JP2002515639A - プラズマ・ジェットによって物理的かつ化学的に活性の環境を形成する方法および関連するプラズマ・ジェット - Google Patents

プラズマ・ジェットによって物理的かつ化学的に活性の環境を形成する方法および関連するプラズマ・ジェット

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ジャンカ、ジャン
カピカ、ヴラティスァヴ
スラヴィセック、パヴェル
サウル、ペトル
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マサリコヴァ ユニヴェルツィタ
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Abstract

(57)【要約】 この方法は、少なくとも１つの外部供給源（３）から、電磁エネルギーの密度を局所的に高める要素（14）を含む少なくとも１つの中空電極（１）に電気エネルギーが伝導され、それにより、電極（１）のキャビティ内部および／または電極のオリフィス、ならびに外部環境内で強力な放電が生成されることから成る。このプラズマ・ジェットは、流れる作動媒体（５）に対して横断方向および／または長手方向に作用する設計要素（12）および／または物理要素（17）から成る、中空電極（１）内部および／または電極のオリフィスおよび／または電極の外部で電磁エネルギーの密度を局所的に高める少なくとも１つの要素（14）を含む導電材料または導電誘電材料の少なくとも１つの中空電極（１）から成り、さらに、調節要素、変換要素、および伝達要素のシステムから成るインピーダンス適応部材（４）を介して中空電極（１）の導電部上に取り付けられた少なくとも１つの供給源（３）または電磁エネルギーで構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、プラズマによる、電磁エネルギーの様々な形態への変換、およびプ
ラズマ・ジェットから被処理物体への配向された伝達を可能にする、プラズマ・
ジェットによって物理的かつ化学的に活性の環境を形成する方法に関する。
【０００２】 （背景技術） 物体または化学化合物を処理するために使用される物理的かつ化学的に活性の
環境を形成するために、現在、電磁エネルギーに基づいて様々な方法で生成され
、活性化された媒体に影響を与えるか、あるいは被処理物体に直接影響を与える
広範囲の放電が使用されている。
【０００３】 非対称出力を有する高周波数（hf）エネルギー源に適応部材を介して取り付け
られたジェットとこのエネルギー源の第２の出力に取り付けられた接地された電
極との間の領域で、プラズマによって動作ガスを空間的に配向して化学的に活性
化する方法がチェコ特許第246982号から知られている。この方法の用途は、低圧
、ガス状の作動媒体、および外部プラズマ環境に限られている。
【０００４】 1990年９月９日に優先権が主張されたPV03925-90.JCZおよび国際公開公報第95
/11322号から、ジェットを通過する動作ガスを活性化する放電の生成が常に、い
わゆる高周波数中空陰極の動作方式で中空電極内部で行われる前述の方法の修正
例が知られている。国際公開公報第95/11322号では、PV03925-90.JCZとは異なり
、放電動作方式および非放電動作方式を交互に使用して電極の材料がスパッタリ
ングされ、PV03925-90.JCZでは、ジェットの外側に軸対称的に位置する永久磁石
を使用してプラズモケミカル・プロセスが配向される。この２つの方法は、低圧
、ガス状の作動媒体、および外部プラズマ環境に限られている。
【０００５】 国際公開公報第96/16531号によれば、線形のいわゆるhf中空陰極によりガス状
の作動媒体内で低圧の下でプラズマが生成され、永久磁石または電磁石からの軸
対称磁界以外の追加の磁界によってプラズモケミカル・プロセスが配向される。
【０００６】 スウェーデン特許第9302222-6号から、中空電極がマイクロ波から供給される
前述の特許の修正例が知られている。
【０００７】 上記の方法および装置の性能に関する主要な欠点は、102-3Paまでの低圧、ガ
ス状の作動媒体、および外部プラズマ環境に限られることである。
【０００８】 Jpn.J.Appl.Phys. 33 (1994)、L197から、大気圧の下でhfプラズマを生成する
方法が知られている。この場合、hf放電は、中空形状を有する電極内では生成さ
