JP4109301B2

JP4109301B2 - マイクロ波プラズマトーチ

Info

Publication number: JP4109301B2
Application number: JP2006215825A
Authority: JP
Inventors: 孝之深沢; 博司梶山; 傳篠田
Original assignee: 株式会社アドテックプラズマテクノロジー
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2026-08-08
Also published as: JP2008041495A

Description

本発明は、マイクロ波プラズマトーチ、特に、大気圧〜数Ｔｏｒｒの圧力下において作動するマイクロ波プラズマトーチに関するものである。

図４は、従来のマイクロ波プラズマトーチの概略構成を示す縦断面図である。従来のマイクロ波プラズマトーチは、図４に示すように、石英ガラス製の円筒状の放電管１０と、放電管１０の上端開口を封閉する誘電体製の蓋体１４と、放電管１０の外側を被覆するステンレス製のグランド電極１１を備えており、放電管１０の内部には、蓋体１４を貫通して中心軸に沿ってステンレス製のマイクロ波供給用アンテナ１２が配置されている。さらに、放電管１０の上部には、石英ガラス製のガス供給管１３が接続されている。

そして、アンテナ１２からマイクロ波が放電管１０内に供給されるとともに、ガス供給管１３からプラズマ生成用ガスが導入され、プラズマ生成用ガスは、放電管１０内においてマイクロ波の電磁界によって励起され、プラズマ化されて、放電管１０のプラズマ放出口１０ａから外部に放出される。

この場合、このマイクロ波プラズマトーチを大気圧下で作動させたときは、アンテナ１２の先端部から下流側の領域でプラズマが着火、生成され、放電管１０の先端開口１０ａからプラズマが放出され、安定したプラズマ着火が達成されるが、大気圧より減圧した１００Ｔｏｒｒ〜数Ｔｏｒｒの低圧下で作動させたときには、プラズマの着火が不安定化し、放電管内におけるアンテナ１２の基部や、ガス供給管１３内においてプラズマが着火、生成されてしまい、放電管１０の先端開口１０ａからプラズマが放出されない、という問題を生じていた。

したがって、本発明の課題は、大気圧〜数Ｔｏｒｒの圧力下において、安定したプラズマ着火が得られるマイクロ波プラズマトーチを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、誘電体からなる円筒状の放電管と、前記放電管の一端開口を封閉する蓋体と、前記蓋体を貫通して前記放電管内にその中心軸に沿ってのびるマイクロ波供給用アンテナと、前記放電管の外側を取り囲むグランド電極と、前記放電管内にプラズマ生成用ガスを供給するガス供給管と、前記グランド電極の外面を被覆する誘電体の外被と、を備え、前記アンテナには、その先端部から間隔をあけた位置にプラズマ遮断手段が設けられており、前記プラズマ遮断手段は誘電体から形成され、前記プラズマ遮断手段と前記放電管との間、または前記プラズマ遮断手段自体に、プラズマ生成用ガスを通過させるが、プラズマは遮断する通路が設けられているものであることを特徴とするマイクロ波プラズマトーチを構成したものである。

上記構成において、好ましくは、前記プラズマ遮断手段は、前記アンテナにその外周を取り巻くように設けられた少なくとも１つの環状のフィンからなり、前記プラズマ遮断手段の通路は、前記フィンの外周縁と前記放電管の内壁面との間に形成された前記放電管の内径の１０％以下の大きさの間隙からなっており、さらに好ましくは、複数の前記環状のフィンが前記アンテナの軸方向に間隔をあけて設けられており、隣接する前記フィンの間隔が１０ｍｍ以下、より好ましくは５ｍｍ以下になっている。

また好ましくは、前記プラズマ遮断手段は、前記アンテナにその外周を取り巻くように設けられた少なくとも１つの環状のフィンからなり、前記フィンの外周縁は前記放電管の内壁に接触しており、前記プラズマ遮断手段の通路は、前記フィンに形成された少なくとも１つの開口からなっている。

また好ましくは、前記プラズマ遮断手段は、前記アンテナにその外周を取り巻くように設けられた単一の円筒状隆起部からなり、前記プラズマ遮断手段の通路は、前記円筒状隆起部の外周面と前記放電管の内壁面との間に形成された前記放電管の内径の１０％以下の大きさの間隙からなっている。

