JP2009070586A - プラズマ生成方法、プラズマ生成装置、プラズマ生成装置用キャビティー及び計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光源101から発せられた光を物質Pに集光させこの物質Pにブレークダウン閾値以上のエネルギーを与え、光の集光位置に向けて電磁波発振器105により電磁波を放射し、光照射により生成されたプラズマにエネルギーを供給する。光と電磁波とを同期的に制御して、光の照射タイミングと電磁波の放射タイミングとを制御する。その結果、電子が加速され、その電子が中性の原子と衝突することにより、中性原子が電離される。電離により生成された電子も同様に働くので、雪崩式に電離が進行する。これにより、プラズマ中のエネルギー密度が高くなり、プラズマが拡大する。
【選択図】図1
Description
光源から発せられた光を集光させこの光の集光する位置に存在する物質にブレークダウン閾値以上のエネルギーを与える第1工程と、光の集光位置に向けて電磁波を放射し第1工程により生成されたプラズマ近傍の領域にエネルギーを供給する第2工程とを有し、光と電磁波とを同期的に制御して、光の照射タイミングと電磁波の放射タイミングとを制御することを特徴とするプラズマ生成方法。
構成1を有するプラズマ生成方法において、光源から発せられた光は、レーザー光であることを特徴とするものである。
構成1、または、構成2を有するプラズマ生成方法において、電磁波は、マイクロ波パルスであることを特徴とするものである。
光を発する光源と、光源から発せられた光を集光する集光光学系と、電磁波を発振する電磁波発振器と、光が集光される位置に存在する物質により光の照射により生成されたプラズマに向けて電磁波を放射するアンテナと、電磁波発振器を制御する制御装置とを備え、制御装置は、光と電磁波とを同期的に制御して、光の照射タイミングと電磁波の放射タイミングとを制御することを特徴とするものである。
光を発する光源と、光源から発せられた光を導く光ファイバーと、光ファイバーにより導かれた光を集光する集光光学系と、電磁波を発振する電磁波発振器と、光が集光される位置に存在する物質により光の照射により生成されたプラズマに向けて電磁波を放射するアンテナと、電磁波発振器を制御する制御装置とを備え、制御装置は、光と電磁波とを同期的に制御して、光の照射タイミングと電磁波の放射タイミングとを制御することを特徴とするものである。
光を発する光源と、光源から発せられた光を導いて生体内の患部付近に照射する光ファイバーと、生体の組織破壊を起こさないエネルギー密度の電磁波を発振する電磁波発振器と、光の照射により患部付近に生成されたプラズマ近傍に向けて電磁波を生体外から放射するアンテナと、電磁波発振器を制御する制御装置とを備え、制御装置は、光と電磁波とを同期的に制御して、光の照射タイミングと電磁波の放射タイミングとを制御することを特徴とするものである。
構成6を有するプラズマ生成装置において、光ファイバーと、アンテナとは、一体的に構成されていることを特徴とするものである。
構成4乃至構成7のいずれか一を有するプラズマ生成装置において、光源から発せられる光は、レーザー光であることを特徴とするものである。
構成4乃至構成8のいずれか一を有するプラズマ生成装置において、電磁波は、マイクロ波パルスであることを特徴とするものである。
構成9を有するプラズマ生成装置において、電磁波発振器は、制御装置により制御されるパルス電源から電源供給されることにより、マイクロ波パルスを発振することを特徴とするものである。
構成9、または、構成10を有するプラズマ生成装置において、マイクロ波発振器により発振されたマイクロ波パルスは、マイクロ波伝送系を介して、アンテナに伝送されることを特徴とするものである。
構成4乃至構成11のいずれか一を有するプラズマ生成装置におけるプラズマの生成領域を覆うプラズマ生成装置用キャビティーであって、導電体からなりアンテナを収容しアンテナから放射される電磁波により形成させる強電場の領域を臨む位置に光が入射される入射窓を有する主筒と、入射窓の周囲部において主筒に接続され主筒の外方側に向けて延在された側筒とを備え、側筒は、アンテナから放射される電磁波の波長に応じて定められた長さを有することを特徴とするものである。
構成4乃至構成11のいずれか一を有するプラズマ生成装置と、プラズマ生成装置により生成されたプラズマから発せられた光を計測する計測手段とを備えたことを特徴とするものである。
図1は、本発明に係るプラズマ生成方法を実行する本発明に係るプラズマ生成装置の第1の実施の形態における構成を示すブロック図である。
以下に示す動作例1においては、レーザー光を用いたブレークダウンにより生じる電子を契機として、マイクロ波のエネルギーを用いたプラズマ生成を行う。
