JP2011501861A - 長距離をへだてた過渡プラズマボール生成システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、非常に短いパルス状の放電で非常に長い（数メートルまでの）距離に亘ってプラズマボール及びプルームを生成する新しい装置に関する。
【解決手段】これらのプラズマボールは、誘電体ガイド内を伝わり、誘電体ガイドの端部には、はっきりとしたプラズマプルーム状ゾーン（その形状及び輝度は、放電繰り返し率に依存している）が生成され、二次混合プラズマは、主要ガス流に他のガス流束を加えることにより任意の表面の付近に生成され得る。プラズマボールは、単発から数キロヘルツの範囲内の繰り返し率でガス中に生成され得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、非常に短いパルス状の放電でプラズマボール及びプルームを長距離において且つ大気圧下で生成する装置に関する。

プラズマは、典型的には、電離ガスである。「電離」という用語は、原子又は分子と結合しない自由電子の存在を指す。自由電子は、プラズマが電磁場に強く反応するように、プラズマを導電性にする。プラズマは、一般に、プラズマディスプレイ（ＴＶを含む）、蛍光灯（低エネルギー照明）、ネオンサイン、核融合エネルギー研究、アーク灯における電気アーク、アーク溶接機又はプラズマトーチ、集積回路の製造における誘電体層のエッチングにおいて使用されている。普通は、プラズマは、周期的な信号（例えば、正弦信号）によって生成される。しかしながら、この場合、生成は（例えば、単発で誘発されて）制御され得る。

新しいプラズマ技術用途のうち、医学及び生物学のためのプラズマは最も増加している。皮膚病の治療における目覚しい効果の実証、又は、腫瘍細胞の性質における変化についての非常に有望な結果は、生体適合性表面の実装の枠内における材料の処理に関する全てのプロセスと同様に、この分野において文字通り拡大する研究の過程にある。そのため、滅菌及び除染、皮膚及び腫瘍の治療、又は歯科治療において使用するための大気圧プラズマプルームすなわち「針」の生成に対する関心が高まっている。大抵の場合、プラズマ媒質を生成する放電装置は、プラズマ生成（直接ＤＢＤ）、又は、空気中を伝わるプラズマプルームのかなり迅速な消滅により、処理される面に対して数センチメートルの短い距離にある、すなわち、非常に接近している。

本発明は、生成されたプラズマの制御及び誘発を可能にするプラズマ生成システムに関する。

本発明は、１気圧（またはそれ未満）から数気圧に亘るガス圧力において数メートルまでの距離に亘って非常に高速で動き、元のプラズマから分離されたプラズマボールを生成することのできる装置も含む。

プラズマは、どのような形状でもよいガイド中、又は、開放ガス容積中（例えば、開放空気中）を伝わる。

本発明の別な観点は、柔軟な増設部を有し、大気圧プラズマプルームを生成する装置を提供することであり、この増設部は、手の中に簡単に把握され得るものであり、且つ、その柔軟性は、困難なゾーンにおけるアクセス（例えば、困難なアクセスゾーンにおける医療）を可能にする。

本発明の更に別な観点は、長距離に亘るプラズマプルームを生成すること、及び、プラズマプルーム特性の変更を可能にすることである。

本発明の更に別な観点は、遠隔操作される高い又は低い電流を有する超高速高電圧プラズマスイッチ（数ナノ秒未満の切替時間）を提供することである。

本発明の他の目的、利点及び用途は、本発明を実施することを考慮した最良の形態の以下説明を添付の図と併せて読むと、当業者には明らかになるであろう。

本発明は、誘電体バリアを備えるプラズマボール生成装置であって、この誘電体バリアが、
全体が絶縁材料からなる放電セルと、
前記放電セル内に設けられた２つ以上の電極とを備え、
前記放電セルには、高圧ガスが充填され、
前記２つの電極間に、放電が生じ、
放電時間は、サブマイクロ秒である、プラズマボール生成装置を提供することによってこれらの目的を達成する。

