JP4963360B2 - Portable atmospheric pressure plasma generator - Google Patents

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Description

本発明は、少ないガス流量でも安定にプラズマを生成できる、小型ボンベの流用を可能とした携帯型大気圧プラズマ発生装置に関するものである。   The present invention relates to a portable atmospheric pressure plasma generator capable of diverting a small cylinder that can stably generate plasma even with a small gas flow rate.

現在、大気圧プラズマ発生装置に於いては、プラズマの熱的作用を応用する大電力プラズマトーチや電子温度が高く低密度で熱負荷の少ない、いわゆる、非熱平衡状態を活用したコロナ放電や誘電体バリヤ放電方式のプラズマ発生装置が主流である。   At present, in atmospheric pressure plasma generators, high-power plasma torches that apply the thermal action of plasma, corona discharges and dielectrics that make use of so-called non-thermal equilibrium, high electron temperature, low density and low thermal load Barrier discharge plasma generators are the mainstream.

中性ガス温度が電子温度より極めて低い非熱平衡状態でも中性ガスの温度は数百度に及ぶため、ノズル内径１ｃｍ程度のプラズマトーチの場合、冷却効果をもたせるためヘリウムガスを１分間に数十リットルも流しているのが現状である。   Even in a non-thermal equilibrium state where the neutral gas temperature is much lower than the electron temperature, the temperature of the neutral gas reaches several hundred degrees, so in the case of a plasma torch with a nozzle inner diameter of about 1 cm, helium gas is several tens of liters per minute to have a cooling effect. The current situation is also flowing.

非熱平衡状態のプラズマトーチに関しては特許文献１及び２の提案がある。   Regarding the plasma torch in a non-thermal equilibrium state, there are proposals in Patent Documents 1 and 2.

特許文献１の提案する技術は、「電極表面に誘電体を被着あるいは対向させた高圧電極と接地電極間に形成される筒状放電空間を単数または複数配置された筒状放電部を有し、 成膜種に応じたモノマー気体あるいは処理に応じたプラズマ用気体と不活性ガスからなる反応ガスが、筒状放電部上流側のガス導入部から流入し、前記筒状放電空間を通過して放電部の下流側に設けた吹出口より、対向する被処理材表面に噴出する構成からなり、
反応ガスが前記電極間に高電圧を印加して大気圧近傍でグロー放電あるいは無声放電する筒状放電空間を通過するときプラズマにより励起され、被処理材表面に成膜あるいは表面改質を行う吹出型表面処理装置」である。 The technique proposed in Patent Document 1 is “having a cylindrical discharge portion in which one or a plurality of cylindrical discharge spaces are formed between a high-voltage electrode and a ground electrode with a dielectric applied to or opposite to the electrode surface. A reaction gas composed of a monomer gas corresponding to the film forming species or a plasma gas corresponding to the process and an inert gas flows in from the gas introduction part upstream of the cylindrical discharge part and passes through the cylindrical discharge space. From the outlet provided on the downstream side of the discharge part, consisting of a structure that jets to the surface of the object to be treated,
A blowout that is excited by plasma when a reactive gas passes through a cylindrical discharge space where a high voltage is applied between the electrodes and glow discharge or silent discharge is performed near atmospheric pressure, and film formation or surface modification is performed on the surface of the material to be processed. A mold surface treatment apparatus.

また特許文献２の提案する技術は、特許文献１の技術を改良したもので、「吹出口端縁に突先部を設けた金属筒を高電圧電極とし、この高電圧電極金属筒の吹出口より不活性ガスおよび／または空気、もしくはこれらと反応性ガスとの混合ガスを吹き出して前記の高電圧電極金属筒に電圧を印加し、大気圧下で浮遊容量に対して放電を発生させてプラズマを生成させる大気圧吹き出し型プラズマ反応装置」である。   Further, the technique proposed in Patent Document 2 is an improvement of the technique of Patent Document 1, and “a metal tube provided with a tip at the outlet end edge is used as a high-voltage electrode, and the outlet of this high-voltage electrode metal tube” More inert gas and / or air, or a mixed gas of these and reactive gas is blown out to apply a voltage to the high-voltage electrode metal tube to generate a discharge with respect to the stray capacitance under atmospheric pressure, and plasma "Atmospheric pressure blowing plasma reactor".

上記特許文献１、２によれば、大気圧でのプラズマ処理に関して、表面改質や堆積の有用性が認められる。   According to the above Patent Documents 1 and 2, the usefulness of surface modification and deposition is recognized for plasma processing at atmospheric pressure.

