JP2004172044A - Microwave plasma generating device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波励振によって大気圧のガスをプラズマガスに変換し、サーマルプラズマガスを発生するマイクロ波プラズマ発生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
サーマルプラズマは大気圧プラズマと略同義である。1970年代に、工業的応用のための開発が盛んになった。応用分野は、工業素材の溶融、溶断加工、接合、精製、治金、スプレイなどの工業素材の加工分野、プラズマの発生する光を利用するディスプレイのための光源などの照明分野、微粒子生成、誘導プラズマをイオン化の手段とする微量試料成分の化学分析の分析分野、半導体プロセスなどの材料の表面処理の洗浄分野であり、広い分野にわたっている。
【0003】
1980年代には、大気汚染の原因物質の除去に利用することで注目された。テプラ(TePLA)社のRFプラズマ源と、アリオス(ARIOS)社の大気圧プラズマ源が開発され、利用されている。前者はガスをプラズマ状態に励起する高周波が13.56MHzと比較的低いのでプラズマ変換効率が低い。また周波数の関係から装置が大形になっている。
【0004】
アリオス(ARIOS)社の大気圧プラズマ源を図17を参照して説明する。この装置はこのプラズマ源に、励振周波数は2.45GHzの近くで発振するマイクロ波を用いている。プラズマガスを発生するマイクロ波プラズマ源1の内部にあるプラズマキャビティにマイクロ波を供給する手段としてマイクロ波導波管10を用いている。マイクロ波発振器7から負荷側を見たインピーダンスはプラズマが点灯する前とプラズマ点灯後では大きく変化する。プラズマ源に適切な電力を供給するために導波管10の途中にスタブチューナ11を設け、このスタブチューナ11を自動的に制御して電力を安定供給するようにしてある。導波管を用いるために、装置の大形や重量アップが避けられない。プラズマキャビティの径が15cmと比較的大きい。スタブチューナ11を自動制御するために機械的制御をするパルスモータを必要としている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、大気圧(またはそれに近い気圧)で動作する低温のプラズマを安定して、しかも小形の装置で発生させることができるマイクロ波プラズマ発生装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、同軸共振器を用いてプラズマ発生部を一層小形にすることにより、プラズマヘッドを自在に移動させることができるマイクロ波プラズマ発生装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、同軸共振器の動作を安定化する回路を用いて、取り扱いが容易なマイクロ波プラズマ発生装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による請求項1記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、
大気圧に近いガスをマイクロ波で励起させプラズマガスを発生するマイクロ波プラズマ発生装置であって、
キャビティの長さが励振波長の1/2の整数倍であり、中心導体を前記長さより短くし、前記中心導体中心にそってガス流路用の非金属パイプを配置し、一方端から注入されたガスが、前記非金属パイプが前記中心導体で覆われていないギャップGで、マイクロ波により励起され他方端からプラズマ化して放出されるようにした同軸形共振キャビティと、および
前記キャビティを励振するマイクロ波供給回路と、から構成されている。
【0007】
本発明による請求項2記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項1記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、前記パイプは石英パイプで構成されている。
本発明による請求項3記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項1記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記中心導体は励起側の第1中心導体とプラズマ発生側の第2中心導体から形成され、前記第1中心導体とプラズマ発生側の前記第2中心導体間でガスが励起されるように構成されている。
本発明による請求項4記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項1記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、前記中心導体は前記同軸形共振キャビティの放出側の壁面間にギャップをもつ長さであり、前記中心導体と前記放出側の壁面間でガスが励起されるように構成されている。
本発明による請求項5記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項1〜4記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、前記同軸共振キャビティは、ガスのプラズマ化による前記キャビティからの電磁波の放射を抑制する電磁波放射防止用チョークを構成する立体回路をプラズマガス放出側に備えて構成されている。
【0008】
本発明による請求項6記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項1〜4記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、前記同軸共振キャビティは、当初TM010モードで励振され、前記ギャップに高電界を発生してガスをプラズマ化した状態ではTEMモードで動作するように構成され、ガスがプラズマ化した状態での共振周波数が、前記プラズマ化前の共振周波数と変わらないように、立体回路を設計して構成されている。
本発明による請求項7記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項1〜6記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、前記同軸共振キャビティで流入ガスがプラズマ化したときの等価回路は前記ギャップは導体化した同軸キャビティと見なせる動作となるように構成されている。
