JP4577684B2 - Plasma generator and method for optimizing its power supply efficiency - Google Patents
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Description
本発明は、大気圧プラズマ源に関し、特にマイクロ波を用いたプラズマ発生装置、並びに、その装置に対する給電効率の最適化方法に関する。 The present invention relates to an atmospheric pressure plasma source, and more particularly, to a plasma generator using microwaves and a method for optimizing power supply efficiency for the device.
マイクロ波を用いたプラズマ発生装置としては、例えば下記の特許文献１、特許文献２或いは特許文献３などに記載されている従来装置などがある。
これらの従来装置は、大型の磁気コイルや減圧機構などを用いて構成されている。
As a plasma generator using a microwave, for example, there are conventional devices described in Patent Document 1, Patent Document 2, or Patent Document 3 below.
These conventional devices are configured using a large magnetic coil, a pressure reducing mechanism, or the like.
しかしながら、これらの従来装置においては、次の様な欠点があった。
（１）真空若しくは低圧でプラズマを使用することを前提としているので、次の点で不利となることがある。
（ａ）磁気コイルや減圧機構が必要不可欠とされる。
（ｂ）高温が必要な場合などでは、むしろ大気圧などの高圧下でのプロセス（スパッタリングやエッチングなど）の方が有利となることが多い。
（２）装置が大型となり易いので、次の点で不利である。
（ａ）設備コストが抑制し難い。
（ｂ）運搬や取り扱いなどが必ずしも容易ではない。
However, these conventional devices have the following drawbacks.
(1) Since it is assumed that plasma is used in vacuum or low pressure, it may be disadvantageous in the following points.
(A) A magnetic coil and a pressure reducing mechanism are indispensable.
(B) When a high temperature is required, a process under high pressure such as atmospheric pressure (sputtering, etching, etc.) is often more advantageous.
(2) Since the apparatus tends to be large, it is disadvantageous in the following points.
(A) Equipment cost is difficult to suppress.
(B) Transportation and handling are not always easy.
即ち、大気圧プラズマ装置は、その外寸が小さいもの、軽いもの、或いは取り扱いが容易なものであることが望ましい場合が少なくないが、今のところこれらの条件を十分に満たす様な従来装置は見当たらない。 In other words, it is often desirable that the atmospheric pressure plasma apparatus is small in size, light, or easy to handle. However, conventional apparatuses that sufficiently satisfy these conditions are currently available. I can't find it.
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、マイクロ波を用いた大気圧プラズマの発生装置において、装置の小型化を実現することである。
また、本発明の更なる目的は、その大気圧プラズマ発生装置に対する給電効率の最適化を容易にすることである。
ただし、上記の個々の目的は、本発明の個々の手段の内の少なくとも何れか１つによって、個々に達成されれば十分であって、本願の個々の発明（下記の個々の手段）は、上記の全ての課題を同時に解決する具体的実施形態が存在することを必ずしも保証するものではない。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to realize downsizing of an atmospheric pressure plasma generator using microwaves.
A further object of the present invention is to facilitate optimization of power supply efficiency for the atmospheric pressure plasma generator.
However, it is sufficient that the above individual objects are achieved individually by at least one of the individual means of the present invention, and the individual invention of the present application (the individual means described below) It does not necessarily guarantee that there is a specific embodiment that solves all of the above problems at the same time.
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第１の手段は、マイクロ波を導波させる筒状の空洞を有するマイクロ波を用いたプラズマ発生装置において、空洞の外殻部を形成する中空の筒状の金属製の外導体と、全体又は少なくとも一部が上記の外導体の内部に配置された、外導体と同軸の筒状の耐熱性の絶縁体と、一部が上記の絶縁体の内部に配置され、外導体と導通された、外導体と同軸の筒状の金属製のプラズマ材料ガス導入管と、外導体の内部でかつ上記の絶縁体の外周に配置され、空洞へマイクロ波を放射する、外導体と同軸のループを有する同軸結合アンテナと、上記の絶縁体の内部でかつプラズマ材料ガス導入管のガス吹き出し口の前方に配置された金属製の放電アンテナとを備え、これにより、上記の絶縁体の前方開口端から大気圧プラズマを放出することである。
In order to solve the above problems, the following means are effective.
