EP0861576A1 - Generateur de flux de plasma d'arc de configuration fermee - Google Patents

Generateur de flux de plasma d'arc de configuration fermee

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EP0861576A1
EP0861576A1 EP96934315A EP96934315A EP0861576A1 EP 0861576 A1 EP0861576 A1 EP 0861576A1 EP 96934315 A EP96934315 A EP 96934315A EP 96934315 A EP96934315 A EP 96934315A EP 0861576 A1 EP0861576 A1 EP 0861576A1
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EP
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chambers
plasma
jets
generator according
generator
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EP96934315A
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EP0861576B1 (fr
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Pavel Koulik
Vladimir Enguelcht
Rudolph Konavko
Anatolii Saitshenko
Mikhail Samsonov
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TePla AG
Original Assignee
IST Instant Surface Tech SA
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/44—Plasma torches using an arc using more than one torch

Definitions

  • the present invention relates to an arc plasma generator of closed configuration.
  • Plasma technology and particularly devices allowing the creation of a closed configuration flow can be used in surface treatment processes (sterilization, cleaning, pickling, modification, depositing coatings and films) of monolithic and dispersed materials , as well as for obtaining and processing chemicals, in the fields of electronics, automotive, metallurgy, chemistry, food industry, medicine and many others areas again.
  • Such a device for creating an arc plasma flow of closed configuration having a central zone, of uniform or lowered temperature.
  • This device illustrated in the document "Bases of the realization of the method of dynamic plasma treatment of solid surfaces", Koulik P. P. and others, “Plasmokhimia 1987", Moscow 1987, part 2, pp. 58 to 96.
  • the document cited above describes a device which contains two pairs of electrode chambers (cathodes and anodes), connected in pairs to direct current sources.
  • the parameters of the plasma channels of the electrode chambers correspond to data published in the document "The two-jet plasmatron Frounze", Genbaiev G. G. and V. S. Enguelsht, 1983.
  • two arcs light up and form four jets of plasma through which the current flows.
  • the orientation in space of the plasma jets is effected by means of external magnetic fields directed relative to the electrode chambers in such a way that the plasma jets coming from the electrode chambers converge and form a common axially symmetrical plasma flow, crossed by the currents (plasma funnel) whose cross section, perpendicular to the axis of symmetry of the flow, has a uniform or lowered temperature zone with respect to the peripheral part of the flow .
  • this known plasma generator has the shape of a plasma funnel, which allows the introduction and treatment (transformation) by plasma of different products in different forms (gaseous, liquid or solid) and allows to use this generator with high efficiency for the sterilization of surfaces, their cleaning, pickling, modification and also the deposit of film covering.
  • the disadvantage of the generator according to the prior art is that the plasma flow always has a reduced size, determined by the diameter of the resulting plasma flow.
  • a larger plasma flow would be useful, provided of course that the closed configuration of the flow is retained because it allows a central zone of uniform or lowered temperature.
  • the object of the present invention is to provide an arc flow generator of closed configuration, the cross section of which, perpendicular to the direction of the flow, has an elongated shape (plasma curtain) having a central zone of uniform or lowered temperature.
  • the invention relates to an arc plasma flow generator, of closed configuration, comprising electrode chambers working in pairs, each pair having an anode and a cathode and being connected to a direct current source, the generated plasma jets being traversed by the current and oriented in space using an external magnetic field directed so that the plasma jets coming from the chambers converge and form a common plasma flow having a central temperature zone uniform or lowered, said generator comprising at least three pairs of electrode chambers as above, and in that said chambers are arranged with respect to one another so that the assembly has symmetry without, however, all of the rooms are placed on the same circle.
  • the generator further comprises one or more orientation magnetic devices (jet) Outside of all the electrode chambers, the generator generating a common plasma stream of closed configuration, having an elongated shape having a central zone of uniform or lowered temperature with respect to the peripheral zone resulting from the convergence of at least six plasma jets.
  • orientation magnetic devices jet
  • the magnetic device determining the orientation of the plasma jets can be composed, for each electrode chamber, of three sections of magnetic conductor, two of which are arranged perpendicular to the plasma jets and the third between the plasma jets.
