JP4596433B2 - Contamination particle processing equipment - Google Patents

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本発明は、プラズマ技術を用いた汚染粒子処理装置に関する。   The present invention relates to a contaminated particle processing apparatus using plasma technology.
近年、超微小粒子やナノ粒子の人体への影響がクローズアップされている。有害物質を含んだ大気中の粒子は呼吸により人間の体内に入り、その粒径によって決まる沈着部位に沈着する。たとえば、粒径1〜10μmの粒子は気管および気管支に沈着し、粒径1μm以下の粒子は、肺の深部まで到達する。このような微小粒子は、質量や濃度における影響は小さく、ほとんど無視できるが、個数や表面積の影響は大きく汚染粒子の大部分に相当することが分かっている。従来、汚染気体を処理するためには汚染粒子を捕集するフィルタが用いられてきたが、微小粒子はフィルタの網目を抜けるため捕集困難であり、フィルタを用いる場合、捕集した後の捕集粒子の焼却の際にも微小粒子が発生する。   In recent years, the influence of ultrafine particles and nanoparticles on the human body has been highlighted. Particles in the atmosphere containing harmful substances enter the human body through respiration and deposit at the deposition site determined by the particle size. For example, particles having a particle size of 1 to 10 μm are deposited in the trachea and bronchi, and particles having a particle size of 1 μm or less reach the deep part of the lung. Such fine particles have little influence on mass and concentration and can be almost ignored. However, it is known that the influence of the number and surface area is large and corresponds to most of the contaminating particles. Conventionally, filters that collect pollutant particles have been used to treat polluted gases, but microparticles are difficult to collect because they pass through the filter mesh. Fine particles are also generated when the collected particles are incinerated.
一方で、大気汚染防止法が改正され、工場や事業所の揮発性有機化学物(VOC)の規制が強化されている。また、工場や事業所から排出されるVOCガスだけでなく、自動車からの排気ガスも大気中で太陽の紫外線を受けてオゾンに代表される光化学オキシダントによる光化学スモッグを生じさせる。このような光化学オキシダントの環境基準達成率は、低いまま推移している。このような事情から、安価かつ効率的に微小粒子と同時にVOCガス等の汚染ガスを分解処理する手法が強く求められている。   On the other hand, the Air Pollution Control Law has been revised, and regulations on volatile organic chemicals (VOC) in factories and offices have been strengthened. Further, not only VOC gas discharged from factories and business offices but also exhaust gas from automobiles receives solar ultraviolet rays in the atmosphere and generates photochemical smog by photochemical oxidants represented by ozone. The achievement rate of environmental standards for such photochemical oxidants remains low. Under such circumstances, there is a strong demand for a method of decomposing and treating pollutant gases such as VOC gas at the same time as fine particles at low cost and efficiency.
このような状況において、半導体の処理工程で発生するパーフルオロカーボンを処理するため、プラズマジェットを用いた排ガス処理装置が開示されている(特許文献1参照)。特許文献1の排ガスのプラズマ分解処理装置は、非移行型電極間に放電電圧を印加してアークを発生させるとともに、アークに作動ガスを送給してアノード側から外部に向かってプラズマジェットを生成し、生成したプラズマジェットのアノード側の上流部近傍に向け、パーフルオロコンパウンド排ガスを外側から供給する。これにより、電熱ヒータでは分解することができなかったCFなどを分解可能にしている。
特開2005−205330号公報
In such a situation, an exhaust gas treatment apparatus using a plasma jet is disclosed to treat perfluorocarbon generated in a semiconductor treatment process (see Patent Document 1). The exhaust gas plasma decomposition apparatus of Patent Document 1 applies a discharge voltage between non-migrating electrodes to generate an arc, and supplies a working gas to the arc to generate a plasma jet from the anode side toward the outside. Then, perfluoro compound exhaust gas is supplied from the outside toward the upstream portion near the anode side of the generated plasma jet. As a result, CF 4 or the like that could not be decomposed by the electric heater can be decomposed.
JP 2005-205330 A
上記の通り、プラズマジェットを生成して気体中の有害物質を処理する装置が開示されている。しかしながら、特許文献1記載の排ガス処理装置は、電極をガスの流路内に曝して排ガスを分解しており、電極がガスに接触することにより装置由来の不純物が生じ処理後の気体に混入する。このような二次汚染が生じると、スクラバを設ける等の二次汚染への対処も必要となる。また、上記の排ガス処理装置は、反応槽の上端にプラズマジェットトーチを設けており、装置が大掛かりなものとなっている。   As described above, an apparatus for generating a plasma jet to treat harmful substances in a gas is disclosed. However, the exhaust gas treatment apparatus described in Patent Document 1 decomposes the exhaust gas by exposing the electrode to the gas flow path, and when the electrode contacts the gas, impurities derived from the apparatus are generated and mixed into the gas after treatment. . When such secondary contamination occurs, it is necessary to deal with secondary contamination such as by providing a scrubber. Further, the exhaust gas treatment apparatus described above is provided with a plasma jet torch at the upper end of the reaction tank, and the apparatus is large.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、装置由来の不純物を生じさせることなく汚染粒子を処理できるコンパクトな汚染粒子処理装置を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the compact contamination particle processing apparatus which can process a contamination particle, without producing the impurity derived from an apparatus.
(1)上記の目的を達成するため、本発明に係る汚染粒子処理装置は、外部の気体を遮断し、内部に気体を流通させる気体流通路と、前記気体流通路の外部に配置され、前記気体流通路内に高周波を印加してプラズマを発生させる高周波印加部と、汚染粒子を含む汚染気体を前記気体流通路に導入する汚染気体導入路と、を備え、前記発生したプラズマにより汚染粒子を分解して処理することを特徴としている。   (1) In order to achieve the above object, a contaminated particle processing apparatus according to the present invention is disposed outside a gas flow path for blocking gas outside and allowing gas to flow inside, A high-frequency application unit that generates a plasma by applying a high frequency in the gas flow path; and a contaminated gas introduction path that introduces a contaminated gas containing contaminated particles into the gas flow path, It is characterized by disassembling and processing.
