JP2009032545A - Microwave plasma needle generation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロ波プラズマニードル発生装置、殊に小形かつ簡素なマイクロ波プラズマニードル発生装置に関するものである。 The present invention relates to a microwave plasma needle generator, and more particularly to a small and simple microwave plasma needle generator.
従来の技術として、特許文献1があった。即ち、円柱状の外側導体に、マイクロ波発振器に接続される同軸ケーブルの外部導体を接続し、該外側導体に円筒状の放電管を導電可能に嵌合させ、放電管の軸心部にアンテナを所定の間隙を保持して同軸に配置するとともに、該アンテナを前記同軸ケーブルの内部導体に接続し、前記放電管の基部にガス導入管路を接続する。
There existed
そして、ガス導入管路から放電管とアンテナとの間隙部にプラズマ発生用のガスを供給するとともに、前記同軸ケーブルにマイクロ波発振器から所定のマイクロ波を出力し、アンテナの先端と放電管の内面との間でプラズマを発生させ、放電管の先端開口からプラズマを照射するようにしたものがあった。 Then, a gas for generating plasma is supplied from the gas introduction conduit to the gap between the discharge tube and the antenna, and a predetermined microwave is output from the microwave oscillator to the coaxial cable, and the tip of the antenna and the inner surface of the discharge tube Plasma was generated between the two and the plasma was irradiated from the tip opening of the discharge tube.
前記従来のものは、放電管の内部でプラズマが発生するため、高温のプラズマを発生させると、放電管が熱によって損傷し、保守に手数を要することになる。また、放電管にガス導入管路を接続したり、放電管とアンテナとの間にガスが流通する間隙部を形成したりしていたため、構造が複雑になる。また、同軸管インピーダンスの整合が行なわれる放電管とアンテナとの間隙部にガスを流通させるようにしていたので、ガスの流量が制限され、プラズマの温度調整幅が制限されることになる。
本発明は、プラズマを同軸導波管の外側で発生させることにより、変換器のプラズマによる熱損傷を防止するとともに、プラズマの温度調整幅が大きくとれるマイクロ波プラズマニードル発生装置を得ることを目的とする。 It is an object of the present invention to obtain a microwave plasma needle generating apparatus that generates a plasma outside a coaxial waveguide, thereby preventing thermal damage due to the plasma of the transducer and increasing the temperature adjustment range of the plasma. To do.
請求項1に係る発明は、マイクロ波発生装置に、筒状の外部導体の軸心部に内部導体を同軸に嵌合させてなる同軸導波管を設け、前記内部導体に導体性のアンテナを接続するとともに、該アンテナを前記外部導体から外部に露出させ、プラズマ発生用のガスを前記アンテナの露出端部に向けて吐出するガス供給装置を設ける構成にしたものである。
請求項2に係る発明は、前記アンテナを内部導体の軸線方向に延長させて外部導体から外部に露出させたものである。
請求項3に係る発明は、前記ガスの吐出方向を、アンテナの軸心と直交する方向としたものである。
請求項4に係る発明は、ガスの吐出部を絶縁性の管体により形成し、外部導体から露出したアンテナの露出部を螺旋状に湾曲させてコイル部とし、該コイル部の基部を前記管体の外周に嵌合させ、該コイル部の先端部を前記管体からガスの吐出方向に突出させるようにしたものである。
請求項5に係る発明は、前記ガスの吐出量を調整するガス調整部と、マイクロ波発生装置の出力を調整する電力調整部とを設けたものである。
In the invention according to
According to a second aspect of the present invention, the antenna is extended in the axial direction of the inner conductor and exposed to the outside from the outer conductor.
According to a third aspect of the present invention, the gas discharge direction is a direction perpendicular to the antenna axis.
According to a fourth aspect of the present invention, the gas discharge portion is formed of an insulating tube, the exposed portion of the antenna exposed from the outer conductor is helically curved to form a coil portion, and the base portion of the coil portion is the tube. It is fitted to the outer periphery of the body, and the tip of the coil portion is projected from the tube body in the gas discharge direction.
According to a fifth aspect of the present invention, a gas adjustment unit that adjusts the discharge amount of the gas and a power adjustment unit that adjusts the output of the microwave generator are provided.
