JP6202424B2 - Liquid plasma processing apparatus and liquid plasma processing method - Google Patents

Liquid plasma processing apparatus and liquid plasma processing method Download PDF

Info

Publication number
JP6202424B2
JP6202424B2 JP2013054705A JP2013054705A JP6202424B2 JP 6202424 B2 JP6202424 B2 JP 6202424B2 JP 2013054705 A JP2013054705 A JP 2013054705A JP 2013054705 A JP2013054705 A JP 2013054705A JP 6202424 B2 JP6202424 B2 JP 6202424B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
liquid
electrode
pulse wave
plasma
bubbles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2013054705A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2014180588A (en
Inventor
徹 米澤
徹 米澤
宏樹 塚本
宏樹 塚本
佐藤 進
佐藤  進
修 有屋田
修 有屋田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hokkaido University NUC
ARIOS Inc
Original Assignee
Hokkaido University NUC
ARIOS Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hokkaido University NUC, ARIOS Inc filed Critical Hokkaido University NUC
Priority to JP2013054705A priority Critical patent/JP6202424B2/en
Publication of JP2014180588A publication Critical patent/JP2014180588A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6202424B2 publication Critical patent/JP6202424B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Plasma Technology (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)

Description

本発明は、液中にプラズマを発生させて所定の処理を行う液中プラズマ処理装置及び液中プラズマ処理方法に関する。   The present invention relates to an in-liquid plasma processing apparatus and an in-liquid plasma processing method for generating a plasma in a liquid and performing a predetermined process.

ナノ粒子とは、直径が1〜100nm程度の微粒子をいう。このナノ粒子は、比表面積が極めて大きいこと、量子サイズ効果によって特有の物性を示すことなど、一般的な大きさの固体(バルク)の材料とは異なることから、様々な分野で研究・利用が進められている。
例えば、金、銀、銅などの電気抵抗値が小さい金属のナノ粒子は、分散剤や希釈剤によってペースト状のインクとすることで、IC基板などに電気配線を形成できる。また、金のナノ粒子は、様々な反応に対して触媒活性を示すことが見出されており、例えば、トイレの脱臭触媒として実用化されている。
Nanoparticles are fine particles having a diameter of about 1 to 100 nm. Because these nanoparticles are different from general-sized solid (bulk) materials, such as their extremely large specific surface area and their unique physical properties due to the quantum size effect, they can be used for research and application in various fields. It is being advanced.
For example, a metal nanoparticle having a small electric resistance value such as gold, silver, or copper can be formed into a paste-like ink with a dispersant or a diluent, thereby forming an electric wiring on an IC substrate or the like. In addition, gold nanoparticles have been found to exhibit catalytic activity for various reactions, and have been put into practical use, for example, as a deodorizing catalyst for toilets.

一方、この金のナノ粒子は、卑金属酸化物や活性炭に担持させると、優れた触媒活性を発現することが知られている。
このように、所望の金属を特定の担体に担持させた触媒を、金属担持触媒という。
この金属担持触媒の他の具体例として、例えば、アルミナナノ粒子を担体とし、白金を担持対象とする白金金属担持触媒などがある。この金属担持触媒は、近年、燃料電池などに使用されている。
On the other hand, these gold nanoparticles are known to exhibit excellent catalytic activity when supported on base metal oxides or activated carbon.
Thus, a catalyst in which a desired metal is supported on a specific carrier is referred to as a metal-supported catalyst.
Other specific examples of the metal-supported catalyst include, for example, a platinum metal-supported catalyst using alumina nanoparticles as a support and platinum as a support target. In recent years, this metal-supported catalyst has been used in fuel cells and the like.

ところで、金属ナノ粒子や金属担持触媒を製造する装置については、出願人が特許出願を行っている(例えば、特許文献1参照。)。
この特許文献1に記載の液中プラズマ処理装置では、次のような原理により、ナノ粒子が生成される。ナノ粒子となる金属を用いて形成された電極の先端部を、容器に収められた液体に浸漬し、この電極を介してマイクロ波を液体に与えると、電極の先端部の近傍では、液体が加熱され、気化して気泡が発生し、この気泡中にプラズマが発生する。また、電極の先端部は、温度上昇により蒸発し、この電極材料が気泡内又は液中で凝縮する。これにより、ナノ粒子が生成される。
By the way, the applicant has applied for a patent for an apparatus for producing metal nanoparticles and a metal-supported catalyst (see, for example, Patent Document 1).
In the in-liquid plasma processing apparatus described in Patent Document 1, nanoparticles are generated based on the following principle. When the tip of an electrode formed using a metal that is a nanoparticle is immersed in a liquid contained in a container and microwaves are applied to the liquid through this electrode, the liquid is near the tip of the electrode. When heated and vaporized, bubbles are generated, and plasma is generated in the bubbles. Further, the tip portion of the electrode evaporates due to the temperature rise, and this electrode material is condensed in the bubbles or in the liquid. Thereby, nanoparticles are generated.

特開2011−058064号公報JP 2011-058064 A

上述した特許文献1に記載の液中プラズマ処理装置においては、上記のプロセスを経て、ナノ粒子が生成される。
このプロセスでは、プラズマが熱源としてのみ働くので、プラズマが定常的である必要はない。一方で、気泡の維持は重要であり、このためにプラズマは不可欠である。すなわち、気泡が消滅すると、電極の先端部が液体にさらされ、温度が急速に低下するとともに、このときに生じるキャビテーションにより、直径数μmクラスの巨大な粒子が生じ、これがナノ粒子に混入する。このキャビテーションの現象は、レーザーアブレーションにおけるドロップレットと同じ現象と考えられる。
このような巨大粒子の混入は、ナノ粒子の品質を低下させる原因となる。そこで、巨大粒子の形成を抑制すべく、電極の先端部付近で気泡が発生している状態を維持可能にする技術の提案が求められていた。
In the in-liquid plasma processing apparatus described in Patent Document 1 described above, nanoparticles are generated through the above process.
In this process, the plasma need not be stationary because the plasma only serves as a heat source. On the other hand, the maintenance of bubbles is important and plasma is essential for this. That is, when the bubbles disappear, the tip of the electrode is exposed to the liquid, the temperature rapidly decreases, and cavitation generated at this time generates huge particles with a diameter of several μm class, which are mixed into the nanoparticles. This cavitation phenomenon is considered to be the same phenomenon as droplets in laser ablation.
Such entrainment of large particles causes the quality of the nanoparticles to deteriorate. Therefore, in order to suppress the formation of giant particles, there has been a demand for a technique that makes it possible to maintain a state where bubbles are generated near the tip of the electrode.

本発明は、上記の事情にかんがみなされたものであり、気泡の発生状態を維持可能にして、巨大粒子の形成を阻止し、ナノ粒子の品質の低下を防止可能とする液中プラズマ処理装置及び液中プラズマ処理方法の提供を目的とする。   The present invention has been considered in view of the above circumstances, and it is possible to maintain the bubble generation state, prevent the formation of giant particles, and prevent the deterioration of the quality of nanoparticles, and An object is to provide a plasma processing method in liquid.

この目的を達成するため、本発明の液中プラズマ処理装置は、液体中でプラズマを発生させてナノ粒子を生成する液中プラズマ処理装置であって、液体収めるための容器と、パルス状マイクロ電力を出力するマイクロ波発振器と、一部が液体に浸漬されるとともに、液体中に前記プラズマを発生させるために、マイクロ波発振器から出力されたパルス状マイクロ電力を液体に与える電極であって、プラズマ中で加熱され蒸発してナノ粒子となる材料で形成された電極とを備え、加熱により液体が気化して気泡が発生している状態を維持するように、パルス状マイクロ波電力のパルス周波数を500Hz以上とし、気泡が膨張と収縮を繰り返すように、パルス状マイクロ波電力のパルス幅をパルス幅変調により周期的に変化させる変調部を備える構成としてある。
To this end, liquid plasma processing apparatus of the present invention, in a liquid by generating plasma to a liquid plasma processing apparatus for generating nanoparticles, a container because videos liquid, pulsed a microwave oscillator for outputting a microwave power, Rutotomoni part is immersed in the liquid, in order to generate the plasma in a liquid, the electrode providing a pulsed microwave power output from the microwave oscillator to the liquid And an electrode formed of a material that is heated and evaporated in plasma to form nanoparticles , and the pulsed microwave power is maintained so that the liquid is vaporized and the bubbles are generated by heating. A modulation unit that periodically changes the pulse width of the pulsed microwave power by pulse width modulation so that the pulse frequency of 500 Hz or more is repeated and the bubble repeats expansion and contraction. There configured to include.

また、本発明の液中プラズマ処理方法は、一部を液体に浸漬させた電極を介して、パルス状マイクロ波電力を液体に与えて、液体中でプラズマを発生させ、プラズマ中で電極を加熱して蒸発させ、ナノ粒子を生成する液中プラズマ処理方法であって、加熱により液体が気化して気泡が発生している状態を維持するように、パルス状マイクロ波電力のパルス周波数を500Hz以上とし、気泡が膨張と収縮を繰り返すように、パルス状マイクロ波電力のパルス幅をパルス幅変調により周期的に変化させる方法としてある。 In addition, the submerged plasma treatment method of the present invention applies pulsed microwave power to a liquid via an electrode partially immersed in the liquid, generates plasma in the liquid, and heats the electrode in the plasma. In- liquid plasma processing method for generating nanoparticles by evaporation, and the pulse frequency of the pulsed microwave power is 500 Hz or more so as to maintain the state where bubbles are generated by vaporization of the liquid by heating. In other words, the pulse width of the pulsed microwave power is periodically changed by pulse width modulation so that the bubbles repeatedly expand and contract .

本発明の液中プラズマ処理装置及び液中プラズマ処理方法によれば、気泡の発生状態が維持されるため、巨大粒子の形成を阻止できる。これにより、ナノ粒子への巨大粒子の混入を防ぐことができるので、ナノ粒子の品質の低下を防止できる。   According to the in-liquid plasma processing apparatus and the in-liquid plasma processing method of the present invention, since the bubble generation state is maintained, the formation of giant particles can be prevented. Thereby, since mixing of the giant particle into the nanoparticle can be prevented, deterioration of the quality of the nanoparticle can be prevented.

本発明の実施形態の液中プラズマ処理装置の構成を示す正面図である。It is a front view which shows the structure of the in-liquid plasma processing apparatus of embodiment of this invention. 同軸導波管交換器と液中プラズマ源の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a coaxial waveguide exchanger and an in-liquid plasma source. マイクロ波とパルス波電力の波形を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the waveform of a microwave and pulse wave electric power. 定常出力に重畳したパルス波電力の波形を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the waveform of the pulse wave electric power superimposed on the steady output. パルス波電力の制御と気泡の大きさの変化を示す図である。It is a figure which shows the control of pulse wave electric power, and the change of the magnitude | size of a bubble. PWM変調したパルス波電力と気泡の大きさの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the pulse wave electric power and the bubble size which carried out PWM modulation. プラズマから放射された電磁波の発光スペクトルを示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the emission spectrum of the electromagnetic waves radiated | emitted from plasma. パルス波のDuty比と電極の温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the duty ratio of a pulse wave, and the temperature of an electrode. 本発明の実施形態における液中プラズマ処理装置により金属ナノ粒子を製造する手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure which manufactures a metal nanoparticle with the plasma processing apparatus in a liquid in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における液中プラズマ処理装置により金属担持物を製造する手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure which manufactures a metal carrier with the plasma processing apparatus in a liquid in embodiment of this invention. 比較例で得られた白金ナノ粒子の走査型電子顕微鏡(SEM)像である。It is a scanning electron microscope (SEM) image of the platinum nanoparticle obtained by the comparative example. 実施例1で得られた白金ナノ粒子の走査型電子顕微鏡(SEM)像である。2 is a scanning electron microscope (SEM) image of platinum nanoparticles obtained in Example 1. FIG. 実施例2で得られた白金ナノ粒子の走査型電子顕微鏡(SEM)像である。2 is a scanning electron microscope (SEM) image of platinum nanoparticles obtained in Example 2. FIG.

以下、本発明に係る液中プラズマ処理装置及び液中プラズマ処理方法の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of an in-liquid plasma processing apparatus and an in-liquid plasma processing method according to the present invention will be described with reference to the drawings.

[液中プラズマ処理装置]
まず、本発明の液中プラズマ処理装置の実施形態について、図1を参照して説明する。
同図は、本実施形態の液中プラズマ処理装置の構成を示す正面図である。
なお、この[液中プラズマ処理装置]においては、液中プラズマ処理装置の概略構成について説明することとし、本発明に関する詳細な説明については、後記の[本発明の原理]以降にて詳述する。
[In-liquid plasma processing equipment]
First, an embodiment of the in-liquid plasma processing apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.
The figure is a front view showing the configuration of the in-liquid plasma processing apparatus of the present embodiment.
In this [in-liquid plasma processing apparatus], the schematic configuration of the in-liquid plasma processing apparatus will be described, and a detailed description of the present invention will be described in detail later in [Principle of the present invention]. .

