JP4317451B2 - 固体電源のためのマルチコイル型誘導プラズマトーチ - Google Patents

Description

本発明は、誘導プラズマトーチに関するものである。限定するものではないけれども、本発明は、特に、マルチコイル型誘導プラズマトーチに関するものである。

誘導プラズマトーチにおいては、誘導コイルによって強力な振動磁界が生成され、この誘導コイルで囲まれた空間内を流通するガスに対してその強力な振動磁界が印加され、これにより、ガスがイオン化されて、プラズマが生成する。そのような誘導プラズマトーチにおいては、流通ガスに対してラジオ波（ＲＦ）電磁界を結合するという誘導結合自体を使用している。誘導結合は、典型的には９０００℃といったような高温にまで、ガスを加熱する。そのような高温においては、ガスは、正電荷イオンと電子とからなるプラズマへと変化する。プラズマトーチは、典型的には、分光的元素分析や、微粒子の処理や、材料の溶融や、化学合成や、廃棄物の破壊処理、等に利用されている。これら応用は、プラズマに本来的に関連する高温に由来するものである。

初期の試みにおいては、単一のコイルによる高周波ＲＦ電磁界（ＭＨｚの領域）を使用した誘導によってプラズマを生成しようとした。また、低周波ＲＦ電磁界（４００ｋＨｚ未満）を使用して誘導プラズマを生成しようとする試みもなされたが、この試みはうまくいかなかった。低周波数を使用してプラズマを形成しようとする試みは、低周波数領域においては、プラズマがより大きくなり、より一様な温度が得られることを動機とするものである。また、この時点において、プラズマを点火するというプロセスが、点火後のプロセスを維持するというプロセスとは相違するものであることが認識された。

高電力レベル（１０ｋＷ超）かつ１気圧以上の圧力で動作する場合には、工業用プラズマトーチは、点火が困難であるとともに安定的な維持が困難である。上記様々な問題点のいくつかを克服するための手法として、二重コイル（デュアルコイル）構成とか、ＲＦ−ＲＦハイブリッド構成とかが、既に提案されている。

二重コイル型誘導プラズマトーチの使用を含む実験が、１９６０年代の半ばに行われた。I.J. Floyd 氏および J.C. Lewis 氏による“Radio-frequency induced gas plasma at
250-300kc/s”と題する Nature, Vol. 211, No. 5051, p. 841における文献には、二重コイルシステムの使用が開示されており、この二重コイルシステムは、
−プラズマを点火するためにあるいはプラズマ生成を開始させるためにＭＨｚ領域で動作する高周波コイルと、
−低周波数で動作する第２の『動作』コイルと、
を備えている。

二重コイル型プラズマトーチに関する引き続く研究によって、さらに、低周波コイルが、期待通りに、ずっと一様な温度分布を有したプラズマを生成することが、明らかとなった。これにより、軸方向圧力の低減化と組み合わせて、滞留時間の増大化および流通量の増大化がもたらされ、球状化焼鈍処理あるいは粉末噴霧における条件向上という利点がもたらされた。

さらに、互いに個別の２つの誘導ステージの存在により、第１ステージから導出された高温ガスを他のガスと混合することができ、このような他のガスがプラズマ維持に対して悪影響を及ぼすことを未然に防止し得ることが、判明した。さらに、２つの誘導コイルを縦列化することによって、プラズマトーチの動作パラメータを最適化することができ、プラズマトーチの効率を向上させ得るとともに、プラズマトーチの動作に必要な電力を低減化することができる。

２つのタイプの電源が、誘導プラズマトーチの動作に必要なかなり大きな電力を供給するに際して、使用されてきた。すなわち、チューブタイプをなす発振電源と、固体電源（solid state power supply）と、である。

チューブタイプの発振電源は、周知のように、非効率なものである。すなわち、発振器およびタンク回路内において、入力電力の典型的には４０％が損失となり、入力電力の２０〜４０％しか、高温ガス内のプラズマ熱量として利用することができない。

固体電源は、ずっと効率的な動作をもたらすものであり、したがって、より良好な選択肢をなす。固体電源は、チューブタイプの発振電源と比較して、５０または６０Ｈｚにおける４４０または５６０Ｖという比較的小さな供給電圧を３００〜４００ｋＨｚにおける１５００〜３０００Ｖという高電圧へと電気エネルギー変換するに際して、全体的に効率的である。この効率向上は、主に、標準的な水冷式の３極電子管や５極電子管による発振回路を固体トランジスタ回路へと置換したことに起因している。