That is, the first means of the present invention is a plasma generating apparatus using a microwave having a cylindrical cavity for guiding a microwave, and a hollow cylindrical metal outer member forming an outer shell portion of the cavity. and the conductor, the whole or at least partially disposed inside said outer conductor, an insulator of the outer conductor coaxial cylindrical heat resistance, part of which is arranged inside said insulator, an outer conductor A cylindrical metal plasma material gas introduction pipe coaxial with the outer conductor, and an outer conductor disposed inside the outer conductor and on the outer periphery of the insulator, and radiating microwaves to the cavity. A coaxial coupling antenna having a coaxial loop, and a metal discharge antenna disposed inside the insulator and in front of the gas outlet of the plasma material gas introduction pipe. Atmospheric pressure plasma is emitted from the front opening end It is when.
ただし、上記の耐熱性の絶縁体としては、例えば、石英、石英ガラス、セラミックスなどを用いることができる。
以下、本明細書においては、上記の大気圧プラズマが放出される側を本発明のプラズマ発生装置の前方とする。したがって、上記のプラズマ材料ガス導入管においてプラズマ材料ガスが導入される導入口は、本発明のプラズマ発生装置の後方に位置する。
However, as the insulating material of the above heat resistance, for example, may be used quartz, quartz glass, ceramics and the like.
Hereinafter, in the present specification, the side from which the atmospheric pressure plasma is emitted is the front of the plasma generator of the present invention. Therefore, the introduction port into which the plasma material gas is introduced in the plasma material gas introduction pipe is located behind the plasma generator of the present invention.
また、本発明の第２の手段は、上記の第１の手段において、上記の絶縁体を貫通させる貫通口を軸上に有する円錐台形の側壁部から、上記の外導体の前部を形成することである。 The second means of the present invention, in the first means described above, the circular frustum-shaped sidewall portion that having a through hole through which the above-mentioned insulator on the axis, front portion of the outer conductor Is to form.
また、本発明の第３の手段は、上記の第１または第２の手段において、上記の空洞の軸方向の全長の３等分点上に、上記の同軸結合アンテナのループを配置することである。ただし、この３等分点は上記の全長の内分点とする。 According to a third means of the present invention, in the first or second means, the loop of the coaxially coupled antenna is disposed on a bisector of the axial total length of the cavity. is there. However, this trisection point is the internal division point of the full length.
この内分点は２点存在するが、何れか一方に上記の同軸結合アンテナのループを配置しても良いし、両方の３等分点上に上記の同軸結合アンテナを配置しても良い。ただし、両方の３等分点上に上記の同軸結合アンテナを配置する場合、双方のマイクロ波の位相をπ／２ずらさなくてはならないので、遅延回路が必要となる。したがって、構造の簡易化や小型化や軽量化などの点では、上記の同軸結合アンテナは１カ所に設けることが望ましい。 Although there are two internal dividing points, the above-described coaxially-coupled antenna loop may be disposed on either one, or the above-described coaxially-coupled antennas may be disposed on both bisectors. However, when the above coaxially coupled antennas are arranged on both halves, a delay circuit is required because the phases of both microwaves must be shifted by π / 2. Therefore, it is desirable to provide the above coaxially coupled antenna in one place in terms of simplification of structure, size reduction, and weight reduction.
また、本発明の第４の手段は、上記の第１乃至第３の何れか１つの手段において、大気圧プラズマを放出する向きに突き出した突起を上記の放電アンテナに設け、かつ、この突起を上記の絶縁体の軸上に配置することである。 According to a fourth means of the present invention, in any one of the first to third means described above, a protrusion protruding in a direction to emit atmospheric pressure plasma is provided on the discharge antenna, and the protrusion is provided. It is arrange | positioning on the axis | shaft of said insulator.
