JPH0864338A - 放電電極、放電装置、放電を利用した励起装置及び化学反応装置 - Google Patents

放電電極、放電装置、放電を利用した励起装置及び化学反応装置

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JPH0864338A
JPH0864338A JP6201183A JP20118394A JPH0864338A JP H0864338 A JPH0864338 A JP H0864338A JP 6201183 A JP6201183 A JP 6201183A JP 20118394 A JP20118394 A JP 20118394A JP H0864338 A JPH0864338 A JP H0864338A
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JP
Japan
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discharge
resistance
electrode
thin film
varying
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JP6201183A
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Kazuo Onda
和夫 恩田
Kunio Hijikata
邦夫 土方
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 非平衡放電を安定に維持し、放電励起・化学
反応に利用する。 【構成】 放電電極は、表面に薄膜からなる放電安定化
負荷抵抗が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、放電電極、特に気体温
度より高い電子温度を持つ非平衡放電のための電極と放
電装置、かかる放電装置を利用した放電励起装置及び化
学反応装置に関する。
【0002】
【従来の技術】非平衡放電励起・反応過程はレーザ、オ
ゾナイザ、環境汚染物質除去装置あるいは放電化学反応
装置に利用されている。この様な装置では、電界により
放電電子のみを加速し、電子温度(エネルギー)を高く
して、特定の振動・回転エネルギー準位のみを励起した
り、特定の不安定化学種のみを生成したり、特定の化学
反応のみを選択的に進めている。レーザ出力や反応収率
は気体圧力が高い方が高くなり、装置は小型化できる。
しかし圧力の上昇とともに放電電子は気体を持続的に加
熱し、やがて気体の冷却速度以上に加熱するようにな
る。その結果、放電はアーク放電に移行し、電子と気体
は同じ温度になり、レーザの発振は停止し、環境汚染物
質除去装置や放電化学反応装置の選択的で消費エネルギ
ーの小さい反応は消滅し、選択性のないエネルギー消費
の多い熱平衡化学反応へと移行する。この放電場におけ
る気体の抵抗は、電流が小さい放電初期においては正抵
抗性を示し、放電は安定領域にある。しかし、放電の臨
界点を越してアーク放電に移行すると負性抵抗性を示
し、放電電圧は激減し電源容量に見合う電流限界まで瞬
時に電流が流れる不安定性を示す。
【0003】このため、放電入力を限界にまで高めた従
来のレーザ装置などでは、図7に示すように、集合陰極
1を、電極板(基板)2上に放電安定化負荷抵抗(バラ
スト抵抗)3を介してピン電極4を多数並べた構成と
し、この集合陰極1を陽極5と対向配置して、両者の間
に高圧電源6によって電圧を印加し、気体を図中矢印7
に示す方向に流している。つまり、両電極間に放電を生
じさせたとき、局所的にアークが発生し、ピン電極4の
一つに電流が集中しようとしても、安定化抵抗3で発生
する電圧上昇により、電流を一定の許容値以下に押さ
え、他の電極へ分散するように考慮されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このバラスト
抵抗3付きのピン電極4は有限な大きさに分割されてい
るので、その分布は一様でなく、しかも高電圧に耐え、
放電のような早い現象にも追随し得る応答性の早い抵抗
を用いなければならない欠点がある。しかも放電場を支
配する重要な因子として電子を最適な密度で供給する必
要もあるが、従来のバラスト付きピン電極4ではその材
料及び配置に一定の限界があり、電界が急激に変わる放
電場に対して目的に応じた最適の電子密度を供給しにく
い難点があった。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は上述した従来の
欠点を解決するためになされたものである。
【0006】本発明による放電電極は、表面に薄膜から
なる放電安定化負荷抵抗が設けられていることを特徴と
する。
【0007】ここで、放電安定化負荷抵抗が半導体薄膜
あるいはセラミックス薄膜であってもよい。
【0008】本発明による放電装置は、対向する電極の
少なくとも一方が前述した放電電極であることを特徴と
する。
【0009】本発明による放電励起装置は、気体分子ま
たは原子の励起のために上記放電装置を具えたことを特
徴とする。
【0010】ここで、上記放電励起装置がレーザ装置で
あってもよい。
