JP4896880B2 - マイクロ波プラズマノズルアレイを構成するための方法、マイクロ波プラズマノズルアレイユニット及びマイクロ波プラズマシステム - Google Patents

マイクロ波プラズマノズルアレイを構成するための方法、マイクロ波プラズマノズルアレイユニット及びマイクロ波プラズマシステム Download PDF

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Description

本発明は、プラズマ発生システムに関し、より詳細には、プラズマノズルアレイを持つマイクロ波プラズマシステムに関する。
近年、プラズマ生成の進歩が盛んになりつつある。典型的には、プラズマは正帯電イオン、中性物質および電子からなる。一般に、プラズマは熱平衡および熱非平衡プラズマの２つの分類に細分化される。熱平衡とは、正電荷イオン、中性物質、および電子を含むあらゆる物質の温度が同じであることを意味する。
プラズマはまた局所的熱平衡（ＬＴＥ）および非ＬＴＥプラズマにも分類でき、この場合、このような細分化は典型的にはプラズマの圧力に関連している。「局所的熱平衡（ＬＴＥ）」という用語はすべてのプラズマ物質の温度がプラズマの局所化領域において同じである熱動的状態を意味する。
高プラズマ圧力はプラズマにおいて単位時間間隔当たりで多数の衝突をもたらし、これによりプラズマを含む物質間に十分なエネルギー交換を生み、そしてこれによりプラズマ物質の温度が等しくなる。一方、プラズマ圧力が低いとプラズマの物質同士の衝突が不十分となることによりプラズマ物質の温度が安定しなくなる場合がある。
非ＬＴＥまたは単なる非熱プラズマでは、イオンおよび中性物質の温度は通常１００℃未満であるが、電子の温度は摂氏数万℃までにもなり得る。従って、非ＬＴＥプラズマは大量のエネルギーを消費することなくパワフルな用途および繊細な用途にも使える高反応性ツールとして機能できる。この「高温冷却性」によりさまざまな用途についてさまざまな処理可能性および商業上の好機が得られる。パワフルな用途としては金属蒸着システムおよびプラズマカッタが挙げられ、繊細な用途としてはプラズマ表面洗浄システムおよびプラズマディスプレイ装置が挙げられる。
このような用途の１つとしてプラズマ殺菌が挙げられる。プラズマ殺菌は、プラズマを使って抵抗力の高い内生胞子をはじめとする細菌生物を死滅させる。殺菌は末端用途の医療および歯科装置、材料、および繊維の安全性を確実にするための重要な工程である。病院および産業で使用されている既存の殺菌方法はオートクレーブ、酸化エチレンガス（ＥｔＯ）、乾燥加熱、およびガンマ光線または電子光線の照射が挙げられる。これらの技術は対処し克服しなければならない多数の問題点を抱えている。かかる問題としては、熱感応性および熱による破壊、有害副産物の形成、作業が高費用である、および全体のサイクル継続時間が不十分であるといった点が挙げられる。その結果、健康管理事務所および産業は長い間、さまざまな熱感応性電子構成部材および設備をはじめとする広範囲の医療材料の構造を破壊することなく、大幅に短時間で、室温付近で機能できる殺菌技術を必要としていた。
材料処理の場合のような殺菌用の大気圧プラズマは多くの独特の利点をユーザに提供する。パッケージが小型であることから構成が簡単であり、高価な真空チャンバおよびポンプシステムを必要とせず、さらに別の設備を必要とせずにさまざまな環境に設置でき、作業費用およびメンテナンスの必要性が最小限である。実際、大気圧プラズマ殺菌の基本的な重要性は、熱感応性物質を殺菌できる能力、使用が簡単であること、作業処理の所要時間がより早いことにある。大気圧プラズマ殺菌は、原子酸素および水素ラジカル、およびプラズマ発生紫外線をはじめとする反応性中性物質の直接的な効果によって実現でき、これらはすべて微生物細胞膜を攻撃し破壊する。従って、効果的で低費用の殺菌供給源として大気圧プラズマを発生できる装置が必要とされている。
大気圧プラズマ殺菌システムの効率性に影響する鍵となる要素の１つとしては、他のプラズマ発生システムと同様、システムによって発生されるプラズマのスケーラビリティが挙げられる。産業および教育機関において世界中で広く使用されている、マイクロ波ノズルに基づいた大気圧プラズマシステムがいくつかある。これらの設計のほとんどは単一ノズルに基づいており医療用装置の用途の殺菌に必要とされる大容量のスケーラビリティを欠いている。また、かかるプラズマシステムは高温のプラズマを発生するが、これは殺菌用途には適切ではない。
均一なプラズマを提供するための１つの解決策は、マイクロ波キャビティに結合されたノズルアレイを使うことである。このようなシステムの難題の１つは、キャビティ内で定常的である所定の領域（以後、「高エネルギー領域」と称する）にマイクロ波エネルギー（または等価的はマイクロ波）を集中できるよう、マイクロ波キャビティ内でのマイクロ波分布を制御することである。このようなシステムでは、プラズマの均一性およびスケーラビリティは、制御された高エネルギー箇所にノズルを結合することによって得られ、このことでシステムの作業効率も改善する。
マイクロ波キャビティを持つ従来のシステムのほとんどはマイクロ波キャビティ内で均一なマイクロ波エネルギー分布を提供するように設計されている。例えば、非特許文献１には、２つの回転位相シフタを持つシステムが開示されている。このシステムでは、２つの回転位相シフタがマイクロ波キャビティ内で連続的に移動する高エネルギー領域を発生してマイクロ波キャビティ内で分布が確実に均一となるようにする。
"WAVEGUIDE COMPONENTS AND CONFIGURATIONS FOR OPTIMAL PERFORMANCE IN MICROWAVE HEATING SYSTEMS"２０００年、Gerling Applied Engineering社、www.2450mhz.comで発行
このような従来のシステムとは対照的に、プラズマノズルアレイを持つプラズマ発生システムはそのキャビティ内でマイクロ波を確定的に制御できなければならず、またノズルアレイに結合された高エネルギー領域を発生できなければならない。従って、マイクロ波キャビティ内で確定的に発生でき、また高エネルギー領域を制御でき、その高エネルギー領域からマイクロ波エネルギーを受け取ることができるように構成されたプラズマノズルアレイを持つプラズマ発生システムが強く必要とされている。
本発明は、マイクロ波プラズマノズルアレイを持つさまざまなシステム、およびプラズマノズルアレイを構成するための方法を提供するものである。
本発明の１つの側面によると、マイクロ波キャビティ内でマイクロ波同士を干渉させマイクロ波の定在波パターンが静止的に形成されるように、互いに反対方向からマイクロ波をマイクロ波キャビティへ向かわせるステップと、少なくとも１つのマイクロ波の位相を調整して、マイクロ波の定在波パターンによって発生される高エネルギー領域を制御するステップと、ノズル素子の１つ以上が高エネルギー領域の１つからマイクロ波エネルギーを受け取るように、ノズルアレイの少なくとも一部を前記マイクロ波キャビティ内に配置するステップと、を具備している。
本発明の他の側面によると、マイクロ波プラズマノズルアレイを構成するための方法は、マイクロ波の第１ペアを第１軸に沿って互いに反対方向からマイクロ波キャビティへと向かわせるステップと、マイクロ波の第２ペアを、前記第１軸と直交する第２軸に沿って互いに反対方向からマイクロ波キャビティへと向かわせ、マイクロ波の前記第１及び第２ペアを干渉させてマイクロ波キャビティ内で定常的な高エネルギー領域を形成するステップと、少なくとも１つのマイクロ波の位相を調整することで、高エネルギー領域を制御するステップと、ノズル素子の１つ以上が高エネルギー領域の１つからマイクロ波エネルギーを受け取るように、ノズルアレイの少なくとも一部を前記マイクロ波キャビティ内に配置するステップと、を具備している。