れず、ガス状態の作動媒体のみが内部を流れる誘電チューブに挿入された小形針
電極上で生成される。この方法および装置の欠点は、放電が完全に針電極上で生
成され、そのため、流れる作動媒体を活性化するプラズモケミカル・プロセスが
中空電極内の放電の場合ほど効果的ではないことである。これは、配向された反
応チャネルが形成され、他の物体または作動媒体を活性化することのできる、気
相で形成された媒体でのみ適用可能である。
【０００９】 Plasma Sources Sci. Technol. 6、1997年、468ページないし477ページには、
流動方式なしでガス中で直流中空陰極型の高圧放電を生成する方法が記載されて
いる。この装置は２つの電極から成り、このうちの陰極は、内径が約0.2mmない
し0.7mmの円柱対称性を有し、中空陰極に直接連結された陽極から誘電材料層に
よって分離されたキャビティを有する。したがって、流動方式なしでガスのみが
使用されるので、これはプラズマ・ジェットではない。この装置が、他の活性化
された作動媒体または物体を活性化するか、あるいは適応させるために使用され
ることはなく、電極は直流源からしか供給されない。
【００１０】 チェコ特許第282566 B6号およびProc. of 18th Symp. on Plasma Phys. and T
echnology、プラハ、1997年、144ページないし146ページから、少なくとも一方
の電極の近傍の電界の強度が、この電極が固体および／またはガス状の誘電体に
よって部分的に覆われることによって増大し、かつ電極材料、固体および／また
はガス状の誘電体、および／または水の接触によって電極の表面上にスポットが
形成される（様々な誘電定数を有するいわゆる「三重点」）ことを特徴とする、
水中、あるいはパルス放電が加えられる電極同士の間に混合物を有する水中で多
量のコロナ放電を生成する方法が知られている。この種の方法を実行する装置は
、同時に、上記の液体媒体が内部を徐々に流れる一方の電極でもある、大形の円
筒状金属リアクタから成る。このリアクタの軸の長手方向に第２のロッド状電極
が配置される。放電を生成するこの方法は、水性媒体内でしか行うことができな
い。この装置は大型であり、（10MW程度のパルスを生成する（Proc. of the 18t h Symp. on Plasma Phys. and Technology、プラハ、1997年、144ページないし1
46ページ））直流電気エネルギーの非常に有効なパルス供給源を使用しないかぎ
り機能しない。
【００１１】 すべてのこれらの方法は、プラズマ生成装置の精密で非常に特定の構成と極め
て特定の動作条件（動作環境、媒体、圧力、温度、励起電磁エネルギーの周波数
、エネルギー源の電力出力など）と密接に関連がある。実際に使用される設備は
通常、専用の設備であり、広大であり、閉鎖された部屋（たとえば、真空設備）
を必要とするか、あるいはエネルギー消費量が高く（たとえば、プラズマトロン
、数10kW）、あるいは高度な放電生成方法（パルス・コロナなど、数10kWないし
MWのパルスを生成する）を必要とする。単一の設備によってソース電圧の周波数
スペクトル全体で行われる、より高い圧力下での、目標の空間に正確に向けられ
、十分に細密であるが効果的である表面的または小規模の、物体の適応化は現在
までのところ存在しない。
【００１２】 （発明の開示） 上記の欠点は、性能が約100Wないし103Wで電圧振幅が101Vないし104V程度であ
り、ss、nf、hf、またはマイクロ波（vhf）の周波数範囲での変調が可能である
少なくとも１つの外部供給源から、内部を作動媒体が流れる少なくとも１つの中
空電極に電磁エネルギーが伝導され、電極キャビティおよび／または電極のオリ
フィスの長手方向および／または横断方向に電磁界が形成され、同時に、電磁エ
ネルギーの密度を局所的に高める要素の作用と、作動媒体内および中空電極の表
面上での粒子の衝突プロセスとによって電荷の自由キャリアが生成され、それに
より、電極キャビティ内部および／または電極のオリフィス、ならびに外部媒体
内で、強力な放電が生成されるか、あるいは、徐々に活性化される作動媒体内の
流れによって運ばれる独自の内部流を有する一次放電および線状放電と、このよ
うに形成されるプラズマとのシステムが、この流れおよびさらに活性化する作動
媒体と共に、亜音速または超音速で中空電極を通って外部媒体に流れ、同時に、
圧力103Paないし106Paで先細の反応チャネルを生成する本発明により、プラズマ