以下に示す動作例2においては、レーザー光を用いたブレークダウンにより生じたプラズマにマイクロ波のエネルギーを吸収させ、もってブレークダウン領域で生じたプラズマを拡大成長させる。なお、この動作例2においては、前述のように、強電場領域は、ブレークダウン領域と重なり、または、ブレークダウン領域自体を内包する。また、この動作例2においては、マイクロ波の放射は、レーザー光の照射時刻以前に開始され、強電場領域の形成開始時刻は、ブレークダウン領域にレーザー光のみによって生じるプラズマの消失時刻以前である。
このプラズマ生成装置においては、レーザー光を使用することにより、プラズマの生成位置やタイミングを容易に制御することができ、マイクロ波アシストにより大体積、高放射強度のプラズマが得られる。すなわち、所望の位置及びタイミングで、大体積、高放射強度のプラズマを容易に生成できる。
本実施の形態によれば、プラズマ生成の契機となるブレークダウンをレーザー光照射によって行う。これは前述の作用効果に加え、次のような望ましい作用効果を奏する。すなわち、レーザー光によりブレークダウンが誘起される確率は、光子とプラズマの原料物質との衝突確率に依存するため、焦点までの光路における光の透過効率さえ確保されれば、高圧力、高密度の雰囲気中でのプラズマ生成が容易である。また、焦点までの光路における光の透過効率さえ確保されれば、プラズマの生成領域近傍に電極等を設置しなくてもプラズマが生成できる。このことは、プラズマ生成位置の選択性の向上及びプラズマの汚染低減に資する。
本実施の形態によれば、マイクロ波の放射によってプラズマの拡大成長を行う。これは前述の作用効果に加え、次のような望ましい作用効果を奏する。すなわち、マイクロ波を用いた直接的な絶縁破壊によるプラズマ生成より、低電力でのプラズマ生成が可能である。
アンテナを用いることにより、所望の位置に向けてマイクロ波を放射することが可能である。マイクロ波を対向する電極対に印加したり、コイルに印加するより、空間的な選択の幅が広がる。よって、設計の自由度が増す。
レーザー光誘起プラズマは、通常は極めて短時間で消滅するが、本発明においては、マイクロ波の放射時間を制御することにより、プラズマの維持時間を制御可能である。プラズマ温度の上昇時間より生成時間を長くすることで、熱プラズマの生成が可能である。
図2は、本発明に係るプラズマ生成方法を実行する本発明に係るプラズマ生成装置の第2の実施の形態における構成を示す斜視図である。
本発明レーザープラズマ生成装置は、制御装置を用いてレーザー光源自体を制御するのではなく、光源から焦点まで光の透過を制御することにより、レーザー光のON−OFFを制御するようにしてもよい。
本実施の形態においては、レーザー光路の遮断及び開放により、レーザー光を直接的に制御することにより、プラズマの生成タイミングを決定する。これにより、レーザー装置自体の駆動を制御するより、容易にかつ種々のタイミング制御を実現することができる。本実施の形態に係るレーザー光は、第1の実施の形態のそれと同様、高出力のものを要しない。したがって、チョッパの損耗が少ない。
本実施の形態においては、チョッパを用いて、レーザー光の焦点Fへの照射時刻の制御を行ったが、レーザー光路上に種々の光学部品を組合せて配置することにより、プラズマ生成のためのより高度な制御を実現することが可能になる。
図5は、本発明に係るプラズマ生成方法を実行する本発明に係るプラズマ生成装置の第4の実施の形態における構成を示すブロック図である。
本発明に係る計測装置は、前述のプラズマ生成装置と、LIBS(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)の計測系を有して構成される。LIBSの計測系は、受光用光学系、分光器、受光素子、信号処理装置、演算装置からなる。
この装置においては、第1の実施の形態、または、第4の実施の形態に係るプラズマ生成装置及びプラズマ生成方法により生成されるプラズマを用いたLIBS計測が可能になる。したがって、第1の実施の形態、または、第4の実施の形態の奏する望ましい作用及び効果をLIBS計測において実現することが可能になる。
図6は、本発明に係るプラズマ生成装置の第4の実施の形態におけるキャビティーの形状を示す一部断面斜視図である。
上述の各実施の形態において、プラズマ生成装置は、単一のレーザー光源を有するものであった。しかし、レーザー光源は複数であってもよい。それら複数のレーザー光源は、各々がブレークダウンに十分なエネルギーを発するものであってもよい。また、それら複数のレーザー光源からの光を一点に集中させることによって、一のブレークダウン領域を形成するようにしてもよい。
102,202 集光光学系
103,203,303,503 制御装置
104,204 パルス電源
