JPH0395899A - マイクロ波プラズマ発生装置 - Google Patents
マイクロ波プラズマ発生装置Info
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- JPH0395899A JPH0395899A JP1231741A JP23174189A JPH0395899A JP H0395899 A JPH0395899 A JP H0395899A JP 1231741 A JP1231741 A JP 1231741A JP 23174189 A JP23174189 A JP 23174189A JP H0395899 A JPH0395899 A JP H0395899A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
- H01J37/32192—Microwave generated discharge
- H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
- H01J37/32229—Waveguides
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
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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。
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〕
本発明はマイクロ波電力を用いたプラズマ発生装置に係
り、特に、プラズマ極微量元素分析装置、プラズマ“ジ
ェット、プラズマプロセシング等に採用して好適な高温
、高密度のプラズマを安定して生成するマイηロ波プラ
ズマ発生装置に関する。
り、特に、プラズマ極微量元素分析装置、プラズマ“ジ
ェット、プラズマプロセシング等に採用して好適な高温
、高密度のプラズマを安定して生成するマイηロ波プラ
ズマ発生装置に関する。
従来のマイクロ波電力を用いたプラズマ極微量元素分析
装置におけるプラズマ発生装置は、第６図に示すように
、スペクトルケミカ・アクタ（Ｓ ｐｅｃｔｒｏｃｈｉ
ｍｉｃａ Ａｃｔａ） ，第３７Ｂ巻、Ｎｏ． ７ ，
５８３−５９２頁、１９８２において論じられている。
装置におけるプラズマ発生装置は、第６図に示すように
、スペクトルケミカ・アクタ（Ｓ ｐｅｃｔｒｏｃｈｉ
ｍｉｃａ Ａｃｔａ） ，第３７Ｂ巻、Ｎｏ． ７ ，
５８３−５９２頁、１９８２において論じられている。
第６図において、１はマイクロ波同軸ケーブル用コネク
タ、２はマイクロ波カツプラ、３はギャップ（ｇ）調節
系、４は薄板、５はキャビティ長調節系、６はキャビテ
イ，７は放電管、８はガス状試料とプラズマガスとの混
合ガス，９は冷却用空気入口を示す。
タ、２はマイクロ波カツプラ、３はギャップ（ｇ）調節
系、４は薄板、５はキャビティ長調節系、６はキャビテ
イ，７は放電管、８はガス状試料とプラズマガスとの混
合ガス，９は冷却用空気入口を示す。
上記従来技術は、液状試料の分析については考慮されて
おらず、分析試料に制限があり試料の導入効率とそのイ
オン化効率などに問題があった。
おらず、分析試料に制限があり試料の導入効率とそのイ
オン化効率などに問題があった。
さらに、マイクロ波電力のリークやプラズマの安定性な
どについても問題があった。
どについても問題があった。
すなわち，第６図から明らかなように，プラズマ生成用
のマイクロ波電力を同軸ケーブルを用いてキャビティ６
に供給する構造であるので、その電力は最大０．５ｋＷ
以下に制限され、液状の試料の直接分析が不可能なこと
、さらに、同軸ケーブルでの電力損失も大きく、カップ
ラ２などの構造や調整が複雑で、マイクロ波電力の利用
率が低く、このため試料のイオン化率も低く、分析感度
にも問題があった。
のマイクロ波電力を同軸ケーブルを用いてキャビティ６
に供給する構造であるので、その電力は最大０．５ｋＷ
以下に制限され、液状の試料の直接分析が不可能なこと
、さらに、同軸ケーブルでの電力損失も大きく、カップ
ラ２などの構造や調整が複雑で、マイクロ波電力の利用
率が低く、このため試料のイオン化率も低く、分析感度
にも問題があった。
また、マイクロ波電力も薄板４に設けた開口等からリー
クするため信号／雑音比の低下のみならず安全面からも
問題があった。さらに、放電管７等を冷却するために導
入した空気が薄板４に設けた開口から流出するため、放
電管７の先端から噴出するプラズマが不安定になり、発
