JP6261100B2

JP6261100B2 - 大気圧誘導結合プラズマ装置

Info

Publication number: JP6261100B2
Application number: JP2016551353A
Authority: JP
Inventors: 隆司岩▲崎▼; 藤本　直也; 直也藤本
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2018-01-17
Anticipated expiration: 2034-09-29
Also published as: WO2016051465A1; JPWO2016051465A1

Description

本開示は大気圧誘導結合プラズマ装置に関し、例えば大気圧誘導結合プラズマ装置のプラズマ着火方法に適用することができる。

誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）の着火のメカニズムは、第一にトーチと呼ばれる円筒状の誘電体等にて構成されたプラズマ発生部のまわりに巻かれたコイルに高周波電力を印加し、発生したコイル電圧によりプラズマガスの絶縁破壊を発生させて初期電子を作り、第二に、コイルに流れる電流から発生した磁界により誘導される電界により加速された初期電子がガスの原子や分子を電離させるα作用を誘発させ、なだれ式に電子の数を増やすことで安定状態に移行することで、プラズマが着火する。

特開平５−２１７６９３号公報

パッシェンの法則によると、平行電極間における火花放電の生じる電圧（Ｖ）はガス圧（ｐ）（密度）と電極の間隔（ｄ）の積の関数となり、大気圧プラズマの場合、低圧プラズマに比べ、ガス密度が高いため初期電子を作り出すためのプラズマガスの絶縁破壊を起こすことは困難である（火花放電の生じる電圧が高くなる）。

本開示の課題は、大気圧誘導結合プラズマ装置においてプラズマ着火がより容易になる技術を提供することにある。

本開示のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、大気圧誘導結合プラズマ装置は、高周波電力を発生させる高周波電源と、前記高周波電源に接続された整合器と、トーチのまわりに巻かれ前記整合器に接続された第一のコイルと、前記第一のコイルに接続された第二のコイルと、前記第一のコイルと前記第二のコイルの接続点とＧＮＤに接続された第一のスイッチと、前記第二のコイルの他方とＧＮＤに接続された第二のスイッチと、前記第一のスイッチ、前記第二のスイッチ、前記高周波電源および前記整合器に接続された制御部と、を備える。プラズマ着火前には、前記第一のスイッチを開放とし、前記第二のスイッチを短絡し、プラズマ着火後には、前記第一のスイッチを短絡とし、前記第二のスイッチを開放とすることで、プラズマ着火前の前記第一のコイルに発生するコイル電圧を高め、プラズマガスの絶縁破壊を起こすようにされる。

上記大気圧誘導結合プラズマ装置によれば、プラズマ着火がより容易にすることができる。

実施の形態に係る大気圧誘導結合プラズマ装置（プラズマ着火前）を説明するための図である。実施の形態に係る大気圧誘導結合プラズマ装置（プラズマ着火後）を説明するための図である。図１の整合器以降の電気的等価回路を示す図である。図２の整合器以降の電気的等価回路を示す図である。誘導結合プラズマ装置を説明するための図である。ガス圧と電極間隔の積と火花電圧の関係を示すパッシェン曲線を示す図である。比較例１に係る誘導結合プラズマ装置を説明するための図である。比較例２に係る誘導結合プラズマ装置を説明するための図である。

以下に、実施の形態および比較例について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

まず、誘導結合プラズマ装置について図５を用いて説明する。誘導結合プラズマ装置０Ｒ１は高周波電力を発生させる高周波電源１と、高周波電源１に接続された整合器２と、プラズマ発生部３と、プラズマ発生部３のまわりに巻かれ整合器２に接続されたコイル５と、高周波電源１および整合器２に接続された制御部９と、を備える。コイル５に高周波電流が流れることにより磁束は発生し、発生した磁束によりプラズマ発生部３内に電界が発生することでプラズマを発生させる。

