JPH03214600A - マイクロ波熱プラズマ反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高効率で高純度の物質を合成するための、と
《にセラミノクスやダイヤモンドを初めとする新素材の
生成や、新しい応用分野の開拓を目標とする、マイクロ
波熱プラズマ反応装置に関する。

〔従来の技術］ マイクロ波プラズマは、直流や高周波によるプラズマに
比べて、電子密度が高く、反応性も高いと言われながら
、発生領域が非常に限られているために、熱プラズマ反
応には応用されていない。

大気圧下でのマイクロ波熱プラズマ発生法には、幾つか
の報告があるが、発光分光分析用として実験されたにす
ぎず、膜堆積のような工程には適さないと考えられた。

その理由としては、プラズマ炎の安定性と、中心導体の
損傷の問題が、考えられる。これらはいずれも、本発明
の目的である高純度の反応生成物の高速度膜堆積工程に
は適当でない。

Ｃ発明が解決しようとする課題］ 従来の発行分光分析用として開発された装置は、安定か
つ強力なプラズマ炎を発生させることが困難であった。

通常導波管回路からマイクロ波大電力を同輔導波管変換
器を経て、プラズマ発生部に供給する場合に：！、気密
性誘電体窓を導波管部に設けるが、大電力の場合には、
中央の電界最大の付近で絶縁破壊を生ずることが多い。

本発明は、上記問題点にかんがみ、マイクロ波電力を能
率よくプラズマ炎に吸収させ、安定に高純度の反応生成
物を高速度に堆積させることが可能なマイクロ波熱プラ
ズマ反応装置を従供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、同軸管回路を形成するプラズマ発生部、該プ
ラズマ発生部に対し順次同軸導波管変換器、気密性誘電
体窓を経てマイクロ波電力を供給する手段、該プラズマ
発生部に対し円周方向および半径方向に向かってガスを
噴出させてガスを渦巻状態として供給する手段を有し、
供給されたマイクロ波電力によって渦巻状態のガスを電
離してプラズマを発生させ、この上部より反応物質を投
入することを特徴とするマイクロ波熱プラズマ反応装置
である。

本発明では、同軸管回路を形成しているプラズマ発生部
に、導波管回路からマイクロ波電力を供給するのに、同
軸導波管変換器を使用して、能率よく伝送し、プラズマ
部の気密保持には同軸気密性誘電体窓を使用して、マイ
クロ波電圧に対する耐電圧を高め、かつその寸法と材質
を選び、必要ならば内外同軸管に凹凸をつけるなどして
、プラズマ発生部に高電圧が印加されるようにインピー
ダンス整合を行う。

同軸管の特性インピーダンスは数十オームであるが、導
波管では３７０オーム程度となるので、同一電力の場合
、導波管回路の方が電圧は２．５倍程度に高くなり、こ
の点からも同軸部に気密芯を設けたほうが脊利である。

一方同軸部の中間に気密性誘電体窓を設けると、反応生
成物が、徐々にこの誘電体窓上に堆積してきて、特性劣
化や絶縁破壊の原因になる。そのため頻繁にその堆積物
を清掃する必要を生ずる。しかし、この誘電体窓の出力
側にインピーダンス整合用として、導体または誘電体で
つくられる、円板および円環を同軸部の内導体と外導体
に夫々植え込み、直進する反応生成物から窓を保護する
ようにすれば、清掃回数を激減できる。

プラズマの安定性および制御性を増すために、ガス噴出
口はプラズマ発生部の上部に、円周方向並びに半径方向
の、独立した２系統を設ける。プラズマ発生部では内導
体の先端部と、外導体を共に絞って、マイクロ波電界を
この部分で最大にしている。この内導体先端部即ち電極
で、マイクロ波電界６こよりガスが電離してプラズマが
発生する．そして、一旦発生したプラズマは、電極のま
わりに形成される電界に−よって、エネルギーを供給さ
れプラズマ炎が安定に維持される。粉末の反応物質は、
ガス噴出口の下部、プラズマ炎の上部に投入され、プラ
ズマ炎で溶融され又は高温化学反応を起こし、高温状態
で噴出される。

Ｃ作　用〕 導波管回路から供給されるマイクロ波電力は、同輔導波
管変換器によって能率よく同軸管回路に変換され、同軸
状の気密性誘電体でで気密を保持され、かつインピーダ
ンス整合されて、先端の電極部でマイクロ波電界を最大
にする。円周方向並びに半径方向の、２系統のガス噴出
口から、ガスが回転し渦流となって供給されるので、安
定で強力なプラズマが発生し、熔融または蒸発した反応
生成物がチェンバー内に吹きだされる。粉末原料物質を
投入するには、プラズマ炎の上部の投入口を使用する。

同軸回路に挿入される気密性誘電体窓および円板や円環
は夫々入出力側に不連続容量があり、これを同軸管線路
の示すインダクタンスで結んだ等価回路で表示され、そ
れらの値は材質と寸法によって決定される．また、これ
らを結ぶ接続管部はインダクタンス素子と等価で、これ
らが直列に接続された回路は、第２図のように表示され
るから、プラズマ点火時の低インピーダンスに整合させ
るように、各部の材質と寸法を選択する。第２図におい
てＬ１・Ｃ１は気密性誘電体窓、Ｌ２・Ｃ２は円板、Ｌ
３・Ｃ３は円環、１１・１２・ｌ３は接続管部の等価イ
ンダクタンスで、ＺＬはプラズマの示す等価回路である
。

