JP2796609B2 - レーザ熱プラズマ方法 - Google Patents
レーザ熱プラズマ方法Info
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- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21B—FUSION REACTORS
- G21B1/00—Thermonuclear fusion reactors
- G21B1/11—Details
- G21B1/23—Optical systems, e.g. for irradiating targets, for heating plasma or for plasma diagnostics
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ熱プラズ
マ方法に関するものである。さらに詳しくは、この発明
は、材料創製のための反応手段等として有用な、レーザ
熱プラズマの生成とその反応への利用等を可能とする新
しい方法に関するものである。
マ方法に関するものである。さらに詳しくは、この発明
は、材料創製のための反応手段等として有用な、レーザ
熱プラズマの生成とその反応への利用等を可能とする新
しい方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】従来から、材料創製のための
プロセスとして熱プラズマを利用しようとする試みが様
々になされてきている。このプロセスでは、熱プラズマ
が発生させる高温、高荷電粒子密度、大熱容量等の豊富
な活性粒子を材料合成や加工に利用しようとしている。
プロセスとして熱プラズマを利用しようとする試みが様
々になされてきている。このプロセスでは、熱プラズマ
が発生させる高温、高荷電粒子密度、大熱容量等の豊富
な活性粒子を材料合成や加工に利用しようとしている。
【０００３】従来、このような熱プラズマの発生方法と
しては、アーク放電や、高周波放電が用いられてもい
る。しかしながら、アーク放電の場合には、発生したプ
ラズマの両端に陽極および陰極の電極が存在するので、
その両極から極構成材料がプラズマ中に混入し、また、
放電時間の経過とともに、放電電極の消耗や放電電極表
面への他の元素の堆積により、プラズマの状態が変化し
てしまうという問題がある。また、アーク放電において
は、その発生するプラズマの形状は放電電極の構造に大
きく依存しているため、発生するプラズマの形状や温度
分布を自由に制御することが困難であった。
しては、アーク放電や、高周波放電が用いられてもい
る。しかしながら、アーク放電の場合には、発生したプ
ラズマの両端に陽極および陰極の電極が存在するので、
その両極から極構成材料がプラズマ中に混入し、また、
放電時間の経過とともに、放電電極の消耗や放電電極表
面への他の元素の堆積により、プラズマの状態が変化し
てしまうという問題がある。また、アーク放電において
は、その発生するプラズマの形状は放電電極の構造に大
きく依存しているため、発生するプラズマの形状や温度
分布を自由に制御することが困難であった。
【０００４】一方、高周波放電の場合は、アーク放電の
場合のような極構成材料のプラズマ中への混入や、放電
電極の消耗や放電電極表面への元素の堆積によるプラズ
マ状態の変化といったアーク放電特有の問題点を回避す
ることができるが、高周波放電特有の表皮効果が発生
し、したがって、プラズマの表面で温度がもっとも高
く、プラズマの内部で温度が低いという問題点があっ
た。
場合のような極構成材料のプラズマ中への混入や、放電
電極の消耗や放電電極表面への元素の堆積によるプラズ
マ状態の変化といったアーク放電特有の問題点を回避す
ることができるが、高周波放電特有の表皮効果が発生
し、したがって、プラズマの表面で温度がもっとも高
く、プラズマの内部で温度が低いという問題点があっ
た。
【０００５】プラズマを用いた材料合成プロセスでは、
プラズマの高温部分で物質を分解し、低温部分で反応合
成を行うことになるため、プラズマの中心部が高温状態
にあり、その周辺のできるだけ広い領域で低温プラズマ
が存在することが望ましい。このような観点からは、高
周波放電を用いる場合、高周波放電特有の表皮効果によ
り、材料合成プロセス等に最適な温度分布のプラズマを
形成することが難しい。
プラズマの高温部分で物質を分解し、低温部分で反応合
成を行うことになるため、プラズマの中心部が高温状態
にあり、その周辺のできるだけ広い領域で低温プラズマ
が存在することが望ましい。このような観点からは、高
周波放電を用いる場合、高周波放電特有の表皮効果によ
り、材料合成プロセス等に最適な温度分布のプラズマを
形成することが難しい。
【０００６】この発明は、以上の通りの事情に鑑みてな
されたものであり、従来のプラズマ技術についての欠点
