JP2010121193A - Apparatus for producing nanoparticle and method for producing nanoparticle - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To extend the life of a plasma source in a solution by preventing the fracture of a sealing member due to heat. <P>SOLUTION: This apparatus 1 for forming nanoparticles in the solution by excited plasma includes: a container 30 in which the solution is stored; an electrode 42 for supplying a microwave to the solution; a hole 43-7 which is arranged in a side face 32 of the container 30 while being in the lower part of the water surface of the solution, and passes the electrode 42 therethrough; the sealing member 44 which is arranged between the electrode 42 and the hole 43-7; and an insulating member 45 which is arranged at the solution side of the sealing member 44. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、溶液中にプラズマを励起させてナノ粒子を生成するナノ粒子製造装置、及び、ナノ粒子の製造方法に関し、特に、電極の端部を円錐形状に形成し、その先端を溶液に接触させてプラズマを発生するナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法に関する。   The present invention relates to a nanoparticle production apparatus and a nanoparticle production method for generating nanoparticles by exciting plasma in a solution, and in particular, the end of an electrode is formed in a conical shape and the tip contacts the solution. The present invention relates to a nanoparticle production apparatus and a nanoparticle production method for generating plasma.

一般に知られるナノ粒子の生成方法としては、例えば、気相法、液相法、破砕法あるいはレーザアブレーション法などがある。
それらのうち、気相法は、真空中あるいは気体中でナノ粒子を生成するため、高純度で高品質なナノ粒子が得られるが、生成速度が遅く、製造コストも高い。
液相法は、溶液中で金属塩を還元して、金属ナノ粒子などを作成する。ただし、還元剤などが不純物として混入するおそれがある。
破砕法は、大きな塊を工具や砥石など用いて砕き、ナノ粒子を得るが、砕く過程で工具の刃先などの不純物混入が避けられない。
レーザアブレーション法は、レーザ発振器が高価で寿命も短く、万が一レーザ光が外部に漏れると危険であり、視力低下、失明事故も起きている。
Examples of generally known methods for producing nanoparticles include a gas phase method, a liquid phase method, a crushing method, and a laser ablation method.
Among them, the vapor phase method generates nanoparticles in vacuum or in gas, so that high-purity and high-quality nanoparticles can be obtained, but the production rate is slow and the production cost is high.
In the liquid phase method, a metal salt is reduced by reducing a metal salt in a solution. However, a reducing agent or the like may be mixed as an impurity.
In the crushing method, a large lump is crushed using a tool or a grindstone to obtain nanoparticles, but contamination of impurities such as the cutting edge of the tool is inevitable during the crushing process.
In the laser ablation method, the laser oscillator is expensive and has a short life, and it is dangerous if the laser beam leaks to the outside.

このように、各生成方法には一長一短があるが、ナノ粒子を高速に生成するとの観点からは、気相よりも液相でのプロセスが有利である。しかも、液相において、液中プラズマをエネルギー源とすれば、余計な薬品を添加せずに反応を進行させることが可能となるので、不純物の混入がない。   Thus, each production method has advantages and disadvantages, but from the viewpoint of producing nanoparticles at high speed, a process in a liquid phase is more advantageous than a gas phase. Moreover, in the liquid phase, if the in-liquid plasma is used as an energy source, the reaction can proceed without adding extra chemicals, so that no impurities are mixed.

液中プラズマをエネルギー源とした場合、ナノ粒子を得るには二つの方法がある。
一つは、原子、分子レベルから、酸化あるいは還元反応により、金属原子を得て、それを結晶成長させてナノ粒子を得る方法である。
もう一つは、こうした方法あるいは、他のプロセスにより予め大きな粒子を生成しておき、それを液中プラズマのエネルギーにより粉砕してナノ粒子を得る方法である。液中プラズマによる粉砕は、工具や砥石を使う場合のような不純物混入のおそれはない。
When using plasma in liquid as an energy source, there are two methods for obtaining nanoparticles.
One is a method of obtaining a nanoparticle by obtaining a metal atom from an atomic or molecular level by oxidation or reduction reaction, and crystal-growing it.
The other is a method in which large particles are generated in advance by such a method or other processes and then pulverized by the energy of plasma in liquid to obtain nanoparticles. The pulverization by submerged plasma does not have the possibility of mixing impurities as in the case of using tools and grindstones.

なお、マイクロ波を与えて液中プラズマを発生させる技術については、種々提案されている(例えば、特許文献1、2参照。)。
また、直流パルスを与えて液中プラズマを発生させる技術についても提案されている(例えば、特許文献3参照。)。
特開2006−179211号公報 再表2006/059808号公報 特開2008−013810号公報
Various techniques for generating a plasma in liquid by applying a microwave have been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
A technique for generating a plasma in liquid by applying a direct current pulse has also been proposed (see, for example, Patent Document 3).
Japanese Patent Laid-Open No. 2006-179211 No. 2006/059808 JP 2008-013810 A

しかしながら、液中プラズマを発生させる装置においては、電極及びその周囲における熱的劣化から寿命が短いという問題があった。
この問題を説明するために、ナノ粒子製造装置に用いる液中プラズマ源の構成を図12に示す。
同図に示すように、液中プラズマ源100は、端部が円錐形状の電極110と、この電極110を支持する支持体120とを備えている。
ここで、支持体120は、天板部121とスカート部122とを有するキャップ状に形成されており、天板部121の中央には小さな孔123が穿設されている。
電極110は、支持体120の中空部124に配置され、その先端が孔123から露出している。
そして、この中空部124の内面と電極110との間には、溶液の流入を防止するための封止部材130が埋め込まれている。
この封止部材130は、溶液が漏れないように中空部124の内面や電極110に密着させる必要がある。このため、変形可能な柔らかい材料、例えば、ゴム、ポリテトラフルオロエチレン(Poly Tetra Fluoro Ethylene。以下、「PTFE」と略す)、ポリアミドを含むプラスチックなどを用いていた。
However, the apparatus for generating submerged plasma has a problem that its life is short due to thermal degradation of the electrode and its surroundings.
In order to explain this problem, FIG. 12 shows the configuration of an in-liquid plasma source used in the nanoparticle production apparatus.
As shown in the figure, the in-liquid plasma source 100 includes an electrode 110 having a conical end, and a support 120 that supports the electrode 110.
Here, the support 120 is formed in a cap shape having a top plate portion 121 and a skirt portion 122, and a small hole 123 is formed in the center of the top plate portion 121.
The electrode 110 is disposed in the hollow portion 124 of the support 120, and its tip is exposed from the hole 123.
And between the inner surface of this hollow part 124 and the electrode 110, the sealing member 130 for preventing inflow of a solution is embedded.
The sealing member 130 needs to be in close contact with the inner surface of the hollow portion 124 and the electrode 110 so that the solution does not leak. Therefore, deformable soft materials such as rubber, polytetrafluoroethylene (Poly Tetra Fluoro Ethylene; hereinafter abbreviated as “PTFE”), and plastics including polyamide have been used.

ところが、これら材料は、一般に耐熱温度が低い。このため、それらを使用すると、プラズマからの輻射熱、表面を走る沿面放電、電極110の高温化などにより短時間で破壊され、水漏れや、ナノ粒子への不純物混入などが生じてしまう。
しかも、封止部材130の破壊により液中プラズマ源100そのものが使用できなくなる。このため、封止部材130の破壊を阻止して、液中プラズマ源100の長寿命化を実現する技術の提案が求められていた。
However, these materials generally have a low heat-resistant temperature. For this reason, if they are used, they are destroyed in a short time due to radiant heat from plasma, creeping discharge running on the surface, high temperature of the electrode 110, etc., resulting in water leakage and contamination of the nanoparticles.
Moreover, the submerged plasma source 100 itself cannot be used due to the destruction of the sealing member 130. For this reason, the proposal of the technique which prevents destruction of the sealing member 130 and implement | achieves the lifetime improvement of the plasma source 100 in a liquid was calculated | required.

本発明は、上記の問題を解決すべくなされたものであり、封止部材の熱による破壊を防止して、液中プラズマ源の長寿命化を可能とするナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法の提供を目的とする。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and a nanoparticle production apparatus and a nanoparticle production method capable of preventing the destruction of the sealing member due to heat and extending the life of the plasma source in liquid. The purpose is to provide.

この目的を達成するため、本発明のナノ粒子製造装置は、プラズマの励起により溶液中にナノ粒子を生成するナノ粒子製造装置であって、溶液が収められた容器と、マイクロ波を溶液に与える電極とを備え、容器の側面であって溶液の水面よりも下方に、電極を通す孔を有し、電極と孔との間に、封止部材を配置し、この封止部材の溶液側に、絶縁部材を配置した構成としてある。   In order to achieve this object, a nanoparticle production apparatus of the present invention is a nanoparticle production apparatus that generates nanoparticles in a solution by excitation of plasma, and provides a container in which the solution is stored and a microwave to the solution. An electrode, and has a hole through which the electrode passes on the side of the container and below the water surface of the solution. A sealing member is disposed between the electrode and the hole, and the solution side of the sealing member is disposed on the solution side. In this configuration, an insulating member is arranged.

