JP2005126305A - プラズマ中微粒子保持法、及びプラズマ中微粒子保持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所定のプラズマ中に微粒子を無重力で浮遊させることが可能な新規な方法及び装置を提供する。
【解決手段】所定のプラズマ中に、互いに対向してなる第１の電極１１及び第２の電極１２を準備する。第１の電極１１及び第２の電極１２に対して交互に正の電圧を印加し、第１の電極１１及び第２の電極１２の近傍に位置するプラズマ領域からの静電力及びイオンドラグ力に起因した動重力を用いて、微粒子Ｐ１を、前記プラズマ中において、第１の電極１１及び第２の電極１２間の略中心に集束させ、保持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ中微粒子保持法、及びプラズマ中微粒子保持装置に関する。

無重力を利用した材料合成法は、地上では達成し得ない新しい特性を有する材料開発に威力を有すると考えられている。例えば、反応性プラズマ中に所定の微粒子を浮遊させることによる単結晶成長や、同様に反応性プラズマ中にナノ微粒子を浮遊させることによるμｍオーダあるいはｍｍオーダへの粒子成長などへの適用が提案されるに至っている。

しかしながら、所定の微粒子を反応性プラズマ中に浮遊させるような技術は未だ確立されておらず、上記提案が存在しながらも具体的に実現するには至っていない。

本発明は、所定のプラズマ中に微粒子を無重力で浮遊させることが可能な新規な方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
所定のプラズマを生成する工程と、
前記プラズマ中に、互いに対向してなる第１の電極及び第２の電極を準備する工程と、
前記第１の電極及び前記第２の電極に対して交互に電圧を印加し、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方の周辺に位置するプラズマ領域からの静電力又はイオンドラグ力に起因した動重力を、前記プラズマ中に存在する微粒子に作用させ、前記微粒子を、前記プラズマ中において、前記第１の電極及び前記第２の電極間の略中心に集束させ、保持する工程と、
を具えることを特徴とする、プラズマ中微粒子保持法（第１の保持法）に関する。

また、本発明は、
所定のプラズマを生成する工程と、
前記プラズマ中に、互いに対向してなる第１のグリッド電極及び第２のグリッド電極を準備する工程と、
前記第１のグリッド電極及び前記第２のグリッド電極に対して交互に電圧を印加し、前記第１のグリッド電極及び前記第２のグリッド電極の少なくとも一方の周辺に位置するプラズマ領域からの静電力又はイオンドラグ力に起因した動重力を、前記プラズマ中に存在する微粒子に作用させ、前記微粒子を、前記プラズマ中において、前記第１のグリッド電極及び前記第２のグリッド電極間の略中心に集束させ、保持する工程と、
を具えることを特徴とする、プラズマ中微粒子保持法（第２の保持法）に関する。

無重力のプラズマ中に存在する微粒子が存在すると、前記微粒子は負に帯電し、これに作用する静電力とイオンの衝突によるドラグ力（イオンドラグ力）とによって、前記微粒子は前記プラズマを取り囲む３次元曲面上に浮上する。すなわち、前記微粒子は前記プラズマの中央部ではなく、前記プラズマの周辺部に偏在するようになる。また、前記プラズマの３次元曲面における接線方向には閉じ込め力がないので、前記周辺部における前記微粒子の存在は不安定となり、具体的な浮上位置を特定することができない。

これに対し、本発明の保持法では、それぞれ２つの電極を準備し、これら電極間に保持しようとする微粒子が追随することのできないような高周波数で交互に所定の電圧を印加することにより、前記微粒子は一方の電極がオンになっている際の静電力とイオンドラグ力との合力の時間平均（動重力）を感じ、前記２つの電極間の略中心に輸送され、保持されるようになる。前記２つの電極は、これらの電極によって生成したプラズマ内に位置するので、結果的に、前記微粒子は前記プラズマ内に保持できるようになる。

なお、上記第１の保持法においては、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方は点電極であることが好ましく、さらに前記電圧は正電圧であることが好ましい。この場合、吸引性の比較的大きな静電力、すなわち動重力を生成することができ、目的とする前記微粒子を前記第１の電極及び前記第２の電極間に効率的に集束させ、保持することができる。

なお、前記点電極としては、球状電極、及び針状電極などの、前記生成したプラズマの大きさに比較して点と見なせるような十分に小さい電極を意味するものである。また、前記正電圧は局所的に放電する程度のものであることが好ましい。