しかし、表面改質や堆積の程度は、プラズマ中ガスの励起状態に強く依存するため、処理エネルギー（励起ガスのエネルギー）や処理時間（励起ガスの照射量）を被処理物やガス種及び雰囲気ガスに対して適切に選ばないと、所望の表面処理精度と再現性は得られない。また、過度のプラズマ照射は試料基材をも溶解したり、不必要な反応生成物を発生したりしてしまう。   However, since the degree of surface modification and deposition strongly depends on the excited state of the gas in the plasma, the processing energy (excitation gas energy) and processing time (excitation gas irradiation amount) are determined depending on the object to be processed, the gas species and the atmosphere. If the gas is not properly selected, desired surface treatment accuracy and reproducibility cannot be obtained. Excessive plasma irradiation also dissolves the sample base material and generates unnecessary reaction products.

また、持ち運びが容易な大気圧プラズマ源を用いて、処理時間を増やすためには、限られたガスボンベの実効容積に応じてガス流量を減らさなければならない。   In order to increase the processing time using an atmospheric pressure plasma source that is easy to carry, the gas flow rate must be reduced according to the effective volume of the limited gas cylinder.

この場合は、放電部近傍が加熱され、電極構造の変形や放電部の材質から不純物が放出されるなど、プラズマの安定化に悪影響を及ぼし始める。また、プラズマ発生時の放電電圧が大きくなるため電源容量の増加から装置が大きくなり携帯化が困難となる。この問題は、特許文献３により軽減可能であるが、新たな点火用高周波電源が必要となるため高価となる。更に、電力供給構造が複雑となり、携帯型のプラズマ源としてシステムを構成することは難しくなる。   In this case, the vicinity of the discharge part is heated, and it begins to adversely affect the stabilization of the plasma, such as deformation of the electrode structure and impurities released from the material of the discharge part. In addition, since the discharge voltage at the time of plasma generation increases, the apparatus becomes larger due to the increase in power supply capacity, making it difficult to carry. This problem can be alleviated by Patent Document 3, but becomes expensive because a new high-frequency power source for ignition is required. Furthermore, the power supply structure is complicated, and it is difficult to configure the system as a portable plasma source.

また現行の一般の装置に於いては、プラズマ発生用の電力とガスの供給ラインがそれぞれ別系統となっていて、作業性が良いとはいえない状態にある。   Moreover, in the current general apparatus, the plasma generation power and gas supply lines are separate systems, and the workability cannot be said to be good.

特許第２５８９５９９号公報Japanese Patent No. 2589599 特許第３２０７４６９号公報Japanese Patent No. 3207469 特開２００２−００８８９４号公報JP 2002-008894 A

本発明は、従来の熱平衡型プラズマトーチ技術を改良しながら、少ないガス流量で所望のガス励起状態を安定にすることができる携帯型大気圧プラズマ発生装置を提供することを解決の課題とする。またプラズマトーチ先端部のみの機械的な改良により点火を容易にし電源容量を低減させてシステムをダウンサイズできる携帯型大気圧プラズマ発生装置を提供することを解決の課題とする。   An object of the present invention is to provide a portable atmospheric pressure plasma generator capable of stabilizing a desired gas excitation state with a small gas flow rate while improving the conventional thermal equilibrium type plasma torch technology. It is another object of the present invention to provide a portable atmospheric pressure plasma generator capable of downsizing the system by facilitating ignition and reducing power supply capacity by mechanical improvement of only the plasma torch tip.

