JPH11251088A - 誘導結合プラズマ装置 - Google Patents
誘導結合プラズマ装置Info
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- JPH11251088A JPH11251088A JP10051685A JP5168598A JPH11251088A JP H11251088 A JPH11251088 A JP H11251088A JP 10051685 A JP10051685 A JP 10051685A JP 5168598 A JP5168598 A JP 5168598A JP H11251088 A JPH11251088 A JP H11251088A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】プラズマ形成条件が最適化され、エネルギ─効
率が高く、かつ処理速度の速い誘導結合型プラズマ装置
を得る。 【解決手段】石英製の放電管１Ａの内部にガス導入部４
Ａよりプラズマガスを導入し、放電管１Ａの外側に巻装
された高周波誘導コイル２Ａに高周波電流を通電して高
周波磁界を印加し、プラズマガスを熱プラズマ化するも
のにおいて、放電管１Ａの内半径と高周波磁界の周波数
の平方根との積が所定範囲の値となるように、放電管１
Ａの内半径を 8cmとし、ＭＯＳＦＥＴインバータ１０よ
りなる高周波電源を用いて、高周波誘導コイル２Ａに定
格周波数 450kHz の高周波電流を通電することとする。
率が高く、かつ処理速度の速い誘導結合型プラズマ装置
を得る。 【解決手段】石英製の放電管１Ａの内部にガス導入部４
Ａよりプラズマガスを導入し、放電管１Ａの外側に巻装
された高周波誘導コイル２Ａに高周波電流を通電して高
周波磁界を印加し、プラズマガスを熱プラズマ化するも
のにおいて、放電管１Ａの内半径と高周波磁界の周波数
の平方根との積が所定範囲の値となるように、放電管１
Ａの内半径を 8cmとし、ＭＯＳＦＥＴインバータ１０よ
りなる高周波電源を用いて、高周波誘導コイル２Ａに定
格周波数 450kHz の高周波電流を通電することとする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高周波誘導結合を
用いて熱プラズマを発生させる誘導結合プラズマ装置に
関する。
用いて熱プラズマを発生させる誘導結合プラズマ装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】誘導結合プラズマ装置は、放電管に同軸
に高周波誘導コイルを巻装し、高周波誘導コイルに高周
波電流を通電して放電管の内部に導入したガスをプラズ
マ化して用いる装置である。図６は、従来用いられてい
る誘導結合プラズマ装置の基本構成を示す断面図であ
る。図において、１は、内筒１ａと外筒１ｂの二重構造
よりなる円筒状の放電管で、通常、電気絶縁性と耐熱性
を備えた石英ガラスにより構成されており、内筒１ａと
外筒１ｂの間に冷却水を通流させて冷却する方法が一般
に用いられている。２は、放電管１と同軸状に巻かれた
高周波誘導コイルで、通常３〜４ターンの巻線よりな
る。３は、高周波誘導コイル２に高周波電流を供給する
高周波電源で、通常、出力周波数が数MHz の高周波電流
が用いられている。また、放電管１の上部には、放電管
１の内部にプラズマガスをそれぞれ周方向、径方向、軸
方向に吹き出す３個のノズルを備えたガス導入部４が備
えられている。また、本装置には放電管１を排気する図
示しない排気手段が備えられており、ガス導入部４より
導入するガスの流量と排気手段の排気速度を調整するこ
とにより放電管１の内部の圧力を調整することが可能で
ある。
に高周波誘導コイルを巻装し、高周波誘導コイルに高周
波電流を通電して放電管の内部に導入したガスをプラズ
マ化して用いる装置である。図６は、従来用いられてい
る誘導結合プラズマ装置の基本構成を示す断面図であ
る。図において、１は、内筒１ａと外筒１ｂの二重構造
よりなる円筒状の放電管で、通常、電気絶縁性と耐熱性
を備えた石英ガラスにより構成されており、内筒１ａと
外筒１ｂの間に冷却水を通流させて冷却する方法が一般
に用いられている。２は、放電管１と同軸状に巻かれた
高周波誘導コイルで、通常３〜４ターンの巻線よりな
る。３は、高周波誘導コイル２に高周波電流を供給する
高周波電源で、通常、出力周波数が数MHz の高周波電流
が用いられている。また、放電管１の上部には、放電管
１の内部にプラズマガスをそれぞれ周方向、径方向、軸
方向に吹き出す３個のノズルを備えたガス導入部４が備
えられている。また、本装置には放電管１を排気する図
示しない排気手段が備えられており、ガス導入部４より