光分析や質量分析が高感度で安定に行えないなどの問題
があった。
クするため信号／雑音比の低下のみならず安全面からも
問題があった。さらに、放電管７等を冷却するために導
入した空気が薄板４に設けた開口から流出するため、放
電管７の先端から噴出するプラズマが不安定になり、発
光分析や質量分析が高感度で安定に行えないなどの問題
があった。
本発明の目的は、従来技術での上記した諸問題を解決し
た高性能のマイクロ波プラズマ発生装置を提供すること
にある。
た高性能のマイクロ波プラズマ発生装置を提供すること
にある。
上記目的を達成するために、本発明請求項１では、マイ
クロ波電力を供給する開口端とこの開口端と向き合う短
絡端を有する偏平導波管に、円筒状同軸導波管をその中
心軸が上記短絡端より１７４波長の位置にあって電界方
向を向くように結合し、この同軸導波管の下端は偏平導
波管の底面壁にあけた孔に結合し上端は開口し、外導体
の下端は上記底面壁と対向する上記偏平導波管の上面壁
にあけた孔に結合し上端は内導体の上端より上方位置に
あって導電性エンドプレートで短銘され、絶縁性の放電
管を内導体の内径部を経て先端が上記エンドプレートの
中心部にあけた孔を貫通するように設置してその後端部
からプラズマガスを導入するとともに前記放電管を冷却
する構或とする。
クロ波電力を供給する開口端とこの開口端と向き合う短
絡端を有する偏平導波管に、円筒状同軸導波管をその中
心軸が上記短絡端より１７４波長の位置にあって電界方
向を向くように結合し、この同軸導波管の下端は偏平導
波管の底面壁にあけた孔に結合し上端は開口し、外導体
の下端は上記底面壁と対向する上記偏平導波管の上面壁
にあけた孔に結合し上端は内導体の上端より上方位置に
あって導電性エンドプレートで短銘され、絶縁性の放電
管を内導体の内径部を経て先端が上記エンドプレートの
中心部にあけた孔を貫通するように設置してその後端部
からプラズマガスを導入するとともに前記放電管を冷却
する構或とする。
また本発明請求項２では、上記構成で放電管の後端部の
外側に冷却気体導入系を追加設置し、この冷却気体を内
導体の内径部を経て外導体の円筒状空胴部に送り込み、
外導体の外周壁にあけた複数個の放出口を介して外部に
放出させる構成とする。
外側に冷却気体導入系を追加設置し、この冷却気体を内
導体の内径部を経て外導体の円筒状空胴部に送り込み、
外導体の外周壁にあけた複数個の放出口を介して外部に
放出させる構成とする。
さらに、本発明請求項３では、上記請求項ｌ乃至２の構
或にマイクロ波リーク調整系を追加し、放電管の後端部
を囲むように内導体の下端面下方に設け，かつ、前記冷
却気体導入系を含めた軸方向長さを使用マイクロ波の少
なくとも１／４波長となるように構或する。
或にマイクロ波リーク調整系を追加し、放電管の後端部
を囲むように内導体の下端面下方に設け，かつ、前記冷
却気体導入系を含めた軸方向長さを使用マイクロ波の少
なくとも１／４波長となるように構或する。
さらに、本発明請求項４では、上記外導体の軸方向長さ
を使用マイクロ波の少なくとも１／４波長となるように
構成し、請求項５では、内導体と外導体の先端間距離を
任意に調整できる構成とし、請求項６では外導体エンド
プレートの放電管貫通孔の周辺部の厚さをその外側部分
の厚さより薄くする構或とし、請求項７では、放電管内
部を減圧する排気系を設ける構成とし、請求項８では、
放電管の先端部の内径を末広がりのテーパ状にする構成
とし、請求項９では放電管を二重管構造として内管に試
料を外管にプラズマガスを導入する構成とし、請求項１
０では、放電管の先端部の外周に冷却系を設ける構或と
し、請求項１１では偏平導波管の発熱な外部に取り去っ
て温度上昇を低く抑える冷却フィンを外壁部に取り付け
る構成とする。
を使用マイクロ波の少なくとも１／４波長となるように
構成し、請求項５では、内導体と外導体の先端間距離を
任意に調整できる構成とし、請求項６では外導体エンド
プレートの放電管貫通孔の周辺部の厚さをその外側部分
の厚さより薄くする構或とし、請求項７では、放電管内
部を減圧する排気系を設ける構成とし、請求項８では、
放電管の先端部の内径を末広がりのテーパ状にする構成
とし、請求項９では放電管を二重管構造として内管に試
料を外管にプラズマガスを導入する構成とし、請求項１
０では、放電管の先端部の外周に冷却系を設ける構或と
し、請求項１１では偏平導波管の発熱な外部に取り去っ
て温度上昇を低く抑える冷却フィンを外壁部に取り付け
る構成とする。
偏平導波管に、円筒状同軸導波管をその中心軸が偏平導
波管の短絡端より１／４波長の位置にあって電界方向を
向くように結合したことにより、この間輔導波管はモー
