JP2010232109A - Ｌｆプラズマジェット生成方法とｌｆプラズマジェット生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＦプラズマジェット生成方法において、ヘリウムガスより電離電圧の高いガス（アルゴンガス）をより低い電圧でプラズマを発生してプラズマジェットを生成すること。
【解決手段】ヘリウム（Ｈｅ）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスを混合してガス供給管４１へ供給し、電源４４から所定周波数の電圧を電極４３に印加してプラズマを発生し、プラズマジェット４５を生成する。その後ヘリウムガスの供給を停止してアルゴンガスのプラズマジェット４５の発生を持続する。ヘリウムガスのプラズマは、アルゴンガスを放電させてプラズマを発生するときの点火手段として使用する。
【選択図】図１

Description

本願発明は、低周波電源により媒体ガスを大気圧中で放電させて低周波プラズマジェット（ＬＦプラズマジェット）を生成するＬＦプラズマジェット生成方法とＬＦプラズマジェット生成装置に関する。

ＬＦプラズマジェット生成装置は、従来種々提案されているが、その一つとしてガラス管等のガス供給管の周囲に電極を同軸状に取付け、その電極にパルス電源を接続してＬＦプラズマジェットを生成する装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。

図２は、従来のガス供給管の周囲に電極を同軸状に取付けたＬＦプラズマジェット生成装置の構成を示す。
図２（ａ１），（ａ２）は、媒体ガスにヘリウム（Ｈｅ）ガスを用いるＬＦプラズマジェット生成装置の構成を示し、図２（ｂ）は、媒体ガスにアルゴンガスを用いるＬＦプラズマジェット生成装置の構成を示す。
まず図２（ａ１），（ａ２）について説明する。
図２（ａ１）は、ＬＦプラズマジェット生成装置の平面図、図２（ａ２）は、図２（ａ１）のＸ１部分の矢印方向の断面図である。

ガラスからなるガス供給管１１の周囲に電極１２を同軸状に取付けてあり、電極１２には、所定周波数の電源（例えばパルス電源）１３の一端を接続し、電源１３の他端は接地してある。ガス供給管１１は、所定の内径（例えば数ｍｍ）のものを用い、電源１３は、１０ｋＨｚ，６〜１０ｋＶ程度のものを用いている。なおＬＦプラズマジェットの生成に用いる電源は、一般に数ｋＨｚ〜３００ｋＨｚ帯の周波数が用いられているが、その範囲に限らず時間的に或いは周期的に電圧が変化する電源であればよい。
ガス供給管１１へボンベ等のガス源（図示せず）からヘリウム（Ｈｅ）ガスを供給し、電極１２に電源１３から所定周波数の電圧（例えばパルス状の電圧）を印加すると、電極１２によりその電極近傍に集中的に電場が発生し、ガラス管１１内のヘリウムガスは、その電場により部分放電してプラズマ塊を周期的に発生する。プラズマ魂は、ガラス管１１の端部の開口部からプラズマジェット１４となって射出される。
ガス供給管１１は、ガラス以外の誘電体、金属、プラスチック製のものも用いることもできる。また電極１２は、ガス供給管１１の外周の一部を覆うように設けてもよい。

次に図２（ｂ）について説明する。
図２（ｂ）は、ＬＦプラズマジェット生成装置の断面図である。
ＬＦプラズマジェット生成装置は、ガス供給管２１１に隣接して補助ガス供給管２１２を設けてある。ガス供給管２１１は、図１（ａ１）のガス供給管１１に相当し、周囲に電極２２１を取付けてある。補助ガス供給管２１２の内部には、補助電極２２２を設けてある。電源２３は、電極２２１と補助電極２２２に接続してある。
ガス供給管２１１、補助ガス供給管２１２にガス源（図示せず）からアルゴン（Ａｒ）ガスを供給し、両電極に電源２３から所定周波数の電圧を印加すると、両ガス供給管内において電極２２１と補助電極２２２の間に沿面放電２５が発生し、その沿面放電２５によって電子、ラジカル等が発生する。ガス供給管２１１内のアルゴンガスは、電極２２１によって発生した電場と沿面放電２５によって発生した電子、ラジカル等とが相俟って部分放電する。その放電によりアルゴンガスのプラズマ塊が発生し、プラズマ魂はプラズマジェット２４となって射出される。