本発明の１は、外部絶縁管の外周部にその軸方向に移動可能に配した接地電極と、
前記外部絶縁管の外周部先端に配した、前記接地電極と同電位の補助電極と、
前記外部絶縁管の軸心に沿って配した内部絶縁管と、
前記外部絶縁管の後端に配したガス導入用の高速ノズルと、
前記内部絶縁管内に配置した、前記高速ノズルから導入したガスが電離して生成したプラズマガスにその一部もしくは全体を接触させるように構成した電力電極と、
前記外部絶縁管の先端に開口したプラズマガスの吹出口と、
前記高速ノズルにプラズマ生成用のガスを供給するガス供給部と、
前記接地電極及び前記補助電極と前記電力電極との間に放電用の高周波電力を供給するプログラマブル高周波電源とを備え、
前記接地電極は前記電力電極の先端にもっとも近づいた位置から該電力電極が高温になるのを回避するのに必要なだけ前記補助電極に近づいた位置まで移動可能であり、かつプラズマ点火時には、該接地電極が該電力電極の先端に前記もっとも近づいた位置にあるようにしたことを特徴とする携帯用大気圧プラズマ発生装置である。 1 of the present invention is a ground electrode disposed on the outer peripheral portion of the outer insulating tube so as to be movable in the axial direction;
An auxiliary electrode having the same potential as that of the ground electrode, disposed at the outer periphery of the outer insulating tube,
An inner insulating pipe disposed along the axis of the outer insulating pipe;
A high-speed nozzle for gas introduction disposed at the rear end of the external insulating tube;
A power electrode arranged in the inner insulating tube and configured to bring a part or the whole into contact with a plasma gas generated by ionizing a gas introduced from the high-speed nozzle; and
A plasma gas outlet opening at the tip of the outer insulating tube;
A gas supply unit that supplies a gas for generating plasma to the high-speed nozzle;
A programmable high-frequency power source that supplies high-frequency power for discharge between the ground electrode and the auxiliary electrode and the power electrode,
The ground electrode can be moved from a position closest to the tip of the power electrode to a position as close to the auxiliary electrode as necessary to avoid the power electrode from becoming hot, and during plasma ignition, A portable atmospheric pressure plasma generator characterized in that a ground electrode is positioned closest to the tip of the power electrode .

本発明２は、本発明の１の携帯型大気圧プラズマ発生装置に於いて、前記電力電極と導体である被処理物との間に、パルスバイアス電源により、パルスバイアス電圧を印加するように構成したものである。 According to the second aspect of the present invention, in the portable atmospheric pressure plasma generator according to the first aspect of the present invention, a pulse bias voltage is applied between the power electrode and a workpiece to be processed by a pulse bias power source. It is a thing.

本発明の３は、本発明の１又は２の携帯型大気圧プラズマ発生装置に於いて、前記外部絶縁管の先端まで、該外部絶縁管先端の吹出口近傍の発光状態を観測するために、光ファイバーコンジットを延長したものである。 In the portable atmospheric pressure plasma generator 1 or 2 of the present invention, 3 of the present invention is for observing the light emission state in the vicinity of the outlet of the outer insulating tube to the tip of the outer insulating tube. It is an extension of the optical fiber conduit.

本発明の４は、本発明の３の携帯型大気圧プラズマ発生装置に於いて、前記光ファイバーコンジットを分光分析装置に接続し、該分光分析装置により前記吹出口周辺のガス励起状態を分光モニタし、得られた励起状態データを基準励起状態データと比較し、所望のガス励起状態が得られるように、前記プログラマブル高周波電源の高周波電圧・電流波形、前記ガス供給部の供給するガス種混合割合及び各種のガス流を制御するように構成したものである。 A fourth aspect of the present invention is the portable atmospheric pressure plasma generator according to the third aspect of the present invention, wherein the optical fiber conduit is connected to a spectroscopic analyzer, and the gas excitation state around the outlet is spectroscopically monitored by the spectroscopic analyzer. The obtained excited state data is compared with the reference excited state data, so that a desired gas excited state is obtained, the high frequency voltage / current waveform of the programmable high frequency power source, the gas species mixing ratio supplied by the gas supply unit, and It is configured to control various gas flows.

本発明の１の携帯型大気圧プラズマ発生装置によれば、従来と同様の大気圧プラズマ励起電源を用いて、より高エネルギーの正イオンを被処理物の表面に照射することができ、低ガス流量に於いてもプラズマを吹出口からより長く引出すことができる。またこのプラズマトーチを束ねる事により大面積の大気圧プラズマ源を得ることも可能である。   According to the portable atmospheric pressure plasma generator 1 of the present invention, it is possible to irradiate the surface of the object with higher energy positive ions using the same atmospheric pressure plasma excitation power source as in the prior art. Even at the flow rate, the plasma can be extracted from the outlet longer. It is also possible to obtain a large-area atmospheric pressure plasma source by bundling this plasma torch.

本発明の２の携帯型大気圧プラズマ発生装置によれば、被処理物の表面を過度に加熱することなく荒削りしたい場合等の、イオンを加速して被処理物に強く衝撃させる機能が必要な場合に有効である。パルスバイアスは、前記プログラマブル高周波電源の搬送波が休止する間に前記電力電極と導体である被処理物との間に印加すべきであり、これは、半導体素子を利用した無接点リレー等により容易に構成できる。   According to the portable atmospheric pressure plasma generating apparatus 2 of the present invention, a function of accelerating ions and strongly impacting the object to be processed is required, for example, when roughing the surface of the object to be processed without excessive heating. It is effective in the case. A pulse bias should be applied between the power electrode and the workpiece to be processed while the carrier wave of the programmable high-frequency power supply is paused. This can be easily performed by a non-contact relay using a semiconductor element or the like. Can be configured.