ド変換器として効率よく動作し、これによって全て導波
管でマイクロ波のモード変換器を構或でき、大電力（Ｑ
．５ｋＷ以上）のマイクロ波を用いることができるよう
になるとともに、放電管中にプラズマを効率よく発生で
き、液体試料の直接分析も高感度で行うことが可能とな
る。
波管の短絡端より１／４波長の位置にあって電界方向を
向くように結合したことにより、この間輔導波管はモー
ド変換器として効率よく動作し、これによって全て導波
管でマイクロ波のモード変換器を構或でき、大電力（Ｑ
．５ｋＷ以上）のマイクロ波を用いることができるよう
になるとともに、放電管中にプラズマを効率よく発生で
き、液体試料の直接分析も高感度で行うことが可能とな
る。
また，冷却気体導入系を設け、導入された冷却気体を外
導体の円筒壁にあけた放出口を介して外部に放出させる
構或は、放電管などを効率よく冷却するとともにプラズ
マが安定になるように動作する。すなわち、放電管後端
部の外周側から導入した冷却剤（空気など）はラセン状
に回転しながら放電管などの表面を効率よく冷却し、さ
らに、外導体の空胴部に送り込まれ、外導体の円筒壁に
あけた複数個の放出口から径方向に放出されるようにな
るので、放電管中に生戒したプラズマが冷却剤の乱流に
よってじよう乱を受けることなく安定に軸方向に拡散さ
せることができ、分析装置に使用すると高感度の発光分
析や質量分析ができる。
導体の円筒壁にあけた放出口を介して外部に放出させる
構或は、放電管などを効率よく冷却するとともにプラズ
マが安定になるように動作する。すなわち、放電管後端
部の外周側から導入した冷却剤（空気など）はラセン状
に回転しながら放電管などの表面を効率よく冷却し、さ
らに、外導体の空胴部に送り込まれ、外導体の円筒壁に
あけた複数個の放出口から径方向に放出されるようにな
るので、放電管中に生戒したプラズマが冷却剤の乱流に
よってじよう乱を受けることなく安定に軸方向に拡散さ
せることができ、分析装置に使用すると高感度の発光分
析や質量分析ができる。
一方、プラズマジェットに使用すれば大きな推進力を得
ることができる。
ることができる。
さらに，マイクロ波リーク調整系を内導体の下端面下方
に設け、冷却気体導入系を含めた軸方向長さを使用マイ
クロ波の少なくとも１７４波長として冷却気体導入系の
下端がマイクロ波の定在波の節となるようにする構戒は
、マイクロ波電力が同軸導波管モード変換器から外部へ
リークするのを低減するように動作する。これによって
，電波障害が低減され、安全で、高効率のプラズマ発生
装置とすることができ高感度の分析などができる。
に設け、冷却気体導入系を含めた軸方向長さを使用マイ
クロ波の少なくとも１７４波長として冷却気体導入系の
下端がマイクロ波の定在波の節となるようにする構戒は
、マイクロ波電力が同軸導波管モード変換器から外部へ
リークするのを低減するように動作する。これによって
，電波障害が低減され、安全で、高効率のプラズマ発生
装置とすることができ高感度の分析などができる。
さらに、請求項４乃至１１の構或とすることにより、プ
ラズマの発生効率，生成したプラズマの安定性、安全性
をより向上させることができるようになるが、個々の構
或による作用については、次の実施例の説明中で詳述す
る。
ラズマの発生効率，生成したプラズマの安定性、安全性
をより向上させることができるようになるが、個々の構
或による作用については、次の実施例の説明中で詳述す
る。
以下、図面により本発明の実施例を説明する。
第１図は本発明の一実施例のマイクロ波プラズマ発生装
置の平面図とそのＸ−Ｘ線断面図である。
置の平面図とそのＸ−Ｘ線断面図である。
第工図において、１０は銅などの導電体から戊る偏平導
波管で、ａはその短辺の寸法、ｂは長辺の寸法、Ｃは長
さ方向の寸法を示し，具体的な数値例を挙げると、使用
マイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚのとき、ａ，ｂ，Ｑ
はそれぞれ８．４ｍｍ，１０９ ． ２ｍｍ， ８ ７
ｍｍである。マイクロ波電力はこの偏平導波管ｌ○の開
口端から導入され、この開口端と向き合う終端側は短絡
端となっている。
波管で、ａはその短辺の寸法、ｂは長辺の寸法、Ｃは長
さ方向の寸法を示し，具体的な数値例を挙げると、使用
マイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚのとき、ａ，ｂ，Ｑ
はそれぞれ８．４ｍｍ，１０９ ． ２ｍｍ， ８ ７
ｍｍである。マイクロ波電力はこの偏平導波管ｌ○の開
口端から導入され、この開口端と向き合う終端側は短絡
端となっている。
