JP3839395B2 - マイクロ波プラズマ発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波励振によって大気圧のガスをプラズマガスに変換し、サーマルプラズマガスを発生するマイクロ波プラズマ発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーマルプラズマは大気圧プラズマと略同義である。１９７０年代に、工業的応用のための開発が盛んになった。応用分野は、工業素材の溶融、溶断加工、接合、精製、治金、スプレイなどの工業素材の加工分野、プラズマの発生する光を利用するディスプレイのための光源などの照明分野、微粒子生成、誘導プラズマをイオン化の手段とする微量試料成分の化学分析の分析分野、半導体プロセスなどの材料の表面処理の洗浄分野であり、広い分野にわたっている。
【０００３】
１９８０年代には、大気汚染の原因物質の除去に利用することで注目された。テプラ（TePLA）社のRFプラズマ源と、アリオス（ARIOS）社の大気圧プラズマ源が開発され、利用されている。前者はガスをプラズマ状態に励起する高周波が１３．５６ＭＨzと比較的低いのでプラズマ変換効率が低い。また周波数の関係から装置が大形になっている。
【０００４】
アリオス（ARIOS）社の大気圧プラズマ源を図１７を参照して説明する。この装置はこのプラズマ源に、励振周波数は２．４５ＧＨzの近くで発振するマイクロ波を用いている。プラズマガスを発生するマイクロ波プラズマ源１の内部にあるプラズマキャビティにマイクロ波を供給する手段としてマイクロ波導波管１０を用いている。マイクロ波発振器７から負荷側を見たインピーダンスはプラズマが点灯する前とプラズマ点灯後では大きく変化する。プラズマ源に適切な電力を供給するために導波管１０の途中にスタブチューナ１１を設け、このスタブチューナ１１を自動的に制御して電力を安定供給するようにしてある。導波管を用いるために、装置の大形や重量アップが避けられない。プラズマキャビティの径が１５ｃｍと比較的大きい。スタブチューナ１１を自動制御するために機械的制御をするパルスモータを必要としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、大気圧（またはそれに近い気圧）で動作する低温のプラズマを安定して、しかも小形の装置で発生させることができるマイクロ波プラズマ発生装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、同軸共振器を用いてプラズマ発生部を一層小形にすることにより、プラズマヘッドを自在に移動させることができるマイクロ波プラズマ発生装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、同軸共振器の動作を安定化する回路を用いて、取り扱いが容易なマイクロ波プラズマ発生装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、
励振波長の１／２の整数倍の長さのキャビティ，前記キャビティの長さよりも短く前記キャビティ内に軸方向のギャップを形成することができる中心導体，および前記中心導体の中心を貫通し一方端から導入されたガスをプラズマ化して他端から排出する非金属パイプとを含むプラズマ発生用同軸形共振キャビティと、
励振マイクロ波を発生するマイクロ波発生源と、
前記キャビティにアンテナ結合で励振マイクロ波を供給し励振するマイクロ波供給回路とを含み、
前記共振キャビティは、前記ギャップに発生する電界によりプラズマが励起され、励起後は前記ギャップに向かう電界が発生させられることにより、励起モード（ＴＭ）から励起後の（ＴＥＭ）モードへ変換が行われることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明による請求項２記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記非金属パイプは石英パイプであり、前記マイクロ波供給回路は同軸カップリングループアンテナで前記共振キャビティに結合しているものである。
本発明による請求項３記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記中心導体はキャビティ励起アンテナ側の第１中心導体とプラズマ発生側の第２中心導体から形成され、前記第１中心導体とプラズマ発生側の前記第２中心導体間でガスがプラズマ励起されるように構成されている。
本発明による請求項４記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記中心導体は前記同軸形共振キャビティの放出側の壁面間にギャップをもつ長さであり、前記中心導体と前記放出側の壁面間でガスが励起されるように構成されている。
本発明による請求項５記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１〜４いずれか記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記同軸共振キャビティは、ガスがプラズマ化による前記キャビティからの電磁波の放射を抑制する電磁波放射防止用チョークを構成する立体回路をプラズマガス放出側に備えて構成されている。
【０００８】
本発明による請求項６記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１〜４いずれか記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記同軸共振キャビティは、当初ＴＭ010 モードで励振され、前記ギャップに高電界を発生してガスをプラズマ化した状態ではＴＥＭモードで動作するように構成され、ガスがプラズマ化した状態での共振周波数が、前記プラズマ化前の共振周波数と変わらないように、立体回路を設計して構成されている。
本発明による請求項７記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１〜６記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記同軸共振キャビティで流入ガスがプラズマ化したときの等価回路は、前記ギャップが導体化し同軸の一部を形成した同軸キャビティと見なせる動作となるように構成されている。
本発明による請求項８記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項３記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記同軸共振キャビティでプラズマ化前後の動作モードの変換前後の共振周波数を等しくすることにより動作モードの変換前後の負荷の変動を少なくするように立体回路パラメータを以下のように選択して構成されている。
C 1 (L 1 ＋ L 2 ) ＝ C 2 L 3 L 4 /(L 3 ＋ L 4 )
ここにおいて
L 1 ＋ L 2 ：プラズマ化前の同軸のインダクタンスの和
C 1 ：プラズマ化前の同軸の軸方向のギャップＧの容量
L 3 ＋ L 4 ：プラズマ化後の同軸のインダクタンスの和
C 2 ：プラズマ化後の同軸とキャビティ間の容量
【０００９】
本発明による請求項９記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記マイクロ波供給回路は、マイクロ波発生源と、前記供給回路と、前記同軸共振キャビティの動作状態をマイクロ波発生源に帰還する帰還回路を含んで構成されている。
【００１０】
本発明による請求項１０記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項９記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記マイクロ波発生源はマグネトロンであり、サーキュレータを介して前記同軸共振キャビティに供給され、前記同軸共振キャビティの動作の変化は前記マグネトロンの励磁コイルと陽極に帰還されて動作を安定させるように構成されている。