このように本発明の汚染粒子処理装置は、高周波印加部を気体流通路の外部に配置するため、直接に電極と汚染物質が接触することがなく、不純物を生じさせない。また、プラズマジェットトーチ等を必要とせず、装置をコンパクトにし、かつ低コストなものにすることができる。なお、排ガス等に含まれる微小粒子、超微小粒子、ナノ粒子だけでなくVOC等汚染気体を構成する分子も汚染粒子として処理の対象となりうる。汚染気体は、このような汚染粒子を含む気体を指し、分解処理の対象とならない窒素分子やアルゴン分子等を含む場合もある。   Thus, in the contaminated particle processing apparatus of the present invention, since the high-frequency applying unit is disposed outside the gas flow path, the electrode and the contaminant are not in direct contact with each other, and impurities are not generated. Further, a plasma jet torch or the like is not required, and the apparatus can be made compact and low in cost. In addition, not only microparticles, ultrafine particles, and nanoparticles contained in exhaust gas but also molecules that constitute a pollutant gas such as VOC can be treated as pollutant particles. The contaminated gas refers to a gas containing such contaminated particles, and may include nitrogen molecules, argon molecules, and the like that are not subject to decomposition treatment.
(2)また、本発明に係る汚染粒子処理装置は、前記気体流通路の気体の流れに垂直な断面の面積が、0.1mm以上100mm以下であることを特徴としている。このように、気体流通路の気体の流れに垂直な断面の面積が、0.1mm以上であるため、圧力損失により効率が低下することがない。また、気体流通路の気体の流れに垂直な断面の面積が、100mm以下であるため、プラズマを発生させる範囲を絞り、エネルギーを小さくして温度を上がりやすくしている。なお、気体流通路を複数設けることも可能である。たとえば、複数の管により複数の気体流通路を形成することができる。そのような場合には、上記の断面は、1つの管(壁面によって閉じられた1つの気体流通路)の断面を意味する。 (2) In addition, contaminating particles processing apparatus according to the present invention, the area of the cross section perpendicular to the flow of gas in the gas flow passage is, it is characterized in that it is 0.1 mm 2 or more 100 mm 2 or less. Thus, since the area of the cross section perpendicular to the gas flow in the gas flow passage is 0.1 mm 2 or more, the efficiency does not decrease due to pressure loss. In addition, since the area of the cross section perpendicular to the gas flow in the gas flow passage is 100 mm 2 or less, the range in which plasma is generated is narrowed to reduce the energy and make it easy to raise the temperature. A plurality of gas flow passages can be provided. For example, a plurality of gas flow paths can be formed by a plurality of tubes. In such a case, the above-mentioned cross section means a cross section of one pipe (one gas flow path closed by a wall surface).
(3)また、本発明に係る汚染粒子処理装置は、前記気体流通路内のプラズマを発生させる領域より上流に設けられ、高電圧によりプラズマの点火を行う点火部を更に備えることを特徴としている。このように、点火部が体流通路内のプラズマを発生させる領域より上流に設けられているため、汚染物質が点火部と反応を起こさないようにしつつ、プラズマを点火することができる。その結果、二次的な装置由来の不純物が生じるのを防止することができる。   (3) Moreover, the pollutant particle processing apparatus according to the present invention further includes an ignition unit that is provided upstream of a region in the gas flow passage where plasma is generated and that ignites plasma with a high voltage. . Thus, since the ignition part is provided upstream from the region in the body flow passage where plasma is generated, the plasma can be ignited while preventing pollutants from reacting with the ignition part. As a result, secondary device-derived impurities can be prevented from being generated.
(4)また、本発明に係る汚染粒子処理装置は、前記高周波印加部が、導電性を有する一対の平行平板を有し、前記平行平板の間に高周波を印加することを特徴としている。このように、平行平板を用いて、電流を流すタイプの高周波印加部とすることで、高周波印加部に負荷がかかり過ぎることがなくなる。その結果、高周波印加部を損傷し難くすることができる。   (4) Moreover, the contaminated particle processing apparatus according to the present invention is characterized in that the high-frequency application unit has a pair of conductive parallel plates, and applies a high frequency between the parallel plates. In this way, by using a parallel plate and using a high-frequency application unit that flows current, the high-frequency application unit is not overloaded. As a result, it is possible to make it difficult to damage the high-frequency application unit.
(5)また、本発明に係る汚染粒子処理装置は、前記高周波印加部の平行平板が、0.1mm以上20mm以下の間隔を空けて設けられていることを特徴としている。このように、平行平板の間隔を狭くすることで空気や窒素のような気体であっても、気体を電離してプラズマを維持することができる。その結果、プラズマにより気体中の汚染粒子を分解除去することができる。また、0.1mm以上の間隔を空けてあるので、平行平板間でショートするのを防ぐことができる。   (5) Moreover, the contamination particle processing apparatus which concerns on this invention is characterized by the parallel plate of the said high frequency application part being provided with the space | interval of 0.1 mm or more and 20 mm or less. Thus, by narrowing the interval between the parallel plates, even a gas such as air or nitrogen can be ionized to maintain the plasma. As a result, contaminant particles in the gas can be decomposed and removed by the plasma. Moreover, since the space | interval of 0.1 mm or more is provided, it can prevent short-circuiting between parallel plates.
(6)また、本発明に係る汚染粒子処理装置は、前記汚染気体導入路が、前記気体流通路内のプラズマを発生させる領域またはその下流に前記気体流通路内へ突出する導入口が設けられていることを特徴としている。このように、プラズマを発生させる領域またはその下流に汚染気体を導入するため、プラズマの生成に汚染粒子の影響を与えず、発生させたプラズマを安定させることができる。   (6) Further, in the contaminated particle processing apparatus according to the present invention, an introduction port through which the contaminated gas introduction path projects into the gas flow path is provided in a region where the plasma in the gas flow path is generated or downstream thereof. It is characterized by having. As described above, since the pollutant gas is introduced into the region where the plasma is generated or downstream thereof, the generated plasma can be stabilized without affecting the generation of the plasma by the contaminant particles.