図1に示すように、液中プラズマ処理装置1は、マイクロ波発振器10と、導波管20と、容器30と、液中プラズマ源40と、温度測定手段50とを備えている。
ここで、マイクロ波発振器10は、本発明におけるパルス波出力手段として動作するものであって、マグネトロンボックス11と、マイクロ波電源12と、マイクロ波電源コントローラ13とを有している。
マグネトロンボックス11は、生成したマイクロ波をパルス波として出力する。マイクロ波は、一般に、波長が100μm〜1m、周波数が300MHz〜3THzの電磁波をいう。
マイクロ波電源12は、マグネトロンボックス11にマイクロ波生成用の電力を供給する。
マイクロ波電源コントローラ13は、マイクロ波電源12に信号を送って、マイクロ波の出力などの調整及び制御を行う。
As shown in FIG. 1, the in-liquid plasma processing apparatus 1 includes a microwave oscillator 10, a waveguide 20, a container 30, an in-liquid plasma source 40, and a temperature measuring unit 50.
Here, the microwave oscillator 10 operates as a pulse wave output unit in the present invention, and includes a magnetron box 11, a microwave power source 12, and a microwave power source controller 13.
The magnetron box 11 outputs the generated microwave as a pulse wave. The microwave generally refers to an electromagnetic wave having a wavelength of 100 μm to 1 m and a frequency of 300 MHz to 3 THz.
The microwave power source 12 supplies power for generating microwaves to the magnetron box 11.
The microwave power supply controller 13 sends a signal to the microwave power supply 12 to adjust and control the output of the microwave.

導波管20は、マイクロ波発振器10から出力されたマイクロ波を液中プラズマ源40へ伝搬する。
導波管20には、アイソレータ21、パワーメータ22、チューナ23などの立体回路を取り付けることができる。
アイソレータ21は、負荷から反射してきたマイクロ波が再びマグネトロンへ戻らないように、ダミーロードで吸収し、熱に変換する。
パワーメータ22は、出射、反射それぞれのマイクロ波電力を測定する。
The waveguide 20 propagates the microwave output from the microwave oscillator 10 to the in-liquid plasma source 40.
A solid circuit such as an isolator 21, a power meter 22, and a tuner 23 can be attached to the waveguide 20.
The isolator 21 absorbs it with a dummy load and converts it into heat so that the microwave reflected from the load does not return to the magnetron again.
The power meter 22 measures the output and reflected microwave power.

チューナ23は、負荷インピーダンスの整合を行なう。チューナ23には、スリースタブチューナとEHチューナがあるが、いずれを用いてもよい。
また、導波管20には、終端プランジャ24などを取り付けることができる。
さらに、導波管20には、同軸導波管変換器25が取り付けられている。
この同軸導波管変換器25の構造については、後記の(液中プラズマ源)で詳述する。
The tuner 23 performs load impedance matching. As the tuner 23, there are a three tab tuner and an EH tuner, either of which may be used.
Further, a terminal plunger 24 or the like can be attached to the waveguide 20.
Further, a coaxial waveguide converter 25 is attached to the waveguide 20.
The structure of the coaxial waveguide converter 25 will be described in detail later in (Liquid plasma source).

容器(アプリケータ)30は、液体を入れる器である。
この容器30は、例えば、テフロン(登録商標)などの樹脂やガラスで形成することができる。また、テフロン(登録商標)製の容器30の外側に、ステンレス容器を備えたり、金属製の容器の内側にテフロン(登録商標)塗装を施すなどして使用することもできる。
The container (applicator) 30 is a container for containing a liquid.
The container 30 can be formed of, for example, a resin such as Teflon (registered trademark) or glass. Further, a stainless steel container can be provided outside the Teflon (registered trademark) container 30, or a Teflon (registered trademark) coating can be applied to the inside of the metal container.

この容器30には、金属ナノ粒子や金属担持物を製造するための溶液が投入される。
金属ナノ粒子を製造する場合、溶液には、水などの溶媒を使用する。
これに対し、金属担持物を製造する場合、上記の溶媒に担体粒子を分散させたものを使用する。担体は、各種セラミック、ガラス、あるいはカーボン材料などがあり、目的に応じて、適宜選ぶことが可能であり必要である。担体の濃度は、溶媒に対し、10重量%以下の範囲に設定できる。
この状態で、溶液中にプラズマを発生させると、プラズマの熱などにより、電極金属が蒸発し、気泡内又は溶液内で凝縮して金属ナノ粒子が生成され、これが担体に付着して金属担持物が生成される。
The container 30 is charged with a solution for producing metal nanoparticles or a metal carrier.
When producing metal nanoparticles, a solvent such as water is used for the solution.
On the other hand, when producing a metal carrier, a material in which carrier particles are dispersed in the above solvent is used. The carrier includes various ceramics, glass, or carbon materials, and can be appropriately selected according to the purpose and is necessary. The concentration of the carrier can be set in the range of 10% by weight or less with respect to the solvent.
In this state, when plasma is generated in the solution, the electrode metal evaporates due to the heat of the plasma, etc., and is condensed in the bubbles or in the solution to generate metal nanoparticles, which adhere to the carrier and are supported on the metal. Is generated.

温度測定手段50は、光ファイバ51と、分光器52と、温度管理装置53とによって構成されている。
光ファイバ51は、電極42の先端部42−1の近傍で発生したプラズマからの電磁波を受光して、分光器52へ送る光伝送路である。
分光器52は、その電磁波を分光して発光スペクトルを得る。
温度管理装置53は、プログラム制御により動作する情報処理装置であって、分光器52で得られた発光スペクトルにもとづいて、電極42の先端部42−1の温度を算出する。そして、この算出した温度にもとづいて、調整後のパルス波電力の平均値を決定し、マイクロ波電源コントローラ13へ送る。
The temperature measuring means 50 includes an optical fiber 51, a spectroscope 52, and a temperature management device 53.
The optical fiber 51 is an optical transmission path that receives electromagnetic waves from plasma generated in the vicinity of the distal end portion 42-1 of the electrode 42 and sends the received electromagnetic waves to the spectroscope 52.
The spectroscope 52 obtains an emission spectrum by dispersing the electromagnetic wave.
The temperature management device 53 is an information processing device that operates under program control, and calculates the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42 based on the emission spectrum obtained by the spectroscope 52. Based on the calculated temperature, the average value of the adjusted pulse wave power is determined and sent to the microwave power supply controller 13.

(液中プラズマ源)
次に、液中プラズマ源40の構成について、図2を参照して説明する。
液中プラズマ源40は、導波管20を伝搬してきたマイクロ波を容器30に収められた液体に供給するための装置である。
この液中プラズマ源40は、図2に示すように、同軸管41と、電極42と、支持体43とを有している。
(Liquid plasma source)
Next, the configuration of the in-liquid plasma source 40 will be described with reference to FIG.
The in-liquid plasma source 40 is an apparatus for supplying the microwave propagating through the waveguide 20 to the liquid stored in the container 30.
As shown in FIG. 2, the submerged plasma source 40 includes a coaxial tube 41, an electrode 42, and a support 43.

同軸管41は、同軸導波管変換器25の一部を構成しており、導波管20からマイクロ波を受けて伝搬させる。
一般に、同軸導波管変換器25では、導波管20(管体25−1)と同軸管41とが直交に接続されている。このため、マイクロ波は、管体25−1から同軸管41に伝わるときに、その伝搬方向を直交方向に変えて伝わっていく。
The coaxial tube 41 constitutes a part of the coaxial waveguide converter 25 and receives and propagates microwaves from the waveguide 20.
Generally, in the coaxial waveguide converter 25, the waveguide 20 (tube body 25-1) and the coaxial tube 41 are connected orthogonally. For this reason, when the microwave is transmitted from the tubular body 25-1 to the coaxial tube 41, the propagation direction is changed to the orthogonal direction.

この同軸管41は、同軸管外部導体41−1と同軸管内部導体41−2との同軸管構造として形成されている。
同軸管外部導体41−1は、同軸導波管変換器25の管体25−1の表面から外方に向かって突設された管状部材である。この同軸管外部導体41−1の中心軸方向は、同軸導波管変換器25の管体25−1の中心軸に対して直交方向である。
この同軸管外部導体41−1の内径は、特性インピーダンスが50Ωとなるような寸法にしてある。
特性インピーダンスは、管の内外径比により変更できる。負荷(プラズマ)に整合するよう調整することも可能である。
The coaxial pipe 41 is formed as a coaxial pipe structure of a coaxial pipe outer conductor 41-1 and a coaxial pipe inner conductor 41-2.
The coaxial pipe outer conductor 41-1 is a tubular member that protrudes outward from the surface of the pipe body 25-1 of the coaxial waveguide converter 25. The central axis direction of the coaxial pipe outer conductor 41-1 is perpendicular to the central axis of the tubular body 25-1 of the coaxial waveguide converter 25.
The inner diameter of the coaxial pipe outer conductor 41-1 is sized such that the characteristic impedance is 50Ω.
The characteristic impedance can be changed according to the inner / outer diameter ratio of the tube. It is also possible to adjust to match the load (plasma).

この同軸管外部導体41−1の突設方向端部(同軸導波管変換器25の管体25−1に接続していない方の端部)には、キャップ状の支持体43が取り付けられており、当該同軸管外部導体41−1の突設方向端部の開口を閉塞している。
支持体43においては、キャップ状の天板部の中央に、円形状の孔43−1が穿設されている。また、この孔43−1を囲繞する位置に、耐熱部材43−2が取り付けられている。
耐熱部材43−2は、プラズマ熱により支持体43が損耗して孔43−1の径が大きくなるのを防ぐ。この耐熱部材43−2は、電極42と同様、ナノ粒子を生成したい金属(例えば、金や白金など)で形成することができる。
A cap-shaped support 43 is attached to the projecting direction end of the coaxial tube outer conductor 41-1 (the end of the coaxial waveguide converter 25 not connected to the tube 25-1). The opening of the projecting direction end of the coaxial pipe outer conductor 41-1 is closed.
In the support body 43, a circular hole 43-1 is formed in the center of the cap-shaped top plate portion. Moreover, the heat-resistant member 43-2 is attached to the position surrounding this hole 43-1.
The heat-resistant member 43-2 prevents the support 43 from being worn out by the plasma heat and increasing the diameter of the hole 43-1. Similar to the electrode 42, the heat-resistant member 43-2 can be formed of a metal (for example, gold or platinum) that is desired to generate nanoparticles.

支持体43であるキャップ状の内部には、環状の封止部材44と環状の絶縁部材45が嵌入されており、同軸管41や導波管20の内部に液体が流入するのを防止している。
また、絶縁部材45は、封止部材44がプラズマに直接暴露して熱的損傷を受けるのを防止している。これにより、封止部材44の寿命を延ばして、液中プラズマ源40の延命を可能とする。
なお、封止部材44の材料としては、例えば、プラスチックを用いることができる。また、絶縁部材45の材料としては、例えば、セラミックを用いることができる。
An annular sealing member 44 and an annular insulating member 45 are fitted inside the cap-shaped support body 43 to prevent liquid from flowing into the coaxial tube 41 and the waveguide 20. Yes.
The insulating member 45 prevents the sealing member 44 from being directly exposed to plasma and being thermally damaged. Thereby, the lifetime of the sealing member 44 is extended, and the life of the in-liquid plasma source 40 can be extended.
As a material of the sealing member 44, for example, plastic can be used. Moreover, as a material of the insulating member 45, for example, ceramic can be used.

同軸管内部導体41−2は、円筒形状に形成されており、同軸管外部導体41−1の中空内部に、この同軸管外部導体41−1と同軸で配置されている。
この同軸管内部導体41−2の一方の端部(容器30側)は、先細りの円錐形状に形成されており、支持体43の天板部の内側面に当接している。
同軸管内部導体41−2の他方の端部は、同軸導波管変換器25の管体25−1のうち、同軸管外部導体41−1が取り付けられている部分に対向する部分から外部に貫通している。
The coaxial pipe inner conductor 41-2 is formed in a cylindrical shape, and is disposed coaxially with the coaxial pipe outer conductor 41-1 in the hollow interior of the coaxial pipe outer conductor 41-1.
One end (container 30 side) of the coaxial pipe inner conductor 41-2 is formed in a tapered conical shape, and is in contact with the inner surface of the top plate portion of the support 43.
The other end of the coaxial tube inner conductor 41-2 is connected to the outside from a portion of the tubular body 25-1 of the coaxial waveguide converter 25 that faces the portion to which the coaxial tube outer conductor 41-1 is attached. It penetrates.

この同軸管内部導体41−2の内部には、棒状の電極42と、同じく棒状のプランジャ41−3が、一直線上に並べて配置されており、プランジャ41−3を捻じ込むことにより、電極42の先端部42−1を支持体43の孔43−1から外部へ繰り出せるようになっている。
具体的には、プランジャ41−3の外周に雄ネジ41−4が形成されており、このプランジャ41−3の外周を覆う位置に形成された管体突部25−2の内面に形成された雌ネジ25−3と螺合している。そして、そのプランジャ41−3を同軸管内部導体41−2の内部へ向かって捻じ込むことで、このプランジャ41−3の捻じ込み方向先端が電極42を押圧し、この電極42の先端部42−1が、支持体43の孔43−1を通って外方へ(すなわち、容器30に収められた液体の中に向かって)繰り出すようになっている。
Inside the coaxial pipe inner conductor 41-2, a rod-shaped electrode 42 and a rod-shaped plunger 41-3 are also arranged in a straight line, and by screwing the plunger 41-3, the electrode 42 The distal end portion 42-1 can be extended from the hole 43-1 of the support body 43 to the outside.
Specifically, a male screw 41-4 is formed on the outer periphery of the plunger 41-3, and is formed on the inner surface of the tube protrusion 25-2 formed at a position covering the outer periphery of the plunger 41-3. Screwed into the female screw 25-3. Then, by screwing the plunger 41-3 toward the inside of the coaxial pipe inner conductor 41-2, the tip in the screwing direction of the plunger 41-3 presses the electrode 42, and the tip 42- of the electrode 42 1 is fed out through the hole 43-1 of the support 43 outward (that is, toward the liquid contained in the container 30).