本発明のさらに他の側面によると、マイクロ波プラズマノズルアレイユニットは、マイクロ波キャビティと、ノズルのアレイとを備えるマイクロ波プラズマノズルアレイユニットであって、前記ノズルはそれぞれ、その中にガスを流すために適用され、入口部及び出口部を持つガスフロー管と、前記ガスフロー管内に軸方向に配置され、その一部がマイクロ波を受信するために前記マイクロ波キャビティ内に配置されていると共に、その先端部が前記ガスフロー管の前記出口部に隣接して配置されているロッド状コンダクタと、を備えている。
本発明のさらに他の側面によると、マイクロ波プラズマシステムは、マイクロ波供給源と、前記マイクロ波供給源に動作可能に接続された一対のアイソレータと、一対の入口を持つマイクロ波キャビティと、それぞれが前記アイソレータの対応する１つに動作可能に接続され、且つ、前記マイクロ波キャビティの前記入口の対応する１つに動作可能に接続されている一対の導波管と、それぞれが前記導波管の対応する１つに動作可能に接続され、且つ、前記アイソレータの対応する１つに動作可能に接続されている一対の非回転位相シフタと、ノズルのアレイと、を備えるマイクロ波プラズマシステムであって、前記ノズルのそれぞれが、その中にガスを流すために適用され、入口部及び出口部を持つガスフロー管と、前記ガスフロー管内に軸方向に配置され、その一部がマイクロ波を受信するために前記マイクロ波キャビティ内に配置されていると共に、その先端部が前記ガスフロー管の前記出口部に隣接して配置されているロッド状コンダクタと、を備えている。
本発明の他の側面によると、マイクロ波プラズマシステムは、マイクロ波供給源と、前記マイクロ波供給源に動作可能に接続されたアイソレータと、入口を持つマイクロ波キャビティと、前記アイソレータおよび前記マイクロ波キャビティの前記入口に動作可能に接続された導波管と、前記導波管及び前記アイソレータに動作可能に接続された非回転位相シフタと、前記導波管に動作可能に接続されマイクロ波を前記非回転位相シフタに向かわせるよう構成されているサーキュレータと、前記マイクロ波キャビティに動作可能に接続されているスライディングショートと、ノズルのアレイと、を備えるマイクロ波プラズマシステムであって、前記ノズルのそれぞれが、その中にガスを流すために適用され、入口部及び出口部を持つガスフロー管と、前記ガスフロー管内に軸方向に配置され、その一部がマイクロ波を受信するために前記マイクロ波キャビティ内に配置されていると共に、その先端部が前記ガスフロー管の前記出口部に隣接して配置されているロッド状コンダクタと、を備えている。
本発明の他の側面によると、マイクロ波プラズマシステムは、マイクロ波供給源と、前記マイクロ波供給源に動作可能に接続された一対のアイソレータと、一対の入口を持つマイクロ波キャビティと、それぞれが前記アイソレータの対応する１つに動作可能に接続され、且つ、前記マイクロ波キャビティの前記入口の対応する１つに動作可能に接続されている一対の導波管と、それぞれが前記導波管の対応する１つに動作可能に接続され、且つ、前記アイソレータの対応する１つに動作可能に接続されている一対の非回転位相シフタと、それぞれが前記マイクロ波キャビティに動作可能に接続されている一対のスライディングショートと、ノズルのアレイと、を備えるマイクロ波プラズマシステムであって、前記ノズルのそれぞれが、その中にガスを流すために適用され、入口部及び出口部を持つガスフロー管と、前記ガスフロー管内に軸方向に配置され、その一部がマイクロ波を受信するために前記マイクロ波キャビティ内に配置されていると共に、その先端部が前記ガスフロー管の前記出口部に隣接して配置されているロッド状コンダクタと、を備えている。
本発明の他の側面によると、マイクロ波プラズマシステムは、マイクロ波供給源と、４つの入口を持つマイクロ波キャビティと、それぞれが前記マイクロ波キャビティの前記入口のうちの対応する１つと前記マイクロ波供給源とに動作可能に接続されている４つの導波管と、それぞれが前記導波管のうちの対応する１つと前記マイクロ波供給源とに動作可能に接続されている４つの非回転位相シフタと、それぞれが前記導波管のうちの対応する１つに動作可能に接続されており、前記マイクロ波供給源によって発生されたマイクロ波を前記非回転位相シフタのうちの少なくとも１つに向かわせるように構成されているサーキュレータと、ノズルのアレイと、を備えるマイクロ波プラズマシステムであって、前記ノズルのそれぞれが、その中にガスを流すために適用され、入口部及び出口部を持つガスフロー管と、前記ガスフロー管内に軸方向に配置され、その一部がマイクロ波を受信するために前記マイクロ波キャビティ内に配置されていると共に、その先端部が前記ガスフロー管の前記出口部に隣接して配置されているロッド状コンダクタと、を備えている。
本発明のこれらおよび他の利点および特徴は、以下により完全に説明する通りの本発明の詳細を読めば当業者にとってより明らかとなるであろう。
以下の詳細な説明は、本発明を実施するための現在最も熟考された態様のものである。本説明は限定的な意味でとられるべきではなく、本発明の一般的な原則を例示する目的で行われるに過ぎない、なぜなら本発明の目的は添付の特許請求の範囲で最良に定義されているからである。
本明細書および添付の特許請求の範囲で使用されるように、単一の形態「１つの（ａ）」、「および（ａｎｄ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明確にそうではないと記載しない限り複数の対象物を含む。従って、例えば、「１つのノズル」という言及は１つ以上のノズルおよび当業者に公知のその等価物を含むなどである。
上で述べたように、従来のマイクロ波プラズマシステムはマイクロ波キャビティ内に伝達される２つのマイクロ波の位相差を制御することによってマイクロ波キャビティ内で均一のパワー分布を発生する。既存のシステムとは異なり、本発明はマイクロ波の位相を制御するための方法およびシステムを提供してマイクロ波がマイクロ波キャビティ内で定常的な高エネルギー領域を発生できるようにするものである。また、高エネルギー領域のパワーを使うようにしたプラズマノズルアレイを構成する方法も開示されている。
図１は、本発明の１つの実施態様に係るプラズマノズルアレイを持つシステム１０の概略図である。図示されるように、システム１０は、マイクロ波を発生するマイクロ波パワーヘッド１２と、マイクロ波パワーヘッド１２によって発生されたマイクロ波を分割する２つの出口を持つパワースプリッタ１４とを具備するマイクロ波供給源１３；マイクロ波パワーヘッド１２に向かって移動する後進マイクロ波を放散させるように構成された一対のアイソレータ１７ａ、１７ｂであって、それぞれが、後進マイクロ波を放散させるためのダミーロード１８ａ、１８ｂと、後進マイクロ波を対応するダミーロード１８ａ、１８ｂへと分流させるためのサーキュレータ１６とを備えているアイソレータ；マイクロ波の位相をシフトさせるための一対の非回転位相シフタ２４ａ、２４ｂ；マイクロ波をパワースプリッタ１４から非回転位相シフタ２４ａ、２４ｂへとそれぞれ向かわせる一対のサーキュレータ２２ａ、２２ｂ；マイクロ波を伝搬させるための導波管２０ａ、２０ｂ；およびマイクロ波キャビティ３２を備えている。他の実施例では、システム１０はさらにパワーメータ２８ａ、２８ｂに接続されてマイクロ波線束を測定するための結合器２６ａ、２６ｂ；およびマイクロ波のインピーダンスを一致させるためのチューナ３０ａ、３０ｂを備えてよい。典型的には、マイクロ波パワーヘッド１２はマイクロ波発生器および電源を備えているが、これらは簡素化を図るため図１には図示されていない。さらに他の実施態様では、アイソレータは、マイクロ波パワーヘッド１２と２個出口パワースプリッタ１４との間に配置されることにより、一対のアイソレータ１７ａ、１７ｂとされる。
