JP5684735B2 - プラズマのルツボの封着方法 - Google Patents

Description

本発明はプラズマのルツボの封着方法および封着されたプラズマのルツボに関するものである。

国際出願番号ＰＣＴ／ＧＢ２００８／００３８２９号において、我々は、マイクロ波で駆動される光源であって、前記光源が、
・中に密閉されたボイド空間を有するプラズマのルツボであって、そこから出てくる光に対して半透明な材料からなる固体のプラズマのルツボと、
・前記プラズマのルツボを取り囲むファラデー箱であって、前記プラズマのルツボから出てくる光を少なくとも部分的に透過しつつ、マイクロ波を閉じ込めているファラデー箱と、
・前記密閉されたボイド空間において、その内部で発光プラズマを生成するために充填された、マイクロ波のエネルギーによって励起可能な充填材と、
・前記充填材にプラズマを誘導するマイクロ波エネルギーを伝送するために前記プラズマのルツボの中に設けられたアンテナであって、前記アンテナが、
・マイクロ波エネルギー源と結合するために前記プラズマのルツボの外側に伸びている接続部
を有しているようなアンテナと、
を有しており、前記密閉されたボイド空間のプラズマからの光が前記プラズマのルツボを通過可能であり、そこから前記箱を介して放射されるように配置されたことを特徴とする光源について記載している。

この出願において、我々は、以下のように定義している。

「半透明」とは半透明とされている物の材料が透明または半透明であることを意味する。

「プラズマのルツボ」とはプラズマを閉じ込めた（あるいは、閉じ込めるための）密封体を意味し、ボイド空間の充填材がアンテナからのマイクロ波エネルギーによって励起された時はそのボイド空間内を意味する。この出願では、内部のプラズマを含まないルツボの封着物として、この定義を使用している。そのため、上述のように、この定義には、「閉じ込めるための」という言葉も含まれる。

国際公開第２００９／０６３２０５号

本願において、我々は、「充填されたプラズマのルツボ」について、ボイド空間に励起可能で光を放射する充填材を密封した半透明のプラズマのルツボとして定義している。

この充填されたプラズマのルツボは、その使用のために、ルツボ内あるいはボイド空間内に固着された、もしくはルツボ内の凹部に挿入されたアンテナを有していても良い。

本発明の目的は、充填されたプラズマのルツボの改良した封着方法を提供することである。

本発明の一実施例によれば、
・貫通孔を有し、半透明な材料からなるプラズマのルツボを提供するステップと、
・第１のチューブを前記ルツボに貼着させ、前記貫通孔の一端と連通させておいて、前記貫通孔の他端である開口部で開口しているボイド空間を残すように前記第１のチューブを封着するステップと、
・前記半透明な材料に溶融可能な材料からなり、前記開口部から突き出しているチューブであって、前記ボイド空間に連通して前記ルツボに貼着された第２のチューブを提供するステップと、
・前記第２のチューブを介して前記ボイド空間の中に励起可能な材料を挿入するステップと、
・前記第２のチューブを介して前記ボイド空間の中身を排気するステップと、
・前記第２のチューブを介して前記ボイド空間の中に不活性ガスを導入するステップと、
・前記開口部あるいは前記開口部の周辺で、前記第２のチューブを封着することによって、前記励起可能な材料及び前記不活性ガスを封入した前記ボイド空間を封着するステップと、
を備えている充填されたプラズマのルツボの封着方法が提供される。

好ましくは、この封着ステップは、チューブの溶融を含む。

特定の実施例の場合、ここで述べる栓は使用しないが、その他の実施例では、
・ボイド空間には、ボイド空間の開口部で栓を止めるための停止部が設けられ、
・栓は、第２のチューブを介して、停止部にぶつかって停止するように開口部に配置され、栓と開口部は、開口部を栓で封着できるように相互補完的な形状をしており、ボイド空間に対してガスが流入および流出できるように、隙間および／または局所的な形状が設けられる。

さらに別の実施例では、ルツボの平らな面に対して栓を封着することができる。

栓が使用されない場合、第２のチューブは、ルツボの面上に配置されて溶融される。あるいは、第２のチューブは、ルツボの面上のカウンターボアに配置され、カウンターボア内のボイド空間の開口部で溶融される。

充填されたプラズマのルツボを使用する場合、それは、ルツボから突き出したままの第２のチューブを介して支持される。別の使用の場合、第２のチューブは、封着部に近い所で除去され、ルツボはその本体から支持される。