【0011】更に、本発明による化学反応装置は、気体
分子の反応を促進するために前述した放電装置を具えた
ことを特徴とする。
【0012】図1に本願発明による放電電極の一例を示
す。陰極10は、熱伝導性の高い金属などの基板2に放
電安定化のための薄膜抵抗8を接合して構成されてい
る。薄膜抵抗8を用いて、比抵抗や電極としての仕事関
数などを目的とする放電形態に合わせて連続的に分布さ
せ、非平衡放電励起・反応過程をより安定に高性能に行
うものである。薄膜抵抗8として、酸化物、セラミック
スであるアルミナ、マグネシア、ジルコニア等、半導体
であるシリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素等、化合
物である炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素等、目的
にあわせて選択する。電極が冷却されている場合は、空
気中の炭酸ガスが電極表面に氷結付着したドライアイ
ス、あるいは空気中の水分が氷結した氷もまた薄膜抵抗
として利用することができる。陰極の形状は図示するよ
うな平板状に限らず、更に、陽極も陰極と同様な構成で
あってもよい。要は、陰極、陽極の少なくとも一方が、
その表面に薄膜からなる放電安定化負荷抵抗が設けられ
ていればよい。
【0013】
【作用】薄膜抵抗層8は非平衡放電励起・反応を行う材
料ガスに対して耐蝕性があり、かつ装置を構成する材料
と整合する必要がある。これらの条件を満たした抵抗体
材料を、それぞれの目的に応じて、比抵抗、仕事関数な
どが合うように選ぶ。薄膜抵抗層は場所により厚さや材
料を変えて抵抗分布を変えてもよいし、材料を変えて電
子の放出密度の分布を変えてもよい。抵抗層が半導体で
あれば、注入する不純物の種類やその濃度を変え、仕事
関数や電子の電界放出係数を分布させることも可能であ
る。この様に放電安定化薄膜抵抗8を電極板2上に配置
すれば、従来の有限な抵抗の組合せのピン電極より正確
に非平衡放電を制御することができ、その結果、アーク
放電に移行することなく高密度に励起・反応を進める作
動領域を拡大することができる。薄膜抵抗は、抵抗体を
電極板に接合させる以外に、溶射、塗布焼結、化学蒸
着、スパッタ蒸着その他の方法により大面積の電極板上
に良質な膜を作製してもよい。
【0014】
【実施例】電界がかなり不均一な場でも放電安定化薄膜
抵抗によって非平衡放電領域を拡大できることを実証す
るために、図2に示す放電装置を作製した。
【0015】放電安定化薄膜抵抗8の一例として、ここ
では厚さ約100μmのシリコン単結晶基板を採用し、
銀ペーストで平板状のアルミニウム電極板2に接着して
集合陰極10とした。この陰極10上に、シリコン単結
晶基板8との間隔dを0.25mmとしてステンレス鋼
製のナイフエッジ電極(陽極)11を配置した。放電
前、ナイフエッジ電極11をシリコン単結晶基板8に押
し付けて抵抗を測定したところ約10MΩであった。ナ
イフエッジ電極11の幅wは43mmで、図示しない微
小トラバース装置に固定し、シリコン単結晶基板8に対
してナイフエッジ電極11の先端の平行度を10μmの
誤差で合わせた。この様にセットした電極を真空容器1
2内に設置し、両電極10、11を絶縁リード線13に
よって電圧可変の高圧電源6に接続した。真空容器内の
電極構造は透視的に示してある。真空容器12内を真空
ポンプ14で排気した後、ボンベ15からヘリウム等の
ガスを規定の圧力まで真空容器内に充填し、両電極間に
1kV程度の電圧を印加して放電を生ぜしめ、真空容器
に設けた観察窓から放電状況を観察した。
【0016】一方、比較のためにシリコン単結晶基板を
設けず、アルミニウム電極板2のみからなる陰極とナイ
フエッジ電極11とを前述したと同様に組み合わせ、同
様にして放電状況を観察した。
【0017】まず、シリコン単結晶基板を着けないアル
ミニウム電極板2とナイフエッジ電極11との間の放電
で、ヘリウム圧力50Torrの放電状況を図3(a)
に示す。図示するように、放電は導体電極間では簡単に
アークに移行して一点に集中し、非平衡放電のグロー放
電やコロナ放電にはなりにくい。シリコン基板を放電安
定化薄膜抵抗8として用い、ヘリウム100Torr及
び150Torrの場合の放電状況をそれぞれ図3
(b)及び(c)に示す。いずれもコロナ放電が持続し
ていることを示している。一般に、圧力が高くなるほど
放電は一点に集中し、アークになり易いが、薄膜抵抗が
非平衡放電の安定化に寄与し、圧力が、放電安定化薄膜
抵抗を用いない図3(a)の2倍の100Torrにな
ってもアークに移行せず、3倍の150Torr付近ま
でほぼ一様なコロナ放電が持続し、本発明の放電電極を
用いた放電装置が有効に動作することが確認できた。
【0018】シリコン基板を他の半導体や化合物、酸化
物などに変え、抵抗値や厚さ、仕事関数などを目的とす
る放電に合わせて分布させれば、コロナ放電の圧力を更
に増加させることができる。
【0019】次に、上述した放電装置を利用した放電励
起装置及び放電化学装置の例を示す。
【0020】図4は、本発明による横方向励起大出力レ
ーザの一例の模式図である。電極系その他を収容する容
器、ガスの給排気系などは図示を省略してある。この点
については、後出の図5及び6においても同様である。