105,205 マイクロ波発振器
106,206,406 アンテナ
207 マイクロ波伝送系
208 光ファイバー
310 チョッパ
410 キャビティー
511 導波管
512 アイソレータ・サーキュレータ
513 同軸導波管変換器
514 同軸ケーブル
520 ビームサンプラー
521A,521B パワーメーター
522 受光光学系
523 光ファイバー
524 分光器
525 光センサ
526 信号増幅器
527 コンピュータ
Claims (13)
- 光源から発せられた光を集光させ、この光の集光する位置に存在する物質にブレークダウン閾値以上のエネルギーを与える第1工程と、
前記光の集光位置に向けて電磁波を放射し、前記第1工程により生成されたプラズマ近傍の領域にエネルギーを供給する第2工程と
を有し、
前記光と前記電磁波とを同期的に制御して、前記光の照射タイミングと前記電磁波の放射タイミングとを制御する
ことを特徴とするプラズマ生成方法。 - 前記光源から発せられた光は、レーザー光である
ことを特徴とする請求項1記載のプラズマ生成方法。 - 前記電磁波は、マイクロ波パルスである
ことを特徴とする請求項1、または、請求項2記載のプラズマ生成方法。 - 光を発する光源と、
前記光源から発せられた光を集光する集光光学系と、
電磁波を発振する電磁波発振器と、
前記光が集光される位置に存在する物質により前記光の照射により生成されたプラズマに向けて前記電磁波を放射するアンテナと、
前記電磁波発振器を制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、前記光と前記電磁波とを同期的に制御して、前記光の照射タイミングと前記電磁波の放射タイミングとを制御する
ことを特徴とするプラズマ生成装置。 - 光を発する光源と、
前記光源から発せられた光を導く光ファイバーと、
前記光ファイバーにより導かれた光を集光する集光光学系と、
電磁波を発振する電磁波発振器と、
前記光が集光される位置に存在する物質により前記光の照射により生成されたプラズマに向けて前記電磁波を放射するアンテナと、
前記電磁波発振器を制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、前記光と前記電磁波とを同期的に制御して、前記光の照射タイミングと前記電磁波の放射タイミングとを制御する
ことを特徴とするプラズマ生成装置。 - 光を発する光源と、
前記光源から発せられた光を導いて生体内の患部付近に照射する光ファイバーと、
生体の組織破壊を起こさないエネルギー密度の電磁波を発振する電磁波発振器と、
前記光の照射により前記患部付近に生成されたプラズマ近傍に向けて前記電磁波を生体外から放射するアンテナと、
前記電磁波発振器を制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、前記光と前記電磁波とを同期的に制御して、前記光の照射タイミングと前記電磁波の放射タイミングとを制御する
ことを特徴とするプラズマ生成装置。 - 前記光ファイバーと、前記アンテナとは、一体的に構成されている
ことを特徴とする請求項6記載のプラズマ生成装置。 - 前記光源から発せられる光は、レーザー光である
ことを特徴とする請求項4乃至請求項7のいずれか一に記載のプラズマ生成装置。 - 前記電磁波は、マイクロ波パルスである
ことを特徴とする請求項4乃至請求項8のいずれか一に記載のプラズマ生成装置。 - 前記電磁波発振器は、前記制御装置により制御されるパルス電源から電源供給されることにより、マイクロ波パルスを発振する
ことを特徴とする請求項9記載のプラズマ生成装置。 - 前記マイクロ波発振器により発振された前記マイクロ波パルスは、マイクロ波伝送系を介して、前記アンテナに伝送される
ことを特徴とする請求項9、または、請求項10記載のプラズマ生成装置。 - 請求項4乃至請求項11のいずれか一に記載のプラズマ生成装置におけるプラズマの生成領域を覆うプラズマ生成装置用キャビティーであって、
導電体からなり、前記アンテナを収容し、前記アンテナから放射される電磁波により形成させる強電場の領域を臨む位置に前記光が入射される入射窓を有する主筒と、
前記入射窓の周囲部において前記主筒に接続され、前記主筒の外方側に向けて延在された側筒と
を備え、
前記側筒は、前記アンテナから放射される電磁波の波長に応じて定められた長さを有する
ことを特徴とするプラズマ生成装置用キャビティー。 - 請求項4乃至請求項11のいずれか一に記載のプラズマ生成装置と、
前記プラズマ生成装置により生成されたプラズマから発せられた光を計測する計測手段と
を備えたことを特徴とする計測装置。
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