本発明による請求項8記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項6または7記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、前記同軸共振キャビティでプラズマ化前後の動作モードの差による負荷の変動が少なくなるように立体回路パラメータを選択して構成されている。
【0009】
本発明による請求項9記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項1記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、前記マイクロ波供給回路は、マイクロ発生源と、前記供給回路と、前記同軸共振キャビティの動作状態をマイクロ波発生源に帰還する帰還回路から構成されている。
【0010】
本発明による請求項10記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項9記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、前記マイクロ発生源はマグネトロンであり、サーキュレータを介して前記同軸共振キャビティに供給され、前記同軸共振キャビティの動作の変化は前記マグネトロンの励磁コイルと陽極に帰還されて動作を安定させるように構成されている。
本発明による請求項11記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項9記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、前記マイクロ発生源は固体発振器である。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の実施形態を説明する。図1は本願発明のマイクロ波プラズマ発生装置の概略図である。マイクロ波プラズマ発生源101は、同軸形キャビティ102と中心のガス流路石英パイプ103を含んでいる。マイクロ波発振器(マグネトロン)107は励起用のマイクロ波を発振する。出力はサーキュレータ108、同軸コネクタ109、同軸ケーブル110、方向性結合器111、キャビティ励振用のアンテナ105を介して同軸形キャビティ102に接続される。方向性結合器111は進行波と反射波を検出して、位相器112、3db結合器113、検出器114、差動増幅器115を介してマイクロ波発振器(マグネトロン)107の陽極に帰還接続されている。キャビティ励振用アンテナ105から励起用のマイクロ波電力が供給される。内部電磁界は、内部電磁界検出用ループアンテナ106により検出され、励磁用の差動増幅器116を介してマイクロ波発振器(マグネトロン)107の励磁用コイル117に帰還接続される。
【0012】
マイクロ波プラズマ発生源101の内部は同軸形キャビティ102を形成しており、同軸部の中心にガス流路を形成する薄肉の石英パイプ103が配置されている。なお同軸形キャビティ102の中心の同軸部は、一部が除去されており,その部分で、石英パイプ103が露出している。
キャリヤガスは前記石英パイプ103の上端から同軸形キャビティ102に送られる。このキャリヤガスは前記同軸形キャビティ102の中央部において同軸形キャビティ102の内部の電界により、励起されプラズマ状態になり、ガス流路石英パイプ103の下部からプラズマガス104として排出される。
マイクロ波発振器107は、前記同軸形キャビティ102を励起するマイクロ波を発生する。このマイクロ波の周波数は、工業用として認められている IMS(Industrial Medical Science) 周波数バンド内の2.450GHzである。
【0013】
前記同軸形キャビティ102の中央部においてキャリヤガスがプラズマ状態に変化するときにキャビティ内部の状態が急変するので、プラズマ状態になる前の負荷と直後の負荷が大きく変化する。この変化により励起周波数が変化することは好ましくない。
この対策の第一段階として、本発明では、プラズマ化以前キャビティ内の電界分布とプラズマ化後の電界分布の変化を利用して、プラズマ化の前後においても同じ周波数の共振器として動作するように設計する。
そのような設計にしても周波数の僅かな変動を免れることができないので、第2段階として、プラズマ化の前後の前述の周波数の変化を検出して、このデータを前記マイクロ波発振器107の陽極電圧と励磁電流を制御し、発振周波数をロックする方法をとる。
【0014】
次にマイクロ波プラズマ発生源101の構造についてやや詳しく説明する。図2はキャビティ構造を示す斜視図である。キャビティ102は銅製のボディで覆われている。前記キャビティ102の上部からキャリヤガスがガス流路用石英パイプ103を通してキャビティ102の中央部に導かれる。上部中心導体205の中心部を前記石英パイプ103が貫通している。
下部中心導体208の中心部もガス流路用石英パイプ103が貫通している。上部中心導体205と下部中心導体208の間は、前記ガス流路石英パイプ103のみが露出している。この露出部に電界が加わるので、ガス流路用石英パイプ103の中のキャリヤガスが励起され、プラズマ化する。
【0015】
図13は、マイクロ波プラズマ発生源部のガス流路石英パイプ103内部のプラズマ状ガスを示す図、図14はマイクロ波プラズマ発生源部のガス流路石英パイプ内部の中心部から半径方向に向かう各位置の電界強度分布を示す図である。ガスがプラズマ化されると、図13に示すガス流路石英パイプ103の内部のプラズマ状ガス1302は、電気的に導体とみなすことができる。そのため、励起用のマイクロ波がプラズマ状ガス1302の内部に進入できなくなる。
この励起用のマイクロ波の電界は、図14に示す曲線1401のようにパイプの外周に存在しパイプ103の内部ではパイプ103内壁面が外部の電界とおなじ電位でのみ中心になるに従って減衰する曲線を描く。これは金属導体において、表面にのみ電荷が集中する表皮効果の現象に類似している。このようにガス流路石英パイプ103の内壁付近の電界は強いが、中心に向かうと急激に減少する。プラズマガスは、外部から見ると電気的に導体に見える。すなわち下部中心導体208ではガスがプラズマ化することにより、ガスが導体のような電気特性をもつので、この部分で丁度アンテナの効果を示し、外部にマイクロ波が放出される恐れがある。この点については後述する。