本発明による請求項１１記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項９記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記マイクロ波発生源は固体発振器である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の実施形態を説明する。図１は本願発明のマイクロ波プラズマ発生装置の概略図である。マイクロ波プラズマ発生源１０１は、同軸形キャビティ１０２と中心のガス流路石英パイプ１０３を含んでいる。マイクロ波発振器（マグネトロン）１０７は励起用のマイクロ波を発振する。出力はサーキュレータ１０８、同軸コネクタ１０９、同軸ケーブル１１０、方向性結合器１１１、キャビティ励振用のアンテナ１０５を介して同軸形キャビティ１０２に接続される。方向性結合器１１１は進行波と反射波を検出して、位相器１１２、３ｄｂ結合器１１３、検出器１１４、差動増幅器１１５を介してマイクロ波発振器（マグネトロン）１０７の陽極に帰還接続されている。キャビティ励振用アンテナ１０５から励起用のマイクロ波電力が供給される。内部電磁界は、内部電磁界検出用ループアンテナ１０６により検出され、励磁用の差動増幅器１１６を介してマイクロ波発振器（マグネトロン）１０７の励磁用コイル１１７に帰還接続される。
【００１２】
マイクロ波プラズマ発生源１０１の内部は同軸形キャビティ１０２を形成しており、同軸部の中心にガス流路を形成する薄肉の石英パイプ１０３が配置されている。なお同軸形キャビティ１０２の中心の同軸部は、一部が除去されており，その部分で、石英パイプ１０３が露出している。
キャリヤガスは前記石英パイプ１０３の上端から同軸形キャビティ１０２に送られる。このキャリヤガスは前記同軸形キャビティ１０２の中央部において同軸形キャビティ１０２の内部の電界により、励起されプラズマ状態になり、ガス流路石英パイプ１０３の下部からプラズマガス１０４として排出される。
マイクロ波発振器１０７は、前記同軸形キャビティ１０２を励起するマイクロ波を発生する。このマイクロ波の周波数は、工業用として認められている IMS（
Industrial Medical Science) 周波数バンド内の２．４５０ＧＨｚである。
【００１３】
前記同軸形キャビティ１０２の中央部においてキャリヤガスがプラズマ状態に変化するときにキャビティ内部の状態が急変するので、プラズマ状態になる前の負荷と直後の負荷が大きく変化する。この変化により励起周波数が変化することは好ましくない。
この対策の第一段階として、本発明では、プラズマ化以前キャビティ内の電界分布とプラズマ化後の電界分布の変化を利用して、プラズマ化の前後においても同じ周波数の共振器として動作するように設計する。
そのような設計にしても周波数の僅かな変動を免れることができないので、第２段階として、プラズマ化の前後の前述の周波数の変化を検出して、このデータを前記マイクロ波発振器１０７の陽極電圧と励磁電流を制御し、発振周波数をロックする方法をとる。
【００１４】
次にマイクロ波プラズマ発生源１０１の構造についてやや詳しく説明する。図２はキャビティ構造を示す斜視図である。キャビティ１０２は銅製のボディで覆われている。前記キャビティ１０２の上部からキャリヤガスがガス流路用石英パイプ１０３を通してキャビティ１０２の中央部に導かれる。上部中心導体２０５の中心部を前記石英パイプ１０３が貫通している。
下部中心導体２０８の中心部もガス流路用石英パイプ１０３が貫通している。上部中心導体２０５と下部中心導体２０８の間は、前記ガス流路石英パイプ１０３のみが露出している。この露出部に電界が加わるので、ガス流路用石英パイプ１０３の中のキャリヤガスが励起され、プラズマ化する。
【００１５】
図１３は、マイクロ波プラズマ発生源部のガス流路石英パイプ１０３内部のプラズマ状ガスを示す図、図１４はマイクロ波プラズマ発生源部のガス流路石英パイプ内部の中心部から半径方向に向かう各位置の電界強度分布を示す図である。ガスがプラズマ化されると、図１３に示すガス流路石英パイプ１０３の内部のプラズマ状ガス１３０２は、電気的に導体とみなすことができる。そのため、励起用のマイクロ波がプラズマ状ガス１３０２の内部に進入できなくなる。
この励起用のマイクロ波の電界は、図１４に示す曲線１４０１のようにパイプの外周に存在しパイプ１０３の内部ではパイプ１０３内壁面が外部の電界とおなじ電位でのみ中心になるに従って減衰する曲線を描く。これは金属導体において、表面にのみ電荷が集中する表皮効果の現象に類似している。このようにガス流路石英パイプ１０３の内壁付近の電界は強いが、中心に向かうと急激に減少する。プラズマガスは、外部から見ると電気的に導体に見える。すなわち下部中心導体２０８ではガスがプラズマ化することにより、ガスが導体のような電気特性をもつので、この部分で丁度アンテナの効果を示し、外部にマイクロ波が放出される恐れがある。この点については後述する。
【００１６】
図３は、本発明による装置のプラズマ発生前におけるマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図、図４はプラズマ発生直後におけるマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。図３に、キャリヤガスがプラズマ化される直前の時点で、上部中心導体と下部中心導体の間の空間に発生される励起電界３０１を示す。上部の中心導体２０５と下部の中心導体２０８の間に電界が上下方向に加わる。この電界の分布はリエントランラントモード（TMモード）の振動になっている。図４はプラズマ化後の電界分布を示している。
励起電界４０１は、キャビティの外側の内壁から中心導体の方向に加わり、丁度同軸モード(TEMモード）の振動を示す。
【００１７】
図５は、ガスがプラズマ化する直前の電界の分布と電気的等価回路を対比して示してある。この電界の振動モードはリエントランラントモード（TMモード）になる。電気的等価回路はL1とC1とL2の直列回路になり、共振周波数は次式に示される。
ｆ1 ＝１／（２π(ROOT[C1＊（L1＋L2）] ））
ｆ2 ＝１／（２π(ROOT[C2＊L3＊L4/（L3＋L4）] ））
【００１８】
このように動作モードに伴う共振周波数の変化が起こることになるが、このような共振周波数の変化があることは、好ましいことではなく、あったとしても、その差が少ないことが望ましい。そこで本発明では、キャビティの内の構造を変えて、ｆ1 とｆ2 とがほぼ等しくなるように最適化を行う。これは、前述の式において C1（L1＋L2）と２C2L3L4/（L3＋L4）を等しくするようにキャビティの形状を選定することに他ならない。このように前記同軸形キャビティ１０２の構造を最適に設計し、キャリヤガスがプラズマ状態になる直前の負荷と直後の負荷が大きく変化しても、マイクロ波の入力部のキャビティ励起用アンテナから見た負荷変動を少なくすることができる。これによりシステムの動作の安定化を大幅に上げることができる。
【００１９】
前記の第２の対策について第１図を参照して回路の動作とともに説明する。第２の対策はマイクロ波発振器（マグネトロン）１０７の陽極電圧と励磁磁界を制御することにより行なわれる。マイクロ波発振器（マグネトロン）１０７の出力はサーキュレータ１０８に供給される。このサーキュレータ１０８は、プラズマ状態の前後での負荷変動が影響し、マイクロ波発振器（マグネトロン）１０７の発振周波数に変化を与える現象を回避するために、すなわち負荷の反射電力を絶縁するために用いられる。さらに同軸コネクタ１０９を経て方向性結合器１１１に加わり、この方向性結合器１１１の出力からキャビティ励振用アンテナ１０５を介して、マイクロ波プラズマ発生源１０１のキャビティ１０２に供給される。
【００２０】
方向性結合器１１のb 端子にはそれぞれ進行波と反射波が出力される。反射波は位相器１１２を通して３db結合器１１３のP2端子に加えられる。この反射波の電力は位相器１１２を調整することにより、共振周波数において最小値になるように設定されている。この位相器１１２は反射波の位相を進行波の位相に対して自由に設定できるので、共振時において反射波と進行波の位相が同相になるように設定する。
【００２１】
前記発振周波数に対する反射波と進行波の位相差は共振周波数において零になる。一方進行波は３db結合器１１３のP1端子に加わる。３db結合器１１３の出力端子のP3とP4は検出器１１４に供給され、直流電圧に変換される。それぞれの直流電圧は差動増幅器１１５の入力部に供給される。差動増幅器１１５の出力電圧は、この２つの直流電圧が等しいときに、出力零になるように調整されている。マイクロ波プラズマ発生源１０１のキャビティ１０２内の中心部のガスがプラズマ状態にならないときに、共振周波数で動作するように設定する。発振が始まり、ガスがプラズマ状態に転換したときに、キャビティ１０２内の電界分布が変化する。先に詳しく説明したように、キャビティの寸法設計を最適化を計ることにより、プラズマ化の前後の周波数変化を充分に少なくできる。この負荷状態が変わる場合、この周波数はキャビティ１０２の固有の共振周波数とは少し異なる周波数になるが、この周波数の差異をさらに少なくするために、マイクロ波発振器１０７に電気的にネガティブフィードバックをかける。この制御の方法について説明する。この異なる周波数でマイクロ波発振器（マグネトロン）１０７が電力を供給すると、キャビティ１０２から反射波が生じ、方向性結合器１１１のb 端子にはこの反射波が発生する。さらに位相器１１２を通過し、３db結合器１１３の出力端子のP2に供給される。
