JP2018170216A - プラズマ生成装置及びこれを用いたプラズマ生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高密度かつ長尺なプラズマジェットを生成することができる装置を提供する。【解決手段】本発明のプラズマ生成装置１は、先端と後端を有しており、先端側からプラズマを噴出させるための管状体２と、管状体２に接続されて、管状体２内に媒質ガスを供給するガス供給部と、管状体２の外表面に設けられ、接地電位を含む定電位に接続されている第１電極１１と、管状体２の外表面であって第１電極１１の後端よりも後方に設けられ、１００ｋＨｚ以上の高周波電位が印加される第２電極１２と、を有し、管状体２の長軸方向において、第１電極１１の長さＬ１が第２電極１２の長さＬ２よりも短いものである。【選択図】図１

Description

本発明は電極に高周波電位を印加することでプラズマを生成する装置、およびこれを用いたプラズマ生成方法に関する。

真空設備を必要とせず、大気圧下で使用可能な大気圧低温プラズマジェット（プラズマ噴出流）は、ポリマーの親水化処理等の工業用のほか、止血や創傷治癒等の医療目的で使用されている。例えば、特許文献１には、管状体の外表面に設けられた電極に１０ｋＨｚ程度の低周波電圧を印加して放電させることにより、噴出口から細く延びる低周波プラズマジェットを生成することができるＬＦ（低周波）プラズマジェット生成装置が開示されている。しかし、従来の装置によれば、最大約６０ｍｍのジェット長を得ることができるものの、高密度プラズマを生成することが困難である。

そこで、ＭＨｚオーダーの周波数帯の高周波電位を印加することで駆動する高周波プラズマジェット生成装置が開発されている。非特許文献１には、石英管内に針状電極が配置され、石英管の外表面であって先端側に接地電極が配置されている高周波プラズマジェット生成装置が開示されている。非特許文献２には、石英管の外表面に単一電極が配置されている高周波プラズマジェット生成装置が開示されている。高周波プラズマジェット生成装置によれば、電子やイオンを放電空間に効率的に閉じ込めることができるため、高密度にプラズマや反応性の高い中性の活性種を生成することができる。

特許第４６７７５３０号公報

Weltmannet al.,"Atmospheric Pressure Plasma Jet for Medical Therapy: Plasma Parameters and Risk Estimation",Contributions to Plasma Physics,2009, vol.49,pages 631-640. Walsh et al., "Contrasting characteristics of linear-field and cross-field atmospheric plasma jets",Applied Physics Letters, 2008, vol.93, 111501.

しかし、非特許文献１〜２に開示されているような高周波電源を用いたプラズマ生成装置により生成されたプラズマのジェット長はせいぜい１０ｍｍ程度であり、高密度かつ長尺なプラズマジェットを得るという観点からは改善の余地がある。
そこで、本発明は、高密度かつ長尺なプラズマジェットを生成することができる装置を
提供することを目的とする。

上記課題を解決し得た本発明のプラズマ生成装置は、先端と後端を有しており、先端側からプラズマを噴出させるための管状体と、管状体に接続されて、管状体内に媒質ガスを供給するガス供給部と、管状体の外表面に設けられ、接地電位を含む定電位に接続されている第１電極と、管状体の外表面であって第１電極の後端よりも後方に設けられ、１００ｋＨｚ以上の高周波電位が印加される第２電極と、を有し、管状体の長軸方向において、第１電極の長さＬ１が第２電極の長さＬ２よりも短い点に要旨を有する。このように第１電極の長さを第２電極の長さよりも短くすることによって、管状体の先端から噴出するプラズマ（プラズマジェット）を高密度かつ長尺に生成することができる。

第２電極の長さＬ２に対する第１電極の長さＬ１の比率（Ｌ１／Ｌ２）が０．８以下であることが好ましい。このようにＬ１／Ｌ２を設定することによって長尺なプラズマジェットが得られやすくなる。

管状体の長軸方向において、第１電極の長さＬ１が０．５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが好ましい。第１電極の長さＬ１を上記範囲に設定することによって長尺なプラズマジェットが得られやすくなる。

管状体の長軸方向において、第１電極の後端から第２電極の先端までの長さが、第１電極の長さの０．１倍以上であることが好ましい。このように第１電極の後端から第２電極の先端までの長さを設定することで、第１電極と第２電極の間で放電が起こりやすくなる。

管状体の長軸方向における第２電極の長さＬ２が、管状体の外径の１倍以上の長さであることが好ましい。管状体の外径と第２電極の長さを上記範囲に設定することによって長尺なプラズマジェットが得られやすくなる。

第１電極の先端が、管状体の先端から２０ｍｍ以内の領域に設けられていることが好ましい。このように第１電極の先端を設けることにより、管状体の先端から噴出するプラズマジェットの長さを確保することができる。