ここでコイル電圧（コイルに発生する実効電圧）について考察する。
整合器２により整合されている場合、コイル５に印加する高周波の電力をＰとすると、コイル５に発生する実効電圧（Ｖ_Ｌ）は、コイル５のインピーダンス（Ｚ_Ｌ）を用いて下記の式（１）にて表わされる。
Ｖ_Ｌ＝（Ｐ・Ｚ_Ｌ）^１／２[Ｖ] ・・・・・・（１）
コイル５に印加した高周波の周波数をｆとすると、コイル５のインピーダンス（Ｚ_Ｌ）はコイル５のインダクタンス（Ｌ）を用いて下記の式（２）にて表わされる。
Ｚ_Ｌ＝２πｆＬ[Ω] ・・・・・・（２）
式（１）および式（２）より、
Ｖ_Ｌ＝（Ｐ・２πｆＬ）^１／２[Ｖ] ・・・・・・（３）
すなわち、プラズマガスの絶縁破壊を起こすためにコイル５に発生する実効電圧（Ｖ_Ｌ）を大きくするには、式（３）より電力（Ｐ）、周波数（ｆ）、コイル５のインダクタンス（Ｌ）の少なくとも1つを大きくする必要がある。

ここで、パッシェンの法則を用いて、低圧プラズマ（例えば１００Ｐａ）と大気圧プラズマ（０．１ＭＰａ）における放電開始電圧（火花電圧）を比較する。その圧力差は１０００倍であり、平行電極間距離を１．３ｃｍとした場合、図６に示すパッシェン曲線から低圧プラズマの場合のｐｄ積は１（＝１０^０）、大気圧プラズマのｐｄ積は１０００（＝１０^３）である。例えば、Ａｒにて比較するとその火花電圧は、低圧プラズマで１２０Ｖ、大気圧プラズマで２０ｋＶである。なお、誘導結合プラズマ装置の電極は平行電極ではないが、傾向は同様であり、大気圧プラズマの火花電圧は低圧プラズマの火花電圧よりも高く、大気圧プラズマは低圧プラズマよりも着火しづらい。

次に、プラズマ着火を容易にする技術（比較例１、比較例２）について図７および図８を用いて説明する。
図７に示すように、比較例１に係る誘導結合プラズマ装置０Ｒ１は、誘導結合プラズマ装置０Ｒに加えて、高電圧発生器２１および放電部２２を含むイグナイタ２０を備え、イグナイタ２０により初期電子を発生させる。イグナイタ２０を用いる場合は、その放電部２２の一端はＧＮＤに接続されているため、プラズマ発生後でもコイル５と放電部２２のＧＮＤ端にて不要な放電が起こり、プラズマに十分なエネルギーが供給されない問題がある。

図８に示すように、比較例２に係る誘導結合プラズマ装置０Ｒ２は、黒鉛等の着火棒３０をトーチ３に挿入し放電させ初期電子を発生させる。誘導結合プラズマ装置０Ｒ２は、着火棒３０を除いて、誘導結合プラズマ装置０Ｒと同様な構成である。着火棒３０を用いる場合、プラズマ着火後は着火棒３０をプラズマから遠ざける必要があるが、機械的な動作を伴うため時間がかかり、着火棒３０がプラズマ範囲にある間はプラズマ内の電子が着火棒３０に到達することによりプラズマ状態が変化する問題点がある。

さらに比較例１および比較例２のいずれの場合も放電部２２や着火棒３０自体の電極摩耗が生じ、定期的な交換が必要となる問題がある。

実施の形態に係る大気圧誘導結合プラズマ装置について図１および図２を用いて説明する。実施の形態に係る大気圧誘導結合プラズマ装置０は、高周波電力を発生させる高周波電源１と、高周波電源１に接続された整合器２と、プラズマ発生部３と、プラズマ発生部３のまわりに巻かれた第一のコイル５と、高周波電源１および整合器２に接続された制御部９と、を備える。第一のコイル５は整合器２に接続される。さらに大気圧誘導結合プラズマ装置０は、第一のコイル５に接続された第二のコイル６と、第一のコイル５と第二のコイル６の接続点とＧＮＤに接続された第一のスイッチ７と、第二のコイル６の他方とＧＮＤに接続された第二のスイッチ８と、を備える。第一のスイッチ７および第二のスイッチ８は制御部９に接続される。プラズマ発生部３はトーチと呼ばれる円筒状の石英やアルミナ等の誘電体等にて構成され、上部にプラズマガス用入力部を備える。プラズマ発生部３の直径は、例えば３５ｍｍである。高周波電源１の周波数はＩＳＭ（Industry, Science, Medical）の周波数帯を使用するのが好ましく、例えば１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、４０．６８ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ等を使用する。なお、整合器２はメカニカルに構成され、半導体等で構成されるものより応答が遅い。