を解消し、極構成材料のプラズマ中への混入、放電電極
の消耗や放電電極表面への元素の堆積によるプラズマ状
態の変化、あるいは表皮効果を回避することが可能であ
り、プラズマの形状や温度分布を自由に制御することの
できる、新しいレーザ熱プラズマ方法を提供することを
目的としている。
されたものであり、従来のプラズマ技術についての欠点
を解消し、極構成材料のプラズマ中への混入、放電電極
の消耗や放電電極表面への元素の堆積によるプラズマ状
態の変化、あるいは表皮効果を回避することが可能であ
り、プラズマの形状や温度分布を自由に制御することの
できる、新しいレーザ熱プラズマ方法を提供することを
目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、プラズマ生成ガスを放電電極に
向けてレーザの照射方向と同軸方向に流し、放電により
ガスプラズマを生成させるとともに、このガスプラズマ
に収束したレーザを照射し、レーザ照射方向と同軸方向
のプラズマ生成ガスのガス流空間に、ガスプラズマとは
独立するレーザ熱プラズマを生成させ、放電を停止し、
この停止後もプラズマ生成ガスを流し、レーザ照射を続
けてレーザ熱プラズマを維持することを特徴とするレー
ザ熱プラズマ方法を提供する。
を解決するものとして、プラズマ生成ガスを放電電極に
向けてレーザの照射方向と同軸方向に流し、放電により
ガスプラズマを生成させるとともに、このガスプラズマ
に収束したレーザを照射し、レーザ照射方向と同軸方向
のプラズマ生成ガスのガス流空間に、ガスプラズマとは
独立するレーザ熱プラズマを生成させ、放電を停止し、
この停止後もプラズマ生成ガスを流し、レーザ照射を続
けてレーザ熱プラズマを維持することを特徴とするレー
ザ熱プラズマ方法を提供する。
【０００８】そしてこの発明は、上記のレーザ熱プラズ
マを材料の合成や加工に利用する方法をも提供する。
マを材料の合成や加工に利用する方法をも提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】この発明は、上記の通りの新しい
レーザ熱プラズマ方法を提供するものであるが、この発
明の方法は、レーザ光と蒸発粒子および雰囲気ガスとの
相互作用により形成されるレーザ誘起プラズマの現象解
析を行っている過程で、従来のレーザ加工にとって重要
な研究課題にもかかわらず、時間的な変動が激しく、発
光分光法などによる計測が困難であったレーザ誘起プラ
ズマを安定して形成する方法を模索し、その結果として
完成されたものである。
レーザ熱プラズマ方法を提供するものであるが、この発
明の方法は、レーザ光と蒸発粒子および雰囲気ガスとの
相互作用により形成されるレーザ誘起プラズマの現象解
析を行っている過程で、従来のレーザ加工にとって重要
な研究課題にもかかわらず、時間的な変動が激しく、発
光分光法などによる計測が困難であったレーザ誘起プラ
ズマを安定して形成する方法を模索し、その結果として
完成されたものである。
【００１０】この方法によって、たとえば非平衡材料な
どの創製をも可能とする新しい材料合成プロセスとして
の発展も可能になる。この発明においては、まず、放電
によって生成させるガスプラズマを得る手段としては、
たとえばアーク放電などを用いることができ、生成した
ガスプラズマは、その放電を停止しても、レーザビーム
を照射する限り安定して持続する。
どの創製をも可能とする新しい材料合成プロセスとして
の発展も可能になる。この発明においては、まず、放電
によって生成させるガスプラズマを得る手段としては、
たとえばアーク放電などを用いることができ、生成した
ガスプラズマは、その放電を停止しても、レーザビーム
を照射する限り安定して持続する。
【００１１】この発明において使用するプラズマ生成の
ためのガスとしては、アルゴンガス、アルゴン−ヘリウ
ム混合ガス、窒素ガスなどを用いることができ、また、
これらのプラズマ生成ガスとともに、材料の合成、加工
等のための反応性ガスを用いることができる。たとえ
ば、反応性ガスとしては、酸素、酸素化合物、窒素、窒
素化合物、硫黄化合物、ハロゲン化合物、炭化水素その
他の有機化合物、有機金属化合物等のガスが用いられ
る。
ためのガスとしては、アルゴンガス、アルゴン−ヘリウ
ム混合ガス、窒素ガスなどを用いることができ、また、
これらのプラズマ生成ガスとともに、材料の合成、加工
等のための反応性ガスを用いることができる。たとえ
ば、反応性ガスとしては、酸素、酸素化合物、窒素、窒
素化合物、硫黄化合物、ハロゲン化合物、炭化水素その
他の有機化合物、有機金属化合物等のガスが用いられ
る。
【００１２】レーザとしては、大出力のものが好ましく
使用され、たとえば大出力・赤外レーザが好適に使用さ
れる。レーザ熱プラズマの生成については、上記の通
り、放電により生成させたガスプラズマに収束したレー
ザを照射し、プラズマ生成ガスの流量とレーザ出力とを
