JP2007207477A - Portable plasma generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、容量結合型の携帯型大気圧プラズマ発生装置を主要構成要素とする携帯型プラズマ発生システムに関し、特に作業性を上げるために、プラズマ発生用電力の供給部やガスの供給部からの供給線路部の改良を行った携帯型プラズマ発生システムに関するものである。 The present invention relates to a portable plasma generation system including a capacitively coupled portable atmospheric pressure plasma generator as a main component, and in particular, from the plasma generation power supply unit and the gas supply unit in order to improve workability. The present invention relates to a portable plasma generation system with an improved supply line section.
現在、携帯型プラズマ発生システムに於いて、プラズマ発生装置とプラズマ発生用電力の供給部及びガスの供給部との間の供給線路部は、それぞれケーブル等による電力供給線路部及びホース等によるガス供給線路部が別系統に構成されており、プラズマ発生装置の操作性が悪くなっている。プラズマ発生装置にプラズマ観測用の受光手段が配されている場合は、これと分光分析装置を接続する光伝送線路がまた別に構成されているため、一層取り扱いに厄介な状態となっている。 Currently, in the portable plasma generation system, the supply line section between the plasma generator and the plasma generation power supply section and gas supply section is a power supply line section using a cable or the like and a gas supply using a hose or the like, respectively. The line portion is configured in a separate system, and the operability of the plasma generator is deteriorated. In the case where a light receiving means for observing plasma is arranged in the plasma generator, the optical transmission line connecting this and the spectroscopic analyzer is separately configured, which makes it more difficult to handle.
これに関しては、現時点で、特別の改良を提案するような文献は見あたらない。
例えば、後記特許文献1〜3のいずれの部分にもプラズマ発生用の電力とガスの供給ラインに作業性を高めるために何らかの改良を加えるとするような記述、或いはその必要性について述べた記述は見あたらない。
In this regard, there are currently no documents that suggest special improvements.
For example, in any part of
本発明は、容量結合型の携帯型大気圧プラズマ発生装置を主要構成要素とする携帯型プラズマ発生システムに於いて、プラズマ発生用電力の供給部やガスの供給部からの供給線路部の改良を行い、作業性を改善することを解決の課題とするものである。 The present invention relates to a portable plasma generation system having a capacitively coupled portable atmospheric pressure plasma generator as a main component, and an improvement of a supply line section from a power supply section or a gas supply section for plasma generation. The problem to be solved is to improve workability.
本発明の1は、容量結合型の携帯型大気圧プラズマ発生装置と、該装置外のプラズマ発生用ガス類の供給部及びプラズマ発生用電力の供給部と、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置と該装置外の各供給部とを接続するガス供給線路部及び電力供給線路部とで構成した携帯型プラズマ発生システムに於いて、
前記ガス供給線路部及び前記電力供給線路部を一体化して一本のフレキシブルなフィーダに構成した携帯型プラズマ発生システムである。
A first aspect of the present invention includes a capacitively coupled portable atmospheric pressure plasma generator, a plasma generating gas supply unit and a plasma generating power supply unit outside the device, and the portable atmospheric pressure plasma generator. In a portable plasma generation system configured with a gas supply line section and a power supply line section connecting each supply section outside the apparatus,
It is a portable plasma generation system in which the gas supply line unit and the power supply line unit are integrated into a single flexible feeder.
本発明の2は、本発明の1の携帯型プラズマ発生システムに於いて、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置に受光手段を設け、かつ該装置外に分光分析装置を配備し、前記フィーダに前記受光手段と前記分光分析装置を接続する光伝送線路部を一体化して付設構成したものである。 According to a second aspect of the present invention, in the portable plasma generating system according to the first aspect of the present invention, the portable atmospheric pressure plasma generator is provided with a light receiving means, and a spectroscopic analyzer is provided outside the apparatus, and the feeder is provided with the above-mentioned An optical transmission line portion connecting the light receiving means and the spectroscopic analyzer is integrated and configured.
本発明の3は、本発明の1の携帯型プラズマ発生システムに於いて、前記ガス供給線路部をフレキシブルな管材で構成し、前記電力供給線路部を、高周波電力を供給するための、該管材に外装するメッシュ状導体の電力スリーブと該電力スリーブに絶縁材を介して外装するメッシュ状導体の接地スリーブとで構成し、更に該接地スリーブの外周に絶縁材を被覆して一体化した一本のフレキシブルなフィーダに構成したものである。 According to a third aspect of the present invention, in the portable plasma generation system according to the first aspect of the present invention, the gas supply line section is formed of a flexible pipe material, and the power supply line section is configured to supply high-frequency power. A power sleeve of a mesh-shaped conductor that is sheathed on the outer surface of the mesh sleeve and a grounding sleeve of the mesh-shaped conductor that is sheathed on the power sleeve with an insulating material interposed between them, and an outer periphery of the grounding sleeve that is coated with an insulating material This is a flexible feeder.
本発明の4は、本発明の2の携帯型プラズマ発生システムに於いて、前記ガス供給線路部をフレキシブルな管材で構成し、前記光伝送線路部を該管材の周側外周に軸方向に沿って形成した溝に埋め込んだ複数の光ファイバーコンジットで構成し、更に前記電力供給線路部を、高周波電力を供給するための、該管材に外装するメッシュ状導体の電力スリーブと該電力スリーブに絶縁材を介して外装するメッシュ状導体の接地スリーブとで構成し、加えて該接地スリーブの外周に絶縁材を被覆して一体化した一本のフレキシブルなフィーダに構成したものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the portable plasma generation system according to the second aspect of the present invention, the gas supply line section is formed of a flexible pipe material, and the optical transmission line section is provided along the outer circumference of the pipe material along the axial direction. A plurality of optical fiber conduits embedded in the grooves formed in this way, and further, the power supply line section is provided with a mesh-shaped power sleeve sheathed on the tube material for supplying high-frequency power, and an insulating material on the power sleeve. And a single flexible feeder in which the outer periphery of the ground sleeve is integrally covered with an insulating material.
本発明の5は、本発明の3又は4の携帯型プラズマ発生システムに於いて、前記電力供給線路部に、その電力スリーブと接地スリーブの間及び外側に配した絶縁材の中又は前記ガス供給線路部中のいずれかの部位に埋め込んだ、パルスバイアス電圧を印加するための単線の導体を加えたものである。 5 of the present invention is the portable plasma generation system according to 3 or 4 of the present invention, wherein the power supply line section includes an insulating material disposed between and outside the power sleeve and the ground sleeve or the gas supply. A single line conductor for applying a pulse bias voltage embedded in any part of the line portion is added.
本発明の6は、本発明の3又は4の携帯型プラズマ発生システムに於いて、前記電力供給線路部に、前記管材の周側外周に軸方向に沿って形成した溝内に埋め込んだ、パルスバイアス電圧を印加するための単線の導体を加えたものである。 6 of the present invention is the portable plasma generation system according to 3 or 4 of the present invention, wherein the pulse is embedded in the power supply line section in a groove formed along the axial direction on the outer periphery of the tube material. A single-wire conductor for applying a bias voltage is added.
本発明の7は、本発明の3又は4の携帯型プラズマ発生システムに於いて、前記電力供給線路部の電力スリーブを、プラズマ発生用の高周波電力の供給とパルスバイアス電圧の印加とを切り換える連動リレーの挿入位置をプラズマ発生用電力の供給部の高周波電力供給部側に寄せた位置とすることを前提として、パルスバイアス電圧を印加するための導体と兼用することにしたものである。 According to the seventh aspect of the present invention, in the portable plasma generation system according to the third or fourth aspect of the present invention, the power sleeve of the power supply line section is interlocked to switch between supply of high-frequency power for plasma generation and application of a pulse bias voltage. The relay is also used as a conductor for applying a pulse bias voltage, on the premise that the insertion position of the relay is a position close to the high frequency power supply side of the plasma generation power supply unit.
本発明の7は、本発明の3、4、5、6又は7の携帯型プラズマ発生システムに於いて、前記管材をPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)管で構成したものである。 A seventh aspect of the present invention is the portable plasma generation system according to the third, fourth, fifth, sixth or seventh aspect of the present invention, wherein the tube material is constituted by a PTFE (polytetrafluoroethylene) tube.