また、本発明のナノ粒子製造方法は、溶液中にプラズマを発生させてナノ粒子を生成するナノ粒子製造方法であって、溶液を容器に収め、容器の側面に形成された孔の内側に配置された環状の封止部材と、この封止部材の溶液側に配置された環状の絶縁部材と、これら封止部材と絶縁部材との内側に配置された電極とを有し、この電極にパルス状のマイクロ波を供給し、溶液中に突出した電極の先端で、マイクロ波によりプラズマを励起させて、ナノ粒子を生成する方法としてある。   The nanoparticle production method of the present invention is a nanoparticle production method in which plasma is generated in a solution to generate nanoparticles, and the solution is placed in a container and disposed inside a hole formed on a side surface of the container. An annular sealing member, an annular insulating member disposed on the solution side of the sealing member, and an electrode disposed inside the sealing member and the insulating member. This is a method of generating nanoparticles by supplying plasma-like microwaves and exciting plasma with microwaves at the tips of electrodes protruding into the solution.

本発明のナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法によれば、封止部材と溶液との間に絶縁部材を配置したため、封止部材の熱的破壊を防ぐことができる。これにより、封止部材の延命を可能とし、液中プラズマ源の長寿命化を実現できる。   According to the nanoparticle production apparatus and the nanoparticle production method of the present invention, since the insulating member is disposed between the sealing member and the solution, thermal destruction of the sealing member can be prevented. As a result, the life of the sealing member can be extended and the life of the plasma source in liquid can be extended.

以下、本発明に係るナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of a nanoparticle production apparatus and a nanoparticle production method according to the present invention will be described with reference to the drawings.

[第一実施形態]
まず、本発明のナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法の第一実施形態について、図1を参照して説明する。
同図は、本実施形態のナノ粒子製造装置の構成を示す正面図である。
[First embodiment]
First, a first embodiment of a nanoparticle production apparatus and a nanoparticle production method of the present invention will be described with reference to FIG.
The figure is a front view showing the configuration of the nanoparticle production apparatus of the present embodiment.

(ナノ粒子製造装置)
同図に示すように、ナノ粒子製造装置1aは、マイクロ波発振器10と、導波管20と、容器30と、液中プラズマ源40とを有している。
ここで、マイクロ波発振器10は、マグネトロンボックス11と、マイクロ波電源12と、マイクロ波電源コントローラ13とを有している。
マグネトロンボックス11は、マイクロ波を生成して出力する。
マイクロ波電源12は、マグネトロンボックス11にマイクロ波生成用の電力を供給する。
マイクロ波電源コントローラ13は、マイクロ波電源12に信号を送って、マイクロ波の出力などを調整・制御する。
なお、図1においては、マグネトロンボックス11、マイクロ波電源12、マイクロ波電源コントローラ13をそれぞれ別構成で示したが、別構成に限るものではなく、これらを一体構成とすることができる。
(Nanoparticle production equipment)
As shown in the figure, the nanoparticle manufacturing apparatus 1 a includes a microwave oscillator 10, a waveguide 20, a container 30, and a submerged plasma source 40.
Here, the microwave oscillator 10 includes a magnetron box 11, a microwave power supply 12, and a microwave power supply controller 13.
The magnetron box 11 generates and outputs a microwave.
The microwave power source 12 supplies power for generating microwaves to the magnetron box 11.
The microwave power supply controller 13 sends a signal to the microwave power supply 12 to adjust and control the output of the microwave.
In FIG. 1, the magnetron box 11, the microwave power source 12, and the microwave power source controller 13 are shown as separate configurations, but are not limited to different configurations, and can be integrated.

導波管20は、マイクロ波発振器10から出力されたマイクロ波を容器30へ伝搬する。
導波管20には、アイソレータ21、パワーメータ22、チューナ23などの立体回路を取り付けることができる。
アイソレータ21は、負荷から反射してきたマイクロ波が再びマグネトロンへ戻らないように、ダミーロードで吸収し、熱に変換する。
パワーメータ22は、出射、反射それぞれのマイクロ波電力を測定する。
The waveguide 20 propagates the microwave output from the microwave oscillator 10 to the container 30.
A solid circuit such as an isolator 21, a power meter 22, and a tuner 23 can be attached to the waveguide 20.
The isolator 21 absorbs it with a dummy load and converts it into heat so that the microwave reflected from the load does not return to the magnetron again.
The power meter 22 measures the output and reflected microwave power.

チューナ23は、負荷インピーダンスの整合を行なう。
チューナ23には、スリースタブチューナと、EHチューナがある。
スリースタブチューナは、三本のスタブを調整して、負荷の消費電力を最大にする。
EHチューナは、導波管のE分岐とH分岐にプランジャを設け、これを出し入れすることで、チューニングをとる。
なお、ナノ粒子製造装置1aを実施する場合は、スリースタブチューナとEHチューナのいずれを用いてもよい。
The tuner 23 performs load impedance matching.
The tuner 23 includes a three tab tuner and an EH tuner.
The three tab tuner adjusts the three stubs to maximize the power consumption of the load.
The EH tuner performs tuning by providing plungers at the E branch and the H branch of the waveguide and taking them in and out.
In addition, when implementing the nanoparticle manufacturing apparatus 1a, you may use any of a sleeving tuner and an EH tuner.

また、導波管20には、コーナ導波管24や終端プランジャ25などを用いることができる。
さらに、導波管20は、同軸導波管変換器26を有している。
この同軸導波管変換器26の構造については、後記の(液中プラズマ源)で詳述する。
The waveguide 20 can be a corner waveguide 24, a terminal plunger 25, or the like.
Furthermore, the waveguide 20 has a coaxial waveguide converter 26.
The structure of the coaxial waveguide converter 26 will be described in detail later in (Liquid plasma source).

容器30は、溶液を入れる器である。この容器30に収められた溶液の中でプラズマを発生させる。
この容器30の側面の一部には、液中プラズマ源40の支持体43(後述)を取り付けるための孔31が穿設されている。
支持体43は、後述するように、キャップ状に形成されており、スカート部43−1と天板部43−2とを有している。孔31は、天板部43−2とスカート部43−1の一部(天板部43−2の近傍)が嵌合可能な大きさに穿設されている。
この孔31に支持体43を嵌合すると、支持体43の内側に位置する電極42は、容器30の側面であって、この容器30に収められた溶液の水面よりも下方に位置するようになる。
The container 30 is a container for storing a solution. Plasma is generated in the solution stored in the container 30.
A hole 31 for attaching a support 43 (described later) of the in-liquid plasma source 40 is formed in a part of the side surface of the container 30.
As described later, the support body 43 is formed in a cap shape, and includes a skirt portion 43-1 and a top plate portion 43-2. The hole 31 is drilled to a size that allows the top plate portion 43-2 and a part of the skirt portion 43-1 (the vicinity of the top plate portion 43-2) to be fitted.
When the support body 43 is fitted into the hole 31, the electrode 42 located inside the support body 43 is located on the side surface of the container 30 and below the water surface of the solution contained in the container 30. Become.

この容器30は、例えば、アクリルで形成できる。溶液は、酸やアルカリ性であることも多く、その場合に容器を金属でつくると、電池になって電気分解を起こす可能性があるので、ガラスや樹脂製が望ましい。
なお、アクリル製の容器30の外側に、ステンレス容器を備えることもできる。これにより、マイクロ波の漏洩を防止できる。
The container 30 can be formed of acrylic, for example. The solution is often acid or alkaline. In this case, if the container is made of metal, it may become a battery and cause electrolysis, so glass or resin is preferable.
A stainless steel container can be provided outside the acrylic container 30. Thereby, leakage of the microwave can be prevented.

(溶液への供給電力)
次に、溶液に供給される電力について、説明する。
溶液には、この液中にプラズマを励起してナノ粒子を生成するための電力が供給される。
この電力は、直流パルスではなく、2.45GHz、5.8GHz、9.5GHz帯などの周波数スペクトルが単一のマイクロ波である。このため、共振構造、伝送路インピーダンスの最適化などにより、高い電力供給効率が可能となる。
(Power supplied to the solution)
Next, the power supplied to the solution will be described.
The solution is supplied with power for exciting the plasma into the solution to generate nanoparticles.
This power is not a direct current pulse but a microwave having a single frequency spectrum such as 2.45 GHz, 5.8 GHz, and 9.5 GHz band. For this reason, high power supply efficiency becomes possible by optimizing the resonance structure and transmission line impedance.