導入するガスの流量と排気手段の排気速度を調整するこ
とにより放電管１の内部の圧力を調整することが可能で
ある。
【０００３】本構成において、ガス導入部４を通して外
部のアルゴンガス供給源から放電管１の内部へとアルゴ
ンガスを導入し、高周波電源３の出力電流を高周波誘導
コイル２に通電すると、放電管１の内部へ導入されたア
ルゴンガスは、高周波誘導コイル２により形成される誘
導電磁界により放電し、プラズマ５が発生する。他のガ
ス、例えば、窒素、酸素などの放電しにくい２原子分子
ガスのプラズマを発生させる場合には、まず放電し易い
アルゴンプラズマを発生させ、そののちアルゴンガスを
当のガスへと徐々に置換させることにより、所望のガス
のプラズマへと移行させる方法を採ればよい。プラズマ
へのエネルギー供給は、高周波誘導コイル２により形成
される誘導電磁界によって行われる。このようにして得
られるプラズマは、一般的に誘導結合型プラズマと呼ば
れており、その温度、形状は、誘導電磁界の強さと形
状、およびガス流に依存し、圧力１気圧程度において、
凡そ10000Ｋの高温のプラズマが得られる。得られた熱
プラズマは、高温で、かつ化学的に活性であるとの特徴
を備えており、この特徴を活かして、材料の生成や有害
物の処理などに用いられている。
部のアルゴンガス供給源から放電管１の内部へとアルゴ
ンガスを導入し、高周波電源３の出力電流を高周波誘導
コイル２に通電すると、放電管１の内部へ導入されたア
ルゴンガスは、高周波誘導コイル２により形成される誘
導電磁界により放電し、プラズマ５が発生する。他のガ
ス、例えば、窒素、酸素などの放電しにくい２原子分子
ガスのプラズマを発生させる場合には、まず放電し易い
アルゴンプラズマを発生させ、そののちアルゴンガスを
当のガスへと徐々に置換させることにより、所望のガス
のプラズマへと移行させる方法を採ればよい。プラズマ
へのエネルギー供給は、高周波誘導コイル２により形成
される誘導電磁界によって行われる。このようにして得
られるプラズマは、一般的に誘導結合型プラズマと呼ば
れており、その温度、形状は、誘導電磁界の強さと形
状、およびガス流に依存し、圧力１気圧程度において、
凡そ10000Ｋの高温のプラズマが得られる。得られた熱
プラズマは、高温で、かつ化学的に活性であるとの特徴
を備えており、この特徴を活かして、材料の生成や有害
物の処理などに用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
長所を持つ高周波誘導電磁界による誘導結合型プラズマ
を工業的に利用する場合には、装置のエネルギー効率が
高く、処理速度が速いことが必要である。従来の誘導結
合型プラズマ装置についてみると、熱損失としては、高
周波電源３における損失、高周波誘導コイル２における
ジュール損失、ならびにプラズマ５から放電管１への熱
の伝導による損失がある。高周波電源３としては、通
常、数 MHz以上の出力周波数で数十 kW 以上の大容量が
必要とされているので、電源素子として真空管が用いら
れている。このため高周波電源３の電力変換効率は凡そ
50 ％程度と低く、損失が極めて大きい。したがって、
装置のエネルギー効率を向上させるには、高周波電源３
の損失を大幅に低減することが必要である。また、高周
波誘導コイル２におけるジュール損失は、プラズマ維持
に必要な磁界を保持するために通電する高周波電流値に
依存し、また、プラズマ５から放電管１への熱の伝導に
よる損失はプラズマ温度に依存しているので、これらの
損失を低減するためには装置の最適化が必要である。
長所を持つ高周波誘導電磁界による誘導結合型プラズマ
を工業的に利用する場合には、装置のエネルギー効率が
高く、処理速度が速いことが必要である。従来の誘導結
合型プラズマ装置についてみると、熱損失としては、高
周波電源３における損失、高周波誘導コイル２における
ジュール損失、ならびにプラズマ５から放電管１への熱
の伝導による損失がある。高周波電源３としては、通
常、数 MHz以上の出力周波数で数十 kW 以上の大容量が
必要とされているので、電源素子として真空管が用いら
れている。このため高周波電源３の電力変換効率は凡そ
50 ％程度と低く、損失が極めて大きい。したがって、
装置のエネルギー効率を向上させるには、高周波電源３
の損失を大幅に低減することが必要である。また、高周
波誘導コイル２におけるジュール損失は、プラズマ維持
に必要な磁界を保持するために通電する高周波電流値に
依存し、また、プラズマ５から放電管１への熱の伝導に
よる損失はプラズマ温度に依存しているので、これらの
損失を低減するためには装置の最適化が必要である。
【０００５】つぎに、誘導結合型プラズマ装置の処理速
度を速くするにはプラズマ口径を大きくすることが必要
となる。しかしながら、従来の一般的な誘導結合型プラ