本発明は、任意ではあるが好ましくは、以下の特徴：
放電時間は、サブナノ秒である
前記セルの流出口は、絶縁ガイドに接続されている
前記ガイドは、二次材料流入口を備えている
前記ガイドは、誘電体壁を備えている
前記セルは、ガス供給源に接続されたガス流入口を備えている
前記電極の少なくとも１つは、誘電体バリアを介してガスに接続される
前記電極の双方は、誘電体バリアを介してガスに接続される
前記電極の少なくとも１つは、同期化を可能にするために複数の断片に分裂されている、の少なくとも１つを有している。

本発明は、超高速切替装置にも関するものであり、この超高速切替装置は、
本発明のプラズマボール生成装置と、
前記ガイド内部において前記プラズマボール生成によって生成されたプラズマボールによって電気的に接続されるように前記ガイドに沿って設けられた２つの電極とを備えている。

図１は、本発明の一実施形態の概略図である。 図２ａは、本発明の第２実施形態の概略図である。 図２ｂは、本発明の第２実施形態の概略図である。 図３ａは、本発明の誘電体壁を介したプラズマボール生成を説明する概略図である。 図３ｂは、本発明の誘電体壁を介したプラズマボール生成を説明する概略図である。 図４は、本発明の並列ガイドにおけるプラズマボール生成を説明する概略図である。 図５ａは、本発明の放電セルの概略図である。 図５ｂは、本発明の放電セルの概略図である。 図５ｃは、本発明の放電セルの概略図である。 図６は、本発明の第３実施形態の概略図である。

ここに示す説明は、添付の図を参照するものであり、同様の参照番号は、複数の図面を通して同様の装置構成要素を示す。

システムは、生成装置と、柔軟な誘電体ガイドとからなり、この誘電体ガイドの長さは、数センチメートルから数メートルまで様々であり得る。誘電体ガイドの端部には、ガイドが手の中に把握され得るように、又は、機械的に操作され得るように、グリップシステムを固定することができる。

図１を参照すると、生成装置は、全体が絶縁材料からなる高圧放電セル１０（数百トールから数千トール）を含む放電１からなる。セル１０には、ガス供給源２に接続されたガス流入口２ａによって提供されるガス１３が充填されており、ガス供給源２は、どのような種類のガスでもよい。ガスは、希ガスの中から選択される元素、特に、ネオン又はヘリウムを含む混合気体であることが有利である。放電１は、電位１２及び電位１１に接続された、間に高い電圧（正又は負）を有する電極１４ａ及び１４ｂも備えている。

図５ａから図５ｃを参照すると、放電構成は、金属電極１４ａ及び１４ｂを介した直接放電であるか、又は、以下の２つのいわゆる誘電体バリアセットアップ（Dielectric Barrier Dischargeを表すＤＢＤ）：金属電極１４ａ及び１４ｂの双方が誘電体バリア５０を介してしてガスに接続されるダブルバリア放電セル、及び、１つの電極１４ａだけが誘電体バリア層５０によって被覆されているシングルバリア放電のうちの一方であるかのどちらかである。１つの電極１４ｂ（又は両方）を、放電セル１０を介した同期化を可能にするために複数の断片（順々に駆動される電極断片）に分裂させてもよい。複数の電極を複数の断片に分裂させて、断片をセル１０の周囲に配置してもよい。

放電１は、非常に高い電場と、非常に迅速に（サブマイクロ秒、及び、好ましくはナノ秒から１０ナノ秒で）ゼロから数十キロボルトへ上昇する電圧（又は降下する電圧）とを有するように制御システム５によって制御される。その結果、極めて速い電離前線波動（ionization front wave）がガス１３内に作成される。

よって、放電セル１０は、迅速な立ち上がり電圧エッジを有するサブマイクロ秒電圧波形によって駆動され、パルス駆動される。この後者の条件は、高速の電離前線波動６を効率的に生成するために必須である。放電は、単発モード（シングル電圧パルス）、（ｋＨｚ範囲における）高周波領域に及ぶ繰り返しモード、及び、バーストモード（非常に高い周波、何十ｋＨｚの範囲で伝達された少しの電圧パルス）において操作され得る。