液中プラズマでは、従来技術として直流パルスによる放電の例がある。
直流パルスは、基本周波数およびその奇数倍のきわめて広範囲の周波数成分を含むので、伝送路および負荷(溶液のインピーダンス)との完全な整合が難しく、結果として反射電力が大きく、負荷への電力供給効率は低くなる。
一方、駆動電力をマイクロ波にすることで、電極42への負荷を小さくできる。
すなわち、マイクロ波は単周波数なので、極めて効率的に電力を供給すること、および電極を誘電体で覆うなど無電極化することが可能になる。
マイクロ波は、理論的には無反射にすることも可能であり、この場合の負荷への電力供給効率は、マグネトロンの発振効率のみが最も大きな損失となるだけなので、電力効率は、70%近くなる。この数値は、他の方法と比較して極めて高い効率である。
In the liquid plasma, there is an example of discharge by direct current pulse as a conventional technique.
Since the DC pulse contains a fundamental frequency and an extremely wide range of frequency components that are odd multiples thereof, perfect matching with the transmission line and the load (impedance of the solution) is difficult. As a result, the reflected power is large and the power supply efficiency to the load is high. Becomes lower.
On the other hand, the load on the electrode 42 can be reduced by making the driving power microwave.
That is, since the microwave has a single frequency, it becomes possible to supply power very efficiently and to eliminate the electrode such as covering the electrode with a dielectric.
The microwave can theoretically be made non-reflective. In this case, the power supply efficiency to the load is only the greatest loss of the oscillation efficiency of the magnetron, so the power efficiency is close to 70%. Become. This number is very high compared to other methods.

また、直流パルスにおいては、液体の導電率を制御する必要がある。これは、導電率が低い場合は液体に余計な電解質を混入する必要があること、あるいは、既に導電率が必要よりも高い場合にはプラズマを得ることができないことを意味する。
これに対して、マイクロ波は、水の大きな比誘電率(約80)と大きな誘電正接(約10)によりエネルギーを吸収させてプラズマを生じさせるので、このような導電率の制御は不要であり、よって、不純物を入れる必要もなく、多くの物質に適用できる。溶液として、水が適当であることも、他方式に対する特長となる。
Further, in the direct current pulse, it is necessary to control the conductivity of the liquid. This means that if the conductivity is low, it is necessary to mix an extra electrolyte in the liquid, or if the conductivity is already higher than necessary, plasma cannot be obtained.
On the other hand, since microwaves generate plasma by absorbing energy due to a large relative dielectric constant of water (about 80) and a large dielectric loss tangent (about 10), it is not necessary to control the conductivity. Therefore, it can be applied to many substances without introducing impurities. The fact that water is appropriate as a solution is also a feature for other systems.

マイクロ波電力は、図2に示すように、複数周期を一パルスとするパルス状であることが望ましい。
定常的にプラズマ放電可能なマイクロ波電力をプラズマ源に投入すると、その電力により激しい発熱が生じ、電極42が破壊する。しかるに、プラズマが生じるための電力は高く、試作機では、2kW以上のピークパワーを必要とした。この相反する要求を同時に実現するためには、電力供給はマイクロ波パルスであることが必要になる。
一方、マイクロ波パルスのパルス幅を1μ秒よりも短くすれば、プラズマは非熱平衡プラズマとなり、温度上昇が抑えられ、電極42の損耗は著しく少なくなる。しかし、溶液に与えられるエネルギーは小さくなるため、反応速度が遅くなるか、または条件によっては生成しない可能性がある。
いずれを採用しても、ナノ粒子の作成は可能であるが、条件によっては粒径分布、生成速度などが異なる。
As shown in FIG. 2, the microwave power is preferably in the form of a pulse having a plurality of cycles as one pulse.
When microwave power capable of steady plasma discharge is input to the plasma source, intense heat is generated by the power and the electrode 42 is destroyed. However, the electric power for generating plasma is high, and the prototype required a peak power of 2 kW or more. In order to simultaneously realize these conflicting requirements, the power supply needs to be a microwave pulse.
On the other hand, if the pulse width of the microwave pulse is shorter than 1 μsec, the plasma becomes non-thermal equilibrium plasma, the temperature rise is suppressed, and the wear of the electrode 42 is remarkably reduced. However, since the energy given to the solution is small, the reaction rate may be slow or may not be generated depending on conditions.
Regardless of which is used, it is possible to produce nanoparticles, but the particle size distribution, production rate, and the like differ depending on conditions.

マイクロ波電力は、プラズマが発生する電力であれば、いずれでも構わないが、プロセスに最適な電力は存在する。
マイクロ波電源12は、定常的に電力が得られるプラズマ用電源に限る必要はなく、パルス状に電力を発生させる電源でも構わない。
パルス状に電力を発生させる場合、パルス幅を極端に短く、すなわち、約1μ秒にすることにより、コロナ放電すなわち非熱平衡的なプラズマを得ることもできる。
The microwave power may be any power as long as it generates plasma, but there is power optimal for the process.
The microwave power source 12 is not necessarily limited to a plasma power source that can constantly obtain power, and may be a power source that generates power in pulses.
When power is generated in the form of pulses, corona discharge, that is, non-thermal equilibrium plasma can be obtained by making the pulse width extremely short, that is, about 1 μsec.

(液中プラズマ源)
次に、液中プラズマ源の構成について、図3〜図5を参照して説明する。
図3は、液中プラズマ源の構成を示す断面図である。図4は、液中プラズマ源を構成する支持部材を示した斜視図である。図5は、液中プラズマ源を構成する電極及びその周囲を拡大した図である。
なお、本実施形態においては、同軸導波管変換器26の同軸管41が液中プラズマ源40に含まれるものとする。
(Liquid plasma source)
Next, the configuration of the in-liquid plasma source will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the in-liquid plasma source. FIG. 4 is a perspective view showing a support member constituting the in-liquid plasma source. FIG. 5 is an enlarged view of the electrodes constituting the plasma source in liquid and the surroundings thereof.
In the present embodiment, it is assumed that the coaxial tube 41 of the coaxial waveguide converter 26 is included in the in-liquid plasma source 40.

液中プラズマ源40は、導波管20を伝搬してきたマイクロ波を溶液に供給するための装置である。
この液中プラズマ源40は、図3に示すように、同軸管41と、電極42と、支持体43と、封止部材44と、絶縁部材45とを有している。
同軸管41は、同軸導波管変換器26の一部を構成しており、導波管20からマイクロ波を受けて伝搬させる。
一般に、同軸導波管変換器26では、導波管(管体26−1)と同軸管41とが垂直に接続されている。このため、マイクロ波は、管体26−1から同軸管41に伝わると、その伝搬方向を垂直方向に変えて伝わっていく。
The in-liquid plasma source 40 is an apparatus for supplying the microwave that has propagated through the waveguide 20 to the solution.
As shown in FIG. 3, the submerged plasma source 40 includes a coaxial tube 41, an electrode 42, a support 43, a sealing member 44, and an insulating member 45.
The coaxial tube 41 constitutes a part of the coaxial waveguide converter 26 and receives and propagates microwaves from the waveguide 20.
Generally, in the coaxial waveguide converter 26, the waveguide (tube body 26-1) and the coaxial tube 41 are connected vertically. For this reason, when the microwave is transmitted from the tube body 26-1 to the coaxial tube 41, the propagation direction is changed to the vertical direction.

この同軸管41は、同軸管構造で形成されており、同軸管外部導体41−1と、同軸管内部導体41−2とを有している。
同軸管外部導体41−1は、同軸導波管変換器26の管体26−1の表面から外方に向かって突設された管状部材である。この同軸管外部導体41−1の中心軸方向は、同軸導波管変換器26の管体26−1の中心軸に対して垂直方向である。
この同軸管外部導体41−1の内径は、特性インピーダンスが50Ωとなるような寸法にしてある。
特性インピーダンスは、管の内外径比により変更できる。負荷(プラズマ)に整合するよう調整することも可能である。
The coaxial pipe 41 is formed in a coaxial pipe structure, and includes a coaxial pipe outer conductor 41-1 and a coaxial pipe inner conductor 41-2.
The coaxial pipe outer conductor 41-1 is a tubular member that protrudes outward from the surface of the pipe body 26-1 of the coaxial waveguide converter 26. The central axis direction of the coaxial pipe outer conductor 41-1 is perpendicular to the central axis of the pipe body 26-1 of the coaxial waveguide converter 26.
The inner diameter of the coaxial pipe outer conductor 41-1 is sized such that the characteristic impedance is 50Ω.
The characteristic impedance can be changed according to the inner / outer diameter ratio of the tube. It is also possible to adjust to match the load (plasma).

同軸管内部導体41−2は、棒状又は筒状の部材であって、同軸管外部導体41−1の中空に、同軸管外部導体41−1と同軸で配置されている。
この同軸管内部導体41−2の一方の端部は、同軸導波管変換器26の管体26−1の内面(同軸管外部導体41−1が取り付けられている部分に対向する面)に当接している。また、他方の端部には電極42が延設されている。
なお、同軸管内部導体41−2の直径は、試作機においては10mmとしたが、必ずしも10mmが最適であるわけではなく、前述したように、適宜変更可能である。
The coaxial pipe inner conductor 41-2 is a rod-like or cylindrical member, and is disposed coaxially with the coaxial pipe outer conductor 41-1 in the hollow of the coaxial pipe outer conductor 41-1.
One end of the coaxial tube inner conductor 41-2 is on the inner surface of the tube 26-1 of the coaxial waveguide converter 26 (the surface facing the portion where the coaxial tube outer conductor 41-1 is attached). It is in contact. An electrode 42 extends from the other end.
The diameter of the coaxial pipe inner conductor 41-2 is 10 mm in the prototype, but 10 mm is not necessarily optimal, and can be changed as appropriate as described above.