図１に示すようにプラズマ着火前には、第一のスイッチ７を開放とし、第二のスイッチ８を短絡とすることで、第一のコイル５と第二のコイル６は図３に示す電気的等価回路となる。図２に示すようにプラズマ着火後には、第一のスイッチ７を短絡とし、第二のスイッチ８を開放とすることで、第一のコイル５と第二のコイル６は図４に示す電気的等価回路となる。

ここで、第一のコイル５のインダクタンスをＬ１とし、第二のコイル６のインダクタンスをＬ２とし、プラズマ着火前のインダクタンスをＬｂとし、プラズマ着火後のインダクタンスをＬａとする。図３に示す電気的等価回路から、Ｌｂ＝Ｌ１＋Ｌ２にて表わされ、図４に示す電気的等価回路から、Ｌａ＝Ｌ１にて表わされ、Ｌ１およびＬ２は共に正の値であるために、Ｌｂ＞Ｌａの関係となる。よって、プラズマ着火前のインダクタンス（Ｌｂ）を大きくすることができるので、式（３）より第一のコイル５に発生する実効電圧を高くすることができる。よって、大気圧においてプラズマガスの絶縁破壊が起こしやすくなりプラズマ着火がより容易になる。したがって、大気圧のもとでプラズマ処理を行うことができるので、真空チャンバや真空ポンプ等の装備が必要ない。なお、プラズマ着火後のインダクタンスを高くしたままにすると高周波電源１から見たインピーダンスが高くなってしまい、すなわち高周波電源１とインピーダンスマッチングが取れなくなってしまい電源効率が低下するので、プラズマ着火後のインダクタンスを低くしている。

一般に円筒状コイルのインダクタンスＬは、下記の式（４）にて表わされることが知られている。
Ｌ＝ｋ・μ・ｎ^２・π・ａ^２／ｌｅｎ[Ｈ]・・・・・・（４）
ここで、ｋは長岡係数、μは透磁率、ｎはコイル巻数、ａはコイルの半径、ｌｅｎはコイルの長さである。
式（４）より、プラズマガスの絶縁破壊を起こすための第二のコイル６の効果的な形状は、コイル巻数（ｎ）を増やす、またはコイルの半径（ａ）を大きくする、またはコイルの長さ（ｌｅｎ）を短くする、の少なくとも１つを行えばよい。但し、２ａ／ｌｅｎの値により長岡係数が決定されるので、コイルのインダクタンスが小さくならないようにコイルの半径（ａ）およびコイルの長さ（ｌｅｎ）を決定する必要がある。なお、プラズマ発生部３の直径を大きくするとａも大きくなるが、プラズマ発生部３内のプラズマ強度が中心付近で低下する傾向がある。
さらに式（３）より考察すると、本実施の形態に加え、高周波電源１の電力を大きくしてコイルに印加される電力（Ｐ）を大きくする、または高周波電源１の周波数を高くしてコイルに印加される周波数（ｆ）を高くする、の少なくとも１つを同時に行うことで、より効果的にプラズマガスの絶縁破壊を起こすことが可能となる。

本実施の形態に係る大気圧誘導結合プラズマ装置は、例えば、大気中の汚染物質の分解・除去装置に適用することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。

０・・・大気圧誘導結合プラズマ装置
０Ｒ、０Ｒ１，０Ｒ２・・・誘導結合プラズマ装置
１・・・高周波電源
２・・・整合器
３・・・プラズマ発生部（トーチ）
４・・・プラズマガス用入力部
５・・・第一のコイル
６・・・第二のコイル
７・・・第一のスイッチ
８・・・第二のスイッチ
９・・・制御器
１０・・・プラズマ
２０・・・イグナイタ
２１・・・高電圧発生器
２２・・・放電部
３０・・・着火棒