しかしながら、固体電源は、現状では、動作周波数範囲が低い（典型的には、３００〜４００ｋＨｚ）という特性を有しており、そのため、要求されたＲＦ信号を高周波コイルに対して供給することによってプラズマを誘導的に点火するに際して使用するには、一般的には不適切である。加えて、効率的な固体電源の使用は、大気圧下でのあるいは軽度の真空吸引下でのプラズマトーチの点火および動作を必要とする応用においては、禁止されている。

さらに、２つのチューブタイプの発振電源を使用している現存の二重コイル構成は、２つの電源の制御回路間において深刻な相互作用を引き起こす。このことは、コイルどうしの間の最小離間間隔に制限を設けることによってしか、解決することができない。コイルどうしの間の最小離間間隔に制限を設けることは、得られたプラズマ内における温度領域の一様性に悪影響をもたらし、効率に直接的に影響する。
I.J. Floyd 氏および J.C. Lewis 氏による"Radio-frequencyinduced gas plasma at 250-300kc/s"と題する Nature, Vol. 211, No. 5051, p. 841

本発明においては、基端部と先端部とを有しているとともに第１直径とされた円筒形内表面を有したチューブ状トーチボディを具備している誘導プラズマトーチが提供される。

プラズマ制限チューブは、熱伝導度の大きな材料から形成されており、内部に高温プラズマが制限される軸方向チャンバを規定し、第１直径よりもわずかに小さな第２直径を有した円筒形外表面を有している。プラズマ制限チューブは、チューブ状トーチボディ内に取り付けられており、トーチボディの円筒形内表面と、プラズマ制限チューブの円筒形外表面とが、互いに同軸的とされていて、これら内表面と外表面との間に、一様厚さを有した薄い環状チャンバが形成されている。

ガス供給ヘッドは、トーチボディの基端部に取り付けられているとともに、プラズマ制限チューブによって規定された軸方向チャンバ内へと少なくとも１つのガス状物質を供給する。

冷却流体供給源は、薄い環状チャンバに対して接続され、この薄い環状チャンバ内における冷却流体の高速流通を確立する。プラズマ制限チューブの構成材料の熱伝導度が大きいことと、冷却流体の流速が大きいことと、の双方によって、プラズマによる高温によって加熱されたプラズマ制限チューブの熱を、冷却流体へと効率的に伝達することができ、これにより、プラズマ制限チューブの冷却を効率的に行い得るようになっている。

一連をなす複数の誘導コイルが、トーチボディの基端部と先端部との間において、トーチボディに対して全体的に同軸的であるようにして、トーチボディに対して取り付けられている。これら一連をなす複数の誘導コイルは、
−第１電源の高周波数出力に対して接続されることによって、軸方向チャンバに供給された少なくとも１つのガス状物質に対して誘導的にエネルギーを印加し得るものとされた、第１誘導コイルと、
−この第１誘導コイルとトーチボディの先端部との間に配置されるとともに、各々が端子を有しているような、複数の第２誘導コイルと、
を備えている。

相互接続回路は、（ａ）第２電源の低周波数出力に関する第１端子および第２端子と、（ｂ）複数の第２誘導コイルの複数の端子と、の間に介在することによって、第２電源の第１端子と第２端子との間において、複数の第２誘導コイルを直列的におよび／または並列的に接続し得るものとされている。このような複数の第２誘導コイルの直列的および／または並列的な接続を行うことによって、
−複数の第２誘導コイルの入力インピーダンスと第２電源の出力インピーダンスとを実質的に整合させることができるとともに、
−軸方向チャンバに供給された少なくとも１つのガス状物質に対して誘導的にエネルギーを印加することができる。

本発明の他の見地においては、本発明による誘導プラズマトーチは、さらに、高周波数出力を有した第１電源と、低周波数出力を有するとともに第１端子および第２端子を有した第２電源と、を具備している。

本発明における上記のまたは他の目的や利点や特徴点は、添付図面を参照しつつ、本発明を何ら限定するものではなく単なる例示としての実施形態に関する以下の説明を読むことにより、明瞭となるであろう。

図１は、マルチコイル型誘導プラズマトーチに関する例示としての一実施形態を、全体的に符号（１００）によって示している。より詳細には、図１に示す実施形態は、高度にインピーダンス整合されたマルチコイル型誘導プラズマトーチを形成しており、誘導結合したガスプラズマを生成することができる。