  • the electrode chambers can be arranged in two groups, the two groups of chambers being able to be arranged in parallel rows, and the rows being able to be rectilinear.
  • the electrodes of the same group, respectively of the same row, of chambers are all of the same polarity
  • the electrode chambers of a single group, respectively of the same row which can be made in one piece, in one piece
  • the same group, respectively the same row, of chambers contains electrodes, of opposite polarities, the electrodes of the same group or of the same row being able to be arranged so as to respect, at least partially, a alternating polarities.
  • the solution proposed by the present invention consists roughly in providing the generator with at least one pair of electrode chambers (anodes and cathodes) in addition to the two pairs of electrode chambers (anodes and cathodes) of the known generator according to the document " Koulik ", cited above
  • Figure 1 illustrates the generator according to the invention, made so that the electrode chambers are arranged in two parallel and straight rows, the references relating to Figure 1 are as follows
  • FIG. 2 shows an electrode chamber in the shape of a parallelepiped of small width of the generator according to the invention, and more particularly the following details, 2a general view; 2b. in 2d sections; the references relating to FIG. 2 are as follows:
  • Figure 3 is a schematic view illustrating the orientation of the magnetic control device of the plasma jets, in the plane of the jets, according to the invention, the references relating to Figure 3 are as follows
  • Electrode chamber (anode, cathode)
  • the electrode chambers are connected, in pairs (formed from an anode with a cathode) to current sources.
  • the proposed plasma generator consists of at least six electrode chambers generating six nets of plasma through which the current flows.
  • the orientation of the electrode chambers aims to create a plasma curtain and not, as according to the prior art, to form only a plasma funnel.
  • the arrangement of the electrode chambers in detx rows can be carried out either so that, in each row, the anode and cathode chambers succeed one another, or that the electrodes of the same row are all of the same type, c ' that is to say all anodes or all cathodes.
  • the channels of the electrode chambers through which the current flows are formed by copper diaphragms with dielectric seals.
  • the electrodes themselves (copper anode, tungsten cathode) are arranged at the input of the current channels. All parts of the electrode chambers are water cooled.
  • the current channels are traversed by the gas forming the plasma.
  • the diameter of the electrodes and the diaphragms, as well as their thickness and their number are optimized to obtain jets of plasma of high stability.
  • the spatial orientation of the plasma jets is controlled by magnetic field. This orientation control aims to force the plasma jets to keep the direction given by the current channel.
  • the plasma jets repel each other when they are of opposite polarities, and they attract in the opposite case.
  • the mutual attraction of the jets in the absence of external magnetic fields
  • the external magnetic field must, in such a case, act so as to compensate for this attraction and to restore the direction given to the plasma jets by the current channel.
  • the plasma jets repel each other, which causes a change in the distances between the different jets downstream of the electrode chambers, or slight differences in gas flow and of inevitable current between the different plasma jets.
  • the magnetic device for controlling the jets which contains, in the plane of the jets, three sections of magnetic conductors with winding coils.
  • the direction of the current in the coils is given in accordance with the direction of action on the plasma jets.
  • the size of the field can be chosen individually for each plasma jet, by varying the current in the coils.
  • the magnetic device is installed separately for each pair of electrode chambers (anode and cathode).
  • the magnetic conductor, located between the plasma jets, can coincide with the system for introducing the chemical or the treated product into the plasma curtain.
  • this arrangement has the advantage that the electrode chambers can be placed one against the other, which reduces the distance between the jets and allows their junction in the high temperature region of the plasma. in this case it is possible to produce the electrode chambers in a single block and the diaphragms in a single body. This also reduces the distance between the jets.
  • the electrode chambers have a width of 2 cm and are placed one after the other. They are thus arranged in two parallel rectilinear rows of constant polarity.
  • the generator comprises 50 pairs of electrode chamber. The current passing through each pair of chambers is 50 A, the voltage is 100 V, the power of each jet was 5 kW, and the efficiency of the heating of the gas by 50%.
  • the plasma curtain, after the junction of the jets has a length of 1 m, a width of 1 cm and a total power of 125 kW.