【００２２】
一方進行波は３db結合器１１３の出力端子のP1に供給される。その結果検出器１１４の出力信号は振幅の異なる電圧が生ずる。差動増幅器１１５の出力にはこの差電圧が発生する。この電圧がマイクロ波発振器（マグネトロン）１０７の陽極電圧に重畳されて印加される。陽極電圧はパルスで供給されているので、
当然差動増幅器１１５の差電圧は、陽極のパルス電圧に同期して供給される回路（図１では記載されていない）は附加されている。すなわちキャビティ１０２の共振周波数に近づくように動作する。このフィードバック動作によりマイクロ波発振器（マグネトロン）１０７の発振周波数はキャビティ１０２の固有の共振周波数にフェイズロックされる。
【００２３】
さらにシステムの周波数の安定性を増すために、マイクロ波発振器（マグネトロン）１０７の励磁用コイルの電流も制御する。すなわち内部電磁界検出用ループアンテナ１０６から検出した誤差信号が励磁用差動増幅器１１６で誤差信号に相当する電流を発生させ、この電流で励磁用コイルの電流を変化させ、キャビティ１０２の固有の共振周波数に近づけるようにフィードバックされる。このように図１の回路では、陽極電圧と励磁電流の両者を制御し、システムの周波数の安定性を図ることができる。
【００２４】
前述したように、プラズマガスは、外部から見るとマイクロ波帯では電気的に導体に見える。すなわち下部中心導体２０８ではガスがプラズマ化することにより、ガスが導体のような電気特性をもつので、この部分で丁度アンテナの効果を示し、外部にマイクロ波が放出される恐れがある。そのために、特に下部中心導体２０８の内部にチョーク構造を形成する。この構造により、外部に電波が送出されるのを防いでいる。この外部放出マイクロ波（外部機器に妨害電波として働くので）を抑制するために、下部中心導体２０８の内部にチョーク構造を設ける。このチョークとしてλ/ ４構造の同軸チョークを入れることで、前記の漏洩するマイクロ波を大幅に下げることができる。なおチョーク３０２（図３，４）は前述したように、ガスがプラズマ化したのちに、外部に漏れるマイクロ波を抑制するために設けられている。図４はプラズマ化後の電界分布を示している。励起電界４０１は、キャビティの外側の内壁から中心導体の方向にくわわり、丁度同軸モードの振動を示す。なお上部中心導体２０５の中心を通るガス流路石英パイプ１０３の直径はマイクロ波の波長に比べて十分小さく、流れるガスはプラズマ化されないガスであるので、この上部中心導体２０５の部分からマイクロ波が外部に放射することはない。
【００２５】
図７は、本発明による前記マイクロ波プラズマ発生源と異なる構造のマイクロ波プラズマ発生源を示す図である。前述したマイクロ波プラズマ発生源１０１とは、異なる構造のキャビティで図２に示した構成の上部導体を延長して、下部導体を省略した形態となっている。基本的な動作原理は異ならない。図２に示したものと同一の機能または形状部分には同一の符号を付してある。
キャビティは銅製ボディで覆われている。前記キャビティの上部からキャリヤガスが中心導体７０５を貫通して設けられているガス流入用石英パイプ１０３を通してキャビティの中央部に導かれている。中心導体７０５とキャビティの下部との間は、前記ガス流路石英パイプ１０３のみが露出している。この露出部に電界が加わるので、ガス流路石英パイプ１０３の中のキャリヤガスが励起され、プラズマ化する。
【００２６】
この構造のマイクロ波プラズマ発生源の電界分布は、プラズマ化前では図８に示した分布になり、またプラズマ化直後から図９に示した分布に変わる。図８はキャリヤガスがプラズマ化される直前の時点で、上部中心導体とキャビティ下部の間の空間に発生される励起電界８０１を示す。上部の中心導体７０５とキャビティ下部の間に電界が上下方向に加わる。これは電界の分布はリエントランラントモードの振動になる。図９はプラズマ化後の電界分布を示している。励起電界９０１は、キャビティの外側の内壁からパイプ１０３の方向に加わり、丁度同軸モードの振動を示す。図２に示した実施例と同様に前後で共振周波数が変わらないように回路の構造を設計することができる。
【００２７】
この実施形態では、キャビティ下部でガスがプラズマ化することにより、ガスが導体のような電気特性をもつので、この部分で丁度アンテナの効果を示し、外部にマイクロ波が放出する。この外部放出マイクロ波を抑制するために、チョーク７０７（図８，９参照）が外側導体７０６内に配置されている。
このチョーク７０７としては、λ/ ４構造の同軸チョークを入れることで、前記の漏洩するマイクロ波を大幅に下げることができる。
【００２８】
図７の実施例と同様に、図２に示した実施例でもキャビティ下部よりでガスがプラズマ化することにより、ガスが導体のような電気特性をもつので、この部分で丁度アンテナの効果を示し、外部にマイクロ波が放出する。そのために、図２に示すキャビティでも同様なチョーク３０２（図３および図４参照）を用いている。これにより、外部放出マイクロ波を抑制する。
【００２９】
次に、前述した図２に示した実施例に、使用状態を判断し改良を施した実施例について図１０〜１２を参照して、さらに説明する。この実施例も前述と同様に同軸形キャビティの長さは、マイクロ波の波長をλとすると、n（λ/2）になるよう設計する。同軸形キャビティの直径は、周波数２．４５０ＧＨｚとして、２ｃｍ程度になる。
特に装置が小型化や携帯性に優れるので、応用範囲が広がる大きい特徴が得られる。
小形化でき、携帯性と操作性のよいプラズマトーチのようなマイクロ波プラズマ発生装置を示す。図１０は、マイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図であり、図１１は、プラズマ発生直後におけるマイクロ波プラズマ発生源のプラズマ化以後の電界分布を示す図である。図１２は、マイクロ波プラズマ発生源の使用状態を示す図である。
【００３０】
図１０に示すように、前記装置は同軸形の細長い構造で、上部からパイプ１０３にキャリヤガス１００１を流入して使用する。パイプ１０３は同軸形キャビティ１００３の中心部の上部中心導体１０７、下部中心導体１０８を貫通している。図１０に示すように流入ガスがプラズマ状態になる直前では、励起電界１００４は同軸の長い方向に加わる。マイクロ波電力はカップリングループにより同軸形キャビティ１００３に供給される。このときキャビティ内の電界により、ガスはプラズマ状態に励起される。
【００３１】
ガスがプラズマ状態になると、プラズマガスの導体化現象により、アンテナ効果で外部にマイクロ波が放射する。これを抑制するためにλ/ ４構造のチョーク１００６を配置する。図１１に示すように、流入ガスがプラズマ状態になる直後では、励起電界１１０４はキャビティの外側の内壁から同軸の中心線の方向に加わる。この電界により、ガスがプラズマ状態を持続する。ガスがプラズマ状態になると、プラズマガスの導体化現象が生じ、アンテナ効果のために外部にマイクロ波が放射する。これを抑制するためにλ/ ４構造のチョーク１００６を配置する。この同軸形キャビティの下部にあるチョーク１００６を覆ったケースの構造はペン先のような形状になっている。その先端からプラズマ化されたプラズマガス１００７が放出され、このガスで各種の洗浄などに広く利用される。
【００３２】
本発明のマイクロ波プラズマ発生装置において、マイクロ波発生にマグネトロンを利用した例を示した。本発明のマイクロ波発生源として固体素子を用いることもでき、固体素子としてマイクロ波用ＦＥＴを利用できる。マイクロ波用ＦＥＴとして、ＧａＡｓＭＥＳＦＥＴ、ＨＥＭＴＦＥＴが適している。
図１５は、前記固体装置を用いたマイクロ波プラズマ発生装置の使用状態を示す回路図、図１６は、マイクロ波発生源として固体装置を用いたマイクロ波プラズマ発生装置の回路部分の実施例を示すブロック図である。
図１５に示すように、マイクロ波電力がマイクロ波発振装置１５０８から同軸ケーブル１５０９を通してプラズマ発生装置（プラズマトーチ）１５１３に供給される。またプラズマ化されるべきガスは、ガスボンベ１５１２からガス流路用ホース１５１１を通して、プラズマ発生装置（プラズマトーチ）１５１３に供給される。