ズマ装置においては数 MHz以上の高い周波数の高周波を
用いているため、電磁界のプラズマへの浸透深さが浅
く、放電管の内半径を大きくしても、高温プラズマは表
面層部分に限定されるので、プラズマ領域を実効的に大
きくすることが困難で、処理速度を上げることができな
かった。したがって従来の装置では、微量元素の発光分
析装置として用いられている装置のごとく、放電管の内
半径は凡そ３ cm程度であり、材料の生成や有害物の処
理等に用いる際にも、大量処理して処理速度を上げるこ
とは困難であった。
度を速くするにはプラズマ口径を大きくすることが必要
となる。しかしながら、従来の一般的な誘導結合型プラ
ズマ装置においては数 MHz以上の高い周波数の高周波を
用いているため、電磁界のプラズマへの浸透深さが浅
く、放電管の内半径を大きくしても、高温プラズマは表
面層部分に限定されるので、プラズマ領域を実効的に大
きくすることが困難で、処理速度を上げることができな
かった。したがって従来の装置では、微量元素の発光分
析装置として用いられている装置のごとく、放電管の内
半径は凡そ３ cm程度であり、材料の生成や有害物の処
理等に用いる際にも、大量処理して処理速度を上げるこ
とは困難であった。
【０００６】本発明は、このような従来技術の問題点を
解決するためになされたもので、プラズマ形成の最適化
が計られ、従来よりエネルギー効率が高く、かつ処理速
度の速い誘導結合型プラズマ装置を提供することを目的
とするものである。
解決するためになされたもので、プラズマ形成の最適化
が計られ、従来よりエネルギー効率が高く、かつ処理速
度の速い誘導結合型プラズマ装置を提供することを目的
とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、電気絶縁性の放電管と、放電
管の外側に巻装された高周波誘導コイルと、放電管の一
端に組み込まれてガス導入口を備えてなり、ガス導入口
から放電管の内部へプラズマガスを導入し、高周波誘導
コイルに高周波電流を通電して前記プラズマガスを熱プ
ラズマ化する誘導結合プラズマ装置において、 （１）放電管の内半径ａ〔ｍ〕と、高周波誘導コイルに
通電する高周波電流の周波数ｆ〔Hz〕の平方根との積ａ
×（ｆ）1/2 を、 40 乃至 80 の範囲の値として構成す
ることとする。
めに、本発明においては、電気絶縁性の放電管と、放電
管の外側に巻装された高周波誘導コイルと、放電管の一
端に組み込まれてガス導入口を備えてなり、ガス導入口
から放電管の内部へプラズマガスを導入し、高周波誘導
コイルに高周波電流を通電して前記プラズマガスを熱プ
ラズマ化する誘導結合プラズマ装置において、 （１）放電管の内半径ａ〔ｍ〕と、高周波誘導コイルに
通電する高周波電流の周波数ｆ〔Hz〕の平方根との積ａ
×（ｆ）1/2 を、 40 乃至 80 の範囲の値として構成す
ることとする。
【０００８】（２）さらに、上記の高周波電流の周波数
を 500 kHz以下として構成することとする。放電管内部
に保持したプラズマガスに放電管の外側より高周波磁界
を印加して得られるプラズマの特性は、図３（ａ）に表
示した放電管の内半径ａ〔ｍ〕とプラズマへの高周波磁
界の浸透深さδ〔ｍ〕との比ａ／δによって定まる。す
なわち、浸透深さδが小さく、したがってａ／δが大き
い場合には、図３（ｂ）に示した特性Ａのごとく、高周
波誘導コイルからの注入電力はプラズマの外周表面に集
中し、プラズマ温度は外周部が最も高くなる。したがっ
て、プラズマの外周表面から放電管への熱伝導によるエ
ネルギー損失も大きくなるので、このエネルギー損失を
補って所望のプラズマ温度を維持するためには印加磁界
の強度を大きくすることが必要となる。浸透深さδが大
きくなり、ａ／δが小さくなると、プラズマの温度分布
は、図３（ｂ）の特性Ａから特性Ｂの分布へと移行し、
さらに浸透深さδが大きくなってａ／δがより小さくな
ると、特性Ｃのごとく、高周波誘導コイルからの注入電
力はプラズマ全体に分散し、プラズマ温度は全体に低く
なる。プラズマに注入される電力はプラズマ自身の導電
率にも依存し、プラズマ温度が低いと導電率も小さいの
でプラズマへ電力が注入されにくくなる。このためプラ
ズマ温度を所望の温度とするには印加磁界の強度を大き
くすることが必要となる。したがって、効率的な誘導結
合プラズマ装置を得るには、ａ／δの値を適正な値に設
定することが必要である。
を 500 kHz以下として構成することとする。放電管内部
に保持したプラズマガスに放電管の外側より高周波磁界
を印加して得られるプラズマの特性は、図３（ａ）に表
示した放電管の内半径ａ〔ｍ〕とプラズマへの高周波磁
界の浸透深さδ〔ｍ〕との比ａ／δによって定まる。す
なわち、浸透深さδが小さく、したがってａ／δが大き