図１に示すマルチコイル型誘導プラズマトーチ（１００）は、チューブ状の（例えば、円筒形の）トーチボディ（２）を具備している。トーチボディ（２）は、基端側チューブ状部材（２１）と、先端側チューブ状部材（２３）と、から構成されている。これら部材（２１，２３）は、キャストセラミックあるいは複合ポリマーから形成されているとともに、互いの端部どうしを突き合わせた状態で組み合わされている。トーチボディ（２）のチューブ状部材（２１，２３）の形成に際しては、他の適切な材料を使用することもできる。このチューブ状トーチボディ（２）は、基端部（３）と先端部（５）とを備えているとともに、プラズマ（７２）を点火して維持するための軸方向チャンバ（７０）を規定している。

さらに図１の実施形態について説明すると、チューブ状トーチボディ（２）は、その円筒形内表面が、トーチボディ（２）と同軸的であるようにして、円筒形の比較的薄いプラズマ制限チューブ（３９）によってライニングされている。限定するものではないけれども、例示するならば、プラズマ制限チューブ（３９）は、セラミック材料から形成することができる。

一連をなす複数の誘導コイル（４，１２，１４，１６）が、基端部（３）と先端部（５）との間においてこのチューブ状トーチボディに対して全体的に同軸的であるようにして、チューブ状トーチボディ（２）に対して設置されている。

一連の誘導コイルは、チューブ状トーチボディ（２）の基端部材（２１）内に完全に埋設された水冷式銅チューブから形成された第１誘導コイル（４）を備えている。この第１誘導コイル（４）は、チューブ状トーチボディ（２）に対して実質的に同軸的であるとともに、チューブ状プローブ（４０）の内側端のところに配置されている。しかしながら、プローブ（４０）の位置は、図１に例示した位置に限定されるものではないことを指摘しておく。それは、誘導プラズマトーチ（１００）が、通常は、プローブ（４０）を第３コイル（１４）の位置のところにまでプラズマ（７２）内にわたって深く進入させた状態で、動作するからである。第１誘導コイル（４）の両端は、チューブ状トーチボディ（２）の外面（６）を超えて引き出されており、一対の端子（７，９）を形成している。これら端子（７，９）を通すことによって、冷却水とＲＦ電流との双方を、コイル（４）に対して供給することができる。

同様に、一連の誘導コイルは、チューブ状トーチボディ（２）の先端部材（２３）内に完全に埋設された水冷式銅チューブからそれぞれ形成された第２誘導コイル（１２）と第３誘導コイル（１４）と第３誘導コイル（１６）とを備えている。これら誘導コイル（１２，１４，１６）は、チューブ状トーチボディ（２）と第１誘導コイル（４）との双方に対して同軸的である。図１に示すように、誘導コイル（１２，１４，１６）は、第１誘導コイル（４）とチューブ状トーチボディ（２）の先端部（５）との間に配置されている。

図１に示す実施形態においては、第２誘導コイル（１２）と第３誘導コイル（１４）と第４誘導コイル（１６）とのすべては、互いに同じ特性インダクタンスを示しており、第１誘導コイル（４）と第２誘導コイル（１２）と第３誘導コイル（１４）と第４誘導コイル（１６）とからなる一連のコイルは、共通軸に沿って互いにシフトされる。

場合によっては、コイル（１２，１４，１６）は、また、あるコイルがなすループが他のコイルがなすループの直接的に上方および／または下方に位置するようにして、螺旋的に連接することもできる。

加えて、図１の実施形態においては、コイル（４，１２，１４，１６）のすべては、互いに同じ半径を有している。しかしながら、当業者であれば、様々な径の誘導コイルを使用することによって、誘導プラズマトーチの動作特性を最適化し得ることは、理解されるであろう。

第２誘導コイル（１２）の両端は、トーチボディ（２）の外面（６）を超えて引き出されており、一対の端子（１１，１３）を形成している。これら端子（１１，１３）を通すことによって、冷却水とＲＦ電流との双方を、コイル（１２）に対して供給することができる。同様に、第３誘導コイル（１４）の両端は、トーチボディ（２）の外面（６）を超えて引き出されており、一対の端子（１５，１７）を形成している。これら端子（１５，１７）を通すことによって、冷却水とＲＦ電流との双方を、このコイル（１４）に対して供給することができる。最後に、第４誘導コイル（１６）の両端は、トーチボディ（２）の外面（６）を超えて引き出されており、一対の端子（２５，２７）を形成している。これら端子（２５，２７）を通すことによって、冷却水とＲＦ電流との双方を、コイル（１６）に対して供給することができる。