【００３３】
図１６にマイクロ波発振装置１５０８の回路図を示す。キャビティ内の電磁界を検出して、その検出信号１５０５を誤差信号検出回路１５０６（図１に示す結合器などで構成する回路をさす）にて検波して、フィードバックコントロール用電圧１５０７に変換する。この電圧１５０７は固体素子を用いた VCO（Voltage Controlled Oscillator ）１５０１に印加される。VCO １５０１の出力信号はサーキュレータ１５０２を通り、MOSFETなどの固体アンプ１５０３で電力増幅されて、図１５に示すプラズマ発生装置１５１３のキャビティに供給される。この装置は、固体素子を用いているので、先に説明したマグネトロン使用のものに比較して装置をより一層小形にすることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明のマイクロ波プラズマ発生装置は、高い変換効率であり、機械的な制御の付属回路がなく、小形で高出力であり、広い分野に利用できる。
大気圧に近いガスをマイクロ波で励起させプラズマガスを発生するマイクロ波プラズマ発生装置であって、取り扱いが容易であり、安定した動作ができる。
同軸形共振キャビティは、キャビティの長さが励振波長の１／２の整数倍であるから、従来のものに比較して小形にできる。
【００３５】
前記同軸共振キャビティは、ガスのプラズマ化による前記キャビティからの電磁波の放射を抑制する電磁波放射防止用チョークを構成する立体回路をプラズマガス放出側に備えているから、種々の分野に利用できる。
前記同軸共振キャビティは、前記同軸共振キャビティでプラズマ化前後の動作モードの差による負荷の変動が少なくなるように立体回路パラメータを選択して構成されているから動作が安定である。
【００３６】
前記マイクロ波供給回路は、マイクロ発生源と、前記供給回路と、前記同軸共振キャビティの動作状態をマイクロ波発生源に帰還する帰還回路から構成されているから、特に調整することなく自動化が容易で取り扱いが簡単である。
前記マイクロ発生源はマグネトロンであり、サーキュレータを介して前記同軸共振キャビティに供給され、前記同軸共振キャビティの動作の変化は前記マグネトロンの励磁コイルと陽極に帰還されて動作を安定させるように構成してあるから、大きいプラズマ出力を安定して取り出すことができる。
【００３７】
前記マイクロ発生源は固体発振器とすることもできるから、装置を一層小形にすることができ全体を可搬形に構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロ波プラズマ発生装置の実施例を示す図である。
【図２】本発明によるマイクロ波プラズマ発生源の実施例を示す図である。
【図３】本発明によるプラズマ発生直前におけるマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。
【図４】本発明によるプラズマ発生直後におけるマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。
【図５】本発明によるプラズマ発生直前における前記マイクロ波プラズマ発生源の電気的な等価回路を示す図である
【図６】本発明によるプラズマ発生直後における前記マイクロ波プラズマ発生源の電気的な等価回路を示す図である
【図７】本発明による前記マイクロ波プラズマ発生源と異なる構造のマイクロ波プラズマ発生源を示す図である
【図８】本発明による前記マイクロ波プラズマ発生源と異なる構造のプラズマ発生直前における一例のマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。
【図９】本発明による前記マイクロ波プラズマ発生源と異なる構造のプラズマ発生直後における一例のマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。
【図１０】本発明によるプラズマ発生前における細長い小型化されたマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。
【図１１】本発明によるプラズマ発生後における細長い小型化されたマイクロ波プラズマ発生源のプラズマ化以後の電界分布を示す図である。
【図１２】本発明による細長い小型化されたマイクロ波プラズマ発生源の使用状態を示す図である。
【図１３】マイクロ波プラズマ発生源部のガス流路石英パイプ内部のプラズマ状ガスを示す図である。
【図１４】マイクロ波プラズマ発生源部のガス流路石英パイプ内部の中心部から半径方向に向かう各位置の電界強度分布を示す図である。
【図１５】前記固体装置を用いたマイクロ波プラズマ発生装置の使用状態を示す回路図である。
【図１６】マイクロ波発生源として固体装置を用いたマイクロ波プラズマ発生装置の回路部分の実施例を示すブロック図である。
【図１７】従来のマイクロ波プラズマ発生装置の例を示す図である。
【符号の説明】
１ マイクロ波プラズマ源
７ マイクロ波発振器
８ サーキュレータ
１０ マイクロ波導波管
１１ パルスモータ制御の３スタブチューナ
１０１ マイクロ波プラズマ発生源
１０２ 同軸形キャビティ
１０３ ガス流路石英パイプ
１０４ プラズマガス
１０５ キャビティ励振用アンテナ
１０６ 内部電磁界検出用ループアンテナ
１０７ マイクロ波発振器（マグネトロン）
１０８ サーキュレータ
１０９ 同軸コネクタ
１１０ 同軸ケーブル
１１１ 方向性結合器
１１２ 位相器
１１３ ３ｄｂ結合器
１１４ 検出器
１１５ 差動増幅器
１１６ 励磁用差動増幅器
２０５ 中心導体
２０８ 中心導体
３０２ チョーク
４０１ 励起電界
７０５ 中心導体
７０６ 外側導体
７０７ チョーク
１００１ キャリヤガス
１００２ カップリングループアンテナ
１００３ 同軸形キャビティ
１００４ 励起電界
１００６ チョーク
１３０２ プラズマ状ガス
１５０１ マイクロ波固体発振器（ＶＣＯ）
１５０２ サーキュレータ
１５０３ 固体アンプ
１５０４ マイクロ波電力信号
１５０５ 検出信号
１５０６ 誤差信号検出回路
１５０７ フィードバックコントロール用電圧
１５０８ マイクロ波発振装置
１５０９ 同軸ケーブル
１５１０ 負帰還ケーブル
１５１１ ガス流路用ホース
１５１２ ガスボンベ
１５１３ プラズマ発生装置（プラズマトーチ）
１５１４ 試料
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波励振によって大気圧のガスをプラズマガスに変換し、サーマルプラズマガスを発生するマイクロ波プラズマ発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーマルプラズマは大気圧プラズマと略同義である。１９７０年代に、工業的応用のための開発が盛んになった。応用分野は、工業素材の溶融、溶断加工、接合、精製、治金、スプレイなどの工業素材の加工分野、プラズマの発生する光を利用するディスプレイのための光源などの照明分野、微粒子生成、誘導プラズマをイオン化の手段とする微量試料成分の化学分析の分析分野、半導体プロセスなどの材料の表面処理の洗浄分野であり、広い分野にわたっている。
【０００３】
１９８０年代には、大気汚染の原因物質の除去に利用することで注目された。テプラ（TePLA）社のRFプラズマ源と、アリオス（ARIOS）社の大気圧プラズマ源が開発され、利用されている。前者はガスをプラズマ状態に励起する高周波が１３．５６ＭＨzと比較的低いのでプラズマ変換効率が低い。また周波数の関係から装置が大形になっている。
【０００４】
アリオス（ARIOS）社の大気圧プラズマ源を図１７を参照して説明する。この装置はこのプラズマ源に、励振周波数は２．４５ＧＨzの近くで発振するマイクロ波を用いている。プラズマガスを発生するマイクロ波プラズマ源１の内部にあるプラズマキャビティにマイクロ波を供給する手段としてマイクロ波導波管１０を用いている。マイクロ波発振器７から負荷側を見たインピーダンスはプラズマが点灯する前とプラズマ点灯後では大きく変化する。プラズマ源に適切な電力を供給するために導波管１０の途中にスタブチューナ１１を設け、このスタブチューナ１１を自動的に制御して電力を安定供給するようにしてある。導波管を用いるために、装置の大形や重量アップが避けられない。プラズマキャビティの径が１５ｃｍと比較的大きい。スタブチューナ１１を自動制御するために機械的制御をするパルスモータを必要としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、大気圧（またはそれに近い気圧）で動作する低温のプラズマを安定して、しかも小形の装置で発生させることができるマイクロ波プラズマ発生装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、同軸共振器を用いてプラズマ発生部を一層小形にすることにより、プラズマヘッドを自在に移動させることができるマイクロ波プラズマ発生装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、同軸共振器の動作を安定化する回路を用いて、取り扱いが容易なマイクロ波プラズマ発生装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、