１つ以上のノズル３６を備えるノズルアレイ３７がマイクロ波キャビティ３２に接続され、ガスタンク３４から質量流動制御（ＭＦＣ）バルブ３５を通って提供されるガスからプラズマプルーム３８ａ〜３８ｎを発生させる。システム１０で使用し得るノズル３６およびマイクロキャビティ３２のいくつかの実施態様は、２００５年７月５日に出願された「プルーム安定性および熱効率が改善されたマイクロ波プラズマノズル（Microwave Plasma Nozzle with Enhanced Plume Stability and Heating Efficiency）」という名称の係属中のＰＣＴ出願で開示されており、本願ではその全体を参考文献として援用する。
パワースプリッタ１４から伝搬されるマイクロ波４０ａ、４０ｂは、マイクロ波キャビティ３２内をｘ軸に沿って互いに反対方向に進み、図２（Ａ）に示すような干渉パターンを生み出す。図２（Ａ）は、互いに干渉し合ってマイクロ波キャビティ３２内でマイクロ波の定在波５４を生成するマイクロ波５２ａ、５２ｂのグラフ５０を示している。グラフ５０の横座標および縦座標は、マイクロ波の伝搬方向およびマイクロ波の振幅をそれぞれ表している。マイクロ波の定在波５４の強度は振幅の二乗に比例するため、定在波５４はそれぞれのサイクルについて振幅が最大振幅５８に達するピーク位置６４を持っている（簡素化のため、以後、振幅は振幅の絶対値を意味する）。
高エネルギー領域６９は、マイクロ波の定在波の振幅がユーザによって設定されるしきい値を越える領域とすることができる。図５（Ａ）および図１０に関連して後で説明するように、１つより多くのノズルを、それぞれの高エネルギー領域６９にｘ方向に沿って配置できる。かかる場合、高エネルギー領域６９の幅６２は、ノズルの寸法、２つの隣接し合うノズル間の間隔、および最大振幅５８の値を考慮して決定できる。例えば、ユーザはしきい値６０を最大振幅５８の７５％に設定することで、高エネルギー領域６９において全てのノズルのためにマイクロ波エネルギーを提供するようにできる。
ピーク位置６４および最大振幅５８、ならびに高エネルギー領域６９の幅６２は非回転位相シフタ２４ａ、２４ｂによって制御でき、一方ピッチ５６はマイクロ波５２ａ、５２ｂの波長によって決定される。もしマイクロ波５２ａ、５２ｂの間の位相差が小さくなる場合、高エネルギー領域６９の最大振幅５８および幅６２は大きくなる。もし２つのマイクロ波５２ａ、５２ｂの位相がｘ軸に沿って一方向にシフトする場合、ピーク位置６４はその方向にシフトし得る。
図２（Ｂ）は、ｘ−ｚ平面に垂直な方向から見た場合の、マイクロ波キャビティ３２内における高エネルギー領域６９の分布６６を示している。図２（Ｂ）に示すように、高エネルギー領域６９は方向６８ａ、６８ｂに沿って伝搬するマイクロ波５２ａ、５２ｂの干渉によってそれぞれ発生される。マイクロ波５２ａ、５２ｂが一次元波動である場合、高エネルギー領域６９のそれぞれはストライプ状の形状で、ピッチ５６の半分にスペースが存在している。図２（Ａ）、（Ｂ）では、説明のためマイクロ波キャビティは矩形の平行管状であると仮定される。しかしながら、当業者にとっては、マイクロ波キャビティは本発明から逸脱することなく他のどのような形状でもあり得ることは明らかなはずである。
他の実施態様では、マイクロ波供給源１３を、２つの別々のマイクロ波パワーヘッドと、それらに取り付けられた２つのアイソレータとに代替させても良い。この場合、それぞれのマイクロ波パワーヘッドは、マイクロ波キャビティ３２へとマイクロ波を搬送する。本実施態様では、２つのマイクロ波５２ａ、５２ｂは異なる波長および振幅を持ち得る。しかしながら、上で述べたのと同じ原則を適用することにより、非回転位相シフタ２４ａ、２４ｂを使って、ピーク位置６４、最大振幅５８、ならびに高エネルギー領域６９の幅６２を制御できる。
図３は、本発明に係る、マイクロ波キャビティ内の高エネルギー領域を確定的に発生させるためのシステム７０の概略図である。図示するように、システム７０は、マイクロ波を発生するためのマイクロ波パワーヘッド７２；マイクロ波パワーヘッド７２に向かって伝搬する、後進マイクロ波を放散するように構成されたダミーロード７６と、後進マイクロ波をダミーロード７６へと分流させるためのサーキュレータ７８とを備えるアイソレータ７４；マイクロ波の位相を制御するための非回転位相シフタ８２；サーキュレータ８０；マイクロ波キャビティ９２；マイクロ波パワーヘッド７２からマイクロ波キャビティ９２へとマイクロ波を伝搬させるための導波管９０；および、反射されたマイクロ波の位相を制御するためのスライディングショート９４を備える。他の実施例では、システム７０はさらにパワーメータ８４に接続されてマイクロ波フラックスを測定するための結合器８６；および、マイクロ波のインピーダンスを一致させるためのチューナ８８を備えることができる。さらに他の実施態様では、スライディングショート９４を壁に取り替えてよく、この場合、マイクロ波伝搬に沿ったマイクロ波キャビティ９２の寸法は、マイクロ波の波長の半分の倍数とされる。ノズル９８を備えるノズルアレイ９９をマイクロ波キャビティ９２に接続してよく、ガスタンク９６から提供されるガスからプラズマプルーム１００を発生する。ノズル９８の具体的な詳細は以下に説明する。
図３において、符号１０２で示す挿入図は、マイクロ波パワーヘッド７２からマイクロ波キャビティ９２へと向かうマイクロ波の伝搬を描いている。伝搬されるマイクロ波は、矢印１０４で表示されるようにスライディングショート９４から反射され、入ってくるマイクロ波と干渉し合ってマイクロ波キャビティ９２内でマイクロ波の定在波を発生する。スライディングショート９４は反射されたマイクロ波の位相を制御でき、非回転位相シフタ８２とともに使用された場合は、静止波の位置および最大振幅、ならびに図２（Ｂ）に示す高エネルギー領域６９に類似の高エネルギー領域の幅を制御できる。
図４（Ａ）は、図１に示すプラズマノズルアレイ３７の上面図であり、マイクロ波キャビティ３２内に、反対方向６８ａおよび６８ｂに移動するマイクロ波によって確立される高エネルギー領域６９内に配置されるノズル３６を描いている。図示されるように、参照符号３７で示されるノズルアレイは二次元アレイとして記載されている。しかしながら、ノズルの他のアレインジメントも使えることは当業者に明らかなはずである。例えば、ノズルアレイ３７はｚ方向またはｘ方向のいずれかに配置されるノズル３６の一次元アレイだけを持ち得る。図３のノズルアレイ９９も図４（Ａ）と同じアレインジメントを持ち得ることがわかる。