・ジェットによって物理的かつ化学的に活性の環境を生成する方法によって解消
される。
【００１３】 作動媒体によって運ばれる放電への電磁エネルギーの伝達は適合させられる。
【００１４】 作動媒体および外部媒体はガス、液体、またはそれらの混合物、あるいは固体
粒子とガス、液体、またはそれらの混合物との混合物である。
【００１５】 プラズマを生成し作動媒体を活性化するプロセスは有利には、永久磁石および
／または電磁石あるいはそれらのシステムから形成される他の電磁界によって共
に生成され制御される。
【００１６】 本発明によって物理的かつ化学的に活性の環境を生成するプラズマ・ジェット
は、流れる作動媒体に対して横断方向および／または長手方向に動作する構造要
素および／または物理要素によって構成された、中空電極内部および／または電
極のオリフィスおよび／または電極の外側で電磁エネルギーの密度を局所的に高
める少なくとも１つの要素を有する導電材料または導電誘電材料少なくとも１つ
の中空導電電極によって形成され、さらに、調節要素、変換要素、および伝達要
素のシステムを介して中空電極の導電部分に取り付けられた少なくとも１つの電
磁エネルギー源によって構成されることから成る。
【００１７】 設計要素は、電極材料の粗表面および／またはキャビティ、および／または電
極内部および／または電極の外部および／または電極のオリフィスに配置された
、突起および／または点および／または縁部、および／または中空電極内部に形
成された開口部および／またはスリット、および／または電極の導電部の誘電材
料との接触場所から成る。
【００１８】 物理要素は、中空電極とは異なる電位を有する補助電極および／または荷電粒
子またはより高いエネルギー・レベルの励起粒子として励起される粒子の供給源
および／または流れる作動媒体に対して横断方向および／または長手方向に動作
する高いエネルギーを有する光子または粒子の供給源から成る群から選択される
。
【００１９】 有利には、中空電極の内部または外部に磁石および／または電磁石が配置され
る。
【００２０】 中空電極は、手動操作または機械的操作を可能にする非導電ホルダに固定され
る。
【００２１】 このように、互いに連結することができ、かつプラズマ・ジェットのキャビテ
ィまたは電極のオリフィスの壁から吹き飛ばされ外部環境に送られる、基本的な
４種類の、極めて可変性が高く極めて動的な高圧１極（電極にhfエネルギーを供
給する）または２極（帯域制限のない電磁エネルギー源）放電または放電のシス
テムを形成することが可能である。これらの基本的な種類の放電を以下に示す。 １．プラズマ・ジェットの設計要素であり、かつ／またはプラズマ・ジェットを
形成し、中空電極から吹き飛ばされるか、あるいは中空電極のオリフィスの壁お
よび／または中空電極のキャビティのシステム（マルチセルラ放電）から吹き飛
ばされる、中空電極内部で生成される高圧放電または放電のシステム。この放電
または放電のシステムは、次の２つの制限状態によって特徴づけられる。 ａ）プラズマは、電極キャビティ内部の、電極上の電圧振幅の負部分でのみアク
ティブに生成される（中空電極は陰極であり、周波数約1kHzからプラズマが電極
キャビティに常に維持される）。 ｂ）プラズマは、（たとえば、電磁エネルギーの密度を局所的に高める上記の要
素によって）電極の電圧振幅にかかわらず電極内部でアクティブに生成される。 １．誘電材料層によって少なくとも部分的に放電から分離された中空電極から吹
き飛ばれるか、あるいは中空電極のオリフィスの壁および／または中空電極のキ
ャビティのシステムから吹き飛ばされる高圧「強化（aggravated）」放電または
放電システム。 ２．種類１および２の放電と連結され、中空電極の誘電要素によって生成される
高圧放電または放電システムは、以下によって生じる。 ｃ）分極、および／または誘電チューブの壁および縁部または電極ジェットの他
の誘電要素上への分極電荷の蓄積。 ｄ）遷移導電材料（および／または異なる誘電定数の誘電材料）上の電磁エネル
ギーの密度の増大。 １．中空電極の外側の外部環境で放電１ないし３と連結される高圧放電または放
電システム、あるいは放電１ないし３で生成されるプラズマの閃光。
【００２２】 上記の装置による個々の放電または放電のシステムの立上げおよび定常的な生
成は、以下の設計条件、動作条件、および存在条件を満たしたときに行われる。
１．最初の種類の放電の立上げは、所与の圧力下での所与の作動媒体内の中央の