制御することにより、レーザ照射方向と同軸方向のプラ
ズマ生成ガスのガス流空間に、ガスプラズマとは独立す
るレーザ熱プラズマを生成させることを特徴としてい
る。
使用され、たとえば大出力・赤外レーザが好適に使用さ
れる。レーザ熱プラズマの生成については、上記の通
り、放電により生成させたガスプラズマに収束したレー
ザを照射し、プラズマ生成ガスの流量とレーザ出力とを
制御することにより、レーザ照射方向と同軸方向のプラ
ズマ生成ガスのガス流空間に、ガスプラズマとは独立す
るレーザ熱プラズマを生成させることを特徴としてい
る。
【００１３】つまり、この発明では、たとえばアーク放
電を用いる場合でも、その放電により生成させたプラズ
マとは独立した空間域に、安定した熱プラズマを独立し
て生成させる。このため、たとえばアーク放電特有の極
構成材料のプラズマ中への混入、放電電極の消耗や放電
電極表面への元素の堆積によるプラズマ状態の変化を回
避することが可能となる。
電を用いる場合でも、その放電により生成させたプラズ
マとは独立した空間域に、安定した熱プラズマを独立し
て生成させる。このため、たとえばアーク放電特有の極
構成材料のプラズマ中への混入、放電電極の消耗や放電
電極表面への元素の堆積によるプラズマ状態の変化を回
避することが可能となる。
【００１４】また、この発明においては、レーザが照射
されているプラズマ中心部で温度が高く、周囲に向かう
ほど温度が低下し、またその温度分布やプラズマ形状
は、レーザの出力、レーザ照射方法およびプラズマ生成
ガスの流量により制御することができる。表皮効果を原
因とするプラズマの温度分布に関する高周波放電の問題
点をも解決することができる。
されているプラズマ中心部で温度が高く、周囲に向かう
ほど温度が低下し、またその温度分布やプラズマ形状
は、レーザの出力、レーザ照射方法およびプラズマ生成
ガスの流量により制御することができる。表皮効果を原
因とするプラズマの温度分布に関する高周波放電の問題
点をも解決することができる。
【００１５】以下実施例を示し、さらに詳しくこの発明
の実施の形態について説明する。
の実施の形態について説明する。
【００１６】
【実施例】図１は、この発明のレーザ熱プラズマの生成
について例示したものであって、収束レンズ（１）によ
ってレーザ（２）を放電電極（８）付近に収束させる。
プラズマ生成ガス導入口（３）からは、プラズマ生成ガ
ス（５）をレーザ（２）に向かって導入し、ノズル
（４）からレーザ（２）と同軸方向にプラズマ生成ガス
（５）を流す。そして、あらかじめ放電電極（８）間で
生成させたガスプラズマ（７）に、収束レンズ（１）に
より収束したレーザ（２）を照射する。
について例示したものであって、収束レンズ（１）によ
ってレーザ（２）を放電電極（８）付近に収束させる。
プラズマ生成ガス導入口（３）からは、プラズマ生成ガ
ス（５）をレーザ（２）に向かって導入し、ノズル
（４）からレーザ（２）と同軸方向にプラズマ生成ガス
（５）を流す。そして、あらかじめ放電電極（８）間で
生成させたガスプラズマ（７）に、収束レンズ（１）に
より収束したレーザ（２）を照射する。
【００１７】プラズマ生成ガス（５）の流量とレーザ
（２）の出力とを制御することにより、放電電極（８）
の上方にレーザ熱プラズマ（６）が安定して独立に生成
される。このレーザ熱プラズマ（６）は、放電電極
（８）間の放電を停止して電極間のガスプラズマ（７）
を消滅させた後においても、レーザ（２）を照射してい
る限り持続する。そして、生成したレーザ熱プラズマ
（６）は、レーザ（２）とこれと同軸上のプラズマ生成
ガス（５）の流れの移動、たとえば水平方向、上下方向
への移動にともなって移動し、適宜な位置において安定
したレーザ熱プラズマ（６）として材料合成や材料加工
に使用することができる。
（２）の出力とを制御することにより、放電電極（８）
の上方にレーザ熱プラズマ（６）が安定して独立に生成
される。このレーザ熱プラズマ（６）は、放電電極
（８）間の放電を停止して電極間のガスプラズマ（７）
を消滅させた後においても、レーザ（２）を照射してい
る限り持続する。そして、生成したレーザ熱プラズマ
（６）は、レーザ（２）とこれと同軸上のプラズマ生成
ガス（５）の流れの移動、たとえば水平方向、上下方向
への移動にともなって移動し、適宜な位置において安定
したレーザ熱プラズマ（６）として材料合成や材料加工
に使用することができる。
【００１８】当然、この場合にも、プラズマ生成ガス
（５）とともに反応性ガスを流すことができ、また、プ
ラズマ生成ガス（５）の流れとは別に雰囲気として反応
性ガスを供給することもできる。このような様々な態様
によって、たとえば薄膜形成、表面加工、粉体形成等の
材料の合成・加工が可能となる。
（５）とともに反応性ガスを流すことができ、また、プ
ラズマ生成ガス（５）の流れとは別に雰囲気として反応
性ガスを供給することもできる。このような様々な態様