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示すマイクロ波キャビティおよびノズルアレイの、ＩＶ−ＩＶ方向の沿った断面図１１０である。図示されるように、マイクロ波キャビティ３２は、ガスタンク３４からガスを流入させるためのガスフローチャネル１１２を形成している壁１１１；マイクロ波供給源１３から伝搬されたマイクロ波を受け取り、高エネルギー領域６９を発生するキャビティ１１３を備えている。それぞれのノズル３６は、キャビティ壁１１１に接続されてガスフローチャネル１１２を通じてガスを受け取るガスフロー管１２０；高エネルギー領域６９においてマイクロ波を受信するための部分１１６をキャビティ１１３内に持つロッド状コンダクタ１１４；およびロッド状コンダクタ１１４とガスフロー管１２０との間に配置されたうず巻状ガイド１１８を備えることができる。うず巻状ガイド１１８は、ロッド状コンダクタ１１４の周りにらせん状の渦巻き流路を生成するための少なくとも１つの開口部１１９を持っている。ロッド状コンダクタの前記部分１１６によって受け取られるマイクロ波は、その先細り先端部１１７に集中され、ガスを使ってプラズマプルーム３８を発生する。ガスフロー管１２０はマイクロ波を実質的に透過させる材料から製造してよい。例えば、ガスフロー管１２０は石英のような誘電体材料から製造してよい。
高エネルギー領域６９の幅６２は、非回転位相シフタ２４ａ、２４ｂを制御することによって最適化できる。一般に、高エネルギー領域６９の幅が小さいほどノズル３６の動作効率がより高くなる。しかしながら、システム１０の作動中の高エネルギー領域６９が変動する可能性を考慮して、高エネルギー領域６９の幅６２はロッド状コンダクタ１１４の直径よりもわずかに大きくしてよい。
図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）に示されているマイクロ波キャビティおよびノズルアレイの他の実施態様１２２の断面図である。図示されるように、ノズル１２８は図４（Ｂ）に図示するものに類似の構成部材をもっている。図４（Ｃ）のものは、封止状態で壁１２６に接続されてガスフローチャネル１２７を通じてガスを受け取るガスフロー管１３４；キャビティ１３３内において高エネルギー領域６９からマイクロ波を受信するためのロッド状コンダクタ１３０；および、うず巻状ガイド１３２を備えている。ガスフロー管１３４はマイクロ波を実質的に透過する材料であればどのような材料からでも製造でき（すなわち、マイクロ波が非常に低いエネルギー損失でガスフロー管１３４を通過できる）、このような材料を用いると、ガスフロー管１３４を流れるガスを、ロッド状コンダクタ１３０の先細り先端部の領域に到達する前にキャビティ１３３内であらかじめ加熱できる。
図４（Ｄ）は、図４（Ａ）に示すマイクロ波キャビティおよびノズルアレイのさらに他の実施態様１４０の断面図である。図示されるように、ノズル１４４は図４（Ｂ）に描かれている相手部材に類似の構成部材、すなわち、マイクロ波キャビティ１４２の壁１４３に封止状態で接続されてガスを受け取るガスフロー管１４８；高エネルギー領域６９からマイクロ波を受信するためのロッド状コンダクタ１５２；およびうず巻状ガイド１４６を備えている。マイクロ波キャビティ１４２は、ガスタンク３４に接続され、ガスフローチャネルを構成している。ロッド状コンダクタ１５２は、図４（Ｂ）に描かれているコンダクタ１１４に類似であってよく、この場合、ロッド状コンダクタ１１４の部分１１６はキャビティ１１３に挿入されてマイクロ波を受信する。そして、受信されたマイクロ波は、その表面に沿って移動し先細り先端部に集中される。
上述のように、高エネルギー領域６９の幅６２（図２）は非回転位相シフタ２４ａ、２４ｂを制御することによって最適化できる。一般に、高エネルギー領域の幅が小さいほどノズル３６の動作効率が高くなる。このような理由で、図４（Ａ）〜（Ｄ）では、高エネルギー領域６９の幅６２はロッド状コンダクタ１１４の直径よりもわずかに大きくてよい。これらの用途では、２つの隣接し合うノズル間のｘ方向の間隔は反対方向６８ａ、６８ｂに移動するマイクロ波の波長の半分でよい。しかしながら用途によっては、波長の半分であることからｘ方向に沿ってプラズマ特性に変動が生じる場合があり、その結果、ノズル間の間隔はより小さいことが必要な場合がある。図５（Ａ）〜（Ｄ）は、２つの隣接し合うノズルの間の間隔がｘ方向にさまざまであるノズルアレイを描いている。
図５（Ａ）は、図４（Ａ）に示すプラズマノズルアレイの他の実施態様３７’の上面図であり、反対方向６８ａ’および６８ｂ’に移動するマイクロ波によって確立される高エネルギー領域６９’内に配置されたノズル３６’を描いている。図示するように、高エネルギー領域６９’の幅６２’は、ピッチ５４’がマイクロ波の波長に等しいにもかかわらず１つ以上のノズル３６’をｘ方向に収容するのに十分な大きさである。幅６２’は図２（Ａ）に関連して説明したように、マイクロ波６８ａ’、６８ｂ’間の位相差を変動させることで制御できる。図３のノズルアレイ９９は、図５（Ａ）に図示するものと同じアレインジメントであってよいことがわかる。
図５（Ｂ）〜（Ｄ）は、図５（Ａ）のマイクロ波キャビティおよびノズルアレイのさまざまな実施態様の線ＩＶ’−ＩＶ’に沿った断面図である。図示するように、参照符号１１０’（図５（Ｂ））、１２２’（図５（Ｃ））、および１４０’（図５（Ｄ））で示される３つの実施態様は、参照符号１１０、１２２、および１４０でそれぞれ示される相手部材に類似であるが、幅６２’が１より多くのノズルをｘ方向に収容するのに十分大きくてよい点が異なっている。
図４（Ｂ）〜（Ｄ）および図５（Ｂ）〜（Ｄ）に描かれるそれぞれのノズルは、キャビティ内に挿入されてマイクロ波を受信する部分を持つロッド状のコンダクタを備えている。そして、受信されたマイクロ波は、その表面を移動し先細り先端部に集中される。移動するマイクロ波の一部はガスフロー管を通じて失われる場合があるため、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、遮蔽メカニズムを使ってノズルの効率を改善してよい。
図６（Ａ）は、ノズル１６０の断面図を示しており、図４（Ｃ）に示されるノズル３６の他の実施態様である。図示されるように、ノズル１６０は、ロッド状コンダクタ１６２；ガスフロー管１６４；うず巻状ガイド１６６；およびガスフロー管１６４を通る際のマイクロ波損失を緩和するための内側遮蔽１６８を備えている。内側遮蔽１６８は管状の形状であり、うず巻状ガイド１６６の外側表面に沿って形成されたくぼみに係合する。内側遮蔽１６８はロッド状コンダクタ１６２周辺のらせん状の渦巻きをさらに制御でき、またガスフロー管１６４とロッド状コンダクタ１６２との間の隙間を変化させることによってプラズマの安定性を高める役目を果たす。
図６（Ｂ）は、図４（Ｃ）に示すノズル３６のさらに他の実施態様である他のノズル１７０の断面図である。図示されるように、ノズル１７０は、ロッド状コンダクタ１７２；ガスフロー管１７４；うず巻状ガイド１７６；およびガスフロー管１７４を通る際のマイクロ波パワー損失を緩和するための接地遮蔽１７８を備えている。接地遮蔽１７８はマイクロ波キャビティの外部であるガスフロー管１７４の一部を覆うことができる。内側遮蔽１６８と同様に、接地遮蔽１７８はロッド状コンダクタ１７２周辺のらせん状の渦巻きをさらに制御でき、ガスフロー管１７４とロッド状コンダクタ１７２との間の隙間を変化させることによってプラズマの安定性を高めることができる。
上述のように、図４（Ｂ）〜（Ｄ）および図５（Ｂ）〜（Ｄ）に示されたノズルに適用される主な加熱メカニズムは、ロッド状コンダクタの先細り先端部に隣接して集中され放出されるマイクロ波であり、この場合、ノズルは殺菌のために非ＬＴＥプラズマを生成できる。非ＬＴＥプラズマでは、イオンおよび中性物質の温度は１００℃未満であり得るが、電子の温度は摂氏数万度℃までにもなり得る。従って、かかるプラズマは電子的に非常に高く励起する。電子温度を高めノズル効率を高めるために、ノズルは、図６（Ｃ）〜（Ｆ）に図示するように、ガスがガスフロー管内にある状態でガスを電子的に励起させるさらに別のメカニズムを備えてよい。