自由電荷軌跡が基本的に低く、かつ軌跡の大きさがプラズマ・ジェット・キャビ
ティおよび／または電極のオリフィスの外側の放電空間の最小寸法に匹敵すると
いう条件の下で、さらに、電極キャビティの断面の最小寸法が電極からの負の光
の最小距離よりも大きいという仮定の下で直流または低周波数のプラズマ・ジェ
ットが供給されたときに生じる。 ２．第２の種類の放電は、いわゆる「強化（aggravated）」型の放電が中空電極
内部で使用されるとき、すなわち、特に高周波数エネルギーを伝達するために内
側放電空間が誘電材料層によって電極キャビティの導電部から分離されるときに
かぎり、所与の圧力下での所与の作動媒体内の中央の自由電子軌跡とキャビティ
の内側放電空間および／またはキャビティのオリフィスの外側の放電空間を構成
するプラズマ・ジェットのキャビティ断面の最小寸法との相互関係によって制限
されない。
【００２３】 電極ジェットのオリフィスから吹き飛ばされる放電または放電のシステムは、
種の多様性が顕著であるにもかかわらず、選択される設計態様、使用される作動
媒体、および適用方法に応じて300Kと1000Kの間で変動するOH分子の回転温度か
ら近似されるプラズマ中の中立粒子の温度によって部分的に特徴付けることがで
きる。
【００２４】 ガス状環境またはプラズマ環境での低圧（約100Paないし103Pa）下では、これ
らの放電は、中空形状のプラスマ・ジェット（中空電極など）から吹き飛ばされ
るある既知の種類の電荷に連続的に流入する。
【００２５】 本発明による方法および装置は、あらゆる媒体およびあらゆる圧力で使用する
ことができる。
【００２６】 本発明の方法および装置は、以下の場合に使用可能である。 １．プラズマ・ジェットを通って流れるガス、液体、ガスと液体の混合物、また
は液体由来の粉塵粒子または小さな物体を活性化し修正するための目標とする方
法。 ２．物体の表面を修正する。 ３．処理済みの物体の体積を修正する。 ４．浸漬または分散された小さな物体または処理済みの物体中に位置する化合物
を修正する。 ５．処理済みの物体および／または化合物に結果的に影響を与える他の作動媒体
を活性化する。 ６．プラズマ・ジェットの材料またはその一部を変更する。 ７．固状、液状、ガス状、プラズマ状、または混合状態の化合物をプラズモケミ
カル合成する。 ８．本発明は、（特に、高周波数放電生成方法で）生物学的対象にも使用可能で
あり、その他の用途にも使用可能である。
【００２７】 プラズマを用いた手作業では、プラズモケミカル・プロセスおよび処理済み物
体に対するその効果をただちに直接検査することが可能である。これは、物体が
プラズモケミカル・リアクタ内に配置されるときは除外されるか、あるいはかな
り制限される。
【００２８】 （発明を実施するための最良の形態） 中空電極の設計態様およびプラズマ・ジェットの図示の例
【００２９】 中空電極１の基本設計態様は、電磁エネルギーの密度を局所的に高める少なく
とも１つの要素、たとえば、電極１のキャビティ13の粗な表面、あるいはたとえ
ば図５に表されたノーズ、あるいは図４、図５の点、または図３および図４に表
わされた中空電極１に作られた縁部、開口部、またはスリットで構成された設計
要素12を有する中空シリンダである。
【００３０】 電磁エネルギーの密度を局所的に高める要素は、電極１のキャビティ13または
電極のオリフィスに導入される物理要素17でもよい（図10b、図10d、図12b、図1
5）。
【００３１】 他の設計態様は前述の態様に基づくものである。中空電極１の基本態様は、誘
電部品によって構成される。電極１の内壁および／または外壁は、誘電材料18の
層、および／または導電部19を囲む完全誘電材料18および／または中空誘電材料
18および／または多孔性誘電材料18のシステムで少なくとも部分的に覆われてお
り、かつ／または、18が誘電材料であり19が導電部である図12a、図12bに表わさ
れているようにキャビティの内側にある。
【００３２】 中空電極１は、図５、図６に示すように電極１に作られたキャビティ13のシス
テムで構成されている。図７によれば、内部を作動媒体５が流れるキャビティ13
は、導電性または非導電性の多孔性材料16、たとえば、ボールやネットの間の空
間で形成されている。電極１のキャビティ13は、らせん状に巻かれたプレート、
または図８、図9a、図9bに表わしたように互いに重ね合せられたシリンダまたは
その一部のシステムで形成することもできる。これらのシリンダは長手方向に互