本発明の３の携帯型大気圧プラズマ発生装置によれば、先端の吹出口から吹き出るプラズマの吹出口近傍の発光状態を良好に観測することができ、プラズマの発生及び消滅時には被処理物表面の励起状態も観測できる。   According to the portable atmospheric pressure plasma generator 3 of the present invention, the light emission state in the vicinity of the plasma blowout port from the blowout port at the tip can be observed well, and when the plasma is generated and extinguished, Excited states can also be observed.

本発明の４の携帯型大気圧プラズマ発生装置によれば、前記プログラマブル高周波電源の高周波電圧・電流波形、並びに前記ガス供給部の供給するガス種の混合割合及び各種のガス流等を適切に制御可能であるため、所望のガス励起状態を確実に得ることができる。   According to the portable atmospheric pressure plasma generator 4 of the present invention, the high-frequency voltage / current waveform of the programmable high-frequency power source, the mixing ratio of the gas species supplied by the gas supply unit, and various gas flows are appropriately controlled. Since it is possible, a desired gas excitation state can be obtained reliably.

図１は、本発明の携帯型大気圧プラズマ発生装置及びこれを含むシステム全体を示す説明図である。このシステムは、ガス流の上流方向からみて、プラズマ発生用機器・分光分析系A、マルチフレキシブルフィーダ系B、プラズマ発生−光検出系（携帯型大気圧プラズマ発生装置）Cに大別される。   FIG. 1 is an explanatory diagram showing the portable atmospheric pressure plasma generator of the present invention and the entire system including the same. This system is roughly divided into a plasma generation device / spectral analysis system A, a multi-flexible feeder system B, and a plasma generation / light detection system (portable atmospheric pressure plasma generator) C as viewed from the upstream side of the gas flow.

前記プラズマ発生用機器・分光分析系Aは、図１に示すように、プラズマ発生用のプログラマブル高周波電源部A-1と、パルスバイアス電源部A-2と、分光分析部A-3と、ガス供給部A-4と、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと略称する）部A-5とにより構成される。   As shown in FIG. 1, the plasma generating device / spectral analysis system A includes a plasma generating programmable high-frequency power supply unit A-1, a pulse bias power supply unit A-2, a spectral analysis unit A-3, and a gas. A supply unit A-4 and a personal computer (hereinafter abbreviated as PC) unit A-5 are included.

前記プログラマブル高周波電源部A-1は、図４(a)に示すようなバースト状の電圧波形を発生することができるものを採用する。これは、放電用の電源であり、後記放電部C-1の電力電極３と可動式の接地電極４及び補助電極４ａとの間に供給し、プラズマ密度、空間電位及び電子温度を制御する。該波形は、以上のように、バースト状であるが、以上のような観点から、その振幅、搬送周波数、繰返し周波数及びデューティ比を適切に制御可能なものとする。例えば、これらを、各々０〜２kV、１〜２０MHz、１kHz〜１００kHz、５〜９５%の範囲で制御可能なものが適当である。   The programmable high frequency power supply unit A-1 employs one that can generate a burst-like voltage waveform as shown in FIG. This is a power source for discharge, and is supplied between the power electrode 3 of the discharge section C-1 and the movable ground electrode 4 and auxiliary electrode 4a, and controls the plasma density, space potential, and electron temperature. The waveform is in a burst shape as described above. From the above viewpoint, the amplitude, the carrier frequency, the repetition frequency, and the duty ratio can be appropriately controlled. For example, those capable of controlling these in a range of 0 to 2 kV, 1 to 20 MHz, 1 kHz to 100 kHz, and 5 to 95% are suitable.