【0016】
図3は、本発明による装置のプラズマ発生前におけるマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図、図4はプラズマ発生直後におけるマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。図3に、キャリヤガスがプラズマ化される直前の時点で、上部中心導体と下部中心導体の間の空間に発生される励起電界301を示す。上部の中心導体205と下部の中心導体208の間に電界が上下方向に加わる。この電界の分布はリエントランラントモード(TMモード)の振動になっている。図4はプラズマ化後の電界分布を示している。
励起電界401は、キャビティの外側の内壁から中心導体の方向に加わり、丁度同軸モード(TEMモード)の振動を示す。
【0017】
図5は、ガスがプラズマ化する直前の電界の分布と電気的等価回路を対比して示してある。この電界の振動モードはリエントランラントモード(TMモード)になる。電気的等価回路はL1とC1とL2の直列回路になり、共振周波数は次式に示される。
f1 =1/(2π(ROOT[C1*(L1+L2)] ))
f2 =1/(2π(ROOT[C2*L3*L4/(L3+L4)] ))
【0018】
このように動作モードに伴う共振周波数の変化が起こることになるが、このような共振周波数の変化があることは、好ましいことではなく、あったとしても、その差が少ないことが望ましい。そこで本発明では、キャビティの内の構造を変えて、f1 とf2 とがほぼ等しくなるように最適化を行う。これは、前述の式において C1(L1+L2)と2C2L3L4/(L3+L4)を等しくするようにキャビティの形状を選定することに他ならない。このように前記同軸形キャビティ102の構造を最適に設計し、キャリヤガスがプラズマ状態になる直前の負荷と直後の負荷が大きく変化しても、マイクロ波の入力部のキャビティ励起用アンテナから見た負荷変動を少なくすることができる。これによりシステムの動作の安定化を大幅に上げることができる。
【0019】
前記の第2の対策について第1図を参照して回路の動作とともに説明する。第2の対策はマイクロ波発振器(マグネトロン)107の陽極電圧と励磁磁界を制御することにより行なわれる。マイクロ波発振器(マグネトロン)107の出力はサーキュレータ108に供給される。このサーキュレータ108は、プラズマ状態の前後での負荷変動が影響し、マイクロ波発振器(マグネトロン)107の発振周波数に変化を与える現象を回避するために、すなわち負荷の反射電力を絶縁するために用いられる。さらに同軸コネクタ109を経て方向性結合器111に加わり、この方向性結合器111の出力からキャビティ励振用アンテナ105を介して、マイクロ波プラズマ発生源101のキャビティ102に供給される。
【0020】
方向性結合器11のb 端子にはそれぞれ進行波と反射波が出力される。反射波は位相器112を通して3db結合器113のP2端子に加えられる。この反射波の電力は位相器112を調整することにより、共振周波数において最小値になるように設定されている。この位相器112は反射波の位相を進行波の位相に対して自由に設定できるので、共振時において反射波と進行波の位相が同相になるように設定する。
【0021】
前記発振周波数に対する反射波と進行波の位相差は共振周波数において零になる。一方進行波は3db結合器113のP1端子に加わる。3db結合器113の出力端子のP3とP4は検出器114に供給され、直流電圧に変換される。それぞれの直流電圧は差動増幅器115の入力部に供給される。差動増幅器115の出力電圧は、この2つの直流電圧が等しいときに、出力零になるように調整されている。マイクロ波プラズマ発生源101のキャビティ102内の中心部のガスがプラズマ状態にならないときに、共振周波数で動作するように設定する。発振が始まり、ガスがプラズマ状態に転換したときに、キャビティ102内の電界分布が変化する。先に詳しく説明したように、キャビティの寸法設計を最適化を計ることにより、プラズマ化の前後の周波数変化を充分に少なくできる。この負荷状態が変わる場合、この周波数はキャビティ102の固有の共振周波数とは少し異なる周波数になるが、この周波数の差異をさらに少なくするために、マイクロ波発振器107に電気的にネガティブフィードバックをかける。この制御の方法について説明する。この異なる周波数でマイクロ波発振器(マグネトロン)107が電力を供給すると、キャビティ102から反射波が生じ、方向性結合器111のb 端子にはこの反射波が発生する。さらに位相器112を通過し、3db結合器113の出力端子のP2に供給される。
【0022】
一方進行波は3db結合器113の出力端子のP1に供給される。その結果検出器114の出力信号は振幅の異なる電圧が生ずる。差動増幅器115の出力にはこの差電圧が発生する。この電圧がマイクロ波発振器(マグネトロン)107の陽極電圧に重畳されて印加される。陽極電圧はパルスで供給されているので、
当然差動増幅器115の差電圧は、陽極のパルス電圧に同期して供給される回路(図1では記載されていない)は附加されている。すなわちキャビティ102の共振周波数に近づくように動作する。このフィードバック動作によりマイクロ波発振器(マグネトロン)107の発振周波数はキャビティ102の固有の共振周波数にフェイズロックされる。
【0023】
さらにシステムの周波数の安定性を増すために、マイクロ波発振器(マグネトロン)107の励磁用コイルの電流も制御する。すなわち内部電磁界検出用ループアンテナ106から検出した誤差信号が励磁用差動増幅器116で誤差信号に相当する電流を発生させ、この電流で励磁用コイルの電流を変化させ、キャビティ102の固有の共振周波数に近づけるようにフィードバックされる。このように図1の回路では、陽極電圧と励磁電流の両者を制御し、システムの周波数の安定性を図ることができる。
【0024】
