JP5280251B2 - 携帯用マイクロ波プラズマ発生器 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ発生器に関し、特に、小型で消費電力の小さいマイクロ波プラズマ発生器に関する。

プラズマトーチは、そのノズルから直接プラズマ流を発生させる装置である。ガスをプラズマ化して排出することで、固体を加熱溶解するか、固体又は液体を加熱蒸発させるか、他のガスなどの気体を加熱して、一定のエントロピーの下で、閉じた熱力学システムのエンタルピーを増加させるのに使用できる。

従来のマイクロ波を用いたプラズマ発生装置は、主にマグネトロンを用いた１００ワット（Ｗａｔｔｓ）以上の電力を消耗する場合が大部分である。従来の矩形導波管（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）形状を有するプラズマ発生装置は、体積が大きいために、携帯し難いという短所がある。アンテナ構造を有する放電管を使用する同軸形（ｃｏａｘｉａｌ）マイクロ波プラズマトーチが提案されてはいるが、この発明も、但し、従来の矩形導波管形状となされている発生装置に代わる程度に過ぎなく、携帯する程度の大きさではない。

現在、様々な種類の電力源を用いて、大気圧でプラズマを生成して使用している。しかしながら、マイクロ波領域の信号、例えば、周波数が９００ＭＨｚ（Ｍｅｇａ Ｈｅｒｔｚ）又は２．４５ＧＨｚ（Ｇｉｇａ Ｈｅｒｔｚ）などの信号を用いて、低電力の熱的効果のないプラズマを作る方式については、現在研究中である。

現在、プラズマを用いた生医学分野の応用は、世界的に研究段階にあり、皮膚のしわや着色などを治療する装置であって、米国食品医薬局（Ｆｏｏｄ ＆ Ｄｒｕｇ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ）の承認を受けて使用している程度である。したがって、大気圧で５ワット以内の消費電力で携帯可能なプラズマ発生器を生成できれば、その応用分野は、癌治療（ｃａｎｃｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）、歯牙美白（ｄｅｎｔａｌ ｃａｒｅ）、皮膚美容、バクテリア殺菌及び消毒（ｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ）、止血（ｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎ）、空気浄化などの分野にまで拡大できると思われる。

本発明が解決しようとする技術的課題は、小型で、かつ、大気圧で低い消費電力によりプラズマを生成できる低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器を提供することにある。

前記技術的課題を達成するための本発明に係る低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器は、同軸ケーブル、外部導体、連結導体及び連結部材を備える。前記同軸ケーブルは、第１の内部導体及び前記第１の内部導体を取り囲む誘電体材料を備える。前記外部導体は、前記同軸ケーブルを取り囲む。前記連結導体は、少なくとも一つのガス流入管を備え、前記同軸ケーブルの一端で前記第１の内部導体と前記外部導体とを電気的に繋ぐ。前記連結部材は、前記外部導体を貫通して前記第１の内部導体に繋がる第２の内部導体を備える。

本発明は、長さが１０ｃｍ未満の小型であり、消費電力が少なく、マイクロ波を供給するマイクロ波発振器とのインピーダンス整合も別途の整合装置がなくても可能であり、大気圧雰囲気でプラズマを生じ得るという長所がある。

本発明を更に理解するために添付され、明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の原理を説明するための記載とともに、本発明の具体例を表す。

本発明に係る低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器の断面図である。 図１に示された低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器のＡ方向の正面図である。 図１に示された低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器のＢ方向での正面図である。 同軸ケーブルの長さを調整できる低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器を示す図である。 本発明に係る低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器の概略図である。 本発明に係る低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器の実際製品を示す図である。 図６に示された低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器の右側終端（Ｆ）の正面図である。 図６に示された低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器の左側終端（Ｒ）の正面図である。

以下に、本発明の具体的な実施例を、図面を参照して詳細に説明することにする。

図１は、本発明に係る低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器の一断面図である。

図１を参照すれば、低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器１００は、同軸ケーブル１０、外部導体４、連結導体２、連結部材１、及び放電チップ５を備える。

同軸ケーブル１０は、第１の内部導体７及び前記第１の内部導体７を取り囲む誘電体材料６を備える。外部導体４は、同軸ケーブル１０を取り囲んでいる。連結導体２は、少なくとも一つのガス流入管３を備え、同軸ケーブル１０の一端で第１の内部導体７と外部導体４とを電気的に繋ぐ。連結部材１は、外部導体４を貫通して第１の内部導体７と接続部９で電気的に繋がる第２の内部導体８を備える。連結部材１の材質は、導体であり、第２の内部導体８と連結部材１との間には、絶縁物質が満たされることが望ましい。放電チップ５は、同軸ケーブル１０の他の一端に取り付けられ、同軸ケーブル１０でプラズマを生成する時に消費電力を最小限とする。