図に示すように、冷却水（１９）が、コンジット（２９）とマニホールド（３１）と端子（１３，１７，２７）とを介することによって、コイル（１２，１４，１６）をなす銅チューブに対して供給されている。冷却水（１９）は、端子（１１，１５，２５）とマニホールド（３３）とコンジット（３５）とを介することによって、回収されている。

さらに図１に示すように、冷却水（３７）が、端子（９）を介することによって、コイル（４）をなす銅チューブに対して供給されている。冷却水（３７）は、端子（７）を介することによって、回収されている。

ガス供給ヘッド（３０）が、例えば複数のボルト（図示せず）を使用するといったような手法によって、トーチボディ（２）の基端部（３）に対して固定されている。ガス供給ヘッド（３０）は、中間介在チューブ（３２）を備えている。ヘッド（３０）の下面（５４）には、キャビティが形成されていて、このキャビティは、基端側の比較的小さな直径の円筒壁部分（５６）と、先端側の比較的大きな直径の円筒壁部分（４１）と、を規定している。円筒壁部分（４１）は、プラズマ制限チューブ（３９）の内径と同じ内径を有している。円筒壁部分（５６）は、中間介在チューブ（３２）の対応端部を受領し得るような寸法とされた内径を有している。中間介在チューブ（３２）は、プラズマ制限チューブ（３９）よりも、短くかつ細い。中間介在チューブ（３２）は、円筒形であるとともに、トーチボディ（２）に対しておよび誘導コイル（４，１２，１４，１６）に対して、全体的に同軸的である。円筒形キャビティ（３６）が、中間介在チューブ（３２）と、円筒壁部分（４１）と、プラズマ制限チューブ（３９）の内表面（４３）と、の間に形成されている。

ガス供給ヘッド（３０）には、中央開口（３８）を形成することができる。この中央開口（３８）を通して、チューブ状をなす中央注入プローブ（４０）が、導入されて固定される。注入プローブ（４０）は、長尺のものであって、トーチボディ（２）とプラズマ制限チューブ（３９）と誘導コイル（４，１２，１４，１６）とに対して全体的に同軸的である。多くの場合、粉末や、キャリアガス（矢印４２）や、あるいは、合成反応における前駆体が、プローブ（４０）を通して、プラズマトーチ（１００）のチャンバ（７０）内に注入される。キャリアガスによって搬送されることによってプローブ（４０）を通して注入された粉末は、当業者には周知なように、プラズマによって溶融または蒸発を受ける材料を構成する、あるいは、プラズマによって処理を受ける材料を構成する。

ガス供給ヘッド（３０）は、さらに、中間介在チューブ（３２）内においてガス（矢印４６）を適切に注入し得るような、なおかつ、チューブ（３２）の円筒形内表面（５８）に沿ってのガスの接線方向流通を適切に引き起こし得るような、従来的コンジット手段（図示せず）を備えている。

ガス供給ヘッド（３０）は、さらに、（ａ）中間介在チューブ（３２）の円筒形外表面（６０）と円筒壁部分（４１）との間に位置しまた（ｂ）中間介在チューブ（３２）の円筒形外表面（６０）とプラズマ制限チューブ（３９）の内表面（４３）との間に位置している円筒形キャビティ（３６）内へとシースガス（矢印４４）を適切に注入し得るような、なおかつ、円筒形キャビティ（３６）内におけるシースガスの軸方向流通を適切に引き起こし得るような、従来的コンジット手段（図示せず）を備えている。

（ａ）粉末注入プローブ（４０）の構造およびプラズマガス（矢印４４，４６）コンジット手段の構造を選択すること、（ｂ）粉末の性質やキャリアガスの性質や中央から導入されるガスの性質やシースガスの性質を選択すること、および、（ｃ）ガス供給ヘッド（３０）の材質や注入プローブ（４０）の材質や中間介在チューブ（３２）の材質を選択することは、当業者の通常技術範囲内であると考えられる。よって、これら特性については、これ以上の説明を省略する。

図１に示すように、薄い（約１ｍｍ厚さ）環状チャンバ（４５）が、トーチボディ（２）の内表面と、制限チューブ（３９）の外表面と、の間に形成されている。例えば水といったような冷却流体が、高速でもって、プラズマ制限チューブ（３９）の外表面上にわたって、薄いチャンバ（４５）内を流通している（例えば、矢印４７，４９）。これにより、プラズマ制限チューブ（３９）のうちの、プラズマによる高温に曝されている内表面（４３）の冷却がもたらされる。