第１電極の外表面および第２電極の外表面が絶縁体により被覆されていることが好ましい。このように第１電極と第２電極の双方が絶縁体により被覆されていれば、管状体の外側でのプラズマジェットや他の電極との間での意図しない放電の発生を抑制することができる。

本発明のプラズマ生成装置は、管状体の外表面であって第２電極の後端よりも後方に設けられ、接地電位を含む定電位に接続されている第３電極と、管状体の外表面であって第３電極の後端よりも後方に設けられ、直流パルス電位または低周波電位が印加される第４電極と、を有していてもよい。このように第３電極と第４電極を設けることにより、第３電極と第４電極間で放電が起こりプラズマが生成される。生成されたプラズマ中の荷電粒子や励起粒子が第２電極付近まで到達することにより、これら荷電粒子や励起粒子が第１電極と第２電極の間の放電における種火として機能するため、第１電極と第２電極との間で放電が起こりやすくなる。

本発明はまた、プラズマ生成方法も提供する。本発明のプラズマ生成方法は、上記プラズマ生成装置を用いて、管状体の先端からプラズマを噴出させる方法であって、第１媒質ガスを管状体内に供給するステップＡと、第４電極に直流パルス電位または低周波電位を印加するステップＢと、さらに第２媒質ガスを管状体内に供給するステップＣと、第１媒質ガスの供給を停止するステップＤと、第２電極に高周波電位を印加するステップＥと、第４電極への直流パルス電位または低周波電位の印加を解除するステップＦと、を有するものである。上記方法により、高密度かつ長尺なプラズマジェットを生成することができる。なお、上記プラズマ生成方法において、第１媒質ガスがヘリウムガス、アルゴンガス、またはヘリウムとアルゴンの混合ガスであり、第２媒質ガスがアルゴンガスであることが好ましい。

本発明のプラズマ生成装置によれば、管状体の先端から噴出するプラズマ（プラズマジェット）を高密度かつ長尺に生成することができる。

本発明のプラズマ生成装置を示す正面図を表す。 本発明のプラズマ生成装置の他の例を示す正面図を表す。 本発明のプラズマ生成方法を示す模式図を表す。 本発明のプラズマ生成方法を示す模式図を表す。 本発明のプラズマ生成方法を示す模式図を表す。 本発明のプラズマ生成方法を示す模式図を表す。 本発明のプラズマ生成方法を示す模式図を表す。 本発明のプラズマ生成方法を示す模式図を表す。 従来のプラズマ生成装置を示す正面図を表す。 第１電極および第２電極の長さ比とジェット長の関係を示すグラフを表す。 第２電極への印加電圧とジェット長の関係を示すグラフを表す。 アルゴンガスの流量とジェット長の関係を示すグラフを表す。

まず、図１を参照してプラズマ生成装置の構成について説明する。本発明のプラズマ生成装置１（１Ａ）は、先端と後端を有しており、先端側からプラズマ２０（プラズマジェット２１）を噴出させるための管状体２と、管状体２に接続されて、管状体２内に媒質ガスを供給するガス供給部５と、管状体２の外表面に設けられ、接地電位を含む定電位に接続されている第１電極１１と、管状体２の外表面であって第１電極１１の後端よりも後方に設けられ、１００ｋＨｚ以上の高周波電位が印加される第２電極１２と、を有し、管状体２の長軸方向において、第１電極１１の長さＬ１が第２電極１２の長さＬ２よりも短いものである。なお、本発明では、管状体２の長軸方向において、管状体２の先端から露出しているプラズマジェット２１の長さを「プラズマジェット長」あるいは「ジェット長」と称することがある。

管状体２は、先端と後端を有しており、先端側からプラズマ２０を噴出させる。ここで、管状体２の先端側とはプラズマ２０が噴出する側であり、管状体２の後端側とは先端側と反対側である。図１において、紙面上方向が管状体２の後端側に相当し、紙面下方向が管状体２の先端側に相当する。

管状体２は、管状に形成されている誘電体であることが好ましく、例えば、石英管等のガラス管、プラスチックパイプであることが好ましく、石英管であることがより好ましい。石英管は金属の不純物が少なく耐熱温度が高いことから適している。

管状体２の外径は、生成したいプラズマジェットの長さや径に応じて設定すればよいが、例えば、４ｍｍ以上、５ｍｍ以上、または６ｍｍ以上であってもよく、１００ｍｍ以下、８０ｍｍ以下、または５０ｍｍ以下とすることもできる。

ガス供給部５は、管状体２に接続されて、管状体２内に媒質ガスを供給するものである。ガス供給部５は、例えば、媒質ガスボンベと、当該媒質ガスボンベと管状体２を接続するチューブから構成される。チューブには、媒質ガスの流量を監視するための流量計や、媒質ガスの流量を制御するための制御弁が好ましく設けられる。プラズマの生成原料である媒質ガスとしてはアルゴンガスやヘリウムガスを用いることができる。ガス供給部５は、管状体２の長軸方向の中心位置よりも後方に接続されていることが好ましく、より好ましくは管状体２の後端に接続される。