請求項1に係る発明は、アンテナの先端を外部導体から外部に露出させ、該露出したアンテナの先端部に向けてプラズマ発生用のガスを吐出するようにしたので、ガスの吐出流路の形成が容易になる。また、ガスの流量を大きく変化させることができ、これによりプラズマニードルの温度範囲が拡大し、多用途化が可能となる。また、外部導体の外側でプラズマニードルが発生するため、高温のプラズマニードルを発生させても、外部導体、及び内部導体が熱によって損傷し難くなる。
請求項2に係る発明は、アンテナを内部導体の軸線方向に延長させて外部導体から外部に露出させたので、ガスの混合が容易に行なえることになる。
請求項3に係る発明は、ガスの吐出方向をアンテナの軸心と直交する方向としたので、プラズマニードルをアンテナの先端部で効率よく生成させることができる。
請求項4に係る発明は、ガス吐出部を絶縁性の管体により形成し、コイル状にしたアンテナの基部を前記管体の外周に嵌合させるようにしたので、コイル部の中心部で強い電磁波が発生し、管体の出口中心部でプラズマニードルが発生することになる。このため、大気との混合が少なくなり、安定したプラズマニードルを得ることができる。
請求項5に係る発明は、ガスの吐出量、及びマイクロ波発生装置の出力を調整することにより、プラズマニードルの温度及び長さを広範囲で調節することができる。
According to the first aspect of the present invention, the tip of the antenna is exposed from the external conductor to the outside, and the gas for generating plasma is discharged toward the exposed tip of the antenna. Becomes easier. In addition, the gas flow rate can be changed greatly, which expands the temperature range of the plasma needle and enables versatility. Further, since the plasma needle is generated outside the outer conductor, the outer conductor and the inner conductor are not easily damaged by heat even when a high-temperature plasma needle is generated.
In the invention according to
In the invention according to
In the invention according to
In the invention according to
以下、本発明の実施の形態を図面に基いて説明する。図面において、図1は本発明の実施例を示す装置全体の概略図、図2は図1の要部拡大断面図、図3はアンテナの変形例(第2実施例)を示す要部拡大断面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, FIG. 1 is a schematic view of an entire apparatus showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an enlarged sectional view of a main part of FIG. 1, and FIG. 3 is an enlarged main part of an antenna showing a modification of the antenna (second embodiment). FIG.
図1において、1はマイクロ波発生装置であり、固体マイクロ波発振器2によって発生されるマイクロ波電力を同軸ケーブル3で矩形導波管4に導くようになっている。前記固体マイクロ波発振器2は、本例では2.45GHzのマイクロ波が発振されるものを使用している。5は固体マイクロ波発振器2の出力を調整する電力調整部、6は電力計である。
In FIG. 1,
前記矩形導波管4は、矩形の導波管本体4a、ダブルスラグチューナ4b、可動短絡板4cを有し、導波管本体4aの壁に同軸導波管(ランチャー)10を取り付ける。該同軸導波管10は導体性資材、本例では銅により形成され、図2に示すように、外径D1が13.9mmとなる円筒状の外部導体11を矩形導波管4の壁に起立固定し、該外部導体11の軸心部に外径D2が4.8mmとなる円筒状の内部導体12を嵌合させ、両者間に絶縁体15を充填して両者を同軸に保持する。
The
また、前記内部導体12の上端は外部導体11の上端に一致させ、内部導体12の下端は外部導体11の下端から下方に突出させる。このとき、前記外部導体11の長さL1はマイクロ波の波長λに対し、λ/2/ √εrを満足する長さ、本例では54mmとし、内部導体12の下部12aは外部導体11から下方に突出させる。この突出量L2はマイクロ波の波長λに対し、λ/4を満足する長さ、本例では30mmとし、これにより、同軸導波管10のインピーダンスの整合をとる。なお、前記同軸導波管10は固体マイクロ波発振器2の同軸ケーブル3に接続するようにしてもよい。
The upper end of the
前記内部導体12の上端部に導体性のアンテナ13を取り付ける。該アンテナ13はタングステン、あるいはモリブデン等の耐熱性の線材からなり、直径(線径)は0.5mmとなっている。該アンテナ13を前記外部導体11から上方(外部)に露出させる。この露出量H1はマイクロ波の波長の1/4以下とし、本例では15mmとする。14はアンテナ13を内部導体12に導電可能に固定するストッパーである。
A
前記同軸導波管10の上方にAr、He、N2などのプラズマ発生用のガスを前記アンテナ13の上端部に向けて吐出する吐出管(管体)21を配置する。該吐出管21は絶縁資材、本例では発砲テフロン(登録商標)により直径D3が6mm、内径D4が4.5mmとなる管体とし、アンテナ13の軸線に対して直交する横向きにするとともに、その吐出端がアンテナ13の上端部に対し5mmの間隔S1を保持する如く配置する。20は前記吐出管21にガスを供給するガス供給装置、22はガスの供給量を調整するガス調整部である。