この短終端より管内寸法にしてマイクロ波の１／４波長
だけ離れた位置を中心軸とする円筒状同軸導波管が、そ
の中心軸が電界方向を向くように、偏平導波管１０に結
合される。すなわち、銅などから成るドアノブ状などの
内導体２０と、同じく銅などから或る外導体５０とで円
筒状同軸導波管を構或し、その中心軸が、偏平導波管１
０の短絡端より１／４波長離れた（図示ｄ距離）位置に
あって電界方向を向くように、配置される。配置構或を
詳述すると、内導体２０は、内径側に円筒状の空胴部２
工を有し、下端は偏平導波管１０の底面壁にあけた孔部
において偏平導波管１０と結合し上端は開口状態のまま
とし、外導体５０は、その下端は上記底面壁と対向する
上記偏平導波管１０の上面壁にあけた孔部において偏平
導波管１０と結合し、上端は、内導体２０の上端より距
離Ｑだけ上方位置にあって、銅などから成るエンドプレ
ート６０によって短絡する。内導体２０及び外導体５０
の偏平導波管１０への結合構造を上記のようにしたこと
により、この内導体２０と外導体５０で構成される円筒
状同軸導波管は、偏平導波管１０に導入されるマイクロ
波のモード変換器として機能する。そして、石英あるい
はセラミックスなどの絶縁性の放電管８０が、同軸導波
管と同心状に、後端部は内導体２ｏの下端から下方に突
出し、先端部は内導体２０の開口端を経て、外導体５０
のエンドプレート６０にあけた貫通孔〔第２図（ａ），
（ｂ）に６２として示す〕を通って上方に突出するよう
に配置される。ここで、エンドプレート６０は、上記放
電管貫通孔６２の周辺部６１の厚さを、貫通孔６２と同
心状に、その外側の厚さより薄くしてある。３０はマイ
クロ波リーク調整系で、円筒状空胴を備えており，放電
管８０の後端部を包囲するように内導体２０の下端面の
下方に取り付けられる。４０は銅などから成る冷却気体
導入系で、放電管８０や内導体２０などを冷却するため
のもので、マイクロ波リーク調整系３０の下方に設けら
れ、冷却剤（空気など）が放電管８０の表面に沿ってラ
セン状に輸送されるよう、導入パイプ４ｌを介して円周
接線方向に冷却剤を導入し、この導入された冷却剤を内
導体２０の内径部を経て外導体５０の円筒状空胴部に送
り込み、外導体５０の外周壁にあけた複数個（例えば円
周をｌ６等分する位置の工６個所）の放出口７０から外
部に放出させる。なお、第１図実施例は、元素分析用の
プラズマ発生装置を例に採っているので、放電管８０を
二重管構造とし、内管８１に分析試料を，外管部にプラ
ズマガス（Ｈｅ， Ｎ２， Ａｒなど）を導入する構或
としてある．以上の構或において、外導体５０の軸方向
長さｅが使用マイクロ波の少なくとも１／４波長１ （ｅ＞ 一λ，λ：使用マイクロ波の波長）となる４ ように設定すると共に内導体２０の先端とエンドプレー
ト６０とのギャップがＱ（通常悲＝１〜２０ｍｍ）にな
るように設定し、さらに、偏平導波管１０の底面壁から
冷却気体導入系４０の最下端面までの寸法ｆが使用マイ
クロ波の少なくとも１ １／４波長Ｃｆ＞−４）となるように設定し，４ エンドプレート６０の位置及び冷却気体導入系４０の最
下端位置でそれぞれマイクロ波の定在波の腹及び節にな
るようにすると、偏平導波管１０の開口端から導入した
マイクロ波電力は、放電管８０中のプラズマに効率よく
吸収されるとともに、反射はなくなり、リーク電力も大
幅に低減でき、高温高密度のプラズマを安定に保持する
ことができる。
だけ離れた位置を中心軸とする円筒状同軸導波管が、そ
の中心軸が電界方向を向くように、偏平導波管１０に結
合される。すなわち、銅などから成るドアノブ状などの
内導体２０と、同じく銅などから或る外導体５０とで円
筒状同軸導波管を構或し、その中心軸が、偏平導波管１
０の短絡端より１／４波長離れた（図示ｄ距離）位置に
あって電界方向を向くように、配置される。配置構或を
詳述すると、内導体２０は、内径側に円筒状の空胴部２
工を有し、下端は偏平導波管１０の底面壁にあけた孔部
において偏平導波管１０と結合し上端は開口状態のまま
とし、外導体５０は、その下端は上記底面壁と対向する
上記偏平導波管１０の上面壁にあけた孔部において偏平
導波管１０と結合し、上端は、内導体２０の上端より距
離Ｑだけ上方位置にあって、銅などから成るエンドプレ
ート６０によって短絡する。内導体２０及び外導体５０
の偏平導波管１０への結合構造を上記のようにしたこと
により、この内導体２０と外導体５０で構成される円筒
状同軸導波管は、偏平導波管１０に導入されるマイクロ
波のモード変換器として機能する。そして、石英あるい
はセラミックスなどの絶縁性の放電管８０が、同軸導波
管と同心状に、後端部は内導体２ｏの下端から下方に突