本発明に係る低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器１００は、第２の内部導体８を介して印加される９００ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚのマイクロ波の共振エネルギーを利用してプラズマを生成する。連結部材１、連結導体２、外部導体４、第１の内部導体７、及び第２の内部導体８は、電気的に繋がっており、これらが、マイクロ波の共振器（ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）として動作することになる。印加されるマイクロ波は、同軸ケーブル１０でＴＥＭ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍａｇｎｅｔｉｃ）波となり、ＴＥＭ波は、進行方向に電界成分及び磁界成分がなくて、進行方向の直角方向に電界成分及び磁界成分のある電気的磁気的横波であり、電子エネルギーの輸送を行う。

同軸ケーブル１０の外皮と第１の内部導体７との間の誘電体材料６としては、空気（ａｉｒ）やテフロン（登録商標）などを用いることができ、本実施形態では、空気が使用される場合について設計されている。すなわち、誘電体材料６は、空いている空間となり、この空間に、プラズマイオンのソース（ｓｏｕｒｃｅ）となる不活性ガスを注入し、前記注入されたガスがプラズマ発生器に備えられた導体（２、４、７、８）で共振し、増幅されたマイクロ波の共振エネルギーによりプラズマ状態になり、低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器１００の下部、すなわち、Ｂ方向に放出される。

同軸ケーブル１０の長さは、マイクロ波により共振が滑らかに起きることができるように、マイクロ波の波長（ｗａｖｅ ｌｅｎｇｔｈ）の１／４又は３／４の長さが望ましい。同軸ケーブル１０の長さが、上記の条件を満たす場合、共振器の終端（Ｂ方向）で電界強度が最大になり、これを利用してプラズマを容易に発生させる。

マイクロ波の周波数と、波長と、光の速度との関係は、式１のように表せる。

ここで、λは、マイクロ波の波長（ｗａｖｅ ｌｅｎｇｔｈ）、Ｃは、光の速度、ｆは、マイクロ波の周波数、εγは、相対誘電率（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ）である。相対誘電率は、空気（ａｉｒ）の場合、１（ｏｎｅ）であり、テフロン（登録商標）（ｔｅｆｌｏｎ）の場合、２．１の値を有する。

例えば、マイクロ波の周波数が９００ＭＨｚである時、大気中でのマイクロ波の波長（λ）は、式２のように表せる。

したがって、マイクロ波の波長の１／４は、およそ８．３３ｃｍになる。前記のような理由により、本発明に係る低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器の大きさは、１０ｃｍ程度の長さを維持するようにすることができ、携帯が簡便である。

同軸ケーブル１０の第１の内部導体７と連結部材１の第２の内部導体８との接続部９から見た同軸ケーブル１０の入力インピーダンスは、接続部９の位置によって変わる。接続部９の位置を調整することにより、マイクロ波を第２の内部導体８を経由して同軸ケーブル１０に印加するマイクロ波発振器（図示せず）又はマイクロ波発振器から出力されるマイクロ波を増幅する増幅器とのインピーダンス整合（ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ）を容易に調節できる。この部分については、後述する。

大気圧でプラズマを発生させるためには、１０^６Ｖ／ｍ（Ｖｏｌｔｓ／ｍｅｔｅｒ）以上の高い電界強度が必要である。放電チップ５は局所的に電界強度を高めるように使用されるため、一旦、放電が起きてプラズマが生成されると、放電チップ５は、これ以上使用しなくても良い。したがって、放電チップ５は、必要な場合のみ使用し、必要でない場合は、発生器から除去することも可能である。本発明に係る低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器は、実験結果、およそ１ワット程度の電気エネルギーを消費し、プラズマを生成できるということを確認した。

図２は、図１に示された低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器のＡ方向で正面図である。

図２を参照すれば、外部導体４の中央部分に連結導体２が挿入されており、連結導体２には、２つのガス流入管３が備えられている。図面には、２つの不活性ガスが誘電体材料６に流入されるガス流入管３が示されているが、１つのみ備えることも可能である。ガス流入管３に流入される不活性ガスの例としては、ヘリウム及びアルゴンがある。

図３は、図１に示された低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器のＢ方向での正面図である。

図３を参照すれば、外部導体４は、同軸ケーブル１０を取り囲んでおり、同軸ケーブル１０の中央部分には、第１の内部導体７があり、同軸ケーブル１０の外皮と第１の内部導体７との間には、誘電体材料６がある。同軸ケーブル１０のＢ面には、放電チップ５があり、同軸ケーブル１０のＢ方向に出力されるプラズマを放電させる。