本発明の1の携帯型プラズマ発生システムによれば、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置と該装置外の各供給部とを接続するガス供給線路部及び電力供給線路部を一体化して一本のフレキシブルなフィーダに構成したため、それらが別系統になっている場合と比較して、邪魔にならないように整理しやすく、該携帯型大気圧プラズマ発生装置を操作する際に作業性が良好になる。 According to one portable plasma generation system of the present invention, a gas supply line unit and a power supply line unit that connect the portable atmospheric pressure plasma generator and each supply unit outside the device are integrated into a single unit. Since it is configured as a flexible feeder, it is easier to arrange them so as not to get in the way compared to the case where they are in separate systems, and workability is improved when the portable atmospheric pressure plasma generator is operated.
本発明の2の携帯型プラズマ発生システムによれば、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置に配した受光手段と該装置外の分光分析装置とを接続する光伝送線路部も前記フィーダに一体化されているため、それらが別系統になっている場合と比較して、整理しやすく、該携帯型大気圧プラズマ発生装置を操作する際に作業性が良好になる。 According to the portable plasma generating system of the second aspect of the present invention, the optical transmission line portion connecting the light receiving means arranged in the portable atmospheric pressure plasma generating device and the spectroscopic analyzer outside the device is also integrated with the feeder. Therefore, compared with the case where they are in separate systems, they are easier to organize and workability is improved when operating the portable atmospheric pressure plasma generator.
本発明の3の携帯型プラズマ発生システムによれば、前記ガス供給線路部と前記電力供給線路部とを合理的に一体化することができ、扱い易いフレキシブルなフィーダとすることができる。
According to the portable
本発明の4の携帯型プラズマ発生システムによれば、前記ガス供給線路部と前記電力供給線路部と前記光伝送線路部とを合理的に一体化することができ、扱い易いフレキシブルなフィーダとすることができる。
According to the portable
本発明の5の携帯型プラズマ発生システムによれば、前記ガス供給線路部と前記電力供給線路部等を一体化したフィーダのいずれかの部位に、更にパルスバイアス電圧を印加するための単線の導体を一体化することにより、携帯型大気圧プラズマ発生装置を操作する際に作業性を良好にすることができる。 According to the portable plasma generating system of the fifth aspect of the present invention, a single-wire conductor for further applying a pulse bias voltage to any part of a feeder in which the gas supply line section and the power supply line section are integrated. As a result, the workability can be improved when the portable atmospheric pressure plasma generator is operated.
本発明の6の携帯型プラズマ発生システムによれば、前記ガス供給線路部と前記電力供給線路部等を一体化したフィーダに、更にパルスバイアス電圧を印加するための単線の導体をやはり合理的に一体化し、取り扱いし易いフレキシブルなフィーダとすることができる。 According to the portable plasma generation system of 6 of the present invention, a single wire conductor for further applying a pulse bias voltage to the feeder in which the gas supply line section and the power supply line section are integrated is also rational. A flexible feeder that is integrated and easy to handle can be obtained.
本発明の7の携帯型プラズマ発生システムによれば、高周波電力供給用の電力スリーブをパルスバイアス電圧を印加するための導体と兼用することができるようにしたため、フィーダへの単線の導体の組み込みが不要となり、製造工程が簡略化し、低コスト化が実現できる利点が得られる。これは、高周波電力供給用の電力供給線路部の線間容量が小さい場合、或いはフィーダの長さが数メートルを越えない場合等に有効であり、これらの条件を満たさない場合は、パルス波形がなまってしまう可能性があるので、前記管材の周側外周に軸方向に沿って形成した溝にパルスバイアス電圧の印加用の単線の導体を埋め込んだ本発明の5を採用するのが適当である。 According to the portable plasma generating system 7 of the present invention, the power sleeve for supplying high-frequency power can be used also as a conductor for applying a pulse bias voltage, so that a single-wire conductor can be incorporated into the feeder. There is an advantage that the manufacturing process is simplified and the cost can be reduced. This is effective when the line-to-line capacity of the power supply line section for supplying high-frequency power is small, or when the length of the feeder does not exceed several meters, and when these conditions are not met, the pulse waveform is Therefore, it is appropriate to employ 5 of the present invention in which a single-line conductor for applying a pulse bias voltage is embedded in a groove formed along the axial direction on the outer circumference of the tube material. .
本発明の8の携帯型プラズマ発生システムによれば、前記管材をPTFE管で構成することにより目的とするフィーダを容易に構成することができる。 According to the portable plasma generation system of the present invention, the intended feeder can be easily configured by configuring the tube material with a PTFE tube.
図1は、本発明の携帯型プラズマ発生システムを示す説明図である。このシステムは、ガス流の上流方向からみて、プラズマ発生用機器・分光分析系A、マルチフレキシブルフィーダ系B、プラズマ発生−光検出系(携帯型大気圧プラズマ発生装置)Cに大別することができる。 FIG. 1 is an explanatory view showing a portable plasma generation system of the present invention. This system can be broadly divided into equipment for generating plasma, spectroscopic analysis system A, multi-flexible feeder system B, and plasma generation-light detection system (portable atmospheric pressure plasma generator) C as viewed from the upstream side of the gas flow. it can.
前記プラズマ発生用機器・分光分析系Aは、図1に示すように、プラズマ発生用電力の供給部であるプログラマブル高周波電源部A-1と、パルスバイアス電源部A-2と、分光分析部A-3と、プラズマ発生用ガス類の供給部であるガス供給部A-4と、パーソナルコンピュータ(以下、PCと略称する)部A-5とにより構成される。 As shown in FIG. 1, the plasma generating device / spectral analysis system A includes a programmable high frequency power supply unit A-1, a pulse bias power supply unit A-2, and a spectroscopic analysis unit A. -3, a gas supply part A-4 which is a supply part of plasma generating gases, and a personal computer (hereinafter abbreviated as PC) part A-5.
前記プログラマブル高周波電源部A-1は、図4(a)に示すような、搬送波が断続するバースト状の電圧波形を発生することができるものを採用する。これは、放電用の電源であり、プラズマ密度、空間電位及び電子温度を制御する。該波形は、以上のように、搬送波が断続するバースト状であるが、以上のような観点から、その振幅、搬送周波数、繰返し周波数及びデューティ比を適切に制御可能なものとする。例えば、これらを、各々0〜2kV、1〜20MHz、1kHz〜100kHz、5〜95%の範囲で制御可能なものが適当である。なお上記繰返し周波数は、搬送波のオンの時間とオフの時間の合計時間の逆数であり、上記デューティ比は、上記合計時間に対するオンの時間の百分率である。 As the programmable high-frequency power supply unit A-1, one capable of generating a bursty voltage waveform in which a carrier wave is intermittent as shown in FIG. This is a power source for discharge and controls the plasma density, space potential and electron temperature. As described above, the waveform has a burst shape in which the carrier wave is intermittent. From the above viewpoint, the amplitude, the carrier frequency, the repetition frequency, and the duty ratio can be appropriately controlled. For example, those capable of controlling these in a range of 0 to 2 kV, 1 to 20 MHz, 1 kHz to 100 kHz, and 5 to 95% are suitable. The repetition frequency is the reciprocal of the total time of the on time and off time of the carrier wave, and the duty ratio is a percentage of the on time with respect to the total time.
前記パルスバイアス電源部A-2は、バイアス電圧を制御し、これによってイオン衝撃エネルギーを制御するものであり、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cの後記放電部C-1の電力電極3と導体である被処理物との間に、前者が高電圧となり、後者が低電圧となるパルス電圧を印加するようにするものである。その出力波形は、以上の趣旨から、振幅0〜6kV、パルス幅0〜100μs、繰返し周波数1kHz〜100kHzの範囲で、それぞれ制御できるように構成するのが適当である。
The pulse bias power supply unit A-2 controls the bias voltage and thereby controls the ion bombardment energy, and the
前記分光分析部A-3は、例えば、回折格子の格子数1024個、CCDアレー1024chを有し、露出時間40ms〜20sの範囲に及ぶものを採用することができる。 As the spectroscopic analysis unit A-3, for example, a unit having 1024 diffraction gratings and a CCD array 1024ch and having an exposure time in the range of 40 ms to 20 s can be adopted.