前述したように、プラズマガスは、外部から見るとマイクロ波帯では電気的に導体に見える。すなわち下部中心導体208ではガスがプラズマ化することにより、ガスが導体のような電気特性をもつので、この部分で丁度アンテナの効果を示し、外部にマイクロ波が放出される恐れがある。そのために、特に下部中心導体208の内部にチョーク構造を形成する。この構造により、外部に電波が送出されるのを防いでいる。この外部放出マイクロ波(外部機器に妨害電波として働くので)を抑制するために、下部中心導体208の内部にチョーク構造を設ける。このチョークとしてλ/ 4構造の同軸チョークを入れることで、前記の漏洩するマイクロ波を大幅に下げることができる。なおチョーク302(図3,4)は前述したように、ガスがプラズマ化したのちに、外部に漏れるマイクロ波を抑制するために設けられている。図4はプラズマ化後の電界分布を示している。励起電界401は、キャビティの外側の内壁から中心導体の方向にくわわり、丁度同軸モードの振動を示す。なお上部中心導体205の中心を通るガス流路石英パイプ103の直径はマイクロ波の波長に比べて十分小さく、流れるガスはプラズマ化されないガスであるので、この上部中心導体205の部分からマイクロ波が外部に放射することはない。
【0025】
図7は、本発明による前記マイクロ波プラズマ発生源と異なる構造のマイクロ波プラズマ発生源を示す図である。前述したマイクロ波プラズマ発生源101とは、異なる構造のキャビティで図2に示した構成の上部導体を延長して、下部導体を省略した形態となっている。基本的な動作原理は異ならない。図2に示したものと同一の機能または形状部分には同一の符号を付してある。
キャビティは銅製ボディで覆われている。前記キャビティの上部からキャリヤガスが中心導体705を貫通して設けられているガス流入用石英パイプ103を通してキャビティの中央部に導かれている。中心導体705とキャビティの下部との間は、前記ガス流路石英パイプ103のみが露出している。この露出部に電界が加わるので、ガス流路石英パイプ103の中のキャリヤガスが励起され、プラズマ化する。
【0026】
この構造のマイクロ波プラズマ発生源の電界分布は、プラズマ化前では図8に示した分布になり、またプラズマ化直後から図9に示した分布に変わる。図8はキャリヤガスがプラズマ化される直前の時点で、上部中心導体とキャビティ下部の間の空間に発生される励起電界801を示す。上部の中心導体705とキャビティ下部の間に電界が上下方向に加わる。これは電界の分布はリエントランラントモードの振動になる。図9はプラズマ化後の電界分布を示している。励起電界901は、キャビティの外側の内壁からパイプ103の方向に加わり、丁度同軸モードの振動を示す。図2に示した実施例と同様に前後で共振周波数が変わらないように回路の構造を設計することができる。
【0027】
この実施形態では、キャビティ下部でガスがプラズマ化することにより、ガスが導体のような電気特性をもつので、この部分で丁度アンテナの効果を示し、外部にマイクロ波が放出する。この外部放出マイクロ波を抑制するために、チョーク707(図8,9参照)が外側導体706内に配置されている。
このチョーク707としては、λ/ 4構造の同軸チョークを入れることで、前記の漏洩するマイクロ波を大幅に下げることができる。
【0028】
図7の実施例と同様に、図2に示した実施例でもキャビティ下部よりでガスがプラズマ化することにより、ガスが導体のような電気特性をもつので、この部分で丁度アンテナの効果を示し、外部にマイクロ波が放出する。そのために、図2に示すキャビティでも同様なチョーク302(図3および図4参照)を用いている。これにより、外部放出マイクロ波を抑制する。
【0029】
次に、前述した図2に示した実施例に、使用状態を判断し改良を施した実施例について図10〜12を参照して、さらに説明する。この実施例も前述と同様に同軸形キャビティの長さは、マイクロ波の波長をλとすると、n(λ/2)になるよう設計する。同軸形キャビティの直径は、周波数2.450GHzとして、2cm程度になる。
特に装置が小型化や携帯性に優れるので、応用範囲が広がる大きい特徴が得られる。
小形化でき、携帯性と操作性のよいプラズマトーチのようなマイクロ波プラズマ発生装置を示す。図10は、マイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図であり、図11は、プラズマ発生直後におけるマイクロ波プラズマ発生源のプラズマ化以後の電界分布を示す図である。図12は、マイクロ波プラズマ発生源の使用状態を示す図である。
【0030】
図10に示すように、前記装置は同軸形の細長い構造で、上部からパイプ103にキャリヤガス1001を流入して使用する。パイプ103は同軸形キャビティ1003の中心部の上部中心導体107、下部中心導体108を貫通している。図10に示すように流入ガスがプラズマ状態になる直前では、励起電界1004は同軸の長い方向に加わる。マイクロ波電力はカップリングループにより同軸形キャビティ1003に供給される。このときキャビティ内の電界により、ガスはプラズマ状態に励起される。
【0031】
ガスがプラズマ状態になると、プラズマガスの導体化現象により、アンテナ効果で外部にマイクロ波が放射する。これを抑制するためにλ/ 4構造のチョーク1006を配置する。図11に示すように、流入ガスがプラズマ状態になる直後では、励起電界1104はキャビティの外側の内壁から同軸の中心線の方向に加わる。この電界により、ガスがプラズマ状態を持続する。ガスがプラズマ状態になると、プラズマガスの導体化現象が生じ、アンテナ効果のために外部にマイクロ波が放射する。これを抑制するためにλ/ 4構造のチョーク1006を配置する。この同軸形キャビティの下部にあるチョーク1006を覆ったケースの構造はペン先のような形状になっている。その先端からプラズマ化されたプラズマガス1007が放出され、このガスで各種の洗浄などに広く利用される。
【0032】
本発明のマイクロ波プラズマ発生装置において、マイクロ波発生にマグネトロンを利用した例を示した。本発明のマイクロ波発生源として固体素子を用いることもでき、固体素子としてマイクロ波用FETを利用できる。マイクロ波用FETとして、GaAsMESFET、HEMTFETが適している。
図15は、前記固体装置を用いたマイクロ波プラズマ発生装置の使用状態を示す回路図、図16は、マイクロ波発生源として固体装置を用いたマイクロ波プラズマ発生装置の回路部分の実施例を示すブロック図である。
図15に示すように、マイクロ波電力がマイクロ波発振装置1508から同軸ケーブル1509を通してプラズマ発生装置(プラズマトーチ)1513に供給される。またプラズマ化されるべきガスは、ガスボンベ1512からガス流路用ホース1511を通して、プラズマ発生装置(プラズマトーチ)1513に供給される。
【0033】