冷却水（矢印４７）は、導入口（５２）を通して薄い環状チャンバ（４５）内に注入され、ガス供給ヘッド（３０）内とチューブ状トーチボディ（２）内とにわたって延在するコンジット（５５）の中を流通し、さらに、コンジット（５５）から環状チャンバ（４５）の底部にまで冷却水を流通させ得る構成とされた環状コンジット手段（５７）の中を流通する。

冷却水は、チューブ状トーチボディ（２）の上部内とガス供給ヘッド（３０）内とにわたって形成されたコンジット（６１）の中を流通し、薄い環状チャンバ（４５）の上端部において、導出口（５９）から導出される（矢印４９）。

プラズマ制限チューブ（３９）をなすセラミック材料は、焼成されたあるいは反応接着された窒化シリコンや窒化ホウ素や窒化アルミニウムやアルミナやこれら材料に様々な添加材やフィラーを組み合わせたものをベースとした純粋なあるいは複合的なセラミック材料とすることができる。このセラミック材料は、稠密であって、熱伝導度が大きいことと電気抵抗率が大きいことと熱衝撃耐性が大きいこととを特徴とするものである。

プラズマ制限チューブ（３９）をなすセラミックボディが、大きな熱伝導度を有していることにより、薄い環状チャンバ（４５）内を流れる冷却水を高速とすることにより、大きな熱伝導係数がもたらされ、このことは、プラズマ制限チューブ（３９）の適正な冷却にとって適切であり望ましいことである。プラズマ制限チューブ（３９）の外表面を強力にかつ効率的に冷却することにより、石英製の制限チューブを使用した標準的なプラズマトーチにおいて通常的に要求されている電力条件やガス流速条件と比較して、ずっと大きな電力でもってかつずっと小さなガス流速でもってプラズマを生成することができる。これにより、プラズマトーチの出口のところにおいて、ガスの比エンタルピー値を大きくすることができる。

理解されるように、環状チャンバ（４５）の壁厚さが非常に薄い（約１ｍｍ厚さ）ことが、プラズマ制限チューブ（３９）の外表面上にわたって冷却水の速度を増大させるに際して、ひいては、要求されたような大きな熱伝達係数を獲得するに際して、重要な役割を果たしている。

各誘導コイル（４，１２，１４，１６）が、トーチボディ（２）をなすキャストセラミックまたは複合ポリマーの中に完全に埋設されていることにより、各誘導コイルとプラズマ制限チューブ（３９）との間の間隔を、正確に制御することができ、これにより、各誘導コイルとプラズマとの間にわたってのエネルギー結合係数を改良することができる。このことは、また、誘導コイルによって引き起こされる干渉を一切生成することなく、環状チャンバ（４５）の厚さを正確に制御することを可能とする。このような制御は、トーチボディ（２）の内表面に関する許容誤差と、プラズマ制限チューブ（３９）の外表面に関する許容誤差と、を厳しく設定することによって、機械加工によって得られる。

動作時には、第１〜第４誘導コイル（４，１２，１４，１６）に対してＲＦ電流を印加することにより、軸方向チャンバ（７０）の内部にＲＦ磁界を生成することによって、誘導結合プラズマ（７２）が生成される。印加された磁界は、イオン化したガス内に渦電流を誘起し、ジュール加熱によって、適切なプラズモイドが維持される。プラズマの点火も含めて、誘導プラズマトーチの動作は、当業者の通常技術範囲内であると考えられる。よって、ここでは、これ以上の説明を省略する。

発振電源（４８）によって第１誘導コイル（４）に対して供給されるＲＦ電流は、プラズマ（７２）の点火および安定化をもたらすものである。点火に際しては高周波数のＲＦ電流が要求されることにより、発振電源（４８）は、例えば、チューブタイプの高周波数発振電源とすることができる。よって、電源（４８）は、端子（７，９）に対して接続された高周波数出力を有しており、ガス供給ヘッド（３０）に最も近接配置された誘導コイルをなす第１誘導コイル（４）に対して、高周波数ＲＦ電流を供給することができる。これにより、高周波数エネルギーが、軸方向チャンバ（７０）に供給されたガス状物質に対して、誘導的に印加され、これにより、プラズマ（７２）を、点火し得るとともに安定化させることができさらに維持することができる。発振電源（４８）は、６〜１５ｋＶという動作電圧でもって３ＭＨｚ範囲で動作することができる。電圧範囲や動作周波数や発振電源（４８）からのＲＦ電流強度などは、意図した用途に応じた特定の要求を満たし得るように変更可能であることは、理解されるであろう。