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Abstract

Le générateur de flux de plasma est du type à arc de configuration fermée permettant d'obtenir un flux comportant une zone centrale de température uniforme ou surbaissée. Il comporte un nombre de paires d'électrodes plus élevé, voire nettement plus élevé, que l'ordinaire de manière à permettre la constitution de rangées et surtout la réalisation d'un flux de forme allongée, soit un rideau. Les problèmes d'orientation résultant de la proximité des jets et de leur attraction/répulsion accentuée sont réglés au moyen de dispositifs magnétiques (bobines), en général au nombre de trois pour une paire de chambres à éléctrodes.

Description

Générateur de flux de plasma d'arc de configuration fermée
La présente invention concerne un générateur de flux de plasma d'arc de configuration fermée.
La technologie des plasmas et particulièrement les dispositifs permettant la création d'un flux de configuration fermée peut-être utilisée dans les processus de traitement des surfaces (stérilisation, nettoyage, décapage, modification, dépôt de revêtements et de films) des matériaux monolithes et dispersés, ainsi que pour l'obtention et le traitement de produits chimiques, dans les domaines de l'électronique, de l'automobile, de la métallurgie, de la chimie, de l'industrie alimentaire, de la médecine et dans bien d'autres domaines encore.
On connaît un tel dispositif de création d'un flux de plasma d'arc de configuration fermée présentant une zone centrale, de température uniforme ou surbaissée. Ce dispositif illustré dans le document "Bases de la réalisation de la méthode de traitement dynamique par plasma des surfaces solides", Koulik P. P. et autres, "Plasmokhimia 1987", Moscou 1987, part 2, pp. 58 à 96.
Le document cité ci-dessus décrit un dispositif qui contient deux paires de chambres à électrodes (cathodes et anodes) , connectées par paire à des sources de courant continu. Les paramètres des canaux de plasma des chambres à électrodes (cathodes et anodes) correspondent aux données de publiées dans le document "Le plasmatron à deux jets Frounze", Genbaiev G. G. et V. S. Enguelsht, 1983.
Quand les chambres à électrodes sont mises sous tension deux arcs s'allument et forment quatre jets de plasma traversés par le courant. L'orientation dans l'espace des jets de plasma s'effectue à l'aide de champs magnétiques extérieurs dirigés par rapport aux chambres à électrodes de telle manière que les jets de plasma issus des chambres à électrodes convergent et forment un flux commun de plasma symétrique axialement, traversé par les courants (entonnoir de plasma) dont la section, perpendiculairement à l'axe de symétrie du flux, présente une zone de température uniforme ou surbaissée par rapport à la partie périphérique du flux.
C'est dans cette zone que, axialement, sont in ectés, par un canal ou des canaux axiaux concentriques, la ou les composantes, gazeuses, disperses, ou sous forme monolyrique, pour leur transformation dans l'entonnoir de plasma, avant leur utilisation.
L'intérêt de ce générateur de plasma connu est dû à la configuration spécifique du flux de plasma. En effet, celui-ci a la forme d'un entonnoir de plasma, ce qui permet l'introduction et le traitement (la transformation) par le plasma de différents produits sous différentes formes (gazeuses, liquides ou solides) et permet d'utiliser ce générateur avec haute efficacité pour la stérilisation des surfaces, leur nettoyage, décapage, modification et aussi le dépôt de recouvrement de films."
L'inconvénient du générateur selon l'art antérieur est que le flux de plasma a toujours une dimension réduite, déterminée par le diamètre du flux de plasma résultant . Or il est de nombreuses applications pour lesquelles un flux de plasma de dimension plus importante serait utile, pour autant bien sûr que la configuration fermée du flux soit conservée car elle permet d'avoir une zone centrale de température uniforme ou surbaissée.
Le but de la présente invention est de proposer un générateur de flux d'arc de configuration fermée, dont la section, perpendiculairement à la direction du flux, a une forme allongée (rideau de plasma) présentant une zone centrale de température uniforme ou surbaissée. A cette fin, l'invention concerne un générateur de flux de plasma d'arc, de configuration fermée, comportant des chambres à électrodes travaillant par paire, chaque paire ayant une anode et une cathode et étant connectée à une source de courant continu, les jets de plasma générés étant traversés par le courant et orientés dans l'espace à l'aide d'un champ magnétique externe dirigé de manière que les jets de plasma issus des chambres convergent et forment un flux de plasma commun présentant une zone centrale de température uniforme ou surbaissée, ledit générateur comportant au moins trois paires de chambres à électrodes telles que ci-dessus, et en ce que lesdites chambres sont disposées les unes par rapport aux autres de façon que l'ensemble présente une symétrie sans pour autant que toutes les chambres soient placées sur un même cercle.