また、本発明の第５の手段は、上記の第１乃至第４の何れか１つの手段において、放電アンテナは、螺旋状のフィラメントであることを特徴とするプラズマ発生装置である。
また、本発明の第６の手段は、上記の第１乃至第５の何れか１つの手段において、放電アンテナは、トリウムが混合されたタングステンから成ることを特徴とする。
A fifth means of the present invention is the plasma generating apparatus according to any one of the first to fourth means, wherein the discharge antenna is a spiral filament.
According to a sixth means of the present invention, in any one of the first to fifth means, the discharge antenna is made of tungsten mixed with thorium.
また、本発明の第７の手段は、上記の第１乃至第６の何れか１つの手段において、同軸ケーブルによって上記の同軸結合アンテナに給電するようにしたことである。 According to a seventh means of the present invention, in any one of the first to sixth means, the coaxial coupling antenna is fed with a coaxial cable.
また、本発明の第８の手段は、上記の第１乃至第７の何れか１つの手段において、上記のプラズマ材料ガス導入管に、その軸方向の位置が調節可能な可変機構を設けることである。 According to an eighth means of the present invention, in any one of the first to seventh means, the plasma material gas introduction pipe is provided with a variable mechanism whose axial position can be adjusted. is there.
また、本発明の第９の手段は、請求項８に記載のプラズマ発生装置に対する給電効率を最適化する工程において、上記の可変機構により、上記の同軸結合アンテナにおけるマイクロ波の反射率を最小に設定することである。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
According to a ninth means of the present invention, in the step of optimizing the power supply efficiency for the plasma generator according to claim 8, the microwave reflectivity of the coaxially coupled antenna is minimized by the variable mechanism. Is to set.
By the above means of the present invention, the above-mentioned problem can be effectively or rationally solved.
以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の第１の手段によれば、マイクロ波により上記の空洞内に高電界が発生し、上記の放電アンテナに電界が集中するので、プラズマ材料ガス導入管から導入されたプラズマ材料ガスは、効率よくプラズマ状態となる。この時、プラズマ材料ガス導入管や上記の絶縁体の管内は何れも略大気圧であるので、プラズマ材料ガスの注入流量を最適化することにより、本装置の前方に純度の良好なプラズマガスを放出することができる。同軸結合アンテナを用いたので、導波管を用いることなく、同軸ケーブルを用いて同軸結合アンテナに、マイクロ波を供給することができるので、装置を小型に構成することができる。
The effects obtained by the above-described means of the present invention are as follows.
That is, according to the first means of the present invention, since a high electric field is generated in the cavity by the microwave and the electric field is concentrated on the discharge antenna, the plasma material gas introduced from the plasma material gas introduction tube Becomes a plasma state efficiently. At this time, since the inside of the plasma material gas introduction pipe and the above-described insulator pipe is substantially atmospheric pressure, by optimizing the injection flow rate of the plasma material gas, a plasma gas with good purity is introduced in front of the apparatus. Can be released. Since the coaxially coupled antenna is used, microwaves can be supplied to the coaxially coupled antenna using a coaxial cable without using a waveguide, so that the apparatus can be made compact.
また、本発明の第２の手段によれば、上記の貫通口付近に電界が良好に集中するので、上記の放電アンテナに、より効率良く電界が集中する。このため、プラズマ発生のために消費される電力を抑制することができる。 In addition, according to the second means of the present invention, the electric field is concentrated well in the vicinity of the through hole, so that the electric field is more efficiently concentrated on the discharge antenna. For this reason, the electric power consumed for plasma generation can be suppressed.