出し、先端部は内導体２０の開口端を経て、外導体５０
のエンドプレート６０にあけた貫通孔〔第２図（ａ），
（ｂ）に６２として示す〕を通って上方に突出するよう
に配置される。ここで、エンドプレート６０は、上記放
電管貫通孔６２の周辺部６１の厚さを、貫通孔６２と同
心状に、その外側の厚さより薄くしてある。３０はマイ
クロ波リーク調整系で、円筒状空胴を備えており，放電
管８０の後端部を包囲するように内導体２０の下端面の
下方に取り付けられる。４０は銅などから成る冷却気体
導入系で、放電管８０や内導体２０などを冷却するため
のもので、マイクロ波リーク調整系３０の下方に設けら
れ、冷却剤（空気など）が放電管８０の表面に沿ってラ
セン状に輸送されるよう、導入パイプ４ｌを介して円周
接線方向に冷却剤を導入し、この導入された冷却剤を内
導体２０の内径部を経て外導体５０の円筒状空胴部に送
り込み、外導体５０の外周壁にあけた複数個（例えば円
周をｌ６等分する位置の工６個所）の放出口７０から外
部に放出させる。なお、第１図実施例は、元素分析用の
プラズマ発生装置を例に採っているので、放電管８０を
二重管構造とし、内管８１に分析試料を，外管部にプラ
ズマガス（Ｈｅ， Ｎ２， Ａｒなど）を導入する構或
としてある．以上の構或において、外導体５０の軸方向
長さｅが使用マイクロ波の少なくとも１／４波長１ （ｅ＞ 一λ，λ：使用マイクロ波の波長）となる４ ように設定すると共に内導体２０の先端とエンドプレー
ト６０とのギャップがＱ（通常悲＝１〜２０ｍｍ）にな
るように設定し、さらに、偏平導波管１０の底面壁から
冷却気体導入系４０の最下端面までの寸法ｆが使用マイ
クロ波の少なくとも１ １／４波長Ｃｆ＞−４）となるように設定し，４ エンドプレート６０の位置及び冷却気体導入系４０の最
下端位置でそれぞれマイクロ波の定在波の腹及び節にな
るようにすると、偏平導波管１０の開口端から導入した
マイクロ波電力は、放電管８０中のプラズマに効率よく
吸収されるとともに、反射はなくなり、リーク電力も大
幅に低減でき、高温高密度のプラズマを安定に保持する
ことができる。
この場合、マイクロ波電力を導入する偏平導波管とその
モード変換器とを全て導波管で構威しているので、０．
５ｋＷ以上の大電力のマイクロ波を用いることができ、
液体試料の直接分析なども高感度で行うことが可能とな
る。さらに、冷却気体導入系により放電管などが効率よ
く冷却でき、冷却剤は放出口を介して径方向に外部へ放
出する構或であるので、放電管中に生成したプラズマは
安定に軸方向に拡散され、高感度の発光分析や質量分析
などが可能となる。また、マイクロ波りーク調整系を設
けて冷却気体導入系を含めた軸方向長さをマイクロ波の
少なくとも１／４波長とすることにより、マイクロ波電
力の外部へのリークを低減し、電波障害の問題を解決し
、安全性の高い装置とすることができる。
モード変換器とを全て導波管で構威しているので、０．
５ｋＷ以上の大電力のマイクロ波を用いることができ、
液体試料の直接分析なども高感度で行うことが可能とな
る。さらに、冷却気体導入系により放電管などが効率よ
く冷却でき、冷却剤は放出口を介して径方向に外部へ放
出する構或であるので、放電管中に生成したプラズマは
安定に軸方向に拡散され、高感度の発光分析や質量分析
などが可能となる。また、マイクロ波りーク調整系を設
けて冷却気体導入系を含めた軸方向長さをマイクロ波の
少なくとも１／４波長とすることにより、マイクロ波電
力の外部へのリークを低減し、電波障害の問題を解決し
、安全性の高い装置とすることができる。
なお、上記構或において、上記内導体２０はその先端に
ヘリカル状の導体コイル（０．５〜５ターン、内径上記
内導体空胴部２ｌに同じ）を設け、その先端を上記エン
ドプレート６０に接続する構或でもよく、限定するもの
ではない。
ヘリカル状の導体コイル（０．５〜５ターン、内径上記
内導体空胴部２ｌに同じ）を設け、その先端を上記エン
ドプレート６０に接続する構或でもよく、限定するもの
ではない。
第２図（ａ），（ｂ）は第ｌ図実施例における外導体部
の別の実施例を示す。（ａ）は外導体の軸方向の長さｅ
、を可変に微調節する構成としたもので、外導体５ｏの
上部に銅などから或る第２の外導体５ｌを設け、この第
２の外導体５１が軸方向に摺動移動できるように外導体
５０の外径と第２の外導体５工の内径とを決めて、ｅ１
が設定長さとなった位置で、固定ネジ５２によって両者
を固定する。なお、６０はエンドプレート、６２は放電
管貫通孔、７０は冷却気体放出口で、これらは第１図実
施例の場合と同じ機能をもつが、いずれも第２の外導体
５１に設けられる。一方、（ｂ）は冷却気体放出口７０
