JP2014524106A

JP2014524106A - マイクロ波共鳴空洞

Info

Publication number: JP2014524106A
Application number: JP2014517143A
Authority: JP
Inventors: ハンリー，サン
Original assignee: リカーボン，インコーポレイテッド
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2014-09-18
Also published as: EP2724416A2; CN103636059A; CA2838946A1; WO2012177834A3; CN103636059B; EP2724416A4; US20120326803A1; US9237639B2; HK1191137A1; WO2012177834A2; US20140125215A1; KR20140026605A

Abstract

マイクロ波共鳴空洞（26）が提供される。マイクロ波共鳴空洞（26）は、ほぼ筒状の中空形状を有する側壁（42）、該側壁内に設けられ、かつ前記側壁の長軸と実質的に平行な長軸を有するガス流管（46）、複数のマイクロ波ウェーブガイド（24a-24c）であって、各ウェーブガイドは前記側壁の長軸と実質的に直角な長軸を有し、かつ前記側壁に固定されかつ前記側壁に形成された複数の開口の一つとつながる、複数のマイクロ波ウェーブガイド、前記側壁の一端に固定された頂板（41）、及びスライド可能に前記側壁及び前記ガス流管の間に備え付けられた板（49）及び前記側壁内に設けられかつ前記側壁の両軸と平行に配置された少なくとも一つのバー（50）を有する可動ショートサーキット（48）、を有する。

Description

本発明はプラズマ発生器に関する。特に内部でプラズマを発生させるマイクロ波共鳴空洞を有するシステムに関する。

近年、マイクロ波技術は様々な種類のプラズマを発生させるために適用されている。
いくつかの適用例において、プラズマを発生、保持することはマイクロ波発生器の高い出力を必要とする。

既存のマイクロ波技術は以下の欠点のうちの一つ又はそれ以上によって適切でなく、よくてもかなり非効率である。第一に、既存のシステムは適当な拡張性に欠けている。拡張性とは、様々な量のマイクロ波入力を適切に扱うシステムの能力、又は様々な入力に適合するために拡張／縮小されうるシステムの能力を参照する。例えば、プラズマに変化させるガスの種類、圧力及び流量によって必要とされるマイクロ波の入力パワーは変化し得る。第二に、マグネトロンの規模の経済は出力が上昇すると急激に増大する。例えば、１０KWのマグネトロンの価格は１KWのマグネトロン十台の価格よりも遥かに高い。従って、高い拡張性を有し、出力を落とすことなく既存の入手可能なプラズマ発生システムよりも安価としてプラズマ発生システムの必要性が存在する。

本明細書において記述される一つの実施形態において、マイクロ波共鳴空洞であって、ほぼ筒状の中空形状を有し、マイクロ波に不透明な（opaque）材料で形成された側壁、該側壁内に設けられ、マイクロ波に透明な（transparent）材料で形成され、かつ前記側壁の長軸と実質的に平行な長軸を有するガス流管、複数のマイクロ波ウェーブガイドであって、各ウェーブガイドは前記側壁の長軸と実質的に直角な長軸を有し、かつ前記側壁に固定されかつ前記側壁に形成された複数の開口の一つとつながる、複数のマイクロ波ウェーブガイド、マイクロ波に不透明な材料で形成され、前記側壁の一端に固定された頂板、及び可動ショートサーキットを有する。可動ショートサーキットは、マイクロ波に不透明な材料で形成され、スライド可能に前記側壁及び前記ガス流管の間に備え付けられた板であって、当該板は前記側壁に合う外縁及び前記ガス流管が合う（snuggly fit）孔を有する、板、及び前記側壁内に設けられ、前記側壁の両軸と平行に配置された少なくとも一つのバーを有する。前記バーを前記側壁の長軸に沿って移動させることによって、前記頂板、前記側壁及び前記板によって画成される空間は、前記ガス流管内にマイクロ波共鳴空洞を形成するために、調整される。

図１は本発明の一つの実施形態に係るプラズマ発生システムの模式図である。図２は図１のマイクロ波共鳴空洞２６の分解斜視図である。図３A及び図３Bは図２のマイクロ波共鳴空洞の代替的な実施形態の平面図である。図３A及び図３Bは図２のマイクロ波共鳴空洞の代替的な実施形態の平面図である。図４Aから図４Cは図１のマイクロ波共鳴空洞の代替的な実施形態の斜視図である。図４Aから図４Cは図１のマイクロ波共鳴空洞の代替的な実施形態の斜視図である。図４Aから図４Cは図１のマイクロ波共鳴空洞の代替的な実施形態の斜視図である。図５は図２のマイクロ波共鳴空洞の代替的な実施形態の模式的な断面図である。図６は図２のマイクロ波共鳴空洞の代替的な実施形態の模式的な断面図である。