管状体２の外表面には少なくとも第１電極１１と第２電極１２が設けられる。以下、第１電極１１と第２電極１２をまとめて「電極」と称することがある。電極は、導電性を有する電極材料から構成されていればよく、例えばＡｌ、Ａｇ、Ｃ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕ等の金属材料から構成される。電極は、蒸着、スパッタリング、塗布、フォトリソグラフィ等の方法で形成されてもよく、別途形成されたシート状や円筒状の電極部材を管状体２の外表面に固定することで形成されていてもよい。

電極は、管状体２の周方向の一部にのみ設けられていてもよく、周方向の全体にわたって設けられていてもよいが、周方向の全体にわたって設けられて環状に形成されていることが好ましい。これにより、管状体２の全周方向から電子を加速することができるため、効率良くプラズマを生成することができる。

第１電極１１は、管状体２の外表面に設けられ、接地電位を含む定電位に接続されている。第１電極１１に付与される定電位は時間的に一定の電位とすることができ、第２電極１２に付与される電位に対して十分低い値であることが好ましい。第１電極１１は、例えば、２Ｖ以下、または１Ｖ以下の定電位に接続されていることが好ましく、より好ましくは接地電位（０Ｖ）に接続されている。

管状体２の長軸方向において、第１電極１１の長さＬ１は特に制限されないが、電極を容易に形成するためには例えば０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以上、または２ｍｍ以上にすることができる。また、第１電極１１の長さＬ１は、５０ｍｍ以下、４０ｍｍ以下、３０ｍｍ以下、２０ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、８ｍｍ以下、または５ｍｍ以下であってもよい。第１電極の長さＬ１が短い程、プラズマジェット長は増大する。このように第１電極１１の長さＬ１を上記範囲に設定しても長尺なプラズマジェットが得られる。

管状体２の長軸方向において、第１電極１１が設けられる位置は特に制限されないが、第１電極１１の先端が、管状体２の先端から２０ｍｍ以内の領域に設けられていることが好ましく、より好ましくは１０ｍｍ以内、さらに好ましくは８ｍｍ以内、さらにより好ましくは５ｍｍ以内の領域に設けられる。第１電極１１の先端が、管状体２の先端から２０ｍｍ以内の領域に設けられることにより、ジェット長を確保することができる。

第１電極１１の外表面は絶縁体により被覆されていることが好ましい。これにより、第１電極１１とプラズマジェット２１との間の管状体２の外側での意図しない放電の発生を抑制できる。

第１電極１１の外表面の一部のみが絶縁体に被覆されていてもよく、例えば、第１電極１１の外表面の長軸方向の中心位置よりも先端側のみが被覆されていてもよい。このように第１電極１１の一部のみが被覆されていることでも第１電極１１とプラズマジェット２１の間の管状体２の外側での意図しない放電を抑制することができる。より確実に放電を抑制するためには、第１電極１１の外表面の全部が絶縁体に被覆されていることが好ましい。

第２電極１２は、管状体２の外表面であって第１電極１１の後端よりも後方に設けられ、１００ｋＨｚ以上の高周波電位が印加されるものである。第２電極１２が第１電極１１の先端よりも先方に設けられた場合、プラズマジェットが管状体２の特に後端側に向かって伸びる傾向にあるため、第２電極１２は、第１電極１１の後端よりも後方に設けられる。

第２電極１２への印加電位の周波数は、１００ｋＨｚ以上であればよく、５００ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以上、１０ＭＨｚ以上であってもよく、また、１ＧＨｚ以下や１００ＭＨｚ以下であってもよい。印加電位の周波数が高いほど、低い電圧でも長尺なジェットが得られるため、プラズマ生成装置の小型化に有利である。第２電極１２の印加電位の周波数は、可変であってもよく、一定であってもよい。第２電極１２への電位印加には、公知の高周波高電圧電源を用いることができる。

第２電極１２への印加電位は特に制限されないが、０．３ｋＶ以上、０．５ｋＶ以上、または１ｋＶ以上であることが好ましい。第２電極１２への印加電圧が大きいほどプラズマ密度やジェット長は増大する。また、第２電極１２への印加電位は特に制限されないが、例えば１００ｋＶ以下、または１０ｋＶ以下であってもよい。ここで、印加電位はピークピーク値を表している。

管状体２の長軸方向における第２電極１２の長さは特に限定されないが、例えば、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以上、または１５ｍｍ以上であってもよく、５０ｍｍ以下、４０ｍｍ以下、または３０ｍｍ以下であってもよい。