このような電極42の繰り出し機構を設けることにより、金属ナノ粒子の製造量が多い場合でも、電極42の先端部42−1を液体中に順次繰り出して、その製造量を確保することできる。
なお、電極42の繰り出し機構は、図2に示す構造に限るものではなく、従来公知の任意好適な繰り出し構造を用いることができる。また、繰り出し機構を設けていない同軸管41を液中プラズマ処理装置1に備えることもできる。
By providing such a feeding mechanism of the electrode 42, even when the production amount of the metal nanoparticles is large, the tip portion 42-1 of the electrode 42 can be sequentially fed into the liquid to ensure the production amount.
The feeding mechanism of the electrode 42 is not limited to the structure shown in FIG. 2, and any conventionally known and suitable feeding structure can be used. Further, the in-liquid plasma processing apparatus 1 can be provided with a coaxial tube 41 not provided with a feeding mechanism.

電極42は、ナノ粒子として生成する金属を材料として形成されている。また、電極42は、前述したように、棒状(円柱形状)に形成されており、同軸管内部導体41−2と同軸で、当該同軸管内部導体41−2の内部に挿入されている。
電極42の一部である先端部42−1は、支持体43の孔43−1から外部に突出している。
そして、容器30に収められた液体の液面に対して上方から、その液体内に向かって液中プラズマ源40の支持体43を浸漬させることで、電極42の先端部42−1がその液体に浸漬する。これにより、その電極42の先端部42−1が液体中に露出した状態となる。
The electrode 42 is formed using a metal generated as nanoparticles as a material. Further, as described above, the electrode 42 is formed in a rod shape (cylindrical shape), is coaxial with the coaxial pipe inner conductor 41-2, and is inserted into the coaxial pipe inner conductor 41-2.
A tip portion 42-1 which is a part of the electrode 42 protrudes from the hole 43-1 of the support body 43 to the outside.
And the front-end | tip part 42-1 of the electrode 42 is made into the liquid by immersing the support body 43 of the in-liquid plasma source 40 toward the inside with respect to the liquid level of the liquid stored in the container 30 from above. Immerse in. Thereby, the tip portion 42-1 of the electrode 42 is exposed in the liquid.

ここまで、本実施形態の液中プラズマ処理装置1の概略構成について説明した。
この液中プラズマ処理装置1においては、容器30に収められた液体に電力を供給することで、この液体内にプラズマを発生させて、金属ナノ粒子又は金属担持物を生成する。
次に、その液体に供給される電力について説明する。
So far, the schematic configuration of the in-liquid plasma processing apparatus 1 of the present embodiment has been described.
In the in-liquid plasma processing apparatus 1, by supplying electric power to the liquid stored in the container 30, plasma is generated in the liquid to generate metal nanoparticles or a metal carrier.
Next, electric power supplied to the liquid will be described.

[液体への供給電力]
液体には、この液中にプラズマを発生させて金属ナノ粒子又は金属担持物を生成するための電力が供給される。
この電力は、2.45GHz、5.8GHz、9.5GHz帯などの周波数スペクトルが単一のマイクロ波により供給することができる。これにより、共振構造、伝送路インピーダンスの最適化などにより、高い電力供給効率が可能となる。
[Supply power to liquid]
The liquid is supplied with electric power for generating plasma in the liquid to generate metal nanoparticles or a metal support.
This power can be supplied by a single microwave having a frequency spectrum of 2.45 GHz, 5.8 GHz, 9.5 GHz, or the like. Thereby, high power supply efficiency becomes possible by optimizing the resonance structure and transmission line impedance.

また、駆動電力をマイクロ波にした場合、電極42への負荷を小さくできる。すなわち、マイクロ波は単周波数なので、極めて効率的に電力を供給できる。
マイクロ波は、理論的には無反射にすることも可能であり、この場合の負荷への電力供給効率は、マグネトロンの発振効率のみが最も大きな損失となるだけなので、電力効率は、70%近くになる。この数値は、他の方法と比較して極めて高い効率である。
Further, when the driving power is set to microwaves, the load on the electrode 42 can be reduced. That is, since the microwave is a single frequency, power can be supplied very efficiently.
The microwave can theoretically be made non-reflective. In this case, the power supply efficiency to the load is only the greatest loss of the oscillation efficiency of the magnetron, so the power efficiency is close to 70%. become. This number is very high compared to other methods.

さらに、マイクロ波は、水の大きな比誘電率(約80)と大きな誘電正接(約10)によりエネルギーを吸収させてプラズマを生じさせるので、このような導電率の制御は不要であり、よって、不純物を入れる必要もなく、多くの物質に適用できる。液体として、水が適当であることも、他方式に対する特長となる。   Furthermore, since microwaves absorb energy with a large relative dielectric constant (about 80) and a large dielectric loss tangent (about 10) of water to generate plasma, such a control of conductivity is unnecessary. It can be applied to many substances without the need for impurities. The fact that water is suitable as a liquid is also a feature for other systems.

マイクロ波は、図3(i)に示すように、複数周期を一パルスとするパルス状で出力される。このようにマイクロ波をパルス状で出力させる理由は、次による。
例えば、定常的にプラズマ放電可能なマイクロ波電力を液中プラズマ源40に投入すると、その電力により激しい発熱が生じ、電極42が破壊する。ただし、プラズマが生じるための電力は高く、試作機では、2kW以上のピークパワーを必要とした。この相反する要求を同時に実現するためには、電力供給はマイクロ波パルスであることが必要になる。
一方、マイクロ波パルスのパルス幅を1μ秒よりも短くすれば、プラズマはコロナ放電すなわち非熱平衡プラズマとなり、温度上昇が抑えられ、電極42の損耗は著しく少なくなる。しかし、液体に与えられるエネルギーは小さくなるため、反応速度が遅くなるか、または条件によっては金属ナノ粒子や金属担持物が生成されない可能性がある。
As shown in FIG. 3I, the microwave is output in the form of a pulse having a plurality of cycles as one pulse. The reason why the microwave is output in a pulse form in this way is as follows.
For example, when microwave power capable of steady plasma discharge is input to the in-liquid plasma source 40, intense heat is generated by the power and the electrode 42 is destroyed. However, the electric power for generating plasma is high, and the prototype requires a peak power of 2 kW or more. In order to simultaneously realize these conflicting requirements, the power supply needs to be a microwave pulse.
On the other hand, if the pulse width of the microwave pulse is shorter than 1 μsec, the plasma becomes corona discharge, that is, non-thermal equilibrium plasma, the temperature rise is suppressed, and the wear of the electrode 42 is remarkably reduced. However, since the energy given to the liquid becomes small, there is a possibility that the reaction rate becomes slow or the metal nanoparticles and the metal support are not generated depending on the conditions.

マイクロ波をパルス状で出力させたときのパルス波電力の波形を、図3(ii)に示す。このパルス波電力は、マイクロ波発振器10から出力されるマイクロ波をON/OFF制御することにより得られる。
また、プラズマの発生には、印加電力の尖頭値が必要であり、電極42の先端部42−1の温度の制御(後述)は、概して平均電力となる。そこで、図4に示すように、パルス状のマイクロ波を定常出力(連続波 CW:Continuous Wave)に重畳して印加するようにすることもできる。
この場合、液中プラズマ処理装置1の構成としては、マイクロ波発振器10に代えて、パルス状のマイクロ波を定常出力に重畳して出力する発振器を、本発明のパルス波出力手段として設けることができる。
FIG. 3 (ii) shows the waveform of the pulse wave power when the microwave is output in a pulse form. This pulse wave power is obtained by ON / OFF control of the microwave output from the microwave oscillator 10.
In addition, the peak value of the applied power is necessary for the generation of plasma, and the temperature control (described later) of the tip portion 42-1 of the electrode 42 is generally an average power. Therefore, as shown in FIG. 4, it is also possible to apply a pulsed microwave superimposed on a steady output (continuous wave CW).
In this case, as a configuration of the in-liquid plasma processing apparatus 1, an oscillator that outputs a pulsed microwave superimposed on a steady output instead of the microwave oscillator 10 is provided as the pulse wave output means of the present invention. it can.

さらに、駆動電力は、マイクロ波に代えて、直流パルスにより供給することができる。
この場合、液中プラズマ処理装置1の構成としては、マイクロ波発振器10に代えて、直流パルスを出力可能なパルス電源である直流パルス発振器を、本発明のパルス波出力手段として設けることができる。
Further, the driving power can be supplied by a direct current pulse instead of the microwave.
In this case, as a configuration of the in-liquid plasma processing apparatus 1, a DC pulse oscillator which is a pulse power source capable of outputting a DC pulse can be provided as the pulse wave output means of the present invention, instead of the microwave oscillator 10.

このように、容器30に収められた液体に対しては、マイクロ波等のパルス波により電力が供給される。
そして、本発明は、そのパルス波の周波数やDuty比等を制御することにより、ナノ粒子の品質向上と収量の増加を可能としている。
次に、このような特徴を有する本発明の原理及びその詳細について説明する。
Thus, power is supplied to the liquid stored in the container 30 by a pulse wave such as a microwave.
The present invention makes it possible to improve the quality of the nanoparticles and increase the yield by controlling the frequency of the pulse wave, the duty ratio, and the like.
Next, the principle of the present invention having such characteristics and the details thereof will be described.

[本発明の原理]
液中プラズマによるナノ粒子の生成過程は、次の通りである。
先端部42−1が液体に浸漬した電極42に電流が流れることで、液体が加熱されて気化し、その先端部42−1の周囲に気泡が発生する。また、この気泡の発生と同時に、あるいは、その直後に、気泡内でプラズマが発生する。さらに、電極42の先端部42−1が、温度上昇により蒸発し、この蒸発した電極材料が気泡内又は液中で凝縮して、ナノ粒子が生成される。
液体が気化して気泡が発生する過程は、電力供給にマイクロ波を使った場合には、液体がマイクロ波による誘電加熱となり、直流パルスを使った場合は、液体中を直流電流が通るジュール加熱となる。
また、気泡の発生は、電極42中を流れる電流により、電極42そのものが加熱され、電極42に接触している液体が気化する過程も考えられる。
[Principle of the present invention]
The process of generating nanoparticles by plasma in liquid is as follows.
When the current flows through the electrode 42 in which the tip portion 42-1 is immersed in the liquid, the liquid is heated and vaporized, and bubbles are generated around the tip portion 42-1. Moreover, plasma is generated in the bubbles simultaneously with or immediately after the generation of the bubbles. Furthermore, the tip portion 42-1 of the electrode 42 evaporates due to the temperature rise, and the evaporated electrode material is condensed in the bubbles or in the liquid to generate nanoparticles.
The process of generating bubbles by vaporizing the liquid is that when microwaves are used for power supply, the liquids are dielectrically heated by microwaves. When DC pulses are used, Joule heating in which DC current passes through the liquids It becomes.
The generation of bubbles may be a process in which the electrode 42 itself is heated by the current flowing through the electrode 42 and the liquid in contact with the electrode 42 is vaporized.

このプロセスでは、プラズマが熱源としてのみ働くので、プラズマが定常的である必要はない。一方で、気泡の維持は重要であり、このためにプラズマは不可欠である。すなわち、気泡が消滅すると、電極42の先端部42−1が液体にさらされ、温度が急速に低下するとともに、このときに生じるキャビテーションにより、直径数μmクラスの巨大な粒子が生じ、これがナノ粒子に混入する。このキャビテーションの現象は、レーザーアブレーションにおけるドロップレットと同じ現象と考えられる。   In this process, the plasma need not be stationary because the plasma only serves as a heat source. On the other hand, the maintenance of bubbles is important and plasma is essential for this. That is, when the bubbles disappear, the tip portion 42-1 of the electrode 42 is exposed to the liquid, the temperature rapidly decreases, and cavitation generated at this time generates huge particles with a diameter of several μm, which are nanoparticle. Mixed in. This cavitation phenomenon is considered to be the same phenomenon as droplets in laser ablation.

このようなナノ粒子の生成のメカニズムにおいて、ナノ粒子の品質を向上させるとともに、生産性を上げるために重要な点として、以下の点を挙げることができる。   In such a mechanism of nanoparticle production, the following points can be cited as important points for improving the quality of the nanoparticles and increasing the productivity.

(a)電極42の先端部42−1の表面を、蒸気圧が高く、かつ、溶融脱落しない温度に保つこと。
ナノ粒子の生産量は、電極材料の蒸気が気泡へ拡散する速度、すなわち蒸発速度に律速することになるため、蒸気圧は、高くすることが必要となる。一般的に、温度を高くすれば、蒸気圧が高くなるが、高くしすぎれば、電極42が溶融し脱落あるいは変形を生じてしまう。この間の最適温度を保つことが必要である。
(A) Maintaining the surface of the tip portion 42-1 of the electrode 42 at a temperature at which the vapor pressure is high and does not melt and fall off.
Since the production amount of nanoparticles is limited by the speed at which the vapor of the electrode material diffuses into the bubbles, that is, the evaporation speed, the vapor pressure needs to be increased. Generally, when the temperature is increased, the vapor pressure is increased. However, when the temperature is excessively increased, the electrode 42 is melted and falls off or deforms. It is necessary to maintain the optimum temperature during this period.