また、本発明の第３の手段によれば、軸方向の装置の全長を短く確保しつつ、効率良くマイクロ波を放電アンテナへ供給することができる。したがって、本発明の第３の手段によれば、装置の小型化と省電力化の双方を合理的に両立させることができる。 Further, according to the third means of the present invention, it is possible to efficiently supply the microwave to the discharge antenna while ensuring a short overall length of the axial device. Therefore, according to the third means of the present invention, both miniaturization and power saving of the apparatus can be rationally achieved.
また、本発明の第４の手段によれば、プラズマが発生する向きとプラズマを放出させるべき向きとが一致するので、生成されたプラズマの消滅、減衰などの無駄を極力排除しつつ即座に放出することができる。また、第５の手段によれば、放電アンテナを螺旋状のフィラメントとしたことから、この部分にマイクロ波を集中させて、プラズマを容易に発生させることができる。また、第６の手段によれば、放電アンテナを、トリウムが混合されたタングステンにより構成したので、マイクロ波による加熱により電子が放出され易くなるので、この部分に容易にプラズマを発生させることができる。 Further, according to the fourth means of the present invention, since the direction in which the plasma is generated coincides with the direction in which the plasma should be emitted, the generated plasma is immediately released while eliminating waste such as extinction and attenuation of the generated plasma as much as possible. can do. Further, according to the fifth means, since the discharge antenna is a spiral filament, it is possible to easily generate plasma by concentrating microwaves on this portion. According to the sixth means, since the discharge antenna is made of tungsten mixed with thorium, electrons are easily emitted by heating with microwaves, so that plasma can be easily generated in this portion. .
同軸ケーブルは、柔軟性があり小型にまとめることもでき、取り扱いが便利である。したがって、本発明の第７の手段によれば、装置に対して同軸ケーブルでマイクロ波を入力することが可能となり、取り扱いが容易でかつ、導波管などでマイクロ波を導入する場合よりも遥かにコンパクトな装置を構成することができる。同軸結合アンテナにより容易にマイクロ波を空洞に供給することができる。
また、Ｎ型同軸コネクタなどを利用すれば、着脱操作も容易となり、更に、これらの部品は規格化されたり市販されたりしているので、装置の設計や製造も簡単になる。
The coaxial cable is flexible and can be bundled in a small size, and is easy to handle. Therefore, according to the seventh means of the present invention, it is possible to input a microwave to the apparatus through a coaxial cable, which is easy to handle and far more than the case of introducing the microwave through a waveguide or the like. A compact apparatus can be configured. A microwave can be easily supplied to the cavity by the coaxially coupled antenna.
Further, if an N-type coaxial connector or the like is used, it is easy to attach and detach, and furthermore, these parts are standardized or commercially available, so that the design and manufacture of the apparatus are simplified.
また、本発明の第８の手段によれば、上記のプラズマ材料ガス導入管の軸方向の位置を調整することによって、上記の同軸結合アンテナの空洞に対するマイクロ波の反射率を最小化することができる（本発明の第９の手段）。
通常、プラズマが発生している場合とそうでない場合とでは、空洞と同軸結合アンテナとの間のインピーダンスマッチングの最適条件は異なる。しかしながら、上記の可変機構を随時利用すれば、容易にインピーダンス整合の最適化を図ることができるため、常時、電力の使用効率の高いプラズマ発生装置を実現することも可能となる。
Further, according to the eighth means of the present invention, the reflectance of the microwave to the cavity of the coaxially coupled antenna can be minimized by adjusting the position of the plasma material gas introduction pipe in the axial direction. (Ninth means of the present invention)
Usually, the optimum conditions for impedance matching between the cavity and the coaxially coupled antenna differ depending on whether plasma is generated or not. However, since the impedance matching can be easily optimized by using the variable mechanism as needed, it is possible to always realize a plasma generator with high power use efficiency.
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples.
However, the embodiments of the present invention are not limited to the following examples.