また、上記第２の保持法において、前記第１のグリッド電極及び前記第２のグリッド電極の少なくとも一方は球面状に湾曲して射ることが好ましく、さらには外方に湾曲させることが好ましい。また、電圧は負電圧であることが好ましい。この場合、反発性の比較的大きな静電力、すなわち動重力を生成することができ、目的とする前記微粒子を前記第１のグリッド電極及び前記第２のグリッド電極間に効率的に集束させ、保持することができる。

なお、本発明は上記第１の保持法及び第２の保持法を実施するための装置に係わり、前記第１の保持法に関する第１の保持装置は、
互いに対向してなる第１の電極及び第２の電極と、
前記第１の電極及び前記第２の電極に対して交互に電圧を印加し、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方の周辺に位置するプラズマ領域からの静電力又はイオンドラグ力に起因した動重力を生成するための電圧印加手段と、
を具えることを特徴とする、プラズマ中微粒子保持装置に関する。

また、前記第２の保持法に関する第２の保持装置は、
互いに対向してなる第１のグリッド電極及び第２のグリッド電極と、
前記第１のグリッド電極及び前記第２のグリッド電極に対して交互に電圧を印加し、前記第１のグリッド電極及び前記第２のグリッド電極の少なくとも一方の周辺に位置するプラズマ領域からの静電力又はイオンドラグ力に起因した動重力を生成するための電圧印加手段と、
を具えることを特徴とする、プラズマ中微粒子保持装置に関する。

以上説明したように、本発明によれば、所定のプラズマ中に微粒子を無重力で浮遊させることが可能な新規な方法及び装置を提供することを目的とする。

以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の保持装置の一例を示す構成図である。
図１に示す保持装置１０は、互いに対向する球状の第１の電極１１及び第２の電極１２を具えている。第１の電極１１及び第２の電極１２の後方には、これらの電極を支持するとともに、図示しない外部電源より所定の電力（電圧）を供給するための電力導入支持棒１３及び１４が接続されている。電力導入支持棒１３及び１４、並びに前記外部電源は、第１の電極１１及び第２の電極１２に対する電圧印加手段を構成する。

なお、本例においては球状の点電極を用いているが、その他の形状の点電極、例えば円錐形状の点電極を用いることができる。また、点電極以外のものを用いることもできるが、本発明の目的をより効果的に達成するためには、点電極を用いることが好ましい。

前記外部電源からは、電力導入支持棒１３及び１４を介して第１の電極１１及び１２に対して交互に電圧が印加される。この電圧のスイッチングは、目的とする微粒子が追随できないような高速で行う必要があり、具体的には１ｓ〜１ｍｓのスイッチング時間で行うことが好ましい。

このような状態で電圧を印加すると、第１の電極１１及び第２の電極１２を中心としてプラズマが形成されるようになる。上述したように、本発明の目的をより効果的に達成するためには、前記電圧が正電圧であることが好ましい。

このようなプラズマ中に微粒子Ｐ１が存在すると、微粒子Ｐ１は負に帯電するようになる。第１の電極１１及び第２の電極１２の周囲には、微粒子Ｐ１に対する静電力とイオンドラッグ力とがバランスする領域、すなわち静電力＝イオンドラッグ力の関係、すなわち動重力＝０が成立する閉曲面１５及び１６が存在する。

したがって、第１の電極１１がオンのとき、微粒子Ｐ１が閉曲面１５の外方にあるときは、静電力＞イオンドラッグ力の関係が成立するので、微粒子Ｐ１に対しては第１の電極１１へ引き付けるような動重力Ｘ１が作用し、微粒子Ｐ１は電極１１側へ引き寄せられる。しかしながら、微粒子Ｐ１が第１の電極１１に近接すると、前記静電力が減少するとともに、前記イオンドラッグ力が増大するようになる。具体的には、閉曲面１５上で前記静電力と前記イオンドラッグ力とがバランスし、それ以上第１の電極１１に近接しなくなる。

一方、第１の電極１１に続いて第２の電極１２がオンとなると、閉曲面１６の外方にある微粒子Ｐ１には、静電力及びイオンドラッグ力の上述したような力関係により、第２の電極１２へ引き付けるような動重力Ｙ１が作用し、微粒子Ｐ１は電極１２側へ引き寄せられる。しかしながら、微粒子Ｐ１が第２の電極１２に近接すると、前記静電力が減少するとともに、前記イオンドラッグ力が増大するようになる。具体的には、閉曲面１６上で前記静電力と前記イオンドラッグ力とがバランスし、それ以上第２の電極１２に近接しなくなる。