上記構成において、誘電体からなるプラズマ遮断手段をアンテナの途中に設けたことにより、アンテナのプラズマ遮断手段からアンテナ先端部側は低インピーダンスとなる一方、プラズマ遮断手段からアンテナの基部側は高インピーダンスとなって、プラズマは低インピーダンスのアンテナ先端部側でしか着火しなくなる。さらに、プラズマ遮断手段と放電管との間、またはプラズマ遮断手段自体に通路を設けたことにより、この通路を通じてプラズマ生成用ガスがプラズマ生成領域に導入される一方、プラズマは、誘電体によって包囲された間隙中を通過し得ない。また、グランド電極の外側に誘電体の外被を設けたことにより、グランド電極表面からの放電の発生を防止することができる。こうして、本発明によれば、放電管内のアンテナ先端部においてプラズマが確実に着火、生成され、放電管先端のプラズマ放出口から安定的にプラズマが放出される。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。図１は、本発明の１実施例によるマイクロ波プラズマトーチの概略構成を示す縦断面図である。図１を参照して、本発明によれば、プラズマトーチは、石英ガラス等の誘電体からなる円筒状の放電管１と、放電管１の上端開口を封閉する誘電体製の蓋体９と、蓋体９を貫通して放電管１内にその中心軸に沿ってのびるマイクロ波供給用アンテナ４と、放電管１の外側を被覆するステンレス等の導体からなるグランド電極２を備えている。

また、放電管１の上部には、石英ガラス等の誘電体からなるガス供給管３が接続され、放電管１から半径方向外向きにグランド電極２を貫通してのびている。
さらに、グランド電極２の外面は、ガス供給管３から下方の領域がすべて、誘電体の外被５によって被覆されている。

図２（Ａ）は、図１のマイクロ波プラズマトーチのアンテナの先端部近傍の拡大斜視図であり、図２（Ｂ）は、アンテナに設けられたプラズマ遮断手段の構成を示す分解斜視図である。図２（Ａ）を参照して、アンテナ４には、その先端部４ａから間隔をあけた位置にプラズマ遮断手段が設けられている。この実施例では、プラズマ遮断手段は、アンテナ４にその外周を取り巻くように設けられた３つの環状のフィン６ａ〜６ｃからなっている。これらのフィン６ａ〜６ｃのアンテナ４への取り付けは、図２（Ｂ）に示すように、内径がアンテナ４の外径に対応する円筒形状のスペーサ７ａ〜７ｃと、中央にアンテナ４の外径に対応する開口を備えた円板形状のフィン６ａ〜６ｃを、交互にアンテナ４に挿通することによってなされる。

３つのフィン６ａ〜６ｃは、アンテナ４の軸方向に間隔をあけて配置され、隣接するフィンの間隔は１０ｍｍ以下、より好ましくは５ｍｍ以下になっている。また、各フィン６ａ〜６ｃの外周縁と放電管１の内壁面との間には、放電管１の内径の１０％以下の大きさの間隙が形成されている。

プラズマ遮断手段は、この実施例に限定されるものではなく、誘電体から形成され、プラズマ遮断手段と放電管との間、またはプラズマ遮断手段自体に、プラズマ生成用ガスを通過させるが、プラズマは遮断する通路が設けられているものであれば何でもよい。なお、上記実施例のフィンの場合には、通路は、フィンの外周縁と放電管の内壁面との間に形成された間隙からなっている。

図３には、プラズマ遮断手段の変形例を示した。図３（Ａ）の変形例では、プラズマ遮断手段は、アンテナ４にその外周を取り巻くように設けられた少なくとも１つの環状のフィン６’からなり、フィン６’の外周縁は放電管１の内壁に接触しており、プラズマ遮断手段の通路は、フィン６’に形成された少なくとも１つの開口８からなっている。

図３（Ｂ）の変形例では、プラズマ遮断手段は、アンテナ４にその外周を取り巻くように設けられた単一の円筒状隆起部６”からなり、プラズマ遮断手段の通路は、円筒状隆起部６”の外周面と放電管１の内壁面との間に形成された放電管１の内径の１０％以下の大きさの間隙からなっている。