前記ガス供給部A-4は、例えば、ガスボンベとその開口部に配したバルブと、該バルブを制御するコントローラとで構成することができる。該ガスボンベとしては、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cとの関係で決定すべきものであるが、予定されるそれとの関係で、例えば、外形350・80・80mm以内のサイズで、ガス耐圧20MPaの仕様で用いられる物を採用することができる。該ガスボンベに付属する減圧弁には、一次側と二次側に圧力センサーが付設してあり、各々の圧力値を逐次前記PC部A-5でモニターできるようにするのが適当である。また前記バルブとしては、例えば、ピエゾ型バルブを採用し、コントローラとしてマスフローコントローラを組込み、弁開閉と0.05〜5l/min(1atm、0℃)のガス流量範囲をPC部A-5で制御できるようにする。これらも、当然、予定される携帯型大気圧プラズマ発生装置Cとの関係で決定されるものである。 The gas supply unit A-4 can be composed of, for example, a gas cylinder, a valve disposed in the opening thereof, and a controller that controls the valve. The gas cylinder should be determined in relation to the portable atmospheric pressure plasma generator C. In relation to the planned gas cylinder, for example, the gas cylinder has a size within 350, 80, and 80 mm and has a gas pressure resistance of 20 MPa. The thing used by specification can be adopted. The pressure reducing valve attached to the gas cylinder is provided with pressure sensors on the primary side and the secondary side, and it is appropriate that each pressure value can be monitored successively by the PC section A-5. Also, as the valve, for example, a piezo-type valve is adopted, a mass flow controller is incorporated as a controller, and the valve opening and closing and the gas flow range of 0.05 to 5 l / min (1 atm, 0 ° C) are controlled by the PC section A-5. It can be so. Of course, these are determined in relation to the planned portable atmospheric pressure plasma generator C.
なお前記ガスボンベに充填されるガスは、不活性ガスとしてはヘリウム等であり、反応性のガスとしては酸素やメタン等である。 The gas filled in the gas cylinder is helium or the like as the inert gas, and oxygen or methane or the like as the reactive gas.
前記PC部A-5は、例えば、CPU:PENTIUM(登録商標)4−3GHz、メモリ:512MB以上の性能を有する一般的なそれを採用することができる。前記プラズマ発生用機器・分光分析系A内の各部は一つのボックス内に組込むシステムとするのが適当であるが、例えば、図1に示すように、該プラズマ発生用機器・分光分析系Aの各構成要素の内、PC部A-5のみを該ボックス外に出して、内部の構成要素とは相互にUSB、RS−232C、GP−IB等の通信規格で接続して後記連動リレー10a、10bを含む内部の各構成要素を制御することにすることもできる。 As the PC unit A-5, for example, a general one having a performance of CPU: PENTIUM (registered trademark) 4-3 GHz and memory: 512 MB or more can be adopted. It is appropriate that each part in the plasma generation apparatus / spectral analysis system A is incorporated into a single box. For example, as shown in FIG. Of each component, only the PC part A-5 is taken out of the box, and the internal component is mutually connected with a communication standard such as USB, RS-232C, GP-IB, etc. It is also possible to control each internal component including 10b.
前記マルチフレキシブルフィーダ系Bは、通常プラズマ発生用の電力供給線路部B-1と、ガス供給線路部B-2と、ファイバー光伝送線路部B-3と、パルスバイアス電圧印加線路部B-4とにより構成される。図2に示すように、例えば、それらを同心状に配置して一本のフレキシブルなラインに構成し、使用上の便宜を考慮すると、通常、全長は3m以内、許容曲率10cm程度に構成するのが適当である。 The multi-flexible feeder system B includes a power supply line part B-1, a gas supply line part B-2, a fiber light transmission line part B-3, and a pulse bias voltage application line part B-4 for generating plasma. It consists of. As shown in FIG. 2, for example, they are arranged concentrically to form a single flexible line, and considering the convenience of use, the total length is usually within 3 m and the allowable curvature is about 10 cm. Is appropriate.
前記電力供給線路部B-1は、メッシュ状導体の接地スリーブB-1aと同様にメッシュ状導体の電力スリーブB-1bとを、前者を外側に後者を内側にして同心状に配置し、その間及びその外周をそれぞれフレキシブルな絶縁材、例えば、PTFE管(絶縁スリーブ)で保持して構成する。各々の寸法は特定のものに限定されないが、上記絶縁材の厚みを0.5mm程度に想定し、供給予定の電力及び後述するガス供給線路部B-2を構成するガス導入管B-2aとの関係を考慮すると、前記接地スリーブB-1aの内径は6mm、その厚さは0.2mm、前記電力スリーブB-1bの内径は3.8mm、その厚さは0.2mmとするのが適当である。 The power supply line section B-1 is arranged concentrically with the mesh conductor power sleeve B-1b, like the mesh conductor ground sleeve B-1a, with the former on the outside and the latter on the inside. In addition, the outer periphery thereof is configured to be held by a flexible insulating material, for example, a PTFE tube (insulating sleeve). Each dimension is not limited to a specific one, but the thickness of the insulating material is assumed to be about 0.5 mm, and power to be supplied and a gas introduction pipe B-2a constituting a gas supply line section B-2 to be described later and In consideration of the above relationship, it is appropriate that the inner diameter of the ground sleeve B-1a is 6 mm, the thickness is 0.2 mm, the inner diameter of the power sleeve B-1b is 3.8 mm, and the thickness is 0.2 mm. It is.
なお、前記電力供給線路部B-1の電力スリーブB-1bと接地スリーブB-1aとは、云うまでもなく、それぞれプラズマ発生用放電部C-1の後記電力電極3と後記接地電極4とを前記プラズマ発生用のプログラマブル高周波電源部A-1に電気的に接続するものである。後記補助電極4aは接地電極4と並列に接続する。なおまた電力電極3とプログラマブル高周波電源部A-1とは、図3(b)に示すように、一方の連動リレー10aを介して接続するものである。
Needless to say, the power sleeve B-1b and the ground sleeve B-1a of the power supply line section B-1 include a
前記ガス供給線路部B-2を構成するガス導入管B-2aとしては、種々の管材が使用可能であるが、例えば、PTFE管を採用し、前記電力供給線路部B-1の内側にそれらと同心状に密着配置することができる。該電力供給線路部B-1を、前記のように、接地スリーブB-1aと電力スリーブB-1bとその間及びその外周部の絶縁材とで構成した場合は、該ガス導入管B-2aは、最内部の電力スリーブB-1bの内側に密着する態様で配置するのが適当である。 As the gas introduction pipe B-2a constituting the gas supply line section B-2, various pipe materials can be used. For example, a PTFE pipe is adopted, and these are provided inside the power supply line section B-1. And can be arranged closely in a concentric manner. When the power supply line section B-1 is composed of the ground sleeve B-1a, the power sleeve B-1b, and the insulating material between and around the outer periphery as described above, the gas introduction pipe B-2a It is appropriate to arrange in such a manner that it is in close contact with the inner side of the innermost power sleeve B-1b.
前記ファイバー光伝送線路部B-3は、マルチフレキシブルフィーダ系Bに於いて、前記電力供給線路部B-1と前記ガス供給線路部B-2を構成するガス導入管B-2aとの間又はそれらの最外周部のいずれかの部位に配することができる。もっとも以上の内で、上記両者の間に配することとするのが、前記ガス導入管B-2aを構成するPTFE管等の管材の周側面に長さ方向に沿って構成した溝を利用し、この中に光ファイバーコンジットを配列保持させることができるので好都合である。 In the multi-flexible feeder system B, the fiber optical transmission line part B-3 is between the power supply line part B-1 and the gas introduction pipe B-2a constituting the gas supply line part B-2 or It can distribute | arrange in any site | part of those outermost peripheral parts. Of the above, the groove disposed between the above-mentioned two uses a groove formed along the length direction on the peripheral side surface of a pipe material such as a PTFE pipe constituting the gas introduction pipe B-2a. This is advantageous because the optical fiber conduits can be arranged and held therein.
この場合は、前記ガス供給線路部B-2を構成するガス導入管B-2aの周側面に、周方向に定角度間隔でかつ長さ方向に沿った向きで溝を配列形成し、これらに光ファイバーコンジットを埋め込むこととし、これによってファイバー光伝送線路部B-3を構成する。該ガス導入管B-2aとして、前記のように、PTFE管を採用した場合は、該光ファイバーコンジットを上記のように配列する余地を持った物にするため、相応する周側肉厚寸法を持ったものとすべきであるのは云うまでもない。なお以上の光ファイバーコンジットは、PTFE管等の管材を成形した後に、それらの溝に前記のように埋め込むこととする。 In this case, grooves are arranged on the peripheral side surface of the gas introduction pipe B-2a constituting the gas supply line portion B-2 in the circumferential direction at a constant angular interval and along the length direction. An optical fiber conduit is embedded to form a fiber optical transmission line section B-3. When a PTFE pipe is used as the gas introduction pipe B-2a, as described above, the optical fiber conduit has a room to be arranged as described above, and therefore has a corresponding peripheral wall thickness. Needless to say, it should be. The optical fiber conduit described above is formed as described above after forming a pipe material such as a PTFE pipe in the grooves.