から放出された冷却気体によってプラズマが不安定にな
らないように、冷却気体の放出方向を径方向からさらに
直角だけ下方に向けさせる冷却気体方向調整系６３を設
けた場合を示す。
の別の実施例を示す。（ａ）は外導体の軸方向の長さｅ
、を可変に微調節する構成としたもので、外導体５ｏの
上部に銅などから或る第２の外導体５ｌを設け、この第
２の外導体５１が軸方向に摺動移動できるように外導体
５０の外径と第２の外導体５工の内径とを決めて、ｅ１
が設定長さとなった位置で、固定ネジ５２によって両者
を固定する。なお、６０はエンドプレート、６２は放電
管貫通孔、７０は冷却気体放出口で、これらは第１図実
施例の場合と同じ機能をもつが、いずれも第２の外導体
５１に設けられる。一方、（ｂ）は冷却気体放出口７０
から放出された冷却気体によってプラズマが不安定にな
らないように、冷却気体の放出方向を径方向からさらに
直角だけ下方に向けさせる冷却気体方向調整系６３を設
けた場合を示す。
第３図は、例えば宇宙におけるプラズマジェット推進や
プラズマプロセシング（半導体デバイスの薄膜形成や１
ツチングなど）に適用するのに好適な、放電管８０の内
部を減圧してプラズマを生或する実施例断面図である。
プラズマプロセシング（半導体デバイスの薄膜形成や１
ツチングなど）に適用するのに好適な、放電管８０の内
部を減圧してプラズマを生或する実施例断面図である。
ここで、１１０はＩＩ Ｏ ｕリングなどの真空シール
、１２０は真空容器を示す。このとき、放電管８０の外
側から電子サイクロトロン共鳴条件などから決まる磁界
強さの磁界を印加する構成（図示省略）としてもよい。
、１２０は真空容器を示す。このとき、放電管８０の外
側から電子サイクロトロン共鳴条件などから決まる磁界
強さの磁界を印加する構成（図示省略）としてもよい。
第４図は本発明において用いる放電管８０の具体的な形
状の３例を示す断面図である。（ａ）はプラズマプロセ
シングに用いる一例で、目的に応じて内径２〜３０ｍｍ
程度の、石英あるいはセラミックスから成る円筒管を適
切な長さに切断して用いる。（ｂ）はプラズマジェット
に用いる一例を示すもので、先端部にノズル部８ｌを設
けて、先端部の内径を末広がりのテーパ状としたもので
ある。（ｃ）は微量元素分析に用いる一例を示すもので
，放電管（外管）８０の後端部の内径中心部に、石英あ
るいはセラミックスからなる放電管（内管）８２を配置
して二重管構造としたものである。８３はこれらの外管
８０、内管８２を固定状に支持する放電管支持具で、１
１０は導入されるプラズマガスや試料が放電管外に流出
するのを防止する“Ｏ”リングである。
状の３例を示す断面図である。（ａ）はプラズマプロセ
シングに用いる一例で、目的に応じて内径２〜３０ｍｍ
程度の、石英あるいはセラミックスから成る円筒管を適
切な長さに切断して用いる。（ｂ）はプラズマジェット
に用いる一例を示すもので、先端部にノズル部８ｌを設
けて、先端部の内径を末広がりのテーパ状としたもので
ある。（ｃ）は微量元素分析に用いる一例を示すもので
，放電管（外管）８０の後端部の内径中心部に、石英あ
るいはセラミックスからなる放電管（内管）８２を配置
して二重管構造としたものである。８３はこれらの外管
８０、内管８２を固定状に支持する放電管支持具で、１
１０は導入されるプラズマガスや試料が放電管外に流出
するのを防止する“Ｏ”リングである。
第５図は、放電管８０の先端部を冷却する必要のあるプ
ラズマジェット推進などに応用したときの冷却部の構造
の一実施例断面図を示す。ここで、６０は前述した外導
体５０のエンドプレート、９０は絶縁物あるいは金属か
ら成る冷却器で、その内部を冷却剤（水など）が流通す
る構造になっている。また、１００は熱伝導度の大きな
ペーストで、放電管８０の熱が冷却器９０に効率よく伝
達する作用を有する。
ラズマジェット推進などに応用したときの冷却部の構造
の一実施例断面図を示す。ここで、６０は前述した外導
体５０のエンドプレート、９０は絶縁物あるいは金属か
ら成る冷却器で、その内部を冷却剤（水など）が流通す
る構造になっている。また、１００は熱伝導度の大きな
ペーストで、放電管８０の熱が冷却器９０に効率よく伝
達する作用を有する。
なお、前記偏平導波管１ｏにおいても、特に大電力のマ
イクロ波の場合、底面壁や上面壁などの外壁部に発生す
る熱を効率よく取り去って温度上昇を低減するために、
外壁部に放熱フィンを取り付けたり、第５図実施例と同
様構造の水冷系を設けたりするとよい。
イクロ波の場合、底面壁や上面壁などの外壁部に発生す
る熱を効率よく取り去って温度上昇を低減するために、