〔実施例） 第１図は、本発明の概略縦断面図を示している．内導体
１と外導体２とで構成されるプラズマ炎発生部は、上部
の同軸導波管変換器３によって、導波管回路（図示せず
）からマイクロ波電力を供給される。同軸導波管変換器
３は、方形導波管３１の中央にり冫ジ３２を設け、同軸
管回路とのインピーダンス整合を行った。図で４は気密
性誘電体窓であり、内導体１と外導体２との間に同軸状
に取りつけられている。マイクロ波電力の出力は内導体
１に植え付けた円板５１と、外導体２に取り付けた円環
５２とで構成されるインピーダンス整合回路によってプ
ラズマ点火時の低インピーダンスに整合させる。

内導体１は銅製でその先端６は尖って、電極となってい
る。

この内導体１の内部には、水管７が通っており、上部の
注水口１８から出水口１９に、冷却水が流されている。

外導体２も銅製でプラズマ発生部に対応する部分８は、
直径が狭められており、マイクロ波電界を集中させて、
ｔＩ！１を容易にしている。

また、この内部には冷却水溜１７を設け、注水口１８１
から出水口１９１へ冷却水を流している。

一方ガスは、プラズマの安定性と制御性を増すために、
円周方向にガス流を生ずるガスの噴出口１２と、半径方
向のガス流を生ずる噴出口１３を、プラズマ発生部上部
の外導体２の壁面周囲に多数設け、ガスに回転と渦を生
じさせる。これらのガスは、注入口１４と１５から独立
して供給される。

方形導波管３１に加えられたＴＥＯＩモードのマイクロ
波電力は、同輔導波管変換器のりッジ３２によって、同
軸のＴＥＭモードに変換され、気密性誘電体窓４を経て
、上記のインピーダンス整合回路を通り、電極６０部分
で最大電圧となり、ガスを電離させてプラズマを発生さ
せる。一旦発生したプラズマ炎９は、電極先端の周囲の
マイクロ波電界Ｃこよって、エネルギーを補給されて継
続し、チェンハ−１０内に噴射される。１ｌはチェンハ
ー壁である。投入口１６・１６１は、それぞれ粉末反応
物質をプラズマ発生部の上部に投入するためのものであ
る。

実施例では、同軸部の内外直径は、それぞれ約２０ｍ、
６０ＩＩＩＩＩ１であり、プラズマ発生部の外導体最小
直径は、約２２ｍｍとした。

周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波電力を印加し、水素
とアルゴンの混合ガスをプラズマ・ガスとして用いた場
合、大気圧下で安定にプラズマを発生・維持し、良質の
物質が反応生成できた。

〔発明の効果〕

従来のマイクロ波熱プラズマ発生装置では、発光分光分
析に使用される程度で、プラズマ炎の安定度などの理由
によって、反応物質の熱プラズマ反応生成には、応用さ
れていなかった。

しかし本発明のマイクロ波熱プラズマ発生装置を使用す
れば、強力なプラズマ炎を安定に発生・維持できるので
、これが可能となった。本発明のマイクロ波熱プラズマ
発生装置の特徴を掲げれば、つぎのようになる。

（１）本発明のマイクロ波熱プラズマ発生装置では、直
流アークジエノトと比較して、堆積物に電極からの不純
物を含みにくい長所がある。

（２）直流アークジェノドや高周波プラズマと比較して
、大気圧純水素プラズマを維持する電力が格段に低い。

即ち、４ＭＨｚの高周波プラズマでは、５　０　０　ｋ
Ｗ以上必要であるのに対して、マイクロ波では、１．８
ｋＷ程度の低電力で十分である。

（３）実験から、マイクロ波熱プラズマ発生装置ではプ
ラズマ中の温度勾配・濃度勾配が、共にかなり小さいと
考えられるので、物質合成に適している。

（４）気密性誘電体窓を同軸回路に設けた結果、絶縁耐
圧が２．５倍程度向上した。

（５）ｉｉｉ極の溶解が殆ど無いから、電極に関する問
題も少ない。

（６）安定なプラズマ炎を長時間発生し、能率よく高純
度の生成物が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の概略縦断面図、第２図は等価
回路の説明図である。 １は内導体、２は外導体、３は同輔導波管変換器、３ｌ
は方形導波管、３２はリフジ、４は気密性誘電体窓、５
１は円板、５２は円環、６は電極、７は水管、８は外導
体の最小直径部、９はプラズマ炎、１０はチェンバー内
部、１１はチェンバーの壁、Ｉ２は円周方向ガス噴出口
、Ｉ３は半径方向ガス噴出口、１４は円周方向ガス流入
口、１５は半径方向ガス流入口、１６・１６１は反応物
質投入口、１７は冷却水溜、１８は冷却水注入口、１９
は冷却水出口。 第 １ 図 第 ２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）同軸管回路を形成するプラズマ発生部、該プラズ
   マ発生部に対し順次同軸導波管変換器、気密性誘電体窓
   を経てマイクロ波電力を供給する手段、該プラズマ発生
   部に対し円周方向および半径方向に向かってガスを噴出
   させてガスを渦巻状態として供給する手段を有し、供給
   されたマイクロ波電力によって渦巻状態のガスを電離し
   てプラズマを発生させ、この上部より反応物質を投入す
   ることを特徴とするマイクロ波熱プラズマ反応装置。