本発明の別な実施例の場合、
・封着された開口部から突き出した第２のチューブあるいは第２のチューブの残留物と、
・ルツボの反対側の面で、第１のチューブあるいは封着された開口部から突き出したその残留物と、
を備えた充填されたプラズマのルツボが提供される。

ルツボが石英からなる場合、ルツボと第２のチューブは成型と焼結によって形成することができるが、便宜上、ルツボは、石英の塊から形成され、その内部には機械加工によって形成されたボイド空間を有しており、石英製の第２のチューブは加熱溶融によって当該石英の塊に貼着される。このルツボの最後の封着は、便宜上、ルツボと近接した所で第２のチューブを局所的に加熱し、第２のチューブが軟化している時に大気圧で崩壊させ、その後、熱を除去して、残ったままの第２のチューブを引き抜くという加熱封止（チップオフ）によって完成する。

穿孔後のボイド空間を清掃するために、特に、プラズマ放電に影響を及ぼす微粒子状の不純物を除去するために、ボイド空間は、超音波洗浄され、その後、透明度を高めるために、また、ひび割れの伝搬を抑制するために火炎研磨されることが好ましい。これを促進するために、ボイド空間は、ルツボを貫通するように孔を空けられ、洗浄後に第２のチューブの反対側の端部で封着される。

栓は、開口部の中に溶融される、あるいは、少なくとも崩壊して封着された第２のチューブによって保持されることができる。

石英製のチューブの溶融は、従来の火炎あるいはアルゴンプラズマ火炎を用いて容易に成し遂げることができる。

通常、ルツボは、チューブと栓を備えており、それらは同一材料からなる。その材料が多結晶セラミックである場合、さらに容易に緑色の状態にモールドされ、最終状態になるように燃やされる。このルツボをチューブの崩壊と溶融によって封着することは、あまり簡単ではなく、栓を用いることが好ましい。フリット材料は、栓とルツボの接合部分に設けられ、それらの間に可溶性を与えることができる。便宜上、このフリット材料は、最初、栓に対して設けられる。このフリット材料は、レーザーの使用によって、容易に溶融させることができ、レーザーは、セラミック材料を通してフリット材料に照射されるように配置することができる。

栓が使用される場合、栓および／またはボイド空間の開口部は、ステップを有する形状に成形されるため、栓は、停止部をなすステップの位置に配置されやすくなる。栓は、その直径に対して薄い形状とすることができるが（通常、栓及び開口部は、円形断面である）、通常、配置されているチューブの範囲内での調整から外れることがない程度の厚さに形成される。ステップを有する形状にする代わりに、開口部と栓をテーパー形状にして、そのテーパー形状によって座部を提供することもできる。このような形状は、中身を排気するときの条件を満たしており、不活性ガスを封入するときには、自身の封着を与えることができる。この具体的なガスの通路は、浅い平面あるいは栓に沿った溝という形態で与えられる。特に、ガス封入において、ステップでの閉鎖が早すぎないように、このような平面や溝にステップを設けることも望ましい。

特にルツボ内のマイクロ波共振を高めるために、便宜上、栓は、停止部に位置するときにプラズマのルツボと部分的に同一平面上になるように設計される。しかし、栓がチューブの中に突き出していれば、封着のための溶融が容易になる。さらにチューブの壁の封着が励起可能な材料を凝縮する空間を与えることが予測される。ここで、チューブの残留物によって励起可能な材料を凝縮しやすいコールドスポットが生じやすくなり、励起可能な材料が、ボイド空間と連通している面により、プラズマにするためのボイド空間の中に蒸発できることが重要である。

好ましくは、使用時に、第２のチューブの残留物は、放電を開始するための電界パルスを導入するダクトとして用いられる。

通常、ボイド空間は、ルツボの中心軸上に配置される。

充填されたプラズマのルツボは、通常、光の放射を利用するために、アンテナによって塞がれる凹部を有している。その凹部は、栓の内部もしくは栓の反対側において、ルツボの中心軸上に配置される。どちらにしても、ボイド空間と凹部は通常、同軸となる。また、このアンテナの凹部は、ボイド空間の一端に固定しないことができる。