いにずらすことができ、中央に位置するシリンダは中空である必要はない（満た
された点）。
【００３３】 他の設計態様は、図10a、図10b、図10c、図10dに表わした電極１のキャビティ
13を構成するセグメント15のシステムである。個々のセグメント15は、誘電材料
18（図10c、図10d）によって互いに分離するか、あるいは自由に集合し（図10a
、図10b）作動媒体によってのみ互いに分離することができる。図16に表わした
中空電極１の設計は、絶縁誘電材料18、または鉛筆や彫刻用具などプラズマ処理
される物体の表面を修正することが可能な他の器具を介して電極１にしっかりと
固定された、微細な繊維のクラスタまたは束29、あるいはガラス、金属、陶器、
綿、馬の毛、合成繊維などの無機材料または有機材料のスワブを有する。
【００３４】 例１ プラズマ・ジェットを実施する最も簡単な設計態様が、プラズマ・ジェットの
周囲環境が、ガス状態またはプラズマ状態であり、約103Paよりも高い圧力を有
し、かつ／または自由大気中にあるか、あるいは大気圧よりも高い圧力を有する
場合について図１に表されている。電極１は、そのキャビティ・オリフィス13の
尖った縁部で構成された、電磁エネルギーの密度を局所的に高める要素14を含む
円錐狭窄部を有する中空シリンダの形である。このタイプは好ましくは、外部対
向電極を有するシステムで使用され、あるいはキャビティ13内部で放電を生成し
、さらに電極１内部で放電を生成する物理要素17として働く。
【００３５】 内部を動作ガス５が流れる中空電極１には、調節要素、変換要素、および伝達
要素から成るインピーダンス適応部材４を介して、ss、nf、hf、またはvhfの供
給源３が取り付けられている。中空電極１は、プラズマ・ジェットを容易に制御
できるようにする誘電材料の可動ホルダ２に固定されている。中空電極１のオリ
フィスの点で、高密度の電磁エネルギーが生じ、このエネルギーが、流れる作動
媒体５によって電極１の壁および点から空間電荷を剥離することによって強化さ
れ、したがって、電極１のオリフィスで放電７に容易に点火することが可能にな
る。放電７は、ソース電圧振幅の負交流電流またはその負パルスにおいて電極１
のキャビティ13に到達し、そこで非常に強力な種類の放電６を生成する。放電６
および７は流れる媒体５を活性化する。このように生成されたプラズマ８は、電
極１のキャビティ13を通って流れると共に、電極のオリフィスを通って外部環境
に流入し、そこで、動作ガス５が活性化される先細の反応チャネル９を構成し、
同時に、外部環境内の物体を適応させることを可能にする。この最初の相互作用
プロセス10は、プラズマ生成に固有のプロセスに顕著なフィードバック効果を与
える。
【００３６】 例２ 図２に表わしたプラズマ・ジェットは、少なくとも１つが、物理的かつ化学的
に活性の環境の生成源であり、少なくとも１つが、ホルダ２によって機械的に制
御可能であるか、あるいは直接手動で制御可能である、中空電極１のシステムか
ら成っている。
【００３７】 個々の中空電極１からの２つ以上の反応チャネル９の衝突に基づいて、その結
果として反応チャネル11が生じ（通常、一次反応チャネルよりずっと大きい）、
流れるプラズマが形成され、このプラズマが、供給された作動媒体５によって新
たにあるいはさらに活性化される。
【００３８】 例３ 図11は、有利には、冷却機能を実行した後で、物理的かつ化学的に活性化され
た環境６および７のいくつかのドメインでの活性化に利用されるか、あるいは反
応チャネル９の形状をかたどるために利用される流れる媒体５によって電極１の
材料が冷却されるときのプラズマ・ジェットの概略図を表している。
【００３９】 すべての上記の態様のプラズマ・ジェットの一部は、装置の一部を形成しプラ
ズマ生成プロセスを制御する、プラズマ・ジェットの外側に位置する永久磁石２
０および／または電磁石またはそれらのシステム（図13aないし図13c）でよい。
【００４０】 例４ 導電材料と誘電材料の組合せを有する他の設計態様は、図14に表されており、
圧力103Paないし106Paで対向電極を使用することなしに、ガス状態のあらゆる作
動媒体で、あるいは粗な混合物およびまたは液体の小さな液滴または蒸気と組み
合わせて使用することができる。
【００４１】 電極１は、Ｔａ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｎｉ、スチール、または任意の金属材料および
非金属材料で作られており、開口部で形成された設計要素12がマントルにある中