励振波長の１／２の整数倍の長さのキャビティ，前記キャビティの長さよりも短く前記キャビティ内に軸方向のギャップを形成することができる中心導体，および前記中心導体の中心を貫通し一方端から導入されたガスをプラズマ化して他端から排出する非金属パイプとを含むプラズマ発生用同軸形共振キャビティと、
励振マイクロ波を発生するマイクロ波発生源と、
前記キャビティにアンテナ結合で励振マイクロ波を供給し励振するマイクロ波供給回路とを含み、
前記共振キャビティは、前記ギャップに発生する電界によりプラズマが励起され、励起後は前記ギャップに向かう電界が発生させられることにより、励起モード（ＴＭ）から励起後の（ＴＥＭ）モードへ変換が行われることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明による請求項２記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記非金属パイプは石英パイプであり、前記マイクロ波供給回路は同軸カップリングループアンテナで前記共振キャビティに結合しているものである。
本発明による請求項３記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記中心導体はキャビティ励起アンテナ側の第１中心導体とプラズマ発生側の第２中心導体から形成され、前記第１中心導体とプラズマ発生側の前記第２中心導体間でガスがプラズマ励起されるように構成されている。
本発明による請求項４記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記中心導体は前記同軸形共振キャビティの放出側の壁面間にギャップをもつ長さであり、前記中心導体と前記放出側の壁面間でガスが励起されるように構成されている。
本発明による請求項５記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１〜４いずれか記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記同軸共振キャビティは、ガスがプラズマ化による前記キャビティからの電磁波の放射を抑制する電磁波放射防止用チョークを構成する立体回路をプラズマガス放出側に備えて構成されている。
【０００８】
本発明による請求項６記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１〜４いずれか記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記同軸共振キャビティは、当初ＴＭ010 モードで励振され、前記ギャップに高電界を発生してガスをプラズマ化した状態ではＴＥＭモードで動作するように構成され、ガスがプラズマ化した状態での共振周波数が、前記プラズマ化前の共振周波数と変わらないように、立体回路を設計して構成されている。
本発明による請求項７記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１〜６記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記同軸共振キャビティで流入ガスがプラズマ化したときの等価回路は、前記ギャップが導体化し同軸の一部を形成した同軸キャビティと見なせる動作となるように構成されている。
本発明による請求項８記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項３記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記同軸共振キャビティでプラズマ化前後の動作モードの変換前後の共振周波数を等しくすることにより動作モードの変換前後の負荷の変動を少なくするように立体回路パラメータを以下のように選択して構成されている。
C 1 (L 1 ＋ L 2 ) ＝ C 2 L 3 L 4 /(L 3 ＋ L 4 )
ここにおいて
L 1 ＋ L 2 ：プラズマ化前の同軸のインダクタンスの和
C 1 ：プラズマ化前の同軸の軸方向のギャップＧの容量
L 3 ＋ L 4 ：プラズマ化後の同軸のインダクタンスの和
C 2 ：プラズマ化後の同軸とキャビティ間の容量
【０００９】
本発明による請求項９記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記マイクロ波供給回路は、マイクロ波発生源と、前記供給回路と、前記同軸共振キャビティの動作状態をマイクロ波発生源に帰還する帰還回路を含んで構成されている。
【００１０】
本発明による請求項１０記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項９記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記マイクロ波発生源はマグネトロンであり、サーキュレータを介して前記同軸共振キャビティに供給され、前記同軸共振キャビティの動作の変化は前記マグネトロンの励磁コイルと陽極に帰還されて動作を安定させるように構成されている。
本発明による請求項１１記載のマイクロ波プラズマ発生装置は、請求項９記載のマイクロ波プラズマ発生装置において、
前記マイクロ波発生源は固体発振器である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の実施形態を説明する。図１は本願発明のマイクロ波プラズマ発生装置の概略図である。マイクロ波プラズマ発生源１０１は、同軸形キャビティ１０２と中心のガス流路石英パイプ１０３を含んでいる。マイクロ波発振器（マグネトロン）１０７は励起用のマイクロ波を発振する。出力はサーキュレータ１０８、同軸コネクタ１０９、同軸ケーブル１１０、方向性結合器１１１、キャビティ励振用のアンテナ１０５を介して同軸形キャビティ１０２に接続される。方向性結合器１１１は進行波と反射波を検出して、位相器１１２、３ｄｂ結合器１１３、検出器１１４、差動増幅器１１５を介してマイクロ波発振器（マグネトロン）１０７の陽極に帰還接続されている。キャビティ励振用アンテナ１０５から励起用のマイクロ波電力が供給される。内部電磁界は、内部電磁界検出用ループアンテナ１０６により検出され、励磁用の差動増幅器１１６を介してマイクロ波発振器（マグネトロン）１０７の励磁用コイル１１７に帰還接続される。
【００１２】
マイクロ波プラズマ発生源１０１の内部は同軸形キャビティ１０２を形成しており、同軸部の中心にガス流路を形成する薄肉の石英パイプ１０３が配置されている。なお同軸形キャビティ１０２の中心の同軸部は、一部が除去されており，その部分で、石英パイプ１０３が露出している。
キャリヤガスは前記石英パイプ１０３の上端から同軸形キャビティ１０２に送られる。このキャリヤガスは前記同軸形キャビティ１０２の中央部において同軸形キャビティ１０２の内部の電界により、励起されプラズマ状態になり、ガス流路石英パイプ１０３の下部からプラズマガス１０４として排出される。
マイクロ波発振器１０７は、前記同軸形キャビティ１０２を励起するマイクロ波を発生する。このマイクロ波の周波数は、工業用として認められている IMS（
Industrial Medical Science) 周波数バンド内の２．４５０ＧＨｚである。
【００１３】
前記同軸形キャビティ１０２の中央部においてキャリヤガスがプラズマ状態に変化するときにキャビティ内部の状態が急変するので、プラズマ状態になる前の負荷と直後の負荷が大きく変化する。この変化により励起周波数が変化することは好ましくない。
この対策の第一段階として、本発明では、プラズマ化以前キャビティ内の電界分布とプラズマ化後の電界分布の変化を利用して、プラズマ化の前後においても同じ周波数の共振器として動作するように設計する。