前記パルスバイアス電源部A-2は、バイアス電圧を制御し、これによってイオン衝撃エネルギーを制御するものであり、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cの後記放電部C-1の電力電極３と導体である被処理物との間に、前者が高電圧となり、後者が低電圧となるパルス電圧を印加するようにする。その出力波形は、上記の趣旨から、振幅０〜６kV、パルス幅０〜１００μs、繰返し周波数１kHz〜１００kHzの範囲で、それぞれ制御できるように構成するのが適当である。繰返し周波数は、前記したように、前記プログラマブル高周波電源部A-2の搬送波が休止する間に前記電力電極と導体である被処理物との間にこれを印加すべく、前記プログラマブル高周波電源部A-1のそれと対応させる。   The pulse bias power supply unit A-2 controls the bias voltage and thereby controls the ion bombardment energy, and the power electrode 3 and the conductor of the discharge unit C-1 described later in the portable atmospheric pressure plasma generator C A pulse voltage in which the former is a high voltage and the latter is a low voltage is applied to the object to be processed. The output waveform is suitably configured so that it can be controlled in the range of amplitude 0 to 6 kV, pulse width 0 to 100 μs, and repetition frequency 1 kHz to 100 kHz, for the above purpose. As described above, the repetition frequency is applied to the programmable high-frequency power supply unit A-2 in order to apply it between the power electrode and the workpiece to be processed while the carrier of the programmable high-frequency power supply unit A-2 is stopped. Correspond with that of -1.

前記分光分析部A-3は、例えば、回折格子の格子数１０２４個、ＣＣＤアレー１０２４chを有し、露出時間４０ms〜２０sの範囲に及ぶものを採用することができる。   As the spectroscopic analysis unit A-3, for example, a unit having 1024 diffraction gratings and a CCD array 1024ch and having an exposure time in the range of 40 ms to 20 s can be adopted.

前記ガス供給部A-4は、ガスボンベとその開口部に配したバルブと、該バルブを制御するコントローラとで構成することができる。該ガスボンベとしては、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cとの関係で決定すべきものであるが、予定されるそれとの関係で、例えば、外形３５０・８０・８０mm以内のサイズで、ガス耐圧２０MPaの仕様で用いられる物を採用することができる。該ガスボンベに付属する減圧弁には、一次側と二次側に圧力センサーが付設してあり、各々の圧力値を逐次前記ＰＣ部A-5でモニターできるようにするのが適当である。また前記バルブとしては、例えば、ピエゾ型バルブを採用し、コントローラとしてマスフローコントローラを組込み、弁開閉と０．０５〜５l/min(１atm、０℃)のガス流量範囲をＰＣ部A-5で制御できるようにする。これらも、当然、予定される携帯型大気圧プラズマ発生装置Cとの関係で決定されるものである。   The gas supply unit A-4 can be composed of a gas cylinder, a valve disposed in the opening thereof, and a controller for controlling the valve. The gas cylinder should be determined in relation to the portable atmospheric pressure plasma generator C. In relation to the planned gas cylinder, for example, the gas cylinder has a size within 350, 80, and 80 mm and has a gas pressure resistance of 20 MPa. The thing used by specification can be adopted. The pressure reducing valve attached to the gas cylinder is provided with pressure sensors on the primary side and the secondary side, and it is appropriate that each pressure value can be monitored successively by the PC section A-5. Also, as the valve, for example, a piezo-type valve is adopted, a mass flow controller is incorporated as a controller, and the valve opening and closing and the gas flow range of 0.05 to 5 l / min (1 atm, 0 ° C) are controlled by the PC section A-5. It can be so. Of course, these are determined in relation to the planned portable atmospheric pressure plasma generator C.

前記ＰＣ部A-5は、例えば、ＣＰＵ：ＰＥＮＴＩＵＭ（登録商標）４−３GHz、メモリ：５１２MB以上の性能を有する一般的なそれを採用することができる。前記プラズマ発生用機器・分光分析系A内の各部は一つのボックス内に組込むシステムとするのが適当であるが、例えば、図１に示すように、ＰＣ部A-5のみを該ボックス外に出して、相互をＵＳＢ、ＲＳ−２３２Ｃ、ＧＰ−ＩＢ等の通信規格で接続して後記連動リレー１０ａ、１０ｂを含むプラズマ発生用機器・分光分析系A内の他の各構成要素を制御することにすることもできる。   As the PC unit A-5, for example, a general one having a performance of CPU: PENTIUM (registered trademark) 4-3 GHz and memory: 512 MB or more can be adopted. It is appropriate that each part in the plasma generating apparatus / spectral analysis system A is incorporated in one box. For example, as shown in FIG. 1, only the PC part A-5 is placed outside the box. And connecting each other with communication standards such as USB, RS-232C, GP-IB, and controlling other components in the plasma generating apparatus / spectroscopy system A including the interlocking relays 10a and 10b described later. It can also be.