空針の形の、物理的かつ化学的な抵抗力を有する導電材料である。電極１は、イ
ンピーダンス適応部材（article）４を介してhfエネルギー（13.56MHz、10Wない
し500W）などの供給源３に取り付けられると共に動作ガス５のフィーダに取り付
けられた担体部21に送り込まれる。この担体部21は可動回転部22を介して非導電
ホルダ２に固定されている。電極１は、石英ガラスで作られた集中絶縁細管23で
覆われており、中空電極１の細管23への浸漬の深さを調節することができ、同時
に、永久磁石20と共に同軸方向にシフトされ、誘電材料18を介して担体部21に固
定することによって独立に垂直移動することができる。
【００４２】 作動媒体５は、一方では電極１内部を流れ、他方では設計要素12を通り、電極
１と細管23の壁との間の空間に流入し、それによって細管23を冷却することがで
きる。中空電極１のオリフィスでの物理プロセスに基づいて、電極１のキャビテ
ィの内部で、高圧仮想中空陰極型の強力なhf放電６が開始され、オリフィスから
吹き飛ばされ、その後、石英ガラスの細管23と磁石20によって生成される磁界と
よってかたどられる。放電６および７において、作動媒体５は常に活性化される
。このように流れるプラズマ８は外部環境で先細の反応チャネル９を形成する。
液体の液面よりも低い位置での用途では、細管23の壁と電極１との間の空間で、
補助的なhf放電24が生成され（誘電パイプの壁を横切って液体に容量結合され）
、この空間を通って流れる作動媒体５を活性化する。電極１からの出力で、放電
６、７、および24で活性化された作動媒体ガス５と結果として得られる突起状の
放電25が反応チャネル９を形成する。
【００４３】 例５ 他の有利な設計は、図12bに表わした態様であり、この場合、内径が約0.01mm
ないし5mmの石英ガラスの細管の形の誘電材料18上に、外側から導電層19（黒鉛
、銅など）が付与される。導電層19上で供給源（5Wないし50W、13.56MHz）から
のhfエネルギーが適応部材を介して伝導される。放電は、電極のオリフィスの、
中空電極１を形成する導電層19の縁部の近傍で高密度の電磁エネルギーによって
開始され、誘電材料18によって形成されたキャビティ13に引き込まれる。この設
計態様は、ガス状作動媒体またはガスと液体（エアロゾル）の混合物の活性化、
特に、物体の表面の極めて局所的な処理または圧力103Paないし106Paでの微量液
体の処理に適している。
【００４４】 この態様は、キャビティ13内に横断方向および／または長手方向に挿入され（
かつ中空電極１とは異なる電位を有する）タングステン線やスチール線や銅線な
ど、誘電材料18のキャビティ内部に配置された物理要素17と組み合わせることが
できる。この場合、プラズマを用いて液体の作動媒体を活性化することが可能で
ある。
【００４５】 例６ 他の実際の態様が図15に表わされている。これは、上記の外部環境のうちのど
れかで、圧力103Paないし106Paで任意の作動媒体を使用する際に使用することが
できる。インピーダンス適応部材４を介してssエネルギー、nfエネルギー、hfエ
ネルギー、またはvhfエネルギーの供給源３に取り付けられており、内部を媒体
５が流れる任意の形状の電極１に、電極１のキャビティ13を貫通する側から適切
な物理要素17が導入される。図の例では、電極１とは異なる電位を有する追加の
電極26は、物理要素17として選択されている。この追加の電極26は、モリブデン
線、タンタル線、タングステン線、および／またはスチール線、あるいは黒鉛ロ
ッドから成り、石英ガラス、陶器、またはテフロンの細管27によって電極１の材
料から分離されている。電極１のキャビティ壁13の表面と作動媒体５の流動環境
内の追加の電極26との間に顕著な電位勾配が生じ、これに基づいて一次開始放電
が生成され（所与の場合には、アークまたはコロナ28）、それによって、キャビ
ティ13内部で強力な放電６が開始される。高圧仮想中空陰極６型の強力な二次放
電、および／または活性化された作動媒体５の流れによって運ばれる閃光を放つ
一次放電28は、電極１のオリフィスから放出され、閃光を放つか、あるいは外部
環境で別の種類の放電７になる。活性化された作動媒体の流れは、流れるプラズ
マと共に、外部環境で先細の反応チャネル９を形成する。
【００４６】 例７ プラズマ・ジェットは、機械加工またはレーザ加工の後での細部の微細仕上げ
、宝石細工、金細工、およびガラス製造作業、または芸術作業および復元作業で