図１は本発明の一つの実施形態に係るプラズマ発生システム１０の模式図である。図示されるように、システム１０はマイクロ波共鳴空洞２６、マイクロ波をマイクロ波共鳴空洞２６に供給するためのマイクロ波供給ユニット１１ａ−１１ｃ、及びマイクロ波をマイクロ波供給ユニット１１ａ−１１ｃからマイクロ波共鳴空洞２６へ伝えるためのウェーブガイド２４ａ−２４ｃを有することができる。マイクロ波共鳴空洞２６はガスタンク２８又は燃焼排ガスのような他のガス供給源からガス及び／又は混合ガスを受容する。

マイクロ波供給ユニット１１ａはマイクロ空洞波共鳴２６へマイクロ波を供給し、マイクロ波を発生するためのマイクロ波発生器１２ａ、マイクロ波発生器１２ａへ電力を供給すための電力供給器１３ａ、及び断路器１５ａを有することができる。断路器１５ａは反射されてマイクロ波発生器１２ａに向かって伝搬するマイクロ波を消散するためのダミーロード１６ａ及び反射されたマイクロ波をダミーロード１６ａへと方向付けるサーキュレーター１８ａを有する。

一つの実施形態において、マイクロ波供給ユニット１１ａはマイクロ波の流れを測定するための連結器２０ａ、及びマイクロ波共鳴空洞２６から反射されるマイクロ波を低減するためのチューナー２２ａを更に有する。図１に示されたマイクロ波供給ユニット１１ａの構成要素はよく知られたものであり、例示の目的のみのためにここに列挙されたものである。また、本発明から逸脱することなく、マイクロ波供給ユニット１１ａをマイクロ波共鳴空洞２６にマイクロ波を供給する能力を有するシステムで置き換えることも可能である。断路器１５ａと連結器２０ａの間に位相調整器を配置することも可能である。

マイクロ波供給ユニット１１ｂ及び１１ｃはマイクロ波供給ユニット１１ａと同様の構成要素を有することが示されている。しかしながら、マイクロ波供給ユニット１１ｂ及び１１ｃは、これらがマイクロ波を発生し、ウェーブガイド２４ａ−２４ｃへマイクロ波を届けることができる限りにおいて、マイクロ波供給ユニット１１ａの構成要素と異なる構成要素を有しても良いことが留意される。

図２は図１のマイクロ波共鳴空洞２６の分解斜視図である。図示されているように、マイクロ波共鳴空洞（簡潔に、以後は「空洞」とする）２６はガスタンク２８からガス５３を受容するための吸気口５１を有する頂板４１、ガスをそこから排出するための排出孔（又は排出口）４４を有する底板４３、及びウェーブガイド２４ａ−２４ｃの末端と接続する側壁４２を有する。ウェーブガイド２４ａの末端は側壁４２にしっかりと固定されており、それによりウェーブガイド２４ａの基部側端４０ａから流れるマイクロ波エネルギーが側壁４２内へ入るようになっている。同じように、ウェーブガイド２４ｂ及び２４ｃの基部側端４０ｂ及び４０ｃから流れるマイクロ波エネルギーは側壁４２内に入る。頂板４１、側壁４２及び底板４３は、例えばマイクロ波に不透明な金属など、あらゆる適切な材料で形成され得る。空洞２６はまたマイクロ波に透明であり好ましくは石英で形成されたガス流管４６を有する。

ガス流管４６の頂部側端及び底側端はそれぞれ空洞２６の頂板４１及び底板４３へとしっかり閉じられている。流入口５１を介してガス流管４６に入ったガスは励起されてプラズマ化され、底板４３の排出口４４から排出される。ウェーブガイド２４ａ−２４ｃを介して与えられたマイクロ波エネルギーは、ガスがガス流管４６を流れる際にガスをプラズマ化する。