図4において、先に説明した放電安定化薄膜抵抗を具え
た集合陰極10と例えばステンレス鋼からなる陽極5の
間に、炭酸ガスレーザの場合にはヘリウム80%、炭酸
ガス10%、窒素10%の混合ガスを流し、電圧を印加
して両極間で放電を生ぜしめる。光は鏡16、16から
なる共振器で増幅し、レーザ光17が出射する。炭酸ガ
スレーザの場合数10kWの出力が得られた。
【0021】図5は、本発明によるコロナ放電脱硫脱硝
装置の一例の模式図である。この装置は、本発明による
集合陽極18、18の間に例えばステンレス鋼などの耐
蝕性材料からなる高圧線電極(陰極)19を数cmの放
電ギャップで配置した構造である。集合陽極18は、ス
テンレス鋼などの電極板2に放電安定化薄膜抵抗8を着
けたもので、放電安定化薄膜抵抗8としてはアルミナ、
マグネシアなどの酸化物(セラミックス)が用いられ
る。軽油、ガソリン、重油などの燃焼排ガスをこの放電
装置に通し、両電極間に数十kVの電圧を印加してコロ
ナ放電を起こさせる。燃焼排ガスは、通常500ppm
程度のSOx及び300ppm程度のNOxが含まれて
いるが、その90%以上が放電によって酸化され、硫酸
ミスト及び硝酸ミストに変換される。これらのミスト
は、アルカリによる中和処理され、公知の集塵方法によ
って回収除去される。
【0022】図6は、本発明による揮発性有機物除去装
置の一例の模式図である。この装置は、円筒形の集合陽
極20と、その中心に配置された高圧線電極19とを具
えている。集合陽極20は、円筒状の電極板2に放電安
定化薄膜抵抗8を着けたものである。有機溶剤などの有
害な揮発性有機物を集合陽極20内に導き、両電極間に
数十kVの電圧を印加してコロナ放電を起こさせ、揮発
性有機物を希薄状態で燃焼除去することができる。
【0023】更に、図5または6と同様な装置に複数の
原料ガスを流し、放電によって複数の原料ガス間の合成
反応を起こさせることも可能である。また、酸素あるい
は空気を装置内に導いて、放電により酸素をオゾン化す
ることも可能である。すなわち本発明の装置を合成装
置、あるいはオゾナイザーとして用いることも可能であ
る。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
非平衡放電をアーク放電に移行させずその動作範囲を拡
げるため、薄膜抵抗を放電安定化抵抗として電極板に接
合し、膜の材料、厚さを変え、抵抗値や電子放出能など
を放電形態に合わせて分布させ、従来の抵抗付き分割電
極以上に非平衡放電領域を拡大させ、放電による励起や
放電化学による合成や分解を高性能化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による放電電極の一例を示す斜視図であ
る。
【図2】本発明による放電装置の一例を示す斜視図であ
る。
【図3】本発明による放電装置の放電状況を従来例の放
電装置の放電状況と比較して示す図であって、(a)は
従来例のヘリウム50Torrのアーク放電、(b)は
本発明装置のヘリウム100Torrのコロナ放電、
(c)は本発明装置のヘリウム150Torrのコロナ
放電の状況を示す。
【図4】本発明による横方向励起大出力レーザの一例の
模式図である。
【図5】本発明によるコロナ放電脱硫脱硝装置の一例の
模式図である。
【図6】本発明による揮発性有機物除去装置の一例の模
式図である。
【図7】従来の放電安定化分割電極の模式図である。
【符号の説明】
1 集合陰極 2 電極板 3 負荷抵抗 4 ピン電極 5 陽極 6 高圧電源 7 気体の流れ方向 8 放電安定化薄膜抵抗 10 本発明による集合陰極 11 ナイフエッジ電極 12 真空容器 13 絶縁リード線 14 真空ポンプ 15 ボンベ 16 共振器 17 レーザ出力 18 本発明による集合陽極 19 高圧線電極 20 本発明による円筒形集合陽極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 B01J 19/08 C 9342−4D C01B 13/11 G H01S 3/038

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面に薄膜からなる放電安定化負荷抵抗
    が設けられていることを特徴とする放電電極。
  2. 【請求項2】 前記放電安定化負荷抵抗が半導体薄膜で
    あることを特徴とする請求項1に記載の放電電極。
  3. 【請求項3】 前記放電安定化負荷抵抗がセラミックス
    薄膜であることを特徴とする請求項1に記載の放電電
    極。
  4. 【請求項4】 対向する電極の少なくとも一方が請求項
    1から3のいずれかに記載の放電電極であることを特徴
    とする放電装置。
  5. 【請求項5】 気体分子または原子の励起のために請求
    項4に記載の放電装置を具えたことを特徴とする放電励
    起装置。
  6. 【請求項6】 前記放電励起装置がレーザ装置であるこ
    とを特徴とする請求項5に記載の放電励起装置。
  7. 【請求項7】 気体分子の反応を促進するために請求項
    4に記載の放電装置を具えたことを特徴とする化学反応
    装置。
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