の細部の微細仕上げまたは作成に使用することができ、特に物体上の保護層の除
去、スパッタリング、修復、塗装、文字書込み、および／またはこのような物体
の再生および保存に使用することができる。 厚さが1mmまでの局所沈殿物層と厚さが20マイクロメートルないし200マイクロ
メートルの水化酸化ケイ素層とを有し、この材料を不透明にするほど強力な着色
を生じさせた堆積された様々な化合物を実質的に表す、かなり腐食した古いガラ
スの破片を、蒸留H2Oに溶かしたComplexon III (C10H14O8N2Na2-2H2O)の1%材料
溶液に入れ、装置の作用にさらした。圧力約103Paから徐々に、Ar、N2、Ar+N 2
、Ar+H2、Ar+SF6、Ar+C3F8、Ar+C-C4F8などの各作動媒体を試験した。hfエネル
ギー源から供給される出力は、50Wないし200Wの範囲内で変動させ（13. 56MHz）
、印加時間は分単位で設定した。古いガラスの破片は、すべての試験において、
装置を使用した後で洗浄した。
【００４７】 前述の方法を実施した後、エネルギー分散・波分散アナライザを有する走査電
子顕微鏡で破片を分析したところ、ガラスの破片を透明にするうえで得られた清
掃効果は主として、Fe、Mn、Ca、P、Kなどを含む化合物を腐食層から著しく減少
させるが、Naによってゲル層をわずかに増大させるものであった。動作ガスの混
合物として特にSF6を加えると、エッチング・プロセスによってゲル層が平滑化
されることによりゲル層の表面の多孔度を著しく低減させることができた。
【００４８】 上記の方法を実施した際、観測された全体的な速度および効率だけでなく、腐
食したガラスの表面を清掃する際の繊細さ（破片の表面を局所的に処理できるこ
とを含む）は、不活性化液体のプラズマを加える従来技術の効果を何倍も上回る
ものであった。このことは、活性化された媒体または放電が液体に接触し、同時
に物体の表面に接触する際に起こる物理化学反応のまったく異なるメカニズムに
よるものである。
【００４９】 （産業上の利用可能性） 本発明は、特に物理化学関係の研究所、材料工学の分野、マイクロエレクトロ
ニクス、電子技術、工学、化学、織物、ガラス製造、化粧品業界、医学、エコロ
ジー、文化遺産の復元および保存、芸術活動などで利用することができる。本発
明を適用するうえで、高周波数エネルギー（1MHzよりも高い周波数）を使用する
場合、作業員や適用対象の生体が電気によって重傷を負う危険性はないが、心臓
ペースメーカーを装着した人がいるときに本発明を使用してはならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 物理的かつ化学的に活性の環境を生成するプラズマ・ジェットの原則を示し、
同時に、この装置の有利な設計の最も簡単な例を示す図。
【図２】 簡単な型のプラズマ・ジェットを示す図。
【図３】 中空電極の構成を示す図。
【図４】 中空電極の構成を示す図。
【図５】 中空電極の構成を示す図。
【図６】 中空電極の構成を示す図。
【図７】 中空電極の構成を示す図。
【図８】 中空電極の構成を示す図。
【図９】 中空電極の構成を示す図。
【図１０】 中空電極の構成を示す図。
【図１１】 簡単な型のプラズマ・ジェットを示す図。
【図１２】 中空電極の構成を示す図。
【図１３】 簡単な型のプラズマ・ジェットを示す図。
【図１４】 プラズマ・ジェットの変形例を表す図。
【図１５】 プラズマ・ジェットの変形例を表す図。
【図１６】 中空電極の構成を示す図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カピカ、ヴラティスァヴ チェコ共和国 639 00 ブルノ、ポルニ 19 (72)発明者 スラヴィセック、パヴェル チェコ共和国 664 61 ラジラッド、パ ラケホ 713 (72)発明者 サウル、ペトル チェコ共和国 664 31 セスカ ２

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プラズマ・ジェットによって物理的かつ化学的に活性の環境
    を生成する方法において、出力が約100Wないし103Wで電圧振幅が101Vないし104V
    程度であり、ss、nf、hf、またはマイクロ波（vhf）の周波数範囲での変調が可
    能である少なくとも１つの外部供給源（３）から、電磁エネルギーの密度を局所
    的に高め、内部を作動媒体が流れる要素（14）を含む、少なくとも１つの中空電