(b)電極42の先端部42−1の周囲に気泡が常に存在していること。
気泡が消滅し、電極42の先端部42−1が液体に接触すれば、瞬時に冷却し、その間は、造粒が停止するとともに、その際に生じるキャビテーション等により巨大粒子が生じ、粒径の均一性が低下する。これにより、生成されたナノ粒子の品質が低下する。このような事態を回避するためには、電極42の先端部42−1が液体に接触しない状態を維持すること、すなわち、その先端部42−1の周囲に気泡を常に存在させておくことが必要である。
(B) Air bubbles always exist around the tip portion 42-1 of the electrode 42.
If the bubbles disappear and the tip portion 42-1 of the electrode 42 comes into contact with the liquid, it cools instantaneously. During that time, granulation stops and giant particles are generated due to cavitation or the like generated at that time. Uniformity decreases. Thereby, the quality of the produced | generated nanoparticle falls. In order to avoid such a situation, it is necessary to maintain the state where the tip portion 42-1 of the electrode 42 is not in contact with the liquid, that is, to always keep bubbles around the tip portion 42-1. is necessary.

(c)蒸発速度は、気泡の温度及び気体蒸気圧によっても促進されると考えられる。すなわち、気泡温度が高く且つ当該気泡が滞留していれば、電極材料の蒸気が凝縮せずに電極42付近に留まるため、蒸発速度は低下する。故に、気泡を入れ替えて、温度を一定に保つことが必要である。   (C) It is considered that the evaporation rate is also accelerated by the bubble temperature and the gas vapor pressure. That is, if the bubble temperature is high and the bubbles stay, the vapor of the electrode material stays in the vicinity of the electrode 42 without condensing, and the evaporation rate decreases. Therefore, it is necessary to replace the bubbles and keep the temperature constant.

(a)より、電極42の先端部42−1、厳密には、ナノ粒子材料の温度の制御が重要であることがわかる。
しかしながら、電極42の温度維持だけのために電極42に印加される電力を調整することはできない。なぜならば、マイクロ波電力は、電極42の温度維持に使われるのと、プラズマを維持するのに使われるのと、二つの側面が存在するからである。
一方を満たすだけでは、造粒プロセスが進行しなかったり、過熱のために装置が破壊される恐れがある。すなわち、放電維持に必要な電力を印加し続ければ、供給される熱量に液中プラズマ源40の先端部の温度が上昇しすぎて、溶融してしまう恐れがある。そのため、定常的に電力を印加するのではなく、断続的に電力を供給することにより、気泡維持と温度制御を個別にコントロールすることとした。
From (a), it can be seen that it is important to control the temperature of the tip part 42-1 of the electrode 42, strictly speaking, the nanoparticle material.
However, the power applied to the electrode 42 cannot be adjusted only to maintain the temperature of the electrode 42. This is because microwave power is used to maintain the temperature of the electrode 42 and is used to maintain the plasma.
If only one of them is satisfied, the granulation process may not proceed or the apparatus may be destroyed due to overheating. That is, if the electric power necessary for maintaining the discharge is continuously applied, the temperature at the tip of the in-liquid plasma source 40 may rise too much due to the amount of heat supplied and melt. For this reason, the bubble maintenance and temperature control are individually controlled by supplying power intermittently rather than applying power constantly.

具体的には、次の(I)〜(III)を実現することにより、前記(a)〜(c)の課題を解決する。
(I)パルス波の周波数を、気泡が発生している状態を維持可能な周波数とする。
(II)気泡が膨張と収縮とを繰り返すように、パルス波に対してパルス幅変調(PWM)を行う。
(III)電極42の先端部42−1の温度に応じて、パルス波電力の平均値を制御する。
これら(I)〜(III)の内容について、以下、順に説明する。
Specifically, the following problems (a) to (c) are solved by realizing the following (I) to (III).
(I) The frequency of the pulse wave is set to a frequency capable of maintaining the state where bubbles are generated.
(II) Pulse width modulation (PWM) is performed on the pulse wave so that the bubble repeats expansion and contraction.
(III) The average value of the pulse wave power is controlled according to the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42.
The contents of (I) to (III) will be described in order below.

[パルス波の周波数の設定]
(b)に記載したように、巨大粒子が生じないようにするためには、電極42の先端部42−1の周囲に、気泡が常に存在している状態をつくることが望まれる。
電力供給が例えば図3(ii)に示すパルス波による場合、気泡は、パルス波がONのときには膨張し、OFFのときには収縮に転じる。
そして、OFFの時間が長いとき、気泡は、収縮後に消滅する。この現象から言えることとして、気泡が消滅する前にパルス波をONにすれば、気泡は、消滅することなく、膨張に転じるものと推察される。つまり、パルス波のOFFの時間を、気泡が消滅するまでの時間(正確には、パルス波がONからOFFに切り替わったことで、発生していた気泡が、収縮を開始した後、消滅するまでの時間)よりも短くすれば、気泡は、消滅しなくなり、電極42の先端部42−1の周囲に存在し続けるようになる。
[Pulse wave frequency setting]
As described in (b), it is desirable to create a state in which bubbles always exist around the tip portion 42-1 of the electrode 42 in order to prevent the generation of giant particles.
For example, when the power supply is based on the pulse wave shown in FIG. 3 (ii), the bubble expands when the pulse wave is ON, and contracts when the pulse wave is OFF.
When the OFF time is long, the bubbles disappear after contraction. As can be said from this phenomenon, if the pulse wave is turned on before the bubbles disappear, it is assumed that the bubbles turn into expansion without disappearing. In other words, the OFF time of the pulse wave is the time until the bubble disappears (to be exact, until the bubble that has been generated by the pulse wave switching from ON to OFF until the bubble disappears If the time is shorter than (the time), the bubbles will not disappear and will continue to exist around the tip portion 42-1 of the electrode 42.

この推察にもとづき、発明者は、パルス波がONからOFFに切り替わったことで、発生していた気泡が、収縮を開始した後、消滅するまでの時間を観測した。その結果、3msecという時間が観測された。
この観測結果を参酌するとき、パルス波のOFFの時間を3msecよりも短い時間に設定すれば、気泡は、消滅しなくなるので、その発生状態を維持させることができる。
Based on this inference, the inventor observed the time until the bubble that had been generated disappeared after starting to contract because the pulse wave was switched from ON to OFF. As a result, a time of 3 msec was observed.
When this observation result is taken into consideration, if the OFF time of the pulse wave is set to a time shorter than 3 msec, the bubbles will not disappear, so that the generation state can be maintained.

ただし、その3msecは、パルス波のOFFの時間であって、パルス波のONの時間すなわちパルス幅を含んでいない。
パルス波の周波数を設定するとき、周期にはパルス幅も含まれるが、その周波数を333.33Hz以上とすれば、パルス幅に関係なく、OFFの時間を3msecよりも短くすることができる。
ところが、パルス波の周波数を333.33Hz以上とし、かつ、この333.33Hzに近い周波数とした場合、気泡は、完全に消滅しないまでも、その大きさが非常に小さくなる。そうすると、電極42の先端部42−1が液体に接触して温度が急激に低下し、アブレーションにより巨大粒子が生じる可能性がある。
However, the 3 msec is the OFF time of the pulse wave and does not include the ON time of the pulse wave, that is, the pulse width.
When the frequency of the pulse wave is set, the period includes the pulse width. If the frequency is set to 333.33 Hz or more, the OFF time can be made shorter than 3 msec regardless of the pulse width.
However, when the frequency of the pulse wave is 333.33 Hz or higher and the frequency is close to 333.33 Hz, the size of the bubbles becomes very small even if they do not disappear completely. If it does so, the front-end | tip part 42-1 of the electrode 42 will contact a liquid and temperature will fall rapidly and a huge particle may arise by ablation.

そこで、気泡の大きさをある程度の大きさで維持可能な周波数として、500Hz以上という周波数を得た。
このように、パルス波の周波数を500Hz以上とすることにより、気泡が、一定以上の大きさに保たれた状態で、電極42の先端部42−1の周囲に常に存在するようになるので、電極42の先端部42−1が液体に接触して温度が急激に低下する状況が回避され、巨大粒子の生成が抑制されて、生成されるナノ粒子の粒径の均一性が確保され、当該ナノ粒子の品質が向上する。また、このように、気泡が電極42の先端部42−1の周囲に存在し続ける間は、ナノ粒子の生成が継続されるので、その収量を増やすことができる。
Therefore, a frequency of 500 Hz or more was obtained as a frequency at which the size of the bubbles can be maintained at a certain size.
In this way, by setting the frequency of the pulse wave to 500 Hz or more, the bubbles always exist around the tip portion 42-1 of the electrode 42 in a state in which the size is maintained at a certain level or more. The situation where the tip portion 42-1 of the electrode 42 contacts the liquid and the temperature rapidly decreases is avoided, the generation of giant particles is suppressed, and the uniformity of the particle size of the generated nanoparticles is ensured. The quality of the nanoparticles is improved. In addition, as described above, while the bubbles continue to exist around the tip portion 42-1 of the electrode 42, the generation of nanoparticles is continued, so that the yield can be increased.

このように、パルス波の周波数を500Hz以上とした場合、気泡は、ある程度の大きさまで膨張した後は、その大きさが維持される。そして、その後も、気泡は、見かけ上、その大きさがほとんど変化しない。
このように気泡の大きさが維持され続ける状態を、図5に示す。同図は、パルス波の周波数を1kHzとした場合の当該パルス波電力の変化と、気泡の状態とを示した図である。同図を参照して、気泡の大きさが維持される様子について、ナノ粒子の生成のプロセスにしたがって説明する。
液中プラズマ源40及び電極42の先端部42−1を液体に浸漬した後、この電極42にパルス波電力を印加すると、液体が熱せられ、気化して、電極42の先端部42−1の周囲に気泡が発生し、その中にプラズマが生じる(同図(1))。
プラズマを含んだ気泡は、次第に大きくなり、電極金属がその熱によって蒸発し、凝集し、気泡内に分散する(同図(2))。そして、気泡内に分散しているナノ粒子は、気液界面に吸い込まれるようにして、液体に分散する(同図(3))。
As described above, when the frequency of the pulse wave is set to 500 Hz or more, the size of the bubble is maintained after expanding to a certain size. And after that, the size of the bubbles hardly changes.
FIG. 5 shows a state where the size of the bubbles is maintained. The figure shows the change of the pulse wave power and the state of bubbles when the frequency of the pulse wave is 1 kHz. With reference to the figure, how the bubble size is maintained will be described according to the nanoparticle generation process.
After the plasma plasma source 40 and the tip 42-1 of the electrode 42 are immersed in the liquid, when pulse wave power is applied to the electrode 42, the liquid is heated and vaporized, and the tip 42-1 of the electrode 42 is heated. Bubbles are generated in the surroundings, and plasma is generated therein ((1) in the figure).
Bubbles containing plasma gradually increase, and the electrode metal evaporates, aggregates, and disperses within the bubbles ((2) in the figure). Then, the nanoparticles dispersed in the bubbles are dispersed in the liquid so as to be sucked into the gas-liquid interface ((3) in the figure).

その後、パルス波電力がONからOFF(又は強から弱)に切り替わるが、気泡は、その大きさが、見かけ上、ほとんど変化せずに維持される。そして、この間も、気泡内に分散しているナノ粒子が液体に分散する。
さらに、その後、パルス波電力がOFFからON(又は弱から強)に切り替わると、気泡内にプラズマが生じ、電極金属がその熱によって蒸発し、凝集し、気泡内に分散する(同図(4))。
以降、パルス波電力のONとOFFとの切り替え又は強と弱との切り替えを繰り返す制御が行われても、気泡の大きさは、見かけ上、ほとんど変化することなく、維持される(同図(5))。
このように、パルス波の周波数を500Hz以上とすることにより、気泡の大きさをある程度の大きさで維持させることができるので、巨大粒子の発生が抑制されるとともに、気泡が発生している間は、ナノ粒子の生成を継続させることができる。
Thereafter, the pulse wave power is switched from ON to OFF (or from strong to weak), but the size of the bubble is maintained with almost no apparent change. During this time, the nanoparticles dispersed in the bubbles are dispersed in the liquid.
Further, after that, when the pulse wave power is switched from OFF to ON (or from weak to strong), plasma is generated in the bubble, and the electrode metal is evaporated and aggregated by the heat, and dispersed in the bubble ((4) in the figure). )).
Thereafter, even if the control of repeatedly switching the pulse wave power between ON and OFF or switching between strong and weak is performed, the size of the bubble is apparently maintained with almost no change (see FIG. 5)).
In this way, by setting the frequency of the pulse wave to 500 Hz or more, the size of the bubbles can be maintained to some extent, so that the generation of giant particles is suppressed and the bubbles are generated. Can continue the production of nanoparticles.

なお、パルス波電力のON/OFFの制御は、電力供給が図3(ii)に示すパルス波又は直流パルスによる場合に行われる。また、パルス波電力の強弱の制御は、電力供給が図4に示すパルス波と定常電力との重畳波による場合に行われる。
また、電力供給が図4に示すようにパルス波と定常出力とを重畳した重畳波による場合には、定常電力を、気泡が消滅しない程度の電力を超える電力とすることで、気泡の発生状態を維持できる。
さらに、電力供給が直流パルスによる場合には、図3(ii)に示すパルス波の場合と同様、その周波数を500Hz以上とすることで、気泡の発生状態を維持できる。
Note that ON / OFF control of the pulse wave power is performed when the power is supplied by the pulse wave or DC pulse shown in FIG. 3 (ii). Further, the strength of the pulse wave power is controlled when the power is supplied by a superimposed wave of the pulse wave and the stationary power shown in FIG.
In addition, when the power supply is based on a superposed wave in which a pulse wave and a steady output are superimposed as shown in FIG. 4, the stationary power is set to a power exceeding the power at which bubbles do not disappear, thereby generating bubbles. Can be maintained.
Furthermore, when the electric power is supplied by a direct current pulse, the bubble generation state can be maintained by setting the frequency to 500 Hz or higher as in the case of the pulse wave shown in FIG. 3 (ii).