(7)また、本発明に係る汚染粒子処理装置は、前記気体流通路内のプラズマを発生させる領域より下流に設けられた耐熱吸着フィルタを更に備えることを特徴としている。これにより、導入させる汚染粒子が少ないときにはプラズマを使用せずに耐熱吸着フィルタを使用し、多いときにはプラズマを使用することができ、電力の無駄を無くすことができる。また、プラズマを使用する場合でもプラズマで分解しきれなかった粒子があった場合には耐熱吸着フィルタでこれを吸着することができる。   (7) Moreover, the contaminated particle processing apparatus according to the present invention is further characterized by further comprising a heat-resistant adsorption filter provided downstream from a region in the gas flow passage where plasma is generated. As a result, the heat-resistant adsorption filter can be used without using plasma when the amount of contaminating particles to be introduced is small, and the plasma can be used when there are many contaminants, and waste of electric power can be eliminated. Moreover, even when using plasma, if there are particles that could not be decomposed by the plasma, they can be adsorbed by a heat-resistant adsorption filter.
(8)また、本発明に係る汚染粒子処理装置は、前記気体流通路のプラズマを発生させる領域より上流の部分を加熱する熱源を更に備えることを特徴としている。このように、熱源により空気を乾燥させて、プラズマを生じさせ易くすることができる。たとえば、自動車に本発明の汚染粒子処理装置を積載するときには、エンジン等の余熱を熱源として利用することが可能である。   (8) Moreover, the pollutant particle processing apparatus according to the present invention is further characterized by further comprising a heat source that heats a portion upstream of a region of the gas flow passage where plasma is generated. In this way, the air can be dried by the heat source to easily generate plasma. For example, when the pollutant particle processing apparatus of the present invention is loaded on an automobile, residual heat from the engine or the like can be used as a heat source.
本発明に係る汚染粒子処理装置によれば、直接に電極と汚染物質が接触することがなく、装置由来の不純物を生じさせない。また、プラズマジェットトーチ等を必要とせず、装置をコンパクトにし、かつ低コストなものにすることができる。   According to the contaminated particle processing apparatus of the present invention, the electrode and the contaminant are not in direct contact, and impurities derived from the apparatus are not generated. Further, a plasma jet torch or the like is not required, and the apparatus can be made compact and low in cost.
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。また、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in the respective drawings, and duplicate descriptions are omitted.
(実施形態1)
図1は、汚染粒子処理装置100の構成を示す断面図である。汚染粒子処理装置100は、チェンバー101、プラズマ生成用気体導入路110、気体流通路111、汚染気体導入路118およびポンプ128を備えている。なお、チェンバー101の外部の気体の流通路は、図中では簡略化し線で表している。また、図1は汚染粒子処理装置100の構成を模式的に示す図であり、必ずしも間隔や大きさを正確に示すものではない。プラズマ生成用気体導入路110は、空気、アルゴン、ヘリウム等のプラズマ生成用気体を導入する気体の流通管であり、空気の吸入口またはアルゴンガス等のガス供給源に接続されている。プラズマ生成用気体導入路110は、気体の導入を制御するためのバルブV1を備えている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the contaminated particle processing apparatus 100. The contaminated particle processing apparatus 100 includes a chamber 101, a plasma generation gas introduction path 110, a gas flow path 111, a contaminant gas introduction path 118, and a pump 128. In addition, the gas flow path outside the chamber 101 is simplified and represented by a line in the drawing. FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the contaminated particle processing apparatus 100, and does not necessarily show the interval and size accurately. The plasma generation gas introduction path 110 is a gas flow tube for introducing a plasma generation gas such as air, argon, or helium, and is connected to an air inlet or a gas supply source such as argon gas. The plasma generation gas introduction path 110 includes a valve V1 for controlling the introduction of gas.
気体流通路111は、プラズマ生成用気体および汚染気体を流通させる流通路であり、チェンバー外導入路113、内外コネクタ114、チェンバー内導入路115、コネクタ116、反応部117により構成されている。チェンバー外導入路113は、気体を導入する管である。プラズマ生成用気体導入路110は、気体の導入を制御するためのバルブV1を備えている。内外コネクタ114は、チェンバー101の内外の気体流通路を繋ぐコネクタである。チェンバー内導入路115は、チェンバー101の内部に設けられ反応部117に気体を導入するための導入路であり、たとえば管により形成されている。導入された気体は、チェンバー内導入路115を矢印Aの方向に進む。   The gas flow passage 111 is a flow passage through which a plasma generating gas and a pollutant gas are circulated, and includes a chamber outside introduction passage 113, an inside / outside connector 114, a chamber inside introduction passage 115, a connector 116, and a reaction unit 117. The chamber outside introduction path 113 is a pipe for introducing a gas. The plasma generation gas introduction path 110 includes a valve V1 for controlling the introduction of gas. The internal / external connector 114 is a connector that connects the internal and external gas flow paths of the chamber 101. The in-chamber introduction path 115 is an introduction path that is provided inside the chamber 101 and for introducing gas into the reaction unit 117, and is formed by, for example, a pipe. The introduced gas travels in the chamber introduction path 115 in the direction of arrow A.
汚染気体導入路118は、気体流通路111に汚染粒子を含む汚染気体を導入する導入管である。汚染気体導入路118は、たとえば排ガスを発生させるエンジンやVOCを発生させる工場の作業室に接続されている。汚染気体導入路118は、汚染気体の導入を制御するためのバルブV3を有している。本発明の汚染粒子処理装置100は、粒径2.5μm以下の微粒子の処理に優れており、特に粒径0.1μm以下の超微粒子や50nmナノ粒子に対して有効である。また、汚染ガスを構成するVOC等の分子を分解することも可能である。   The contaminated gas introduction path 118 is an introduction pipe that introduces a contaminated gas containing contaminated particles into the gas flow path 111. The contaminated gas introduction path 118 is connected to, for example, an engine that generates exhaust gas or a work room of a factory that generates VOC. The contaminated gas introduction path 118 has a valve V3 for controlling the introduction of the contaminated gas. The contaminated particle processing apparatus 100 of the present invention is excellent in processing fine particles having a particle size of 2.5 μm or less, and is particularly effective for ultrafine particles having a particle size of 0.1 μm or less and 50 nm nanoparticles. It is also possible to decompose molecules such as VOC that constitute the pollutant gas.
