans un gaz ou dans un isolant électrique lorsque celui-ci est soumis à une haute température (environ 2000°C) ou lorsqu’on applique une tension très élevée à ses bornes, c’est-à-dire lorsqu’on le soumet à un champ électrique intense. Le champ électrique dépend également de la distance entre les bornes. La pression environnante et le matériau ou le gaz dans lequel est généré le plasma influencent également les conditions pour obtenir un claquage.   fonctionnement est le suivant : on met deux électrodes aux bornes d’un gaz électriquement neutre. Grâce au champ électrique, on accélère les électrons d’une électrode à l’autre à travers le gaz. Ces mêmes électrons vont alors percuter les charges neutres composant le gaz. Si lors de cette collision, les électrons ont une énergie cinétique supérieure à l’énergie qui rattache les autres électrons à leur atome de charge neutre, ces même atomes de charge neutre vont perdre des électrons et vont être chargés positivement (on dit qu’ils se ionisent). Ces électrons perdus vont à leur tour percuter d’autres charges neutres qui vont à nouveau perdre des électrons, et ainsi de suite. On appelle cela l’effet avalanche. Lorsque l’ionisation est assez importante pour que le nombre d’électrons par unité de volume soit assez élevé par rapport à celui des molécules neutres, le gaz devient alors un fluide très conducteur que l’on appelle plasma. Du fait de leurs propriétés réactives, les plasmas ont de nombreux domaines d’application : découpe du verre, traitement d’un gaz, séparation de molécules, traitement de surface des matériaux, etc.

Lors du projet de semestre [1] réalisé en début d’année, une source de plasma ponctuelle avec une pointe a été étudiée. Cette étude a permis de démontrer quelles sont les typologies d’électronique de puissance qui permettent la génération de plasma. Ce travail nous a également donné un ordre de grandeur sur la puissance nécessaire à générer un plasma et la valeur de la tension de claquage en fonction de la distance entre les électrodes.

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.

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

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