同軸管内部導体41−2が管体26−1に当接している部分には、支持部材50が取り付けられている。
支持部材50は、図3及び図4に示すように、第一支持部材51と、第二支持部材52からなっている。
第一支持部材51は、頂部が截断された截頭錐体の形状に形成されており、底部51−1が管体26−1の孔26−2に嵌合している。また、底部51−1の中央から頂部截断面(截頭面51−2)の中央に向かって直線状に貫通孔51−3が穿設されている。この貫通孔51−3には、同軸管内部導体41−2の一方の端部が嵌合している。
A support member 50 is attached to a portion where the coaxial pipe inner conductor 41-2 is in contact with the pipe body 26-1.
As shown in FIGS. 3 and 4, the support member 50 includes a first support member 51 and a second support member 52.
The first support member 51 is formed in the shape of a truncated cone whose top is cut off, and the bottom 51-1 is fitted in the hole 26-2 of the tube 26-1. Further, a through hole 51-3 is formed in a straight line from the center of the bottom portion 51-1 toward the center of the top ridge cross section (the pier surface 51-2). One end of the coaxial waveguide inner conductor 41-2 is fitted in the through hole 51-3.

この第一支持部材51が截頭錐体の形状に形成してあるのは、次の理由による。
方形導波管の伝送基本モードは、TEモードまたはTMモードである。一方、同軸線路の伝送基本モードは、TEMモードである。このように、方形導波管と同軸線路では、伝送モードが異なるが、同軸導波管変換器26は、それらの整合をとって、マイクロ波を伝搬可能にしている。
整合の手法には様々なものがあるが、本実施形態の同軸導波管変換器26は、第一支持部材51の形状により整合をとっている。
第一支持部材に関する公知の形状としてワイングラス形があるが、その曲線形状が複雑なために加工が困難であるという欠点がある。これに対し、本実施形態の第一支持部材51は、截頭錐体であり、加工が容易である。
The reason why the first support member 51 is formed in the shape of a truncated cone is as follows.
The transmission fundamental mode of the rectangular waveguide is a TE mode or a TM mode. On the other hand, the transmission basic mode of the coaxial line is a TEM mode. As described above, although the transmission modes are different between the rectangular waveguide and the coaxial line, the coaxial waveguide converter 26 is able to propagate microwaves by matching them.
Although there are various matching methods, the coaxial waveguide converter 26 according to the present embodiment is matched according to the shape of the first support member 51.
There is a wine glass shape as a known shape for the first support member, but there is a drawback that the processing is difficult because the curved shape is complicated. On the other hand, the 1st support member 51 of this embodiment is a truncated cone, and a process is easy.

また、ワイングラス形は、平均電力1MW、尖頭値電力1MWの大電力用変換器に用いられるが、そこまでの大電力を扱わない場合には、截頭錐体の形状でも発熱が生じず、実用的な整合をとることができる。これは、発明者が、平均電力500W〜1kW、尖頭値電力5kWにおいて電磁界シミュレーションを行なった結果、ワイングラス形と同等の電磁界分布が得られたことからわかった。
さらに、他の利点としては、第一支持部材51の表面にエッジがないことから、放電を防止できることが挙げられる。
しかも、スリースタブチューナ23を設けることで、さらに整合させることができる。
The wine glass type is used for a high power converter having an average power of 1 MW and a peak power of 1 MW. However, when the high power up to that point is not handled, the shape of the truncated cone does not generate heat. , Practical alignment can be taken. This was found from the fact that the inventor conducted an electromagnetic field simulation at an average power of 500 W to 1 kW and a peak power of 5 kW, and as a result, an electromagnetic field distribution equivalent to that of a wine glass type was obtained.
Furthermore, as another advantage, since there is no edge on the surface of the first support member 51, discharge can be prevented.
In addition, by providing the three tab tuner 23, further alignment can be achieved.

第二支持部材52は、截頭錐体部52−1と、ネジ部52−2とを有している。
截頭錐体部52−1は、頂部が截断された截頭錐体の形状に形成されており、底部52−3の中心から頂部截断面(截頭面)の中央に向かって直線状に貫通孔52−4が穿設されている。
また、截頭錐体部52−1には、傾斜(テーパ)に沿って複数のスリット52−5が形成されており、一種のコレットチャックとなっている。スリット間にある歯部52−6は、貫通孔52−4に嵌合された同軸管内部導体41−2を支持する。
The second support member 52 has a truncated cone part 52-1 and a screw part 52-2.
The truncated cone part 52-1 is formed in the shape of a truncated cone having a truncated top part, and is linearly formed from the center of the bottom part 52-3 toward the center of the top truncated section (the truncated surface). A through hole 52-4 is formed.
In addition, the truncated cone portion 52-1 is formed with a plurality of slits 52-5 along an inclination (taper), which is a kind of collet chuck. The tooth portion 52-6 between the slits supports the coaxial waveguide inner conductor 41-2 fitted in the through hole 52-4.

ネジ部52−2は、截頭錐体部52−1の底部52−3から延設した円筒形状の部材であって、外周に雄ネジ52−7が形成されている。また、ネジ部52−2の中空52−8と円錐部52−1の貫通孔52−4が連通している。
一方、第一支持部材51の截頭面51−2の中央には貫通孔51−3が穿設されており、この貫通孔51−3には、雌ネジ51−4が形成されている。これにより、第二支持部材52の雄ネジ52−5が、第一支持部材51の雌ネジ51−4に螺入することができ、この螺入により、第二支持部材52の貫通孔52−4及び中空52−8と、第一支持部材51の貫通孔51−3が連通する。
The screw part 52-2 is a cylindrical member extending from the bottom part 52-3 of the truncated cone part 52-1, and a male screw 52-7 is formed on the outer periphery. Further, the hollow 52-8 of the screw part 52-2 and the through hole 52-4 of the conical part 52-1 communicate with each other.
On the other hand, a through hole 51-3 is formed in the center of the truncated surface 51-2 of the first support member 51, and a female screw 51-4 is formed in the through hole 51-3. Thereby, the male screw 52-5 of the second support member 52 can be screwed into the female screw 51-4 of the first support member 51, and by this screwing, the through-hole 52- of the second support member 52 is obtained. 4 and the hollow 52-8 communicate with the through hole 51-3 of the first support member 51.

なお、第一支持部材51の截頭面51−2の外縁の径は、第二支持部材52の底部52−3の外縁の径と同じである。これにより、第一支持部材51の雌ネジ51−4に第二支持部材52のネジ部52−2を螺入してもエッジが表れないので、放電を防止できる。   The diameter of the outer edge of the truncated surface 51-2 of the first support member 51 is the same as the diameter of the outer edge of the bottom 52-3 of the second support member 52. Thereby, even if the screw portion 52-2 of the second support member 52 is screwed into the female screw 51-4 of the first support member 51, an edge does not appear, so that discharge can be prevented.

電極42は、図5に示すように、胴部が円柱形状に形成されるとともに、一方の端部が円錐形状に形成されており、他方の端部に同軸管内部導体41−2の他方の端部が取り付けられている。電極42の一端を円錐形状とするにより、この先端46に電界を集中させ、電界強度を上げることができる。
この電極42は、支持体43の中空部(孔)43−6に通される。このとき、電極42の先端46は、溶液中に露出し、この部分でプラズマが発生する。
As shown in FIG. 5, the electrode 42 has a barrel portion formed in a columnar shape, one end portion formed in a conical shape, and the other end portion of the other end of the coaxial tube inner conductor 41-2. The end is attached. By making one end of the electrode 42 conical, the electric field can be concentrated on the tip 46 and the electric field strength can be increased.
This electrode 42 is passed through the hollow portion (hole) 43-6 of the support 43. At this time, the tip 46 of the electrode 42 is exposed to the solution, and plasma is generated in this portion.

この電極42は、金属などの導電体で形成されている。とくに、先端46は、プラズマの熱を受け損傷するおそれがあるので、タングステンなど耐熱性の材料(高融点材料)で形成する。ただし、必ずしも金属である必要はなく、誘電体を用いて作成することもできる。誘電体で電極42を作成すれば、金属が溶液中に露出しないので、金属不純物の混入を減少できる。
なお、誘電体を使用する場合は、液体の誘電率に注意する必要がある。例えば、水の比誘電率は80であるので、これよりも誘電率が大きく、かつ機械的熱的強度を併せ持った材料は、一般的ではない。
The electrode 42 is made of a conductor such as metal. In particular, the tip 46 is formed of a heat-resistant material (high melting point material) such as tungsten because it may be damaged by the heat of plasma. However, it is not necessarily made of metal, and can be made using a dielectric. If the electrode 42 is made of a dielectric, the metal is not exposed to the solution, so that the mixing of metal impurities can be reduced.
When using a dielectric, it is necessary to pay attention to the dielectric constant of the liquid. For example, since the relative dielectric constant of water is 80, a material having a dielectric constant larger than this and mechanical thermal strength is not common.