前記パルスバイアス電圧印加線路部B-4は、電力供給線路部B-1の電力スリーブB-1bと兼用することができる。これによって製造工程の簡略化や低コスト化が可能となる。もっともマルチフレキシブルフィーダ系Bの長さが数メートルになると、電力供給線路部B-1の線間容量が大きくなり、これと兼用した場合は、パルス波形がなまってしまうので、専用の導線を用意すべきことになる。この場合は、単線の導体を絶縁被覆して前記マルチフレキシブルフィーダ系Bの電力供給線路部B-1とガス供給線路部B-2を構成したガス導入管B-2aとの間又はそれらの最外周部のいずれかの部位に引き回すことができる。 The pulse bias voltage application line portion B-4 can also be used as the power sleeve B-1b of the power supply line portion B-1. As a result, the manufacturing process can be simplified and the cost can be reduced. However, if the length of the multi-flexible feeder system B is several meters, the line capacity of the power supply line section B-1 will increase, and if this is also used, the pulse waveform will be lost. It should be done. In this case, a single conductor is insulated and coated between the power supply line section B-1 of the multi-flexible feeder system B and the gas introduction pipe B-2a constituting the gas supply line section B-2, or at the end thereof. It can be routed to any part of the outer periphery.
該単線の導体は、或いは、該ガス導入管B-2aの周側面に長さ方向に沿って別に形成した溝内に、前記ファイバー光伝送線路部B-3と同様に、前記光ファイバーコンジットと共に配することも可能である。この場合は、該導体は、周方向に隣接する適宜二本の光ファイバーコンジットの間に、これらと平行に配することにする。当然、この導体も該ガス導入管B-2aを構成する管材を成形した後にその周側に形成した溝内に埋め込むものである。 The single wire conductor is arranged together with the optical fiber conduit in the groove separately formed along the length direction on the peripheral side surface of the gas introduction pipe B-2a, like the fiber optical transmission line section B-3. It is also possible to do. In this case, the conductor is arranged in parallel between these two optical fiber conduits adjacent in the circumferential direction as appropriate. Naturally, this conductor is also embedded in a groove formed on the circumferential side of the tube material forming the gas introduction tube B-2a.
なお、前記パルスバイアス電圧印加線路部B-4は、云うまでもなく、プラズマ発生用放電部C-1の後記電力電極3と前記パルスバイアス電源部A-2の高電圧側を他方の連動リレー10bを介して接続するものである。被処理物側には、前記パルスバイアス電源部A-2の低電圧側を、ここから別に延長した導線で接続する。パルスバイアスを併用する場合は、前記連動リレー10aと上記連動リレー10bとは、前記プログラマブル高周波電源A-1と前記パルスバイアス電源部A-2の各々の電圧波形が示す電圧ゼロの区間に、相補的に給電されるようにリレー駆動を適切に設定しておくべきものである。この場合、プラズマ発生用の搬送波が休止した直後数μsは、プラズマ状態が維持されている。なお、これらの連動リレー10a、10bは、半導体素子によって構成し得る。また該連動リレー10a、10bの動作は、前記のように、前記PC部A-5によって制御することができる。
Needless to say, the pulse bias voltage application line section B-4 is connected to the
更にまた前記ファイバー光伝送線路部B-3は、前記分光分析部A-3にプラズマ発光を検出する後記光検出部C-2で検出した光を伝送すべく相互を接続するものである。 Furthermore, the fiber light transmission line part B-3 is connected to the spectroscopic analysis part A-3 so as to transmit light detected by the light detection part C-2 described later for detecting plasma emission.
前記プラズマ発生-光検出系である携帯型大気圧プラズマ発生装置Cは、プラズマ発生用の放電部C-1とプラズマ発光を検出する光検出部C-2とにより構成される。これらは、図3(b)に示すように、円筒状の外部絶縁管8及びその軸心に沿って配する小径の内部絶縁管9に配して構成する。
The portable atmospheric pressure plasma generator C, which is the plasma generation-light detection system, includes a discharge unit C-1 for generating plasma and a light detection unit C-2 for detecting plasma emission. As shown in FIG. 3 (b), these are arranged in a cylindrical outer insulating
前記プラズマ発生用の放電部C-1は、電力電極3と、可動式の接地電極4と、補助電極4aと、ガス導入用の高速ノズルとで構成し、前記のように、これらを前記外部絶縁管8及び前記内部絶縁管9に取り付ける。
The discharge section C-1 for generating plasma is composed of a
前記電力電極3は、例えば、L型の中心導体に構成し、図3(b)に示すように、その軸方向部3aを、前記内部絶縁管9に挿入し、該中心導体の後端から直角方向に延びる縦方向部3bの外端付近を前記外部絶縁管8にセットする。該外部絶縁管8に後端から軸方向に向けて係止溝を形成しておき、この係止溝に該縦方向部3bの外端付近を挿入すると共に、その下流側端に接するように配置するのが適当である。なお前記内部絶縁管9は、この場合は、以上のように、これに配された電力電極3を構成する中心導体の縦方向部3bを介して外部絶縁管8に同軸状に固定保持されることになる。
The
前記外部絶縁管8及び前記内部絶縁管9は、例えば、石英ガラスによって構成することができる。
The outer insulating
前記可動式の接地電極4は、環状の導体に構成し、図3(a)、(b)に示すように、前記外部絶縁管8の外周にその軸方向に沿って摺動自在に外装する。該接地電極4の摺動範囲は、前記電力電極3が高温になるのを回避するために必要なだけ前記外部絶縁管8の先端側に移動できるように設定する。例えば、該電力電極3に内外ほぼ対応する部位付近から該外部絶縁管8の先端側に概ね10mm程往復移動可能に構成する。往復移動をさせるための構成は自由である。
The
前記補助電極4aは、前記したように、前記接地電極4に並列に配する。この補助電極4aは、該接地電極4と同様に、環状の導体に構成し、図3(b)に示すように、外部絶縁管8の先端外周部に外装固定する。該補助電極4aは、先端側で前記外部絶縁管8に固設した絶縁ジャケット14で被覆する。この絶縁ジャケット14も石英ガラスで構成するのが適当である。プラズマ吹き出し口の先端で前記外部絶縁管8の先端を細くし、それに伴い、前記補助電極4aのリング外径を該接地電極4のそれに対して小さくして構成することも可能である。
The
前記プラズマ発光を検出する光検出部C-2は、前記外部絶縁管8の後端から先端まで延長する複数本の光ファイバーコンジット5、5…で構成することができる。該外部絶縁管8の外周部に這わせて配置することもできるが、図3(a)、(b)に示すように、その周側肉厚部内に定角度間隔で配する構成とするのがより好ましい。このとき、各光ファイバーコンジット5、5…の先端部は該外部絶縁管8の先端にできるだけ近接させる。なお、このような外部絶縁管8の周側肉厚部内への光ファイバーコンジット5、5…の配置は、該外部絶縁管8を成形した後に該光ファイバーコンジット5、5…をその中に埋め込むことによって行うことができる。
The light detection part C-2 for detecting the plasma emission can be composed of a plurality of
前記高速ノズルは、前記外部絶縁管8の後端、即ち、上流側端部中心に構成する。この高速ノズルとしては、種々の超音速ノズルを採用可能である。例えば、図3(b)に示すように、該外部絶縁管8の後端に円柱形のラバルノズル1を填め込むことによって構成することができる。
The high-speed nozzle is configured at the rear end of the outer insulating
前記外部絶縁管8の先端は、図3(b)に示すように、そのまま開口状態となり、プラズマガスの吹出口となっている。
As shown in FIG. 3B, the distal end of the external insulating
従って本発明の携帯型プラズマ発生システムによれば、前記したように、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cと、前記プラズマ発生用機器・分光分析系Aのプログラマブル高周波電源部A-1、パルスバイアス電源部A-2、分光分析部A-3及びプラズマ発生用ガス類の供給部であるガス供給部A-4とが、電力供給線路部B-1、ガス供給線路部B-2のガス導入管B-2a、ファイバー光伝送線路部B-3及びパルスバイアス電圧印加線路部B-4を一体化した一本のマルチフレキシブルフィーダ系Bにより相互に接続されているため、それらが別系統になっている場合と比較して、邪魔にならないように整理しやすく、該携帯型大気圧プラズマ発生装置を操作する際に作業性が極めて良好になるものである。 Therefore, according to the portable plasma generation system of the present invention, as described above, the portable atmospheric pressure plasma generator C, the programmable high-frequency power supply unit A-1 of the plasma generation device / spectral analysis system A, the pulse bias The power supply unit A-2, the spectroscopic analysis unit A-3, and the gas supply unit A-4, which is a supply unit of plasma generating gases, are introduced into the power supply line unit B-1 and the gas supply line unit B-2. Since the tube B-2a, fiber optical transmission line section B-3, and pulse bias voltage application line section B-4 are connected to each other by a single multi-flexible feeder system B, they are separate systems. Compared to the case where the portable atmospheric pressure plasma generator is operated, it is easy to arrange so as not to get in the way, and workability becomes extremely good when the portable atmospheric pressure plasma generator is operated.