こうして、システム５は、放出されたエネルギーを制御することができる。これは、大気圧プラズマプルームを作成する従来の装置の場合には無い。従来の装置は、非常に高周波で繰り返しパターンで動くが、単発でも低周波でもない。プラズマボール製造は、パルス形成セットアップによって制御され、何らかの他の機械、最終的には第２プラズマボール生成器によって数ナノ秒といった低いジッタに同期化され得る。

この電離波６は、非常に迅速に動き、速度は電子環境において得られる濃度に依存している。電離波６は、プラズマ７を含む。プラズマ持続時間は、プラズマが作製される条件に依存している。プラズマ持続時間は、高電圧放電の持続時間とほぼ同じである。

もし、ガスを保持、又は、搬送することのできる絶縁材料からなるガイド１５の端部がプラズマ７の隣りで放電セル１０に接続されているならば、プラズマ「ボール」４は、ガイド１５へ流入することができる。ガイド１５は、プラズマボールのためのガイドとして機能して、任意の形状を経た後、プラズマボールを所望の位置へもたらす。

（放電セルと複数の電極とによって形成される）放電バリアとガイドとの組み合わせにより、数メートルまでの距離に亘って非常に高速で動くプラズマボールの生成が可能となる。なお、放電セルには高圧ガスが充填されており、２つの電極間にパルス状の放電が生じる。

一旦発射されたら、作成されたプラズマボール４は、電気的に元のプラズマ７にもはや依存しないという意味で「自立して」いる。プラズマボールは、放電セル１０において生成された元のプラズマ７から独立して、出力ガイド１５に沿って伝わる。プラズマボールは、生成された高電圧プラズマからこのように電気的に絶縁されている。プラズマボールは、プラズマ放電セル１０に接続された誘電体ガイドの内部のガス容積を通って一番伝わりやすい。なお、これらのプラズマボール４は、数気圧の圧力（又は非常に低い圧）で生成され得る。ネオンにおいて、放電の条件（プラズマ源に注入されるエネルギー、ガス圧、ガス流、及び、元のプラズマからの距離）に依存して、プラズマボール４の速度は１０ｋｍ／秒から１０００ｋｍ／秒に及ぶ。

プラズマは、導体素子に出会わない限り、その自動消滅まで周囲へ動くことができる。任意の長さの経路においてプラズマを制御するために、導体素子は、接地電位（又は、所定の電位）に所望の距離で接続され得る。

ボール特性、継続時間、及び伝播速度を、放電セルの設計によって制御することができる。放電セルの長さ、又は、パルス電力波形の時間的プロファイルは、例えば、特定のプラズマボールの製造のために適合され得る。

プラズマボール４は、開放空気へ放たれると、放電の条件に応じて数センチメートルに達し得るプラズマプルーム１６を生成する。実際には、プラズマボール４は、誘電体ガイド１５から出ると、ガイドを充填するガスと周囲空気との混合物において膨張し、反応性プラズマプルーム１６を生成する。このように、取り扱いの簡単な誘電体ガイドを使用することによって、放電セル１０から遠く離れてプラズマプルーム１６を生成することができる。大気圧におけるコールドプラズマプルームの開発は、医学、生物学、除菌、滅菌、及びプラズマ表面処理における用途を見出すかもしれない。短期間及び高速のプラズマボールも、後に分かるようなパルス電力技術用の新しい、プラズマベースの高電圧スイッチの開発には興味深いかもしれない。図６を参照すると、プラズマプルームは、放電セルの外側へ直接（ガイド１５無しで）放出され得る。

ガスは、その流れに依存して静的または動的であり得る。プラズマボール及びプルーム特性（速度、形状、突出距離）は、ガス流に依存する。

また、プラズマボール４は、プラズマプルーム１６を生み出す前に、他のプラズマボール、又は、様々な材料（ガス、流体、液体、粉末、粒子、…）と相互作用してもよい。このように、プラズマプルーム１６は、特定の用途に適合した反応種を含んでいてもよい。