第２の低周波数電源（５０）は、相互接続回路（６２）と端子（１１，１３，１５，１７，２５，２７）を介して誘導コイル（１２，１４，１６）対して接続された２つの端子（５１，５３）を有していて、低周波数出力を有している。これにより、軸方向チャンバ（７０）に供給されたガス状物質に対して、低周波数エネルギーが誘導的に印加され、これにより、プラズマ（７２）を、さらに維持して安定化させることができる。この実施形態においては、電源（５０）は、固体電源とすることができる。例えば、そのような固体電源（５０）は、２ｋＶという動作電圧を有することができ、大きな出力電流を有することができる。出力電流値は、装置の電流規格に関連して変更され、場合によっては、１０００アンペアを超えることもある。この電源の動作周波数は、典型的には、２００ｋＨｚ〜４００ｋＨｚとすることができる。この場合にも、動作電圧や動作周波数や電源（５０）からの出力電流強度などは、意図した用途に応じた特定の要求を満たし得るように変更可能であることは、理解されるであろう。

２つの高電力のチューブタイプの発振電源によって動作する従来技術における二重コイルプラズマトーチの場合には、電気絶縁を適切に確保し得るよう、また、２つの電源間の干渉を最小化してそれら電源の各制御回路に対して悪影響を与えることがないように、誘導コイルどうしの間に、大きなギャップ（離間間隔）を設ける必要がある。典型的には、このギャップは、５〜１０ｃｍという程度とされる。例えば電源（４８）といったような従来的な高電圧のチューブタイプの発振電源に対して、例えば電源（５０）といったような低電圧で動作する固体電源を組み合わせることにより、第１誘導コイル（４）と第２誘導コイル（１２）との間のギャップを、良好な電気絶縁を維持しながらなおかつ干渉を最小化しながらも、数ｃｍにまで低減することができ、２〜３ｃｍとすることができる。

この実施形態においては、固体電源（５０）は、個別のコイル（１２，１４，１６）の誘導負荷の３分の１に相当する誘導負荷を必要とする。コイル（１２，１４，１６）のインピーダンスが、互いに等しいものと仮定すれば、必要とされる誘導負荷は、第２〜第４コイル（１２，１４，１６）を、固体電源（５０）の端子（５１，５３）間において、互いに並列に接続することによって、得られる。この場合の接続は、相互接続回路（６２）内における破線によって図示されている。

複数のコイル（例えば、複数のコイル１２，１４，１６）を組み合わせることにより、固体電源（５０）の出力インピーダンスと、誘導プラズマを維持するための複数の誘導コイル（例示の実施形態においては、複数の誘導コイル１２，１４，１６）の入力インピーダンスとを、実質的に整合させることができ、これにより、誘導結合プラズマトーチにおける全体的なエネルギー結合効率を向上させることができる。実際、固体電源（５０）から見た場合の複素負荷は、固体電源（５０）から電力供給を行うコイルの数に応じて、変化する。相互接続回路（６２）を介して端子（５１，５３）間において複数の誘導コイル（例えば、複数の誘導コイル１２，１４，１６）を並列におよび／または直列に接続することは、複素負荷を様々に変更し得るという効果を有している。より詳細には、複数の誘導コイルを互いに直列に接続することにより、複素負荷のインダクタンス値は、増大し、複数の誘導コイルを互いに並列に接続することにより、複素負荷のインダクタンス値は、減少する。したがって、複数の誘導コイル（例えば、複数の誘導コイル１２，１４，１６）に関する最適の相互接続を並列および／または直列でもって選択することにより、複数の誘導コイルの入力インピーダンスを、固体電源（５０）の出力インピーダンスに対して、整合することができる。

当然のことながら、さらなる誘導コイルとして、３個のコイル（１２，１４，１６）よりも少数のあるいは多数のコイルを使用することは、本発明の範囲内である。

マルチコイル構成を使用することにより、まず最初に、誘導コイル（１２，１４，１６）の入力インピーダンスを、電源（５０）の出力インピーダンスに対して、実質的に整合することができる。このことは、固体（トランジスタ）ＲＦ電源（５０）を使用する場合には、特に重要である。その理由は、固体電源が比較的融通の利かない構成を有していて、電源の出力インピーダンスと誘導コイルの入力インピーダンスとの間の大きな不整合を許容し得ないからである。