図６（Ｃ）は、図４（Ｃ）に図示するノズル３６のさらに他の実施態様であるノズル１８０の断面図である。図示されるように、ノズル１８０は、ロッド状コンダクタ１８２；ガスフロー管１８４；うず巻状ガイド１８６；およびガスフロー管１８４内で渦巻くガスを電子的に励起させるための一対の外側磁石１８８を備えている。外側磁石１８８のそれぞれは、ガスフロー管１８４の外側表面の周りに配置された半円状の断面を持つ円筒状シェルを持ってよい。
図６（Ｄ）は、図４（Ｃ）に図示するノズル３６のさらに他の実施態様であるノズル１９０の断面図である。図示されるように、ノズル１９０は、ロッド状コンダクタ１９２；ガスフロー管１９４；うず巻状ガイド１９６；およびガスフロー管１９４内にうず巻状ガイド１９６によって固定され、ガスフロー管１９４でらせん状渦巻きを電子的に励起させるための一対の内側磁石１９８を備えている。内側磁石１９８のそれぞれは、断面が半円状の円筒状シェルを持ってよい。
図６（Ｅ）は、図４（Ｃ）に図示するノズル３６のさらに他の実施態様であるノズル２００の断面図を示す。図示されるように、ノズル２００は、ロッド状コンダクタ２０２；ガスフロー管２０４；うず巻状ガイド２０６；一対の外側磁石２０８；および内側遮蔽２１０を備えている。外側磁石２０８のそれぞれは断面が半円状の円筒状シェルを持ち得る。他の実施態様では、内側遮蔽２１０は管状の形状であってよい。
図６（Ｆ）は、図４（Ｃ）に図示するノズル３６のさらに他の実施態様であるノズル２１２の断面図である。図示されるように、ノズル２１２は、ロッド状コンダクタ２１４；ガスフロー管２１６；うず巻状ガイド２１８；アノード２２０；およびカソード２２２を備えている。アノード２２０およびカソード２２２は電源（簡素化のために図５（Ｆ）には図示していない）に接続されており、ガスフロー管２１６内で渦巻くガスを電子的に励起させることができる。
上述のように、図６（Ａ）〜（Ｆ）は、図４（Ｃ）に図示するノズル３６のさまざまな実施態様の断面図を示している。しかしながら、図６（Ａ）〜（Ｆ）に図示する実施態様を、図４（Ｃ）、（Ｄ）および図５（Ｂ）〜（Ｄ）に図示するノズルに適用できることは当業者にとって明らかなはずである。また、当業者であれば図４（Ａ）〜図６（Ｆ）の説明は、図３のシステム３に等しく適用できることがわかるであろう。
図２（Ｂ）に戻って、ノズル３６は、高エネルギー領域６９内に配置することで、マイクロ波キャビティ３２内におけるマイクロ波エネルギーの利用を最大にすることができる。一般に、マイクロ波キャビティ３２の動作効率は、高エネルギー領域６９がノズル３６の周りにだけ限定されれば高くできる。典型的なノズルの断面は縦横比が均一に近い状態で円形または矩形であるため、マイクロ波キャビティの動作効率は図７〜図９において後で説明するように、高エネルギー領域が二次元マトリックス形態で矩形領域内に限定されれば最大にできる。
図７は、本発明の１つの実施態様に係る、プラズマノズルアレイを持つ参照符号２３０で示されるシステムの概略図である。参照符号２３０で示されるシステムの構成部材は、マイクロ波が互いに対して垂直にマイクロ波キャビティ２５０内を移動している点を除き、図１のそれらの相手部材に類似である。図示されるように、システム２３０は、マイクロ波パワーヘッド２３２と２つの出口を持つパワースプリッタ２３４とを具備するマイクロ波供給源２３３；一対の非回転位相シフタ２４４ａ、２４４ｂ；一対のサーキュレータ２３６ａ、２３６ｂと、一対のダミーロード２３８ａ、２３８ｂとを備える一対のアイソレータ２３７ａ、２３７ｂ；一対のサーキュレータ２４２ａ、２４２ｂ；導波管２４０ａ、２４０ｂ；マイクロ波キャビティ２５０；好ましくは二次元アレイを形成している１つ以上のノズル２５６；および一対のスライディングショート２５４ａ、２５４ｂを備えている。挿入図２６０ａ、２６０ｂは、マイクロ波キャビティ２５０に搬送されるマイクロ波を表している。システム２３０はさらに、一対の結合器２４６ａ、２４６ｂ；一対のチューナ２４８ａ、２４８ｂ；および一対の結合器２４６ａ、２４６ｂにそれぞれ接続されている一対のパワーメータ２４７ａ、２４６ｂを備えている。ガスタンク３４をマイクロ波キャビティ２５０に接続して、マイクロ波キャビティ２５０に結合されているノズル２５６にガスを提供するようにしてよい。他の実施態様では、アイソレータをマイクロ波パワーヘッド２３２とパワースプリッタ２３４との間に配置することにより、アイソレータ２３７ａ、２３７ｂに代えてよい。
図８は、２つの干渉し合うマイクロ波の伝搬方向によって定義されている平面に垂直な方向に見た、マイクロ波キャビティ２５０内の高エネルギー領域の分布を表わしており、２つのマイクロ波が波形２６０ａ、２６０ｂによって図示されている。図８に図示されるように、波形２６０ａ、２６０ｂによって図示される２つのマイクロ波、および波形２６１ａ、２６１ｂによって図示される２つの反射マイクロ波は、二次元アレイ形態に高エネルギー領域２６８を発生し、この場合、間隔２６４ａ、２６４ｂはそれぞれマイクロ波２６０ａ、２６０ｂの波長の半分に相当する。図２（Ｂ）に図示される干渉パターンに適用されるのと同じ原則によって、マイクロ波２６０ａ、２６１ａ、およびマイクロ波２６０ｂ、２６１ｂは２つのマイクロ波の定在波を発生し、これらはそれぞれがストリップ状の高エネルギー領域２６２ａ、２６２ｂを生み出す。そして、定在波は、さらに干渉し合って図８に描くようなマトリックス形態の高エネルギー領域２６８を発生する。高エネルギー領域２５８の位置及び幅２６６ａ、２６６ｂは、非回転位相シフタ２４４ａ、２４４ｂおよび／またはスライディングショート２５４ａ、２５４ｂによって制御できる。図８に示すように、それぞれのノズル２５６のロッド状コンダクタの一部は、高エネルギー領域内に配置してマイクロ波エネルギーを収集するようにしてよい。
他の実施態様では、２つの別々のマイクロ波パワーヘッドをマイクロ波供給源２３３に取り替えてよく、この場合、それぞれのマイクロ波パワーヘッドはマイクロ波をマイクロ波キャビティ２５０へと搬送できる。このような実施態様では、２つのマイクロ波は異なる波長および振幅を持ってよく、その結果、間隔２６４ａ、２６４ｂは互いに異なる場合がある。同様に、高エネルギー領域の幅２６６ａ、２６６ｂは互いに異なる場合がある。
図９は、本発明のさらに他の実施態様に係る、二次元アレイ形態の高エネルギー領域を発生するためのマイクロ波キャビティおよび導波管をひとまとめにして参照符号２７０で示している概略図である。図示されるように、マイクロ波キャビティ２７６は、それぞれ４つの導波管２７２ａ〜２７２ｄを通って移動する４つのマイクロ波２７４ａ〜２７４ｄを受け取ることができる。マイクロ波の位相は、導波管２７２ａ〜２７２ｄにそれぞれ結合されている４つの非回転位相シフタ（図９には図示せず）のうちの対応する１つによって制御できる。４つのマイクロ波２７４ａ〜２７４ｄは、１つ以上のマイクロ波パワーヘッドによって発生できる。４つのマイクロ波２７４ａ〜２７４ｄのそれぞれは、４つのマイクロ波パワーヘッドのうちの対応する１つによってそれぞれ発生できる。他の実施態様では、２つのマイクロ波パワーヘッドがマイクロ波を発生し、この場合、それぞれのマイクロ波が２つのマイクロ波に分割される。さらに他の実施態様では、４つの出口を持つパワースプリッタを使って１つのマイクロ波パワーヘッドを４つのマイクロ波に分割できる。これら３つの実施態様は例示的な目的で提供されているにすぎないことがわかる。従って、当業者にとっては４つのマイクロ波を提供する能力のあるものであれば、本発明から逸脱することなくマイクロ波導波管２７２ａ〜２７２ｄとともにどのような適切なシステムでも使えることは明らかなはずである。