支持体43は、同軸管外部導体41−1の一端(同軸導波管変換器26の管体26−1に接続していない方の端部)を蓋するように取り付けられたキャップ状部材である。
この支持体43は、スカート部43−1と、天板部43−2とを有している。
スカート部43−1の裾部43−3は、同軸管外部導体41−1の一端に接続している。
スカート部43−1のうち天板部43−2の近傍は、容器30の孔31に嵌合されたときに、天板部43−2とともに容器30の内部に露出する。この露出したスカート部43−1の外周にはネジ溝43−4が形成されている。ここに止めリング43−5を螺合することで、支持体43が容器30の側面32に固定される。
この孔31から露出した天板部43−2及びスカート部43−1の一部は、溶液に浸される。
The support 43 is a cap-like member attached so as to cover one end of the coaxial tube outer conductor 41-1 (the end of the coaxial waveguide converter 26 not connected to the tube 26-1). is there.
The support body 43 has a skirt portion 43-1 and a top plate portion 43-2.
The skirt part 43-3 of the skirt part 43-1 is connected to one end of the coaxial pipe outer conductor 41-1.
Of the skirt portion 43-1, the vicinity of the top plate portion 43-2 is exposed to the inside of the container 30 together with the top plate portion 43-2 when fitted into the hole 31 of the container 30. A screw groove 43-4 is formed on the outer periphery of the exposed skirt portion 43-1. The support body 43 is fixed to the side surface 32 of the container 30 by screwing the stop ring 43-5 here.
The top plate portion 43-2 and a part of the skirt portion 43-1 exposed from the hole 31 are immersed in the solution.

また、支持体43は、中空部43−6を有している。中空部43−6は、同軸管外部導体41−1の中空と連通している。
この中空部43−6は、スカート部43−1の内面から天板部43−2の中央に向かって次第に内径が小さくなるように、先細りのテーパ状に形成されている。そして、天板部43−2の中央には、小さい孔43−7が穿設されている。この孔43−7から電極42の先端46が少し突出する。
Moreover, the support body 43 has the hollow part 43-6. The hollow portion 43-6 communicates with the hollow of the coaxial waveguide outer conductor 41-1.
The hollow portion 43-6 is formed in a tapered shape so that the inner diameter gradually decreases from the inner surface of the skirt portion 43-1 toward the center of the top plate portion 43-2. And the small hole 43-7 is drilled in the center of the top-plate part 43-2. The tip 46 of the electrode 42 slightly protrudes from the hole 43-7.

さらに、支持体43の天板部43−2の表面には、耐熱部材43−7が取り付けられている。
耐熱部材43−7は、プラズマ熱により支持体34が損耗し、孔43−7の径が大きくなるのを防ぐ。
Further, a heat resistant member 43-7 is attached to the surface of the top plate portion 43-2 of the support body 43.
The heat-resistant member 43-7 prevents the support 34 from being worn out by the plasma heat and increasing the diameter of the hole 43-7.

封止部材44は、支持体43の内面(中空部43−6の側面)と電極43との間に設けられた環状の部材である。
この封止部材44は、電極43を支持するとともに、同軸管41の内部に溶液が流入するのを防止する。
絶縁部材45は、支持体43の中空部43−6の側面と電極42との間であって、封止部材44と天板部43−2の孔43−7との間(つまり、容器30に溶液を入れたときの封止部材44と溶液との間)に設けられた環状の部材である。
この絶縁部材45は、電極42を支持する機能と、溶液が同軸管41や導波管20に侵入しないように封止する機能と、封止部材44がプラズマに直接暴露するのを防止する機能とを有している。
The sealing member 44 is an annular member provided between the inner surface of the support body 43 (side surface of the hollow portion 43-6) and the electrode 43.
The sealing member 44 supports the electrode 43 and prevents the solution from flowing into the coaxial tube 41.
The insulating member 45 is between the side surface of the hollow portion 43-6 of the support 43 and the electrode 42, and between the sealing member 44 and the hole 43-7 of the top plate portion 43-2 (that is, the container 30). It is a ring-shaped member provided between the sealing member 44 and the solution when the solution is put into the container.
The insulating member 45 has a function of supporting the electrode 42, a function of sealing so that the solution does not enter the coaxial tube 41 and the waveguide 20, and a function of preventing the sealing member 44 from being directly exposed to plasma. And have.

ここで、封止部材44と絶縁部材45について、さらに説明する。
封止部材44の材質は、変形して周囲の金属と密着する程度の弾力性があり、かつマイクロ波によって発熱しないように誘電損が小さい材質を使う必要がある。また、プラズマからの熱を多少受けるためにある程度の耐熱性を有することが望ましい。
そこで、弾力性のある柔らかい材料として、例えば、ゴム、PTFEあるいは軟らかいプラスチック材料などが考えられる。しかし、これらの材料は一般に耐熱温度が低い。これらの耐熱温度が低い材料を本目的で使用すると、プラズマからの輻射熱、表面を走る沿面放電、中心電極の高温化などにより短時間で破壊され、水漏れ、ナノ粒子への不純物混入などが生じる。一方、耐熱温度が高い材料は、ガラス、セラミックなどを代表として、固い材料が多く、金属と密着させて、水を封止するのには不向きである。
Here, the sealing member 44 and the insulating member 45 will be further described.
The material of the sealing member 44 needs to be a material that is elastic enough to be deformed and in close contact with the surrounding metal and has a small dielectric loss so as not to generate heat by the microwave. In addition, it is desirable to have a certain degree of heat resistance in order to receive some heat from the plasma.
Therefore, for example, rubber, PTFE, or a soft plastic material can be considered as an elastic soft material. However, these materials generally have a low heat resistant temperature. If these heat-resistant materials are used for this purpose, they will be destroyed in a short time due to radiant heat from plasma, creeping discharge running on the surface, high temperature of the center electrode, etc., resulting in water leakage, contamination of nanoparticles, etc. . On the other hand, materials having a high heat-resistant temperature are typically hard materials such as glass and ceramic, and are not suitable for sealing water by being in close contact with metal.

また、絶縁部材45にセラミックなどを使い、ロー付けすることも考えられるが、本目的には適さない。
その理由として、中心電極42は、高温になるために熱膨張が大きく、通常のロー付けではひずみにより破壊してしまう。この熱膨張による形状変化を吸収するためには複雑な構造を必要とするが、中心電極42が消耗品となるために、これは本目的には適さない。
さらに、封止部材44としてPTFEを用い、これを放電部から導波管側へ後退させれば、熱の問題は緩和できる。ただし、マイクロ波は、表皮効果により電極42の表面を伝わり、結果的に水へも伝播するため、電極42の先端46に伝播する前に減衰してしまう。
Further, it may be possible to braze the insulating member 45 using ceramic or the like, but this is not suitable for this purpose.
The reason is that the center electrode 42 has a high thermal expansion due to a high temperature, and is destroyed due to strain in normal brazing. In order to absorb this shape change due to thermal expansion, a complicated structure is required. However, since the center electrode 42 becomes a consumable item, this is not suitable for this purpose.
Furthermore, if PTFE is used as the sealing member 44 and is retracted from the discharge part to the waveguide side, the thermal problem can be alleviated. However, the microwave propagates through the surface of the electrode 42 due to the skin effect, and as a result also propagates to water, and therefore attenuates before propagating to the tip 46 of the electrode 42.

そこで、発明者は、封止部材44としてプラスチックを用い、その溶液側を絶縁部材45としてのセラミックで覆い保護するという二重構造を創作した。
プラスチックは、PTFEを使用する。これは、マイクロ波帯における誘電損が少なく、過大な誘電率がなく、なるべく高い耐熱性があるからである。ただし、これらの条件を満たす材料であれば、PTFEに限るものではない。
セラミックは、アルミナ(Al203)を使用する。これは、PTFEと同様にマイクロ波帯における誘電損が少なく、過大な誘電率がなく、高い耐熱性と機械的強度があるからである。このような構造にすることによって、電極先端部のみが溶液に露出し、かつプラズマを長時間維持できる耐熱構造を実現することが可能となる。ただし、これらの条件を満たす材料であれば、アルミナに限るものではない。
Therefore, the inventor has created a double structure in which plastic is used as the sealing member 44 and the solution side is covered and protected with ceramic as the insulating member 45.
As the plastic, PTFE is used. This is because the dielectric loss in the microwave band is small, there is no excessive dielectric constant, and the heat resistance is as high as possible. However, the material is not limited to PTFE as long as it satisfies these conditions.
As the ceramic, alumina (Al 2 0 3 ) is used. This is because, like PTFE, there is little dielectric loss in the microwave band, there is no excessive dielectric constant, and there is high heat resistance and mechanical strength. By adopting such a structure, it is possible to realize a heat resistant structure in which only the electrode tip is exposed to the solution and the plasma can be maintained for a long time. However, the material is not limited to alumina as long as it satisfies these conditions.