図１−Ａは、本実施例１のプラズマ発生装置１０の軸上の断面図である。このプラズマ発生装置１０は、セラミックスからなる高耐熱性の絶縁体４の前方開口端４ａからプラズマを出射するものである。先端が窄んだ略円筒形の金属製の外導体２は、同軸空洞Ｒの外殻部を形成している。外導体２、絶縁体４、及び金属製のプラズマ材料ガス導入管１は、何れも筒状に形成されて互いに同軸となる様に配置されており、この軸周辺に絶縁体４とプラズマ材料ガス導入管１が位置している。外導体２とプラズマ材料ガス導入管１とは、可変機構６付近で電気的に接続（導通）されている。 FIG. 1A is a cross-sectional view on the axis of the plasma generator 10 of the first embodiment. This plasma generator 10 emits plasma from the front opening end 4a of the high heat resistance insulator 4 made of ceramics. A substantially cylindrical metal outer conductor 2 with a narrowed tip forms an outer shell portion of the coaxial cavity R. The outer conductor 2, the insulator 4, and the metal plasma material gas introduction pipe 1 are all formed in a cylindrical shape so as to be coaxial with each other, and the insulator 4 and the plasma material gas are disposed around this axis. The introduction pipe 1 is located. The outer conductor 2 and the plasma material gas introduction pipe 1 are electrically connected (conductive) in the vicinity of the variable mechanism 6.
プラズマ材料ガス導入管１の導入口１ａは、プラズマ発生装置１０の最後部に配置されており、一方、プラズマ材料ガス導入管１のガス吹き出し口１ｂはその反対側に配置されている。そして、このガス吹き出し口１ｂの更に前部には、金属製の放電アンテナ５が配設されている。即ち、この放電アンテナ５は、絶縁体４の内壁に固定されており、絶縁体４内の軸と同軸上に配置されている。放電アンテナ５は周辺部が絶縁体４の内壁に接合するリング形状に構成されており、中心軸がプラズマを放出する側に突出した突起５１を有している。この放電アンテナ５付近においては、軸に対する外側方向には、プラズマ材料ガス導入管１が無く、かつ下記の略円錐台形の側壁部２ａがある。この様な配置により、この放電アンテナ５には、電界が集中し易くなっている。図１−Ｂに、この放電アンテナ５の正面図を示す。 The inlet 1a of the plasma material gas inlet tube 1 is disposed at the rearmost part of the plasma generator 10, while the gas outlet 1b of the plasma material gas inlet tube 1 is disposed on the opposite side. A metallic discharge antenna 5 is disposed further in front of the gas outlet 1b. That is, the discharge antenna 5 is fixed to the inner wall of the insulator 4 and is arranged coaxially with the shaft in the insulator 4. The discharge antenna 5 is formed in a ring shape whose peripheral portion is joined to the inner wall of the insulator 4, and has a projection 51 whose central axis protrudes to the plasma emission side. In the vicinity of the discharge antenna 5, the plasma material gas introduction tube 1 is not provided in the outer direction with respect to the axis, and the following truncated cone-shaped side wall portion 2 a is provided. With such an arrangement, the electric field tends to concentrate on the discharge antenna 5. FIG. 1B shows a front view of the discharge antenna 5.
外導体２の前部は、絶縁体４を貫通させる貫通口を軸上に有する略円錐台形の側壁部２ａから形成されている。側壁部２ａの貫通口付近が前方に向って窄んでいる構造もまた、生成される電界を放電アンテナ５に集中させるのに寄与している。
同軸結合アンテナ３は、その正面図を図１−Ｃに示す様に、先端がループ状になっている。このループの中を絶縁体４が貫通し、同時にプラズマ材料ガス導入管１もこのループの中を貫通している。
The front portion of the outer conductor 2 is formed from a substantially truncated cone side wall portion 2 a having a through-hole through which the insulator 4 penetrates on the axis. The structure in which the vicinity of the through hole of the side wall 2a is narrowed forward also contributes to concentrating the generated electric field on the discharge antenna 5.