図４は、同軸ケーブルの長さを調整できる低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器を示す。

図４を参照すれば、低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器４００の中央の点線楕円部分である同軸ケーブルの延長タブ１１は、同軸ケーブルの外部導体４と同軸ケーブルの第１の内部導体７との長さを調整できるように考案された。例えば、同軸ケーブル１０の外部導体４及び第１の内部導体７は、脱着又はスライド形式で重なるか、伸びながら長さを増減できる。

同軸ケーブルの延長タブ１１を用いて同軸ケーブル１０の長さを調節することで、共振がより効果的に起こるようにするとともに、インピーダンス整合によって、反射されるマイクロ波を最大限減少させることができる。また、延長タブ１１が備えられた同軸ケーブル１０の上部と下部とは、互いに分離（脱着）できるため、プラズマによって共振器の終端（下部）が腐食（ｅｒｏｓｉｏｎ）される場合、部分的な交替（延長タブ１１が備えられた同軸ケーブル１０の下部の交替）が可能であるので、装置の寿命を延ばせるという長所もある。

本発明に係る低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器の場合、連結部材１の位置を調節することで、それ自身のインピーダンスを調節できる。したがって、第２の内部導体８を通って同軸ケーブル１０にマイクロ波を供給するマイクロ波発振器（図示せず）又はマイクロ波を増幅する増幅器（図示せず）と、マイクロ波プラズマ発生器との間のインピーダンス整合（ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ）のための別途の整合装置が不要となる。

以下では、本発明に係る低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器の作動原理及び周辺装置との関係について説明する。

図５は、本発明に係る低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器の概略図である。

図５を参照すれば、同軸ケーブル１０の第１の内部導体７と連結部材１の第２の内部導体８とが互いに当接する接続部（ｆｅｅｄｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）９から見た同軸ケーブル１０の入力インピーダンス（Ｚ_ＩＮ）は、式３のように表せる。

ここで、第１のインピーダンスＺ_１は、接続部９から同軸ケーブル１０の左側に見たインピーダンス、第２のインピーダンスＺ_２は、接続部９から同軸ケーブル１０の右側に見たインピーダンス、Ｚ_０は、同軸ケーブル１０の特性インピーダンス（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）を意味する。ｊは、複素数
、ｌ_１は、接続部９から左側の終端までの距離、ｌ_２は、接続部９から右側の終端までの距離、ｋは、複素伝搬定数（ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ）又は波長（ｗａｖｅ ｌｅｎｇｔｈ）の逆数である波数（ｗａｖｅ ｎｕｍｂｅｒ）、αは、同軸ケーブル１０の減衰定数（ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ）、そして、βは、同軸ケーブルの位相定数（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ）である。式３の最終数式は、（αｌ）＝１（ｏｎｅ）の時、ｔａｎ（αｌ）≒（αｌ）という仮定下に得られたものである。

同軸ケーブル１０の左側は、連結導体２に互いに繋がっているので、第１のインピーダンスＺ_１の負荷インピーダンスＺ_Ｌは、０（ｚｅｒｏ）になり、同軸ケーブル１０の右側は、開放（ｏｐｅｎ）されているので、負荷したインピーダンスＺ_Ｌは、無限大（∞）になる。同軸ケーブル１０の減衰定数（α）及び同軸ケーブル１０の位相定数（β）は、使用する同軸ケーブルの電気的特性により自動に決められる定数であるので、同軸ケーブル１０の入力インピーダンスＺ_ＩＮ、言い換えれば、共振器の入力インピーダンスＺ_ＩＮは、ｌ_１及びｌ_２により決められる。

同軸ケーブル１０の長さが、マイクロ波の波長の１／４以下であると仮定すると、ｌ_１を調節するとは、共振器のインダクタンス（ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）を調節することを意味し、ｌ_２を調節するとは、共振器のキャパシタンス（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）を調節することを意味する。したがって、共振器は、抵抗（ｒｅｓｉｓｔｏｒ）、インダクタ（ｉｎｄｕｃｔｏｒ）及びキャパシタ（ｃａｐａｃｉｔｏｒ）が並列に繋がっていることに対応するので、接続部９の位置は、ｌ_１及びｌ_２のいずれかの長さを調整することで決められる。共振器の入力インピーダンスＺ_ＩＮを５０Ω（Ｏｈｍ）に合わせる場合、別途のインピーダンス調整装置が不要である。

上記の説明は、同軸ケーブル１０の長さが、前記マイクロ波の波長の１／４及び３／４の長さのいずれかの長さを持つ場合についてのものであるが、同軸ケーブル１０の長さが、マイクロ波の波長の１／４及び３／４の倍数のいずれかの長さを持つことも可能である。

図６は、本発明に係る低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器の実際製品を示す。

図６を参照すれば、低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器の同軸ケーブル１０の長さは、マイクロ波の波長の１／４になり、連結部材１は、ＳＭＡ（Ｓｕｂ Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｖｅｒｓｉｏｎ Ａ）コネクターを使用した。

