JP5475902B2 - Atmospheric microwave plasma needle generator - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ波プラズマニードル発生装置、殊に小形かつ簡素な大気中マイクロ波プラズマニードル発生装置に関するものである。 The present invention relates to a microwave plasma needle generator, and more particularly to a small and simple atmospheric microwave plasma needle generator.
従来の技術として、特許文献1があった。即ち、円柱状の外側導体に、マイクロ波発振器に接続される同軸ケーブルの外部導体を接続し、該外側導体に円筒状の放電管を導電可能に嵌合させ、放電管の軸心部にアンテナを所定の間隙を保持して同軸に配置するとともに、該アンテナを前記同軸ケーブルの内部導体に接続し、前記放電管の基部にガス導入管路を接続する。
There existed
そして、ガス導入管路から放電管とアンテナとの間隙部にプラズマ発生用のガスを供給するとともに、前記同軸ケーブルにマイクロ波発振器から所定のマイクロ波を出力し、アンテナの先端と放電管の内面との間でプラズマを発生させ、放電管の先端開口からプラズマを照射するようにしたものがあった。 Then, a gas for generating plasma is supplied from the gas introduction conduit to the gap between the discharge tube and the antenna, and a predetermined microwave is output from the microwave oscillator to the coaxial cable, and the tip of the antenna and the inner surface of the discharge tube Plasma was generated between them and the plasma was irradiated from the opening of the tip of the discharge tube.
前記従来のものは、放電管の内部でプラズマが発生するため、高温のプラズマを発生させると、放電管が熱によって損傷し、保守に手数を要することになる。また、放電管にガス導入管路を接続したり、放電管とアンテナとの間にガスが流通する間隙部を形成したりしていたため、構造が複雑になる。また、同軸管インピーダンスの整合が行なわれる放電管とアンテナとの間隙部にガスを流通させるようにしていたので、ガスの流量が制限され、プラズマの温度調整幅が制限されることになる。 In the conventional apparatus, since plasma is generated inside the discharge tube, when high-temperature plasma is generated, the discharge tube is damaged by heat, and maintenance is required. In addition, the structure is complicated because a gas introduction conduit is connected to the discharge tube and a gap through which gas flows is formed between the discharge tube and the antenna. Further, since the gas is circulated through the gap between the discharge tube and the antenna where the coaxial tube impedance is matched, the gas flow rate is limited and the temperature adjustment range of the plasma is limited.
本発明は、プラズマを同軸導波管の外側で発生させることにより、変換器のプラズマによる熱損傷を防止するとともに、プラズマの温度調整幅が大きくとれる大気中マイクロ波プラズマニードル発生装置を得ることを目的とする。 It is an object of the present invention to obtain an atmospheric microwave plasma needle generator capable of preventing thermal damage caused by plasma in a transducer and generating a large temperature adjustment range of plasma by generating plasma outside a coaxial waveguide. Objective.
請求項1に係る発明は、マイクロ波発生装置に、筒状の外部導体の軸心部に内部導体を同軸に嵌合させてなる同軸導波管を設け、前記内部導体に導体性のアンテナを接続するとともに、該アンテナを前記外部導体から外部に露出させ、ガス供給装置によって供給されるプラズマ発生用のガスを前記アンテナの露出端部に向けて吐出し、前記アンテナは前記内部導体の軸線方向に延長させて前記外部導体から外部に露出させるとともに、その露出量をマイクロ波の波長の1/4以下とし、前記マイクロ波発生装置の電力を2.5W〜10Wとする構成にしたものである。
請求項2に係る発明は、ガスの吐出方向は、アンテナの軸心と直交する方向としたものである。
請求項3に係る発明は、ガスの吐出量を調整するガス調整部と、マイクロ波発生装置の出力を調整する電力調整部とを設けたものである。
In the invention according to
In the invention according to
According to a third aspect of the present invention, a gas adjusting unit that adjusts the gas discharge amount and a power adjusting unit that adjusts the output of the microwave generator are provided.
請求項1に係る発明は、アンテナの先端を外部導体から外部に露出させ、該露出したアンテナの先端部に向けてプラズマ発生用のガスを吐出するようにしたので、ガスの吐出流路の形成が容易になる。また、ガスの流量を大きく変化させることができ、これによりプラズマニードルの温度範囲が拡大し、多用途化が可能となる。また、外部導体の外側でプラズマニードルが発生するため、高温のプラズマニードルを発生させても、外部導体、及び内部導体が熱によって損傷し難くなる。また、アンテナを内部導体の軸線方向に延長させて外部導体から外部に露出させたので、ガスの混合が容易に行なえることになる。
請求項2に係る発明は、ガスの吐出方向をアンテナの軸心と直交する方向としたので、プラズマニードルをアンテナの先端部で効率よく生成させることができる。
請求項3に係る発明は、ガスの吐出量、及びマイクロ波発生装置の出力を調整することにより、プラズマニードルの温度及び長さを広範囲で調節することができる。
According to the first aspect of the present invention, the tip of the antenna is exposed from the external conductor to the outside, and the gas for generating plasma is discharged toward the exposed tip of the antenna. Becomes easier. In addition, the gas flow rate can be changed greatly, which expands the temperature range of the plasma needle and enables versatility. Further, since the plasma needle is generated outside the outer conductor, the outer conductor and the inner conductor are not easily damaged by heat even when a high-temperature plasma needle is generated. Further, since the antenna is extended in the axial direction of the inner conductor and exposed from the outer conductor to the outside, gas mixing can be easily performed.
In the invention according to
In the invention according to
以下、本発明の実施の形態を図面に基いて説明する。図面において、図1は本発明の実施例を示す装置全体の概略図、図2は図1の要部拡大断面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, FIG. 1 is a schematic view of the whole apparatus showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged sectional view of a main part of FIG.