い場合には、図３（ｂ）に示した特性Ａのごとく、高周
波誘導コイルからの注入電力はプラズマの外周表面に集
中し、プラズマ温度は外周部が最も高くなる。したがっ
て、プラズマの外周表面から放電管への熱伝導によるエ
ネルギー損失も大きくなるので、このエネルギー損失を
補って所望のプラズマ温度を維持するためには印加磁界
の強度を大きくすることが必要となる。浸透深さδが大
きくなり、ａ／δが小さくなると、プラズマの温度分布
は、図３（ｂ）の特性Ａから特性Ｂの分布へと移行し、
さらに浸透深さδが大きくなってａ／δがより小さくな
ると、特性Ｃのごとく、高周波誘導コイルからの注入電
力はプラズマ全体に分散し、プラズマ温度は全体に低く
なる。プラズマに注入される電力はプラズマ自身の導電
率にも依存し、プラズマ温度が低いと導電率も小さいの
でプラズマへ電力が注入されにくくなる。このためプラ
ズマ温度を所望の温度とするには印加磁界の強度を大き
くすることが必要となる。したがって、効率的な誘導結
合プラズマ装置を得るには、ａ／δの値を適正な値に設
定することが必要である。
【０００９】上記のプラズマへの磁界の浸透深さδ
〔ｍ〕は、プラズマの導電率をσ〔Ｓ／ｍ〕、印加磁界
の周波数をｆ〔Hz〕、真空の透磁率をμ〔Ｈ／ｍ〕とす
れば、次式（１）により表示される。
〔ｍ〕は、プラズマの導電率をσ〔Ｓ／ｍ〕、印加磁界
の周波数をｆ〔Hz〕、真空の透磁率をμ〔Ｈ／ｍ〕とす
れば、次式（１）により表示される。
【００１０】
【数１】 δ ＝ ２／((２πｆ) μσ)1/2 （１） したがって、プラズマの特性を決める放電管の内半径ａ
〔ｍ〕とプラズマへの磁界の浸透深さδ〔ｍ〕との比ａ
／δは、次式（２）のごとくとなる。
〔ｍ〕とプラズマへの磁界の浸透深さδ〔ｍ〕との比ａ
／δは、次式（２）のごとくとなる。
【００１１】
【数２】 ａ／δ ＝ ａ (πμｆσ)1/2 （２） すなわち、放電管内部に保持したプラズマガスに放電管
の外側より高周波磁界を印加して得られるプラズマの特
性は、放電管の内半径ａ〔ｍ〕と、印加する高周波磁界
の周波数ｆ〔Hz〕の平方根と、プラズマの導電率σ〔Ｓ
／ｍ〕の平方根との積で決まることが分かる。
の外側より高周波磁界を印加して得られるプラズマの特
性は、放電管の内半径ａ〔ｍ〕と、印加する高周波磁界
の周波数ｆ〔Hz〕の平方根と、プラズマの導電率σ〔Ｓ
／ｍ〕の平方根との積で決まることが分かる。
【００１２】図４は、窒素をプラズマガスとして用い、
圧力を凡そ１気圧に保持し、高周波誘導コイルに周波数
450 kHzの高周波電流を通電して誘導結合プラズマを発
生させる場合のプラズマ維持最小磁界強度の放電管内半
径への依存性を示した特性図である。図中、縦軸がプラ
ズマ維持最小磁界強度であり、印加磁界の強度が特性線
の磁界強度より高ければプラズマを維持できるが、特性
線の磁界強度に満たない場合にはプラズマを維持するこ
とができない。図に見られるように、放電管の内半径が
小さくなるほどプラズマ維持最小磁界強度は上昇し、特
に内半径が６ cm より小さくなると急激に上昇してい
る。このようにプラズマ維持最小磁界強度が高くなる
と、高周波誘導コイルに大電流を流す必要があるためジ
ュール発熱損失が増大し、出力電流の大きな電源が必要
となる。したがって、本条件下においては、放電管の内
半径は、６ｃｍ以上であることが望ましいことがわか
る。
圧力を凡そ１気圧に保持し、高周波誘導コイルに周波数
450 kHzの高周波電流を通電して誘導結合プラズマを発
生させる場合のプラズマ維持最小磁界強度の放電管内半
径への依存性を示した特性図である。図中、縦軸がプラ
ズマ維持最小磁界強度であり、印加磁界の強度が特性線
の磁界強度より高ければプラズマを維持できるが、特性
線の磁界強度に満たない場合にはプラズマを維持するこ
とができない。図に見られるように、放電管の内半径が
小さくなるほどプラズマ維持最小磁界強度は上昇し、特
に内半径が６ cm より小さくなると急激に上昇してい
る。このようにプラズマ維持最小磁界強度が高くなる
と、高周波誘導コイルに大電流を流す必要があるためジ
ュール発熱損失が増大し、出力電流の大きな電源が必要
となる。したがって、本条件下においては、放電管の内
半径は、６ｃｍ以上であることが望ましいことがわか
る。
【００１３】次に、図５は、上記と同様に窒素をプラズ
マガスとして用い、圧力を凡そ１気圧に保持し、高周波
誘導コイルに周波数 450 kHzの高周波電流を通電して 1
0000Ｋ、および 11000Ｋのプラズマを得るために必要な
印加磁界強度の放電管内半径への依存性を示した特性図
である。図に見られるように、放電管の内半径が小さく
なると必要な印加磁界強度が上昇し、とくに放電管の内
半径が６ｃｍ以下になると急激に上昇している。また、