またこのシステム中の携帯型大気圧プラズマ発生装置は、従来の大気圧プラズマ励起電源と同様の仕様であるプログラマブル高周波電源部A-1を用いて、より高エネルギーの正イオンを被処理物の表面に照射することができるものでもある。 In addition, the portable atmospheric pressure plasma generator in this system uses a programmable high-frequency power supply unit A-1, which has the same specifications as the conventional atmospheric pressure plasma excitation power supply, to apply higher-energy positive ions to the surface of the workpiece. It can also be irradiated.
ところでプラズマ発生用機器・分光分析系Aのガス供給部A-4から該マルチフレキシブルフィーダ系Bを通じて携帯型大気圧プラズマ発生装置Cまで供給されたガスは、その高速ノズルを通じて放電部C-1を構成する外部絶縁管8内に高速で導入される。このようにして外部絶縁管8内に導入されるガスが低流量であっても、その誘電体バリヤ放電部で良好にプラズマ化することができ、生じたプラズマは、該外部絶縁管8先端の吹出口からより長く引出すことができる。即ち、外部絶縁管8の外周途中に移動自在に配した接地電極4に加えてその先端外周に補助電極4aを配置し、これらと電力電極との間にプログラマブル高周波電源部A-1から出力される高周波電圧を印加することとしたため、該外部絶縁管8の先端付近の電気力線密度が増大することとなり、その上流部に位置する誘電体バリヤ放電部からのシードプラズマを空間的に増大し前記吹出口外へ大気圧プラズマを引出すことができる。
By the way, the gas supplied to the portable atmospheric pressure plasma generator C through the multi-flexible feeder system B from the gas supply unit A-4 of the plasma generation apparatus / spectroscopy system A passes through the high-speed nozzle to the discharge unit C-1. It introduce | transduces in the external insulation pipe |
加えて、前記外部絶縁管8の先端まで光ファイバーコンジット5、5…を延長させたため、これによって先端の吹出口近傍のプラズマの発光状態が良好に検出され、これがマルチフレキシブルフィーダ系Bを通じてプラズマ発生用機器・分光分析系Aの分光分析部A-3に伝送され、プラズマ中のガス励起状態及び被処理物表面の励起状態が観測され、この観測結果データがPC部A-5に入力される。PC部A-5では、この観測結果データと所望のガス励起状態のデータである基準状態のデータとを比較し、その比較結果に基づいて、前記プログラマブル高周波電源部A-1の振幅や周波数等の出力波形、並びにガス供給部A-4から供給されるガス種の混合割合と各ガス種の流量等を適切に制御し、所望のガス励起状態を確保するよう動作する。
In addition, since the
また、前記のように、外部絶縁管8の外周に配した接地電極4を該外部絶縁管8の軸方向に移動可能に構成し、プラズマの点火時に該接地電極4を電力電極3に近づけるべく移動させ、これによって比較的低い放電開始電圧を得ると共に、高速ノズルのノズル径を絞ることにより電力電極3を冷却して低いガス流量で安定にプラズマを維持できる。
Further, as described above, the
こうして、この携帯型プラズマ発生システムによれば、前記のように、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cと、前記プラズマ発生用機器・分光分析系Aの各部とを一体化した一本のマルチフレキシブルフィーダ系Bにより相互に接続したため、それらが別系統になっている場合と比較して、携帯型大気圧プラズマ発生装置を操作する際に作業性が極めて良好になり、かつプラズマ発生用のプログラマブル高周波電源A-1とガス供給部A-4のガスボンベとを小型化でき、小型の携帯型大気圧プラズマ発生装置を含む小型のシステムとすることができる。 Thus, according to this portable plasma generation system, as described above, a single multi-flexible unit in which the portable atmospheric pressure plasma generation device C and each part of the plasma generation apparatus / spectrographic analysis system A are integrated. Because they are connected to each other by the feeder system B, workability is extremely good when operating the portable atmospheric pressure plasma generator compared to the case where they are separate systems, and programmable high frequency for plasma generation The power supply A-1 and the gas cylinder of the gas supply unit A-4 can be reduced in size, and a small system including a small portable atmospheric pressure plasma generator can be obtained.
この実施例は本発明の携帯型プラズマ発生システムに関し、その全体構成の概要は図1に示す通りである。 This embodiment relates to a portable plasma generation system of the present invention, and the outline of the overall configuration is as shown in FIG.
このシステムは、図1に示すように、ガス流の上流方向から見て、プラズマ発生用機器・分光分析系Aと、マルチフレキシブルフィーダ系Bと、携帯型大気圧プラズマ発生装置Cとで構成したものである。 As shown in FIG. 1, this system is composed of a plasma generating device / spectral analysis system A, a multi-flexible feeder system B, and a portable atmospheric pressure plasma generator C as viewed from the upstream side of the gas flow. Is.
前記プラズマ発生用機器・分光分析系Aは、図1に示すように、プラズマ発生用のプログラマブル高周波電源部A-1と、パルスバイアス電源部A-2と、分光分析部A-3と、ガス供給部A-4と、PC部(パーソナルコンピュータ部)A-5とにより構成される。 As shown in FIG. 1, the plasma generating device / spectral analysis system A includes a plasma generating programmable high-frequency power supply unit A-1, a pulse bias power supply unit A-2, a spectral analysis unit A-3, and a gas. It comprises a supply unit A-4 and a PC unit (personal computer unit) A-5.
前記プログラマブル高周波電源部A-1は、図4(a)に示すようなバースト状の電圧・電流波形を発生し、その振幅、搬送周波数、繰返し周波数及びデューティ比を、各々0〜2kV、1〜20MHz、1kHz〜100kHz、5〜95%の範囲で制御可能に構成したものである。 The programmable high frequency power supply A-1 generates a burst-like voltage / current waveform as shown in FIG. 4 (a), and its amplitude, carrier frequency, repetition frequency, and duty ratio are 0 to 2 kV, 1 to It is configured to be controllable in the range of 20 MHz, 1 kHz to 100 kHz, and 5 to 95%.
これを詳しく説明すると、該プログラマブル高周波電源部A-1は、実効値出力を振幅と称し、これが、前記のように、0〜2kVの範囲で制御可能である。搬送周波数は、図4(a)の(1)に示す周期tの逆数であり、これが、前記のように、1〜20MHzの範囲で制御可能である。繰返し周波数は、図4(a)の(1)に示す搬送波のオンの時間とオフの時間の合計時間(ton+toff)の逆数であり、これが、前記のように、1kHz〜100kHzの範囲で制御可能である。またデューティ比は、前記合計時間(ton+toff)に対するオンの時間(ton)の100分率[100ton/(ton+toff)]であり、これが、前記のように、5〜95% の範囲で制御可能になっている。 Explaining this in detail, the programmable high-frequency power supply unit A-1 refers to the effective value output as the amplitude, which can be controlled in the range of 0 to 2 kV as described above. The carrier frequency is the reciprocal of the period t shown in FIG. 4A (1), and can be controlled in the range of 1 to 20 MHz as described above. The repetition frequency is the reciprocal of the total time (t on + t off ) of the on time and off time of the carrier shown in (1) of FIG. 4 (a), which is 1 kHz to 100 kHz as described above. It can be controlled in a range. Further, the duty ratio is a 100 fraction [100 t on / (t on + t off )] of the on time (t on ) with respect to the total time (t on + t off ), which is 5 as described above. Control is possible in the range of ~ 95%.
前記パルスバイアス電源部A-2は、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cの放電部C-1の電力電極3と導体である被処理物7との間に、前者が高電圧となり、後者が低電圧となるパルス電圧を印加するように接続する。その出力波形は、振幅0〜6kV、パルス幅0〜100μs、繰返し周波数1kHz〜100kHzの範囲で、それぞれ制御できるように構成した矩形波である。
In the pulse bias power supply unit A-2, the former has a high voltage between the
前記分光分析部A-3は、回折格子の格子数1024個、CCDアレー1024chを有し、露出時間40ms〜20sの範囲に及ぶものを採用した。 The spectroscopic analysis unit A-3 has a number of diffraction gratings of 1024, a CCD array of 1024ch, and an exposure time ranging from 40 ms to 20 s.