上述したような第１の電極１１及び第２の電極１２のオンオフが連続的にスイッチングして行われると、微粒子Ｐ１は吸引性の動重力により、第１の電極１１及び第２の電極１２間の中心Ｏ１を通って上下に振動するようになるが、上述したようなスイッチング時間でオンオフを繰り返すことによって前記振動は減少し、中心Ｏ１に集束するようになる。したがって、微粒子Ｐ１を第１の電極１１及び第２の電極１２間、すなわちこれらの電極によって形成されたプラズマ中に保持できるようになる。

図２は、本発明の第２の保持装置の一例を示す構成図である。
図２に示す保持装置２０は、互いに対向する第１のグリッド電極２１及び第２のグリッド電極２２を具えている。第１のグリッド電極２１及び第２のグリッド電極２２の後方には、これらの電極を支持するとともに、図示しない外部電源より所定の電力（電圧）を供給するための電力導入支持棒２３及び２４が接続されている。電力導入支持棒２３及び２４、並びに前記外部電源は、第１のグリッド電極２１及び第２のグリッド電極２２に対する電圧印加手段を構成する。

なお、本例において、第１のグリッド電極２１及び第２のグリッド電極２２は外方に湾曲させている。したがって、目的とする微粒子をより効率的にこれら電極間に集束して維持できるようになる。

前記外部電源からは、電力導入支持棒２３及び２４を介して第１のグリッド電極２１及び第２のグリッド電極２２に対して交互に電圧が印加される。この電圧のスイッチングは、目的とする微粒子が追随できないような高速で行う必要があり、具体的には１ｓ〜１ｍｓのスイッチング時間で行うことが好ましい。

このような状態で電圧を印加すると、第１のグリッド電極２１及び第２のグリッド電極２２間にはプラズマが形成されるようになる。上述したように、本発明の目的をより効果的に達成するためには、前記電圧が負電圧であることが好ましい。

このようなプラズマ中に微粒子Ｐ２を注入すると、微粒子Ｐ２は負に帯電するようになる。第１のグリッド電極２１がオンのとき、微粒子Ｐ２には第１のグリッド電極２１より比較的大きな反発性の静電力が作用するので、微粒子Ｐ２には第１のグリッド電極２１の電極面に垂直で外向きの力Ｘ２が作用するようになる。この結果、微粒子Ｐ２は第１のグリッド電極２１から離れるように反発されるようになる。

一方、第１のグリッド電極２１に続いて第２のグリッド電極２２がオンとなると、微粒子Ｐ２には、上記同様にして第２のグリッド電極２２の電極面に垂直で外向きの力Ｙ２が作用し、微粒子Ｐ２は電極２２側を離れるように反発される。

上述したような第１のグリッド電極２１及び第２のグリッド電極２２のオンオフが連続的にスイッチングして行われると、微粒子Ｐ２は第１のグリッド電極２１及び第２のグリッド電極２２間の中心Ｏ２を通って上下に振動するようになるが、上述したようなスイッチング時間でオンオフを繰り返すことによって前記振動は減少し、中心Ｏ２に集束するようになる。したがって、微粒子Ｐ２を第１のグリッド電極２１及び第２のグリッド電極２２間、すなわちこれらの電極が設置された背景プラズマ中に保持できるようになる。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

本発明は、プラズマ中微粒子のクーロン相互作用を解明する基礎物理分野、並びに反応性プラズマ中で微粒子を浮上成長させるための材料合成分野（例えばシリコン微粒子単結晶の成長やダイヤモンド微粒子単結晶の成長などに適用することができる。

本発明の第１の保持装置の一例を示す構成図である。 本発明の第２の保持装置の一例を示す構成図である。

符号の説明

１０ 第１の保持装置
１１ 球状の第１の電極
１２ 球状の第２の電極
１３、１４ 電力導入支持棒
１５、１６ 静電力＝イオンドラグ力の閉曲面
１７、２７ プラズマ
２０ 第２の保持装置
２１ 第１のグリッド電極
２２ 第２のグリッド電極
２３、２４ 電力導入支持棒

Claims (21)