The front end of the coaxially coupled antenna 3 has a loop shape as shown in FIG. The insulator 4 passes through the loop, and at the same time, the plasma material gas introduction pipe 1 passes through the loop.
プラズマ材料ガス導入管１の位置を調整する可変機構６は、固定金具などを用いて形成されており、この可変機構６により、プラズマ材料ガス導入管１は、上記の絶縁体４の内壁面に案内されて、軸方向に（即ち、前後方向に）位置を変えることができる。Ｎ型同軸コネクタ７は、図略の同軸ケーブルを接続するための電気的な接続インターフェイスを提供している。この同軸ケーブルは、マイクロ波を給電するために用いられ、これによってＮ型同軸コネクタ７から入力された高周波電力は、同軸結合アンテナ３まで伝送される。同軸結合アンテナ３はこの給電に基づいて、同軸空洞Ｒに対して所定の周波数のマイクロ波を放射する。この時、このマイクロ波は、同軸空洞Ｒ内にて高電界を生成する。 The variable mechanism 6 for adjusting the position of the plasma material gas introduction pipe 1 is formed by using a fixing bracket or the like. The variable mechanism 6 allows the plasma material gas introduction pipe 1 to be attached to the inner wall surface of the insulator 4. Guided, the position can be changed in the axial direction (ie in the front-rear direction). The N-type coaxial connector 7 provides an electrical connection interface for connecting a coaxial cable (not shown). The coaxial cable is used to feed microwaves, whereby high frequency power input from the N-type coaxial connector 7 is transmitted to the coaxial coupling antenna 3. The coaxially coupled antenna 3 radiates microwaves having a predetermined frequency to the coaxial cavity R based on this feeding. At this time, the microwave generates a high electric field in the coaxial cavity R.
プラズマ材料ガス導入管１の導入口１ａから流入されたプラズマ材料ガスは、上記の放電アンテナ５の隙間ｓを通って、この放電アンテナ５の突起先端ｔ付近にまで到達する。この突起先端ｔ付近には電界が集中するので、これによって上記のプラズマ材料ガスを電離することができる。この電離後の状態のものが大気圧プラズマであり、プラズマ材料ガスの流入速度に応じて前方開口端４ａから出射される。 The plasma material gas flowing in from the inlet 1a of the plasma material gas introduction tube 1 passes through the gap s of the discharge antenna 5 and reaches the vicinity of the protrusion tip t of the discharge antenna 5. Since the electric field is concentrated in the vicinity of the projection tip t, the plasma material gas can be ionized. In this state after ionization, atmospheric pressure plasma is emitted from the front opening end 4a in accordance with the inflow speed of the plasma material gas.
上記の同軸結合アンテナ３は、同軸空洞Ｒの全長（軸方向の長さ）の３等分点上に配置されている。また、同軸空洞Ｒの全長は、上記のマイクロ波の管内波長λの３／４に設定されている。
外導体２の外径Ｄやプラズマ材料ガス導入管１の外径ｄは、例えばそれぞれ、Ｄ＝３０ｍｍ，ｄ＝３．２ｍｍ程度で良い。
プラズマ材料ガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ），酸素（Ｏ2 ）、水素（Ｈ2 ）などの一般に用いられている周知のガスを用いることができる。ガス流量は、本プラズマ発生装置１０の場合、０．１〜１０リットル／分程度が適当である。
また、同軸結合アンテナ３に対する給電電力は、概ね１００Ｗ程度で良い。
The above-described coaxially coupled antenna 3 is disposed on a bisector of the entire length (axial length) of the coaxial cavity R. The total length of the coaxial cavity R is set to 3/4 of the above-mentioned microwave guide wavelength λ.
The outer diameter D of the outer conductor 2 and the outer diameter d of the plasma material gas introduction pipe 1 may be, for example, about D = 30 mm and d = 3.2 mm, respectively.