コネクタ116は、チェンバー内導入路115と反応部117とを繋ぐコネクタである。図示しないが、コネクタ116には、適宜、管または器具を気密に繋ぐためのO−リング等が用いられ管や器具との間で気密が保たれている。コネクタ116には、点火部120が挿入されている。点火部120はいわゆるイグナイタであり、点火線シール部121、点火線122を備えている。   The connector 116 is a connector that connects the in-chamber introduction path 115 and the reaction unit 117. Although not shown, an O-ring or the like for connecting the tube or the device in an airtight manner is appropriately used for the connector 116, and the airtightness is maintained between the tube and the device. An ignition unit 120 is inserted into the connector 116. The ignition unit 120 is a so-called igniter, and includes an ignition line seal part 121 and an ignition line 122.
点火線シール部121は、コネクタに気密に接合されるとともに、可動式の点火線122が気密に挿通されている。点火線シール部121には、たとえばシール用のガラス管とO−ringの組み合わせが用いられる。点火線122は、導電性材料により形成されたプラズマ点火用のワイヤーであり、点火線シール部121を介して気密にコネクタ116の内部に挿入されている。点火線122は、図中の矢印Dに示すようにコネクタ116に対して挿入する方向または引き出す方向に動かすことが可能になっている。点火線122の先端は、気体流通路111内のプラズマを発生させる領域の上流に位置するように調整可能となっており、この部分に高電圧が印加されることでプラズマが点火される。点火線122がプラズマ発生領域より上流に設けられているため、汚染物質は点火線122と反応を起こさない。したがって、点火線122と汚染物質が反応することにより、不純物質が生じることがない。点火線122は、高電圧電源123に接続されており、高電圧の印加により際にはプラズマを点火させる。   The ignition wire seal portion 121 is airtightly joined to the connector, and a movable ignition wire 122 is inserted in an airtight manner. For the ignition wire seal portion 121, for example, a combination of a glass tube for sealing and an O-ring is used. The ignition wire 122 is a plasma ignition wire formed of a conductive material, and is inserted into the connector 116 in an airtight manner via the ignition wire seal portion 121. The ignition wire 122 can be moved in the direction of insertion with respect to the connector 116 or the direction of pulling it out as indicated by an arrow D in the drawing. The tip of the ignition wire 122 can be adjusted so as to be positioned upstream of the region in the gas flow passage 111 where plasma is generated, and plasma is ignited by applying a high voltage to this portion. Since the ignition line 122 is provided upstream from the plasma generation region, the pollutant does not react with the ignition line 122. Therefore, no impurity is generated by the reaction between the ignition wire 122 and the pollutant. The ignition wire 122 is connected to a high voltage power source 123 and ignites plasma when a high voltage is applied.
反応部117は、絶縁材料により管形状に形成されており、管の内部の空間においてプラズマを発生させる。反応部117は、管の外部の気体を遮断し、内部に気体を流通させる。反応部117の気体の流路の気体の流れに垂直な断面の面積は、0.1mm以上100mm以下であることが好ましい。流通路の気体の流れに垂直な断面の面積を、0.1mm以上とすることにより、圧力損失により汚染粒子の処理効率が低下することがない。一方で気体流通路の気体の流れに垂直な断面の面積を、100mm以下とすることにより、高温のプラズマを発生させる範囲を絞り、エネルギーを集中させることができる。 The reaction unit 117 is formed in a tube shape from an insulating material, and generates plasma in a space inside the tube. The reaction unit 117 blocks the gas outside the tube and causes the gas to flow inside. The area of the cross section perpendicular to the gas flow in the gas flow path of the reaction section 117 is preferably 0.1 mm 2 or more and 100 mm 2 or less. By setting the area of the cross section perpendicular to the gas flow in the flow path to 0.1 mm 2 or more, the processing efficiency of the contaminated particles does not decrease due to pressure loss. On the other hand, by setting the area of the cross section perpendicular to the gas flow in the gas flow path to 100 mm 2 or less, the range in which high-temperature plasma is generated can be narrowed and the energy can be concentrated.
さらに、流通路の気体の流れに垂直な断面の面積を1mm以下に限った場合にはプラズマ自体の温度は1eV以下と従来のプラズマと比較して低いにもかかわらず、プラズマ密度は非常に大きい。その結果として、局所的にガス温度を1500°C以上まで簡単に引き上げることが可能なため、熱容量の極めて小さいナノ粒子や局所的に高濃度になるVOCガスの分解除去用の熱源として用いることができる。なお、断面に対する上記の面積の条件は、プラズマが発生する領域の断面に対する条件である。 Furthermore, when the area of the cross section perpendicular to the gas flow in the flow path is limited to 1 mm 2 or less, the plasma density is very high although the temperature of the plasma itself is 1 eV or less, which is lower than the conventional plasma. large. As a result, it is possible to easily raise the gas temperature locally to 1500 ° C. or higher, so that it can be used as a heat source for decomposing and removing nanoparticles with extremely small heat capacity and VOC gas having a locally high concentration. it can. Note that the above-mentioned area condition for the cross section is a condition for the cross section of the region where the plasma is generated.
上記の例では気体流通路111は、一本の管であることを前提としているが、気体流通路111を複数設け、処理効率を上げることも可能である。たとえば、複数の管により複数の気体流通路111を形成することができる。そのような場合には、それぞれの管のプラズマ発生部分に高周波を印加できるような構成とする。そして、上記の条件は、1つの管(壁面によって閉じられた1つの気体流通路111)の断面についての条件となる。   In the above example, it is assumed that the gas flow passage 111 is a single pipe. However, it is possible to provide a plurality of gas flow passages 111 to increase the processing efficiency. For example, a plurality of gas flow paths 111 can be formed by a plurality of tubes. In such a case, a configuration is adopted in which a high frequency can be applied to the plasma generation portion of each tube. And said conditions become conditions about the cross section of one pipe | tube (one gas flow path 111 closed by the wall surface).
反応部117の先にはポンプ128が設けられており、プラズマにより分解された汚染粒子は矢印Bの方向に排出される。ポンプ128は、気体流通路111から気体を吸引し外部に放出する機能を有している。なお、気体を吸引するポンプ128に代えて、気体流通路111の上流側に圧力をかけるポンプを設けてもよい。   A pump 128 is provided at the tip of the reaction unit 117, and contaminant particles decomposed by the plasma are discharged in the direction of arrow B. The pump 128 has a function of sucking gas from the gas flow passage 111 and releasing it to the outside. Instead of the pump 128 that sucks gas, a pump that applies pressure to the upstream side of the gas flow passage 111 may be provided.