Selon un mode d'exécution, le générateur comporte en outre un ou plusieurs dispositifs magnétiques d'orientation (des jets) extérieurs de toutes les chambres à électrodes, le générateur engendrant un flux de plasma commun de configuration fermée, ayant une' forme allongée présentant une zone centrale de température uniforme ou surbaissée par rapport à la zone périphérique résultant de la convergence d'au moins six jets de plasma.
Le dispositif magnétique déterminant l'orientation des jets de plasma peut être composé, pour chaque chambre à électrodes, de trois tronçons de conducteur magnétique, deux desquels sont disposés perpendiculairement aux jets de plasma et le troisième entre les jets de plasma.
Les chambres à électrodes peuvent être disposées en deux groupes, les deux groupes de chambres pouvant être disposés selon des rangées parallèles, et les rangées pouvant être rectilignes.
Selon une variante, les électrodes d'un même groupe, respectivement d'une même rangée, de chambres sont toutes de la même polarité, les chambres à électrodes d'un mène groupe, respectivement d'une même rangée, pouvant être réal sées d'un seul bloc, d'un seul tenant
Selon une autre variante, un même groupe, respectivement une même rangée, de chambres contient des électrodes, de polarités opposées, les électrodes d'un même groupe ou d'une même rangée pouvant être disposées de manière à respecter, au moins partiellement, une alternance des polarités.
La solution proposée par la présente invention consiste en gros à munir le générateur d'au moins une paire ce chambres à électrodes (anodes et cathodes) en plus des deux paires de chambres à électrodes (anodes et cathodes) du générateur connu selon le document "Koulik", cité plus haut
On décrit ci-après le générateur selon l'invention, en se fondant sur le dessin ou-
- la figure 1 illustre le générateur selon l'invention, réalisé de manière que les chambres à électrodes sont disposées en deux rangées parallèles et rectilignes, les repères relatifs à la figure 1 sont les suivants
1 Chambres à électrodes
2 Jets de plasma
3 Flux résultant de plasma
4 Zone du flux de plasma de température surbaissée 5. Conducteurs magnétiques avec bobines d'enroulement
- la figure 2 montre une chambre à électrode en forme de parallélépipède de faible largeur du générateur selon l'invention, et plus particulièrement les détails suivants, 2a vue générale; 2b. à 2d sections; les repères relatifs à la figure 2 sont les suivants:
1 Jet de plasma
2 Electrode
3. Diaphragme
4 Joint diélectrique d'étanchéité 5 Canal de courant
6 Canaux de refroidissement à eau
7 Câble électrique d'alimentation
- la figure 3 est une vue schématique illustrant l'orientation du dispositif de contrôle magnétique des jets de plasma, dans le plan des jets, selon l'invention, les repères relatifs à la figure 3 sont les suivants
1. Chambre à électrode (anode, cathode)
2. Jets de plasma
3. Conducteur magnétique
4. Bobines d'enroulement
5. Lignes magnétiques
En regard de la figure 1, on constate que les chambres à électrodes sont connectées, par paires (formées d'une anode avec une cathode) à des sources de courant. Le générateur de plasma proposé est formé d'au moins six chambres à électrodes générant six nets de plasma traversés par le courant. L'orientation des chambres à électrodes vise à créer un rideau de plasma et non, comme selon l'art antérieur, à former seulement un entonnoir de plasma. Tout comme dans le document "Koulik" cité plus haut, d'une part l'orientation du flux de plasma résultant et d'autre part la détermination de la forme du flux, se font à l'aide de champs magnétiques extérieurs Ces champs magnétiques sont dirigés par rapport aux chambres à électrodes de telle manière que les nets de plasmas, issus des chambres à électrodes, forment un flux commun de plasma symétrique par rapport à une surface donnée, et traversé par les courants issus des chambres à électrodes (rideau de plasma) .
Différentes dispositions des chambres à électrodes sont possibles le long de surfaces de symétrie différentes . cône de section circulaire ou elliptique, plans parallèles, plan unique, etc. En fonction de cette disposition, on obtiendra des configurations diverses du flux de plasma, adaptables à différentes solutions pratiques, donc à différentes applications .
La disposition qui paraît mériter le plus d'attention est celle dans laquelle les chambres à électrodes sont placées en deux rangées parallèles, situées dans deux plans qu se coupent. Dans ce cas, il se forme un flux de plasma unique qui résulte de la convergence des zones initiales des τe.ts de plasma issus des chambres à électrodes, dont la température est élevée et le flux de plasma résultant a la forme d'un rideau plat présentant une zone de température uniforme ou surbaissée dans sa partie médiane.