本発明のプラズマ生成装置１は、管状体２の長軸方向において、第１電極１１の長さＬ１が第２電極１２の長さＬ２よりも短いものである。このように第１電極１１の長さを第２電極１２の長さよりも短くすることによって、プラズマ２０が管状体２外の空間に向かって伸びやすくなる。このため、管状体２の先端から噴出するプラズマ２０（プラズマジェット２１）を高密度かつ長尺に生成することができる。また、印加電位の周波数、電極の長さ等のパラメータを調整し、さらにアルゴンガスに、例えば微量の酸素ガス及び窒素ガスを添加することで、生成されたプラズマを照射した細胞培養液等の溶液に含まれる活性種濃度比（例えばＮＯ₂ ^-／Ｈ₂Ｏ₂）を制御することができるため、がん細胞を死滅させるのに適した活性種濃度比に調整することができ、そのためがん細胞を選択的に殺傷することも期待できる。

第２電極１２の長さＬ２に対する第１電極１１の長さＬ１の比率（Ｌ１／Ｌ２）は小さければ小さいほどよく、例えば、０．８以下であることが好ましく、０．７以下であることがより好ましく、０．３以下であることがさらに好ましい。第２電極１２の長さＬ２に対する第１電極１１の長さＬ１の比率（Ｌ１／Ｌ２）が小さいほどジェット長は増大するからである。第２電極１２の長さＬ２に対する第１電極１１の長さＬ１の比率（Ｌ１／Ｌ２）の下限値は特に限定されず、０を超えていればよく、０．０１以上、０．０５以上、あるいは０．１以上であってもよい。

管状体２の長軸方向における第２電極１２の長さＬ２が、管状体２の外径の１倍以上の長さであることが好ましく、より好ましくは１．３倍以上、さらに好ましくは１．５倍以上、さらにより好ましくは３倍以上である。管状体２の外径と第２電極１２の長さを上記範囲に設定することによって長尺なプラズマジェットが得られやすくなる。また、管状体２の外径に対して第２電極１２の長さが大きいほどジェット長が増大しやすくなる。管状体２の外径に対する第２電極１２の長さＬ２の上限は特に制限されないが、例えば、第２電極１２の長さＬ２は管状体２の外径の１０倍以下、８倍以下、または５倍以下の長さにすることもできる。

管状体２の外径は、管状体２の長軸方向における第２電極１２の長さＬ２よりも短く、管状体２の長軸方向における第１電極１１の長さＬ１よりも長くてもよい。このように管状体２の外径と電極の長さを設定することにより、長尺なプラズマジェットが得られる。

管状体２の長軸方向において、第１電極１１の後端から第２電極１２の先端までの長さ、すなわち第１電極１１と第２電極１２の間隔が、第１電極１１の長さの０．１倍以上、０．５倍以上、１倍以上、または２倍以上であってもよく、１０倍以下、または５倍以下であってもよい。具体的には、第１電極１１の後端から第２電極１２の先端までの長さは、例えば０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以上、または２ｍｍ以上であってもよく、１０ｍｍ以下、８ｍｍ以下、または５ｍｍ以下であってもよいが、より好ましくは５ｍｍ以下である。このように第１電極１１の後端から第２電極１２の先端までの長さを設定することで、第１電極１１と第２電極１２の間で放電が起こりやすくなる。

第２電極１２の外表面が絶縁体により被覆されていてもよい。これにより、管状体２の外側で他の電極との間での意図しない放電が発生することを抑制できる。第２電極１２の外表面の一部のみが絶縁体に被覆されていてもよく、例えば、第２電極１２の外表面の端部分が被覆されていてもよい。このように第２電極１２の一部のみが被覆されていることでも管状体２の外側で第２電極１２と他の電極との間での意図しない放電を抑制することができる。より確実に放電を抑制するためには、第２電極１２の外表面の全部が絶縁体に被覆されていることが好ましい。また、第１電極１１の外表面および第２電極１２の外表面が絶縁体により被覆されていてもよい。このように第１電極１１と第２電極１２の双方が絶縁体により被覆されていれば、管状体２の外側でのプラズマジェットや他の電極との間の意図しない放電の発生を抑制することができる。

次に、図２を用いて、第１電極１１および第２電極１２に加えてさらに複数の電極が設けられるプラズマ生成装置１の構成例を説明する。プラズマ生成装置１（１Ｂ）は、さらに管状体２の外表面であって第２電極１２の後端よりも後方に設けられ、接地電位を含む定電位に接続されている第３電極１３と、管状体２の外表面であって第３電極１３の後端よりも後方に設けられ、直流パルス電位または低周波電位が印加される第４電極１４と、を有していてもよい。このように第３電極１３と第４電極１４を設けることにより、第３電極１３と第４電極１４間で放電が起こりプラズマが生成される。生成されたプラズマ中の荷電粒子や励起粒子が第２電極１２付近まで到達することにより、これら荷電粒子や励起粒子が第１電極１１と第２電極１２の間の放電における種火として機能するため、第１電極１１と第２電極１２との間で放電が起こりやすくなる。