[パルス波のパルス幅変調]
気泡は、液体との界面で冷却され、常に液化していくので、気液界面にある微粒子は、常に液へ分散しているものと考えられる。ここで、気泡がある一定の大きさで維持している場合でも、微粒子の液への分散が起こっているものと考えられるが、(c)より、気泡が膨張収縮を繰り返す方が、気泡から液中へのナノ粒子拡散を促進することとなり、効果的であるものと考えられる。
そこで、気泡の膨張収縮を促す手法として、パルス波のパルス幅変調を発案した。
[Pulse width modulation of pulse wave]
The bubbles are cooled at the interface with the liquid and are constantly liquefied, so it is considered that the fine particles at the gas-liquid interface are always dispersed in the liquid. Here, even when the bubbles are maintained at a certain size, it is considered that the fine particles are dispersed in the liquid. From (c), it is more likely that the bubbles repeat expansion and contraction. It will promote nanoparticle diffusion into the liquid and is considered effective.
Therefore, the pulse width modulation of the pulse wave was invented as a method for promoting the expansion and contraction of the bubbles.

このパルス幅変調されたパルス波電力と、気泡の膨張収縮との関係を、図6に示す。同図を参照して、パルス幅変調されたパルス波電力の変化と、これに伴う気泡の膨張収縮の変化について、説明する。
なお、同図(1)は、気泡がある程度の大きさにまで膨張した状態を示しているが、この状態に至るまでのプロセスは、図5(1)〜(3)におけるプロセスと同様であるため、ここでの説明は、省略する。
FIG. 6 shows the relationship between the pulse width modulated pulse wave power and the expansion and contraction of bubbles. With reference to the figure, the change of pulse-wave-modulated pulse wave power and the accompanying change of expansion and contraction of bubbles will be described.
In addition, although the figure (1) has shown the state which the bubble expanded to a certain size, the process until it reaches this state is the same as the process in FIG. 5 (1)-(3). Therefore, the description here is omitted.

気泡がある程度の大きさになるまで膨張した後(同図(1))、Duty比が次第に小さくなるように、パルス波に対してパルス幅変調を行うと、気泡が次第に収縮していく(同図(2))。その際、気泡内に分散しているナノ粒子は、気液界面に吸い込まれるようにして、液体に分散する。
その後、Duty比が次第に大きくなるように、パルス波に対してパルス幅変調を行うと、気泡が次第に膨張していく(同図(3)、(4))。
さらに、その後、Duty比が次第に小さくなるように、パルス波に対してパルス幅変調を行うと、気泡が次第に収縮していく(同図(5))。その際、気泡内に分散しているナノ粒子は、気液界面に吸い込まれるようにして、液体に分散する。
After the bubble expands to a certain size ((1) in the figure), when the pulse width modulation is performed on the pulse wave so that the duty ratio gradually decreases, the bubble gradually contracts (same as in FIG. Figure (2)). At this time, the nanoparticles dispersed in the bubbles are dispersed in the liquid so as to be sucked into the gas-liquid interface.
Thereafter, when pulse width modulation is performed on the pulse wave so that the duty ratio gradually increases, the bubbles gradually expand ((3) and (4) in the figure).
Further, after that, when pulse width modulation is performed on the pulse wave so that the duty ratio is gradually reduced, the bubbles gradually contract ((5) in the figure). At this time, the nanoparticles dispersed in the bubbles are dispersed in the liquid so as to be sucked into the gas-liquid interface.

このように、パルス波に対してパルス幅変調を行った場合において、パルス波のDuty比が次第に小さくなっていくときは、気泡が収縮し、パルス波のDuty比が次第に大きくなっていくときは、気泡が膨張する。そして、気泡が収縮する際、気泡内に分散しているナノ粒子は、気液界面に吸い込まれるようにして、液体に分散する。これにより、気泡から液中へのナノ粒子の拡散が促進される。よって、ナノ粒子の収量を増やすことができる。
なお、発明者が実験を行った結果、パルス波に対してパルス幅変調を行わなかった場合と比較して、パルス幅変調を行った方が、ナノ粒子の収量が一桁増加した。
As described above, when the pulse width modulation is performed on the pulse wave, when the duty ratio of the pulse wave gradually decreases, the bubble contracts and the duty ratio of the pulse wave gradually increases. , Bubbles expand. And when a bubble shrink | contracts, the nanoparticle currently disperse | distributed in a bubble is attracted | sucked by the gas-liquid interface, and disperse | distributes to a liquid. Thereby, the diffusion of the nanoparticles from the bubbles into the liquid is promoted. Therefore, the yield of nanoparticles can be increased.
As a result of experiments conducted by the inventor, the yield of nanoparticles increased by an order of magnitude when the pulse width modulation was performed compared to the case where the pulse width modulation was not performed on the pulse wave.

次に、パルス波に対してパルス幅変調を行うための液中プラズマ処理装置1の構成について説明する。
パルス幅変調は、マグネトロンボックス11から出力されるマイクロ波のパルス波電力のDuty比をマイクロ波電源コントローラ13が制御することにより行われる。
マイクロ波電源コントローラ13は、本発明の変調部として機能し、パルス波電力のDuty比の可変範囲と、パルス幅変調の変調周波数が設定されることで、この設定された変調周波数にしたがって、パルス波電力のDuty比を可変することにより、パルス波のパルス幅変調を行う。
具体例として、例えば、図6に示すように、パルス幅変調(PWM)の1周期を10msec(変調周波数100Hz)とし、7.7%のDuty比を中心としてパルス幅変調を行うことができる。
Next, the configuration of the in-liquid plasma processing apparatus 1 for performing pulse width modulation on the pulse wave will be described.
The pulse width modulation is performed by the microwave power controller 13 controlling the duty ratio of the microwave pulse wave power output from the magnetron box 11.
The microwave power supply controller 13 functions as the modulation unit of the present invention, and the variable range of the duty ratio of the pulse wave power and the modulation frequency of the pulse width modulation are set, and according to the set modulation frequency, the pulse By changing the duty ratio of the wave power, the pulse width of the pulse wave is modulated.
As a specific example, for example, as shown in FIG. 6, one period of pulse width modulation (PWM) is 10 msec (modulation frequency 100 Hz), and pulse width modulation can be performed around a duty ratio of 7.7%.

なお、図6に示すパルス幅変調は、電力供給が、図3(ii)に示すパルス波電力による場合を想定している。ただし、電力供給が、図4に示す重畳波電力による場合や、直流パルスによる場合でも、同様のパルス幅変調を行うことができる。
また、ここでは、パルス波のパルス幅変調について説明したが、加熱しすぎない範囲で、パルス幅変調に代えて、周波数変調を行うこともできる。ただし、気泡の発生状態を維持するために、パルス波の周波数は、500Hz以上とすることが望ましい。
Note that the pulse width modulation shown in FIG. 6 assumes that the power supply is based on the pulse wave power shown in FIG. However, the same pulse width modulation can be performed even when the power is supplied by the superimposed wave power shown in FIG. 4 or by a DC pulse.
Further, although the pulse width modulation of the pulse wave has been described here, frequency modulation can be performed instead of the pulse width modulation within a range in which heating is not excessive. However, in order to maintain the bubble generation state, the frequency of the pulse wave is preferably 500 Hz or more.

[電極先端部の温度制御]
(a)、(c)でも説明したように、電極42の先端部42−1の温度を管理することは、電極42の溶融、脱落、変形を防止するとともに、電極材料の蒸発速度を促進する上で重要である。
そこで、電極42の先端部42−1の温度を測定するために液中プラズマ処理装置1に温度測定手段50を備えるとともに、その測定結果にもとづいてマイクロ波電源コントローラ13がパルス波電力の平均値の制御を行うことにより、電極42の温度をコントロールする構成とした。
この構成について、以下に説明する。
[Temperature control of electrode tip]
As described in (a) and (c), managing the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42 prevents the electrode 42 from melting, falling off, and deforming, and accelerates the evaporation rate of the electrode material. Is important above.
Therefore, in order to measure the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42, the in-liquid plasma processing apparatus 1 is provided with the temperature measuring means 50, and the microwave power controller 13 determines the average value of the pulse wave power based on the measurement result. By controlling this, the temperature of the electrode 42 was controlled.
This configuration will be described below.

(温度測定手段)
温度測定手段50は、電極42の先端部42−1の温度を測定する手段である。
ここで、電極42の温度をコントロールするためには、電極42の先端部42−1の温度を厳密に測定する必要がある。
電極42の先端部42−1は、マイクロ波が印加されており、かつ、面積が微小であるので、通常の接触式の温度計は使えない。
非接触式温度計としては、赤外放射を観察する形式のものがあるが、水をはじめとする多くの溶媒の場合、溶媒による赤外線吸収により、測定が困難である。
また、正確な測定には、放射率による校正の必要があり、状況の変化に対応できず、一般に赤外センサーは、レスポンスが遅いことも本応用では問題となり得る。
そこで、分光器52により可視光付近の分光スペクトルを得て、黒体放射スペクトルから温度を算出することとした。この方法では、広い波長域から情報を得るので、外乱に強く、溶媒の吸収スペクトル、プラズマからの発光スペクトルを除去可能である。
(Temperature measuring means)
The temperature measuring means 50 is a means for measuring the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42.
Here, in order to control the temperature of the electrode 42, it is necessary to strictly measure the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42.
Since the microwave is applied to the tip portion 42-1 of the electrode 42 and the area is very small, a normal contact thermometer cannot be used.
As a non-contact type thermometer, there is a type that observes infrared radiation, but in the case of many solvents including water, measurement is difficult due to infrared absorption by the solvent.
In addition, calibration with emissivity is necessary for accurate measurement, and it cannot cope with changes in the situation. In general, the response of an infrared sensor is slow, which can be a problem in this application.
Therefore, the spectroscope 52 obtains a spectrum near the visible light, and calculates the temperature from the black body radiation spectrum. Since this method obtains information from a wide wavelength range, it is resistant to disturbances and can remove the absorption spectrum of the solvent and the emission spectrum from the plasma.

具体的には、図1に示すように、光ファイバ51の端部を液中に投入し、その先端部である受光部54を液中プラズマ源40と正対させて、発光スペクトルを得る。受光部54は、プラズマで損傷しないように、石英ガラスなどでカバーすることが望ましい。
受光部54の位置は、プラズマの発生に影響を与えず、かつ溶液の混濁の影響をなるべく受けない位置に設置する。
なお、光ファイバ51を使用せずに、石英ガラス棒を導波路として用いることもできる。
Specifically, as shown in FIG. 1, the end portion of the optical fiber 51 is put into the liquid, and the light receiving portion 54 that is the front end portion thereof is directly opposed to the in-liquid plasma source 40 to obtain an emission spectrum. The light receiving portion 54 is preferably covered with quartz glass or the like so as not to be damaged by plasma.
The position of the light receiving unit 54 is set at a position that does not affect the generation of plasma and is not affected by the turbidity of the solution as much as possible.
Note that a quartz glass rod can be used as a waveguide without using the optical fiber 51.

分光器52は、光ファイバ51の受光部54に入射した光を受けて、この光の可視光付近の分光スペクトルを得る。そして、この得られた分光スペクトルを示す信号を温度管理装置53へ送る。
温度管理装置53は、分光器52から送られてきた信号にもとづいて分光スペクトルを取得し、各種のノイズを除去した上で、黒体放射スペクトルのみを取り出して演算し、電極42の先端部42−1の温度を得る。
The spectroscope 52 receives the light incident on the light receiving portion 54 of the optical fiber 51 and obtains a spectrum near the visible light of this light. Then, a signal indicating the obtained spectrum is sent to the temperature management device 53.
The temperature management device 53 acquires a spectral spectrum based on the signal sent from the spectroscope 52, removes various noises, extracts only the black body radiation spectrum, and calculates it. A temperature of -1 is obtained.

このように、電極42の先端部42−1の温度を得るために、温度管理装置53が行う処理の具体例を、図7を参照して説明する。
同図は、パルス波電力のDuty比を制御することにより電極42の温度を制御した際の黒体放射を含むプラズマ発光スペクトルを示す波形図である。具体的に、同図では、パルス波電力のDuty比を15%、12%、10%、8%とした場合のプラズマ発光スペクトルを示している。同図に示すプラズマ発光スペクトルは、定常電源を液体に供給してプラズマを点火した後、パルス電源(1kHz、Duty比8〜15%、安定放電)を供給し、スターラーを用いて回転速度275rpmで液体を攪拌したときに得られたプラズマ発光スペクトルである。なお、電極42の先端部42−1と光ファイバ51の受光部54との距離は、22mmとした。
In this way, a specific example of processing performed by the temperature management device 53 in order to obtain the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42 will be described with reference to FIG.
This figure is a waveform diagram showing a plasma emission spectrum including blackbody radiation when the temperature of the electrode 42 is controlled by controlling the duty ratio of the pulse wave power. Specifically, the figure shows the plasma emission spectrum when the duty ratio of the pulse wave power is 15%, 12%, 10%, and 8%. The plasma emission spectrum shown in the figure is that a steady power supply is supplied to a liquid to ignite the plasma, then a pulse power supply (1 kHz, duty ratio 8 to 15%, stable discharge) is supplied, and a rotation speed is 275 rpm using a stirrer. It is the plasma emission spectrum obtained when the liquid was stirred. The distance between the tip portion 42-1 of the electrode 42 and the light receiving portion 54 of the optical fiber 51 was 22 mm.