図1において、1はマイクロ波発生装置であり、固体マイクロ波発振器2によって発生されるマイクロ波電力を同軸ケーブル3で矩形導波管4に導くようになっている。前記固体マイクロ波発振器2は、本例では2.45GHzのマイクロ波が発振されるものを使用している。5は固体マイクロ波発振器2の出力を調整する電力調整部、6は電力計である。
In FIG. 1,
前記矩形導波管4は、矩形の導波管本体4a、ダブルスラグチューナ4b、可動短絡板4cを有し、導波管本体4aの壁に同軸導波管(ランチャー)10を取り付ける。該同軸導波管10は導体性資材、本例では銅により形成され、図2に示すように、外径D1が13.9mmとなる円筒状の外部導体11を矩形導波管4の壁に起立固定し、該外部導体11の軸心部に外径D2が4.8mmとなる円筒状の内部導体12を嵌合させ、両者間に絶縁体15を充填して両者を同軸に保持する。
The
また、前記内部導体12の上端は外部導体11の上端に一致させ、内部導体12の下端は外部導体11の下端から下方に突出させる。このとき、前記外部導体11の長さL1はマイクロ波の波長λに対し、λ/2/ √εr(εr:絶縁体15の比誘電率)を満足する長さ、本例では54mmとし、内部導体12の下部12aは外部導体11から下方に突出させる。この突出量L2はマイクロ波の波長λに対し、λ/4を満足する長さ、本例では30mmとし、これにより、同軸導波管10のインピーダンスの整合をとる。なお、前記同軸導波管10は固体マイクロ波発振器2の同軸ケーブル3に接続するようにしてもよい。
The upper end of the
前記内部導体12の上端部に導体性のアンテナ13を取り付ける。該アンテナ13はタングステン、あるいはモリブデン等の耐熱性の線材からなり、直径(線径)は0.5mmとなっている。該アンテナ13を前記外部導体11から上方(外部)に露出させる。この露出量H1はマイクロ波の波長の1/4以下とし、本例では15mmとする。14はアンテナ13を内部導体12に導電可能に固定するストッパーである。
A
前記同軸導波管10の上方にAr、He、N2などのプラズマ発生用のガスを前記アンテナ13の上端部に向けて吐出する吐出管(管体)21を配置する。該吐出管21は絶縁資材、本例では発砲テフロン(登録商標)により直径D3が6mm、内径D4が4.5mmとなる管体とし、アンテナ13の軸線に対して直交する横向きにするとともに、その吐出端がアンテナ13の上端部に対し5mmの間隔S1を保持する如く配置する。20は前記吐出管21にガスを供給するガス供給装置、22はガスの供給量を調整するガス調整部である。
The upward A r of the
前記実施例によれば、吐出管21からアンテナ13の先端部に向けてガスを吐出し、この状態でマイクロ波発生装置1からマイクロ波が出力されると、該マイクロ波が同軸導波管(ランチャー)10部で同軸モードに変換され、アンテナ13の先端でマイクロ波の電磁波が集中し、該アンテナ13の先端からニードルプラズマ25が発生することになる。
According to the embodiment, when a gas is discharged from the
この場合、前記アンテナ13の先端が外部導体11及び内部導体12から外部に露出しているので、高温のプラズマニードルを発生させても、外部導体11、及び内部導体12がプラズマニードルの熱によって損傷し難くなる。また、アンテナ13が熱損傷した際には、これを新規なものと容易に取り替えることができる。
In this case, since the tip of the
また、同軸導波管10の外側でガスをアンテナ13の先端部に向けて吐出するようにしたので、ガスの流量を大きく変化させることができ、これによりプラズマニードルの温度範囲が拡大し、多用途化が可能となる。さらに、ガスの吐出管21を同軸導波管10の外側に配置したので、ガス流路の形成が容易になる。
In addition, since the gas is discharged toward the tip of the
表1はガスの流量−固体マイクロ波発振器2の電力に対するプラズマニードル25の長さを示す。
Table 1 shows the gas flow rate—the length of the
表1によれば、固体マイクロ波発振器2の電力(W)が一定の場合、ガスの流量を4L/mim、6L/mim、8L/mimと増すことによってプラズマニードル25の長さが順次長くなり、また、ガスの流量が一定の場合、固体マイクロ波発振器2の電力を2.5W、5W、7.5W、10W、20W、30W、40W、50Wと大きくすることによってプラズマニードル25の長さが長くなることが判る。
According to Table 1, when the power (W) of the solid-
プラズマニードル25の流れ方向の温度分布は、図3(a)、(b)、(c)で示すように、固体マイクロ波発振器2の電力が2.5W、5W、7.5W、10Wにおいて、ガスの流量を4L/mim、6L/mim、8L/mimと増すことによってプラズマニードルの温度が下がり、ガスの流量が8L/mim、電力が2.5Wにおいては、プラズマニードルの先端部の温度が約40℃となって人体に触れることができ、歯部、皮膚部の殺菌、消毒等、医療用に活用することができる。
As shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C, the temperature distribution in the flow direction of the
1 マイクロ波発生装置
2 固体マイクロ波発振器
3 同軸ケーブル
4 矩形導波管
4a 導波管本体
4b ダブルスラグチューナ
4c 可変短絡板
5 電力調整部
6 電力計
10 同軸導波管(ランチャー)
11 外部導体
12 内部導体
12a 下部
13 アンテナ
14 ストッパー
15 絶縁体
20 ガス供給装置
21 吐出管(管体)
22 ガス調整部
25 プラズマトーチ
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