そのような設計にしても周波数の僅かな変動を免れることができないので、第２段階として、プラズマ化の前後の前述の周波数の変化を検出して、このデータを前記マイクロ波発振器１０７の陽極電圧と励磁電流を制御し、発振周波数をロックする方法をとる。
【００１４】
次にマイクロ波プラズマ発生源１０１の構造についてやや詳しく説明する。図２はキャビティ構造を示す斜視図である。キャビティ１０２は銅製のボディで覆われている。前記キャビティ１０２の上部からキャリヤガスがガス流路用石英パイプ１０３を通してキャビティ１０２の中央部に導かれる。上部中心導体２０５の中心部を前記石英パイプ１０３が貫通している。
下部中心導体２０８の中心部もガス流路用石英パイプ１０３が貫通している。上部中心導体２０５と下部中心導体２０８の間は、前記ガス流路石英パイプ１０３のみが露出している。この露出部に電界が加わるので、ガス流路用石英パイプ１０３の中のキャリヤガスが励起され、プラズマ化する。
【００１５】
図１３は、マイクロ波プラズマ発生源部のガス流路石英パイプ１０３内部のプラズマ状ガスを示す図、図１４はマイクロ波プラズマ発生源部のガス流路石英パイプ内部の中心部から半径方向に向かう各位置の電界強度分布を示す図である。ガスがプラズマ化されると、図１３に示すガス流路石英パイプ１０３の内部のプラズマ状ガス１３０２は、電気的に導体とみなすことができる。そのため、励起用のマイクロ波がプラズマ状ガス１３０２の内部に進入できなくなる。
この励起用のマイクロ波の電界は、図１４に示す曲線１４０１のようにパイプの外周に存在しパイプ１０３の内部ではパイプ１０３内壁面が外部の電界とおなじ電位でのみ中心になるに従って減衰する曲線を描く。これは金属導体において、表面にのみ電荷が集中する表皮効果の現象に類似している。このようにガス流路石英パイプ１０３の内壁付近の電界は強いが、中心に向かうと急激に減少する。プラズマガスは、外部から見ると電気的に導体に見える。すなわち下部中心導体２０８ではガスがプラズマ化することにより、ガスが導体のような電気特性をもつので、この部分で丁度アンテナの効果を示し、外部にマイクロ波が放出される恐れがある。この点については後述する。
【００１６】
図３は、本発明による装置のプラズマ発生前におけるマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図、図４はプラズマ発生直後におけるマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。図３に、キャリヤガスがプラズマ化される直前の時点で、上部中心導体と下部中心導体の間の空間に発生される励起電界３０１を示す。上部の中心導体２０５と下部の中心導体２０８の間に電界が上下方向に加わる。この電界の分布はリエントランラントモード（TMモード）の振動になっている。図４はプラズマ化後の電界分布を示している。
励起電界４０１は、キャビティの外側の内壁から中心導体の方向に加わり、丁度同軸モード(TEMモード）の振動を示す。
【００１７】
図５は、ガスがプラズマ化する直前の電界の分布と電気的等価回路を対比して示してある。この電界の振動モードはリエントランラントモード（TMモード）になる。電気的等価回路はL1とC1とL2の直列回路になり、共振周波数は次式に示される。
ｆ1 ＝１／（２π(ROOT[C1＊（L1＋L2）] ））
ｆ2 ＝１／（２π(ROOT[C2＊L3＊L4/（L3＋L4）] ））
【００１８】
このように動作モードに伴う共振周波数の変化が起こることになるが、このような共振周波数の変化があることは、好ましいことではなく、あったとしても、その差が少ないことが望ましい。そこで本発明では、キャビティの内の構造を変えて、ｆ1 とｆ2 とがほぼ等しくなるように最適化を行う。これは、前述の式において C1（L1＋L2）と２C2L3L4/（L3＋L4）を等しくするようにキャビティの形状を選定することに他ならない。このように前記同軸形キャビティ１０２の構造を最適に設計し、キャリヤガスがプラズマ状態になる直前の負荷と直後の負荷が大きく変化しても、マイクロ波の入力部のキャビティ励起用アンテナから見た負荷変動を少なくすることができる。これによりシステムの動作の安定化を大幅に上げることができる。
【００１９】
前記の第２の対策について第１図を参照して回路の動作とともに説明する。第２の対策はマイクロ波発振器（マグネトロン）１０７の陽極電圧と励磁磁界を制御することにより行なわれる。マイクロ波発振器（マグネトロン）１０７の出力はサーキュレータ１０８に供給される。このサーキュレータ１０８は、プラズマ状態の前後での負荷変動が影響し、マイクロ波発振器（マグネトロン）１０７の発振周波数に変化を与える現象を回避するために、すなわち負荷の反射電力を絶縁するために用いられる。さらに同軸コネクタ１０９を経て方向性結合器１１１に加わり、この方向性結合器１１１の出力からキャビティ励振用アンテナ１０５を介して、マイクロ波プラズマ発生源１０１のキャビティ１０２に供給される。
【００２０】
方向性結合器１１のb 端子にはそれぞれ進行波と反射波が出力される。反射波は位相器１１２を通して３db結合器１１３のP2端子に加えられる。この反射波の電力は位相器１１２を調整することにより、共振周波数において最小値になるように設定されている。この位相器１１２は反射波の位相を進行波の位相に対して自由に設定できるので、共振時において反射波と進行波の位相が同相になるように設定する。
【００２１】
前記発振周波数に対する反射波と進行波の位相差は共振周波数において零になる。一方進行波は３db結合器１１３のP1端子に加わる。３db結合器１１３の出力端子のP3とP4は検出器１１４に供給され、直流電圧に変換される。それぞれの直流電圧は差動増幅器１１５の入力部に供給される。差動増幅器１１５の出力電圧は、この２つの直流電圧が等しいときに、出力零になるように調整されている。マイクロ波プラズマ発生源１０１のキャビティ１０２内の中心部のガスがプラズマ状態にならないときに、共振周波数で動作するように設定する。発振が始まり、ガスがプラズマ状態に転換したときに、キャビティ１０２内の電界分布が変化する。先に詳しく説明したように、キャビティの寸法設計を最適化を計ることにより、プラズマ化の前後の周波数変化を充分に少なくできる。この負荷状態が変わる場合、この周波数はキャビティ１０２の固有の共振周波数とは少し異なる周波数になるが、この周波数の差異をさらに少なくするために、マイクロ波発振器１０７に電気的にネガティブフィードバックをかける。この制御の方法について説明する。この異なる周波数でマイクロ波発振器（マグネトロン）１０７が電力を供給すると、キャビティ１０２から反射波が生じ、方向性結合器１１１のb 端子にはこの反射波が発生する。さらに位相器１１２を通過し、３db結合器１１３の出力端子のP2に供給される。
【００２２】
一方進行波は３db結合器１１３の出力端子のP1に供給される。その結果検出器１１４の出力信号は振幅の異なる電圧が生ずる。差動増幅器１１５の出力にはこの差電圧が発生する。この電圧がマイクロ波発振器（マグネトロン）１０７の陽極電圧に重畳されて印加される。陽極電圧はパルスで供給されているので、
当然差動増幅器１１５の差電圧は、陽極のパルス電圧に同期して供給される回路（図１では記載されていない）は附加されている。すなわちキャビティ１０２の共振周波数に近づくように動作する。このフィードバック動作によりマイクロ波発振器（マグネトロン）１０７の発振周波数はキャビティ１０２の固有の共振周波数にフェイズロックされる。
【００２３】
さらにシステムの周波数の安定性を増すために、マイクロ波発振器（マグネトロン）１０７の励磁用コイルの電流も制御する。すなわち内部電磁界検出用ループアンテナ１０６から検出した誤差信号が励磁用差動増幅器１１６で誤差信号に相当する電流を発生させ、この電流で励磁用コイルの電流を変化させ、キャビティ１０２の固有の共振周波数に近づけるようにフィードバックされる。このように図１の回路では、陽極電圧と励磁電流の両者を制御し、システムの周波数の安定性を図ることができる。
【００２４】