前記マルチフレキシブルフィーダ系Bは、プラズマ発生用の電力供給線路部B-1と、ガス供給線路部B-2と、ファイバー光伝送線路部B-3と、パルスバイアス電圧印加線路部B-4とにより構成される。図２に示すように、例えば、それらを同心状に配置して一本のフレキシブルなラインに構成し、使用上の便宜を考慮すると、通常、全長は３m以内、許容曲率１０cm程度に構成するのが適当である。   The multi-flexible feeder system B includes a plasma generation power supply line section B-1, a gas supply line section B-2, a fiber light transmission line section B-3, and a pulse bias voltage application line section B-4. Consists of. As shown in FIG. 2, for example, they are arranged concentrically to form a single flexible line, and considering the convenience of use, the total length is usually within 3 m and the allowable curvature is about 10 cm. Is appropriate.

前記電力供給線路部B-1は、メッシュ状の接地スリーブB-1aと同様にメッシュ状の電力スリーブB-1bとを前者を外側に後者を内側にして同心状に配置し、その間及びその外周をそれぞれフレキシブルな絶縁材、例えば、ＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)管（絶縁スリーブ）で保持して構成する。各々の寸法は特定のものに限定されないが、上記絶縁材の厚みを０．５mm程度に想定し、供給予定の電力及び後述するガス供給線路部B-2を構成するガス導入管B-2aとの関係を考慮すると、前記接地スリーブB-1aの内径は６mm、その厚さは０．２mm、前記電力スリーブB-1bの内径は３．８mm、その厚さは０．２mmとするのが適当である。   The power supply line section B-1 is arranged concentrically with the mesh-shaped power sleeve B-1b and the mesh-shaped power sleeve B-1b in the same manner as the mesh-shaped grounding sleeve B-1a, with the former on the outside and the latter on the inside. Are each held by a flexible insulating material, for example, a PTFE (polytetrafluoroethylene) tube (insulating sleeve). Each dimension is not limited to a specific one, but the thickness of the insulating material is assumed to be about 0.5 mm, and power to be supplied and a gas introduction pipe B-2a constituting a gas supply line section B-2 to be described later and In consideration of the above relationship, it is appropriate that the inner diameter of the ground sleeve B-1a is 6 mm, the thickness is 0.2 mm, the inner diameter of the power sleeve B-1b is 3.8 mm, and the thickness is 0.2 mm. It is.

なお、前記電力供給線路部B-1の電力スリーブB-1bと接地スリーブB-1aとは、云うまでもなく、それぞれプラズマ発生用放電部C-1の後記電力電極３と後記接地電極４とを前記プラズマ発生用のプログラマブル高周波電源部A-1に電気的に接続するものである。後記補助電極４ａは接地電極４と並列に接続する。なおまた電力電極３とプログラマブル高周波電源部A-1とは、図３(b)に示すように、一方の連動リレー１０aを介して接続するものである。   Needless to say, the power sleeve B-1b and the ground sleeve B-1a of the power supply line section B-1 include a power electrode 3 and a ground electrode 4 which will be described later, respectively. Are electrically connected to the programmable high frequency power supply unit A-1 for generating plasma. The auxiliary electrode 4a described later is connected in parallel with the ground electrode 4. In addition, the power electrode 3 and the programmable high frequency power supply unit A-1 are connected via one interlocking relay 10a as shown in FIG. 3 (b).

前記ガス供給線路部B-2を構成するガス導入管B-2aとしては、種々の管材が使用可能であるが、例えば、ＰＴＦＥ管を採用し、前記電力供給線路部B-1の内側にそれらと同心状に密着配置することができる。該電力供給線路部B-1を、前記のように、接地スリーブB-1aと電力スリーブB-1bとその間及びその外周部の絶縁材とで構成した場合は、該ガス導入管B-2aは、最内部の電力スリーブB-1bの内側に密着する態様で配置するのが適当である。   As the gas introduction pipe B-2a constituting the gas supply line section B-2, various pipe materials can be used. For example, a PTFE pipe is adopted, and these are provided inside the power supply line section B-1. And can be arranged closely in a concentric manner. When the power supply line section B-1 is composed of the ground sleeve B-1a, the power sleeve B-1b, and the insulating material between and around the outer periphery as described above, the gas introduction pipe B-2a It is appropriate to arrange in such a manner that it is in close contact with the inner side of the innermost power sleeve B-1b.

前記ファイバー光伝送線路部B-3は、マルチフレキシブルフィーダ系Bに於いて、前記電力供給線路部B-1と前記ガス供給線路部B-2を構成するガス導入管B-2aとの間又はそれらの最外周部のいずれかの部位に配することができる。もっとも上記両者の間に配することにするのが、前記ガス導入管B-2aを構成するＰＴＦＥ管等の管材の外側面に長さ方向に沿って構成した溝を利用し、この中に光ファイバーコンジットを配列保持させることができるので好都合である。   In the multi-flexible feeder system B, the fiber optical transmission line part B-3 is between the power supply line part B-1 and the gas introduction pipe B-2a constituting the gas supply line part B-2 or It can distribute | arrange in any site | part of those outermost peripheral parts. Of course, it is arranged between the above two by using a groove formed along the length direction on the outer surface of a pipe material such as a PTFE pipe constituting the gas introduction pipe B-2a. This is advantageous because the conduits can be arrayed.