The upward A r of the
前記実施例によれば、吐出管21からアンテナ13の先端部に向けてガスを吐出し、この状態でマイクロ波発生装置1からマイクロ波が出力されると、該マイクロ波が同軸導波管(ランチャー)10部で同軸モードに変換され、アンテナ13の先端でマイクロ波の電磁波が集中し、該アンテナ13の先端からニードルプラズマ25が発生することになる。
According to the embodiment, when a gas is discharged from the
この場合、前記アンテナ13の先端が外部導体11及び内部導体12から外部に露出しているので、高温のプラズマニードルを発生させても、外部導体11、及び内部導体12がプラズマニードルの熱によって損傷し難くなる。また、アンテナ13が熱損傷した際には、これを新規なものと容易に取り替えることができる。
In this case, since the tip of the
また、同軸導波管10の外側でガスをアンテナ13の先端部に向けて吐出するようにしたので、ガスの流量を大きく変化させることができ、これによりプラズマニードルの温度範囲が拡大し、多用途化が可能となる。さらに、ガスの吐出管21を同軸導波管10の外側に配置したので、ガス流路の形成が容易になる。
In addition, since the gas is discharged toward the tip of the
表1はガスの流量−固体マイクロ波発振器2の電力に対するプラズマニードル25の長さを示す。
Table 1 shows the flow rate of the gas and the length of the
表1によれば、固体マイクロ波発振器2の電力(W)が一定の場合、ガスの流量を4L/mim、6L/mim、8L/mimと増すことによってプラズマニードル25の長さが順次長くなり、また、ガスの流量が一定の場合、固体マイクロ波発振器2の電力を2.5W、5W、7.5W、10W、20W、30W、40W、50Wと大きくすることによってプラズマニードル25の長さが長くなることが判る。
According to Table 1, when the power (W) of the solid-
プラズマニードル25の流れ方向の温度分布は、図4(a)、(b)、(c)で示すように、固体マイクロ波発振器2の電力が2.5W、5W、7.5W、10Wにおいて、ガスの流量を4L/mim、6L/mim、8L/mimと増すことによってプラズマニードルの温度が下がり、ガスの流量が8L/mim、電力が2.5Wにおいては、プラズマニードルの先端部の温度が約40℃となって人体に触れることができ、歯部、皮膚部の殺菌、消毒等、医療用に活用することができる。
As shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C, the temperature distribution in the flow direction of the
図3はアンテナの変形例(第2実施例)を示す。図3において、10は同軸導波管(ランチャー)、21は吐出管であり、これらは前述した実施例と略同様の構造となっているので、図2と同符号を付してその説明を省略する。 FIG. 3 shows a modification of the antenna (second embodiment). In FIG. 3, 10 is a coaxial waveguide (launcher), 21 is a discharge pipe, and these have substantially the same structure as the above-described embodiment. Omitted.
13−1は内部導体12の上端部に固着したアンテナであり、該アンテナ13はタングステン、あるいはモリブデン等の耐熱性の線材からなり、直径(線径)は0.5mmとなっている。該アンテナ13を前記外部導体11から上方(外部)に露出させ、該露出した露出部を螺旋状に湾曲させてコイル部13aとする。該コイル部13aの基部13bを吐出管(管体)21の外周に密接に嵌合させ、その先端部13cを前記吐出管21から右方(ガスの吐出方向)に突出させる。
Reference numeral 13-1 denotes an antenna fixed to the upper end of the
前記同軸導波管10と吐出管21との間隔H2はマイクロ波の波長の1/4以下、本例では3mmとし、吐出管21に巻き付けるコイル部13aの基部13bの巻き付け量M1は15mm、吐出管21からのコイル部13aの先端部13cの突出量M2は27mmとする。
The distance H2 between the
前記第2実施例によれば、コイル部13aの中心部で強い電磁波が発生し、吐出管21の出口中心部でプラズマニードル25aが発生することになる。このため、大気との混合が少なくなり、安定したプラズマニードルを得ることができる。
According to the second embodiment, strong electromagnetic waves are generated at the central portion of the
1 マイクロ波発生装置
2 固体マイクロ波発振器
3 同軸ケーブル
4 矩形導波管
4a 導波管本体
4b ダブルスラグチューナ
4c 可変短絡板
5 電力調整部
6 電力計
10 同軸導波管(ランチャー)
11 外部導体
12 内部導体
12a 下部
13(13−1) アンテナ
13a コイル部
13b 基部
13c 先端部
14 ストッパー
15 絶縁体
20 ガス供給装置
21 吐出管(管体)
22 ガス調整部
25(25a) プラズマトーチ
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
22 Gas regulator 25 (25a) Plasma torch
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