汚染粒子処理装置100は、さらに高周波印加部130を備えている。高周波印加部130は、電極131、132、スペーサー135、マッチングボックス140、高周波電源145を備えている。高周波印加部130は、気体流通路111の外部に配置され、反応部117内に高周波を印加してプラズマを発生させる。電極131、132は、導電性部材により平板形状に形成され、主面を対向させて平行平板型に配置されている。電極131、132は、マッチングボックス140および高周波電源145に接続されており、電極間に高周波が印加される。電極131、132は、必ずしも平行平板型でなくてもよいが、平行平板型とすることで、単位体積あたりの投入エネルギーを低く抑え、定常的な放電を得ることができる。高周波印加部130に過大な負荷をかけることがない。その結果、高周波印加部130の損傷を回避することができる。   The contaminated particle processing apparatus 100 further includes a high frequency application unit 130. The high frequency application unit 130 includes electrodes 131 and 132, a spacer 135, a matching box 140, and a high frequency power source 145. The high frequency application unit 130 is disposed outside the gas flow path 111 and applies a high frequency in the reaction unit 117 to generate plasma. The electrodes 131 and 132 are formed in a flat plate shape by a conductive member, and are arranged in a parallel plate shape with their main surfaces facing each other. The electrodes 131 and 132 are connected to the matching box 140 and the high frequency power source 145, and a high frequency is applied between the electrodes. The electrodes 131 and 132 are not necessarily a parallel plate type, but by using a parallel plate type, the input energy per unit volume can be kept low and a steady discharge can be obtained. An excessive load is not applied to the high-frequency applying unit 130. As a result, damage to the high frequency application unit 130 can be avoided.
電極131、132の間には絶縁体により形成されたスペーサー135が設置されており、電極131、132の間を適度な間隔に維持している。たとえば電極131、132の間隔は、0.1mm以上20mm以下とする。電極131、132の間隔を、20mm以下とすることで、高周波によりプラズマを生じさせることができる。特に空気や窒素を流通させてプラズマを発生させる場合には、電極131、132の間隔を1mm以下とすることが好ましい。電極間を狭くすることでエネルギーを集中させて気体を電離しプラズマを維持するためである。一方、電極間を0.1mm以上の間隔を空けてあるので、電極間でショートするのを防ぐことができる。なお、電極間の距離が小さい場合には、誘電体のスペーサー135を挟んであることが好ましい。スペーサー135を挟むことにより、ショートが生じ難くなる。   A spacer 135 formed of an insulator is provided between the electrodes 131 and 132, and the electrode 131 and 132 are maintained at an appropriate interval. For example, the distance between the electrodes 131 and 132 is 0.1 mm or more and 20 mm or less. By setting the distance between the electrodes 131 and 132 to 20 mm or less, plasma can be generated by high frequency. In particular, when plasma is generated by circulating air or nitrogen, the distance between the electrodes 131 and 132 is preferably 1 mm or less. This is because the energy is concentrated by narrowing the gap between the electrodes to ionize the gas and maintain the plasma. On the other hand, since an interval of 0.1 mm or more is provided between the electrodes, it is possible to prevent a short circuit between the electrodes. When the distance between the electrodes is small, a dielectric spacer 135 is preferably sandwiched. By sandwiching the spacer 135, a short circuit is less likely to occur.
マッチングボックス140は、高周波電源145のエネルギーを有効に利用するために、高周波印加部130のインピーダンスを補正する。高周波電源145は、プラズマ発生のための高周波を発生させる。高周波は、13.56MHz以上2.45GHz以下の周波数のものを用いる。導波管を不要にすることができるため約1GHz以下であることが好ましい。上記のような構成の汚染粒子処理装置100を作製する場合、簡単な装置構成を実現できるため、装置重量を2kg以下とすることも可能である。   The matching box 140 corrects the impedance of the high-frequency application unit 130 in order to effectively use the energy of the high-frequency power source 145. The high frequency power supply 145 generates a high frequency for generating plasma. A high frequency wave having a frequency of 13.56 MHz to 2.45 GHz is used. Since the waveguide can be dispensed with, it is preferably about 1 GHz or less. When manufacturing the contaminated particle processing apparatus 100 having the above-described configuration, a simple apparatus configuration can be realized, so that the apparatus weight can be 2 kg or less.
このような構成を有する汚染粒子処理装置100の動作を説明する。まず、バルブV1、V2を開けて空気を気体流通路111に流通させる。次いで、高周波電源145をオンにし、高周波を反応部117の内部に印加する。そして、点火線122の先端の位置を調整しつつ、点火線122に高電圧を印加してプラズマを点火する。プラズマが発生したら、マッチングボックス140により効率よくプラズマを維持するように設定を調整する。このようにして高周波が印加された反応部117の内部には、プラズマジェットが形成される。   The operation of the contaminated particle processing apparatus 100 having such a configuration will be described. First, the valves V <b> 1 and V <b> 2 are opened to allow air to flow through the gas flow path 111. Next, the high frequency power supply 145 is turned on, and a high frequency is applied to the inside of the reaction unit 117. The plasma is ignited by applying a high voltage to the ignition wire 122 while adjusting the position of the tip of the ignition wire 122. When the plasma is generated, the setting is adjusted by the matching box 140 so as to maintain the plasma efficiently. In this manner, a plasma jet is formed inside the reaction unit 117 to which the high frequency is applied.
このようにして、プラズマ密度が1015cc以上、プラズマ温度が1eV以下、熱流束が50MV/m以上のプラズマを生成することができる。生成されるプラズマは、超高温流束マイクロプラズマと呼ばれる。高周波用の投入電力を100W以下としても十分に上記のプラズマを生成することができる。 In this manner, plasma having a plasma density of 10 15 cc or more, a plasma temperature of 1 eV or less, and a heat flux of 50 MV / m 2 or more can be generated. The generated plasma is called ultra high temperature flux microplasma. Even if the input power for high frequency is 100 W or less, the above plasma can be generated sufficiently.