(ナノ粒子製造方法)
次に、ナノ粒子の製造方法について、説明する。
マイクロ波電源12が、マグネトロンボックス11に電力を供給する。
マグネトロンボックス11が、マイクロ波電源12からの電力の供給を受けて、マイクロ波を生成し出力する。このマイクロ波は、マイクロ波電源コントローラ13で調整された値を示す。また、マイクロ波は、図2に示すように、複数周期を一パルスとするパルス状に形成されたものである。
(Nanoparticle production method)
Next, a method for producing nanoparticles will be described.
A microwave power source 12 supplies power to the magnetron box 11.
The magnetron box 11 receives the supply of electric power from the microwave power source 12 and generates and outputs a microwave. This microwave indicates a value adjusted by the microwave power supply controller 13. Further, as shown in FIG. 2, the microwave is formed in a pulse shape having a plurality of cycles as one pulse.

導波管20が、マグネトロンボックス11から出力されたマイクロ波を搬送し、同軸導波管交換器26の内部に設けられた同軸管41へ送る。
同軸管内部導体41−2の端部に取り付けられた電極42の先端46に、マイクロ波の電界が集中する。これにより、容器30に収められた溶液中に液中プラズマが励起される。
この励起されたプラズマにより、溶液中にナノ粒子が生成される。
The waveguide 20 conveys the microwave output from the magnetron box 11 and sends it to the coaxial tube 41 provided inside the coaxial waveguide exchanger 26.
The microwave electric field concentrates on the tip 46 of the electrode 42 attached to the end of the coaxial pipe inner conductor 41-2. Thereby, the in-liquid plasma is excited in the solution stored in the container 30.
The excited plasma generates nanoparticles in the solution.

なお、ナノ粒子の生成原理には、次の二つがある。
一つは、プラズマにより、液中に水素ラジカル、水酸基ラジカル、電子などが発生し、イオン粒子を還元および酸化させる。これにより、ナノ粒子を生成する。
もう一つは、プラズマのエネルギー及び衝撃により比較的大きな粒子を粉砕してナノ粒子を生成する。多くの場合、この相互作用により粒径制御が可能である。
There are the following two generation principles of nanoparticles.
One is that the plasma generates hydrogen radicals, hydroxyl radicals, electrons, etc. in the liquid, and reduces and oxidizes the ion particles. This produces nanoparticles.
The other is to pulverize relatively large particles by plasma energy and impact to produce nanoparticles. In many cases, this interaction allows particle size control.

また、本願の発明者は、このナノ粒子製造方法にしたがってナノ粒子製造装置1aを動作させ、水中プラズマが発生する様子を観察した。この水中プラズマが発生している様子を図6に示す。
溶液(水)に対して1kWの電力を投入した場合、同図に示すように、投入直後から小さい気泡が出始め(同図(i))、非常に明るく青白い炎状の長さ約50mmのプラズマが水中に吹き出してきた(同図(ii)、投入開始から2秒後の様子)。
プラズマは、時間を経るにしたがい、次第に大きくなっていき、約4秒で一定の大きさとなった(同図(iii)、投入開始から4秒後の様子)。封止部材をプラスチックで形成し、また、絶縁部材をセラミックで形成したことで、1時間以上の連続放電が可能であった。
In addition, the inventors of the present application operated the nanoparticle manufacturing apparatus 1a according to the nanoparticle manufacturing method, and observed how underwater plasma was generated. FIG. 6 shows how the underwater plasma is generated.
When 1 kW of electric power is applied to the solution (water), as shown in the figure, small bubbles begin to appear immediately after the introduction (the figure (i)), and a very bright and pale flame-like length of about 50 mm. Plasma was blown into the water ((ii) in the figure, 2 seconds after the start of injection).
The plasma gradually increased with time, and became a constant magnitude in about 4 seconds ((iii) in the figure, 4 seconds after the start of injection). Since the sealing member was formed of plastic and the insulating member was formed of ceramic, continuous discharge for 1 hour or more was possible.

(実施例)
次に、ナノ粒子の製作例について、説明する。
ここでは、還元法によるナノ粒子の製作例を示す。
(Example)
Next, an example of producing nanoparticles will be described.
Here, an example of production of nanoparticles by the reduction method is shown.

(第一実施例)金ナノ粒子の生成
「HAuC1 3.6HO」500mg、「ポリビニルピロリドン(PolyVinylPyrrolidone:PVP)K−30」5gをイオン交換水500mLに溶かし、容器30に入れた。
マイクロ波発振器10により、周波数2.45GHz、平均電力500〜1kW、尖頭値電力5kWの100Hzパルス出力のマイクロ波を供給し、容器30の中の溶液に液中プラズマを60〜90秒間照射した。
(First Example) Production of Gold Nanoparticles 500 mg of “HAuC1 4 3.6H 2 O” and 5 g of “PolyVinylPyrrolidone (PVP) K-30” were dissolved in 500 mL of ion-exchanged water and placed in a container 30.
A microwave with a frequency of 2.45 GHz, an average power of 500 to 1 kW, and a peak power of 5 kW with a 100 Hz pulse output is supplied from the microwave oscillator 10, and the solution in the container 30 is irradiated with plasma in liquid for 60 to 90 seconds. .

照射直後から、溶液の色が、無色に近い黄色から赤色に変化し始め、ほぼ30分後には、全体に赤色に変化した。金のナノ粒子の赤色は、プラズモン発光によるものである。
また、液中プラズマからは、泡が出ていた。そして、液体表面は、次第に泡に覆われてきた。この泡は、分散剤としてPVPを入れたために発生したものである。
この溶液から取り出した金のナノ粒子の電子顕微鏡(SEM)画像を図7(i)に示す。
Immediately after the irradiation, the color of the solution began to change from nearly colorless yellow to red, and after about 30 minutes, the color changed to red overall. The red color of the gold nanoparticles is due to plasmon emission.
In addition, bubbles appeared from the plasma in liquid. The liquid surface has been gradually covered with bubbles. This foam is generated because PVP is added as a dispersant.
An electron microscope (SEM) image of the gold nanoparticles taken out from this solution is shown in FIG.

(第二実施例)銀ナノ粒子の生成
「AgNO」1g、「ポリビニルピロリドン PVD K−30」5gをイオン交換水500mLに溶かし、容器30に入れた。
マイクロ波発振器10により、周波数2.45GHz、平均電力500〜1kW、尖頭値電力5kWの100Hzパルス出力のマイクロ波を供給し、容器30の中の溶液に液中プラズマを60〜90秒間照射した。
照射後から、液体の色が、無色から黄色に変化した。この溶液から取り出した銀のナノ粒子の電子顕微鏡(SEM)画像を図7(ii)に示す。
(Second Example) Production of Silver Nanoparticles 1 g of “AgNO 3 ” and 5 g of “polyvinylpyrrolidone PVD K-30” were dissolved in 500 mL of ion-exchanged water and put into a container 30.
A microwave with a frequency of 2.45 GHz, an average power of 500 to 1 kW, and a peak power of 5 kW with a 100 Hz pulse output is supplied from the microwave oscillator 10, and the solution in the container 30 is irradiated with plasma in liquid for 60 to 90 seconds. .
After irradiation, the color of the liquid changed from colorless to yellow. FIG. 7 (ii) shows an electron microscope (SEM) image of the silver nanoparticles taken out from this solution.

これら第一及び第二実施例では、各プロセスによる装置一台あたりのナノ粒子の収量は、1時間あたり20〜60gとなった。他の方法と比較して高速であり、大量生産も可能である。   In these first and second examples, the yield of nanoparticles per device by each process was 20-60 g per hour. Compared to other methods, it is faster and mass production is possible.

以上説明したように、本実施形態のナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法によれば、封止部材と溶液との間に絶縁部材を設けたことで、封止部材の熱的損傷を防止できる。これにより、封止部材の寿命を延ばして、液中プラズマ源の延命を可能とする。   As described above, according to the nanoparticle manufacturing apparatus and the nanoparticle manufacturing method of this embodiment, thermal damage to the sealing member can be prevented by providing the insulating member between the sealing member and the solution. . As a result, the life of the sealing member is extended and the life of the in-liquid plasma source can be extended.