前記ガス供給部A-4は、ガスボンベとその開口部に配したバルブと、該バルブを制御するコントローラとで構成したものである。該ガスボンベは、外形350・80・80mmで、ガス耐圧20MPaのそれを採用した。該ガスボンベに付属する減圧弁には、一次側と二次側に圧力センサーが付設してあり、各々の圧力値を逐次前記PC部A-5でモニターできるようにした。また前記バルブとしては、ピエゾ型バルブを採用し、コントローラとしてマスフローコントローラを組込み、弁開閉と0.05〜5l/min(1atm、0℃)のガス流量範囲をPC部A-5で制御できるようにしたものである。 The gas supply unit A-4 is composed of a gas cylinder, a valve disposed in the opening thereof, and a controller for controlling the valve. The gas cylinder used had an outer shape of 350, 80, and 80 mm and a gas pressure resistance of 20 MPa. The pressure reducing valve attached to the gas cylinder is provided with pressure sensors on the primary side and the secondary side so that each pressure value can be successively monitored by the PC section A-5. In addition, a piezo-type valve is adopted as the valve, and a mass flow controller is incorporated as a controller so that the valve opening and closing and the gas flow range of 0.05 to 5 l / min (1 atm, 0 ° C) can be controlled by the PC section A-5. It is a thing.
前記PC部A-5は、CPU:PENTIUM(登録商標)4−3GHz、メモリ:512MB以上の性能を有する一般的なノート型のそれを採用し、前記プラズマ発生用機器・分光分析系Aの各部とは分離してボックス外に出して置き、USBの通信規格で接続して連動リレー10a、10bを含む該プラズマ発生用機器・分光分析系A内の他の各構成要素を制御することにした。
The PC part A-5 adopts a general notebook type CPU having a performance of CPU: PENTIUM (registered trademark) 4-3 GHz, memory: 512 MB or more, and each part of the plasma generating apparatus / spectral analysis system A And connected to the USB communication standard to control other components in the plasma generation apparatus / spectroscopy system A including the interlocking
前記マルチフレキシブルフィーダ系Bは、プラズマ発生用の電力供給線路部B-1と、ガス供給線路部B-2と、ファイバー光伝送線路部B-3と、パルスバイアス電圧印加線路部B-4とにより構成される。図2に示すように、それらを同心状に配置して一本のフレキシブルなラインに構成し、全長は3m、許容曲率10cmに構成した。 The multi-flexible feeder system B includes a plasma generation power supply line section B-1, a gas supply line section B-2, a fiber light transmission line section B-3, and a pulse bias voltage application line section B-4. Consists of. As shown in FIG. 2, they were concentrically arranged to form a single flexible line, with a total length of 3 m and an allowable curvature of 10 cm.
前記電力供給線路部B-1は、メッシュ状の接地スリーブB-1aと同様にメッシュ状の電力スリーブB-1bとを、図2に示すように、前者を外側に後者を内側にして同心状に配置し、その間及びその外周をそれぞれPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)による絶縁スリーブB-1c、B-1cで保持して構成した。該絶縁スリーブB-1cの厚みは0.5mm、前記接地スリーブB-1aの内径は6mm、その厚みは0.2mm、前記電力スリーブB-1bの内径は3.8mm、その厚さは0.2mmとした。いずれも長さは、前記のように、3mである。 As shown in FIG. 2, the power supply line section B-1 is concentric with a mesh-like power sleeve B-1b as well as a mesh-like ground sleeve B-1a, with the former on the outside and the latter on the inside. The outer periphery and the outer periphery thereof were respectively held by insulating sleeves B-1c and B-1c made of PTFE (polytetrafluoroethylene). The insulation sleeve B-1c has a thickness of 0.5 mm, the ground sleeve B-1a has an inner diameter of 6 mm, its thickness is 0.2 mm, the power sleeve B-1b has an inner diameter of 3.8 mm, and its thickness is 0.2 mm. 2 mm. In any case, the length is 3 m as described above.
前記ガス供給線路部B-2としては、PTFEによるガス導入管B-2aを採用し、図2に示すように、前記電力供給線路部B-1の内側、即ち、内径3.8mmの電力スリーブB-1bの内側に装入する態様で、それらと同心状に配置した。このPTFEによるガス導入管B-2aは、内径を2mmに、その周側部の厚みを0.7mmに構成したものである。 As the gas supply line section B-2, a PTFE gas introduction pipe B-2a is adopted. As shown in FIG. 2, the inside of the power supply line section B-1, that is, a power sleeve having an inner diameter of 3.8 mm. They were placed concentrically with B-1b in such a manner that they were inserted inside. This PTFE gas introduction tube B-2a has an inner diameter of 2 mm and a peripheral side thickness of 0.7 mm.
前記ファイバー光伝送線路部B-3は、前記ガス供給線路部B-2を構成するガス導入管B-2aの周側面に長さ方向に沿って複数の溝を構成し、それらの溝の中に各々光ファイバーコンジットB-3a、B-3a…を装入保持させて構成した。これらの光ファイバーコンジットB-3a、B-3a…は、図2に示すように、8本のそれを該PTFEによるガス導入管B-2aの周側面に周方向に45度の定角度間隔でかつ長さ方向に沿った向きに配列形成した溝の中に埋め込んだ。これらの光ファイバーコンジットB-3a、B-3a…は、該PTFEによるガス導入管B-2aを成形した後に、前記配列の溝に前記のように埋め込む。 The fiber optical transmission line part B-3 is configured with a plurality of grooves along the length direction on the peripheral side surface of the gas introduction pipe B-2a constituting the gas supply line part B-2. The optical fiber conduits B-3a, B-3a,. As shown in FIG. 2, these optical fiber conduits B-3a, B-3a,... Are arranged at a constant angular interval of 45 degrees in the circumferential direction on the peripheral side surface of the gas introduction pipe B-2a by PTFE. It was embedded in the grooves arranged in the direction along the length direction. These optical fiber conduits B-3a, B-3a,... Are molded into the grooves of the array as described above after the PTFE gas introduction pipe B-2a is formed.
なお、以上の光ファイバーコンジットB-3aは、直径が200μmで、透過波長が200−950nmのそれを採用した。 The optical fiber conduit B-3a described above has a diameter of 200 μm and a transmission wavelength of 200-950 nm.
前記パルスバイアス電圧印加線路部B-4は、単線の導体を、前記ファイバー光伝送線路部B-3と同様に、前記ガス供給線路部B-2を構成するガス導入管B-2aの周側外面の溝内に埋め込むことにより、パルスバイアス電圧印加線B-4aとして構成した。該パルスバイアス電圧印加線B-4aを構成する単線の導体は、この場合は、周方向に隣接する二本の光ファイバーコンジットB-3a、B-3aの間に、これらと平行状態に配することとし、ガス導入管B-2aを成形した後にその周側外面の溝内に埋め込んだものである。 The pulse bias voltage application line section B-4 is a single conductor, like the fiber light transmission line section B-3, and is on the peripheral side of the gas introduction pipe B-2a constituting the gas supply line section B-2. A pulse bias voltage application line B-4a was formed by embedding it in a groove on the outer surface. In this case, the single-line conductor constituting the pulse bias voltage application line B-4a is arranged in parallel between the two optical fiber conduits B-3a and B-3a adjacent in the circumferential direction. The gas introduction pipe B-2a is molded and then embedded in the groove on the outer peripheral surface thereof.