前述したように、プラズマガスは、外部から見るとマイクロ波帯では電気的に導体に見える。すなわち下部中心導体２０８ではガスがプラズマ化することにより、ガスが導体のような電気特性をもつので、この部分で丁度アンテナの効果を示し、外部にマイクロ波が放出される恐れがある。そのために、特に下部中心導体２０８の内部にチョーク構造を形成する。この構造により、外部に電波が送出されるのを防いでいる。この外部放出マイクロ波（外部機器に妨害電波として働くので）を抑制するために、下部中心導体２０８の内部にチョーク構造を設ける。このチョークとしてλ/ ４構造の同軸チョークを入れることで、前記の漏洩するマイクロ波を大幅に下げることができる。なおチョーク３０２（図３，４）は前述したように、ガスがプラズマ化したのちに、外部に漏れるマイクロ波を抑制するために設けられている。図４はプラズマ化後の電界分布を示している。励起電界４０１は、キャビティの外側の内壁から中心導体の方向にくわわり、丁度同軸モードの振動を示す。なお上部中心導体２０５の中心を通るガス流路石英パイプ１０３の直径はマイクロ波の波長に比べて十分小さく、流れるガスはプラズマ化されないガスであるので、この上部中心導体２０５の部分からマイクロ波が外部に放射することはない。
【００２５】
図７は、本発明による前記マイクロ波プラズマ発生源と異なる構造のマイクロ波プラズマ発生源を示す図である。前述したマイクロ波プラズマ発生源１０１とは、異なる構造のキャビティで図２に示した構成の上部導体を延長して、下部導体を省略した形態となっている。基本的な動作原理は異ならない。図２に示したものと同一の機能または形状部分には同一の符号を付してある。
キャビティは銅製ボディで覆われている。前記キャビティの上部からキャリヤガスが中心導体７０５を貫通して設けられているガス流入用石英パイプ１０３を通してキャビティの中央部に導かれている。中心導体７０５とキャビティの下部との間は、前記ガス流路石英パイプ１０３のみが露出している。この露出部に電界が加わるので、ガス流路石英パイプ１０３の中のキャリヤガスが励起され、プラズマ化する。
【００２６】
この構造のマイクロ波プラズマ発生源の電界分布は、プラズマ化前では図８に示した分布になり、またプラズマ化直後から図９に示した分布に変わる。図８はキャリヤガスがプラズマ化される直前の時点で、上部中心導体とキャビティ下部の間の空間に発生される励起電界８０１を示す。上部の中心導体７０５とキャビティ下部の間に電界が上下方向に加わる。これは電界の分布はリエントランラントモードの振動になる。図９はプラズマ化後の電界分布を示している。励起電界９０１は、キャビティの外側の内壁からパイプ１０３の方向に加わり、丁度同軸モードの振動を示す。図２に示した実施例と同様に前後で共振周波数が変わらないように回路の構造を設計することができる。
【００２７】
この実施形態では、キャビティ下部でガスがプラズマ化することにより、ガスが導体のような電気特性をもつので、この部分で丁度アンテナの効果を示し、外部にマイクロ波が放出する。この外部放出マイクロ波を抑制するために、チョーク７０７（図８，９参照）が外側導体７０６内に配置されている。
このチョーク７０７としては、λ/ ４構造の同軸チョークを入れることで、前記の漏洩するマイクロ波を大幅に下げることができる。
【００２８】
図７の実施例と同様に、図２に示した実施例でもキャビティ下部よりでガスがプラズマ化することにより、ガスが導体のような電気特性をもつので、この部分で丁度アンテナの効果を示し、外部にマイクロ波が放出する。そのために、図２に示すキャビティでも同様なチョーク３０２（図３および図４参照）を用いている。これにより、外部放出マイクロ波を抑制する。
【００２９】
次に、前述した図２に示した実施例に、使用状態を判断し改良を施した実施例について図１０〜１２を参照して、さらに説明する。この実施例も前述と同様に同軸形キャビティの長さは、マイクロ波の波長をλとすると、n（λ/2）になるよう設計する。同軸形キャビティの直径は、周波数２．４５０ＧＨｚとして、２ｃｍ程度になる。
特に装置が小型化や携帯性に優れるので、応用範囲が広がる大きい特徴が得られる。
小形化でき、携帯性と操作性のよいプラズマトーチのようなマイクロ波プラズマ発生装置を示す。図１０は、マイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図であり、図１１は、プラズマ発生直後におけるマイクロ波プラズマ発生源のプラズマ化以後の電界分布を示す図である。図１２は、マイクロ波プラズマ発生源の使用状態を示す図である。
【００３０】
図１０に示すように、前記装置は同軸形の細長い構造で、上部からパイプ１０３にキャリヤガス１００１を流入して使用する。パイプ１０３は同軸形キャビティ１００３の中心部の上部中心導体１０７、下部中心導体１０８を貫通している。図１０に示すように流入ガスがプラズマ状態になる直前では、励起電界１００４は同軸の長い方向に加わる。マイクロ波電力はカップリングループにより同軸形キャビティ１００３に供給される。このときキャビティ内の電界により、ガスはプラズマ状態に励起される。
【００３１】
ガスがプラズマ状態になると、プラズマガスの導体化現象により、アンテナ効果で外部にマイクロ波が放射する。これを抑制するためにλ/ ４構造のチョーク１００６を配置する。図１１に示すように、流入ガスがプラズマ状態になる直後では、励起電界１１０４はキャビティの外側の内壁から同軸の中心線の方向に加わる。この電界により、ガスがプラズマ状態を持続する。ガスがプラズマ状態になると、プラズマガスの導体化現象が生じ、アンテナ効果のために外部にマイクロ波が放射する。これを抑制するためにλ/ ４構造のチョーク１００６を配置する。この同軸形キャビティの下部にあるチョーク１００６を覆ったケースの構造はペン先のような形状になっている。その先端からプラズマ化されたプラズマガス１００７が放出され、このガスで各種の洗浄などに広く利用される。
【００３２】
本発明のマイクロ波プラズマ発生装置において、マイクロ波発生にマグネトロンを利用した例を示した。本発明のマイクロ波発生源として固体素子を用いることもでき、固体素子としてマイクロ波用ＦＥＴを利用できる。マイクロ波用ＦＥＴとして、ＧａＡｓＭＥＳＦＥＴ、ＨＥＭＴＦＥＴが適している。
図１５は、前記固体装置を用いたマイクロ波プラズマ発生装置の使用状態を示す回路図、図１６は、マイクロ波発生源として固体装置を用いたマイクロ波プラズマ発生装置の回路部分の実施例を示すブロック図である。
図１５に示すように、マイクロ波電力がマイクロ波発振装置１５０８から同軸ケーブル１５０９を通してプラズマ発生装置（プラズマトーチ）１５１３に供給される。またプラズマ化されるべきガスは、ガスボンベ１５１２からガス流路用ホース１５１１を通して、プラズマ発生装置（プラズマトーチ）１５１３に供給される。
【００３３】
図１６にマイクロ波発振装置１５０８の回路図を示す。キャビティ内の電磁界を検出して、その検出信号１５０５を誤差信号検出回路１５０６（図１に示す結合器などで構成する回路をさす）にて検波して、フィードバックコントロール用電圧１５０７に変換する。この電圧１５０７は固体素子を用いた VCO（Voltage Controlled Oscillator ）１５０１に印加される。VCO １５０１の出力信号はサーキュレータ１５０２を通り、MOSFETなどの固体アンプ１５０３で電力増幅されて、図１５に示すプラズマ発生装置１５１３のキャビティに供給される。この装置は、固体素子を用いているので、先に説明したマグネトロン使用のものに比較して装置をより一層小形にすることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明のマイクロ波プラズマ発生装置は、高い変換効率であり、機械的な制御の付属回路がなく、小形で高出力であり、広い分野に利用できる。
大気圧に近いガスをマイクロ波で励起させプラズマガスを発生するマイクロ波プラズマ発生装置であって、取り扱いが容易であり、安定した動作ができる。
同軸形共振キャビティは、キャビティの長さが励振波長の１／２の整数倍であるから、従来のものに比較して小形にできる。
【００３５】
前記同軸共振キャビティは、ガスのプラズマ化による前記キャビティからの電磁波の放射を抑制する電磁波放射防止用チョークを構成する立体回路をプラズマガス放出側に備えているから、種々の分野に利用できる。
前記同軸共振キャビティは、前記同軸共振キャビティでプラズマ化前後の動作モードの差による負荷の変動が少なくなるように立体回路パラメータを選択して構成されているから動作が安定である。
【００３６】
前記マイクロ波供給回路は、マイクロ発生源と、前記供給回路と、前記同軸共振キャビティの動作状態をマイクロ波発生源に帰還する帰還回路から構成されているから、特に調整することなく自動化が容易で取り扱いが簡単である。
前記マイクロ発生源はマグネトロンであり、サーキュレータを介して前記同軸共振キャビティに供給され、前記同軸共振キャビティの動作の変化は前記マグネトロンの励磁コイルと陽極に帰還されて動作を安定させるように構成してあるから、大きいプラズマ出力を安定して取り出すことができる。