図16にマイクロ波発振装置1508の回路図を示す。キャビティ内の電磁界を検出して、その検出信号1505を誤差信号検出回路1506(図1に示す結合器などで構成する回路をさす)にて検波して、フィードバックコントロール用電圧1507に変換する。この電圧1507は固体素子を用いた VCO(Voltage Controlled Oscillator )1501に印加される。VCO 1501の出力信号はサーキュレータ1502を通り、MOSFETなどの固体アンプ1503で電力増幅されて、図15に示すプラズマ発生装置1513のキャビティに供給される。この装置は、固体素子を用いているので、先に説明したマグネトロン使用のものに比較して装置をより一層小形にすることができる。
【0034】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明のマイクロ波プラズマ発生装置は、高い変換効率であり、機械的な制御の付属回路がなく、小形で高出力であり、広い分野に利用できる。
大気圧に近いガスをマイクロ波で励起させプラズマガスを発生するマイクロ波プラズマ発生装置であって、取り扱いが容易であり、安定した動作ができる。
同軸形共振キャビティは、キャビティの長さが励振波長の1/2の整数倍であるから、従来のものに比較して小形にできる。
【0035】
前記同軸共振キャビティは、ガスのプラズマ化による前記キャビティからの電磁波の放射を抑制する電磁波放射防止用チョークを構成する立体回路をプラズマガス放出側に備えているから、種々の分野に利用できる。
前記同軸共振キャビティは、前記同軸共振キャビティでプラズマ化前後の動作モードの差による負荷の変動が少なくなるように立体回路パラメータを選択して構成されているから動作が安定である。
【0036】
前記マイクロ波供給回路は、マイクロ発生源と、前記供給回路と、前記同軸共振キャビティの動作状態をマイクロ波発生源に帰還する帰還回路から構成されているから、特に調整することなく自動化が容易で取り扱いが簡単である。
前記マイクロ発生源はマグネトロンであり、サーキュレータを介して前記同軸共振キャビティに供給され、前記同軸共振キャビティの動作の変化は前記マグネトロンの励磁コイルと陽極に帰還されて動作を安定させるように構成してあるから、大きいプラズマ出力を安定して取り出すことができる。
【0037】
前記マイクロ発生源は固体発振器とすることもできるから、装置を一層小形にすることができ全体を可搬形に構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるマイクロ波プラズマ発生装置の実施例を示す図である。
【図2】本発明によるマイクロ波プラズマ発生源の実施例を示す図である。
【図3】本発明によるプラズマ発生直前におけるマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。
【図4】本発明によるプラズマ発生直後におけるマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。
【図5】本発明によるプラズマ発生直前における前記マイクロ波プラズマ発生源の電気的な等価回路を示す図である
【図6】本発明によるプラズマ発生直後における前記マイクロ波プラズマ発生源の電気的な等価回路を示す図である
【図7】本発明による前記マイクロ波プラズマ発生源と異なる構造のマイクロ波プラズマ発生源を示す図である
【図8】本発明による前記マイクロ波プラズマ発生源と異なる構造のプラズマ発生直前における一例のマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。
【図9】本発明による前記マイクロ波プラズマ発生源と異なる構造のプラズマ発生直後における一例のマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。
【図10】本発明によるプラズマ発生前における細長い小型化されたマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。
【図11】本発明によるプラズマ発生後における細長い小型化されたマイクロ波プラズマ発生源のプラズマ化以後の電界分布を示す図である。
【図12】本発明による細長い小型化されたマイクロ波プラズマ発生源の使用状態を示す図である。
【図13】マイクロ波プラズマ発生源部のガス流路石英パイプ内部のプラズマ状ガスを示す図である。
【図14】マイクロ波プラズマ発生源部のガス流路石英パイプ内部の中心部から半径方向に向かう各位置の電界強度分布を示す図である。
【図15】前記固体装置を用いたマイクロ波プラズマ発生装置の使用状態を示す回路図である。
【図16】マイクロ波発生源として固体装置を用いたマイクロ波プラズマ発生装置の回路部分の実施例を示すブロック図である。
【図17】従来のマイクロ波プラズマ発生装置の例を示す図である。
【符号の説明】
1 マイクロ波プラズマ源
7 マイクロ波発振器
8 サーキュレータ
10 マイクロ波導波管
11 パルスモータ制御の3スタブチューナ
101 マイクロ波プラズマ発生源
102 同軸形キャビティ
103 ガス流路石英パイプ
104 プラズマガス
105 キャビティ励振用アンテナ
106 内部電磁界検出用ループアンテナ
107 マイクロ波発振器(マグネトロン)
108 サーキュレータ
109 同軸コネクタ
110 同軸ケーブル
111 方向性結合器
112 位相器
113 3db結合器
114 検出器
115 差動増幅器
116 励磁用差動増幅器
205 中心導体
208 中心導体
302 チョーク
401 励起電界
705 中心導体
706 外側導体
707 チョーク
1001 キャリヤガス
1002 カップリングループアンテナ
1003 同軸形キャビティ
1004 励起電界
1006 チョーク
1302 プラズマ状ガス
1501 マイクロ波固体発振器(VCO)
1502 サーキュレータ
1503 固体アンプ
1504 マイクロ波電力信号
1505 検出信号
1506 誤差信号検出回路
1507 フィードバックコントロール用電圧
1508 マイクロ波発振装置
1509 同軸ケーブル
1510 負帰還ケーブル
1511 ガス流路用ホース
1512 ガスボンベ
1513 プラズマ発生装置(プラズマトーチ)
1514 試料[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a microwave plasma generator that converts a gas at atmospheric pressure into a plasma gas by microwave excitation and generates a thermal plasma gas.