外壁部に放熱フィンを取り付けたり、第５図実施例と同
様構造の水冷系を設けたりするとよい。
以上説明したように、本発明によれば、モード変換機能
をもつ円筒状同軸導波管を偏平導波管の短絡端より１／
４波長のところに結合する構成としたことにより、大電
力のマイクロ波を、反射電力なしに、効率よ゛くプラズ
マに吸収させることができ、高温高密度のプラズマを安
定に生或することができるようになり、分析機器におけ
る高感度化、プラズマジェットにおける推進力の増大、
プラズマプセシングにおけるスルーブットの向上などが
可能となる。
をもつ円筒状同軸導波管を偏平導波管の短絡端より１／
４波長のところに結合する構成としたことにより、大電
力のマイクロ波を、反射電力なしに、効率よ゛くプラズ
マに吸収させることができ、高温高密度のプラズマを安
定に生或することができるようになり、分析機器におけ
る高感度化、プラズマジェットにおける推進力の増大、
プラズマプセシングにおけるスルーブットの向上などが
可能となる。
また、本発明において放電管の後端部に設ける冷却気体
導入系の構或によれば、放電管の表面や同軸導波管の内
径部を効率よく冷却させることができ、放電管中に生成
するプラズマをその先端部から安定に軸方向に拡散させ
ることができ、さらに高感度の発光分析や質量分析を可
能とし、さらに大きなプラズマジェット推進力などを得
ることができる。
導入系の構或によれば、放電管の表面や同軸導波管の内
径部を効率よく冷却させることができ、放電管中に生成
するプラズマをその先端部から安定に軸方向に拡散させ
ることができ、さらに高感度の発光分析や質量分析を可
能とし、さらに大きなプラズマジェット推進力などを得
ることができる。
また，リーク調整系を設けて（上記冷却気体導入系と一
体で構或しても可）、上記冷却気体導入系を含めた軸方
向長さを少なくとも１／４波長として、冷却気体導入系
の下端をマイクロ波の定在波の節とする構或とすること
により、マイクロ波のリークを大幅に低減でき，安全性
が向上するとともに、信号対雑音比が向上する効果があ
る。
体で構或しても可）、上記冷却気体導入系を含めた軸方
向長さを少なくとも１／４波長として、冷却気体導入系
の下端をマイクロ波の定在波の節とする構或とすること
により、マイクロ波のリークを大幅に低減でき，安全性
が向上するとともに、信号対雑音比が向上する効果があ
る。
本発明のプラズマ発生装置は、これまでに述べた各種機
器、装置への適用以外に、真空紫外線源や準安定原子源
などをはじめ、高圧又は低圧プラズマ源として種々の分
野に用いることができることは自明である．
器、装置への適用以外に、真空紫外線源や準安定原子源
などをはじめ、高圧又は低圧プラズマ源として種々の分
野に用いることができることは自明である．
第１図は本発明の一実施例を示すマイクロ波プラズマ発
生装置の平面図とそのｘ−ｘｉ断面図、第２図（ａ）は
第｛図中の外導体の、（ｂ）は同じく外導体のエンドプ
レートの別の実施例を示す断面図，第３図は本発明にお
いて減圧プラズマを発生するときの一実施例の断面図，
第４図（ａ），（ｂ），（ｃ）は第１図中の放電管の別
の実施例を示す断面図、第５図は本発明において放電管
の先端部を冷却するときの一実施例の断面図、第６図は
従来技術の断面図と側面図である。 〔符号の説明〕 ｌＯ・・・偏平導波管 ２０・・・内導体３０・・
・マイクロ波リーク調整系
生装置の平面図とそのｘ−ｘｉ断面図、第２図（ａ）は
第｛図中の外導体の、（ｂ）は同じく外導体のエンドプ
レートの別の実施例を示す断面図，第３図は本発明にお
いて減圧プラズマを発生するときの一実施例の断面図，
第４図（ａ），（ｂ），（ｃ）は第１図中の放電管の別
の実施例を示す断面図、第５図は本発明において放電管
の先端部を冷却するときの一実施例の断面図、第６図は
従来技術の断面図と側面図である。 〔符号の説明〕 ｌＯ・・・偏平導波管 ２０・・・内導体３０・・
・マイクロ波リーク調整系
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、マイクロ波電力を供給する開口端とこの開口端と向
き合う短絡端を有する偏平導波管に、円筒状同軸導波管
をその中心軸が上記短絡端より１／４波長の位置にあっ
て電界方向を向くように結合し、上記同軸導波管の内導
体の下端は偏平導波管の底面壁にあけた孔に結合し上端
は開口し、外導体の下端は上記底面壁と対向する上記偏
平導波管の上面壁にあけた孔に結合し上端は内導体の上
端より上方位置にあって導電性エンドプレートで短絡さ
れ、絶縁性の放電管を内導体の内径部を経て先端が上記
エンドプレートの中心部にあけた孔を貫通するように設