As the plasma material gas, for example, a commonly used gas such as argon (Ar), oxygen (O 2 ), hydrogen (H 2 ), or the like can be used. In the case of the plasma generator 10, the gas flow rate is suitably about 0.1 to 10 liters / minute.
Further, the power supplied to the coaxially coupled antenna 3 may be about 100 W.
以上の様な構成に従えば、全長約１００ｍｍ程度の非常にコンパクトなプラズマ発生装置（本プラズマ発生装置１０）を構成することができる。この様なプラズマ発生装置は、従来よりも遥かに小型で、かつ非常に軽量であるので、その取り扱いは従来よりも格段に容易である。 According to the above configuration, a very compact plasma generator (the present plasma generator 10) having a total length of about 100 mm can be configured. Since such a plasma generator is much smaller and lighter than the conventional apparatus, its handling is much easier than before.
また、上記のプラズマ材料ガス導入管１の位置を調整する可変機構６によって、上記の同軸結合アンテナ３の同軸空洞Ｒに対するマイクロ波の反射率を最小化することができる（本発明の第９の手段）。
通常、プラズマが発生している場合とそうでない場合とでは、空洞と同軸結合アンテナとの間のインピーダンスマッチングの最適条件は異なるが、上記の可変機構６を利用すれば、容易にインピーダンス整合の最適化を図ることができる。
Further, the reflectivity of the microwave with respect to the coaxial cavity R of the coaxially coupled antenna 3 can be minimized by the variable mechanism 6 that adjusts the position of the plasma material gas introduction tube 1 (the ninth aspect of the present invention). means).
Normally, the optimum conditions for impedance matching between the cavity and the coaxially coupled antenna differ depending on whether plasma is generated or not. However, if the variable mechanism 6 is used, the optimum impedance matching can be easily performed. Can be achieved.
上記の放電アンテナ５は、電子を放出し易い金属材料であれば良いが、特に、トリウムが混合されたタングステンで構成するのが望ましい。また、図１−Ａに示す放電アンテナの配設する位置（導入管１の先端部で絶縁体４の内部）に、図２−Ｂに示すように、コイル状のフィラメント５２から成る放電アンテナ５を設けても良い。このフィラメント５２は、トリウムが混合されたタングステンである。この構成により、このフィラメント５２がマイクロ波で加熱されて、電子を効果的に放出することができ、この部分でプラズマを容易に発生させることが可能となる。 The discharge antenna 5 may be made of a metal material that easily emits electrons. In particular, the discharge antenna 5 is preferably made of tungsten mixed with thorium. 1A is disposed at the position where the discharge antenna shown in FIG. 1A is disposed (at the tip of the introduction tube 1 and inside the insulator 4), as shown in FIG. May be provided. The filament 52 is tungsten mixed with thorium. With this configuration, the filament 52 is heated by microwaves, and electrons can be effectively emitted, and plasma can be easily generated at this portion.
本発明のプラズマ発生装置は、例えば表面クリーニング、ＣＶＤ、表面改質、エッチングなどの周知の用途に用いることができる。 The plasma generator of the present invention can be used for known applications such as surface cleaning, CVD, surface modification, and etching.