[0002]
[Prior art]
Thermal plasma is substantially synonymous with atmospheric pressure plasma. In the 1970's, development for industrial applications flourished. Application fields include industrial materials such as melting, fusing, joining, refining, metallurgy, spraying, etc., lighting fields such as light sources for displays using plasma-generated light, fine particle generation, and induction. It is an analysis field for chemical analysis of trace sample components using plasma as an ionization means, and a cleaning field for surface treatment of materials such as a semiconductor process, which covers a wide field.
[0003]
In the 1980s, attention was paid to its use in removing substances causing air pollution. An RF plasma source from TePLA and an atmospheric pressure plasma source from ARIOS have been developed and used. In the former, the high frequency for exciting the gas into the plasma state is relatively low at 13.56 MHz, so that the plasma conversion efficiency is low. Also, the size of the device is large because of the frequency.
[0004]
An atmospheric pressure plasma source manufactured by Arios will be described with reference to FIG. This apparatus uses a microwave oscillating at an excitation frequency near 2.45 GHz as the plasma source. A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a microwave plasma generator capable of stably generating a low-temperature plasma operating at an atmospheric pressure (or a pressure close thereto) with a small-sized device.
Still another object of the present invention is to provide a microwave plasma generator capable of freely moving a plasma head by making a plasma generator smaller using a coaxial resonator.
Still another object of the present invention is to provide a microwave plasma generator which is easy to handle by using a circuit for stabilizing the operation of the coaxial resonator.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a microwave plasma generator according to claim 1 according to the present invention,
A microwave plasma generator that generates a plasma gas by exciting a gas near atmospheric pressure with a microwave,
The length of the cavity is an integral multiple of 1/2 of the excitation wavelength, the center conductor is shorter than the length, a non-metallic pipe for gas flow is arranged along the center of the center conductor, and injected from one end. A coaxial resonance cavity in which the non-metallic pipe is excited by microwaves and is emitted as plasma from the other end in the gap G where the non-metallic pipe is not covered with the center conductor; and
And a microwave supply circuit for exciting the cavity.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a microwave plasma generator according to the first aspect, wherein the pipe is formed of a quartz pipe.
A microwave plasma generator according to a third aspect of the present invention is the microwave plasma generator according to the first aspect,
The center conductor is formed of a first center conductor on the excitation side and a second center conductor on the plasma generation side, and is configured such that gas is excited between the first center conductor and the second center conductor on the plasma generation side. ing.
A microwave plasma generator according to a fourth aspect of the present invention is the microwave plasma generator according to the first aspect, wherein the central conductor has a length having a gap between the emission-side walls of the coaxial resonance cavity. The gas is excited between the central conductor and the wall surface on the emission side.
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a microwave plasma generating apparatus according to the first to fourth aspects, wherein the coaxial resonance cavity suppresses radiation of electromagnetic waves from the cavity due to gasification of gas. A three-dimensional circuit constituting a choke for preventing electromagnetic wave radiation is provided on the plasma gas discharge side.
[0008]
A microwave plasma generator according to claim 6 of the present invention is the microwave plasma generator according to claims 1 to 4, wherein the coaxial resonance cavity is initially excited in the TM010 mode to generate a high electric field in the gap. When the gas is turned into plasma, the circuit is configured to operate in the TEM mode, and the three-dimensional circuit is designed and configured so that the resonance frequency in the state where the gas is turned into plasma does not change from the resonance frequency before the plasma is turned. Have been.
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the microwave plasma generating apparatus according to the first to sixth aspects, wherein an equivalent circuit when the inflowing gas is turned into plasma in the coaxial resonance cavity is configured such that the gap is made conductive. It is configured so that the operation can be regarded as a coaxial cavity.
According to the microwave plasma generator according to
[0009]
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the microwave plasma generating apparatus according to the first aspect, wherein the microwave supply circuit includes a microwave source, the supply circuit, and an operation of the coaxial resonance cavity. It is composed of a feedback circuit that returns the state to the microwave generation source.
[0010]
The microwave plasma generator according to
A microwave plasma generator according to claim 11 of the present invention is the microwave plasma generator according to claim 9, wherein the micro source is a solid-state oscillator.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings and the like. FIG. 1 is a schematic diagram of a microwave plasma generator of the present invention. The
[0012]
The inside of the microwave
The carrier gas is sent from the upper end of the
The
[0013]
When the carrier gas changes to the plasma state at the center of the
As a first step of this measure, the present invention utilizes a change in the electric field distribution in the cavity before plasma formation and the change in the electric field distribution after plasma formation to operate as a resonator having the same frequency before and after plasma formation. design.