本発明のマイクロ波プラズマトーチは、ガス供給管３より下側の外被５によって被覆された部分が、真空チャンバ内に挿入され、真空チャンバに気密シールされた状態で装着される。なお、マイクロ波プラズマトーチを大気圧下で作動させる場合には、真空チャンバでなくてもよい。そして、真空チャンバが所望の圧力まで減圧され、ガス供給管３を通じて放電管１内にプラズマ生成用ガスが導入されるとともに、アンテナ４を通じて放電管１内にマイクロ波が供給される。こうして、マイクロ波の電磁界によってプラズマ生成用ガスが励起され、プラズマ化されて、放電管１の先端のプラズマ放出口１ａからプラズマが外部に放出される。

この場合、誘電体からなるプラズマ遮断手段がアンテナの途中に設けられているので、アンテナのプラズマ遮断手段からアンテナ先端部側は低インピーダンスとなる一方、プラズマ遮断手段からアンテナの基部側は高インピーダンスとなって、プラズマは低インピーダンスのアンテナ先端部側でしか着火しなくなる。さらに、プラズマ遮断手段と放電管との間、またはプラズマ遮断手段自体に通路が設けられているので、この通路を通じてプラズマ生成用ガスがプラズマ生成領域に導入される一方、プラズマは、誘電体によって包囲された間隙中を通過し得ない。また、グランド電極の外側に誘電体の外被が設けられていることにより、グランド電極表面からの放電の発生を防止することができる。その結果、大気圧以下〜数Ｔｏｒｒの低圧下においても、さらにマイクロ波の供給電力を上げても、放電管内のアンテナ先端部においてプラズマが確実に着火、生成され、放電管先端のプラズマ放出口から安定的にプラズマが放出される。

本発明の１実施例によるマイクロ波プラズマトーチの概略構成を示す縦断面図である。（Ａ）は、図１のマイクロ波プラズマトーチのアンテナの先端部近傍の拡大斜視図であり、（Ｂ）は、アンテナに設けられたプラズマ遮断手段の構成を示す分解斜視図である。プラズマ遮断手段の変形例を示す図である。従来のマイクロ波プラズマトーチの概略構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１放電管
２グランド電極
３ガス供給管
４アンテナ
４ａアンテナ先端部
５外被
６ａ〜６ｃフィン
７ａ〜７ｃスペーサ
９蓋体

Claims

誘電体からなる円筒状の放電管と、
前記放電管の一端開口を封閉する蓋体と、
前記蓋体を貫通して前記放電管内にその中心軸に沿ってのびるマイクロ波供給用アンテナと、
前記放電管の外側を取り囲むグランド電極と、
前記放電管内にプラズマ生成用ガスを供給するガス供給管と、
前記グランド電極の外面を被覆する誘電体の外被と、を備え、
前記アンテナには、その先端部から間隔をあけた位置にプラズマ遮断手段が設けられており、前記プラズマ遮断手段は誘電体から形成され、前記プラズマ遮断手段と前記放電管との間、または前記プラズマ遮断手段自体に、プラズマ生成用ガスを通過させるが、プラズマは遮断する通路が設けられているものであることを特徴とするマイクロ波プラズマトーチ。
前記プラズマ遮断手段は、前記アンテナにその外周を取り巻くように設けられた少なくとも１つの環状のフィンからなり、前記プラズマ遮断手段の通路は、前記フィンの外周縁と前記放電管の内壁面との間に形成された前記放電管の内径の１０％以下の大きさの間隙からなっていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波プラズマトーチ。
複数の前記環状のフィンが前記アンテナの軸方向に間隔をあけて設けられており、隣接する前記フィンの間隔が１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波プラズマトーチ。
前記プラズマ遮断手段は、前記アンテナにその外周を取り巻くように設けられた少なくとも１つの環状のフィンからなり、前記フィンの外周縁は前記放電管の内壁に接触しており、前記プラズマ遮断手段の通路は、前記フィンに形成された少なくとも１つの開口からなっていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波プラズマトーチ。
前記プラズマ遮断手段は、前記アンテナにその外周を取り巻くように設けられた単一の円筒状隆起部からなり、前記プラズマ遮断手段の通路は、前記円筒状隆起部の外周面と前記放電管の内壁面との間に形成された前記放電管の内径の１０％以下の大きさの間隙からなっていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波プラズマトーチ。