この場合は、前記ガス供給線路部B-2を構成するガス導入管B-2aの外側面に周方向に定角度間隔でかつ長さ方向に沿った向きに複数の溝を形成し、これらの溝に光ファイバーコンジットを埋め込むこととし、これによってファイバー光伝送線路部B-3を構成する。該ガス導入管B-2aとして、前記のように、ＰＴＦＥ管を採用した場合は、該光ファイバーコンジットを上記のように配列する余地を持った物にするため、相応する周側肉厚寸法を持ったものとすべきであるのは云うまでもない。   In this case, a plurality of grooves are formed on the outer surface of the gas introduction pipe B-2a constituting the gas supply line section B-2 at a constant angular interval in the circumferential direction and in the direction along the length direction. An optical fiber conduit is embedded in the groove, thereby forming a fiber optical transmission line portion B-3. When a PTFE pipe is used as the gas introduction pipe B-2a, as described above, the optical fiber conduit has a room to be arranged as described above, and therefore has a corresponding peripheral wall thickness. Needless to say, it should be.

前記パルスバイアス電圧印加線路部B-4は、電力供給線路部B-1の電力スリーブB-1bと兼用することができる。これによって製造工程の簡略化や低コスト化が可能となる。もっともマルチフレキシブルフィーダ系Bの長さが数メートルになると、電力供給線路部B-1の線間容量が大きくなり、これと兼用した場合は、パルス波形がなまってしまうので、専用の導線を用意すべきことになる。この場合は、単線の導体を絶縁被覆して前記マルチフレキシブルフィーダ系Bの電力供給線路部B-1とガス供給線路部B-2を構成したガス導入管B-2aとの間又はそれらの最外周部のいずれかの部位に引き回すことができる。   The pulse bias voltage application line portion B-4 can also be used as the power sleeve B-1b of the power supply line portion B-1. As a result, the manufacturing process can be simplified and the cost can be reduced. However, if the length of the multi-flexible feeder system B is several meters, the line capacity of the power supply line section B-1 will increase, and if this is also used, the pulse waveform will be lost. It should be done. In this case, a single conductor is insulated and coated between the power supply line section B-1 of the multi-flexible feeder system B and the gas introduction pipe B-2a constituting the gas supply line section B-2, or at the end thereof. It can be routed to any part of the outer periphery.

該単線の導体は、或いは、該ガス導入管B-2aの外側面に長さ方向に沿って構成した溝内に、前記ファイバー光伝送線路部B-3と同様に、前記光ファイバコンジットと共に配することとすることも可能である。この場合は、該導線は、周方向に隣接する適宜二本の光ファイバーコンジットの間に、これらと平行に配することとする。   The single-wire conductor is arranged together with the optical fiber conduit in the groove formed along the length direction on the outer surface of the gas introduction pipe B-2a in the same manner as the fiber optical transmission line section B-3. It is also possible to do so. In this case, the conducting wire is arranged in parallel between these two optical fiber conduits adjacent to each other in the circumferential direction.