明瞭化のために、以下においては、、数値的例示を行う。

コイルの等価インピーダンスが、以下の式によって決定されるものと仮定する。すなわち、Ｌ_Ｃ＝ａ×Ｎ_Ｃ ^２×ｄ_Ｃ×ｅ／Ｚ_Ｃ と仮定する。

ここで、
−ａは、定数（４．０×１０^−６）であり、
−Ｎ_Ｃは、コイルのターン数であり、
−ｄ_Ｃは、コイルの内径であり、
−ｄ_ｎは、プラズマまたは負荷の直径であり、
−ｅは、（ｄ_Ｃ−ｄ_ｎ）／２であり、
−Ｚ_Ｃは、コイル長さである。

また、コイルセグメントの数をＮ_Ｓ（コイル数Ｎ_Ｓ＝３）とすれば、等価なコイルインピーダンスは、Ｌ_ｅｑ＝Ｌ_Ｃ／Ｎ_Ｓ によって与えられる。

例えばそれぞれが２ターンからなる３個のセグメントから構成されたマルチコイルに関する等価コイルインピーダンスは、Ｌ_ｅｑ＝（３／４）Ｌ_{ｓｉｎｇｌｅ ｔｕｒｎ ｃｏｉｌ} となる。

このような端数をなすコイルインピーダンスの値は、公知の交番的誘導プラズマコイル構成のいずれによっても得ることはできない。それは、そのような公知構成においては、『単一コイルターン（single coil turns）』の整数倍に限定されるからである。

本発明の例示としての実施形態を参照して本発明について上述したけれども、上記実施形態は、本発明の精神および本質を逸脱することなく、特許請求の範囲内において、任意に修正することができる。

本発明によるマルチコイル型誘導プラズマトーチの一実施形態を示す断面図であって、水冷式の制限チューブを具備している。

符号の説明

２ チューブ状トーチボディ
３ 基端部
４ 第１誘導コイル
５ 先端部
７ 端子
９ 端子
１１ 端子
１２ 第２誘導コイル
１３ 端子
１４ 第３誘導コイル
１５ 端子
１６ 第４誘導コイル
１７ 端子
１９ 冷却水（冷却流体）
２５ 端子
２７ 端子
３０ ガス供給ヘッド
３２ 中間介在チューブ
３６ 円筒形キャビティ
３７ 冷却水（冷却流体）
３９ プラズマ制限チューブ
４０ 注入プローブ
４５ 薄い環状チャンバ
４７ 冷却水（冷却流体）
４８ 発振電源（第１電源）
５０ 固体電源（第２電源）
５１ 第１端子
５３ 第２端子
６２ 相互接続回路
７０ 軸方向チャンバ
７２ 誘導結合プラズマ
１００ マルチコイル型誘導プラズマトーチ

Claims (12)