La disposition des chambres à électrodes en detx rangées peut s'effectuer soit de manière que, dans chaque rangée, les chambres d'anode et de cathode se succèdent, soit que les électrodes d'une même rangée soient toutes du même type, c'est-à-dire toutes des anodes ou toutes des cathodes.
Les canaux des chambres à électrodes, traversés par le courant sont formés par des diaphragmes en cuivre avec joints diélectriques d'étanchéité. Les électrodes elles-mêmes (anode en cuivre, cathode en tungstène) sont disposées à l'entrée des canaux de courant. Toutes les pièces des chambres à électrodes sont refroidies à l'eau. Les canaux à courant sont parcourus par le gaz formant le plasma. Le diamètre des électrodes et des diaphragmes, ainsi que leur épaisseur et leur nombre sont optimisés pour obtenir des jets de plasma de haute stabilité.
L'orientation dans l'espace des jets de plasma est contrôlée par champ magnétique. Ce contrôle d'orientation vise à forcer les jets de plasma à conserver la direction donnée par le canal de courant .
Sous l'action de leurs champs magnétiques propres, les jets de plasma se repoussent mutuellement quand ils sont de polarités opposées, et ils s'attirent dans le cas inverse. Quand les chambres à électrodes sont de même polarité dans une rangée, l'attraction mutuelle des jets (en l'absence de champs magnétiques extérieurs) fait que les jets de plasma aux extrémités de la rangée sont sensiblement inclinés vers le milieu du rang. Le champ magnétique extérieur, c'est à dire le contrôle dont il est question plus haut, doit, dans un tel cas, agir de manière à compenser cette attraction et à rétablir la direction donnée aux jets de plasma par le canal à courant.
Dans le cas où les polarités des jets d'un même rang sont alternées, les jets de plasma se repoussent, ce qui provoque un changement des distances entre les différents jets en aval des chambres à électrodes, ou de légères différences de débit de gaz et de courant inévitables entre les différents jets de plasma.
L'application de champs magnétiques externes permet de rendre aux jets de plasma des caractéristiques d'orientation souhaitable et corrige dans une large mesure les effets dus à leur voisinage. Dans tous les cas, la force magnétique doit être orientée dans le plan des jets de plasma, perpendiculairement à leur direction d'écoulement.
En regard de la figure 3, on observe le dispositif magnétique de contrôle des jets qui contient, dans le plan des jets, trois tronçons de conducteurs magnétiques avec des bobines d'enroulement. La direction du courant dans les bobines se donne en concordance avec la direction d'action sur les jets de plasma.
La grandeur du champ peut être choisie individuellement pour chaque jet de plasma, par variation du courant dans les bobines. Le dispositif magnétique est installé séparément pour chaque paire de chambres à électrodes (anode et cathode) . Le conducteur magnétique, situé entre les jets de plasma, peut coïncider avec le système d'introduction du produit chimique ou du produit traité dans le rideau de plasma. La disposition en rangées des chambres, avec aLternance de polarité dans la rangée, simplifie le contrôle magnétique car les jets traversés par le courant compensent partiellement le champ magnétique propre (à l'exception des jets d ' extrémités) .
Néanmoins, vu le risque de court-circuit entre les chambres de polarité différentes, la distance entre elles doit être telle que ce court-circuit est exclu. Cela revient à augmenter la distance entre les jets de plasma et à éloigner l'endroit de leur convergence vers des zones de plus basse température .
La disposition en rangées des chambres, avec la même polarité pour toute la rangée, exige une action plus intense sur les jets de la part des champs magnétiques externes (surtout sur les jets d'extrémités) . En revanche, cette disposition présente l'avantage que les chambres à électrodes peuvent être placées l'une contre l'autre, ce qui diminue la distance entre les jets et permet leur jonction dans la zone de haute température du plasma En outre, il est possible dans ce cas de réaliser les chambres à électrodes en un seul bloc et les diaphragmes d'un seul corps. Cela aussi permet de diminuer la distance entre les jets.
Dans un exemple pratique plus précis de réalisation, les chambres à électrodes ont une largeur de 2 cm et sont placées à la suite l'une contre l'autre Elles sont ainsi disposées en deux rangées rectilignes parallèles de polarité constante Le générateur comporte 50 paires de chambre à électrodes. Le courant passant dans chaque paire de chambres est de 50 A, la tension est de 100 V, la puissance de chaque jet était de 5 kW, et le rendement de 1 ' échauffement du gaz de 50 %.
Le rideau de plasma, après la jonction des jets a une longueur de 1 m, une largeur de 1 cm et une puissance totale de 125 kW.