ここで、本発明を理解させるため、添付図面と共に、様々な具体的な実施形態について述べる。

本発明のルツボ及び封着のためのチューブの斜視図である。 図１のルツボとチューブの断面図である。 互いに封着するために加熱されるルツボとチューブの側面図である。 ルツボの封着のために加熱されるチューブの側面図である。 本発明の封着された充填されたプラズマのルツボを示す図２と同様の断面図である。 図１に示す充填されたプラズマのルツボの使用時の概略図である。 ルツボの封着のためのチューブ加熱の別な方法を示す図４と同様な図である。 本発明の封着された充填されたプラズマのルツボの変形例を示す図５と同様な図である。 本発明の封着された充填されたプラズマのルツボの別の変形例を示す図５と同様な図である。 本発明の封着された充填されたプラズマのルツボのさらに別の変形例を示す図５と同様な図である。

図１〜６を参照すると、希ガスを充填され、励起可能なプラズマ材料を投与される石英製のルツボ１は、開口部４でルツボの一端が開口している中央のボイド空間３を有する厚い円盤形状もしくは短い円筒形状２として形成されており、完成後のルツボの効果的な設計を特徴づけている。その開口部は、一対のカウンターボア５，６という形態であり、内側のカウンターボア５は外側のカウンターボア６より深い形状になっており、半径の増加７を与えている。その増加７と同じ厚さの壁を有するチューブ８は、両面バーナー９による加熱によって円筒形状２に取り付けられる。加熱と挿入は、チューブから内側のカウンターボア５の中まで通じている内部のボア全体１０に渡って障害物が最小となる形で、封着物が確実に円筒形状２とチューブ８の間に生成されるように制御される。チューブが突き出しているルツボの同じ端部から、アンテナ凹部11は、チューブ８の直径の４分の１の直径で、円筒形状２の内側に突き出している。

励起可能な材料のペレット12は、円筒形状の栓13によって、チューブ８を介してボイド空間の中に放り込まれる。これは、ボア10の隙間の直径であり、カウンターボア５とボイド空間３の間のステップ14に置かれることとなる。栓を通ってボイド空間からの最初のガスの通路を提供するために、これは長さ方向に沿って浅い溝15を有しており、その溝15はステップ14の半径方向の広がりを超えて内面16に渡っている。

チューブの遠心端は、ポンプと接続する第一のバルブおよび継手17と、大気圧より低い気圧に制御された希ガス源（図示しない）と接続する第二のバルブおよび継手18と、を有するＹフィッティングを介して、真空ポンプ（図示しない）に接続される。ボイド空間はバルブ17を介して中身を排気され、排気が終わった後、そのバルブ17は閉じられる。その後、ボイド空間は、バルブ18を介して希ガスを充填され、充填が終わった後、バルブ18は再び閉じられる。希ガスは溝15を介してボイド空間まで達することができる。

充填されたプラズマのルツボの形成の最終工程は、バーナー19によってチューブを加熱することである。加熱は、チューブの石英材料が軟化し、内部の希ガスの圧力に対する大気圧の超過によってチューブ自身が崩壊するまで続けられる。ステップ14に着座された栓は、寸法20として示されるように、わずかにチューブ８の中に突き出しており、ルツボの端部の外面を通過している。加熱は、この寸法をちょうど超えた辺りまで行われ、それによってチューブは崩壊し、栓の外側の角部21の上に収縮する。このように、ボイド空間は、二重に封着され、栓の端部で残留物の空間22は角部21で全体がボイド空間から封着され、チューブの完全な閉鎖は、チューブの遠心端がチューブの崩壊後にルツボから引き抜かれるというチューブの加熱封止（チップオフ）23によって成し遂げられる。

図６は、ファラデー箱Ｃで取り囲まれ、使用可能な状態になっている充填されたプラズマのルツボを示しており、マイクロ波の供給源Ｓからマイクロ波を導入するアンテナＡが、アンテナ凹部11に突き出している。ボイド空間内でプラズマ放電を開始するために、起動用プローブＰは先端が、加熱封止（チップオフ）23とルツボの後端との間でチューブの残留物の引き出し部24に隣接するように配置される。

図７に示される変形例において、チューブは長くなっており、ルツボから遠く離れた最初に封着される位置31で、装置内の希ガス及び励起可能な材料を捕らえるように、加熱封止（チップオフ）されているが、これは我々のバルブ封着に係る欧州特許ＥＰ１,８３１,９１６と同様である。今、この装置は、Ｙフィッティングを自由に操作可能である。その後、チューブは、栓で封着され、上述したように位置32で加熱封止される。この配置は、廃棄されるチューブの媒介物長33の素早い操作を可能にし、同様に均一に反復生産することも可能にする。