第３電極１３は、管状体２の外表面に設けられ、接地電位を含む定電位に接続されている。第３電極１３に付与される定電位は時間的に一定の電位とすることができ、第４電極１４に付与される電位に対して十分低い値であることが好ましい。第３電極１３は、例えば、２Ｖ以下、または１Ｖ以下の定電位に接続されていることが好ましく、より好ましくは接地電位（０Ｖ）に接続されている。

第４電極１４は、管状体２の外表面であって第３電極１３の後端よりも後方に設けられ、直流パルス電位または低周波電位が印加されるものである。

第４電極１４への印加電位の周波数は、例えば５０ｋＨｚ以下であり、１０ｋＨｚ以下、または５ｋＨｚ以下であってもよく、下限は特に限定されないが、例えば０．１ｋＨｚ以上、または１ｋＨｚ以上に設定することもできる。第４電極１４の印加電位の周波数は、可変であってもよく、一定であってもよい。第４電極１４への電位印加には、公知の直流パルス電源や低周波高電圧電源を用いることができる。

第４電極１４への印加電位は特に制限されないが、０．３ｋＶ以上、０．５ｋＶ以上、または１ｋＶ以上であってもよく、１００ｋＶ以下、または１０ｋＶ以下であってもよい。

第３電極１３と第４電極１４は、上述した第１電極１１と第２電極１２と同様の材料から構成することができ、また、第１電極１１および第２電極１２と同様の方法で形成することができる。第３電極１３と第４電極１４は、それぞれ管状体２の周方向の一部にのみ設けられていてもよく、周方向の全体にわたって設けられていてもよいが、周方向の全体にわたって設けられて環状に形成されていることが好ましい。これにより、管状体２の全周方向から電子を加速することができるため、効率良くプラズマを生成することができる。

第３電極１３の外表面および第４電極１４の外表面が絶縁体により被覆されていることが好ましい。このように第３電極１３と第４電極１４の双方が絶縁体により被覆されていれば、管状体２の外側での第３電極１３と第４電極との間の意図しない放電の発生を抑制することができる。第３電極１３の外表面および第４電極の外表面の一部のみが絶縁体に被覆されていてもよく、例えば、第３電極１３の外表面の後端と第４電極１４の先端が被覆されていてもよい。このように第３電極１３および第４電極１４の一部のみが被覆されていることでも管状体２の外側での意図しない放電を抑制することができる。

管状体２の長軸方向において、第３電極１３と第４電極１４の長さは同じであってもよく、異なっていてもよいが、第３電極１３の長さＬ３が第４電極１４の長さＬ４よりも短いことが好ましい。中でも、第４電極１４の長さＬ４に対する第３電極１３の長さＬ３の比率（Ｌ３／Ｌ４）は０．１以上、０．２５以上、０．５以上、０．７５以上、または１以上であってもよい。一方、第４電極１４の長さＬ４に対する第３電極１３の長さＬ３の比率（Ｌ３／Ｌ４）の上限値は特に限定されないが、例えば、５以下、４以下、または３以下であってもよい。このように第３電極１３と第４電極１４の長さを設定することで、第３電極１３および第４電極１４により生成されたプラズマが第２電極１２付近まで到達しやすくなり、第１電極１１と第２電極１２の間で放電が起こりやすくなる。

第２電極１２の後端から第３電極１３の先端までの長さＤ２は、第１電極１１の後端から第２電極１２の先端までの長さＤ１よりも長いことが好ましい。このように第１電極１１〜第３電極１３を配置することにより、第２電極１２と第３電極１３の間での意図しない放電が起こることを抑制する。第２電極１２と第３電極１３の放電により生成されるプラズマは管状体２の後方側に伸びる傾向にあるため、ジェット長が短くなるおそれがあるからである。Ｄ１に対するＤ２の比率（Ｄ２／Ｄ１）は１．２以上であることが好ましく、より好ましくは１．５以上、さらに好ましくは２以上である。一方、第３電極１３と第４電極１４により生成されたプラズマを第２電極１２付近に到達させやすくする、またはプラズマ生成装置１が過度に長尺になることを抑制するためには、Ｄ２／Ｄ１は５以下であることが好ましく、より好ましくは４以下、さらに好ましくは３以下である。

管状体２の長軸方向において、第３電極１３の後端から第４電極１４の先端までの長さＤ３、すなわち第３電極１３と第４電極１４の間隔が、第３電極１３の長さの０．１倍以上、１倍以上、または２倍以上であってもよく、１０倍以下、または５倍以下であってもよい。具体的には、第３電極１３の後端から第４電極１４の先端までの長さは、例えば０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以上、または２ｍｍ以上であってもよく、１０ｍｍ以下、８ｍｍ以下であってもよいが、より好ましくは８ｍｍ以下である。このように第３電極１３の後端から第４電極１４の先端までの長さを設定することで、第３電極１３と第４電極１４の間で放電が起こりやすくなる。

