JP2005108600A - In-liquid plasma generation device and in-liquid plasma generation method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、水やアルコール等導電性の液体において、高エネルギーのプラズマを発生するための液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法に関するものである。 The present invention relates to a submerged plasma generator and a submerged plasma generating method for generating high-energy plasma in a conductive liquid such as water or alcohol.
従来より、プラズマを用いた蒸着技術として気相プラズマによる蒸着技術が幅広く利用されている。たとえば特許文献1にはプラズマCVD法によってシリコンまたは立方晶シリコンカーバイトの表面にダイヤモンド膜を形成することが記載されている。また、非特許文献1には超音波キャビテーションと局所電磁場の重畳による液中プラズマの生成に関する研究が記載されている。さらに、非特許文献2には、水中にグラファイトの電極を挿入してアーク放電を行い、フラーレンを合成する技術が記載されている。
特許文献1に記載の方法等プラズマCVD法では蒸着物質を大量に合成することは困難である。従って、ある程度厚みのある膜を形成しようとすれば、長時間を要する。あえて蒸着速度を上げるために、メタン等の原材料物質を急速に供給することは危険を招くことにもなりかねない。また、気相で高エネルギーのプラズマを発生させると高温になり、熱に弱い基板材料へ蒸着することはできない。一方、非特許文献1に記載の超音波キャビテーションと局所電磁場の重畳による液中プラズマの生成は、液体中でプラズマを発生させようとする極めて有望な考え方ではあるが、当該文献および発表は、この研究を開始するに当たっての方針を発表したものでありその詳細は全く記載されておらず、同発表者であり本願発明者によってなされた特願2002−98193に係る発明において具体的なものとして完成されている。
In the plasma CVD method such as the method described in
非特許文献2に記載された例のような液体中でアーク放電を行う技術では、電力の大部分を電子の流れに消費するのでエネルギー効率が低いという問題がある。また、基板に蒸着を行う場合にはこの過大な電子流によってターゲットの基板を加熱するという問題があり、熱に弱い素材の基板は使用できないし、非導電性の基板を使用することもできない等、用途が極めて限定される。
The technique of performing arc discharge in a liquid as in the example described in Non-Patent
一方、非特許文献2に記載された液中に電磁波を照射して液中プラズマを発生する方法は、液相では分子密度が気相に比べて極めて高いことから、高い合成速度が得られることが期待される。しかしながら、水やアルコール等の導電性の液体では液中に渦電流が発生して、照射した電磁波のエネルギーが消耗されるという問題があり、また水酸基などが特定の周波数を吸収するために電磁波が減衰するという問題がある。この発明は、水やアルコール等の導電性の液体でも効率的にプラズマを発生させることができる液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法を提供することを目的とする。
On the other hand, the method described in Non-Patent
上記の課題を解決するために、本発明に係る液中プラズマ発生装置は、液体を保持するための容器と、液体中に電磁波を照射するための電磁波照射手段と、液体中で気泡を発生させるための気泡発生手段と、気泡を電磁波照射手段の近くに保持するための気泡保持手段を有するものである。前記気泡保持手段としては、気泡を挟んで上下に配置された超音波照射手段と超音波反射板の対、気泡を上部より保持する保持板、気泡を挟んで上下に配置された電磁波照射のための電極の対などが使用できる。 In order to solve the above problems, an in-liquid plasma generator according to the present invention generates a bubble in a liquid, a container for holding the liquid, an electromagnetic wave irradiation means for irradiating the liquid with an electromagnetic wave, and the like. A bubble generating unit for holding the bubble and a bubble holding unit for holding the bubble near the electromagnetic wave irradiation unit. As the bubble holding means, a pair of ultrasonic wave irradiation means and an ultrasonic reflector arranged above and below the bubble, a holding plate holding the bubble from above, and for electromagnetic wave irradiation arranged above and below the bubble A pair of electrodes can be used.