したがって、ガイド１５には、必要性又は用途に応じてプラズマ組成（化学組成及び／又は物理特性）の変更を可能にする二次材料流入口３を設けることができる。

図２ａ及び図２ｂを参照すると、装置は、強い電流と高電圧とを有し得る電気回路を遠くから閉じるために上述の高速プラズマボール４を使用できるようにする２つの電極２１ａ及び２１ｂを備えている。プラズマボール４は、電気接点間又は電極２１ａ及び２１ｂ間の抵抗を強く低減するために使用される。切替時間は、３ナノ秒未満である。このシステムにより、トリガー素子との電気的な結合無しで、大電流（数ｋＡ）を含む回路の遠隔切替が可能になる。

上述の場合、誘電体ガイド及び切替ガイドにおけるガスは同じであるが、システムは２つのガスが異なっていても動作する。図３ａ及び図３ｂを参照すると、電離波は、生成器及びスイッチのガスからガスを絶縁する薄い誘電体壁１８を依然として通過することができる。このダブルガイドシステムは、先に説明したプルーム生成システムの役にも立つ。

ダブルガイドシステムは、先に説明したのと同じ結果となる切替ガイド１９においてプラズマボールを作成する。これにより、切替電圧に応じてガスを選択できる。図４を参照すると、プラズマボール２０は、第１誘電体ガイド１９に並列に別な誘電体ガイド２２内部の別なガス中に別なプラズマボール２３を作成することができる。

本発明は、最も実用的且つ好ましい実施形態だと現在のところ思われるものに関連して説明されてきたが、当然ながら本発明は開示された実施形態に限定されず、むしろ、添付の請求項の精神及び範囲内の種々の変更及び同様の構成を含むことを意図しており、この範囲は、法の枠内で全てのこのような変更及び同様の構成を含むように最も広く解釈されるべきである。

Claims (10)

1. 誘電体バリアを備えるプラズマボール生成装置であって、
   前記誘電体バリアは、
   全体が絶縁材料からなる放電セルと、
   前記放電セル内に設けられた２つ以上の電極とを備え、
   前記放電セルには、高圧ガスが充填され、
   前記２つの電極間に、放電が生じ、
   放電時間は、サブマイクロ秒であるプラズマボール生成装置。
2. 請求項１に記載のプラズマボール生成装置において、
   前記放電時間は、サブナノ秒である、プラズマボール生成装置。
3. 請求項１又は２に記載のプラズマボール生成装置において、
   前記セルの流出口は、絶縁ガイドに接続されている、プラズマボール生成装置。
4. 請求項３に記載のプラズマボール生成装置において、
   前記ガイドは、二次材料流入口を備えている、プラズマボール生成装置。
5. 請求項３から４のいずれか１項に記載のプラズマボール生成装置において、
   前記ガイドは、誘電体壁を備えている、プラズマボール生成装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のプラズマボール生成装置において、
   前記セルは、ガス供給源に接続されたガス流入口を備えている、プラズマボール生成装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のプラズマボール生成装置において、
   前記電極の少なくとも１つは、誘電体バリアを介して前記ガスに接続される、プラズマボール生成装置。
8. 請求項７に記載のプラズマボール生成装置において、
   前記電極の双方は、誘電体バリアを介して前記ガスに接続される、プラズマボール生成装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のプラズマボール生成装置において、
   前記電極の少なくとも１つは、同期化を可能にするように複数の断片に分裂されている、プラズマボール生成装置。
10. 超高速切替装置であって、
    請求項３から９のいずれか１項に記載のプラズマボール生成装置と、
    前記ガイド内において前記プラズマボール生成によって生成されたプラズマボールによって電気的に接続されるように前記前記ガイドに沿って設けられた２つの電極とを備える、超高速切替装置。

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