上記電極間隔Ｄ１〜Ｄ３は、Ｄ１＜Ｄ２＝Ｄ３、Ｄ１＜Ｄ３＜Ｄ２、Ｄ３＜Ｄ１＜Ｄ２、Ｄ１＝Ｄ３＜Ｄ２、または、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３の関係を有していてもよい。いずれの場合であっても、第２電極１２と第３電極１３の間での意図しない放電を抑制することができる。

次に、第１電極１１〜第４電極１４を有するプラズマ生成装置１（１Ｂ）を用いて管状体２の先端からプラズマを噴出させる方法について図３〜図８を用いて説明する。以下の方法を第１の生成方法と称する。

まず、図３に示すように、第１媒質ガスを管状体２内に供給する（ステップＡ）。第１媒質ガスは、第３電極１３と第４電極１４の間で放電を発生させるために供給されるものである。第１媒質ガスの供給流量は、０．５Ｌ／ｍｉｎ以上であることが好ましく、より好ましくは１Ｌ／ｍｉｎ以上、更に好ましくは２Ｌ／ｍｉｎ以上、更により好ましくは３Ｌ／ｍｉｎ以上であり、また、６Ｌ／ｍｉｎ以下、または５Ｌ／ｍｉｎ以下であってもよい。第１媒質ガスとしてはヘリウムガス、アルゴンガス、またはヘリウムとアルゴンの混合ガスを用いることが好ましく、ヘリウムガスを用いることがより好ましい。図３では、第１媒質ガスがヘリウムガスの例を示した。

次いで、図４に示すように、第４電極１４に直流パルス電位または低周波電位を印加する（ステップＢ）。具体的には直流パルス電源８または低周波高電圧電源（図示せず）をＯＮにして第４電極１４に電位を印加する。これにより、第３電極１３と第４電極１４の間で放電が起こり管状体２内にプラズマ２０が生成される。ステップＢは、第３電極１３と第４電極１４で放電を発生させることを意図しているため、第２電極１２には高周波電位を印加していないことが好ましい。なお、ステップＡとステップＢはいずれのステップを先に行ってもよい。

図５に示すように、さらに第２媒質ガスを管状体２内に供給する（ステップＣ）。第２媒質ガスは、第１電極１１と第２電極１２の間で放電を発生させるために供給されるものである。第２媒質ガスとしては、アルゴンガスを用いることが好ましい。第１媒質ガスと第２媒質ガスの混合比は特に制限されないが、例えば１：９９〜９９：１であってもよく、３０：７０であってもよく、また、５０：５０であってもよい。ここで第１媒質ガスと第２媒質ガスの合計流量は、０．５Ｌ／ｍｉｎ以上であることが好ましく、より好ましくは１Ｌ／ｍｉｎ以上、更に好ましくは２Ｌ／ｍｉｎ以上、更により好ましくは３Ｌ／ｍｉｎ以上であり、また、１０Ｌ／ｍｉｎ以下、または８Ｌ／ｍｉｎ以下であってもよい。
図５では、第２媒質ガスがアルゴンガスである例を示した。

図６に示すように、第１媒質ガスの供給を停止する（ステップＤ）。ステップＡ〜Ｂにおいて、第３電極１３と第４電極１４の間の放電によりプラズマ２０が生成されているため、第１媒質ガスの供給を停止しても、第２媒質ガスによってプラズマ２０の生成を継続できる。この場合、第２媒質ガスの流量を、ステップＣで供給していた第１媒質ガスと第２媒質ガスの合計流量まで増やすことが好ましい。長尺なプラズマジェットを得るにはステップＤにおける第２媒質ガスの流量は１Ｌ／ｍｉｎ以上であることが好ましく、より好ましくは２Ｌ／ｍｉｎ以上、さらに好ましくは３Ｌ／ｍｉｎ以上であり、また、６Ｌ／ｍｉｎ以下であってもよく、５Ｌ／ｍｉｎ以下であってもよい。

図７に示すように、第２電極１２に高周波電位を印加する（ステップＥ）。これにより、第１電極１１と第２電極１２の間で放電が起こりプラズマが生成される。なお、ステップＤとステップＥは、いずれのステップを先に行ってもよい。

図８に示すように、第４電極１４への直流パルス電位または低周波電位の印加を解除する（ステップＦ）。ステップＥにおいて、第１電極１１と第２電極１２の間で放電が起こりプラズマ２０（プラズマジェット２１）が生成されるため、第４電極１４への電位の印加を解除しても、必要なジェット長が得られる。