図４に示したプラズマ維持最小磁界強度が放電管の内半
径の増加とともに減少していたのに対して、本図の所定
温度のプラズマを発生させるために必要な印加磁界強度
は、放電管の内半径が 12 cmを超えると増加の傾向にあ
り、とくにプラズマ温度が高くなるとその傾向は顕著で
ある。また、放電管の内半径が大きくなると、上記のよ
うに必要な印加磁界強度の上昇に対応して投入する高周
波電流を上昇させる必要があるばかりでなく、その外側
に巻装される高周波誘導コイルも相対的に大型となり、
導体長も長くなるので、ジュール発熱損失が増大し、エ
ネルギー効率が低下することとなる。
マガスとして用い、圧力を凡そ１気圧に保持し、高周波
誘導コイルに周波数 450 kHzの高周波電流を通電して 1
0000Ｋ、および 11000Ｋのプラズマを得るために必要な
印加磁界強度の放電管内半径への依存性を示した特性図
である。図に見られるように、放電管の内半径が小さく
なると必要な印加磁界強度が上昇し、とくに放電管の内
半径が６ｃｍ以下になると急激に上昇している。また、
図４に示したプラズマ維持最小磁界強度が放電管の内半
径の増加とともに減少していたのに対して、本図の所定
温度のプラズマを発生させるために必要な印加磁界強度
は、放電管の内半径が 12 cmを超えると増加の傾向にあ
り、とくにプラズマ温度が高くなるとその傾向は顕著で
ある。また、放電管の内半径が大きくなると、上記のよ
うに必要な印加磁界強度の上昇に対応して投入する高周
波電流を上昇させる必要があるばかりでなく、その外側
に巻装される高周波誘導コイルも相対的に大型となり、
導体長も長くなるので、ジュール発熱損失が増大し、エ
ネルギー効率が低下することとなる。
【００１４】図４および図５に示したこれらの特性よ
り、窒素を凡そ１気圧に保持し、高周波誘導コイルに周
波数 450kHz の高周波電流を通電してプラズマを発生さ
せる条件下においては、放電管の内半径を６〜 12 cmと
すれば、最も効率的にプラズマが得られることがわか
る。すでに述べたように、この種のプラズマの特性は、
放電管の内半径ａ〔ｍ〕と、印加する高周波磁界の周波
数ｆ〔Hz〕の平方根と、プラズマの導電率σ〔Ｓ／ｍ〕
の平方根との積で決まるので、熱プラズマの導電率σ
〔Ｓ／ｍ〕が主としてプラズマ温度に依存し、圧力〔P
a〕やガスの種類による変化が小さいことを加味して算
出すれば、最も効率的にプラズマが得られる条件は
り、窒素を凡そ１気圧に保持し、高周波誘導コイルに周
波数 450kHz の高周波電流を通電してプラズマを発生さ
せる条件下においては、放電管の内半径を６〜 12 cmと
すれば、最も効率的にプラズマが得られることがわか
る。すでに述べたように、この種のプラズマの特性は、
放電管の内半径ａ〔ｍ〕と、印加する高周波磁界の周波
数ｆ〔Hz〕の平方根と、プラズマの導電率σ〔Ｓ／ｍ〕
の平方根との積で決まるので、熱プラズマの導電率σ
〔Ｓ／ｍ〕が主としてプラズマ温度に依存し、圧力〔P
a〕やガスの種類による変化が小さいことを加味して算
出すれば、最も効率的にプラズマが得られる条件は
【００１５】
【数３】ａ／δ ∝ ａ× (ｆ)1/2 ＝ (0.06 〜0.12) × (4.5 ×105)1/2 ≒ 40 〜 80 （３） となる。すなわち、上記の課題を解決するための手段の
（１）のごとく、放電管の内半径ａ〔ｍ〕と、印加する
高周波磁界の周波数ｆ〔Hz〕の平方根との積が、40 〜
80 の範囲の値となるように構成すれば、最適条件で熱
プラズマを得ることができることとなる。
（１）のごとく、放電管の内半径ａ〔ｍ〕と、印加する
高周波磁界の周波数ｆ〔Hz〕の平方根との積が、40 〜
80 の範囲の値となるように構成すれば、最適条件で熱
プラズマを得ることができることとなる。
【００１６】さらに、課題を解決するための手段の
（２）のごとく、上記の高周波電流の周波数を 500 kHz
以下として構成すれば、高周波電源素子として半導体を
使用することが可能となり、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Me
tal Oxide Semiconductor FieldTransistor）インバー
タを高周波電源として用いることができる。このインバ
ータは電力変換効率が９５％以上と高いので、これを適
用すれば誘導結合型プラズマ装置のエネルギー効率も大
幅に上昇する。また、高周波電流の周波数を 500 kHZ以
下とすれば、最適条件でプラズマを形成するために必要
な放電管の内半径が６〜12cm以上と大口径化できるの
で、処理量の増大、処理速度の向上に効果的である。
（２）のごとく、上記の高周波電流の周波数を 500 kHz
以下として構成すれば、高周波電源素子として半導体を