図７は、図６に示された低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器の右側終端（Ｆ）を示す。

図７を参照すれば、発生器の右側は、放電チップ５が、第１の内部導体７と一定隙間（Ｇａｐ）を持って配置されている。図６に示された低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器が、９００ＭＨｚの周波数のマイクロ波を使用して共振し、同軸ケーブル１０の長さが、マイクロ波の波長の１／４の長さを持つとすると、前記隙間は、４０μｍ（ｍｉｃｒｏ ｍｅｔｅｒ）である。もし、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を使用し、同軸ケーブル１０の長さが、マイクロ波の波長の３／４の長さを持つとすると、前記隙間は、１０μｍになることが望ましい。

図８は、図６に示された低電力携帯用マイクロ波プラズマ発生器の左側終端（Ｒ）を示す。

図８を参照すれば、ガス流入管３に不活性ガスを注入する。

前述のように、本発明は、特別に考案された同軸ケーブル１０を使用することも可能であるが、一般に使われているセミ・リジッド（ｓｅｍｉ−ｒｅｇｉｄ）の同軸ケーブルを利用でき、共振器、すなわち、プラズマ発生器の終端で電圧と電磁場とが最大になるようにするので、従来のプラズマ発生器に比べて、電力損失を最小化しながら、プラズマを効果的に発生させる。また、使用するマイクロ波の１／４波長の長さに対応する長さを有するので、およそ１０ｃｍの大きさにも具現できるので、携帯も可能である。共振器自体のインピーダンスを調節して、マイクロ波発振器の出力インピーダンスである５０Ωに合わせる場合、別途のインピーダンス調整装置が不要であるので、複雑でないという長所もある。

以上では、本発明に関する技術思想を添付の図面と共に述べたが、これは、本発明の望ましい実施例を例示的に説明したものであって、本発明を限定するものではない。また、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、誰でも本発明の技術的思想の範疇を逸脱しない範囲内において、様々な変形及び摸倣が可能であることは明白な事実である。

１ 連結部材
２ 連結導体
３ ガス流入管
４ 外部導体
５ 放電チップ
６ 誘電体材料
７ 第１の内部導体
８ 第２の内部導体
９ 接続部
１０ 同軸ケーブル

Claims (8)

1. 第１の内部導体及び前記第１の内部導体を取り囲む気体の誘電体材料を含む同軸ケーブルと、
   前記同軸ケーブルを取り囲む外部導体と、
   少なくとも一つのガス流入管を含み、前記同軸ケーブルの一端で前記第１の内部導体と前記外部導体とを電気的に繋ぐ連結導体と、
   前記外部導体を貫通して前記外部導体内部の接続部で前記第１の内部導体と電気的に繋がる第２の内部導体を含む連結部材と、を含み、
   前記第２の内部導体を通じてマイクロ波が印加されて、
   前記第２の内部導体と前記接続部との接続位置を前記第１の内部導体の軸線の方向に沿って調節することによって前記同軸ケーブルの前記接続部両側のインピーダンスが調節されることを特徴とする携帯用マイクロ波プラズマ発生器。
2. 前記誘電体材料は、空気であり、
   前記ガス流入管には、不活性ガスが流入されることを特徴とする請求項１に記載の携帯用マイクロ波プラズマ発生器。
3. 前記不活性ガスは、ヘリウムガス及びアルゴンガスのいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の携帯用マイクロ波プラズマ発生器。
4. 前記マイクロ波は、周波数が、９００ＭＨｚ又は２．４５ＧＨｚであることを特徴とする請求項２に記載の携帯用マイクロ波プラズマ発生器。
5. 前記同軸ケーブルの長さは、前記マイクロ波の波長の１／４及び３／４の長さのいずれかの長さを持つか、前記マイクロ波の波長の１／４及び３／４の倍数のいずれかの長さを持つことを特徴とする請求項２に記載の携帯用マイクロ波プラズマ発生器。
6. 前記同軸ケーブルは、
   脱着ができるか、スライディング形式でその長さを加減できる少なくとも２つの部分に区別できることを特徴とする請求項１に記載の携帯用マイクロ波プラズマ発生器。
7. 前記同軸ケーブルの他の一端に取り付けられ、前記同軸ケーブルのプラズマを放電させる放電チップを更に備えることを特徴とする請求項４に記載の携帯用マイクロ波プラズマ発生器。
8. 前記放電チップと前記第１の内部導体との間の長さは、
   前記マイクロ波の周波数が９００ＭＨｚの場合は、４０μｍであり、
   前記マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合は、１００μｍであることを特徴とする請求項７に記載の携帯用マイクロ波プラズマ発生器。