さらに、本発明に係る液中プラズマ発生方法は、導電性の液体中で気泡を発生させるとともにその気泡を電磁波照射手段の近くに保持し、気泡に電磁波を照射して気泡中にプラズマを発生させるものである。上下に配置された超音波照射手段と超音波反射板の対によって気泡を保持してもよく、上下に配置された電磁波照射のための電極の対によって気泡を保持してもよい。導電性の液体として水溶液を用いてもよい。 Furthermore, the method for generating plasma in liquid according to the present invention generates bubbles in a conductive liquid, holds the bubbles near the electromagnetic wave irradiation means, and generates plasma in the bubbles by irradiating the bubbles with electromagnetic waves. Is. Bubbles may be held by a pair of ultrasonic irradiation means and an ultrasonic reflector arranged above and below, or bubbles may be held by a pair of electrodes for electromagnetic wave irradiation arranged above and below. An aqueous solution may be used as the conductive liquid.
この発明の本発明に係る液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法は、導電性の液体を使用しても、局所的には高エネルギーでありながら巨視的には低温であり安全で取り扱いやすい液中プラズマを発生できるという効果を有する。 The submerged plasma generation apparatus and submerged plasma generation method according to the present invention of the present invention is safe and easy to handle because it is locally low in energy but macroscopically low temperature even when a conductive liquid is used. This has the effect of generating plasma in liquid.
この発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて説明する。図1はこの発明に係る液中プラズマ発生装置の一例を示す説明図である。液中プラズマ発生装置1の容器2には液体3を入れるようになっている。容器2の大きさは必要とされる処理能力に応じて適宜選択でき、ビーカー程度の小型のものであっても、大型プラントとして実施するための大型の処理槽であってもよい。ここで、アクリル製の容器を用いている。
The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view showing an example of an in-liquid plasma generator according to the present invention. A
電磁波照射手段4は液体3中に電磁波を照射するためのものであり、この例では電極の対5a、5bとこの電極の対に高周波を供給するための高周波供給装置6よりなっている。また、この発明の液中プラズマ発生装置1は気泡発生手段を備えるが、この例では電極5a、5bが気泡発生手段の役割をも果たしている。電磁波を照射するために高周波が供給されると電極5a、5bが加熱され、電極5a、5bに接している液体から気泡が発生する。気泡発生手段としては、電磁波照射手段4とは別に専用の加熱手段を設けてもよい。また、気泡発生手段として、容器2を別の容器で覆い、真空ポンプ等で減圧することによって気泡を発生させることもでき、あるいは外部より気体を導入するようにしてもよく、さらにはこれらの組み合わせであってもよい。
The electromagnetic wave irradiation means 4 is for irradiating the
この発明の液中プラズマ発生装置1は気泡保持手段を備えるが、この例では容器2内に上下に配置された超音波照射装置7と超音波反射板8が気泡保持手段の役割を果たしている。気泡9が保持されるべき位置の下に超音波照射装置7を、気泡9が保持されるべき位置の上に超音波反射板7を設け、気泡を上下から挟むような配置にする。気泡9は上下からの超音波照射による放射力および浮力を受けるが、これらがつりあった位置で保持される。この気泡9が保持されるべき位置は、電極5の近くになるように設定されている。
The in-
ついで、図1に示す液中プラズマ発生装置1により液中プラズマを発生する方法について説明する。容器2を液体3で満たす。液体3として、ベンゼンやドデカン等の非導電性の液体でもよいが、本発明の液中プラズマ発生方法では、水やアルコール類等の導電性の液体を使用することができる。特に水には水溶性の物質を大量に溶かすことができるので、処理の目的に応じた水溶液を調整することができる。高周波供給装置6より高周波を電極5に供給すると電極5が加熱され、電極5より気泡が発生する。さらに、超音波照射装置7を作動させることによって、超音波照射装置7と超音波反射板8との間に超音波が上下から照射される。この上下からの超音波による放射力がつりあう位置で気泡9は保持され、電極の近くに単一、または数個の大きな気泡9が形成・保持される。
Next, a method for generating submerged plasma by the submerged