【００３７】
前記マイクロ発生源は固体発振器とすることもできるから、装置を一層小形にすることができ全体を可搬形に構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロ波プラズマ発生装置の実施例を示す図である。
【図２】本発明によるマイクロ波プラズマ発生源の実施例を示す図である。
【図３】本発明によるプラズマ発生直前におけるマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。
【図４】本発明によるプラズマ発生直後におけるマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。
【図５】本発明によるプラズマ発生直前における前記マイクロ波プラズマ発生源の電気的な等価回路を示す図である
【図６】本発明によるプラズマ発生直後における前記マイクロ波プラズマ発生源の電気的な等価回路を示す図である
【図７】本発明による前記マイクロ波プラズマ発生源と異なる構造のマイクロ波プラズマ発生源を示す図である
【図８】本発明による前記マイクロ波プラズマ発生源と異なる構造のプラズマ発生直前における一例のマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。
【図９】本発明による前記マイクロ波プラズマ発生源と異なる構造のプラズマ発生直後における一例のマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。
【図１０】本発明によるプラズマ発生前における細長い小型化されたマイクロ波プラズマ発生源の励起電界の分布を示す図である。
【図１１】本発明によるプラズマ発生後における細長い小型化されたマイクロ波プラズマ発生源のプラズマ化以後の電界分布を示す図である。
【図１２】本発明による細長い小型化されたマイクロ波プラズマ発生源の使用状態を示す図である。
【図１３】マイクロ波プラズマ発生源部のガス流路石英パイプ内部のプラズマ状ガスを示す図である。
【図１４】マイクロ波プラズマ発生源部のガス流路石英パイプ内部の中心部から半径方向に向かう各位置の電界強度分布を示す図である。
【図１５】前記固体装置を用いたマイクロ波プラズマ発生装置の使用状態を示す回路図である。
【図１６】マイクロ波発生源として固体装置を用いたマイクロ波プラズマ発生装置の回路部分の実施例を示すブロック図である。
【図１７】従来のマイクロ波プラズマ発生装置の例を示す図である。
【符号の説明】
１ マイクロ波プラズマ源
７ マイクロ波発振器
８ サーキュレータ
１０ マイクロ波導波管
１１ パルスモータ制御の３スタブチューナ
１０１ マイクロ波プラズマ発生源
１０２ 同軸形キャビティ
１０３ ガス流路石英パイプ
１０４ プラズマガス
１０５ キャビティ励振用アンテナ
１０６ 内部電磁界検出用ループアンテナ
１０７ マイクロ波発振器（マグネトロン）
１０８ サーキュレータ
１０９ 同軸コネクタ
１１０ 同軸ケーブル
１１１ 方向性結合器
１１２ 位相器
１１３ ３ｄｂ結合器
１１４ 検出器
１１５ 差動増幅器
１１６ 励磁用差動増幅器
２０５ 中心導体
２０８ 中心導体
３０２ チョーク
４０１ 励起電界
７０５ 中心導体
７０６ 外側導体
７０７ チョーク
１００１ キャリヤガス
１００２ カップリングループアンテナ
１００３ 同軸形キャビティ
１００４ 励起電界
１００６ チョーク
１３０２ プラズマ状ガス
１５０１ マイクロ波固体発振器（ＶＣＯ）
１５０２ サーキュレータ
１５０３ 固体アンプ
１５０４ マイクロ波電力信号
１５０５ 検出信号
１５０６ 誤差信号検出回路
１５０７ フィードバックコントロール用電圧
１５０８ マイクロ波発振装置
１５０９ 同軸ケーブル
１５１０ 負帰還ケーブル
１５１１ ガス流路用ホース
１５１２ ガスボンベ
１５１３ プラズマ発生装置（プラズマトーチ）
１５１４ 試料
Claims (11)
- 励振波長の１／２の整数倍の長さのキャビティ，前記キャビティの長さよりも短く前記キャビティ内に軸方向のギャップを形成することができる中心導体，および前記中心導体の中心を貫通し一方端から導入されたガスをプラズマ化して他端から排出する非金属パイプとを含むプラズマ発生用同軸形共振キャビティと、
励振マイクロ波を発生するマイクロ波発生源と、
前記キャビティにアンテナ結合で励振マイクロ波を供給し励振するマイクロ波供給回路とを含み、
前記共振キャビティは、前記ギャップに発生する電界によりプラズマが励起され、励起後は前記ギャップに向かう電界が発生させられることにより、励起モード（ＴＭ）から励起後の（ＴＥＭ）モードへ変換が行われることを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。 - 前記非金属パイプは石英パイプであり、前記マイクロ波供給回路は同軸カップリングループアンテナで前記共振キャビティに結合している請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
- 前記中心導体はキャビティ励起アンテナ側の第１中心導体とプラズマ発生側の第２中心導体から形成され、前記第１中心導体とプラズマ発生側の前記第２中心導体間でガスがプラズマ励起されるように構成されている請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
- 前記中心導体は前記同軸形共振キャビティの放出側の壁面間にギャップをもつ長さであり、前記中心導体と前記放出側の壁面間でガスが励起されるように構成されている請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
- 前記同軸共振キャビティは、ガスがプラズマ化による前記キャビティからの電磁波の放射を抑制する電磁波放射防止用チョークを構成する立体回路をプラズマガス放出側に備えている請求項１〜４いずれか記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
- 前記同軸共振キャビティは、当初ＴＭ010 モードで励振され、前記ギャップに高電界を発生してガスをプラズマ化した状態ではＴＥＭモードで動作するように構成され、ガスがプラズマ化した状態での共振周波数が、前記プラズマ化前の共振周波数と変わらないように、立体回路を設計してある請求項１〜４いずれか記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
- 前記同軸共振キャビティで流入ガスがプラズマ化したときの等価回路は、前記ギャップが導体化し同軸の一部を形成した同軸キャビティと見なせる動作となるように構成した請求項１〜６記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
- 前記同軸共振キャビティでプラズマ化前後の動作モードの変換前後の共振周波数を等しくすることにより動作モードの変換前後の負荷の変動を少なくするように立体回路パラメータを下記のように選択して構成した請求項３記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
記
C 1 (L 1 ＋ L 2 ) ＝ C 2 L 3 L 4 /(L 3 ＋ L 4 )
ここにおいて
L 1 ＋ L 2 ：プラズマ化前の同軸のインダクタンスの和
C 1 ：プラズマ化前の同軸の軸方向のギャップＧの容量
L 3 ＋ L 4 ：プラズマ化後の同軸のインダクタンスの和
C 2 ：プラズマ化後の同軸とキャビティ間の容量 - 前記マイクロ波供給回路は、マイクロ波発生源と、前記供給回路と、前記同軸共振キャビティの動作状態をマイクロ波発生源に帰還する帰還回路を含む請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
- 前記マイクロ波発生源はマグネトロンであり、サーキュレータを介して前記同軸共振キャビティに供給され、前記同軸共振キャビティの動作の変化は前記マグネトロンの励磁コイルと陽極に帰還されて動作を安定させるように構成した請求項９記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
- 前記マイクロ波発生源は固体発振器である請求項９記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
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