JP6991543B2 - プラズマ生成装置及びこれを用いたプラズマ生成方法 - Google Patents
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Description
そこで、本発明は、高密度かつ長尺なプラズマジェットを生成することができる装置を
提供することを目的とする。
図5では、第2媒質ガスがアルゴンガスである例を示した。
[実施例1~12、比較例1~3]
管状体2としては、外径6mm、内径4mmのガラス管を用いた。第1電極11~第2電極12の長さを表1のように設定した。第3電極13の長さは15mm、第4電極14の長さは45mmであった。各電極としては銅板をガラス管の外表面に周方向全体にわたって延在するように円筒状に巻き付けたものを用いた。第1電極11の先端は管状体2の先端から5mmの位置に配置した。管状体2の長軸方向における第1電極11と第2電極12の間隔は5mm、第2電極12と第3電極13の間隔は15mm以上、第3電極13と第4電極14の間隔は8mmに設定した。第2電極12は高周波高電圧電源に、第4電極14は直流パルス電源に接続した。第1電極11、第3電極13はいずれも接地電位(0V)に接続した。高周波高電圧電源は、アジレント・テクノロジー社製の型番81150Aの高周波信号発生装置とサムウェイ社製の型番T145―5768Bの高周波増幅装置で構成した。直流パルス電源としては、栗田製作所社製の型番MPS―01K01Cの直流パルス電源装置を用いた。
比較例4で製造したプラズマ生成装置100の平面図を図9に示す。管状体2としては、外径6mm、内径4mmのガラス管を用いた。先端側電極31の長さL31を45mm、後端側電極32の長さL32を15mmとした。各電極としては、銅板をガラス管の外表面に周方向全体にわたって延在するように円筒状に巻き付けたものを用いた。先端側電極31の先端は、管状体2の先端から4mmの位置に配置した。管状体2の長軸方向における先端側電極31と後端側電極32の間隔(D5)は8mmに設定した。先端側電極31は直流パルス電源8に接続し、後端側電極32は接地電位(0V)に接続した。直流パルス電源8は、エヌエフ回路設計ブロック社製の型番WF1974の電圧波形発生装置とエヌエフ回路設計ブロック社製の型番HVA4321の電圧増幅装置で構成した。
表1に示すプラズマ生成装置1について、上述したプラズマ生成方法の第1の生成方法(ステップA~F)に従って、第1電極11および第2電極12によりプラズマを生成した。第2電極12への印加電圧を1.77kV(ピークピーク値)、第2媒質ガスをアルゴンガス、第2媒質ガスの流量を3L/minとして、第1電極11と第2電極12の長さを変化させたときの第1電極11の長さ/第2電極12の長さ(L1/L2)とジェット長の関係を求めた。結果を表1および図10に示す。L1/L2が1の場合と比較して、L1/L2が1未満の場合にはジェット長が大きくなる。このようにL1をL2よりも短くすることによって、長尺なプラズマジェットを生成することができた。
実施例6~7、9、比較例2で製造したプラズマ生成装置1について、上述したプラズマ生成方法の第1の生成方法(ステップA~F)に従って、第1電極11および第2電極12によりプラズマを生成した。第2電極12への印加電圧(ピークピーク値)に対するジェット長の変化を測定した。結果を表2および図11に示す。
実施例7で製造したプラズマ生成装置について、上述したプラズマ生成方法の第1の生成方法(ステップA~F)に従って、第1電極11および第2電極12によりプラズマを生成した。このとき、第2媒質ガスとしては3L/minのアルゴンガスを用いた。また、比較例4で製造した従来型の低周波プラズマジェット生成装置について、媒質ガスとして5L/minのヘリウムガスを用いて、プラズマを生成した。実施例7、比較例4で製造したプラズマ生成装置で生成したプラズマについて、NUシステム社製の真空紫外線源(型番DPLS―NU)と分光器(型番VUV-NU)を用いて真空紫外吸収分光法により、原子状酸素密度を測定した。従来型の低周波プラズマジェット生成装置は、直流パルス電源の周波数5kHz、印加電圧10kVのときに原子状酸素密度は9.8×1012cm-3、これに対して、実施例7のプラズマ生成装置において、高周波高電圧電源の周波数13.56MHz、印加電圧3kVのときに原子状酸素密度は9.3×1014cm-3であった。また、アルゴンガス3L/minに水素ガス9sccm(1.521×10-3Pa・m3/sec)を微量添加し、水素原子からの発光スペクトル線を分光器(マクファーソン社製、型番2035)で測定し、そのスペクトル線のシュタルク広がりを用いて電子密度を測定した。実施例7のプラズマ生成装置において、周波数80MHzのときに電子密度は7×1013cm-3であった。