Claims

REVENDICATIONS
1. Générateur de flux de plasma d'arc, de configuration fermée, comportant des chambres à électrodes travaillant par paire, chaque paire ayant une anode et une cathode et étant connectée à une source de courant continu, les jets de plasma générés étant traversés par le courant et orientés dans l'espace à l'aide d'un champ magnétique externe dirigé de manière que les jets de plasma issus des chambres convergent et forment un flux de plasma commun présentant une zone centrale de température uniforme ou surbaissée, caractérisé par le fait que le générateur comporte au moins trois paires de chambres à électrodes telles que ci-dessus, et en ce que lesdites chambres sont disposées les unes par rapport aux autres de façon que l'ensemble présente une symétrie sans pour autant que toutes les chambres soient placées sur un même cercle.
2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un ou plusieurs dispositifs magnétiques d'orientation (des jets) extérieurs de toutes les chambres à électrodes, le générateur engendrant un flux de plasma commun de configuration fermée, ayant une forme allongée présentant une zone centrale de température uniforme ou surbaissée par rapport à la zone périphérique résultant de la convergence d'au moins six jets de plasma.
3. Générateur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le dispositif magnétique déterminant l'orientation des jets de plasma est composé, pour chaque chambre à électrodes, de trois tronçons de conducteur magnétique, deux desquels sont disposés perpendiculairement aux jets de plasma et le troisième entre les jets de plasma.
4. Générateur selon l'une des revendications précédentes caractérisé par le fait que les chambres à électrodes sont disposées en deux groupes.
5 Générateur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les deux groupes de chambres sont disposés selon des rangées parallèles.
6. Générateur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les rangées sont rectilignes
7. Générateur selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé par le fait que les électrodes d'un même groupe, respectivement d'une même rangée, de chambres sont toutes de la même polarité.
8. Générateur selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé par le fait qu'un même groupe, respectivement une même rangée, de chambres contient des électrodes de oolarités opposées.
9. Générateur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les électrodes d'un même groupe ou d'une même rangée, sont disposées de manière à respecter, au moins partiellement, une alternance des polarités.
10. Générateur selon les revendications 4 à 7, caractérisé par le fait que les chambres à électrodes d'un même groupe, respectivement d'une même rangée, sont réalisées d'un seul bloc, d'un seul tenant.
EP96934315A 1995-11-13 1996-11-12 Generateur de flux de plasma d'arc de configuration fermee Expired - Lifetime EP0861576B1 (fr)

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