第１電極１１〜第２電極１２を有するプラズマ生成装置１（１Ａ）では、以下の第２の生成方法によっても管状体２の先端からプラズマを噴出させることができる。

まず、第２媒質ガスを管状体２内に供給する（ステップＧ）。ステップＧは、上記ステップＣと同様の方法で行うことができる。

第２電極１２に高周波電位を印加する（ステップＨ）。ステップＨは、上記ステップＥと同様の方法で行うことができる。

第２の生成方法によれば、第３電極１３〜第４電極１４によって第１電極１１と第２電極１２の間の放電における種火となる荷電粒子や励起粒子を生成する必要がないため、簡易な構成のプラズマ生成装置で高密度かつ長尺なプラズマジェットを得ることが可能である。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

（プラズマ生成装置の製造）
［実施例１〜１２、比較例１〜３］
管状体２としては、外径６ｍｍ、内径４ｍｍのガラス管を用いた。第１電極１１〜第２電極１２の長さを表１のように設定した。第３電極１３の長さは１５ｍｍ、第４電極１４の長さは４５ｍｍであった。各電極としては銅板をガラス管の外表面に周方向全体にわたって延在するように円筒状に巻き付けたものを用いた。第１電極１１の先端は管状体２の先端から５ｍｍの位置に配置した。管状体２の長軸方向における第１電極１１と第２電極１２の間隔は５ｍｍ、第２電極１２と第３電極１３の間隔は１５ｍｍ以上、第３電極１３と第４電極１４の間隔は８ｍｍに設定した。第２電極１２は高周波高電圧電源に、第４電極１４は直流パルス電源に接続した。第１電極１１、第３電極１３はいずれも接地電位（０Ｖ）に接続した。高周波高電圧電源は、アジレント・テクノロジー社製の型番８１１５０Ａの高周波信号発生装置とサムウェイ社製の型番Ｔ１４５―５７６８Ｂの高周波増幅装置で構成した。直流パルス電源としては、栗田製作所社製の型番ＭＰＳ―０１Ｋ０１Ｃの直流パルス電源装置を用いた。

［比較例４］
比較例４で製造したプラズマ生成装置１００の平面図を図９に示す。管状体２としては、外径６ｍｍ、内径４ｍｍのガラス管を用いた。先端側電極３１の長さＬ３１を４５ｍｍ、後端側電極３２の長さＬ３２を１５ｍｍとした。各電極としては、銅板をガラス管の外表面に周方向全体にわたって延在するように円筒状に巻き付けたものを用いた。先端側電極３１の先端は、管状体２の先端から４ｍｍの位置に配置した。管状体２の長軸方向における先端側電極３１と後端側電極３２の間隔（Ｄ５）は８ｍｍに設定した。先端側電極３１は直流パルス電源８に接続し、後端側電極３２は接地電位（０Ｖ）に接続した。直流パルス電源８は、エヌエフ回路設計ブロック社製の型番ＷＦ１９７４の電圧波形発生装置とエヌエフ回路設計ブロック社製の型番ＨＶＡ４３２１の電圧増幅装置で構成した。

（電極比依存性）
表１に示すプラズマ生成装置１について、上述したプラズマ生成方法の第１の生成方法（ステップＡ〜Ｆ）に従って、第１電極１１および第２電極１２によりプラズマを生成した。第２電極１２への印加電圧を１．７７ｋＶ（ピークピーク値）、第２媒質ガスをアルゴンガス、第２媒質ガスの流量を３Ｌ／ｍｉｎとして、第１電極１１と第２電極１２の長さを変化させたときの第１電極１１の長さ／第２電極１２の長さ（Ｌ１／Ｌ２）とジェット長の関係を求めた。結果を表１および図１０に示す。Ｌ１／Ｌ２が１の場合と比較して、Ｌ１／Ｌ２が１未満の場合にはジェット長が大きくなる。このようにＬ１をＬ２よりも短くすることによって、長尺なプラズマジェットを生成することができた。

（第１電極長、ならびに印加電圧（ピークピーク値）依存性）
実施例６〜７、９、比較例２で製造したプラズマ生成装置１について、上述したプラズマ生成方法の第１の生成方法（ステップＡ〜Ｆ）に従って、第１電極１１および第２電極１２によりプラズマを生成した。第２電極１２への印加電圧（ピークピーク値）に対するジェット長の変化を測定した。結果を表２および図１１に示す。