Even with such a design, a slight change in the frequency cannot be avoided. As a second step, the above-mentioned change in the frequency before and after the formation of plasma is detected, and this data is used as the anode voltage of the
[0014]
Next, the structure of the
The gas flow
[0015]
FIG. 13 is a diagram showing a plasma-like gas inside the gas flow
The electric field of the microwave for excitation is present on the outer periphery of the pipe as shown by a
[0016]
FIG. 3 is a diagram showing the distribution of the excitation electric field of the microwave plasma source before the plasma is generated by the apparatus according to the present invention, and FIG. 4 is a diagram showing the distribution of the excitation electric field of the microwave plasma source immediately after the plasma is generated. FIG. 3 shows an excitation
The excitation
[0017]
FIG. 5 shows the distribution of the electric field immediately before the gas is turned into plasma and the electrical equivalent circuit. The vibration mode of this electric field is a reentrant run mode (TM mode). The electrical equivalent circuit is L 1 And C 1 And L 2 And the resonance frequency is expressed by the following equation.
f 1 = 1 / (2π (ROOT [C 1 * (L 1 + L 2 )]))
f 2 = 1 / (2π (ROOT [C 2 * L 3 * L 4 / (L 3 + L 4 )]))
[0018]
As described above, the change in the resonance frequency accompanying the operation mode occurs, but it is not preferable that such a change in the resonance frequency occurs, and it is desirable that the difference be small, if any. Therefore, in the present invention, by changing the structure inside the cavity, f 1 And f 2 Is optimized so that is approximately equal to This is because C 1 (L 1 + L 2 ) And 2C 2 L 3 L 4 / (L 3 + L 4 ) Is nothing but the choice of cavity shape. In this way, the structure of the
[0019]
The second measure will be described together with the operation of the circuit with reference to FIG. The second countermeasure is performed by controlling the anode voltage and the excitation magnetic field of the microwave oscillator (magnetron) 107. The output of the microwave oscillator (magnetron) 107 is supplied to a circulator. The
[0020]
A traveling wave and a reflected wave are output to the terminal b of the directional coupler 11, respectively. The reflected wave is passed through the
[0021]
The phase difference between the reflected wave and the traveling wave with respect to the oscillation frequency becomes zero at the resonance frequency. On the other hand, the traveling wave 1 Add to terminal. P of the output terminal of the
[0022]
On the other hand, the traveling wave 1 Supplied to As a result, the output signal of the
Naturally, a circuit (not shown in FIG. 1) in which the differential voltage of the
[0023]
Further, in order to increase the stability of the frequency of the system, the current of the exciting coil of the microwave oscillator (magnetron) 107 is also controlled. That is, the error signal detected from the internal electromagnetic field
[0024]
As described above, the plasma gas looks electrically conductive in the microwave band when viewed from the outside. That is, since the gas is turned into plasma in the lower
[0025]
FIG. 7 is a view showing a microwave plasma source having a structure different from that of the microwave plasma source according to the present invention. The above-described microwave
The cavity is covered with a copper body. Carrier gas is led from the upper part of the cavity to the center of the cavity through a gas
[0026]
The electric field distribution of the microwave plasma generation source having this structure becomes the distribution shown in FIG. 8 before the formation of the plasma, and changes to the distribution shown in FIG. 9 immediately after the formation of the plasma. FIG. 8 shows an excitation
[0027]
In this embodiment, when the gas is turned into plasma at the lower portion of the cavity, the gas has electrical characteristics like a conductor, so that this portion exhibits the effect of the antenna, and microwaves are emitted to the outside. A choke 707 (see FIGS. 8 and 9) is disposed in the
By inserting a coaxial choke having a λ / 4 structure as the
[0028]
Similar to the embodiment of FIG. 7, in the embodiment shown in FIG. 2, since the gas is turned into plasma from the lower portion of the cavity, the gas has electric characteristics like a conductor, and the effect of the antenna is shown in this portion. Then, microwaves are emitted to the outside. For this purpose, a similar choke 302 (see FIGS. 3 and 4) is used in the cavity shown in FIG. Thereby, the external emission microwave is suppressed.
[0029]
Next, an embodiment in which the use state is determined and the embodiment is improved from the embodiment shown in FIG. 2 will be further described with reference to FIGS. In this embodiment, the length of the coaxial cavity is designed to be n (λ / 2), where λ is the wavelength of the microwave, as described above. The diameter of the coaxial cavity is about 2 cm at a frequency of 2.450 GHz.
In particular, since the device is excellent in miniaturization and portability, a large feature that can be applied to a wide range can be obtained.
1 shows a microwave plasma generator such as a plasma torch that can be miniaturized and has good portability and operability. FIG. 10 is a diagram showing the distribution of the excitation electric field of the microwave plasma source, and FIG. 11 is a diagram showing the electric field distribution after the microwave plasma source is turned into plasma immediately after the plasma generation. FIG. 12 is a diagram illustrating a usage state of the microwave plasma generation source.
[0030]
As shown in FIG. 10, the device has a coaxial elongated structure, and a
[0031]
When the gas is in a plasma state, microwaves are radiated to the outside by an antenna effect due to the plasma gas becoming conductive. In order to suppress this, a
[0032]
In the microwave plasma generator of the present invention, an example in which a magnetron is used for microwave generation has been described. A solid-state device can be used as the microwave generation source of the present invention, and a microwave FET can be used as the solid-state device. GaAs MESFETs and HEMTFETs are suitable as microwave FETs.
FIG. 15 is a circuit diagram showing a usage state of a microwave plasma generator using the solid-state device. FIG. 16 shows an embodiment of a circuit portion of the microwave plasma generator using a solid-state device as a microwave generation source. It is a block diagram.
As shown in FIG. 15, microwave power is supplied from a
[0033]
FIG. 16 is a circuit diagram of the
[0034]
【The invention's effect】
As described above, the microwave plasma generator of the present invention has a high conversion efficiency, has no auxiliary circuit for mechanical control, is small in size and has a high output, and can be used in a wide range of fields.