Claims

高周波電力を発生させる高周波電源と、
前記高周波電源に接続された整合器と、
トーチのまわりに巻かれ前記整合器に接続された第一のコイルと、
前記第一のコイルに接続された第二のコイルと、
前記第一のコイルと前記第二のコイルの接続点とＧＮＤに接続された第一のスイッチと、
前記第二のコイルの他方とＧＮＤに接続された第二のスイッチと、
前記第一のスイッチ、前記第二のスイッチ、前記高周波電源および前記整合器に接続された制御部と、
を備え、
プラズマ着火前には、前記第一のスイッチを開放とし、前記第二のスイッチを短絡し、プラズマ着火後には、前記第一のスイッチを短絡とし、前記第二のスイッチを開放とすることで、プラズマ着火前の前記第一のコイルに発生するコイル電圧を高め、
プラズマ着火後に前記第一のコイルと第二にコイルによるインダクタンスを前記プラズマ着火前より低くし、
且つ、前記プラズマ着火前の前記高周波電源の周波数を前記プラズマ着火後の前記高周波電源の周波数より高くすることで、プラズマガスの絶縁破壊を起こすようにされる大気圧誘導結合プラズマ装置。
高周波電力を発生させる高周波電源と、
前記高周波電源に接続された整合器と、
トーチのまわりに巻かれ前記整合器に接続された第一のコイルと、
前記第一のコイルに接続された第二のコイルと、
前記第一のコイルと前記第二のコイルの接続点とＧＮＤに接続された第一のスイッチと、
前記第二のコイルの他方とＧＮＤに接続された第二のスイッチと、
前記第一のスイッチ、前記第二のスイッチ、前記高周波電源および前記整合器に接続された制御部と、
を備え、
プラズマ着火前には、前記第一のスイッチを開放とし、前記第二のスイッチを短絡し、プラズマ着火後には、前記第一のスイッチを短絡とし、前記第二のスイッチを開放とすることで、プラズマ着火前の前記第一のコイルに発生するコイル電圧を高め、
プラズマ着火後に前記第一のコイルと第二にコイルによるインダクタンスを前記プラズマ着火前より低くし、
且つ、前記プラズマ着火前の前記高周波電源の高周波電力を前記プラズマ着火後の前記高周波電源の高周波電力より大きくすることで、プラズマガスの絶縁破壊を起こすようにされる大気圧誘導結合プラズマ装置。
高周波電力を発生させる高周波電源と、
前記高周波電源に接続された整合器と、
トーチのまわりに巻かれ前記整合器に接続された第一のコイルと、
前記第一のコイルに接続された第二のコイルと、
前記第一のコイルと前記第二のコイルの接続点とＧＮＤに接続された第一のスイッチと、
前記第二のコイルの他方とＧＮＤに接続された第二のスイッチと、
前記第一のスイッチ、前記第二のスイッチ、前記高周波電源および前記整合器に接続された制御部と、
を備え、
プラズマ着火前には、前記第一のスイッチを開放とし、前記第二のスイッチを短絡し、プラズマ着火後には、前記第一のスイッチを短絡とし、前記第二のスイッチを開放とすることで、プラズマ着火前の前記第一のコイルに発生するコイル電圧を高め、
プラズマ着火後に前記第一のコイルと第二にコイルによるインダクタンスを前記プラズマ着火前より低くし、
且つ、前記プラズマ着火前の前記高周波電源の周波数を前記プラズマ着火後の前記高周波電源の周波数より高くすると同時に、前記プラズマ着火前の前記高周波電源の高周波電力を前記プラズマ着火後の前記高周波電源の高周波電力より大きくすることで、プラズマガスの絶縁破壊を起こすようにされる大気圧誘導結合プラズマ装置。
高周波電力を発生させる高周波電源と、
前記高周波電源に接続された整合器と、
トーチのまわりに巻かれ前記整合器に接続された第一のコイルと、
前記第一のコイルに接続された第二のコイルと、
前記第一のコイルと前記第二のコイルの接続点とＧＮＤに接続された第一のスイッチと、
前記第二のコイルの他方とＧＮＤに接続された第二のスイッチと、
前記第一のスイッチ、前記第二のスイッチ、前記高周波電源および前記整合器に接続された制御部と、
を備えた大気圧誘導結合プラズマ装置により大気中の汚染物質の分解・除去する方法であって、
プラズマ着火前には、前記第一のスイッチを開放とし、前記第二のスイッチを短絡し、プラズマ着火後には、前記第一のスイッチを短絡とし、前記第二のスイッチを開放とすることで、プラズマ着火前の前記第一のコイルに発生するコイル電圧を高め、
プラズマ着火後に前記第一のコイルと第二にコイルによるインダクタンスを前記プラズマ着火前より低くし、
且つ、前記プラズマ着火前の前記高周波電源の周波数を前記プラズマ着火後の前記高周波電源の周波数より高くすることで、プラズマガスの絶縁破壊を起こすようにされる大気圧誘導結合プラズマ装置による大気中の汚染物質の分解・除去する方法。