プラズマジェットの形成後、バルブV3を開けて汚染気体を気体流通路111に流通させる。気体流通路111に導入された汚染気体はプラズマジェットに到達し、プラズマジェットの高いエネルギーにより分解処理される。このようにして、汚染粒子処理装置100はプラズマジェットを用いて汚染気体を処理することができる。なお、上記の例では、空気を気体流通路111に流通させて、プラズマを点火した後にバルブV3を開けて汚染気体を気体流通路111に流通させるが、設置状況や汚染粒子の濃度により、汚染気体導入路118から空気を含んだ汚染気体を導入してプラズマを点火することも可能である。   After the formation of the plasma jet, the valve V3 is opened to allow the contaminated gas to flow through the gas flow path 111. The contaminated gas introduced into the gas flow path 111 reaches the plasma jet and is decomposed by the high energy of the plasma jet. In this manner, the contaminated particle processing apparatus 100 can process the contaminated gas using the plasma jet. In the above example, air is circulated through the gas flow passage 111, and after igniting the plasma, the valve V3 is opened and the polluted gas is circulated through the gas flow passage 111. It is also possible to ignite plasma by introducing a contaminated gas containing air from the gas introduction path 118.
上記のような汚染粒子処理装置100を用いて実験を行った。図2は、実験用に構成された汚染粒子処理システム200を示す概略図である。図2に示すように、アルゴンガス供給源210、ガスフロー調整器220、炭素系ナノ粒子発生装置230、汚染粒子処理装置100および粒径分布測定装置250により構成された汚染粒子処理システム200を用いた。管で接続されたアルゴンガス供給源210、ガスフロー調整器220および炭素系ナノ粒子発生装置230により、汚染粒子処理装置100に炭素系ナノ粒子を含むアルゴンガスを供給した。そして、汚染粒子処理装置100によりプラズマジェットを用いて炭素系ナノ粒子(汚染粒子)を処理した。炭素系ナノ粒子発生装置230には、GFG−1000を用いた。また、粒径分布測定装置250には走査型粒径分布測定装置(SMPS)を用いた。   Experiments were performed using the above-described contaminated particle processing apparatus 100. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a contaminated particle processing system 200 configured for experimentation. As shown in FIG. 2, a contaminated particle processing system 200 including an argon gas supply source 210, a gas flow regulator 220, a carbon-based nanoparticle generator 230, a contaminated particle processing apparatus 100, and a particle size distribution measuring apparatus 250 is used. It was. Argon gas containing carbon-based nanoparticles was supplied to the contaminated particle processing apparatus 100 by an argon gas supply source 210, a gas flow regulator 220, and a carbon-based nanoparticle generator 230 connected by a tube. And the carbon-type nanoparticle (contamination particle | grains) was processed by the contamination particle processing apparatus 100 using the plasma jet. For the carbon-based nanoparticle generator 230, GFG-1000 was used. As the particle size distribution measuring device 250, a scanning particle size distribution measuring device (SMPS) was used.
汚染粒子処理装置100で、反応部117に内径1.5mmの石英ガラス管を使用した。電極131、132には、銅製の平行平板を用いた。このとき気体の流量を5リットル/minとした。プラズマの点火の際には、タングステンワイヤーの点火線122に1.5kVの高電圧を瞬間的に印加した。プラズマを発生させるための高周波の周波数は144MHzとし、高周波の印加の無い場合、50W、100Wの高周波をそれぞれ印加した場合について測定を行った。   In the contaminated particle processing apparatus 100, a quartz glass tube having an inner diameter of 1.5 mm was used for the reaction unit 117. For the electrodes 131 and 132, copper parallel plates were used. At this time, the flow rate of the gas was set to 5 liters / min. At the time of plasma ignition, a high voltage of 1.5 kV was instantaneously applied to the ignition wire 122 of tungsten wire. The frequency of the high frequency for generating plasma was 144 MHz, and measurement was performed when no high frequency was applied and when high frequencies of 50 W and 100 W were applied, respectively.
プラズマにより処理され、汚染粒子処理装置100から排出された処理後の気体を粒径分布測定装置250に導入し、汚染粒子の粒径分布を測定した。図3は、粒径分布の測定結果を示すグラフである。図3に示すように、30nm以上100nm以下の粒径の炭素系ナノ粒子を処理することで、95%以上の高い除去率を得ることができた。この結果、汚染粒子処理装置100により汚染粒子を処理できることが実証された。   The treated gas that was treated with plasma and discharged from the contaminated particle processing apparatus 100 was introduced into the particle size distribution measuring apparatus 250, and the particle size distribution of the contaminated particles was measured. FIG. 3 is a graph showing the measurement results of the particle size distribution. As shown in FIG. 3, a high removal rate of 95% or more could be obtained by treating carbon-based nanoparticles having a particle size of 30 nm or more and 100 nm or less. As a result, it was proved that the contaminated particle processing apparatus 100 can process the contaminated particles.
(実施形態2)
上記の実施形態では、プラズマ発生領域の上流のチェンバー外導入路113に汚染気体を導入するが、反応部117のプラズマ発生領域またはその下流に汚染気体を導入してもよい。図4は、プラズマ発生領域またはその下流に汚染気体を導入する汚染粒子処理装置300の構成を示す断面図である。汚染粒子処理装置300は、汚染気体導入路118に接続される汚染気体導入部310を有している。汚染気体導入部310は、汚染気体導入コネクタ316、汚染気体導入管313および汚染気体導入ノズル314を有している。
(Embodiment 2)
In the above embodiment, the contaminated gas is introduced into the outside-chamber introduction path 113 upstream of the plasma generation region, but the contaminant gas may be introduced into the plasma generation region of the reaction unit 117 or downstream thereof. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a contaminated particle processing apparatus 300 that introduces a contaminated gas into the plasma generation region or downstream thereof. The contaminated particle processing apparatus 300 includes a contaminated gas introduction unit 310 connected to the contaminated gas introduction path 118. The contaminated gas introduction unit 310 includes a contaminated gas introduction connector 316, a contaminated gas introduction pipe 313, and a contaminated gas introduction nozzle 314.