実施例7で製造したプラズマ生成装置について、上述したプラズマ生成方法の第1の生成方法(ステップA~F)に従って、第1電極11および第2電極12によりプラズマを生成した。高周波高電圧電源の周波数を13.56MHz、印加電圧を2.6kV(ピークピーク値)として、第2媒質ガスであるアルゴンガスの流量を変化させたときのジェット長の変化を測定した。結果を表3および図12に示す。
2:管状体
5:ガス供給部
7:高周波高電圧電源
8:直流パルス電源
11:第1電極
12:第2電極
13:第3電極
14:第4電極
20:プラズマ
21:プラズマジェット
31:従来のプラズマ生成装置の先端側電極
32:従来のプラズマ生成装置の後端側電極
L1:第1電極の長さ
L2:第2電極の長さ
L3:第3電極の長さ
L4:第4電極の長さ
L31:先端側電極の長さ
L32:後端側電極の長さ
100:従来のプラズマ生成装置
Claims (10)
- 先端と後端を有しており、前記先端側からプラズマを噴出させるための管状体と、
前記管状体に接続されて、前記管状体内に媒質ガスを供給するガス供給部と、
前記管状体の外表面に設けられ、接地電位を含む定電位に接続されている第1電極と、
前記管状体の外表面であって前記第1電極の後端よりも後方に設けられ、100kHz以上の高周波電位が印加される第2電極と、を有し、
前記第1電極と前記第2電極はそれぞれ環状に形成されており、
前記管状体の長軸方向において、前記第1電極の長さL1が前記第2電極の長さL2よりも短く、
前記管状体内には電極が配置されていないことを特徴とするプラズマ生成装置。 - 前記第2電極の長さL2に対する前記第1電極の長さL1の比率(L1/L2)が0.8以下である請求項1に記載のプラズマ生成装置。
- 前記管状体の長軸方向において、前記第1電極の長さL1が0.5mm以上50mm以下である請求項1または2に記載のプラズマ生成装置。
- 前記管状体の長軸方向において、前記第1電極の後端から前記第2電極の先端までの長さが、前記第1電極の長さの0.1倍以上である請求項1~3のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
- 前記管状体の長軸方向における前記第2電極の長さL2が、前記管状体の外径の1倍以上の長さである請求項1~4のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
- 前記第1電極の先端が、前記管状体の先端から20mm以内の領域に設けられている請求項1~5のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
- 前記第1電極の外表面および前記第2電極の外表面が絶縁体により被覆されている請求項1~6のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
- 前記管状体の外表面であって前記第2電極の後端よりも後方に設けられ、接地電位を含む定電位に接続されている第3電極と、
前記管状体の外表面であって前記第3電極の後端よりも後方に設けられ、直流パルス電位または低周波電位が印加される第4電極と、を有する請求項1~7のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。 - 請求項8に記載のプラズマ生成装置を用いて、前記管状体の前記先端からプラズマを噴出させる方法であって、
第1媒質ガスを前記管状体内に供給するステップAと、
前記第4電極に直流パルス電位または低周波電位を印加するステップBと、
さらに第2媒質ガスを前記管状体内に供給するステップCと、
前記第1媒質ガスの供給を停止するステップDと、
前記第2電極に高周波電位を印加するステップEと、
前記第4電極への直流パルス電位または低周波電位の印加を解除するステップFと、を有するプラズマ生成方法。 - 前記第1媒質ガスがヘリウムガス、アルゴンガス、またはヘリウムとアルゴンの混合ガスであり、前記第2媒質ガスがアルゴンガスである請求項9に記載のプラズマ生成方法。
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