によって、たとえば薄膜形成、表面加工、粉体形成等の
材料の合成・加工が可能となる。
【００１９】実際に、プラズマ生成ガスとしてアルゴン
ガスを、レーザとして炭酸ガスレーザを用い、直径１０
ｍｍのガスノズルから放電電極に向けて、レーザと同軸
方向に毎分１５リットルでアルゴンガスを噴出させ、ア
ルゴン雰囲気下で、アーク放電により形成したアークプ
ラズマの中心に収束した炭酸ガスレーザを照射した。そ
の結果、レーザ出力が１ｋＷ以上の領域で、放電電極の
約５０ｍｍ上方のレーザ軸上に、安定した独立のレーザ
熱プラズマが生成した。このレーザ熱プラズマは、アー
ク放電を停止しても、レーザを照射する限り安定して持
続した。
ガスを、レーザとして炭酸ガスレーザを用い、直径１０
ｍｍのガスノズルから放電電極に向けて、レーザと同軸
方向に毎分１５リットルでアルゴンガスを噴出させ、ア
ルゴン雰囲気下で、アーク放電により形成したアークプ
ラズマの中心に収束した炭酸ガスレーザを照射した。そ
の結果、レーザ出力が１ｋＷ以上の領域で、放電電極の
約５０ｍｍ上方のレーザ軸上に、安定した独立のレーザ
熱プラズマが生成した。このレーザ熱プラズマは、アー
ク放電を停止しても、レーザを照射する限り安定して持
続した。
【００２０】また、出力３．５ｋＷの炭酸ガスレーザを
用い、アルゴン流量２０ｌ／ｍｉｎ（ガスノズル１０ｍ
ｍ径）についても同様にレーザ熱プラズマを生成させ
た。図２は、（ａ）銅板とＴＩＧＬ−４とからなる電極
による放電アークプラズマのみの生成、（ｂ）レーザ照
射によるレーザ熱プラズマの生成、（ｃ）アーク放電停
止後のレーザ熱プラズマの生成、持続の状態を示してい
る。
用い、アルゴン流量２０ｌ／ｍｉｎ（ガスノズル１０ｍ
ｍ径）についても同様にレーザ熱プラズマを生成させ
た。図２は、（ａ）銅板とＴＩＧＬ−４とからなる電極
による放電アークプラズマのみの生成、（ｂ）レーザ照
射によるレーザ熱プラズマの生成、（ｃ）アーク放電停
止後のレーザ熱プラズマの生成、持続の状態を示してい
る。
【００２１】次に、プラズマ生成ガスに窒素を用い、前
記と同一の方法でレーザ熱プラズマを生成させた。この
場合、プラズマ生成ガス流量が毎分１０リットル、レー
ザ出力が２ｋＷ以上において、安定したレーザ熱プラズ
マが生成した。このレーザ熱プラズマも、アーク放電を
停止してもレーザを照射する限り安定して持続した。
記と同一の方法でレーザ熱プラズマを生成させた。この
場合、プラズマ生成ガス流量が毎分１０リットル、レー
ザ出力が２ｋＷ以上において、安定したレーザ熱プラズ
マが生成した。このレーザ熱プラズマも、アーク放電を
停止してもレーザを照射する限り安定して持続した。
【００２２】最後に、プラズマ生成ガスとして、混合比
５０対５０のアルゴン−ヘリウムを用い、前記と同一の
方法でレーザ熱プラズマを生成させた。この場合、プラ
ズマ生成ガス流量が毎分１０リットル、レーザ出力が３
ｋＷ以上において、安定したレーザ熱プラズマが生成し
た。このレーザ熱プラズマも、アーク放電を停止しても
レーザを照射する限り安定して持続した。
５０対５０のアルゴン−ヘリウムを用い、前記と同一の
方法でレーザ熱プラズマを生成させた。この場合、プラ
ズマ生成ガス流量が毎分１０リットル、レーザ出力が３
ｋＷ以上において、安定したレーザ熱プラズマが生成し
た。このレーザ熱プラズマも、アーク放電を停止しても
レーザを照射する限り安定して持続した。
【００２３】
【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、極構成材料のプラズマ中への混入、放電電極の消
耗、放電電極表面への他の元素の堆積によるプラズマ状
態の変化、ならびに表皮効果を回避することが可能とな
り、さらには、プラズマの形状および温度分布を自由に
制御することも可能となる。
って、極構成材料のプラズマ中への混入、放電電極の消
耗、放電電極表面への他の元素の堆積によるプラズマ状
態の変化、ならびに表皮効果を回避することが可能とな
り、さらには、プラズマの形状および温度分布を自由に
制御することも可能となる。
【００２４】新材料の創製における材料合成や加工のた
めの新しい手段が提供される。
めの新しい手段が提供される。
【図１】この発明の方法の概略図である。
【図２】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、各々、アークプラズマ
とレーザ熱プラズマの生成、持続の状態を示した図面に
代わる写真である。
とレーザ熱プラズマの生成、持続の状態を示した図面に
代わる写真である。
１ 収束レンズ ２ レーザ ３ プラズマ生成ガス導入口 ４ ガスノズル ５ プラズマ生成ガス ６ レーザ熱プラズマ ７ ガスプラズマ ８ 放電電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−40833（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H05H 1/00 - 1/54