1. 所定のプラズマを生成する工程と、
   前記プラズマ中に、互いに対向してなる第１の電極及び第２の電極を準備する工程と、
   前記第１の電極及び前記第２の電極に対して交互に電圧を印加し、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方の周辺に位置するプラズマ領域からの静電力又はイオンドラグ力に起因した動重力を、前記プラズマ中に存在する微粒子に作用させ、前記微粒子を、前記プラズマ中において、前記第１の電極及び前記第２の電極間の略中心に集束させ、保持する工程と、
   を具えることを特徴とする、プラズマ中微粒子保持法。
2. 前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方は点電極であることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ中微粒子保持法。
3. 前記電圧は正電圧であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のプラズマ中微粒子保持法。
4. 前記微粒子は負に帯電させることを特徴とする、請求項３に記載のプラズマ中微粒子保持法。
5. 前記電圧のスイッチング時間が１ｓ〜１ｍｓであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のプラズマ中微粒子保持法。
6. 前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方を取り囲むように、前記静電力と前記イオンドラッグ力とがバランスした閉曲面を形成することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のプラズマ中微粒子保持法。
7. 所定のプラズマを生成する工程と、
   前記プラズマ中に、互いに対向してなる第１のグリッド電極及び第２のグリッド電極を準備する工程と、
   前記第１のグリッド電極及び前記第２のグリッド電極に対して交互に電圧を印加し、前記第１のグリッド電極及び前記第２のグリッド電極の少なくとも一方の周辺に位置するプラズマ領域からの静電力又はイオンドラグ力に起因した動重力を、前記プラズマ中に存在する微粒子に作用させ、前記微粒子を、前記プラズマ中において、前記第１のグリッド電極及び前記第２のグリッド電極間の略中心に集束させ、保持する工程と、
   を具えることを特徴とする、プラズマ中微粒子保持法。
8. 前記第１のグリッド電極及び前記第２のグリッド電極の少なくとも一方は、球面状に湾曲していることを特徴とする、請求項７に記載のプラズマ中微粒子保持法。
9. 前記第１のグリッド電極及び前記第２のグリッド電極の少なくとも一方は、外方に湾曲していることを特徴とする、請求項８に記載のプラズマ中微粒子保持法。
10. 前記電圧は負電圧であることを特徴とする、請求項７又は８に記載のプラズマ中微粒子保持法。
11. 前記微粒子は負に帯電させることを特徴とする、請求項１０に記載のプラズマ中微粒子保持法。
12. 前記電圧のスイッチング時間が１ｓ〜１ｍｓであることを特徴とする、請求項７〜１１のいずれか一に記載のプラズマ中微粒子保持法。
13. 互いに対向してなる第１の電極及び第２の電極と、
    前記第１の電極及び前記第２の電極に対して交互に電圧を印加し、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方の周辺に位置するプラズマ領域からの静電力又はイオンドラグ力に起因した動重力を生成するための電圧印加手段と、
    を具えることを特徴とする、プラズマ中微粒子保持装置。
14. 前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方は点電極であることを特徴とする、請求項１３に記載のプラズマ中微粒子保持装置。
15. 前記電圧印加手段は、前記第１の電極及び前記第２の電極に対して正電圧を印加することを特徴とする、請求項１３又は１４に記載のプラズマ中微粒子保持装置。
16. 前記電圧印加手段は、１ｓ〜１ｍｓのスイッチング時間で前記電圧を印加することを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか一に記載のプラズマ中微粒子保持装置。
17. 互いに対向してなる第１のグリッド電極及び第２のグリッド電極と、
    前記第１のグリッド電極及び前記第２のグリッド電極に対して交互に電圧を印加し、前記第１のグリッド電極及び前記第２のグリッド電極の少なくとも一方の周辺に位置するプラズマ領域からの静電力又はイオンドラグ力に起因した動重力を生成するための電圧印加手段と、
    を具えることを特徴とする、プラズマ中微粒子保持装置。
18. 前記第１のグリッド電極及び前記第２のグリッド電極の少なくとも一方は、球面状に湾曲していることを特徴とする、請求項１７に記載のプラズマ中微粒子保持装置。
19. 前記第１のグリッド電極及び前記第２のグリッド電極の少なくとも一方は、外方に湾曲させたことを特徴とする、請求項１８に記載のプラズマ中微粒子保持装置。
20. 前記電圧は負電圧であることを特徴とする、請求項１７〜１９のいずれか一に記載のプラズマ中微粒子保持装置。
21. 前記電圧印加手段は、１ｓ〜１ｍｓのスイッチング時間で前記電圧を印加することを特徴とする、請求項１７〜２０のいずれか一に記載のプラズマ中微粒子保持装置。

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