同図に示すように、310nm付近、486nm、656nm、777nmにおいては、プラズマからの発光スペクトルが急峻な波形として観測される。また400〜600nmにおいては、蛍光灯からの輝線スペクトルが急峻な波形として観測される。
一方、黒体放射は、500〜900nm付近のブロードなスペクトルであり、上述したプラズマからの発光スペクトル等とは、容易に見分けがつく。
そこで、プラズマからの発光スペクトルや蛍光灯からの輝線スペクトルをノイズとして除去する信号処理を行うことにより、これらノイズと黒体放射スペクトルとを分離できる。
As shown in the figure, the emission spectrum from the plasma is observed as a steep waveform at around 310 nm, 486 nm, 656 nm, and 777 nm. Moreover, in 400-600 nm, the bright line spectrum from a fluorescent lamp is observed as a steep waveform.
On the other hand, blackbody radiation has a broad spectrum in the vicinity of 500 to 900 nm, and can easily be distinguished from the above-described emission spectrum from plasma.
Therefore, the noise and the black body radiation spectrum can be separated by performing signal processing for removing the emission spectrum from the plasma and the bright line spectrum from the fluorescent lamp as noise.

黒体放射スペクトルは、電極42の先端部42−1の温度に応じて、その値が変化する。
例えば、図7に示す黒体放射スペクトルのうち500〜700nm付近のなだらかなスロープ(傾斜)を、各波形ごとに見てみると、電極42の先端部42−1の温度に応じて左右にシフトしている。
具体的には、パルス波電力のDuty比を大きくすることで電極42の先端部42−1の温度が上昇したときは、黒体放射スペクトルは、左側にシフトする(特定の波長において測光値すなわち発光強度が高くなる)。一方、パルス波電力のDuty比を小さくすることで電極42の先端部42−1の温度が下降したときは、黒体放射スペクトルは、右側にシフトする(特定の波長において測光値すなわち発光強度が低くなる)。
よって、所定の波長、例えば、700nm付近での黒体放射スペクトルを算出することにより、電極42の先端部42−1の温度を特定できる。
この特定を行うために、温度管理装置53は、電極42の先端部42−1の温度と、所定の波長における黒体放射スペクトルの測光値とを対応付けた管理テーブルを記憶しており、所定の波長における黒体放射スペクトルの測光値を算出すると、当該管理テーブルを参照して、対応する電極42の先端部42−1の温度を得ることができるようになっている。
The value of the black body radiation spectrum changes according to the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42.
For example, when a gentle slope (slope) in the vicinity of 500 to 700 nm in the black body radiation spectrum shown in FIG. 7 is seen for each waveform, it shifts to the left and right according to the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42. doing.
Specifically, when the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42 is increased by increasing the duty ratio of the pulse wave power, the black body radiation spectrum shifts to the left (the photometric value at a specific wavelength, that is, Emission intensity increases). On the other hand, when the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42 is decreased by reducing the duty ratio of the pulse wave power, the black body radiation spectrum shifts to the right side (the photometric value, that is, the emission intensity at a specific wavelength). Lower).
Therefore, the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42 can be specified by calculating a black body radiation spectrum at a predetermined wavelength, for example, around 700 nm.
In order to perform this specification, the temperature management device 53 stores a management table in which the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42 is associated with the photometric value of the black body radiation spectrum at a predetermined wavelength. When the photometric value of the black body radiation spectrum at the wavelength of is calculated, the temperature of the tip portion 42-1 of the corresponding electrode 42 can be obtained with reference to the management table.

(パルス波電力の平均値の制御)
温度管理装置53は、電極42の先端部42−1の温度を得ると、調整後のパルス波電力の平均値を特定する。
図8は、パルス波電力のDuty比と、プランクの法則を用いて黒体放射により計測されたスペクトルから算出した電極温度との関係を示すグラフである。同図に示す電極温度は、定常電源を液体に供給してプラズマを点火した後、パルス電源(1kHz、Duty比8〜15%、安定放電)を供給し、スターラーを用いて回転速度275rpmで液体を攪拌したときに得られた電極温度である。
同図は、パルス波のDuty比を変えることで、パルス波電力の平均値が変化し、電極42の先端部42−1の温度が変化することを示している。
(Control of average value of pulse wave power)
When the temperature management device 53 obtains the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42, the temperature management device 53 specifies the average value of the adjusted pulse wave power.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the duty ratio of pulse wave power and the electrode temperature calculated from the spectrum measured by black body radiation using Planck's law. The electrode temperature shown in the figure is that liquid is supplied at a rotational speed of 275 rpm using a stirrer after supplying a pulse power supply (1 kHz, duty ratio 8 to 15%, stable discharge) after supplying a steady power supply to the liquid and igniting the plasma. Is the electrode temperature obtained when stirring.
The figure shows that changing the duty ratio of the pulse wave changes the average value of the pulse wave power and changes the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42.

温度管理装置53は、調整後のパルス波電力の平均値を特定する場合には、分光器52からの発光スペクトルにもとづいてプランクの法則により算出した電極42の先端部42−1の温度である測定電極温度が目標とする温度である目標電極温度よりも低いときは、現状値よりも高いDuty比を特定し、この特定したDuty比に応じてパルス幅変調を行ったときの当該パルス波電力の平均値を特定する。一方、測定電極温度が目標電極温度よりも高いときは、現状値よりも低いDuty比を特定し、この特定したDuty比に応じてパルス幅変調を行ったときの当該パルス波電力の平均値を特定する。なお、温度管理装置53には、目標電極温度が予め設定され、記憶されている。
そして、温度管理装置53は、特定したパルス波電力の平均値を、マイクロ波電源コントローラ13へ送る。
When specifying the average value of the adjusted pulse wave power, the temperature management device 53 is the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42 calculated by Planck's law based on the emission spectrum from the spectroscope 52. When the measurement electrode temperature is lower than the target electrode temperature, which is the target temperature, the duty ratio higher than the current value is specified, and the pulse wave power when the pulse width modulation is performed according to the specified duty ratio Specify the average value of. On the other hand, when the measurement electrode temperature is higher than the target electrode temperature, the duty ratio lower than the current value is specified, and the average value of the pulse wave power when the pulse width modulation is performed according to the specified duty ratio is obtained. Identify. In the temperature management device 53, the target electrode temperature is preset and stored.
Then, the temperature management device 53 sends the specified average value of the pulse wave power to the microwave power supply controller 13.

マイクロ波電源コントローラ13は、マグネトロンボックス11から出力されるマイクロ波のパルス波電力の平均値が温度管理装置53から受け取ったパルス波電力の平均値と一致するように、マイクロ波電源12を制御する。
具体的には、図3(ii)に示したパルス波電力の平均値が温度管理装置53から受け取ったパルス波電力の平均値と一致するように、当該パルス波のDuty比を制御する。
これにより、温度測定手段50において得られた電極42の先端部42−1の温度が、マイクロ波電源12にフィードバックされ、パルス波電力の平均値が制御されて、電極42の先端部42−1の温度が一定となる。
The microwave power supply controller 13 controls the microwave power supply 12 so that the average value of the pulse wave power of the microwave output from the magnetron box 11 matches the average value of the pulse wave power received from the temperature management device 53. .
Specifically, the duty ratio of the pulse wave is controlled so that the average value of the pulse wave power shown in FIG. 3 (ii) matches the average value of the pulse wave power received from the temperature management device 53.
Thereby, the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42 obtained in the temperature measuring means 50 is fed back to the microwave power source 12, the average value of the pulse wave power is controlled, and the tip portion 42-1 of the electrode 42 is controlled. The temperature becomes constant.

なお、電力供給が、図6に示すパルス幅変調による場合、温度の制御は、パルス電力のDuty比の平均値を調整して当該パルス波電力の平均値を制御することによって行うことができる。
これに対し、電力供給が、図4に示す重畳波電力による場合、温度の制御は、定常電力の強さ、又は、パルス電力のDuty比によって制御できる。
また、ここでは、パルス波のパルス幅変調について説明したが、加熱しすぎない範囲で、パルス幅変調に代えて、周波数変調を行うこともできる。ただし、気泡の発生状態を維持するために、パルス波の周波数は、500Hz以上とする。
When the power supply is based on the pulse width modulation shown in FIG. 6, the temperature can be controlled by adjusting the average value of the duty ratio of the pulse power and controlling the average value of the pulse wave power.
On the other hand, when the power supply is based on the superimposed wave power shown in FIG. 4, the temperature can be controlled by the strength of the steady power or the duty ratio of the pulse power.
Further, although the pulse width modulation of the pulse wave has been described here, frequency modulation can be performed instead of the pulse width modulation within a range in which heating is not excessive. However, in order to maintain the bubble generation state, the frequency of the pulse wave is 500 Hz or more.

さらに、上記の説明においては、温度測定手段50が調整後のパルス波電力の平均値を特定し、マイクロ波電源コントローラ13がその特定されたパルス波電力の平均値にもとづいてパルス波に対してパルス幅変調を行うこととしたが、この構成に限るものではなく、例えば、温度測定手段50が、パルス波電力の平均値を所定の平均値とするためのパルス波のDuty比を特定し、マイクロ波電源コントローラ13がその特定されたパルス波のDuty比にもとづいてパルス波に対してパルス幅変調を行って、パルス波電力の平均値を制御する構成とすることもできる。   Further, in the above description, the temperature measuring means 50 specifies the average value of the adjusted pulse wave power, and the microwave power supply controller 13 applies the pulse wave based on the specified average value of the pulse wave power. Although the pulse width modulation is performed, the present invention is not limited to this configuration. For example, the temperature measurement unit 50 specifies the duty ratio of the pulse wave for setting the average value of the pulse wave power to a predetermined average value, The microwave power supply controller 13 may be configured to control the average value of the pulse wave power by performing pulse width modulation on the pulse wave based on the specified duty ratio of the pulse wave.

[液中プラズマ処理方法]
次に、本実施形態の液中プラズマ処理装置1の動作(液中プラズマ処理方法)について、図9、図10を参照して説明する。
図9は、本実施形態の液中プラズマ処理装置1を用いてナノ粒子を生成する手順を示すフローチャートである。図10は、本実施形態の液中プラズマ処理装置1を用いて金属担持物を生成する手順を示すフローチャートである。
これら、ナノ粒子を生成する手順である金属ナノ粒子製造方法と、金属担持物を生成する手順である金属担持物製造方法について、順に説明する。
[Liquid plasma treatment method]
Next, the operation (in-liquid plasma processing method) of the in-liquid plasma processing apparatus 1 of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 9 is a flowchart showing a procedure for generating nanoparticles using the in-liquid plasma processing apparatus 1 of the present embodiment. FIG. 10 is a flowchart showing a procedure for generating a metal carrier using the in-liquid plasma processing apparatus 1 of the present embodiment.
The metal nanoparticle manufacturing method, which is a procedure for generating nanoparticles, and the metal support manufacturing method, which is a procedure for generating a metal support, will be described in order.

(金属ナノ粒子製造方法)
図9に示すように、液中プラズマ処理装置1には、ナノ粒子を作成したい金属で形成された電極42が取り付けられている(ステップ10)。
液中プラズマ処理装置1の容器30に、水などの液体を溶媒として投入する(ステップ11)。
この溶媒に対して、液面の上方から液中プラズマ源40を浸漬する。
マイクロ波電源コントローラ13において、マイクロ波のパルス波電力の周波数を、気泡の発生状態が維持可能な周波数(500Hz以上、具体例として、1kHz)に設定する(ステップ12)。
また、マイクロ波電源コントローラ13において、マイクロ波のパルス波電力のDuty比(又は、Duty比の可変範囲)と、変調周波数を設定する(ステップ13)。
(Metal nanoparticle production method)
As shown in FIG. 9, the in-liquid plasma processing apparatus 1 is attached with an electrode 42 made of a metal for which nanoparticles are to be created (step 10).
A liquid such as water is charged as a solvent into the container 30 of the in-liquid plasma processing apparatus 1 (step 11).
The in-liquid plasma source 40 is immersed in the solvent from above the liquid level.
In the microwave power supply controller 13, the frequency of the microwave pulse wave power is set to a frequency (500 Hz or more, specifically, 1 kHz) capable of maintaining the bubble generation state (step 12).
Further, the microwave power supply controller 13 sets the duty ratio of the microwave pulse wave power (or the variable range of the duty ratio) and the modulation frequency (step 13).

マイクロ波発振器10の電源を投入し、マグネトロンボックス11でマイクロ波を発生させる。この発生したマイクロ波は、パルス波として、導波管20を伝搬し、液中プラズマ源40から容器30の溶媒へ供給される(ステップ14)。
これにより、電極42の先端部42−1の近傍で、液体の温度上昇により気泡が発生する。また、この気泡内に、プラズマが発生する(ステップ15)。
さらに、電極42の先端部42−1が温度上昇により蒸発し、この蒸発した電極材料が気泡内又は溶媒中で凝縮して、ナノ粒子が生成される(ステップ16)。
The microwave oscillator 10 is turned on, and a microwave is generated by the magnetron box 11. The generated microwave propagates through the waveguide 20 as a pulse wave and is supplied from the in-liquid plasma source 40 to the solvent in the container 30 (step 14).
Thereby, bubbles are generated in the vicinity of the tip portion 42-1 of the electrode 42 due to the temperature rise of the liquid. In addition, plasma is generated in the bubbles (step 15).
Furthermore, the tip portion 42-1 of the electrode 42 evaporates due to the temperature rise, and the evaporated electrode material is condensed in the bubbles or in the solvent to generate nanoparticles (step 16).