使用することが可能となり、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Me
tal Oxide Semiconductor FieldTransistor）インバー
タを高周波電源として用いることができる。このインバ
ータは電力変換効率が９５％以上と高いので、これを適
用すれば誘導結合型プラズマ装置のエネルギー効率も大
幅に上昇する。また、高周波電流の周波数を 500 kHZ以
下とすれば、最適条件でプラズマを形成するために必要
な放電管の内半径が６〜12cm以上と大口径化できるの
で、処理量の増大、処理速度の向上に効果的である。
【００１７】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の誘導結合プラズ
マ装置の実施例の構成図である。誘導結合プラズマ装置
の本体部分の基本構成は図６に示した従来例と同様で、
放電管１Ａは石英材料より形成されており、その内半径
は 8 cm である。放電管１Ａの外側に巻装された高周波
誘導コイル２Ａに高周波電流を供給する電源は、ＭＯＳ
ＦＥＴインバータ１０と整合器１１よりなる高周波電源
であり、定格出力周波数は 450kHz である。
マ装置の実施例の構成図である。誘導結合プラズマ装置
の本体部分の基本構成は図６に示した従来例と同様で、
放電管１Ａは石英材料より形成されており、その内半径
は 8 cm である。放電管１Ａの外側に巻装された高周波
誘導コイル２Ａに高周波電流を供給する電源は、ＭＯＳ
ＦＥＴインバータ１０と整合器１１よりなる高周波電源
であり、定格出力周波数は 450kHz である。
【００１８】本構成においては、ガス導入部４Ａから放
電管１Ａの内部へとプラズマガスを導入し、高周波誘導
コイル２Ａに周波数 450kHz の高周波電流を供給して高
周波磁界を印加し、得られたプラズマ５Ａを放電管１Ａ
の図中下端から外部へ放出させて使用される。したがっ
て、放電管１Ａの内部のプラズマガスの圧力は、ほぼ１
気圧である。
電管１Ａの内部へとプラズマガスを導入し、高周波誘導
コイル２Ａに周波数 450kHz の高周波電流を供給して高
周波磁界を印加し、得られたプラズマ５Ａを放電管１Ａ
の図中下端から外部へ放出させて使用される。したがっ
て、放電管１Ａの内部のプラズマガスの圧力は、ほぼ１
気圧である。
【００１９】本構成の放電管の内半径ａ〔ｍ〕と印加す
る高周波磁界の周波数ｆ〔Hz〕の平方根との積は約 63
で、この値は前述の熱プラズマを得るための最適条件の
数値範囲にあり、最適化された熱プラズマが得られるこ
ととなる。また、本構成では、放電管の内半径が８cmと
従来の３cmに比べて大きくなり、面積は約７倍と大幅に
上昇しているので、形成された熱プラズマを材料の生成
や有害物の処理等に用いる際の処理量が大幅に増大し、
早い速度で処理することが可能となる。
る高周波磁界の周波数ｆ〔Hz〕の平方根との積は約 63
で、この値は前述の熱プラズマを得るための最適条件の
数値範囲にあり、最適化された熱プラズマが得られるこ
ととなる。また、本構成では、放電管の内半径が８cmと
従来の３cmに比べて大きくなり、面積は約７倍と大幅に
上昇しているので、形成された熱プラズマを材料の生成
や有害物の処理等に用いる際の処理量が大幅に増大し、
早い速度で処理することが可能となる。
【００２０】図２は、本実施例の構成の誘導結合プラズ
マ装置におけるエネルギー収支の測定結果を従来例と比
較して示した特性図で、（ａ）は本実施例の特性、
（ｂ）は従来例の特性である。周波数４MHz の真空管型
電源を用いた従来例では、電源の電力変換効率が極めて
低いので、電源と高周波誘導コイルでの損失が 65 ％に
も達し、プラズマに投入されるエネルギーはわずか 35
％に制限される。これに対して、周波数 450kHz のＭＯ
ＳＦＥＴインバータ１０を使用した本実施例の構成にお
いては、電源の電力変換効率が高く、電源と高周波誘導
コイルでの損失は 15 ％に止まり、プラズマに投入され
るエネルギーは注入エネルギーの 85 ％に達している。
マ装置におけるエネルギー収支の測定結果を従来例と比
較して示した特性図で、（ａ）は本実施例の特性、
（ｂ）は従来例の特性である。周波数４MHz の真空管型
電源を用いた従来例では、電源の電力変換効率が極めて
低いので、電源と高周波誘導コイルでの損失が 65 ％に
も達し、プラズマに投入されるエネルギーはわずか 35
％に制限される。これに対して、周波数 450kHz のＭＯ
ＳＦＥＴインバータ１０を使用した本実施例の構成にお
いては、電源の電力変換効率が高く、電源と高周波誘導
コイルでの損失は 15 ％に止まり、プラズマに投入され