汚染気体導入コネクタ316は、汚染気体導入路118と汚染気体導入管313を接続している。汚染気体導入管313は汚染気体を反応部117まで流通させる。汚染気体導入ノズル314(汚染気体導入口)は、反応部117内のプラズマを発生させる領域またはその下流に汚染気体導入ノズル314の先を突出させるように配置されている。   The contaminated gas introduction connector 316 connects the contaminated gas introduction path 118 and the contaminated gas introduction pipe 313. The contaminated gas introduction pipe 313 causes the contaminated gas to flow to the reaction unit 117. The contamination gas introduction nozzle 314 (contamination gas introduction port) is disposed so that the tip of the contamination gas introduction nozzle 314 protrudes in the region in the reaction section 117 where plasma is generated or downstream thereof.
汚染気体を汚染気体導入ノズル314の先からプラズマ発生領域またはその下流に導入することで、プラズマの生成に汚染粒子の影響を与えず、発生させたプラズマを安定させて汚染粒子を処理することができる。このとき、汚染気体導入ノズル314の先端は反応部117の中空の中央付近まで突出している方が好ましい。中央付近に汚染気体が噴出されることで汚染気体が層流になることを防止し、汚染気体を確実にプラズマで処理することができる。   By introducing the pollutant gas from the tip of the pollutant gas introduction nozzle 314 to the plasma generation region or downstream thereof, it is possible to process the pollutant particles by stabilizing the generated plasma without affecting the generation of plasma. it can. At this time, it is preferable that the tip of the contaminated gas introduction nozzle 314 protrudes to the vicinity of the hollow center of the reaction unit 117. The contaminated gas is prevented from becoming a laminar flow by ejecting the contaminated gas in the vicinity of the center, and the contaminated gas can be reliably treated with plasma.
(実施形態3)
また、上記の実施形態では、反応部117を形成する管の内部は中空であるが、反応部117内部のプラズマ発生領域の下流に耐熱吸着フィルタを設けても良い。図5は、耐熱吸着フィルタ401を設けた汚染粒子処理装置400の構成を示す断面図である。
(Embodiment 3)
In the above embodiment, the inside of the tube forming the reaction part 117 is hollow, but a heat-resistant adsorption filter may be provided downstream of the plasma generation region inside the reaction part 117. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a contaminated particle processing apparatus 400 provided with a heat resistant adsorption filter 401.
汚染粒子処理装置400は、反応部117内部のプラズマ発生領域の下流に耐熱吸着フィルタ401を備えている。耐熱吸着フィルタ401には、たとえばSiC(炭化ケイ素)やコージェライト等のセラミックフィルタを用いることができる。これにより、導入させる汚染粒子が少ないときにはプラズマを使用せずに耐熱吸着フィルタ401を使用し、汚染粒子が多いときにはプラズマを使用することができ、電力の無駄を無くすことができる。また、プラズマを使用する場合でもプラズマで分解しきれなかった粒子がある場合には耐熱吸着フィルタ401によりこれを吸着することができる。   The contaminated particle processing apparatus 400 includes a heat-resistant adsorption filter 401 downstream of the plasma generation region inside the reaction unit 117. As the heat-resistant adsorption filter 401, for example, a ceramic filter such as SiC (silicon carbide) or cordierite can be used. As a result, the heat-resistant adsorption filter 401 can be used without using plasma when there are few contaminating particles to be introduced, and plasma can be used when there are many contaminating particles, thereby eliminating wasted power. Moreover, even when using plasma, if there are particles that could not be decomposed by plasma, they can be adsorbed by the heat-resistant adsorption filter 401.
(実施形態4)
また、上記の実施形態では、高周波印加部130に平行平板の電極131、132を用いているが、平行平板の電極に代えて、反応部117の周りに誘導結合型コイルを設置してもよい。図6は、反応部117の周りに誘導結合型コイル510を巻いた汚染粒子処理装置500の断面を示す斜視図である。図5に示すように、汚染粒子処理装置500では、高周波印加部505が誘導結合型コイル510を有している。誘導結合型コイル510は反応部117の内部に高周波を印加し、プラズマを発生させる。これにより、汚染粒子は発生したプラズマにより分解される。
(Embodiment 4)
In the above-described embodiment, the parallel plate electrodes 131 and 132 are used for the high-frequency application unit 130. However, instead of the parallel plate electrodes, an inductively coupled coil may be provided around the reaction unit 117. . FIG. 6 is a perspective view showing a cross section of a contaminated particle processing apparatus 500 in which an inductively coupled coil 510 is wound around the reaction unit 117. As shown in FIG. 5, in the contaminated particle processing apparatus 500, the high frequency application unit 505 includes an inductively coupled coil 510. The inductively coupled coil 510 applies a high frequency to the inside of the reaction unit 117 to generate plasma. Thereby, the contaminating particles are decomposed by the generated plasma.
なお、さらに気体流通路111のプラズマ発生領域の上流に熱源(図示せず)を設けても良い。これにより熱源で空気を乾燥させて、プラズマを生じさせ易くすることができる。たとえば、自動車に本発明の汚染粒子処理装置を積載するときには、エンジン等の余熱を熱源として利用することが可能である。   Furthermore, a heat source (not shown) may be provided upstream of the plasma generation region of the gas flow passage 111. As a result, the air can be dried with a heat source to easily generate plasma. For example, when the pollutant particle processing apparatus of the present invention is loaded on an automobile, residual heat from the engine or the like can be used as a heat source.
本発明の汚染粒子処理装置は、自動車排ガス処理装置として自動車に搭載することが可能である。また、その他にVOCやナノ粒子を排出する工場や事業所に排ガス処理装置として設置することも可能であり、タバコ煙が問題になるオフィス等に空気清浄機として設置することも可能である。また、ナノ粒子材料の合成業者の作業環境保全(発生粒子の除去)のために用いることもできる。   The contaminated particle processing apparatus of the present invention can be mounted on an automobile as an automobile exhaust gas processing apparatus. In addition, it can be installed as an exhaust gas treatment device in a factory or business office that discharges VOCs or nanoparticles, and can also be installed as an air purifier in an office or the like where tobacco smoke is a problem. Moreover, it can also be used for the working environment maintenance (removal of generated particles) of a nanoparticle material synthesizer.