ＷＯ２００８／０７２３９０号公報

アルゴンガスは、ヘリウムガスよりも大気圧中における電離電圧（放電開始電圧）が高いため、図１（ａ１）の装置はプラズマを発生できないが、図２（ｂ）の装置は、沿面放電２５によって発生した電子、イオン、ラジカル等がアルゴンガスに作用するため大気圧中の電離電圧が低くなりプラズマを発生することができる。しかしながら、図２（ｂ）の装置は、二つのガス供給管を隣接して配置し、また補助ガス供給管２１２の内部に補助電極を取付け、その補助電極に電源を接続しなければならないから、構造が複雑になり製造も容易でないためコストが高くなる。また補助電極２２２は、補助ガス供給管２１２の内部に取付けるから沿面放電によって損傷を受ける恐れがある。
本願発明は、図１（ｂ）のＬＦプラズマジェット生成装置の前記問題点に鑑み、図１（ｂ）の補助ガス供給管を設けることなく、アルゴンガス等ヘリウムガスよりも電離電圧の高いガスを低い電圧で放電させてプラズマを発生し、プラズマジェットを生成できるＬＦプラズマジェット生成方法及びＬＦプラズマジェット生成装置を提供することを目的とする。

本願発明は、その目的を達成するため、請求項１に記載のＬＦプラズマジェット生成方法は、ガス供給管の外周に放電電場を発生する電極を設けたＬＦプラズマジェット生成装置において、ヘリウムガスとヘリウムガスより電離電圧の高いガスを混合してガス供給管へ供給し、電極に所定周波数の電圧を印加して両ガスのプラズマを発生し、その後ヘリウムガスの供給を停止することを特徴とする。
請求項２に記載のＬＦプラズマジェット生成方法は、請求項１に記載のＬＦプラズマジェット生成方法において、ヘリウムガスより電離電圧の高いガスは、アルゴンガスであることを特徴とする。
請求項３に記載のＬＦプラズマジェット生成装置は、ガス供給管の外周に放電電場を発生する電極を設けたＬＦプラズマジェット生成装置において、電極に所定周波数の電圧を印加する電源、ヘリウムガスとヘリウムガスより電離電圧の高いガスを混合してガス供給管へ供給する混合ガス供給手段を備え、両ガスのプラズマが発生した後ヘリウムガスの供給を停止する手段を備えていることを特徴とする。
請求項４に記載のＬＦプラズマジェット生成装置は、請求項３に記載のＬＦプラズマジェット生成装置において、ヘリウムガスより電離電圧の高いガスは、アルゴンガスであることを特徴とする。

本願発明は、ヘリウムガスとヘリウムガスより電離電圧の高いアルゴンガス等を混合してガス供給管へ供給し、発生したヘリウムガスのプラズマをアルゴンガス等の点火手段として用いるから、アルゴンガス等は、単独の場合よりも低い電圧で放電してプラズマを発生する。したがって本願発明は、アルゴンガス等のプラズマの発生に用いる電源の電圧を低くできるから、その電源装置は、小型になりコストも安くなる。
本願発明は、ＬＦプラズマジェット生成にヘリウムガスより安価なアルゴンガス等を用いることができるから、ＬＦプラズマジェット生成装置を安価に稼動することができ、ＬＦプラズマジェットを用いて各種の処理を安価に実施できる。