Claims (2)
- 【請求項１】 プラズマ生成ガスを放電電極に向けてレ
ーザの照射方向と同軸方向に流し、放電によりガスプラ
ズマを生成させるとともに、このガスプラズマに収束し
たレーザを照射し、レーザ照射方向と同軸方向のプラズ
マ生成ガスのガス流空間に、ガスプラズマとは独立する
レーザ熱プラズマを生成させ、放電を停止し、この停止
後もプラズマ生成ガスを流し、レーザ照射を続けてレー
ザ熱プラズマを維持することを特徴とするレーザ熱プラ
ズマ方法。 - 【請求項２】 請求項１のレーザ熱プラズマにより材料
合成または材料加工を行うことを特徴とするレーザ熱プ
ラズマ方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7226804A JP2796609B2 (ja) | 1995-09-04 | 1995-09-04 | レーザ熱プラズマ方法 |
| US08/706,798 US5835519A (en) | 1995-09-04 | 1996-09-03 | Laser thermal plasma method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7226804A JP2796609B2 (ja) | 1995-09-04 | 1995-09-04 | レーザ熱プラズマ方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0973997A JPH0973997A (ja) | 1997-03-18 |
| JP2796609B2 true JP2796609B2 (ja) | 1998-09-10 |
Family
ID=16850875
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7226804A Expired - Lifetime JP2796609B2 (ja) | 1995-09-04 | 1995-09-04 | レーザ熱プラズマ方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5835519A (ja) |
| JP (1) | JP2796609B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2546122Y (zh) * | 2001-11-20 | 2003-04-23 | 青岛迪玛特五金工具有限公司 | 孔加工机械的激光定位系统 |
| US6937336B2 (en) * | 2002-08-15 | 2005-08-30 | Black & Decker, Inc. | Optical alignment system for power tool |
| US8004664B2 (en) | 2002-04-18 | 2011-08-23 | Chang Type Industrial Company | Power tool control system |
| US20030233921A1 (en) | 2002-06-19 | 2003-12-25 | Garcia Jaime E. | Cutter with optical alignment system |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6140833A (ja) * | 1984-07-31 | 1986-02-27 | Furukawa Electric Co Ltd:The | プラズマを介した光学ガラスの生成方法 |
| US5637962A (en) * | 1995-06-09 | 1997-06-10 | The Regents Of The University Of California Office Of Technology Transfer | Plasma wake field XUV radiation source |
-
1995
- 1995-09-04 JP JP7226804A patent/JP2796609B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1996
- 1996-09-03 US US08/706,798 patent/US5835519A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0973997A (ja) | 1997-03-18 |
| US5835519A (en) | 1998-11-10 |
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