実施形態1に係る汚染粒子処理装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the contaminant particle processing apparatus which concerns on Embodiment 1. FIG. 実験用に構成された汚染粒子処理システムを示す概略図である。1 is a schematic diagram showing a contaminant particle processing system configured for an experiment. FIG. 実験により得られた粒径分布の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the particle size distribution obtained by experiment. 実施形態2に係る汚染粒子処理装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the contaminant particle processing apparatus which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施形態3に係る汚染粒子処理装置構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the contamination particle processing apparatus structure which concerns on Embodiment 3. 実施形態4に係る汚染粒子処理装置の断面を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the cross section of the contaminant particle processing apparatus which concerns on Embodiment 4. FIG.
符号の説明Explanation of symbols
100、300、400、500 汚染粒子処理装置
101 チェンバー
110 プラズマ生成用気体導入路
111 気体流通路
113 チェンバー外導入路
114 内外コネクタ
115 チェンバー内導入路
116 コネクタ
117 反応部
118 汚染気体導入路
120 点火部
121 点火線シール部
122 点火線
123 高電圧電源
128 ポンプ
130 高周波印加部
131、132 電極
135 スペーサー
140 マッチングボックス
145 高周波電源
200 汚染粒子処理システム
210 アルゴンガス供給源
220 ガスフロー調整器
230 炭素系ナノ粒子発生装置
250 粒径分布測定装置
310 汚染気体導入部
316 汚染気体導入コネクタ
313 汚染気体導入管
314 汚染気体導入ノズル
401 耐熱吸着フィルタ
505 高周波印加部
510 誘導結合型コイル
V1、V2、V3 バルブ
100, 300, 400, 500 Contaminating particle processing apparatus 101 Chamber 110 Plasma generation gas introduction path 111 Gas flow path 113 Chamber outside introduction path 114 Inside / outside connector 115 Chamber inside introduction path 116 Connector 117 Reaction section 118 Contamination gas introduction path 120 Ignition section 121 ignition line seal part 122 ignition line 123 high voltage power supply 128 pump 130 high frequency application part 131, 132 electrode 135 spacer 140 matching box 145 high frequency power supply 200 contaminated particle processing system 210 argon gas supply source 220 gas flow regulator 230 carbon-based nanoparticle Generator 250 Particle size distribution measuring device 310 Contaminated gas introduction part 316 Contaminated gas introduction connector 313 Contaminated gas introduction pipe 314 Contaminated gas introduction nozzle 401 Heat resistant adsorption filter 505 High frequency application part 510 Coupling coil V1, V2, V3 valve

Claims (7)

  1. 外部の気体を遮断し、内部に気体を流通させる気体流通路と、A gas flow path for blocking external gas and allowing gas to flow inside;
    前記気体流通路の外部に配置され、導電性を有し、主面が前記気体流通路の気体流通方向に垂直である一対の平行平板を有し、前記平行平板の間に高周波を印加し、前記気体流通路内にプラズマを発生させる高周波印加部と、The gas flow passage is disposed outside, has conductivity, has a pair of parallel plates whose main surface is perpendicular to the gas flow direction of the gas flow passage, and applies a high frequency between the parallel plates, A high-frequency application unit for generating plasma in the gas flow path;
    汚染粒子を含む汚染気体を前記気体流通路に導入する汚染気体導入路と、を備え、A contaminated gas introduction path for introducing a contaminated gas containing contaminated particles into the gas flow path,
    前記発生したプラズマにより汚染粒子を分解して処理することを特徴とする汚染粒子処理装置。A contaminated particle processing apparatus, wherein the contaminated particles are decomposed and processed by the generated plasma.
  2. 前記高周波印加部の平行平板は、0.1mm以上20mm以下の間隔を空けて設けられていることを特徴とする請求項2記載の汚染粒子処理装置。The contamination particle processing apparatus according to claim 2, wherein the parallel flat plates of the high-frequency application unit are provided with an interval of 0.1 mm or more and 20 mm or less.
  3. 外部の気体を遮断し、内部に気体を流通させる気体流通路と、A gas flow path for blocking external gas and allowing gas to flow inside;
    前記気体流通路の外部に配置され、前記気体流通路内に高周波を印加してプラズマを発生させる高周波印加部と、A high-frequency application unit that is disposed outside the gas flow path and generates a plasma by applying a high frequency in the gas flow path;
    前記気体流通路内のプラズマを発生させる領域またはその下流に前記気体流通路内へ突出する導入口に接続されるように設けられ、汚染粒子を含む汚染気体を前記気体流通路に導入する汚染気体導入路と、を備え、A polluted gas that is provided so as to be connected to an introduction port that projects into the gas flow passage at a region where plasma is generated in the gas flow passage or downstream thereof, and introduces a pollutant gas containing pollutant particles into the gas flow passage. An introduction path,
    前記発生したプラズマにより汚染粒子を分解して処理することを特徴とする汚染粒子処理装置。A contaminated particle processing apparatus, wherein the contaminated particles are decomposed and processed by the generated plasma.
  4. 前記気体流通路の気体の流れに垂直な断面の面積が、0.1mmThe area of the cross section perpendicular to the gas flow in the gas flow passage is 0.1 mm. 2 以上100mm100mm or more 2 以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の汚染粒子処理装置。The contamination particle processing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein:
  5. 前記気体流通路内のプラズマを発生させる領域より上流に設けられ、高電圧によりプラズマの点火を行う点火部を更に備えることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の汚染粒子処理装置。The pollutant particle according to any one of claims 1 to 4, further comprising an ignition unit that is provided upstream of a region in the gas flow passage where plasma is generated and that ignites plasma with a high voltage. Processing equipment.
  6. 前記気体流通路内のプラズマを発生させる領域より下流に設けられた耐熱吸着フィルタを更に備えることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の汚染粒子処理装置。The contamination particle processing apparatus according to any one of claims 1 to 5, further comprising a heat-resistant adsorption filter provided downstream of a region in the gas flow passage where plasma is generated.
  7. 前記気体流通路のプラズマを発生させる領域より上流の部分を加熱する熱源を更に備えることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の汚染粒子処理装置。The contamination particle processing apparatus according to any one of claims 1 to 6, further comprising a heat source that heats a portion of the gas flow passage upstream of a region where plasma is generated.
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