前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cは、プラズマ発生用の放電部C-1とプラズマ発光を検出する光検出部C-2とにより構成したものである。これらは、図3(b)に示すように、円筒状の外部絶縁管8及びその軸心に沿って位置する小径の内部絶縁管9に配して構成したものである。
The portable atmospheric pressure plasma generator C is composed of a discharge part C-1 for generating plasma and a light detection part C-2 for detecting plasma emission. As shown in FIG. 3 (b), these are arranged in a cylindrical outer insulating
前記放電部C-1は、電力電極3と、可動式の接地電極4と、固定式の補助電極4aと、ガス導入用のラバルノズル1とで構成し、前記のように、これらを外部絶縁管8及び内部絶縁管9に取り付けたものである。
The discharge part C-1 is composed of a
前記電力電極3は、この実施例では、L型の中心導体に構成し、図3(b)に示すように、その軸方向部3aを、前記内部絶縁管9に後端から挿入し、該中心導体の後端から直角方向に延びる縦方向部3bの外端付近を前記外部絶縁管8にセットしたものである。該外部絶縁管8にはその後端から軸方向に向けて係止溝を形成しておき、この係止溝に該縦方向部3bの外端付近を挿入すると共に、その下流側端に接するように配置したものである。なお前記内部絶縁管9は、この実施例では、以上のように、これに配された電力電極3を構成する中心導体の縦方向部3bを介して前記外部絶縁管8に同軸状に固定保持されることとなっている。
In this embodiment, the
また前記外部絶縁管8及び前記内部絶縁管9は、いずれも石英ガラスによって成形したものであり、該外部絶縁管8は、図3(b)に示すように、ストレートな円筒状で前後端(上流側端及び下流側端)のいずれもが開口しており、該内部絶縁管9は、同図に示すように、先端(下流側端)が閉じ、後端(上流側端)が開口した試験管状の構成となっている。この実施例では、該外部絶縁管8の外径は5.3mmに、その周側部の厚みは0.65mmに構成し、該内部絶縁管9の外径は2mmに、その厚みは0.5mmに構成したものである。
The outer insulating
前記電力電極3を構成するL型の中心導体の直径は0.5mm、その軸方向部3aの長さは10mm、縦方向部3bの長さは3mmである。
The diameter of the L-shaped central conductor constituting the
前記可動式の接地電極4は、図3(a)、(b)に示すように、環状の導体に構成し、前記外部絶縁管8の外周にその軸方向に沿って摺動自在に外装する。該接地電極4の摺動範囲は、前記電力電極3の先端側に内外ほぼ一致する部位付近と、該部位から10mm程該外部絶縁管8の先端(下流端)側の部位との間とし、この範囲を自由に移動可能にしたものである。なお該接地電極4は、その幅を5mmとし、肉厚を0.2mmに構成した。
As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the
また前記補助電極4aは、前記接地電極4と同様に、環状の導体に構成し、図3(b)に示すように、前記外部絶縁管8の先端外周部に外装固定し、該外部絶縁管8の先端側に固設した石英ガラス製の絶縁ジャケット14で被覆したものである。この補助電極4aは、その下流側端が該外部絶縁管8の下流側端から1mmだけ上流側に後退した位置となるようにする。またこの補助電極4aは、電気的には前記接地電極4と並列に接続される。なお該補助電極4aは、前記接地電極4と同様に、その幅を5mmとし、肉厚を0.2mmに構成した。
The
前記プラズマ発光を検出する光検出部C-2は、前記外部絶縁管8の後端から先端まで延長する8本の光ファイバーコンジット5、5…を、図3(a)、(b)に示すように、該外部絶縁管8の周側肉厚部内に周方向45度の定角度間隔で配する構成としたものである。このとき、各光ファイバーコンジット5、5…の先端部は該外部絶縁管8の先端(下流端)に0.3mmまで近接させたものである。なお、このような外部絶縁管8の周側肉厚部内への光ファイバーコンジット5、5…の配置は、該外部絶縁管8を成形した後に該光ファイバーコンジット5、5…をその中に埋め込むことによって行ったものである。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the light detection unit C-2 for detecting the plasma emission has eight
該光ファイバーコンジット5、5…は、前記ファイバー光伝送線路部B-3を構成する光ファイバーコンジットB-3aをそのまま延長して使用したので、当然、直径が200μmで、透過波長が200−950nmのそれである。
Since the
前記ラバルノズル1は、図3(b)に示すように、円柱状の外形を持ち、縦断面凹レンズ状であり、その端面方向から見た中央部に直径が0.2mmφで、深さ(長さ)が0.5mmのノズル孔を開口した物である。そして、前記のように、前記外部絶縁管8の後端、即ち、上流側端部に同心状に填め込んで固定してあるものである。
As shown in FIG. 3 (b), the
前記外部絶縁管8の後端(上流側端)には、図1に示すように、これより大径のアウターシェルC-3を結合し、該アウターシェルC-3には、ガス流スイッチC-3a及びガス励起スイッチC-3bを配置する。前記ガス流スイッチC-3aは、前記ラバルノズル1の直前に配した図示しない開閉弁を開閉操作するスイッチであり、前記ガス励起スイッチC-3bは、前記プログラマブル高周波電源部A-1及び前記パルスバイアス電源部A-2をオンオフ操作するスイッチである。
As shown in FIG. 1, an outer shell C-3 having a larger diameter is coupled to the rear end (upstream side end) of the outer insulating
この携帯型プラズマ発生システムの各部の構成は以上の通りであるが、そのフレキシブルフィーダ系Bを、以下に示すように、上流のプラズマ発生用機器・分光分析系Aと下流の携帯型大気圧プラズマ発生装置Cとに接続してシステムは完成する。 The configuration of each part of this portable plasma generation system is as described above, but the flexible feeder system B is divided into an upstream plasma generation device / spectroscopy system A and a downstream portable atmospheric pressure plasma as shown below. Connecting to generator C completes the system.
こうして電力供給線路部B-1の電力スリーブB-1bと接地スリーブB-1aとは、それぞれプラズマ発生用放電部C-1の電力電極3と接地電極4及び補助電極4aとをプログラマブル高周波電源部A-1に電気的に接続する。なお電力電極3とプログラマブル高周波電源部A-1とは、図3(b)に示すように、連動リレー10aを介して接続する。この連動リレー10aは後記連動リレー10bも含めて半導体素子によって構成したものである。
Thus, the power sleeve B-1b and the ground sleeve B-1a of the power supply line section B-1 respectively connect the
パルスバイアス電圧印加線路部B-4は、プラズマ発生用放電部C-1の電力電極3とパルスバイアス電源部A-2の高電圧側を連動リレー10aを介して接続する。パルスバイアス電源部A-2の低電圧側は、ここから別に延長した導線で被処理物7側に個別に接続する。パルスバイアスを併用する場合は、前記プログラマブル高周波電源A-1の搬送波が切れた時間に前記一方の連動リレー10aが開き、同時に前記他方の連動リレー10bが閉じることにより、電力電極3へパルス電圧のみが供給される。この場合、パルス幅は搬送波の休止時間より小さく、その繰り返し周期は、バースト電圧波形のそれと一致させている。このようなパルスバイアスは、被処理物7の表面を過度に加熱することなく荒削りしたい場合等のイオンを加速して被処理物7に強く衝撃させる必要がある場合に印加する。なおプログラマブル高周波電源A-1が前記バースト電圧波形に前記のタイミングで重畳されるスルーレートの大きい前記パルスを含むように構成してある場合は、パルスバイアス電源部A-2、パルスバイアス電圧印加線路部B-4及び連動リレー10a、10bは不必要となる。
The pulse bias voltage application line section B-4 connects the
ファイバー光伝送線路部B-3は、その一端で、分光分析部A-3に接続し、他端はそのままプラズマ発光を検出する光検出部C-2として延長する。 The fiber light transmission line part B-3 is connected at one end to the spectroscopic analysis part A-3, and the other end is extended as it is as a light detection part C-2 for detecting plasma emission.
またガス供給線路部B-2は、その一端でガス供給部A-4に接続し、他端で、前記ラバルノズル1の上流側に接続する。
The gas supply line section B-2 is connected to the gas supply section A-4 at one end and connected to the upstream side of the
次に、以上の携帯型プラズマ発生システムによって所望のガス励起状態が得られるメカニズムを、図4(a)〜(d)に沿って説明する。 Next, the mechanism by which a desired gas excitation state is obtained by the above portable plasma generation system will be described with reference to FIGS.