電極5a、5b間には電磁波が照射されているので、その位置に保持されている気泡9にも電磁波が照射される。気泡9は電極5の近くに保持されているために、電磁波は途中で減衰することなく気泡に到達し、気泡9内にプラズマを発生させる。このプラズマは局所的には高温・高エネルギーであって物質の分解・合成に効果的なものであるが、一方、液中にあるために巨視的には低温であり安全で取り扱いやすいものである。
Since electromagnetic waves are irradiated between the electrodes 5a and 5b, the electromagnetic waves are also irradiated to the
このように発生させたプラズマはさまざまな処理を行うことができる。例えば、蒸着を行うべき基板を気泡9に接するように配置し、蒸着膜の原料となる物質を液体中に含有させておくことにより、基板上に蒸着を行うことができる。CCVD法等従来の気相による蒸着と異なり、物質密度の高い液体を原料として使用するために蒸着膜の形成速度は著しく向上する。また、炭素を含む液体を使用して、カーボンナノチューブ、フラーレン、ダイヤモンド等の物質を合成したり、ダイオキシンやフロン等通常の処理法では分解が困難な有害物質の分解処理を行う化学反応炉としても使用できる。
The plasma generated in this way can be subjected to various treatments. For example, deposition can be performed on the substrate by disposing the substrate to be deposited so as to be in contact with the
ついで、液中プラズマ発生装置の別の例について説明する。図2は液中プラズマ発生装置の別の例を示す説明図である。図1に示す例と共通な事項については説明を省略する。この例は、おもに1GHz〜200GHzの高周波数の電磁波を使用するのに適したものである。電磁波照射手段4として、マイクロ波集中装置10を使用する。このマイクロ波集中装置10の先端より、液体3中に電磁波を照射する。気泡は図1の例と同様に超音波照射装置7と超音波反射板8の対によって一定の位置に保持されるが、マイクロ波集中装置10の先端付近に保持されるように設定されている。したがって、電磁波はマイクロ波集中装置10より集中的に気泡9に対して照射される。
Next, another example of the in-liquid plasma generator will be described. FIG. 2 is an explanatory view showing another example of the in-liquid plasma generator. Description of matters common to the example shown in FIG. 1 is omitted. This example is suitable for using electromagnetic waves having a high frequency of 1 GHz to 200 GHz. A
さらに、液中プラズマ発生装置の別の例について説明する。図3は液中プラズマ発生装置の別の例を示す説明図である。この例は、電磁波照射手段4として、レーザー光源を使用するものであり、液体3に保持されている気泡9に対してレーザー光を照射するものである。レーザー光を使用してプラズマを発生することにより、電波によるプラズマとは異なる反応を実現し、本発明の適用範囲を広げるものである。このように、本発明において電磁波とは、短波、中波、マイクロ波等電波の領域のもの以外にも、X線、赤外線、可視光、紫外線等も含む。
Furthermore, another example of the in-liquid plasma generator will be described. FIG. 3 is an explanatory view showing another example of the in-liquid plasma generator. In this example, a laser light source is used as the electromagnetic wave irradiation means 4, and laser light is irradiated to the
この発明の液中プラズマ発生方法の第1の実施例について説明する。図4はこの実施例において使用する液中プラズマ発生装置を示す説明図である。図5はこの実施例において使用する高周波供給装置を示す回路図である。この実施例は中波帯(MF帯)の電磁波を使用する例である。アクリル製の容器2には、水が入れられている。電極5a、5bは真鍮製であって、上下に配置されており、上側5aは直径40mmの円柱型、下側5bは直径2mmの釘を使用している。
A first embodiment of the in-liquid plasma generation method of the present invention will be described. FIG. 4 is an explanatory view showing an in-liquid plasma generator used in this embodiment. FIG. 5 is a circuit diagram showing a high-frequency supply device used in this embodiment. This embodiment is an example in which electromagnetic waves in the medium wave band (MF band) are used. Water is put in the