図１は、本願発明の実施例に係るＬＦプラズマジェット生成装置の構成を示す。 図２は、従来のＬＦプラズマジェット生成装置の構成を示す。

本願発明は、大気圧中において電離電圧（放電開始電圧）がヘリウムガスよりも高いアルゴンガスを、より低い電圧で放電させて低周波プラズマジェット（ＬＦプラズマジェット）を生成するため、ヘリウム予備電離法によりアルゴンガスの放電の点火を行う。本願発明のヘリウム予備電離法は、アルゴンガスが放電を開始する時だけヘリウムガスとアルゴンガスの混合ガスを用い、アルゴンガスの放電開始後は、ヘリウムガスの供給を停止してアルゴンガスのみで放電を持続し、プラズマジェットの生成を持続できる。放電開始時にヘリウムガスとアルゴンガスの混合ガスを用いると、ヘリウムガスは、アルゴンガスよりも低い電圧で放電して電子、ラジカル等を発生するから、その電子、ラジカル等がアルゴンガスに作用してアルゴンガスの電離電圧を低くすることができる。

ヘリウムガスとアルゴンガスは、最初から混合してガス供給管へ供給し、ヘリウムガスのプラズマによりアルゴンガスに点火してアルゴンガスのプラズマが発生した後にヘリウムガスの供給を停止するようにしてもよいし、或いは最初ヘリウムガスのみを供給してヘリウムガスのプラズマが発生した後、アルゴンガスを混合してアルゴンガスのプラズマを発生し、その後ヘリウムガスの供給を停止するようにしてもよい。
本願発明は、アルゴンガスに限らず、大気圧中における電離電圧（放電開始電圧）がヘリウムガスよりも高い媒体ガスのプラズマの発生に適用することができる。

図１により本願発明の実施例に係るＬＦプラズマジェット生成装置とＬＦプラズマジェット生成方法を説明する。
まず図１（ａ１），（ａ２）について説明する。
図１（ａ１）は、ＬＦプラズマジェット生成装置の平面図、図１（ａ２）は、図１（ａ１）のＸ１部分の矢印方向の断面図である。なお図１（ａ１）のＬＦプラズマジェット生成装置の構成及び使用する電源は、図２（ａ１）のＬＦプラズマジェット生成装置と同じものを使用できるから、一部の説明は省略してある。
ガラスからなるガス供給管４１の周囲には、電極４３を同軸状に取付けてあり、電極４３には、所定周波数の電源（例えばパルス電源）４４の一端を接続し、電源４４の他端は接地してある。ガス供給管４１は、所定の内径（例えば数ｍｍ）のものを用い、電源４４は、例えば１０ｋＨｚ，１０ｋＶ程度のものを用いる。
ガス供給管４１は、ガラスの外金属、プラスチック製のものも用いることができる。また電極４３は、放電電場を発成できればよいから、ガス供給管４１の外周の一部を覆うように取付けてもよい。

ガス供給管４１の一方の端部には、ヘリウム（Ｈｅ）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスを混合して供給する混合ガス供給部４２を取付けてある。混合ガス供給管部４２は、ヘリウムガス供給管部４２１とアルゴンガス供給管部４２２を備えている。ヘリウムガス供給管部４２１とアルゴンガス供給管部４２２は、ゴム管等によってボンベ等のガス源（図示せず）に接続されている。ヘリウム（Ｈｅ）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスは、混合ガス供給部４２において混合してガス供給管４１へ供給する。
ヘリウムガス供給管部４２１、アルゴンガス供給管部４２２とガス源の間、或いはヘリウムガス供給管部４２１とアルゴンガス供給管部４２２に、ガスの供給・停止を行う弁（バルブ、図示せず）を設けてある。弁は、手動で操作するものでもよいし、電磁弁のように電気的に作動するものでもよい。