[第二実施形態]
次に、本発明のナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法の第二実施形態について、図8〜図10を参照して説明する。
同図は、本実施形態のナノ粒子製造装置の構成を示す図である。
本実施形態は、第一実施形態と比較して、液中プラズマ源の構成が相違する。すなわち、第一実施形態では、通常の同軸管を用いたのに対し、本実施形態では、同軸管に冷却手段を備えた。他の構成要素は第一実施形態と同様である。
したがって、図8〜図10において、図1と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, 2nd embodiment of the nanoparticle manufacturing apparatus and nanoparticle manufacturing method of this invention is described with reference to FIGS.
The figure is a diagram showing the configuration of the nanoparticle production apparatus of the present embodiment.
This embodiment differs from the first embodiment in the configuration of the in-liquid plasma source. That is, in the first embodiment, an ordinary coaxial tube is used, whereas in this embodiment, the coaxial tube is provided with a cooling means. Other components are the same as those in the first embodiment.
Therefore, in FIGS. 8 to 10, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図8〜図10に示すように、ナノ粒子製造装置1b〜1dは、同軸管41に冷却手段60を備えている。
ここで、冷却手段60は、図8に示すように、例えば、放熱器(ヒートシンク)61を用いることができる。
放熱器61は、同軸管内部導体41−2の端部であって、同軸導波管変換器26の管体26−1から突出した部分に取り付けられている。
同軸管内部導体41−2は、例えば、銅などの熱伝導率が高い金属材料で形成されている。
これにより、同軸管内部導体41−2の熱伝導を用いて、電極42の熱を放熱器61から外気に放出できる。
なお、同図では、放熱器61からそのまま外気へ放熱する空冷式を示しているが、空冷式に限るものではなく、例えば、水冷ヒートシンクなどを用いることもできる。
As shown in FIGS. 8 to 10, the nanoparticle manufacturing apparatuses 1 b to 1 d include a cooling means 60 in the coaxial tube 41.
Here, as the cooling means 60, as shown in FIG. 8, for example, a radiator (heat sink) 61 can be used.
The radiator 61 is attached to the end of the coaxial waveguide inner conductor 41-2 and a portion protruding from the tubular body 26-1 of the coaxial waveguide converter 26.
The coaxial waveguide inner conductor 41-2 is made of a metal material having a high thermal conductivity such as copper, for example.
Thereby, the heat | fever of the electrode 42 can be discharge | released from the heat radiator 61 to external air using the heat conduction of the coaxial pipe | tube inner conductor 41-2.
In addition, in the same figure, although the air-cooling type which radiates heat to the outside air as it is from the radiator 61 is shown, it is not limited to the air-cooling type, and for example, a water-cooled heat sink can also be used.

また、冷却手段60は、図9に示すように、ヒートパイプ62を用いることができる。
ヒートパイプ62は、離れた場所に高速で熱を伝える熱伝達手段である。本実施形態では、同軸管内部導体41−2をヒートパイプ62として使用する。
ヒートパイプ62は、金属管、ウィック(毛細管作用を有する材料)、作動液を有している。動作原理としては、加熱部(電極42が接触している部分)で作動液の蒸発が起こり、作動液の蒸気が冷却部(放熱器61が取り付けられた部分)に移動し、凝縮する。ここで、蒸発潜熱の受け渡しが行なわれ、凝縮した作動液が管内のウィックの毛細管作用で加熱部に還流する。この繰り返しで、加熱部から冷却部へ熱の伝達が行なわれる。
なお、ヒートパイプ62は、図9に示すように、放熱器61と組み合わせて使用することもできる。これにより、放熱の効率をアップすることも可能である。
Further, as shown in FIG. 9, the cooling unit 60 can use a heat pipe 62.
The heat pipe 62 is a heat transfer means that transfers heat to a distant place at a high speed. In the present embodiment, the coaxial pipe inner conductor 41-2 is used as the heat pipe 62.
The heat pipe 62 includes a metal tube, a wick (a material having a capillary action), and a working fluid. As an operation principle, the working fluid evaporates in the heating portion (portion where the electrode 42 is in contact), and the vapor of the working fluid moves to the cooling portion (portion where the radiator 61 is attached) and condenses. Here, the latent heat of vaporization is transferred, and the condensed working fluid is returned to the heating portion by the capillary action of the wick in the tube. By repeating this, heat is transferred from the heating section to the cooling section.
In addition, the heat pipe 62 can also be used in combination with the heat radiator 61, as shown in FIG. Thereby, it is also possible to improve the heat dissipation efficiency.

さらに、冷却手段60は、図10に示すように、例えば、冷媒63を用いることができる。
冷媒63は、管状の同軸管内部導体41−2の中空部に通される。これにより、電極42から伝わってきた熱を吸収し、温度上昇を抑制する。
冷媒63は、輸送する熱量が管径に比し大きいので、水などの熱容量の大きいものが望ましい。
マイクロ波は、水に吸収されるが、マイクロ波電流は表皮効果により同軸管内部導体41−2の外皮側にのみを流れるので、このように同軸管内部導体41−2の内部に水を通しても損失を生じることはない。
なお、冷媒63は、同軸管内部導体41−2の中空部を循環させてもよく、また、溜めた状態にしておいてもよい。
Further, as shown in FIG. 10, the cooling means 60 can use, for example, a refrigerant 63.
The refrigerant 63 is passed through the hollow portion of the tubular coaxial waveguide inner conductor 41-2. Thereby, the heat transmitted from the electrode 42 is absorbed and the temperature rise is suppressed.
The refrigerant 63 has a large heat capacity such as water because the amount of heat to be transported is larger than the pipe diameter.
Although the microwave is absorbed by water, the microwave current flows only to the outer skin side of the coaxial pipe inner conductor 41-2 due to the skin effect, and thus even if water passes through the inner side of the coaxial pipe inner conductor 41-2 in this way. There is no loss.
The refrigerant 63 may be circulated through the hollow portion of the coaxial waveguide inner conductor 41-2 or may be stored.

このように、同軸管41に冷却手段60を設けることで電極42の熱的破壊を防止できる。
なお、液中プラズマにおいては、液体との界面には気泡が生じその中にプラズマが生じるため、中心電極42が加熱され、また、液体による冷却は期待できず、結果的に高温となる。そのため、中心電極42は、タングステンなどの高温点金属を使う必要が生じるとともに、さらに大気側への積極的な冷却が必要となる。
また、同軸管内部導体の直径は10mmとしたが、内部導体の断面積を広くすることにより、発熱する先端からの放熱が良くなることは容易に類推できる。電極先端の角度は鈍角であるほうが、放熱にとっては好ましい。
As described above, by providing the cooling means 60 in the coaxial tube 41, thermal destruction of the electrode 42 can be prevented.
In the liquid plasma, bubbles are generated at the interface with the liquid, and plasma is generated therein. Therefore, the center electrode 42 is heated, and cooling with the liquid cannot be expected, resulting in a high temperature. For this reason, the center electrode 42 needs to use a high-temperature point metal such as tungsten, and further requires positive cooling to the atmosphere side.
Further, although the diameter of the coaxial pipe inner conductor is 10 mm, it can be easily analogized that the heat radiation from the tip that generates heat can be improved by increasing the cross-sectional area of the inner conductor. It is preferable for heat dissipation that the angle of the electrode tip is an obtuse angle.

[第三実施形態]
次に、本発明のナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法の第三実施形態について、図11を参照して説明する。
同図は、本実施形態のナノ粒子製造装置の構成を示すブロック図である。
本実施形態は、第一実施形態と比較して、溶液を収める装置の構成が相違する。すなわち、第一実施形態では、矩形の容器に溶液を収めて滞留させていたのに対し、本実施形態では、循環装置に溶液を収めて循環させる構成とした。他の構成要素は第一実施形態と同様である。
したがって、図11において、図1と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
[Third embodiment]
Next, 3rd embodiment of the nanoparticle manufacturing apparatus and nanoparticle manufacturing method of this invention is described with reference to FIG.
This figure is a block diagram showing the configuration of the nanoparticle production apparatus of this embodiment.
This embodiment is different from the first embodiment in the configuration of an apparatus for storing a solution. That is, in the first embodiment, the solution is stored and retained in a rectangular container, whereas in the present embodiment, the solution is stored in the circulation device and circulated. Other components are the same as those in the first embodiment.
Therefore, in FIG. 11, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図11に示すように、ナノ粒子製造装置1eは、循環系70を備えている。
ここで、循環系70は、ナノ粒子生成容器71と、取出路72と、交換容器73と、原料投入バルブ74と、ナノ粒子取出バルブ75と、溶液供給路76と、ポンプ77とを有している。
ナノ粒子生成容器71は、第一実施形態における容器30に相当するものであって、溶液が収められており、液中プラズマ源40から与えられたマイクロ波により励起してプラズマを発生させてナノ粒子を生成する。
取出路72は、ナノ粒子生成容器71から溶液(ナノ粒子)を取り出して交換容器73へ送る。
As shown in FIG. 11, the nanoparticle manufacturing apparatus 1 e includes a circulation system 70.
Here, the circulation system 70 includes a nanoparticle production container 71, an extraction path 72, an exchange container 73, a raw material input valve 74, a nanoparticle extraction valve 75, a solution supply path 76, and a pump 77. ing.
The nanoparticle generation container 71 corresponds to the container 30 in the first embodiment, and stores a solution. The nanoparticle generation container 71 is excited by microwaves supplied from the in-liquid plasma source 40 to generate plasma, thereby generating nano particles. Generate particles.
The take-out path 72 takes out the solution (nanoparticles) from the nanoparticle production container 71 and sends it to the exchange container 73.

交換容器73は、取出路72から送られてきた溶液(ナノ粒子)を受け取って溜めるとともに、新たな溶液をナノ粒子生成容器71へ供給するための貯留容器である。
原料投入バルブ74は、新たな溶液を交換容器73に供給するための供給路に取り付けられた弁である。
ナノ粒子取出バルブ75は、ナノ粒子を交換容器73から取り出す取出路に取り付けられた弁である。
溶液供給路76は、交換容器73からナノ粒子生成容器71へ新たな溶液を供給する。
ポンプ77は、溶液が循環系70を循環するように移動動力を与えるものであって、溶液供給路76や取出路72などに備えることができる。
The exchange container 73 is a storage container for receiving and storing the solution (nanoparticles) sent from the take-out path 72 and supplying a new solution to the nanoparticle generation container 71.
The raw material input valve 74 is a valve attached to a supply path for supplying a new solution to the exchange container 73.
The nanoparticle extraction valve 75 is a valve attached to an extraction path for extracting the nanoparticles from the exchange container 73.
The solution supply path 76 supplies a new solution from the exchange container 73 to the nanoparticle generation container 71.
The pump 77 provides moving power so that the solution circulates in the circulation system 70, and can be provided in the solution supply path 76, the extraction path 72, and the like.