図８には、さらに別な変形例が示されており、ボイド空間53は、ルツボ円筒52の端面501から端面502までの貫通孔として最初に形成されている。その貫通孔は、両側の単一のカウンターボア561,562を備えて形成されている。封着の前に、ボイド空間は、超音波洗浄され、その後、火炎研磨されるが、これは、使用時にプラズマ放電に影響を及ぼす可能性のある穿孔による残骸を除去し、亀裂伝搬を防止し、透明度を高めるためである。研磨の後、チューブ581,582は、各カウンターボアの中に封着される。一方のチューブ581は、封着され、残留物の引き出し部641を残すために加熱封止（チップオフ）される。他方のチューブも、上述の励起可能な材料及び希ガスを導入した後に封着される。この変形例は、使用時のルツボの残留物の引き出し部の外側にコールドスポットを与えることができ、一端に使用する光を集めることができる。この一端は、他端よりも冷たくなることが予想され、図示しないケーシング内に残留物の引き出し部を有することとなるが、その詳細はルツボの使用状況によって異なる。

もう一つの変形例を図９に示す。ここでは、ボイド空間73の２つの端部は両方とも栓831,832及びチューブ881,882の残留物841,842によって塞がれている。この配置は、図８の配置よりも、ルツボ／チューブとチューブを封止する封着物とをボイド空間において直接ガスに触れないように保護し、ボイド空間の中央のプラズマを支持するという点で優れている。この変形例がボイド空間から離れた栓の端部に２つの空間821,822を有していることに留意すべきである。栓の角部81で密封的な封着物を形成することを視野に入れてチューブが封着されることとなる一方、この封着物は励起可能な材料が上記２つの空間の中で凝縮する密封的なものではないかもしれないことが予想される。したがって、好ましくは、性能を最大化するために、これらの空間を満たすように余裕を持たせた量の励起可能な材料が希ガスを導入する際に経由する栓の溝752を通って与えられるが、これは、他にガスを導入する溝が掘られていないからである。

本発明は、上記実施例に限定されるものではない。例えば、ステップを有するカウンターボアと円筒形状の栓は、補完的なテーパーボアと栓に置き換えることができる。さらに、旋盤においてこの封着操作をなすことによって、チューブを、カウンターボア６を有しないルツボに封着できることがわかる。

このようなプラズマのルツボ92は図１０に示されている。これは、貫通孔93とルツボの端面901,902に貼着させた２つのチューブ981,982を最初に有している。一方のチューブ981は、ルツボを充填する前に閉じられる。加熱封止（チップオフ）されたチューブには全体にわたって差圧が無いので、平らな端面983を有するようにガラス旋盤において作用する。このことは、この面において、プラズマのボイド空間を明確に定義して設計することを可能にする。標準的なチューブの許容誤差と有効性のために、チューブ901,902の内径は、ボア93よりわずかに大きくなりやすいことがわかる。中身を排気し、ガスを充填した後、他方のチューブ902は、あまり寸法を近づけないことが好ましいが、同様な方法で加熱封止（チップオフ）される。使用時には、平らな端面983は、通常、一番外側になり、場合によっては、ファラデー箱（図示しない）に覆われて周囲環境にさらされる。他方の加熱封止（チップオフ）された端面は、通常、支持装置（図示しない）によって覆われる。平らな端面983に加えて、我々は半球状の端面でも成功することを確認している。

さらに別の変形例では、微小なひび割れ、あるいは厚い壁のチューブの一部を除去するために上述のように扱うことができる貫通孔を有するルツボとは対照的に、商品寿命が最大の関心事でなければ、一つの石英の一端からボイド空間に孔を空けることができる。また、ルツボが焼結された材料からなることが予測される。この場合、単一のチューブは、ボイド空間の開口部の周辺に貼着され上述した方法で封着することができるだけである。

通常、石英製のルツボの使用時には、２．４ＧＨｚで駆動されており、このルツボは、直径４９ｍｍ、厚さ２１ｍｍの円筒形状とすることができる。ボイド空間の直径は、重要なものではなく、低出力の１ｍｍと高出力の１０ｍｍの間で変化させることができる。我々は、１ｍｍ〜３ｍｍの壁の厚さを有する封着チューブを用いた。我々は、加熱封止（チップオフ）されたチューブの内側の面から面までの長さを０〜１０ｍｍにすることが望ましいと考えている。好ましくは５ｍｍである。このようなチューブの長さの条件は、次の処理をする時および／または使用する時において、ルツボを保持するのに役立つことが期待できる。

Claims (17)