図5の共振回路を使用した。共振回路部はコイル(0.24Ω、9μH)11とコイル12(1.7Ω、57μH)および磁器コンデンサ13(500pF)を並列接続したもので、回路全体の共振周波数は855kHzである。整合器15を端子A'およびB'に接続し、高周波電源14側からのインピーダンスを50Ωになるよう、整合器15を調整する。さらに、液中プラズマ発生装置1を接続し、反射波が最小となるよう整合器15を微調整する。
The resonant circuit of FIG. 5 was used. The resonance circuit unit is formed by connecting a coil (0.24Ω, 9 μH) 11, a coil 12 (1.7Ω, 57 μH) and a ceramic capacitor 13 (500 pF) in parallel, and the resonance frequency of the entire circuit is 855 kHz. The matching unit 15 is connected to the terminals A ′ and B ′, and the matching unit 15 is adjusted so that the impedance from the high
855kHz・200Wの高周波を供給すると、電極間(距離5mm)に赤紫色のプラズマを得た。電力を下げても100Wまでプラズマを安定に維持することが出来た。
When a high frequency of 855 kHz / 200 W was supplied, a reddish purple plasma was obtained between the electrodes (
この発明の液中プラズマ発生方法の第2の実施例について説明する。図6はこの実施例において使用する高周波供給装置を示す回路図である。この実施例は短波帯(HF帯)の電磁波を使用する例である。液中プラズマ発生装置は図4のものを使用する。電極5a、5bは上下に配置されており、上5a側は真鍮製で直径40mmの円柱型、下側5bはアルミニウム製で直径3mmの円柱を鋭利に加工したものを使用している。 A second embodiment of the in-liquid plasma generation method of the present invention will be described. FIG. 6 is a circuit diagram showing a high-frequency supply device used in this embodiment. In this embodiment, an electromagnetic wave in a short wave band (HF band) is used. The submerged plasma generator uses the one shown in FIG. The electrodes 5a and 5b are arranged vertically, and the upper 5a side is made of brass and has a columnar shape with a diameter of 40 mm, and the lower side 5b is made of aluminum with a sharply processed column having a diameter of 3 mm.
図6の共振回路を使用した。コンデンサ16の容量は1nFであり、コンデンサ17の容量は91pF(1nFを11ヶ直列接続)である。また、コイル18のインダクタンスは1.4μHである。液中プラズマ発生装置1を接続し、回路全体の共振周波数を測定すると、12.6MHzとなっていた(液中プラズマ発生装置1の容量は30pF程度あり、この影響は無視できない)。整合器15を端子A'およびB'に接続し、高周波電源14からのインピーダンスを50Ωになるよう、整合器15を調整する。
The resonant circuit of FIG. 6 was used. The capacity of the
高周波電源14より、12.6MHz・200Wの高周波を供給すると、電極5a、5b間に赤紫色のプラズマを得た。
When a high frequency of 12.6 MHz · 200 W was supplied from the high
この発明の液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法は、水やアルコール類等の導電性の液体中に高エネルギーのプラズマを発生することができるものであり、化学蒸着や化学反応炉あるいは有害物質の分解炉として適用することができるものである。 The submerged plasma generation apparatus and submerged plasma generation method of the present invention can generate high energy plasma in conductive liquids such as water and alcohols, and can be used for chemical vapor deposition, chemical reaction furnaces, or harmful. It can be applied as a material decomposition furnace.
1.液中プラズマ発生装置
2.容器
3.液体
4.電磁波照射手段
5a、5b.電極
6.高周波供給装置
7.超音波照射手段
8.超音波反射板
9.気泡
10.マイクロ波集中装置
11,12,18 コイル
13,16,17 コンデンサ
1.
Claims (8)
8. The in-liquid plasma generation method according to claim 5, wherein an aqueous solution is used as the conductive liquid.
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