    極（１）に電磁エネルギーが伝導され、電極（１）のキャビティの長手方向およ
    び／または横断方向、および／または電極のオリフィスに電磁界が形成され、同
    時に、電磁エネルギーの密度を局所的に高める要素（14）の作用と、作動媒体内
    および中空電極（１）の表面上での粒子の衝突プロセスとによって電荷の自由キ
    ャリアが生成され、それにより、電極（１）のキャビティ内部および／または電
    極のオリフィス、ならびに外部環境内で、強力な放電が開始するか、あるいは、
    放電によって徐々に活性化される流れる作動媒体によって運ばれる独自の内部流
    を含む一次放電および線状放電と、このように生成されるプラズマとのシステム
    が、この流れおよびさらに活性化する作動媒体と共に、亜音速または超音速で中
    空電極（１）を通って外部環境に流れ、同時に、圧力103Paないし106Paで先細の
    反応チャネルを生成する方法。
  2. 【請求項２】 作動媒体によって運ばれる放電への電磁エネルギーの伝達が
    インピーダンス適合されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 作動媒体および外部媒体が、ガス、液体、またはそれらの混合物、あるいは固
    体粒子とガス、液体、またはそれらの混合物との混合物であることを特徴とする
    、請求項１または２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 プラズマを生成し作動媒体を活性化するプロセスが、永久磁石および／または
    電磁石あるいはそれらのシステムから形成される他の電磁界によって共に生成さ
    れ調節されることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の方法。。
  5. 【請求項５】 流れる作動媒体（５）に対して横断方向および／または長手
    方向に作用する設計要素（12）および／または物理要素（17）によって構成され
    た、中空電極（１）内部および／または電極のオリフィスおよび／または電極の
    外側で電磁エネルギーの密度を局所的に高める少なくとも１つの要素（14）を有
    する導電材料または導電誘電材料の少なくとも１つの中空電極（１）で構成され
    ており、さらに、調節要素、変換要素、および伝達要素のシステムからなるイン
    ピーダンス適応部材（４）を介して中空電極（１）の導電部に取り付けられた少
    なくとも１つの電磁エネルギー源（３）によって構成されることを特徴とする、
    請求項１から４のいずれかに記載の、物理的かつ化学的に活性の環境を生成する
    プラズマ・ジェット。
  6. 【請求項６】 設計要素（１２）が、電極（１）の材料の粗表面および／またはキャビティ、
    および／または電極（１）のキャビティ（13）内部および／または電極の外部お
    よび／または電極のオリフィス内に配置された、突起および／または点および／
    または縁部、および／または中空電極（１）内に形成された開口部および／また
    はスリット、および／または電極（１）の導電部（19）の誘電材料（18）との接
    触場所によって構成されることを特徴とする、請求項５に記載のプラズマ・ジェ
    ット。
  7. 【請求項７】 物理要素（17）が、中空電極（１）とは異なる電位を有する追加の電極および
    ／または荷電粒子またはより高いエネルギーレベルの励起粒子として励起される
    粒子の供給源および／または流れる作動媒体（５）に対して横断方向および／ま
    たは長手方向に作用する高いエネルギーを有する光子または粒子の供給源で構成
    された群から選択されることを特徴とする、請求項５または６に記載のプラズマ
    ・ジェット。
  8. 【請求項８】 中空電極（１）内または中空電極（１）の外部に磁石および／または電磁石（
    20）が配置されることを特徴とする、請求項５から７のいずれかに記載のプラズ
    マ・ジェット。
  9. 【請求項９】 中空電極（１）が、手動制御または機械的制御を可能にする非導電ホルダ（２
    ）に固定されることを特徴とする、請求項５から９のいずれかに記載のプラズマ
    ・ジェット。
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