置してその後端部からプラズマガスを導入するとともに
前記放電管を冷却する構成としたことを特徴とするマイ
クロ波プラズマ発生装置。 ２、請求項１において、前記放電管の後端部の外側で円
周接線方向に導入される冷却気体を前記内導体の内径部
を経て前記外導体の円筒状空胴部に送り込み、外導体の
外周壁にあけた複数個の放出口から外部に放出させる冷
却気体導入系を備えたことを特徴とするマイクロ波プラ
ズマ発生装置。 ３、請求項１または２において、マイクロ波リーク調整
系を、前記放電管の後端部を囲むように前記内導体の下
端面下方に設け、かつ、前記冷却気体導入系を含めた軸
方向長さを少なくとも使用するマイクロ波の１／４波長
としたことを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。 ４、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記外導体の
軸方向長さを少なくとも使用するマイクロ波の１／４波
長としたことを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置
。 ５、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記内導体と
外導体の各先端間距離を可変に調整する機構を備えたこ
とを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。 ６、請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記エンドプ
レートは、その放電管貫通孔の周辺部の厚さを貫通孔と
同心状にその外側の厚さより薄くしたことを特徴とする
マイクロ波プラズマ発生装置。 ７、請求項１乃至６のいずれかにおいて、前記放電管を
排気系に連結して放電管内部を減圧したことを特徴とす
るマイクロ波プラズマ発生装置。 ８、請求項１乃至７のいずれかにおいて、前記放電管の
先端部の内径を末広がりのテーパ状にしたことを特徴と
するマイクロ波プラズマ発生装置。 ９、請求項１乃至８のいずれかにおいて、前記放電管を
同軸二重管構造とし、その内管に試料を、外管にプラズ
マガスを導入したことを特徴とするマイクロ波プラズマ
発生装置。 １０、請求項１乃至９のいずれかにおいて、前記放電管
の先端部の外周に冷却系を設けたことを特徴とするマイ
クロ波プラズマ発生装置。 １１、請求項１乃至１０のいずれかにおいて、前記偏平
導波管の管壁の外面に冷却板を設けたことを特徴とする
マイクロ波プラズマ発生装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1231741A JP2922223B2 (ja) | 1989-09-08 | 1989-09-08 | マイクロ波プラズマ発生装置 |
| US07/577,767 US5063329A (en) | 1989-09-08 | 1990-09-05 | Microwave plasma source apparatus |
| DE4028525A DE4028525A1 (de) | 1989-09-08 | 1990-09-07 | Mikrowellen-plasmaquellenvorrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1231741A JP2922223B2 (ja) | 1989-09-08 | 1989-09-08 | マイクロ波プラズマ発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0395899A true JPH0395899A (ja) | 1991-04-22 |
| JP2922223B2 JP2922223B2 (ja) | 1999-07-19 |
Family
ID=16928314
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1231741A Expired - Lifetime JP2922223B2 (ja) | 1989-09-08 | 1989-09-08 | マイクロ波プラズマ発生装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5063329A (ja) |
| JP (1) | JP2922223B2 (ja) |
| DE (1) | DE4028525A1 (ja) |
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