A microwave plasma generator for generating a plasma gas by exciting a gas near atmospheric pressure with a microwave, which is easy to handle and can operate stably.
Since the coaxial resonance cavity has a cavity length that is an integral multiple of 1/2 the excitation wavelength, the coaxial resonance cavity can be made smaller than conventional ones.
[0035]
The coaxial resonance cavity is provided with a three-dimensional circuit on the plasma gas emission side that constitutes an electromagnetic wave emission preventing choke that suppresses electromagnetic wave emission from the cavity due to gasification of gas, and thus can be used in various fields.
The operation of the coaxial resonance cavity is stable because the three-dimensional circuit parameters are selected so that the fluctuation of the load due to the difference between the operation modes before and after the plasma conversion in the coaxial resonance cavity is reduced.
[0036]
Since the microwave supply circuit includes a micro-source, the supply circuit, and a feedback circuit that returns the operating state of the coaxial resonance cavity to the microwave source, automation is easy without any particular adjustment. Easy to handle.
The micro-source is a magnetron, which is supplied to the coaxial resonance cavity via a circulator, and a change in the operation of the coaxial resonance cavity is fed back to an excitation coil and an anode of the magnetron to stabilize the operation. Therefore, a large plasma output can be taken out stably.
[0037]
Since the micro-source can be a solid-state oscillator, the device can be made smaller and the whole can be made portable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a microwave plasma generator according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of a microwave plasma generation source according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a distribution of an excitation electric field of a microwave plasma source immediately before plasma generation according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a distribution of an excitation electric field of a microwave plasma source immediately after plasma generation according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an electrical equivalent circuit of the microwave plasma source immediately before plasma generation according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an electrical equivalent circuit of the microwave plasma source immediately after plasma generation according to the present invention.
FIG. 7 is a view showing a microwave plasma source having a structure different from that of the microwave plasma source according to the present invention;
FIG. 8 is a diagram showing a distribution of an excitation electric field of an example of a microwave plasma source immediately before generation of plasma having a structure different from that of the microwave plasma source according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a distribution of an excitation electric field of an example of a microwave plasma source immediately after generation of plasma having a structure different from that of the microwave plasma source according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a distribution of an excitation electric field of a small and elongated microwave plasma generation source before plasma generation according to the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing an electric field distribution after the plasma of the elongated and miniaturized microwave plasma source after the plasma is generated according to the present invention.
FIG. 12 is a view showing a use state of an elongated miniaturized microwave plasma source according to the present invention.
FIG. 13 is a view showing a plasma-like gas in a quartz pipe in a gas flow path of a microwave plasma generation source unit.
FIG. 14 is a diagram showing electric field intensity distributions at respective positions in a radial direction from a central portion inside the gas flow channel quartz pipe of the microwave plasma generating source portion.
FIG. 15 is a circuit diagram showing a state of use of a microwave plasma generator using the solid-state device.
FIG. 16 is a block diagram showing an embodiment of a circuit portion of a microwave plasma generator using a solid-state device as a microwave source.
FIG. 17 is a diagram showing an example of a conventional microwave plasma generator.
[Explanation of symbols]
1 Microwave plasma source
7 Microwave oscillator
8 circulator
10 Microwave waveguide
11 Pulse motor control 3 stub tuner
101 Microwave Plasma Source
102 Coaxial cavity
103 Gas flow channel quartz pipe
104 plasma gas
105 Cavity Excitation Antenna
106 Loop antenna for detecting internal electromagnetic field
107 Microwave oscillator (magnetron)
108 circulator
109 coaxial connector
110 coaxial cable
111 directional coupler
112 phase shifter
113 3db coupler
114 detector
115 differential amplifier
116 Differential amplifier for excitation
205 center conductor
208 center conductor
302 chalk
401 excitation electric field
705 center conductor
706 outer conductor
707 Chalk
1001 carrier gas
1002 Coupling loop antenna
1003 Coaxial cavity
1004 Excitation electric field
1006 chalk
1302 Plasma-like gas
1501 Microwave solid-state oscillator (VCO)
1502 circulator
1503 Solid-state amplifier
1504 Microwave power signal
1505 Detection signal
1506 Error signal detection circuit
1507 Voltage for feedback control
1508 Microwave oscillator
1509 Coaxial cable
1510 Negative feedback cable
1511 Gas flow hose
1512 Gas cylinder
1513 Plasma generator (plasma torch)
1514 samples
Claims (11)
キャビティの長さが励振波長の1/2の整数倍であり、中心導体を前記長さより短くし、前記中心導体中心にそってガス流路用の非金属パイプを配置し、一方端から注入されたガスが、前記非金属パイプが前記中心導体で覆われていないギャップGで、マイクロ波により励起され他方端からプラズマ化して放出されるようにした同軸形共振キャビティと、および
前記キャビティを励振するマイクロ波供給回路と、
から構成したマイクロ波プラズマ発生装置。A microwave plasma generator that generates a plasma gas by exciting a gas near atmospheric pressure with a microwave,
The length of the cavity is an integral multiple of one half of the excitation wavelength, the center conductor is shorter than the length, a non-metallic pipe for a gas flow path is arranged along the center of the center conductor, and injected from one end. A coaxial resonance cavity in which the non-metallic pipe is excited by microwaves and is emitted as plasma from the other end in the gap G where the non-metallic pipe is not covered with the central conductor, and the cavity is excited. A microwave supply circuit,
A microwave plasma generator composed of:
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