1. 誘導プラズマトーチであって、
   基端部と先端部とを有しているとともに、内部に高温プラズマが形成される軸方向チャンバを包含した、チューブ状トーチボディと；
   このチューブ状トーチボディの基端部に取り付けられているとともに、前記軸方向チャンバ内へと少なくとも１つのガス状物質を供給するための、ガス供給ヘッドと；
   前記チューブ状トーチボディの前記基端部と前記先端部との間において前記チューブ状トーチボディに対して全体的に同軸的であるようにして前記チューブ状トーチボディに対して取り付けられた一連をなす複数の誘導コイルであるとともに、
   −前記誘導プラズマトーチの動作時には、第１電源の高周波数出力に対して接続されることによって、前記軸方向チャンバに供給された前記少なくとも１つのガス状物質に対して誘導的にエネルギーを印加し得るものとされた、第１誘導コイルと、
   −この第１誘導コイルと前記チューブ状トーチボディの前記先端部との間に配置されるとともに、各々が端子を有しているような、複数の第２誘導コイルと、
   を備えている、一連をなす複数の誘導コイルと；
   前記誘導プラズマトーチの動作時には、（ａ）第２電源の低周波数出力に関する第１端子および第２端子と、（ｂ）前記複数の第２誘導コイルの前記複数の端子と、の間に介在することによって、前記第２電源の前記第１端子と前記第２端子との間において、前記複数の第２誘導コイルを直列的におよび／または並列的に接続し得るものとされた、相互接続回路であって、このような前記複数の第２誘導コイルの直列的および／または並列的な接続を行うことによって、
   −前記複数の第２誘導コイルの入力インピーダンスと前記第２電源の出力インピーダンスとを実質的に整合させることができるとともに、
   −前記軸方向チャンバに供給された前記少なくとも１つのガス状物質に対して誘導的にエネルギーを印加することができる、相互接続回路と；
   を具備していることを特徴とする誘導プラズマトーチ。
2. 請求項１記載の誘導プラズマトーチにおいて、
   前記第１誘導コイルに対して接続された前記高周波数出力を有した前記第１電源と；
   前記低周波数出力を有するとともに、前記第１端子および前記第２端子を有した、前記第２電源と；
   （ａ）前記第２電源の前記低周波数出力に関する前記第１端子および前記第２端子と、（ｂ）前記複数の第２誘導コイルの前記複数の端子と、の間に介在することによって、前記第２電源の前記第１端子と前記第２端子との間において、前記複数の第２誘導コイルを直列的におよび／または並列的に接続し得るものとされた、前記相互接続回路と；
   を具備していることを特徴とする誘導プラズマトーチ。
3. 請求項１または２記載の誘導プラズマトーチにおいて、
   前記チューブ状トーチボディが、第１直径とされた円筒形内表面を有し、
   前記誘導プラズマトーチが、さらに、（ａ）熱伝導度の大きな材料から形成されており、（ｂ）内部に高温プラズマが制限される前記軸方向チャンバを規定し、（ｃ）前記第１直径よりもわずかに小さな第２直径を有した円筒形外表面を有した、プラズマ制限チューブを具備し、
   このプラズマ制限チューブが、前記チューブ状トーチボディ内に取り付けられ、
   前記チューブ状トーチボディの前記円筒形内表面と、前記プラズマ制限チューブの前記円筒形外表面とが、互いに同軸的とされていて、これら内表面と外表面との間に、一様厚さを有した薄い環状チャンバが形成され、これにより、この薄い環状チャンバ内においては、冷却流体の高速流通が可能とされ、
   前記プラズマ制限チューブの構成材料の熱伝導度が大きいことと、冷却流体の流速が大きいことと、の双方によって、プラズマによる高温によって加熱された前記プラズマ制限チューブの熱を、冷却流体へと効率的に伝達することができ、これにより、前記プラズマ制限チューブの冷却を効率的に行い得るようになっていることを特徴とする誘導プラズマトーチ。
4. 請求項３記載の誘導プラズマトーチにおいて、
   さらに、前記薄い環状チャンバに対して接続され、この薄い環状チャンバ内における前記冷却流体の前記高速流通を確立し得る、冷却流体供給源を具備していることを特徴とする誘導プラズマトーチ。
5. 請求項１，２，３，または，４記載の誘導プラズマトーチにおいて、
   前記第２電源が、固体電源とされていることを特徴とする誘導プラズマトーチ。
6. 請求項１，２，３，または，４記載の誘導プラズマトーチにおいて、
   前記第１電源が、チューブタイプの発振電源とされ、
   前記第２電源が、固体電源とされていることを特徴とする誘導プラズマトーチ。
7. 請求項１，２，３，または，４記載の誘導プラズマトーチにおいて、
   前記第２誘導コイルが、前記相互接続回路を介して、前記第２電源の前記低周波数出力に関する前記第１端子および前記第２端子の間において、並列的に接続されていることを特徴とする誘導プラズマトーチ。
8. 請求項１，２，３，または，４記載の誘導プラズマトーチにおいて、
   前記第２誘導コイルが、前記相互接続回路を介して、前記第２電源の前記低周波数出力に関する前記第１端子および前記第２端子の間において、直列的に接続されていることを特徴とする誘導プラズマトーチ。
9. 請求項１，２，３，または，４記載の誘導プラズマトーチにおいて、
   前記第２誘導コイルが、前記相互接続回路を介して、前記第２電源の前記低周波数出力に関する前記第１端子および前記第２端子の間において、直列接続と並列接続とを併用して接続されていることを特徴とする誘導プラズマトーチ。
10. 請求項１，２，３，または，４記載の誘導プラズマトーチにおいて、
    前記第１誘導コイルおよび前記第２誘導コイルが、前記チューブ状トーチボディ内に埋設されていることを特徴とする誘導プラズマトーチ。
11. 請求項１，２，３，または，４記載の誘導プラズマトーチにおいて、
    前記複数の第２誘導コイルが、螺旋的に連接されていることを特徴とする誘導プラズマトーチ。
12. 請求項１，２，３，または，４記載の誘導プラズマトーチにおいて、
    前記複数の第２誘導コイルが、前記第１誘導コイルと前記チューブ状トーチボディの前記先端部との間において、一連をなす複数の誘導コイルを形成していることを特徴とする誘導プラズマトーチ。

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