１０ ： プラズマ発生装置
１ ： プラズマ材料ガス導入管
１ａ： 導入口
１ｂ： ガス吹き出し口
２ ： 外導体
２ａ： 円錐台形の側壁部（外導体２の前部）
３ ： 同軸結合アンテナ
４ ： 耐熱性の絶縁体
４ａ： 絶縁体４の前方開口端
５ ： 放電アンテナ
６ ： プラズマ材料ガス導入管１の位置を調整する可変機構
７ ： Ｎ型同軸コネクタ
Ｒ ： 同軸空洞
５１： 突起
５２： 放電アンテナ
10: plasma generator 1: a plasma material gas introduction pipe 1a: inlet 1b: gas outlet 2: outer conductor 2a: circular cone trapezoidal side wall portion (the outer conductor 2 front)
3: Coaxial coupling antenna 4: the heat resistance insulator 4a: front open end 5 of the insulator 4: discharge Antenna 6: variable mechanism 7 for adjusting the position of the plasma gas feed pipe 1: N-type coaxial connector R: Coaxial cavity 51: Projection 52: Discharge antenna
Claims (9)
前記空洞の外殻部を形成する中空の筒状の金属製の外導体と、
全体又は少なくとも一部が前記外導体の内部に配置された、前記外導体と同軸の筒状の耐熱性の絶縁体と、
一部が前記絶縁体の内部に配置され、前記外導体と導通された、前記外導体と同軸の筒状の金属製のプラズマ材料ガス導入管と、
前記外導体の内部でかつ前記絶縁体の外周に配置され、前記空洞へ前記マイクロ波を放射する、前記外導体と同軸のループを有する同軸結合アンテナと、
前記絶縁体の内部でかつ前記プラズマ材料ガス導入管のガス吹き出し口の前方に配置された金属製の放電アンテナと
を有し、
前記絶縁体の前方開口端から大気圧プラズマを放出する
ことを特徴とするプラズマ発生装置。 In a plasma generator using a microwave having a cylindrical cavity for guiding a microwave,
A hollow cylindrical metal outer conductor forming the outer shell of the cavity;
A cylindrical heat-resistant insulator coaxial with the outer conductor, the whole or at least a part of which is disposed inside the outer conductor;
A cylindrical metal plasma material gas introduction pipe coaxial with the outer conductor, a part of which is disposed inside the insulator and is electrically connected to the outer conductor;
A coaxial coupling antenna having a loop coaxial with the outer conductor, disposed inside the outer conductor and on the outer periphery of the insulator, and radiates the microwave to the cavity;
A metal discharge antenna disposed inside the insulator and in front of the gas outlet of the plasma material gas introduction pipe;
A plasma generating apparatus for emitting atmospheric pressure plasma from a front opening end of the insulator.
前記絶縁体を貫通させる貫通口を軸上に有する円錐台形の側壁部から形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。 The front part of the outer conductor is
The plasma generating apparatus according to claim 1, characterized in that it is formed from a circular cone trapezoidal side wall portions that have a through-hole for penetrating the insulation on the axis.
前記空洞の軸方向の全長の３等分点上に配置されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ発生装置。 The loop of the coaxially coupled antenna is
The plasma generating apparatus according to claim 1, wherein the plasma generating apparatus is disposed on a bisector of the overall length of the cavity in the axial direction.
前記大気圧プラズマを放出する向きに突き出した突起を有し、
前記突起は、
前記絶縁体の軸上に配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のプラズマ発生装置。 The discharge antenna is
Having a protrusion protruding in the direction of emitting the atmospheric pressure plasma,
The protrusion is
The plasma generating apparatus according to claim 1, wherein the plasma generating apparatus is disposed on an axis of the insulator.
同軸ケーブルによって給電されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のプラズマ発生装置。 The coaxial coupling antenna is
The plasma generator according to any one of claims 1 to 6, wherein power is supplied by a coaxial cable.
軸方向の位置が調節可能な可変機構を有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のプラズマ発生装置。 The plasma material gas introduction pipe is
The plasma generator according to any one of claims 1 to 7, further comprising a variable mechanism capable of adjusting a position in an axial direction.
前記可変機構により、前記同軸結合アンテナにおける前記マイクロ波の反射率を最小に設定する
ことを特徴とする給電効率の最適化方法。 A method for optimizing the power supply efficiency for the plasma generator according to claim 8,
A method for optimizing feeding efficiency, characterized in that the reflectivity of the microwave in the coaxially coupled antenna is set to a minimum by the variable mechanism.
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