るエネルギーは注入エネルギーの 85 ％に達している。
【００２１】
【発明の効果】上述のように、本発明においては、電気
絶縁性の放電管と、放電管の外側に巻装された高周波誘
導コイルと、放電管の一端に組み込まれてガス導入口を
備えてなり、ガス導入口から放電管の内部へプラズマガ
スを導入し、高周波誘導コイルに高周波電流を通電して
前記プラズマガスを熱プラズマ化する誘導結合プラズマ
装置において、 （１）放電管の内半径ａ〔ｍ〕と、高周波誘導コイルに
通電する高周波電流の周波数ｆ〔Hz〕の平方根との積ａ
×（ｆ）1/2 を、 40 乃至 80 の範囲の値として構成す
ることとしたので、装置の最適化が図られ、エネルギー
効率が高く、かつ処理速度の速い誘導結合型プラズマ装
置が得られることとなった。
絶縁性の放電管と、放電管の外側に巻装された高周波誘
導コイルと、放電管の一端に組み込まれてガス導入口を
備えてなり、ガス導入口から放電管の内部へプラズマガ
スを導入し、高周波誘導コイルに高周波電流を通電して
前記プラズマガスを熱プラズマ化する誘導結合プラズマ
装置において、 （１）放電管の内半径ａ〔ｍ〕と、高周波誘導コイルに
通電する高周波電流の周波数ｆ〔Hz〕の平方根との積ａ
×（ｆ）1/2 を、 40 乃至 80 の範囲の値として構成す
ることとしたので、装置の最適化が図られ、エネルギー
効率が高く、かつ処理速度の速い誘導結合型プラズマ装
置が得られることとなった。
【００２２】（２）さらに、上記の高周波電流の周波数
を 500 kHz以下として構成することとすれば、高周波電
源の電力変換効率を大幅に向上させることが可能となる
ので、エネルギー効率が高く、かつ処理速度の速い誘導
結合型プラズマ装置としてより好適である。
を 500 kHz以下として構成することとすれば、高周波電
源の電力変換効率を大幅に向上させることが可能となる
ので、エネルギー効率が高く、かつ処理速度の速い誘導
結合型プラズマ装置としてより好適である。
【図１】本発明の誘導結合プラズマ装置の実施例の構成
図
図
【図２】本実施例の構成の誘導結合プラズマ装置におけ
るエネルギー収支の測定結果を従来例と比較して示した
特性図
るエネルギー収支の測定結果を従来例と比較して示した
特性図
【図３】放電管内のプラズマガスに高周波磁界を印加し
て得られる熱プラズマの特性図
て得られる熱プラズマの特性図
【図４】凡そ１気圧の窒素に、周波数 450Ｈｚの高周波
磁界を印加して得られる熱プラズマのプラズマ維持最小
磁界強度の放電管内半径への依存性を示した特性図
磁界を印加して得られる熱プラズマのプラズマ維持最小
磁界強度の放電管内半径への依存性を示した特性図
【図５】凡そ１気圧の窒素に、周波数 450Ｈｚの高周波
磁界を印加して 10000、11000Ｋの熱プラズマを得るた
めに必要な印加磁界強度の放電管内半径への依存性を示
した特性図
磁界を印加して 10000、11000Ｋの熱プラズマを得るた
めに必要な印加磁界強度の放電管内半径への依存性を示
した特性図
【図６】従来の誘導結合プラズマ装置の基本構成を示す
断面図
断面図
１Ａ 放電管 ２Ａ 高周波誘導コイル ４Ａ ガス導入部 ５Ａ プラズマ １０ ＭＯＳＦＥＴインバータ １１ 整合器
Claims (2)
- 【請求項１】電気絶縁性の放電管と、放電管の外側に巻
装された高周波誘導コイルと、放電管の一端に組み込ま
れてガス導入口を備えてなり、ガス導入口から放電管の
内部へプラズマガスを導入し、高周波誘導コイルに高周
波電流を通電して前記プラズマガスを熱プラズマ化する
誘導結合プラズマ装置において、 放電管の内半径ａ〔ｍ〕と高周波誘導コイルに通電する
高周波電流の周波数ｆ〔Hz〕の平方根との積ａ×（ｆ）
1/2 が、 40 乃至 80 の範囲にあることを特徴とする誘
導結合プラズマ装置。 - 【請求項２】前記の高周波電流の周波数が 500 kHz以下
であることを特徴とする請求項１に記載の誘導結合プラ
ズマ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10051685A JPH11251088A (ja) | 1998-03-04 | 1998-03-04 | 誘導結合プラズマ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10051685A JPH11251088A (ja) | 1998-03-04 | 1998-03-04 | 誘導結合プラズマ装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11251088A true JPH11251088A (ja) | 1999-09-17 |
Family
ID=12893757