温度測定手段50の分光器52は、光ファイバ51を通して受光した光を解析して発光スペクトルを得る。この発光スペクトルを示す信号が温度管理装置53へ送られる。
温度管理装置53は、その発光スペクトルにもとづいて黒体放射スペクトルを算出し、電極42の先端部42−1の温度を算出する(ステップ17)。そして、この算出した温度にもとづいて調整しようとするパルス波電力の平均値を特定する。特定したパルス波電力の平均値は、マイクロ波電源コントローラ13へ送られる。
マイクロ波電源コントローラ13は、特定されたパルス波電力の平均値にもとづいて、マイクロ波電源12を制御し、マグネトロンボックス11から出力されるマイクロ波のパルス波電力の平均値を制御する(ステップ18)。これにより、電極42の先端部42−1の温度が制御される。
The spectroscope 52 of the temperature measuring means 50 analyzes the light received through the optical fiber 51 to obtain an emission spectrum. A signal indicating the emission spectrum is sent to the temperature management device 53.
The temperature management device 53 calculates a black body radiation spectrum based on the emission spectrum, and calculates the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42 (step 17). Then, the average value of the pulse wave power to be adjusted based on the calculated temperature is specified. The specified average value of the pulse wave power is sent to the microwave power supply controller 13.
The microwave power supply controller 13 controls the microwave power supply 12 based on the specified average value of the pulse wave power, and controls the average value of the microwave pulse wave power output from the magnetron box 11 (step 18). ). Thereby, the temperature of the front-end | tip part 42-1 of the electrode 42 is controlled.

(金属担持物製造方法)
図10に示すように、液中プラズマ処理装置1には、ナノ粒子を作成したい金属で形成された電極42が取り付けられている(ステップ20)。
液中プラズマ処理装置1の容器30に、担体粒子が分散した溶媒を投入する(ステップ21)。担体の濃度は、例えば、溶媒に対し、10重量%以下の範囲に設定する。
この溶媒に対して、液面の上方から液中プラズマ源40を浸漬する。
マイクロ波電源コントローラ13において、マイクロ波のパルス波電力の周波数を、気泡の発生状態が維持可能な周波数(500Hz以上、具体例として、1kHz)に設定する(ステップ22)。
また、マイクロ波電源コントローラ13において、マイクロ波のパルス波電力のDuty比(又は、Duty比の可変範囲)と、変調周波数を設定する(ステップ23)。
(Metal support manufacturing method)
As shown in FIG. 10, the in-liquid plasma processing apparatus 1 is provided with an electrode 42 formed of a metal for which nanoparticles are to be created (step 20).
A solvent in which carrier particles are dispersed is put into the container 30 of the in-liquid plasma processing apparatus 1 (step 21). The concentration of the carrier is set, for example, in a range of 10% by weight or less with respect to the solvent.
The in-liquid plasma source 40 is immersed in the solvent from above the liquid level.
In the microwave power supply controller 13, the frequency of the pulse wave power of the microwave is set to a frequency (500 Hz or more, specifically, 1 kHz) that can maintain the bubble generation state (step 22).
Further, the microwave power supply controller 13 sets the duty ratio of the microwave pulse wave power (or the variable range of the duty ratio) and the modulation frequency (step 23).

マイクロ波発振器10の電源を投入し、マグネトロンボックス11でマイクロ波を発生させる。この発生したマイクロ波は、パルス波として、導波管20を伝搬し、液中プラズマ源40から容器30の溶媒へ供給される(ステップ24)。
これにより、電極42の先端部42−1の近傍で、液体の温度上昇により気泡が発生する。また、この気泡内に、プラズマが発生する(ステップ25)。
さらに、電極42の先端部42−1が温度上昇により蒸発し、この蒸発した電極材料が気泡内又は溶媒中で凝縮して、これが溶媒中に分散した担体上に付着・成長し、金属担持物が生成される(ステップ26)。
The microwave oscillator 10 is turned on, and a microwave is generated by the magnetron box 11. The generated microwave propagates through the waveguide 20 as a pulse wave, and is supplied from the in-liquid plasma source 40 to the solvent in the container 30 (step 24).
Thereby, bubbles are generated in the vicinity of the tip portion 42-1 of the electrode 42 due to the temperature rise of the liquid. In addition, plasma is generated in the bubbles (step 25).
Furthermore, the tip portion 42-1 of the electrode 42 evaporates due to the temperature rise, and the evaporated electrode material condenses in the bubbles or in the solvent, which adheres to and grows on the carrier dispersed in the solvent, Is generated (step 26).

温度測定手段50の分光器52は、光ファイバ51を通して受光した光を解析して発光スペクトルを得る。この発光スペクトルを示す信号が温度管理装置53へ送られる。
温度管理装置53は、その発光スペクトルにもとづいて黒体放射スペクトルを算出し、電極42の先端部42−1の温度を算出する(ステップ27)。そして、この算出した温度にもとづいて調整しようとするパルス波電力の平均値を特定する。特定したパルス波電力の平均値は、マイクロ波電源コントローラ13へ送られる。
マイクロ波電源コントローラ13は、特定されたパルス波電力の平均値にもとづいて、マイクロ波電源12を制御し、マグネトロンボックス11から出力されるマイクロ波のパルス波電力の平均値を制御する(ステップ28)。これにより、電極42の先端部42−1の温度が制御される。
The spectroscope 52 of the temperature measuring means 50 analyzes the light received through the optical fiber 51 to obtain an emission spectrum. A signal indicating the emission spectrum is sent to the temperature management device 53.
The temperature management device 53 calculates a black body radiation spectrum based on the emission spectrum, and calculates the temperature of the tip portion 42-1 of the electrode 42 (step 27). Then, the average value of the pulse wave power to be adjusted based on the calculated temperature is specified. The specified average value of the pulse wave power is sent to the microwave power supply controller 13.
The microwave power supply controller 13 controls the microwave power supply 12 based on the specified average value of the pulse wave power, and controls the average value of the pulse wave power of the microwave output from the magnetron box 11 (step 28). ). Thereby, the temperature of the front-end | tip part 42-1 of the electrode 42 is controlled.

発明者は、本発明が実施可能であり、かつ、上記の実施形態に記載した効果が得られることを実験により証明した。この発明者が行った実験の内容を、実施例及び比較例として、以下、具体的に説明する。   The inventor has proved through experiments that the present invention can be carried out and the effects described in the above embodiments can be obtained. The contents of the experiment conducted by the inventor will be specifically described below as examples and comparative examples.

<比較例>
図1に示す構成を備えた液中プラズマ処理装置1を用意した。ただし、温度測定手段50(光ファイバ51、分光器52、温度管理装置53)は、接続していない。
容器30内に液体として水を収め、この液面の上方から液中プラズマ源40を当該液体に浸漬した。
白金(Pt)を用いて形成された電極42に、尖頭印加電力3500Wを印加して、液中にプラズマを発生させ、白金ナノ粒子を生成した。
このとき、パルス波の周波数を300Hzとし、パルス波のDuty比を20%とした。
この比較例においては、液中プラズマ処理装置1に温度測定手段50が接続されていないため、電極42の温度制御は、行っていない。また、パルス波に対するパルス幅変調も行っていない。
<Comparative example>
An in-liquid plasma processing apparatus 1 having the configuration shown in FIG. 1 was prepared. However, the temperature measuring means 50 (the optical fiber 51, the spectroscope 52, and the temperature management device 53) are not connected.
Water was stored in the container 30 as a liquid, and the in-liquid plasma source 40 was immersed in the liquid from above the liquid level.
A peak applied power of 3500 W was applied to the electrode 42 formed using platinum (Pt) to generate plasma in the liquid, thereby generating platinum nanoparticles.
At this time, the frequency of the pulse wave was 300 Hz, and the duty ratio of the pulse wave was 20%.
In this comparative example, since the temperature measuring means 50 is not connected to the in-liquid plasma processing apparatus 1, the temperature control of the electrode 42 is not performed. Also, no pulse width modulation is performed on the pulse wave.

この比較例を実施して得られた白金ナノ粒子の走査型電子顕微鏡写真(SEM像)を、図11に示す。
同図に示すように、生成された粒子は、大半が数μmの巨大粒子であった。
これは、パルス波の周波数が300Hzであり、333.33Hzよりも小さいことから、気泡の消滅により電極42の先端部42−1が液体に接触して温度が急激に低下し、キャビテーション等により巨大粒子が生じたためであるものと考えられる。
なお、粒子生成速度は、1mg/minであった。
A scanning electron micrograph (SEM image) of platinum nanoparticles obtained by carrying out this comparative example is shown in FIG.
As shown in the figure, most of the generated particles were giant particles of several μm.
This is because the frequency of the pulse wave is 300 Hz, which is smaller than 333.33 Hz, the tip portion 42-1 of the electrode 42 comes into contact with the liquid due to the disappearance of the bubbles, and the temperature rapidly decreases. This is thought to be because particles were generated.
The particle generation rate was 1 mg / min.

<実施例1>
図1に示す構成を備えた液中プラズマ処理装置1を用意した。ただし、温度測定手段50(光ファイバ51、分光器52、温度管理装置53)は、接続していない。
容器30内に液体として水を収め、この液面の上方から液中プラズマ源40を当該液体に浸漬した。
白金(Pt)を用いて形成された電極42に、尖頭印加電力3500Wを印加して、液中にプラズマを発生させ、白金ナノ粒子を生成した。
このとき、パルス波の周波数を1kHzとし、パルス波のDuty比を8%とした。
この実施例1においては、液中プラズマ処理装置1に温度測定手段50が接続されていないため、電極42の温度制御は、行っていない。また、パルス波に対するパルス幅変調も行っていない。
<Example 1>
An in-liquid plasma processing apparatus 1 having the configuration shown in FIG. 1 was prepared. However, the temperature measuring means 50 (the optical fiber 51, the spectroscope 52, and the temperature management device 53) are not connected.
Water was stored in the container 30 as a liquid, and the in-liquid plasma source 40 was immersed in the liquid from above the liquid level.
A peak applied power of 3500 W was applied to the electrode 42 formed using platinum (Pt) to generate plasma in the liquid, thereby generating platinum nanoparticles.
At this time, the frequency of the pulse wave was 1 kHz, and the duty ratio of the pulse wave was 8%.
In the first embodiment, since the temperature measuring means 50 is not connected to the in-liquid plasma processing apparatus 1, the temperature control of the electrode 42 is not performed. Also, no pulse width modulation is performed on the pulse wave.

この実施例1を実施して得られた白金ナノ粒子の走査型電子顕微鏡写真(SEM像)を、図12に示す。
同図に示すように、生成された白金ナノ粒子は、粒径が均一化しており、数μmの巨大粒子は、みられなかった。
これは、パルス波の周波数が1kHzであり、333.33Hzよりも高いことから、気泡がある程度の大きさで維持されたために、電極42の先端部42−1が液体に接触しなくなり、キャビテーション等による巨大粒子の生成が生じなかったためであるものと考えられる。
A scanning electron micrograph (SEM image) of the platinum nanoparticles obtained by carrying out Example 1 is shown in FIG.
As shown in the figure, the generated platinum nanoparticles had a uniform particle size, and no giant particles of several μm were observed.
This is because the frequency of the pulse wave is 1 kHz and is higher than 333.33 Hz. Therefore, since the bubbles are maintained at a certain size, the tip portion 42-1 of the electrode 42 does not come into contact with the liquid, cavitation or the like. It is thought that this is because the generation of giant particles did not occur.

ただし、白金ナノ粒子の生成速度は、0.07mg/minであった。この値は、次に説明する実施例2における生成速度と比較して低いものとなった。
これは、パルス波のDuty比を8%で一定とし、パルス幅変調を行わなかったことにより、気泡の大きさが、見かけ上変化せず、一定の大きさで維持されたため、気泡の温度が高い状態で維持し且つ滞留し、蒸発した電極材料が凝縮しないことで、蒸発速度が低下したためであるものと考えられる。
However, the production rate of platinum nanoparticles was 0.07 mg / min. This value was lower than the production rate in Example 2 described below.
This is because the duty ratio of the pulse wave was kept constant at 8%, and the pulse width was not modulated, so that the bubble size did not change apparently and was maintained at a constant size. This is considered to be because the evaporation rate was lowered by maintaining the electrode in a high state and staying, and not condensing the evaporated electrode material.