空洞２６は板４９及びバー５０を有する可動ショートサーキット４８を有することができる。板４９は側壁４２の内側表面及びガス流管４６の外側表面の間にスライド可能に合うような寸法とされる。また、板４９はマイクロ波に不透明な材料、好ましくは金属で形成される。動作中、ウェーブガイド２４ａ−２４ｃの末端側から放出されたマイクロ波はガス流管４６内で干渉パターンを形成する。使用者がバー５０を空洞２６の長手方向５６に沿って上下にスライドさせると、干渉がピーク振幅領域をガス流管４６内に発生させることができるように板４９と頂板４１の間の距離が変わる。すなわち、板４９の頂板４１に対する位置を調整することによってインピーダンス整合が得られる。バーは、例えば使用者がインピーダンスを高い精度で調整できるように底板４３の外側表面に固定されたマイクロメーターなど、適切な調整機構に取り付けられても良い。選択的に、自動的な制御のためにバー５０に取り付けられたモーターを使用することができる。

三つのマイクロ波供給ユニット１１ａ−１１ｃによって発生されたマイクロ波はガス流管４６内で合わせられることが留意される。もし複数のマイクロ波供給ユニットが同一であるならば、ガス流管４６内のマイクロ波場の最大強度はマイクロ波供給ユニット１１ａよりも三倍大きな出力をもつ一つのマイクロ波供給ユニットによって発生される強度と同じであるというものである。この特徴は拡張性と製造コスト削減の二つの利点を提供する。システム１０の操作者は選択的にマイクロ波供給ユニット１１ａ−１１ｃを起動し、ガス流管４６内のマイクロ波場強度が変化させることができる。例えば、ガス流管４６内でプラズマ化を起こさせるためのマイクロ波強度はガス５３の種類に依存して変わり得る。操作者は選択的にマイクロ波供給ユニット１１ａ−１１ｃを起動することでガス流管４６内のマイクロ波場強度を最適化することができる。システム１０は三つのマイクロ波供給ユニットのみを有していることが留意される。しかしながら、システムは如何なる他の適切な数のマイクロ波供給ユニットを有しても良いことが当業者にとって明らかであろう。

マイクロ波発生器１２ａ特にマグネトロンの価格は、出力が上がるにつれて急激に上昇する。例えば、十台の市販の電子レンジ（マイクロ波オーブン）の価格は、十倍の出力を持つ一台の高出力マグネトロンの価格よりも大幅に低い。従って、複数のマイクロ波発生器を有するというシステム１０の特徴は、設計者が最高出力を妥協せずに低コストのマイクロ波発生システムを作り上げることを可能にする。

図３Aから図３Cは図２に示された空洞の側壁４２の代替的な実施例６０、７０及び８０の平面図である。図示されたように、側壁は、例えば四角形、六角形又は八角形などの、多角形のそれぞれの面にウェーブガイドを固定することができる適当な多角形の形状を有することができる。二つの隣り合うウェーブガイドから出るマイクロ波の位相は、マイクロ波間の干渉がガス流管６２、７２及び８２内で最大の強度を発生するように、異なっていても良い。ガス流管６２、７２及び８２は、例えば四角形、六角形又は八角形などの、他の適切な断面の幾何学的形状を取り得ることが留意される。さらに、二つの隣り合うウェーブガイドの間の角度θ（図１参照）は二つのマイクロ波の間の干渉を最適化するために調整し得ることが留意される。

図４Aは図１の空洞２６の代替的な実施形態１００の斜視図である。簡潔さのため、側壁及びウェーブガイドのみが図４Aに示されている。図示されたように、空洞１００は図１の空洞２６と同様のものであり、ウェーブガイド１０２ａ−１０２ｃがe平面（e-plane）ウェーブガイドである点で異なる。

図４B及び図４Cは図１の空洞２６の代替的な実施形態１１４及び１２４の斜視図である。図示されたように、空洞１１４及び空洞１２４は図１の空洞２６と同様のものであり、空洞１１４及び１２４の側壁に対するウェーブガイド１１２ａ−１１２ｃ及び１２２ａ−１２２ｃの位置が異なるという点で異なっている。複数のウェーブガイドの位置は、空洞１１４及び１２４内に配置されたガス流管（簡潔さのため図４B及び図４Cには示されていない）内の干渉パターンを最適化するように決定される。