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10051685A Withdrawn JPH11251088A (ja) | 1998-03-04 | 1998-03-04 | 誘導結合プラズマ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11251088A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003067642A1 (en) * | 2002-02-08 | 2003-08-14 | Kwang-Ho Kwon | Device for producing inductively coupled plasma and method thereof |
| WO2008114719A1 (ja) * | 2007-03-15 | 2008-09-25 | Rohm Co., Ltd. | ラジカル発生装置及びＺｎＯ系薄膜 |
| JP2010225308A (ja) * | 2009-03-19 | 2010-10-07 | Kanazawa Univ | 誘導熱プラズマ発生方法及び装置 |
| WO2016209007A1 (ko) * | 2015-06-25 | 2016-12-29 | 한국기계연구원 | 이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치 및 이를 이용한 나노 입자 생성 장치 |
-
1998
- 1998-03-04 JP JP10051685A patent/JPH11251088A/ja not_active Withdrawn
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003067642A1 (en) * | 2002-02-08 | 2003-08-14 | Kwang-Ho Kwon | Device for producing inductively coupled plasma and method thereof |
| US7090742B2 (en) | 2002-02-08 | 2006-08-15 | Kwang-Ho Kwon | Device for producing inductively coupled plasma and method thereof |
| WO2008114719A1 (ja) * | 2007-03-15 | 2008-09-25 | Rohm Co., Ltd. | ラジカル発生装置及びＺｎＯ系薄膜 |
| JP2008223123A (ja) * | 2007-03-15 | 2008-09-25 | Rohm Co Ltd | ラジカル発生装置 |
| JP2010225308A (ja) * | 2009-03-19 | 2010-10-07 | Kanazawa Univ | 誘導熱プラズマ発生方法及び装置 |
| WO2016209007A1 (ko) * | 2015-06-25 | 2016-12-29 | 한국기계연구원 | 이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치 및 이를 이용한 나노 입자 생성 장치 |
| US10785860B2 (en) | 2015-06-25 | 2020-09-22 | Korea Institute Of Machinery & Materials | Double-frequency power-driven inductively coupled plasma torch, and apparatus for generating nanoparticle using same |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040308 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050104 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050301 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20060703 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20060704 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060725 |
|
| A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20060925 |