1. ・貫通孔を有し、半透明な材料からなるプラズマのルツボを提供するステップと、
   ・第１のチューブを前記ルツボに貼着させ、前記貫通孔の一端と連通させておいて、前記貫通孔の他端である開口部で開口しているボイド空間を残すように前記第１のチューブを封着するステップと、
   ・前記半透明な材料に溶融可能な材料からなり、前記開口部から突き出しているチューブであって、前記ボイド空間に連通して前記ルツボに貼着された第２のチューブを提供するステップと、
   ・前記第２のチューブを介して前記ボイド空間の中に励起可能な材料を挿入するステップと、
   ・前記第２のチューブを介して前記ボイド空間の中身を排気するステップと、
   ・前記第２のチューブを介して前記ボイド空間の中に不活性ガスを導入するステップと、
   ・前記開口部あるいは前記開口部の周辺で、前記第２のチューブを封着することによって、前記励起可能な材料及び前記不活性ガスを封入した前記ボイド空間を封着するステップと、
   を備えていることを特徴とする充填されたプラズマのルツボの封着方法。
2. 前記第２のチューブの崩壊と溶融を含む封着のステップを備えていることを特徴とする請求項１記載のプラズマのルツボの封着方法。
3. 前記第２のチューブが前記ルツボの前記開口部に配置され、溶融されることを特徴とする請求項２記載のプラズマのルツボの封着方法。
4. 前記第２のチューブが前記ボイド空間の前記開口部で座繰り穴内に配置され、座繰り穴の中に溶融されることを特徴とする請求項３記載のプラズマのルツボの封着方法。
5. 前記半透明な材料に溶融可能な材料からなる栓を前記開口部に配置し、前記栓を前記ルツボに溶融させることを含む封着のステップを備えていることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマのルツボの封着方法。
6. 前記栓が前記ルツボの開口部に配置され、溶融されることを特徴とする請求項５項記載のプラズマのルツボの封着方法。
7. 前記栓が前記ボイド空間の前記開口部で座繰り穴内に配置され、座繰り穴の中に溶融され、前記栓によって前記開口部を封着させるために前記栓と前記開口部が補完的な形状にされ、前記ボイド空間に対してガスが流入および流出できるような隙間および／または局所的形状が提供されることを特徴とする請求項５記載のプラズマのルツボの封着方法。
8. 前記第２のチューブと前記栓とが前記ルツボと同一の半透明材料で与えられることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項記載のプラズマのルツボの封着方法。
9. 前記ボイド空間の超音波洗浄と火炎研磨の予備ステップを含んでいることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載のプラズマのルツボの封着方法。
10. 前記ボイド空間の端部を形成するように、前記第２のチューブがルツボの面上に配置されて溶融され、前記第２のチューブの残留物からなる封着物が形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項あるいは請求項１〜６のいずれか１項に従属する請求項８〜９のいずれか１項記載のプラズマのルツボの封着方法。
11. 前記ボイド空間の一部を形成するように、前記第２のチューブが封着される前記開口部を超えて突き出した前記第２のチューブの残留物からなる封着物が形成され、それにより、前記ボイド空間の前記充填物のためのクールスポットが与えられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項あるいは請求項１〜４のいずれか１項に従属する請求項８〜９のいずれか１項記載のプラズマのルツボの封着方法。
12. 前記第２のチューブの遠心端の一部を、前記第２のチューブの残留物からなる封着物の位置で分離するステップを含むことを特徴とする請求項１０または１１記載のプラズマのルツボの封着方法。
13. 前記第２のチューブの遠心端の一部を、前記第２のチューブの残留物からなる封着物の位置で分離するステップを含まないことを特徴とする請求項１０または１１記載のプラズマのルツボの封着方法。
14. 前記ルツボの半透明な材料が多結晶セラミックであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項記載のプラズマのルツボの封着方法。
15. 前記ルツボの半透明な材料が石英であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項記載のプラズマのルツボの封着方法。
16. 請求項１〜９、あるいは請求項１〜９を引用する１１〜１５のいずれか１項記載のプラズマのルツボの封着方法によって封着された充填されたプラズマのルツボであって、
    ・前記ルツボの封着された開口部から突き出した第２のチューブあるいは第２のチューブの残留物からなる封着物
    を有していることを特徴とするプラズマのルツボ。
17. 請求項１６記載の充填されたプラズマのルツボであって、
    ・前記貫通孔の両端で前記開口部から突き出した、第１のチューブあるいは第１のチューブの残留物からなる封着物、および第２のチューブあるいは第２のチューブの残留物からなる封着物
    を有していることを特徴とするプラズマのルツボ。

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