（原子状酸素密度、電子密度の測定）
実施例７で製造したプラズマ生成装置について、上述したプラズマ生成方法の第１の生成方法（ステップＡ〜Ｆ）に従って、第１電極１１および第２電極１２によりプラズマを生成した。このとき、第２媒質ガスとしては３Ｌ／ｍｉｎのアルゴンガスを用いた。また、比較例４で製造した従来型の低周波プラズマジェット生成装置について、媒質ガスとして５Ｌ／ｍｉｎのヘリウムガスを用いて、プラズマを生成した。実施例７、比較例４で製造したプラズマ生成装置で生成したプラズマについて、ＮＵシステム社製の真空紫外線源（型番ＤＰＬＳ―ＮＵ）と分光器（型番ＶＵＶ−ＮＵ）を用いて真空紫外吸収分光法により、原子状酸素密度を測定した。従来型の低周波プラズマジェット生成装置は、直流パルス電源の周波数５ｋＨｚ、印加電圧１０ｋＶのときに原子状酸素密度は９．８×１０¹²ｃｍ^-3、これに対して、実施例７のプラズマ生成装置において、高周波高電圧電源の周波数１３．５６ＭＨｚ、印加電圧３ｋＶのときに原子状酸素密度は９．３×１０¹⁴ｃｍ^-3であった。また、アルゴンガス３Ｌ／ｍｉｎに水素ガス９ｓｃｃｍ（１．５２１×１０^-3Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ）を微量添加し、水素原子からの発光スペクトル線を分光器（マクファーソン社製、型番２０３５）で測定し、そのスペクトル線のシュタルク広がりを用いて電子密度を測定した。実施例７のプラズマ生成装置において、周波数８０ＭＨｚのときに電子密度は７×１０¹³ｃｍ^-3であった。

（ガス流量依存性）
実施例７で製造したプラズマ生成装置について、上述したプラズマ生成方法の第１の生成方法（ステップＡ〜Ｆ）に従って、第１電極１１および第２電極１２によりプラズマを生成した。高周波高電圧電源の周波数を１３．５６ＭＨｚ、印加電圧を２．６ｋＶ（ピークピーク値）として、第２媒質ガスであるアルゴンガスの流量を変化させたときのジェット長の変化を測定した。結果を表３および図１２に示す。

１、１Ａ、１Ｂ：プラズマ生成装置
２：管状体
５：ガス供給部
７：高周波高電圧電源
８：直流パルス電源
１１：第１電極
１２：第２電極
１３：第３電極
１４：第４電極
２０：プラズマ
２１：プラズマジェット
３１：従来のプラズマ生成装置の先端側電極
３２：従来のプラズマ生成装置の後端側電極
Ｌ１：第１電極の長さ
Ｌ２：第２電極の長さ
Ｌ３：第３電極の長さ
Ｌ４：第４電極の長さ
Ｌ３１：先端側電極の長さ
Ｌ３２：後端側電極の長さ
１００：従来のプラズマ生成装置

Claims (10)

1. 先端と後端を有しており、前記先端側からプラズマを噴出させるための管状体と、
   前記管状体に接続されて、前記管状体内に媒質ガスを供給するガス供給部と、
   前記管状体の外表面に設けられ、接地電位を含む定電位に接続されている第１電極と、
   前記管状体の外表面であって前記第１電極の後端よりも後方に設けられ、１００ｋＨｚ以上の高周波電位が印加される第２電極と、を有し、
   前記管状体の長軸方向において、前記第１電極の長さＬ１が前記第２電極の長さＬ２よりも短いことを特徴とするプラズマ生成装置。
2. 前記第２電極の長さＬ２に対する前記第１電極の長さＬ１の比率（Ｌ１／Ｌ２）が０．８以下である請求項１に記載のプラズマ生成装置。
3. 前記管状体の長軸方向において、前記第１電極の長さＬ１が０．５ｍｍ以上５０ｍｍ以下である請求項１または２に記載のプラズマ生成装置。
4. 前記管状体の長軸方向において、前記第１電極の後端から前記第２電極の先端までの長さが、前記第１電極の長さの０．１倍以上である請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
5. 前記管状体の長軸方向における前記第２電極の長さＬ２が、前記管状体の外径の１倍以上の長さである請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
6. 前記第１電極の先端が、前記管状体の先端から２０ｍｍ以内の領域に設けられている請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
7. 前記第１電極の外表面および前記第２電極の外表面が絶縁体により被覆されている請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
8. 前記管状体の外表面であって前記第２電極の後端よりも後方に設けられ、接地電位を含む定電位に接続されている第３電極と、
   前記管状体の外表面であって前記第３電極の後端よりも後方に設けられ、直流パルス電位または低周波電位が印加される第４電極と、を有する請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
9. 請求項８に記載のプラズマ生成装置を用いて、前記管状体の前記先端からプラズマを噴出させる方法であって、
   第１媒質ガスを前記管状体内に供給するステップＡと、
   前記第４電極に直流パルス電位または低周波電位を印加するステップＢと、
   さらに第２媒質ガスを前記管状体内に供給するステップＣと、
   前記第１媒質ガスの供給を停止するステップＤと、
   前記第２電極に高周波電位を印加するステップＥと、
   前記第４電極への直流パルス電位または低周波電位の印加を解除するステップＦと、を有するプラズマ生成方法。
10. 前記第１媒質ガスがヘリウムガス、アルゴンガス、またはヘリウムとアルゴンの混合ガスであり、前記第２媒質ガスがアルゴンガスである請求項９に記載のプラズマ生成方法。
    

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