以上説明したように、本実施形態のナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法によれば、溶液を循環系により循環させることができる。このため、溶液にまんべんなくプラズマを照射させることができる。   As described above, according to the nanoparticle production apparatus and the nanoparticle production method of the present embodiment, the solution can be circulated by the circulation system. For this reason, plasma can be irradiated evenly on the solution.

以上、本発明のナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法の好ましい実施形態について説明したが、本発明に係るナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、上述した実施形態では、容器を一つのみ備えた構成としたが、容器は、一つに限るものではなく、二つ以上備えることもできる。
また、上述した実施形態では、導波管の構成は、図1に示した構成としたが、この構成に限るものではなく、溶液にマイクロ波を伝搬できるものであれば、任意の構成とすることができる。
As mentioned above, although preferred embodiment of the nanoparticle manufacturing apparatus and nanoparticle manufacturing method of the present invention was described, the nanoparticle manufacturing apparatus and nanoparticle manufacturing method according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, It goes without saying that various modifications can be made within the scope of the present invention.
For example, in the above-described embodiment, only one container is provided. However, the number of containers is not limited to one, and two or more containers may be provided.
In the above-described embodiment, the configuration of the waveguide is the configuration shown in FIG. 1, but the configuration is not limited to this configuration, and any configuration can be used as long as microwaves can propagate to the solution. be able to.

なお、本発明のナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法は、第一実施形態,第二実施形態及び第三実施形態のそれぞれにおけるナノ粒子製造装置を任意に組み合わせたものであってもよい。   The nanoparticle production apparatus and nanoparticle production method of the present invention may be an arbitrary combination of the nanoparticle production apparatuses in the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment.

本発明は、マイクロ波によって励起された液中プラズマを用いて、溶液中にナノ粒子を生成する技術に関する発明であるため、液中プラズマを用いてナノ粒子を生成する装置や機器に利用可能である。   Since the present invention relates to a technology for generating nanoparticles in a solution using in-liquid plasma excited by microwaves, the present invention can be used for an apparatus or an apparatus for generating nanoparticles using in-liquid plasma. is there.

本発明の第一実施形態におけるナノ粒子製造装置の構成を示す概略側面図である。It is a schematic side view which shows the structure of the nanoparticle manufacturing apparatus in 1st embodiment of this invention. マイクロ波電力の波形を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the waveform of a microwave electric power. 同軸導波管と液中プラズマ源の構成を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the structure of a coaxial waveguide and a plasma source in a liquid. 液中プラズマ源のうち支持部材の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a supporting member among plasma sources in a liquid. 液中プラズマ源のうち電極付近の構成を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the structure of an electrode vicinity among submerged plasma sources. 水中プラズマが発生している様子を示す画像であって、(i)は、電力投入開始直後の様子、(ii)は、電力投入開始から2秒後の様子、(iii)は、電力投入開始から4秒後の様子を示す。It is an image showing a state in which underwater plasma is generated, (i) is a state immediately after the start of power-on, (ii) is a state two seconds after the start of power-on, and (iii) is a start of power-on. 4 seconds after. ナノ粒子を撮影した画像であって、(i)は、金ナノ粒子、(ii)は、銀ナノ粒子の画像である。It is the image which image | photographed the nanoparticle, Comprising: (i) is a gold nanoparticle and (ii) is an image of a silver nanoparticle. 放熱器を備えた液中プラズマ源の形状を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the shape of the plasma source in a liquid provided with the heat radiator. ヒートパイプを備えた液中プラズマ源の形状を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the shape of the in-liquid plasma source provided with the heat pipe. 冷媒を用いた液中プラズマ源の形状を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the shape of the plasma source in a liquid using a refrigerant | coolant. 循環系を備えたナノ粒子製造装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the nanoparticle manufacturing apparatus provided with the circulation system. 関連する液中プラズマ源の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the related plasma source in a liquid.

符号の説明Explanation of symbols

1a〜1e ナノ粒子製造装置
10 マイクロ波発振器
20 導波管
30 容器
40 液中プラズマ源
41 同軸管
43 支持体
44 封止部材
45 絶縁部材
46 先端
50 支持部材
60 冷却手段
61 放熱器
62 ヒートパイプ
63 冷媒
70 循環系
71 ナノ粒子生成容器
72 取出路
73 交換容器
76 溶液供給路
77 ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a-1e Nanoparticle manufacturing apparatus 10 Microwave oscillator 20 Waveguide 30 Container 40 In-liquid plasma source 41 Coaxial tube 43 Support body 44 Sealing member 45 Insulation member 46 Tip 50 Support member 60 Cooling means 61 Radiator 62 Heat pipe 63 Refrigerant 70 Circulation system 71 Nanoparticle production container 72 Extraction path 73 Exchange container 76 Solution supply path 77 Pump

Claims (9)

プラズマの励起により溶液中にナノ粒子を生成するナノ粒子製造装置であって、
前記溶液が収められた容器と、
マイクロ波を前記溶液に与える電極とを備え、
前記容器の側面であって前記溶液の水面よりも下方に、前記電極を通す孔を有し、
前記電極と前記孔との間に、封止部材を配置し、
この封止部材の前記溶液側に、絶縁部材を配置した
ことを特徴とするナノ粒子製造装置。
A nanoparticle production apparatus that generates nanoparticles in a solution by excitation of plasma,
A container containing the solution;
An electrode for applying a microwave to the solution,
A hole through which the electrode passes on the side of the container and below the water surface of the solution;
A sealing member is disposed between the electrode and the hole,
An insulating member is disposed on the solution side of the sealing member.
前記封止部材が、プラスチックで形成され、前記絶縁部材が、セラミックで形成された
ことを特徴とする請求項1記載のナノ粒子製造装置。
The nanoparticle production apparatus according to claim 1, wherein the sealing member is made of plastic, and the insulating member is made of ceramic.
前記電極の温度上昇を抑える冷却手段を備えた
ことを特徴とする請求項1又は2記載のナノ粒子製造装置。
The nanoparticle production apparatus according to claim 1, further comprising a cooling unit that suppresses a temperature rise of the electrode.
前記冷却手段が、熱伝導体、冷媒、放熱器、ヒートパイプのうちのいずれか一以上を含む
ことを特徴とする請求項3記載のナノ粒子製造装置。
The said cooling means contains any one or more of a heat conductor, a refrigerant | coolant, a heat radiator, and a heat pipe. The nanoparticle manufacturing apparatus of Claim 3 characterized by the above-mentioned.
前記マイクロ波が、複数周期を一パルスとするパルス状に形成された
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のナノ粒子製造装置。
The nanoparticle manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the microwave is formed in a pulse shape having a plurality of cycles as one pulse.
前記電極が、金属または誘電体を用いて形成された
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のナノ粒子製造装置。
The said electrode was formed using the metal or a dielectric material. The nanoparticle manufacturing apparatus in any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned.
前記電極が、耐熱性材料で形成された
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のナノ粒子製造装置。
The said electrode was formed with the heat resistant material. The nanoparticle manufacturing apparatus in any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned.
前記容器から前記溶液を取り出す取出路と、
この取出路から送られてきた前記溶液を溜める交換容器と、
この交換容器から前記容器へ前記溶液を送る溶液供給路と、
この溶液供給路及び/又は前記取出路を通って前記溶液を循環させるポンプとを有した
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のナノ粒子製造装置。
An extraction path for removing the solution from the container;
An exchange container for storing the solution sent from the take-out path;
A solution supply path for sending the solution from the exchange container to the container;
The nanoparticle production apparatus according to claim 1, further comprising a pump that circulates the solution through the solution supply path and / or the extraction path.
溶液中にプラズマを発生させてナノ粒子を生成するナノ粒子製造方法であって、
前記溶液を容器に収め、
前記容器の側面に形成された孔の内側に配置された環状の封止部材と、この封止部材の前記溶液側に配置された環状の絶縁部材と、これら封止部材と絶縁部材との内側に配置された電極とを有し、この電極にパルス状のマイクロ波を供給し、
前記溶液中に突出した前記電極の先端で、前記マイクロ波によりプラズマを励起させて、前記ナノ粒子を生成する
ことを特徴とするナノ粒子製造方法。
A nanoparticle manufacturing method for generating nanoparticles by generating plasma in a solution,
Placing the solution in a container;
An annular sealing member disposed inside a hole formed in a side surface of the container, an annular insulating member disposed on the solution side of the sealing member, and an inner side of the sealing member and the insulating member An electrode disposed on the electrode, supplying a pulsed microwave to the electrode,
A nanoparticle production method, wherein plasma is excited by the microwave at the tip of the electrode protruding into the solution to generate the nanoparticle.
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