前記ガス流スイッチC-3aを、前記ラバルノズル1の直前の開閉弁を開くべく操作し、かつ前記ガス励起スイッチC-3bをオン操作する。
The gas flow switch C-3a is operated to open the on-off valve immediately before the
こうして前記ガス供給部A-4のガスボンベからヘリウムガスが供給され、図3(b)中の矢印6に示すように、これが前記ラバルノズル1まで導入され、該ラバルノズル1を通じて、毎分0.5リットル(0.5 l/min)で該ヘリウムガスが外部絶縁管8の上流端の中央部に高速で導入される。このとき、可動式の接地電極4を上流側に移動させて電力電極3であるL型中心導体の軸方向部3aに近づける。こうして比較的低い放電開始電圧を得、小さな電源容量でプラズマの点火を容易にする。点火したプラズマは、前記ラバルノズル1でノズル径を絞ることにより電力電極3を冷却して低いガス流量においても安定した状態に維持できる。
Thus, helium gas is supplied from the gas cylinder of the gas supply unit A-4, and as shown by an
また、このとき、プログラマブル高周波電源部A-1では、図4(a)中の(2)に示すような波形、即ち、搬送周波数2MHz、振幅100V、繰り返し周波数100kHz、デューティ比30%の電圧・電流波形を生成し、これを、電力電極3と可動式の接地電極4及び補助電極4a間に給電している。この振幅を大きくして行くと、約800Vで、図3(b)に示すように、外部絶縁管8の外周に位置する接地電極4と内部絶縁管9中の電力電極3との間に誘電体バリヤ放電が発生し、その間に誘電体バリヤ放電プラズマ13が生成される。
At this time, the programmable high frequency power supply unit A-1 has a waveform as shown in (2) of FIG. 4A, that is, a voltage of 2 MHz, a carrier frequency of 2 MHz, an amplitude of 100 V, a repetition frequency of 100 kHz and a duty ratio of 30%. A current waveform is generated and supplied between the
次いで、前記プログラマブル高周波電源部A-1の出力する高周波電圧・電流の振幅を更に大きくすることにより、図3(b)に示すように、誘電体バリヤ放電部で生成されたプラズマを外部絶縁管8の先端外まで引出すことができる。こうして、同図に示すように、トーチ状プラズマ12が発生する。
Next, by further increasing the amplitude of the high-frequency voltage / current output from the programmable high-frequency power supply unit A-1, as shown in FIG. 8 can be pulled out of the tip. Thus, a torch-
この後、可動式の接地電極4を電力電極3であるL型中心導体の軸方向部3aから遠ざけ、補助電極4aに近づける。こうして該電力電極3が高温になり、不純物が発生するのを抑制することができる。
Thereafter, the
搬送周波数2MHz、振幅900V、繰返し周波数100kHz、デューティ比30%の波形、即ち、図4(a)-(2)の波形によりプラズマが生成されると、図4(a)-(1)に示すデューティ比のより大きな波形で生成された場合に比べて、電子温度の低いプラズマ状態が実現される。 When plasma is generated by a waveform having a carrier frequency of 2 MHz, an amplitude of 900 V, a repetition frequency of 100 kHz, and a duty ratio of 30%, that is, the waveforms of FIGS. 4 (a)-(2), it is shown in FIGS. 4 (a)-(1). Compared to the case where the waveform is generated with a larger duty ratio, a plasma state having a lower electron temperature is realized.
この場合には、図4(c)に示すような、窒素ガスの電離や酸素ガスの解離等の化学反応に必要なエネルギーは原子や分子により固有であるため、大気雰囲気の成分である酸素分子と窒素分子では、窒素分子の電離が起こり難い。 In this case, as shown in FIG. 4 (c), the energy necessary for chemical reaction such as ionization of nitrogen gas and dissociation of oxygen gas is specific to atoms and molecules, so oxygen molecules that are components of the atmospheric atmosphere. And nitrogen molecules are less likely to ionize.
以上のプラズマ中のガス励起状態は、外部絶縁管8の先端(下流端)まで延長状態に埋め込んだ光ファイバーコンジット5、5…によりガスの発光状態を検出し、それをマルチフレキシブルフィーダ系Bのファイバー光伝送線路部B-3を経由して、分光分析部A-3に導き、これによってモニターすることができる。
The gas excitation state in the above plasma is detected by the
こうしてモニターすると、図4(d)-2に示すように、プラズマガス中の発光現象として、波長が800nm前後の酸素分子の励起スペクトルがより強く現れるのが分かる。 When monitored in this way, as shown in FIG. 4 (d) -2, it can be seen that the excitation spectrum of oxygen molecules having a wavelength of around 800 nm appears more intensely as a light emission phenomenon in the plasma gas.
窒素分子ガスの励起状態が必要な場合は、PC部A-5で、プログラマブル高周波電源部A-1が、図4(a)-(1)に示すデューティ比の大きな波形出力を生成すべく制御するように操作すれば良い。これによって、図4(d)-1に示すように、波長が200−400nm程の窒素分子の励起スペクトルがより強く現れるのが分かる。 When the excited state of the nitrogen molecular gas is required, the programmable high frequency power supply unit A-1 controls the PC unit A-5 to generate a waveform output with a large duty ratio shown in FIGS. 4 (a)-(1). You just have to operate it. As a result, as shown in FIG. 4D, it can be seen that the excitation spectrum of nitrogen molecules having a wavelength of about 200 to 400 nm appears more intensely.
こうして携帯型大気圧プラズマ発生装置Cは、目的に応じて、プログラマブル高周波電源部A-1の出力波形を制御することにより、プラズマ生成ガスの励起状態をある範囲でコントロールすることができる。 Thus, the portable atmospheric pressure plasma generator C can control the excitation state of the plasma generation gas within a certain range by controlling the output waveform of the programmable high-frequency power supply unit A-1 according to the purpose.
以上の携帯型プラズマ発生システムによれば、先に述べたように、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cと、前記プラズマ発生用機器・分光分析系Aのプログラマブル高周波電源部A-1、パルスバイアス電源部A-2、分光分析部A-3及びプラズマ生成用ガス類の供給部であるガス供給部A-4とが、各々前記のような構成により一本のマルチフレキシブルフィーダ系Bに一体化された電力供給線路部B-1、ガス供給線路部B-2、ファイバー光伝送線路部B-3及びバイアス電圧印加線路部B-4により相互に接続されているため、それらが別系統になっている場合と比較して、邪魔にならず、かつフレキシブルで取り扱いが容易であり、その携帯型大気圧プラズマ発生装置を操作する際に作業性が極めて良好になるものである。 According to the above portable plasma generation system, as described above, the portable atmospheric pressure plasma generation device C, the programmable high-frequency power supply unit A-1 of the plasma generation device / spectroscopy analysis system A, pulse bias The power supply unit A-2, the spectroscopic analysis unit A-3, and the gas supply unit A-4, which is a supply unit for plasma generating gases, are each integrated into a single multi-flexible feeder system B with the above-described configuration. Since the power supply line section B-1, the gas supply line section B-2, the fiber optical transmission line section B-3, and the bias voltage application line section B-4 are connected to each other, they become separate systems. Compared with the case where the device is not disturbed, it is flexible and easy to handle, and the workability is extremely good when the portable atmospheric pressure plasma generator is operated.
A プラズマ発生用機器・分光分析系
A-1 プログラマブル高周波電源部
A-2 パルスバイアス電源部
A-3 分光分析部
A-4 ガス供給部
A-5 PC部(パーソナルコンピュータ)部
B マルチフレキシブルフィーダ系
B-1 電力供給線路部
B-1a 接地スリーブ
B-1b 電力スリーブ
B-1c 絶縁スリーブ
B-2 ガス供給線路部
B-2a ガス導入管
B-3 ファイバー光伝送線路部
B-3a 光ファイバーコンジット
B-4 パルスバイアス電圧印加線路部
B-4a パルスバイアス電圧印加線
C 携帯型大気圧プラズマ発生装置
C-1 放電部
C-2 光検出部
C-3 アウターシェル
C-3a ガス流スイッチ
C-3b ガス励起スイッチ
1 ラバルノズル
3 電力電極
3a 軸方向部
3b 縦方向部
4 接地電極
4a 補助電極
5 光ファイバーコンジット
6 ガス流を示す矢印
7 被処理物
8 外部絶縁管
9 内部絶縁管
10a プログラマブル高周波電圧断続用の連動リレー
10b パルスバイアス電圧断続用の連動リレー
14 絶縁ジャケット
A Plasma generator / spectroscopy system
A-1 Programmable high frequency power supply
A-2 Pulse bias power supply
A-3 Spectroscopic analysis unit
A-4 Gas supply unit
A-5 PC section (personal computer) section
B Multi-flexible feeder system
B-1 Power supply line
B-1a Grounding sleeve
B-1b Power sleeve
B-1c Insulation sleeve
B-2 Gas supply line
B-2a Gas introduction pipe
B-3 Fiber optical transmission line
B-3a optical fiber conduit
B-4 Pulse bias voltage application line
B-4a Pulse bias voltage application line
C Portable atmospheric pressure plasma generator
C-1 Discharge part
C-2 Photodetector
C-3 outer shell
C-3a Gas flow switch
C-3b
Claims (8)
前記ガス供給線路部及び前記電力供給線路部を一体化して一本のフレキシブルなフィーダに構成した携帯型プラズマ発生システム。 Capacitively coupled portable atmospheric pressure plasma generator, plasma generation gas supply unit and plasma generation power supply unit outside the device, the portable atmospheric plasma generator and each supply outside the device In a portable plasma generation system composed of a gas supply line section and a power supply line section connecting the sections,
A portable plasma generation system in which the gas supply line unit and the power supply line unit are integrated into a single flexible feeder.
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