図６（Ａ）〜（Ｆ）のノズルのさまざまな実施態様、およびガスフローチャネルを形成している図４（Ｂ）〜（Ｄ）のマイクロ波キャビティの壁もまた図９に説明するシステムに適用できる。簡素化のため、このような実施態様は図示しなかった。
図８に戻ると、２つの隣接し合うノズル間のｘおよびｚ方向の間隔２６４ａおよび２６４ｂは、それぞれ波形２６０ａおよび２６０ｂによって示されるマイクロ波の波長の半分でよい。用途によっては、これらの波長の半分の間隔によってｘおよびｚ方向に沿ってプラズマ特徴に変動が生じる場合があり、その結果、ノズル間の間隔はより小さいことが必要な場合がある。例えば、図１０は、図７および図９に描かれるシステムのマイクロ波キャビティ内で見られる高エネルギー領域の他の干渉パターンを示している。図示されるように、それぞれの高エネルギー領域２６８’は隣接するノズルとの間隔がより小さい１つ以上のノズル２５６’を備えることができる。間隔を小さくすることによって、マイクロ波キャビティ２５０’に結合されているノズルアレイは、ｘおよびｚ方向の両方に均一性が改善されたプラズマを発生できる。図８の場合と同様に、それぞれの高エネルギー領域２６８’の幅２６６ａは２つのマイクロ波１６０ａ’、２６１ａ’の間の位相差を調整することによって制御でき、幅２６６ｂ’は２つのマイクロ波２６０ｂ’、２６１ｂ’の間の位相差を調整することによって制御できる。
図１１は、参照符号３１０によって示されプラズマノズルアレイ３３７を持つ、本発明のさらに他の実施態様に係るシステムの概略図である。図示されるように、参照符号３１０で示されるシステムは参照符号１０（図１）で示されるシステムに非常に似ているが、ノズルアレイ３３７のノズル３３６が、ガスタンク３３４から直接ガスを受け取る点が異なっている。ガスタンク３３４からのガスライン３７０は複数の分岐３７１を持ってよく、この場合、それぞれの分岐はノズル３３６のうちの１つに結合できまた従来のガス管から形成できる。
図１２は、図１１のｚ軸に垂直な方向に沿った、マイクロ波キャビティ３３２およびノズルアレイ３３７の断面図を示している。図示されるように、ノズル３３６は、ガスフロー管３５８；接地遮蔽３６０にぴったりと嵌合されているガスフロー管３５８を通る際のマイクロ波損失を緩和し、キャビティ壁３３２で封止された接地遮蔽３６０；マイクロ波キャビティ３３２内に配置された部分３５４を持ちマイクロ波キャビティ３３２内でマイクロ波キャビティ３３２からのマイクロ波を受信するロッド状コンダクタ３５２；ロッド状コンダクタ３５２と接地遮蔽３６０との間に配置されて接地遮蔽３６０に対してロッド状コンダクタ３５２を確実に保持するよう構成されている位置ホルダ３５６；および分岐３７１を接地遮蔽３６０に結合するためのガス供給メカニズム３６２を備えている。位置ホルダ３５６、接地遮蔽３６０、およびロッド状コンダクタ３５２は、それぞれうず巻状ガイド１４６（図４（Ｄ））、接地遮蔽１７８（図６（Ｂ））、およびロッド状コンダクタ１５２（図４（Ｄ））と同じ材料から製造してよい。例えば、接地遮蔽３６０は金属から、好ましくは銅から製造してよい。
図１２に図示するように、ノズル３３６はガス供給メカニズム３６２を通ってガスを受け取ることができる。ガス供給メカニズム３６２は、米国、インディアナ州のインディアナポリスに所在するＳＭＣ社によって製造されている油圧式ワンタッチ取り付け具（モデル番号ＫＱ２Ｈ０５−３２）を用いることができる。ガス供給メカニズム３６２の一端は、図１３に図示するように接地遮蔽３６０の穴３６４のエッジに形成されている雌ねじと噛み合うねじ付きボルトを持っている。本発明は他の適切なタイプのガス供給メカニズムを使って実施できることは当業者にとって明らかなはずである。システム３１０に使用できるノズル３３６およびマイクロ波キャビティ３３２のいくつかの実施態様を前で言及した２００５年７月２１日に出願された「マイクロ波キャビティ内での電力分布を制御するシステムおよび方法」という名称のＰＣＴ出願で議論している。
図１３は、図１２に図示するノズル３３６の分解斜視図である。図示するように、ロッド状コンダクタ３５２および接地遮蔽３６０は、それぞれ位置ホルダ３５２の内側および外側周辺部と係合できる。ロッド状コンダクタ３５２は、マイクロ波キャビティ３３２からマイクロ波を受信するアンテナとして作用する部分３５４を持っている。受信されたマイクロ波は、ロッド状コンダクタ３５２に沿って移動し、ガスフロー管３５８を通って流れるガスを使ってプラズマ３３８を発生する。ロッド状コンダクタという用語は、円形断面、卵形断面、楕円形断面、または長楕円形断面のようなさまざまな断面、またはそれらのどのような組み合わせも持つコンダクタを網羅することを意図している。
マイクロ波は、マイクロ波キャビティ３３２内に延びるロッド状コンダクタ３５２の部分３５４によって受信できる。これらのマイクロ波は、ロッド状コンダクタを降りて先細り先端部へ向かって移動する。より具体的には、マイクロ波はロッド状コンダクタ３５２の表面によって受け取られこれに沿って移動する。マイクロ波の浸透および移動の原因となる表皮の深さは、マイクロ波周波数およびコンダクタ材料の関数である。マイクロ波浸透の距離は１ミリメートル未満にできる。従って、中空の部分４０１を持つ図１４（Ａ）のロッド状コンダクタ４００は、ロッド状コンダクタ３５２の他の実施態様である。
いくつかの貴金属が良好なマイクロ波コンダクタであることは公知である。従って、ロッド状コンダクタの性能を妥協させることなく装置の単価を安くするには、ロッド状コンダクタの表皮層を良好なマイクロ波コンダクタである貴金属から製造すると同時に、コアの内部により安価な導電材料を使うとよい。図１４（Ｂ）は、ロッド状コンダクタのさらに他の実施態様の断面図であり、ロッド状コンダクタ４０２は、貴金属から製造される表皮層４０６と、より安価な導電材料から製造されているコア層４０４とを備えている。
図１４（Ｃ）は、ロッド状コンダクタのさらに他の実施態様の断面図であり、ロッド状コンダクタ４０８は、円錐状に先細りとなっている先端部４１０を備えている。他の断面の変形例もまた使用できる。例えば、円錐状に先細りの先端部４１０はロッドコンダクタ４０８の他の部分よりもプラズマによってより早くに腐食する可能性があるため、定期的に取り替える必要がある場合がある。
図１４（Ｄ）は、ロッド状コンダクタのさらに他の実施態様の断面図であり、ロッド状コンダクタ４１２は鋭利な先端部の代わりにとがっていない先端部を持っており、その寿命が長くなっている。
図１４（Ｅ）は、ロッド状コンダクタのさらに他の実施態様の断面図であり、ロッド状コンダクタ４１６は適切な固定メカニズム４２２（この場合は、先細り部４１８はスクリュー端部４２２を使って円筒状部４２０にねじ込める）によって円筒状部分４２０に固定されている先細り部４１８を備え、交換が簡単かつ迅速に行えるようになっている。
図１４（Ｆ）〜（Ｉ）は、ロッド状コンダクタのさらに他の実施態様の断面図を示している。図示されるように、ロッド状コンダクタ４２１、４２４、４２８、および４３４はそれぞれの相手部材３５２（図１３）、４００（図１４（Ａ））、４０２（図１４（Ｂ））、および４１６（図１４（Ｅ））にそれぞれ類似であるが、プラズマによる腐食率を小さくするためにとがっていない先端部を持つ点が異なっている。図１４（Ａ）〜（Ｉ）に描かれるロッド状コンダクタのさまざまな実施態様は、図１および図３〜図１３に説明するノズルのいずれの実施態様にも使えることが分かる。