<実施例2>
図1に示す構成を備えた液中プラズマ処理装置1を用意した。この液中プラズマ処理装置1には、温度測定手段50(光ファイバ51、分光器52、温度管理装置53)を接続した。
容器30内に液体として水を収め、この液面の上方から液中プラズマ源40を当該液体に浸漬した。
白金(Pt)を用いて形成された電極42に、尖頭印加電力3500Wを印加して、液中にプラズマを発生させ、白金ナノ粒子を生成した。
このとき、パルス波の周波数を1kHzとした。また、パルス波の平均Duty比を7.7%、Duty比変動値を7.6%とし、変調周波数100Hzの鋸波によりパルス幅変調を行った。さらに、電極42の温度を測定し、この温度にもとづいて、パルス波電力の平均値を制御して、当該電極42の温度を制御した。
<Example 2>
An in-liquid plasma processing apparatus 1 having the configuration shown in FIG. 1 was prepared. A temperature measuring means 50 (optical fiber 51, spectroscope 52, temperature management device 53) was connected to the in-liquid plasma processing apparatus 1.
Water was stored in the container 30 as a liquid, and the in-liquid plasma source 40 was immersed in the liquid from above the liquid level.
A peak applied power of 3500 W was applied to the electrode 42 formed using platinum (Pt) to generate plasma in the liquid, thereby generating platinum nanoparticles.
At this time, the frequency of the pulse wave was 1 kHz. The average duty ratio of the pulse wave was 7.7%, the duty ratio fluctuation value was 7.6%, and pulse width modulation was performed with a sawtooth wave having a modulation frequency of 100 Hz. Furthermore, the temperature of the electrode 42 was measured, and based on this temperature, the average value of the pulse wave power was controlled to control the temperature of the electrode 42.

この実施例2を実施して得られた白金ナノ粒子の走査型電子顕微鏡写真(SEM像)を、図13に示す。
同図に示すように、生成された白金ナノ粒子は、粒径が均一化しており、数μmの巨大粒子は、みられなかった。
これは、実施例1の場合と同様、パルス波の周波数が1kHzであり、333.33Hzよりも高いことから、気泡がある程度の大きさで維持されたために、電極42の先端部42−1が液体に接触しなくなり、キャビテーション等による巨大粒子の生成が生じなかったためであるものと考えられる。
A scanning electron micrograph (SEM image) of the platinum nanoparticles obtained by carrying out Example 2 is shown in FIG.
As shown in the figure, the generated platinum nanoparticles had a uniform particle size, and no giant particles of several μm were observed.
As in the case of Example 1, the frequency of the pulse wave is 1 kHz, which is higher than 333.33 Hz. Therefore, the bubbles are maintained at a certain size. This is considered to be because the generation of giant particles due to cavitation or the like did not occur due to the loss of contact with the liquid.

また、白金ナノ粒子の生成速度は、0.37mg/minであった。この値は、実施例1における生成速度と比較して高いものとなった。
これは、パルス波に対してパルス幅変調を行ったことにより、気泡が膨張と収縮とを繰り返すようになり、併せて、電極42の温度制御を行ったことにより、電極材料の蒸発速度が上昇したためであるものと考えられる。
Moreover, the production rate of platinum nanoparticles was 0.37 mg / min. This value was higher than the production rate in Example 1.
This is because the bubble is repeatedly expanded and contracted by performing pulse width modulation on the pulse wave, and at the same time, the evaporation rate of the electrode material is increased by controlling the temperature of the electrode 42. This is thought to be due to this.

以上説明したように、本実施形態の液中プラズマ処理装置及び液中プラズマ処理方法によれば、気泡の発生状態が維持されるため、巨大粒子の形成を阻止できる。これにより、ナノ粒子への巨大粒子の混入を防ぐことができるので、ナノ粒子の品質の低下を防止できる。
また、電極の温度を測定し、この測定結果にもとづいて、パルス波のパルス幅変調を行うことにより、ナノ粒子の収量を増加させることができる。
As described above, according to the in-liquid plasma processing apparatus and the in-liquid plasma processing method of the present embodiment, since the bubble generation state is maintained, the formation of giant particles can be prevented. Thereby, since mixing of the giant particle into the nanoparticle can be prevented, deterioration of the quality of the nanoparticle can be prevented.
Further, the yield of nanoparticles can be increased by measuring the temperature of the electrode and performing pulse width modulation of the pulse wave based on the measurement result.

以上、本発明の液中プラズマ処理装置及び液中プラズマ処理方法の好ましい実施形態について説明したが、本発明に係る液中プラズマ処理装置及び液中プラズマ処理方法は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、上述した実施形態では、図1に示すように、マグネトロンボックス、マイクロ波電源、マイクロ波電源コントローラをそれぞれ別構成で示したが、別構成に限るものではなく、これらを一体構成とすることができる。
The preferred embodiments of the in-liquid plasma processing apparatus and the in-liquid plasma processing method of the present invention have been described above. However, the in-liquid plasma processing apparatus and the in-liquid plasma processing method according to the present invention are limited only to the above-described embodiments. It goes without saying that various modifications can be made within the scope of the present invention.
For example, in the above-described embodiment, as shown in FIG. 1, the magnetron box, the microwave power source, and the microwave power source controller are shown in different configurations, but the present invention is not limited to the different configurations, and these are integrated. Can do.

また、上述した実施形態では、容器に収められた液体の液面に対して上方から、その液体内に向かって液中プラズマ源を浸漬させることとしたが、この構成に限るものではなく、例えば、容器の側面に液中プラズマ源を取り付けておき、この容器に液体を投入することで、液中プラズマ源の先端部が液体に浸漬するようにすることもできる。
さらに、上述した実施形態では、本発明の特徴的なパルス波の制御として、[パルス波の周波数の設定]と、[パルス波のパルス幅変調]と、[電極先端部の温度制御]とを挙げたが、これらは、任意に組み合わせて実施することができる。
In the above-described embodiment, the liquid plasma source is immersed in the liquid from above with respect to the liquid level of the liquid stored in the container. However, the present invention is not limited to this configuration. The tip of the plasma source in liquid can be immersed in the liquid by attaching the plasma source in liquid to the side surface of the container and introducing the liquid into the container.
Further, in the above-described embodiment, as the characteristic pulse wave control of the present invention, [frequency setting of pulse wave], [pulse width modulation of pulse wave], and [temperature control of electrode tip] are performed. Although mentioned, these can be implemented in any combination.

本発明は、金属ナノ粒子又は金属担持物を生成する装置に利用可能である。   The present invention can be used in an apparatus for producing metal nanoparticles or a metal support.

1 液中プラズマ処理装置
10 マイクロ波発振器(パルス波出力手段)
13 マイクロ波電源コントローラ(変調部)
30 容器
42 電極
42−1 先端部
50 温度測定手段
51 光ファイバ
52 分光器
53 温度算出装置
1 Plasma treatment equipment in liquid 10 Microwave oscillator (pulse wave output means)
13 Microwave power controller (modulator)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 Container 42 Electrode 42-1 Tip part 50 Temperature measuring means 51 Optical fiber 52 Spectrometer 53 Temperature calculation apparatus

Claims (3)

液体中でプラズマを発生させてナノ粒子を生成する液中プラズマ処理装置であって、
前記液体収めるための容器と、
パルス状マイクロ電力を出力するマイクロ波発振器と、
一部が前記液体に浸漬されるとともに、前記液体中に前記プラズマを発生させるために、前記マイクロ波発振器から出力された前記パルス状マイクロ電力を前記液体に与える電極であって、前記プラズマ中で加熱され蒸発して前記ナノ粒子となる材料で形成された電極とを備え、
加熱により前記液体が気化して気泡が発生している状態を維持するように、前記パルス状マイクロ波電力のパルス周波数を500Hz以上とし、
前記気泡が膨張と収縮を繰り返すように、前記パルス状マイクロ波電力のパルス幅をパルス幅変調により周期的に変化させる変調部を備える
ことを特徴とする液中プラズマ処理装置。
An in-liquid plasma processing apparatus for generating nanoparticles by generating plasma in a liquid,
And because of the container matches the liquid,
A microwave oscillator that outputs pulsed microwave power ; and
Rutotomoni part is immersed in the liquid, in order to generate the plasma in the liquid, an electrode providing the pulsed microwave power output from the microwave oscillator to the liquid, the plasma An electrode formed of a material that is heated and evaporated to become the nanoparticles ,
The pulse frequency of the pulsed microwave power is set to 500 Hz or more so as to maintain the state in which bubbles are generated by vaporization of the liquid by heating ,
A liquid plasma processing apparatus , comprising: a modulation unit that periodically changes a pulse width of the pulsed microwave power by pulse width modulation so that the bubbles repeatedly expand and contract .
一部を液体に浸漬させた電極を介して、パルス状マイクロ波電力を前記液体に与えて、液体中でプラズマを発生させ、前記プラズマ中で前記電極を加熱して蒸発させ、ナノ粒子を生成する液中プラズマ処理方法であって、
加熱により前記液体が気化して気泡が発生している状態を維持するように、前記パルス状マイクロ波電力のパルス周波数を500Hz以上とし、
前記気泡が膨張と収縮を繰り返すように、前記パルス状マイクロ波電力のパルス幅をパルス幅変調により周期的に変化させる
ことを特徴とする液中プラズマ処理方法。
A pulsed microwave power is applied to the liquid through an electrode partially immersed in the liquid to generate plasma in the liquid, and the electrode is heated and evaporated in the plasma to generate nanoparticles. A submerged plasma treatment method comprising:
The pulse frequency of the pulsed microwave power is set to 500 Hz or more so as to maintain the state in which bubbles are generated by vaporization of the liquid by heating ,
The plasma processing method in liquid , wherein the pulse width of the pulsed microwave power is periodically changed by pulse width modulation so that the bubbles repeat expansion and contraction .
前記電極は、前記ナノ粒子として生成する金属を材料として形成されている、The electrode is formed using a metal produced as the nanoparticles as a material,
ことを特徴とする請求項2記載の液中プラズマ処理方法。The in-liquid plasma processing method according to claim 2.
JP2013054705A 2013-03-18 2013-03-18 Liquid plasma processing apparatus and liquid plasma processing method Active JP6202424B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013054705A JP6202424B2 (en) 2013-03-18 2013-03-18 Liquid plasma processing apparatus and liquid plasma processing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013054705A JP6202424B2 (en) 2013-03-18 2013-03-18 Liquid plasma processing apparatus and liquid plasma processing method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014180588A JP2014180588A (en) 2014-09-29
JP6202424B2 true JP6202424B2 (en) 2017-09-27

Family

ID=51699816

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013054705A Active JP6202424B2 (en) 2013-03-18 2013-03-18 Liquid plasma processing apparatus and liquid plasma processing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6202424B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118077316A (en) * 2022-02-24 2024-05-24 株式会社富士 Plasma irradiation apparatus and plasma processing liquid manufacturing method

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7883606B2 (en) * 2003-09-10 2011-02-08 Nahum Parkansky Production of nanoparticles and microparticles
JP3941780B2 (en) * 2004-01-06 2007-07-04 日本電気株式会社 Carbon nanohorn manufacturing apparatus and carbon nanohorn manufacturing method
JP5295485B2 (en) * 2006-02-01 2013-09-18 株式会社栗田製作所 Liquid plasma type treatment liquid purification method and liquid plasma type treatment liquid purification apparatus
JP5283122B2 (en) * 2009-02-12 2013-09-04 国立大学法人東北大学 Method for producing hollow fine particles
JP5472601B2 (en) * 2009-09-11 2014-04-16 国立大学法人北海道大学 In-liquid plasma processing apparatus, metal nanoparticle manufacturing method, and metal carrier manufacturing method
JP5854491B2 (en) * 2011-02-15 2016-02-09 株式会社栗田製作所 Nanoparticle generation method and nanoparticle generation apparatus
EP2711342A4 (en) * 2011-05-17 2014-04-09 Panasonic Corp Plasma generating apparatus and plasma generating method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014180588A (en) 2014-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101319453B1 (en) System and method for treating biological tissue with a plasma gas discharge
Leveille et al. Design and preliminary characterization of a miniature pulsed RF APGD torch with downstream injection of the source of reactive species
Sato et al. Synthesis of nanoparticles of silver and platinum by microwave-induced plasma in liquid
EP0829184B1 (en) Microwave-driven plasma spraying apparatus and method for spraying
US8232729B2 (en) Plasma producing apparatus and method of plasma production
Shirai et al. Influence of liquid temperature on the characteristics of an atmospheric dc glow discharge using a liquid electrode with a miniature helium flow
JP5408605B2 (en) Nanoparticle production apparatus and nanoparticle production method
JP5472601B2 (en) In-liquid plasma processing apparatus, metal nanoparticle manufacturing method, and metal carrier manufacturing method
WO2005098083A2 (en) Miniature microwave plasma torch application and method of use thereof
CN101521151B (en) Microwave plasma processing apparatus
US9532440B2 (en) Method and device for generating a plasma jet
JP6202424B2 (en) Liquid plasma processing apparatus and liquid plasma processing method
KR20140130134A (en) Method for forming conductive film
Prakash et al. Influence of pulse modulation frequency on helium RF atmospheric pressure plasma jet characteristics
JP6244141B2 (en) Plasma generator and use thereof
Horikoshi et al. Microwave-driven in-liquid plasma in chemical and environmental applications. III. Examination of optimum microwave pulse conditions for prolongation of electrode lifetime, and application to dye-contaminated wastewater
JP5390315B2 (en) Metal carrier manufacturing apparatus and metal carrier manufacturing method
JP2006260955A (en) Supercritical fluid plasma generating device and supercritical fluid plasma generating method
JP2003328138A (en) Micro-plasma cvd apparatus
CN113634383A (en) Extreme ultraviolet light source droplet target generation device and method based on electric field force induction
Zhao et al. Discharge characteristics of microwave plasma in ethanol solution
Ragucci et al. Characterization of stability regimes of electrohydrodynamically enhanced atomization
Laroussi et al. Cold atmospheric pressure plasma sources for cancer applications
RU2423318C2 (en) Method of producing fullerene-containing black and device to this end
Zhang et al. Investigation on Continuous and Modulated Microwave Plasma Filaments at Atmospheric Pressure

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160226

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20160226

RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421

Effective date: 20170213

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170216

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170404

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170602

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170725

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170818

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6202424

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250