ヘリウムガスとアルゴンガスは、同時にガス供給管４１へ供給し、電極４３に電源４３から所定周波数の電圧（例えばパルス状の電圧）を印加すると、ガス供給管４１内のヘリウムガスは、電極４３によりその電極近傍に集中的に発生した電場により部分放電してプラズマ塊を形成し、電子、ラジカル等を発生する。ガス供給管４１内のアルゴンガスは、その電子、ラジカル等の衝突電離および、電極４３によって発生した電場により放電してプラズマ塊を生成する。発生したプラズマ魂は、ガス供給管４１の開口部からプラズマジェット４５となって射出される。アルゴンガスが放電を開始すると、弁を作動してヘリウムガスの供給を停止する。以後はアルゴンガスのプラズマジェット４５が持続して周期的に射出される。アルゴンガスは、ヘリウムガスのプラズマによって点火するから、アルゴンガス単独の場合よりも低い電圧で放電させることができる。
ヘリウムガスとアルゴンガスは、前記のように同時に供給する代わりに、まずヘリウムガスをガス供給管４１へ供給してヘリウムガスのプラズマを発生してから、ヘリウムガスにアルゴンガスを混合して供給し、アルゴンガスが点火してプラズマが発生した後ヘリウムガスの供給を停止してもよい。

次に図１（ｂ）について説明する。
図１（ｂ）のＬＦプラズマジェット生成装置は、図１（ａ１），（ａ２）のＬＦプラズマジェット生成装置に電極４３２を付加した点が図１（ａ１），（ａ２）と相違している。即ち図１（ａ１），（ａ２）の場合は、電源４４に接続する電極は電極４３のみの単電極構造であるが、図１（ｂ）の場合は、電極４３１，４３２を設けて両電極に電源４４を接続する２電極構造である。図１（ａ１），（ａ２）の場合、ガス供給管４１内の放電は、電極４３と遠方の接地電位と間に発生するが、図１（ｂ）の場合、放電は、電極４３１，４３２の間に発生する。

前記実施例のＬＦプラズマジェット生成装置につき、アルゴンガスがプラズマを発生した後ヘリウムガスの供給を停止した状態におけるプラズマジェット４５の成分を分光法により分析した結果、ヘリウムイオンおよび原子のスペクトルは検出されず、アルゴンが支配的であることが確認できた。その分析結果から、ヘリウムガスは、初期のアルゴンプラズマの発生にのみ寄与し、その点火後は、アルゴンガスのみでプラズマジェットが生成されていることが分かる。
前記実施例は、ヘリウムとアルゴンガスについて説明したが、本願発明のヘリウム予備電離法による点火方法は、大気圧における電離電圧がヘリウムガスよりも高いアルゴンガス以外の媒体ガスにも適用することができる。

４１ ガス供給管
４２ 混合ガス供給部
４２１，４２２ ヘリウムガス供給管部、アルゴンガス供給管部
４３，４３１，４３２ 電極
４４ 電源
４５ プラズマジェット

Claims (4)

1. ガス供給管の外周に放電電場を発生する電極を設けたＬＦプラズマジェット生成装置において、ヘリウムガスとヘリウムガスより電離電圧の高いガスを混合してガス供給管へ供給し、電極に所定周波数の電圧を印加して両ガスのプラズマを発生し、その後ヘリウムガスの供給を停止することを特徴とするＬＦプラズマジェット生成方法。
2. 請求項１に記載のＬＦプラズマジェット生成方法において、前記ヘリウムガスより電離電圧の高いガスは、アルゴンガスであることを特徴とするＬＦプラズマジェット生成方法。
3. ガス供給管の外周に放電電場を発生する電極を設けたＬＦプラズマジェット生成装置において、電極に所定周波数の電圧を印加する電源、ヘリウムガスとヘリウムガスより電離電圧の高いガスを混合してガス供給管へ供給する混合ガス供給手段を備え、両ガスのプラズマが発生した後ヘリウムガスの供給を停止する手段を備えていることを特徴とするＬＦプラズマジェット生成装置。
4. 請求項３に記載のＬＦプラズマジェット生成装置において、前記ヘリウムガスより電離電圧の高いガスは、アルゴンガスであることを特徴とするＬＦプラズマジェット生成装置。

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