図１５は、本発明の少なくとも１つの実施態様によって、マイクロ波プラズマノズルアレイを構成するための例示的なステップを示すフローチャート５００である。ステップ５０２で、マイクロ波の第１ペアが第１軸に沿って互いに反対方向にマイクロ波キャビティへと向けられる。次に、ステップ５０４で、マイクロ波の第２ペアが第２軸に沿って反対方向にマイクロ波キャビティへと向けられる。この場合、第１軸は第２軸に垂直で、マイクロ波の第１、第２ペアが干渉し合うことで、マイクロ波キャビティ内に定常的な高エネルギー領域を生み出すようになっている。そして、マイクロ波の第１、第２ペアから選択された少なくとも１つのマイクロ波の位相が、ステップ５０６で高エネルギー領域を制御するよう調整される。最後に、ステップ５０８で、ノズルアレイがマイクロ波キャビティに結合され、この場合、高エネルギー領域の対応する１つからマイクロ波エネルギーを収集するようにノズルアレイの１つ以上のノズル素子が構成される。
本発明をその具体的な実施態様を参照して説明してきたが、当然のことながら、上述のものは本発明の好ましい実施態様に関連しており、特許請求の範囲に規定されるような本発明の精神および範囲から逸脱することなく改変を行い得ることが理解されるはずである。
加えて、多くの改変を行って特定の状況、システム、プロセス、単一または複数のプロセス工程を本発明の目的、精神、および範囲に適合させるようにし得る。かかる改変はすべて、本願に添付の特許請求の範囲の範囲内とされることが意図されている。
本発明の１つの実施態様に係る、プラズマノズルアレイを持つシステムの概略図である。 （Ａ）は、図１に示すシステムのマイクロ波キャビティ内で、互いに反対方向に移動している２つのマイクロ波の干渉を示す図、（Ｂ）は、図１に示すシステムのための、マイクロ波キャビティ内での高エネルギー領域の分布を概略的に示す図である。 本発明の他の実施態様に係る、プラズマノズルアレイを持つシステムの概略図である。 （Ａ）は、図１に示すマイクロ波キャビティおよびプラズマノズルアレイの上面図、（Ｂ）は、（Ａ）に示すマイクロ波キャビティおよびノズルの、ＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図、（Ｃ）は、（Ｂ）に示すマイクロ波キャビティおよびノズルアレイの他の実施態様の断面図、（Ｄ）は、（Ｂ）に示すマイクロ波キャビティおよびノズルアレイのさらに他の実施態様の断面図をそれぞれ示している。 （Ａ）は、図４（Ａ）に示すプラズマノズルアレイの他の実施態様の上面図、（Ｂ）は、（Ａ）に示すマイクロ波キャビティおよびノズルアレイの、ＩＶ’−ＩＶ’線断面図、（Ｃ）は、（Ｂ）に示すマイクロ波キャビティおよびノズルアレイの他の実施態様の断面図、（Ｄ）は、（Ｂ）に示すマイクロ波キャビティおよびノズルアレイのさらに他の実施態様の断面図をそれぞれ示している。 （Ａ）〜（Ｆ）は、図４（Ｃ）に示すマイクロ波プラズマノズルの他の実施態様の断面図を示しており、ノズル効率を改善するためのさらなる構成部材を表している。 本発明の他の実施態様に係る、プラズマノズルアレイを持つシステムの概略図である。 図７に示すシステムのマイクロ波キャビティ内で見られる高エネルギー領域の干渉パターンを示しており、高エネルギー領域におけるノズルアレイの１つのアレインジメントを表している。 本発明のさらに他の実施例に係る、高エネルギー領域を二次元アレイ形態に発生するためのマイクロ波キャビティおよび導波管の概略図である。 図７および図９に示すシステムのマイクロ波キャビティ内で見られる高エネルギー領域の他の干渉パターンを示しており、高エネルギー領域におけるノズルアレイの他のアレインジメントを表している。 本発明のさらに他の実施態様に係る、プラズマノズルアレイを持つシステムの概略図である。 図１１に示すマイクロ波キャビティおよびノズルアレイの、ｚ軸に垂直な方向に沿った断面図を示している。 図１２に示すノズルの分解斜視図である。 （Ａ）〜（Ｉ）は、図１３に示すロッド状コンダクタの他の実施態様の断面図を示している。 本発明の少なくとも１つの実施態様に係る、マイクロ波ノズルアレイを結合するための例示的な工程を表すフローチャートを示している。
符号の説明
１０ システム
１２ マイクロ波パワーヘッド
１３ マイクロ波供給源
１４ パワースプリッタ
１７ａ、１７ｂ アイソレータ
２０ａ、２０ｂ 導波管
２２ａ、２２ｂ サーキュレータ
２４ａ、２４ｂ 非回転位相シフタ
２６ａ、２６ｂ 結合器
２８ａ、２８ｂ パワーメータ
３０ａ、３０ｂ チューナ
３２ マイクロ波キャビティ
３６ ノズル
３７ ノズルアレイ
３８ プラズマ

Claims (22)

  1. マイクロ波キャビティ内でマイクロ波同士を干渉させマイクロ波の定在波パターンが静止的に形成されるように、互いに反対方向からマイクロ波をマイクロ波キャビティへ向かわせるステップと、
    少なくとも１つのマイクロ波の位相を調整して、マイクロ波の定在波パターンによって定在波エネルギーの腹近傍の領域を制御するステップと、
    ノズル素子の１つ以上が前記定在波エネルギーの腹近傍の領域の１つからマイクロ波エネルギーを受け取るように、ノズルアレイの少なくとも一部を前記マイクロ波キャビティ内に配置するステップと、を具備し、
    前記ノズル素子の各々が、
    その中にガスを流すために適用され、入口部及び出口部を持つガスフロー管と、
    前記ガスフロー管内に軸方向に配置され、マイクロ波を受信するために前記マイクロ波キャビティ内に配置される受信部と、該受信部に連なる先端部とを含むロッド状コンダクタとを備え、
    前記受信部は、受信したマイクロ波を伝搬して前記先端部に集中させるものであり、前記先端部は、前記ガスフロー管の前記出口部に隣接して配置されていることを特徴とするマイクロ波プラズマノズルアレイを構成するための方法。
  2. 前記マイクロ波を向かわせるステップは、
    マイクロ波をマイクロ波キャビティへと伝搬させるステップと、
    マイクロ波キャビティに接続されているスライディングショートを使って前記マイクロ波を反射させるステップと、
    を具備することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記マイクロ波を向かわせるステップは、
    ２つのマイクロ波パワーヘッドによって発生されたマイクロ波をマイクロ波キャビティへ伝搬させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 互いに干渉して定在波を発生させるマイクロ波の第１ペアを第１軸に沿って互いに反対方向からマイクロ波キャビティへと向かわせるステップと、
    互いに干渉して定在波を発生させるマイクロ波の第２ペアを、前記第１軸と直交する第２軸に沿って互いに反対方向からマイクロ波キャビティへと向かわせ、マイクロ波の前記第１及び第２ペアを干渉させてマイクロ波キャビティ内で定在波エネルギーの腹近傍の領域を形成するステップと、
    少なくとも１つのマイクロ波の位相を調整することで、前記定在波エネルギーの腹近傍の領域を制御するステップと、
    ノズル素子の１つ以上が前記定在波エネルギーの腹近傍の領域の１つからマイクロ波エネルギーを受け取るように、ノズルアレイの少なくとも一部を前記マイクロ波キャビティ内に配置するステップと、
    を具備することを特徴とするマイクロ波プラズマノズルアレイを構成するための方法。
  5. 前記マイクロ波の第１ペアを向かわせるステップは、