図５は図２のマイクロ波共鳴空洞２６の代替的な実施形態２００の模式的な断面図である。図示されたように、空洞２００はガスタンク２８（図５では示されていない）からガスを受容するための吸気口２４３を有する頂板２４１、ウェーブガイド２２４ａ−２２４ｂの末端と接続する側壁２４２、ガスをそこから排出するための底孔２４４をもつガス流管２４６、及び板２４９及びバー２５０をもつ可動ショートサーキット２４８を有する。空洞２００の構成要素の材質及び機能は空洞２６のこれらの対応物と同様であるから、詳細な説明は繰り返さない。空洞２６と空洞２００の間の違いは、空洞２６は底板４３を有するのに対して空洞２００は底板を有さないことである。

図６は図２の空洞２６の代替的な実施形態３００の模式的な断面図である。図示されたように、空洞３００は空洞２６と同様のものであり、ガス流管３４６の頂部及び底部が頂板３４１及び底板３４３をそれぞれ外側に貫通している点で異なっている。ガス流管３４６はそこからガスを受容及び排出するための頂孔３４７及び底孔３４４を有している。代替的に、ガス流管３４６は頂孔３４７の代わりにガス流入孔３６０を有しても良い。流入孔３６０はガス流管３４６の長軸に対して角度を有しており、注入されたガスに渦を巻く動きを与える。

当然ながら、以上本明細書において記述したものは本発明の例示的な実施形態に関するものであり、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく変更を加えることが可能であることが理解されるであろう。

Claims

マイクロ波共鳴空洞であって、
ほぼ筒状の中空形状を有し、マイクロ波に不透明な材料で形成された側壁、
該側壁内に設けられ、マイクロ波に透明な材料で形成され、かつ前記側壁の長軸と実質的に平行な長軸を有するガス流管、
複数のマイクロ波ウェーブガイドであって、各ウェーブガイドは前記側壁の長軸と実質的に直角な長軸を有し、かつ前記側壁に固定されかつ前記側壁に形成された複数の開口の一つとつながる、複数のマイクロ波ウェーブガイド、
マイクロ波に不透明な材料で形成され、前記側壁の一端に固定された頂板、及び
マイクロ波に不透明な材料で形成され、スライド可能に前記側壁及び前記ガス流管の間に備え付けられた板であって、当該板は前記側壁に合う外縁及び前記ガス流管が合う孔を有する、板、及び前記側壁内に設けられ、前記側壁の両軸と平行に配置された少なくとも一つのバーを有する可動ショートサーキット、を有し
前記頂板、前記側壁及び前記板によって画成される空間は、前記ガス流管内にマイクロ波共鳴空洞を形成するために、前記バーを前記側壁の長軸に沿って移動させることによって調整される、マイクロ波共鳴空洞。
前記ガス流管の一端は前記頂板と接し、前記頂板は前記ガス流管を流れるガスを受容するための孔を有している、請求項１記載のマイクロ波共鳴空洞。
前記側壁の他端に固定され、少なくとも一つの前記バーが貫通する孔を有する底板を更に有する、請求項１記載のマイクロ波共鳴空洞。
前記底板はガス排出孔を有する、請求項３記載のマイクロ波共鳴空洞。
前記ガス流管は前記頂板を貫通する、請求項１記載のマイクロ波共鳴空洞。
前記複数のマイクロ波ウェーブガイドの末端が前記側壁の長軸に沿って同じ高さに設けられている、請求項１記載のマイクロ波共鳴空洞。
前記複数のマイクロ波ウェーブガイドの末端が前記側壁の長軸に沿って異なる高さに設けられている、請求項１記載のマイクロ波共鳴空洞。
前記側壁の断面形状が円、四角形、六角形、八角形からなるグループから選択された一つである、請求項１記載のマイクロ波共鳴空洞。
前記複数のマイクロ波ウェーブガイドの長軸が前記側壁の長軸に平行な同一の平面に設けられた、請求項１記載のマイクロ波共鳴空洞。
各マイクロ波ウェーブガイドの基部側端に接続されたマイクロ波供給ユニットを有する、請求項１記載のマイクロ波共鳴空洞。
前記マイクロ波供給ユニットは、
マイクロ波を発生するためのマイクロ波発生器、及び
反射されて該マイクロ波発生器に向かって伝搬するマイクロ波を消散するためのダミーロード及び該マイクロ波を該ダミーロードへと方向付けるサーキュレーターを有する断路器、
を有する、請求項１０記載のマイクロ波共鳴空洞。
前記マイクロ波供給ユニットは、
マイクロ波の流れを測定するための連結器、及び
マイクロ波の反射を低減するためのチューナー
を更に有する、請求項１１記載のマイクロ波共鳴空洞。