    マイクロ波をマイクロ波キャビティへと伝搬させるステップと、
    マイクロ波キャビティに接続されているスライディングショートを使って前記マイクロ波を反射させるステップと、
    を具備することを特徴とする請求項４に記載の方法。
  6. 前記マイクロ波の第１ペアを向かわせるステップは、
    ２つのマイクロ波パワーヘッドによって発生されたマイクロ波をマイクロ波キャビティへ伝搬させるステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
  7. マイクロ波パワーヘッドによって前記マイクロ波を発生するステップと、
    前記マイクロ波パワーヘッドに接続されたパワースプリッタを設けるステップと、
    をさらに具備することを特徴とする請求項４に記載の方法。
  8. 少なくとも１つのマイクロ波の位相を調整する前記ステップは、マイクロ波の前記第１ペアの位相を調整する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
  9. 少なくとも１つのマイクロ波の位相を調整する前記ステップは、マイクロ波の前記第２ペアの位相を調整する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
  10. 少なくとも１つのマイクロ波の位相を調整する前記ステップは、マイクロ波の前記第１及び第２ペアの双方の位相を調整する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
  11. マイクロ波キャビティと、
    前記マイクロ波キャビティに取り付けられるノズルのアレイと、
    互いに干渉して定在波を発生させるマイクロ波の第１ペアを第１軸に沿って互いに反対方向から前記マイクロ波キャビティへ入射させる第１の導波手段と、
    互いに干渉して定在波を発生させるマイクロ波の第２ペアを、前記第１軸と直交する第２軸に沿って互いに反対方向から前記マイクロ波キャビティへ入射させる第２の導波手段と、
    前記第１ペアのマイクロ波及び前記第２ペアのマイクロ波の位相を調整することで、前記マイクロ波キャビティ内において前記マイクロ波の前記第１及び第２ペアを干渉させ、前記マイクロ波キャビティ内で定在波エネルギーの腹近傍の領域を形成させる位相調整手段と、を備え、
    前記ノズルはそれぞれ、
    その中にガスを流すために適用され、入口部及び出口部を持つガスフロー管と、
    前記ガスフロー管内に軸方向に配置され、その一部がマイクロ波を受信するために前記マイクロ波キャビティ内に配置されていると共に、その先端部が前記ガスフロー管の前記出口部に隣接して配置されているロッド状コンダクタと、を備え、
    前記ロッド状コンダクタの前記マイクロ波キャビティ内に配置されている部分は、前記定在波エネルギーの腹近傍の領域によって占められている空間内に配置されていることを特徴とするマイクロ波プラズマノズルアレイユニット。
  12. 前記ノズルのそれぞれが、
    前記ロッド状コンダクタと前記ガスフロー管との間に配置され、その流路に沿って通過するガスに前記ロッド状コンダクタの回りに螺旋状の流動方向を付与する少なくとも１つの流路を持つうず巻状ガイドをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ波プラズマノズルアレイユニット。
  13. 前記マイクロ波キャビティは壁を備えており、前記マイクロ波キャビティの壁は前記ガスフロー管の入口に接続されているガス流路の一部を形成していることを特徴とする請求項１２に記載のマイクロ波プラズマノズルアレイユニット。
  14. 前記ノズルのそれぞれが、
    前記ガスフロー管の一部に隣接して設けられ前記ガスフロー管を通る際のマイクロ波パワー損失を緩和するための、導電材料からなる遮蔽をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ波プラズマノズルアレイユニット。
  15. 前記ノズルのそれぞれが、
    前記ガスフロー管の外部表面に配置され、前記ガスフロー管を通る際のマイクロ波パワー損失を緩和するための接地遮蔽であって、ガス流を受け入れるための穴を持つ接地遮蔽をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ波プラズマノズルアレイユニット。
  16. 前記ノズルのそれぞれが、
    前記ロッド状コンダクタと前記接地遮蔽との間に配置され、前記接地遮蔽に対して前記ロッド状コンダクタを固定して保持するための位置ホルダをさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載のマイクロ波プラズマノズルアレイユニット。
  17. 前記ガスフロー管は、石英からなることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ波プラズマノズルアレイユニット。
  18. 前記ノズルのそれぞれが、
    前記ガスフロー管に隣接して配置される一対の磁石をさらに備え、該一対の磁石は円筒の一部に類似した形状を有することを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ波プラズマノズルアレイユニット。
  19. 前記ノズルのそれぞれが、
    前記ガスフロー管の一部に隣接して配置されるアノードと、前記ガスフロー管の他の部分に隣接して配置されるカソードと、をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ波プラズマノズルアレイユニット。
  20. 前記マイクロ波キャビティが、
    前記マイクロ波キャビティの、互いに垂直な関係にある側面に設けられた第１及び第２のマイクロ波入口と、
    前記第１及び第２のマイクロ波入口から導入されたマイクロ波をそれぞれ反射するように構成された第１及び第２のスライディングショートと、を備え、
    前記第１の導波手段は、前記第１のマイクロ波入口に接続される第１導波管と前記第１のスライディングショートとを含み、
    前記第２の導波手段は、前記第２のマイクロ波入口に接続される第２導波管と前記第２のスライディングショートとを含む、
    ことを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ波プラズマノズルアレイユニット。
  21. 前記マイクロ波キャビティが、
    第１軸に沿って前記マイクロ波キャビティの両側に設けられたマイクロ波入口の第１ペアと、
    前記第１軸と実質的に直交する第２軸に沿って前記マイクロ波キャビティの両側に設けられたマイクロ波入口の第２ペアと、を備え、
    前記第１の導波手段は、前記マイクロ波入口の第１ペアにそれぞれ接続される第１及び第２導波管を含み、
    前記第２の導波手段は、前記マイクロ波入口の第２ペアにそれぞれ接続される第３及び第４導波管を含む、
    ことを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ波プラズマノズルアレイユニット。
  22. マイクロ波供給源と、
    前記マイクロ波供給源に接続されたアイソレータと、
    請求項１１〜２１のいずれかに記載されたプラズマノズルアレイユニットと、
    を含むマイクロ波プラズマシステム。
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