なお、前記パルスバイアス電圧印加線路部B-4は、プラズマ発生用放電部C-1の後記電力電極３に前記パルスバイアス電源部A-2の高電圧側を他方の連動リレー１０bを介して接続する。被処理物側には、前記パルスバイアス電源部A-2の低電圧側をここから別に延長した導線で接続する。パルスバイアスを併用する場合は、前記連動リレー１０aと上記連動リレー１０bとは、前記プログラマブル高周波電源A-1と前記パルスバイアス電源部A-2の各々の電圧波形が示す電圧ゼロの区間に、相補的に給電されるようにリレー駆動を適切に設定しておくこととする。以上に於いて、プラズマ生成用の搬送波が休止した直後数μsは、プラズマ状態が維持される。従って、プラズマ生成用の搬送波の休止時間を数μsにすれば、上記のようにしてパルスバイアス電圧が印加される間はプラズマ状態が維持されることになる。なお、前記したように、イオンを加速して被処理物に強く衝撃させる機能が必要な場合に、以上の構成を利用してパルスバイアスを印加するのが有効である。なおまた、これらの連動リレー１０ａ、１０ｂは、半導体素子によって構成し得る。また該連動リレー１０ａ、１０ｂの動作は、前記のように、前記ＰＣ部A-5によって制御することができる。   The pulse bias voltage applying line section B-4 is connected to the power electrode 3 to be described later on the plasma generating discharge section C-1 via the other interlocking relay 10b on the high voltage side of the pulse bias power supply section A-2. To do. The low voltage side of the pulse bias power supply unit A-2 is connected to the object to be processed by a conductive wire extending from here. When pulse bias is used in combination, the interlocking relay 10a and the interlocking relay 10b are complementary to the zero voltage interval indicated by the voltage waveforms of the programmable high frequency power supply A-1 and the pulse bias power supply unit A-2. It is assumed that the relay drive is set appropriately so that power can be supplied. In the above manner, the plasma state is maintained for several μs immediately after the plasma generating carrier wave is stopped. Therefore, if the rest time of the carrier for plasma generation is set to several μs, the plasma state is maintained while the pulse bias voltage is applied as described above. As described above, it is effective to apply a pulse bias using the above structure when a function for accelerating ions and strongly impacting the object to be processed is required. In addition, these interlocking relays 10a and 10b can be constituted by semiconductor elements. The operation of the interlocking relays 10a and 10b can be controlled by the PC unit A-5 as described above.

なお、以上のパルスバイアスの印加は、以下のような実験結果に基づく。
前記パルスバイアス電源A-2と連動リレー１０bとの間及び該パルスバイアス電源A-2と可動式の接地電極４との間にはそれぞれチョークコイルを挿入し、かつ一方の連動リレー１０aをコンデンサに代え、同時に前記他方の連動リレー１０bを閉じ、直流バイアス（-300V）を後記電力電極３と被処理物（ステンレスSUS304）との間に数秒間にわたって印加したところ、該被処理物の表面に、該直流バイアスの印加直前から継続して生成されていたトーチ状プラズマに含まれる正イオンと思われる粒子の衝撃痕（深さで数μmのオーダ）が観測された。 The application of the above pulse bias is based on the following experimental results.
A choke coil is inserted between the pulse bias power source A-2 and the interlocking relay 10b and between the pulse bias power source A-2 and the movable ground electrode 4, and one interlocking relay 10a is used as a capacitor. Instead, when the other interlocking relay 10b is closed at the same time and a DC bias (-300V) is applied between the power electrode 3 and the workpiece (stainless steel SUS304) for several seconds, the surface of the workpiece is Particle impact marks (on the order of several μm in depth) of particles considered to be positive ions contained in the torch-like plasma generated continuously immediately before the application of the DC bias were observed.

以上の結果から、被処理物の過熱を抑えて高速に表面を荒削りするには、以上の直流バイアスに代えて高電圧パルス（例えば、5kV、20μs、10kHz）を印加するのが最良の手段となるのは自明である。 From the above results, it is best to apply a high voltage pulse (for example, 5 kV, 20 μs, 10 kHz) instead of the above-mentioned DC bias in order to roughen the surface at high speed while suppressing overheating of the workpiece. It is self-evident.

更にまた前記ファイバー光伝送線路部B-3は、前記分光分析部A-3にプラズマ発光を検出する後記光検出部C-2で検出した光を伝送すべく相互を接続するものである。   Furthermore, the fiber light transmission line part B-3 is connected to the spectroscopic analysis part A-3 so as to transmit light detected by the light detection part C-2 described later for detecting plasma emission.

前記プラズマ発生-光検出系である携帯型大気圧プラズマ発生装置Cは、プラズマ発生用の放電部C-1とプラズマ発光を検出する光検出部C-2とにより構成される。これらは、図３(b)に示すように、円筒状の外部絶縁管８及びその軸心に沿って配する小径の内部絶縁管９に配して構成されるようになっている。   The portable atmospheric pressure plasma generator C, which is the plasma generation-light detection system, includes a discharge unit C-1 for generating plasma and a light detection unit C-2 for detecting plasma emission. As shown in FIG. 3 (b), these are arranged to be arranged in a cylindrical outer insulating tube 8 and a small-diameter inner insulating tube 9 arranged along the axis.

前記プラズマ発生用の放電部C-1は、電力電極３と、可動式の接地電極４と、補助電極４ａと、ガス導入用の高速ノズルとで構成し、前記のように、これらを前記外部絶縁管８及び前記内部絶縁管９に取り付ける。   The discharge section C-1 for generating plasma is composed of a power electrode 3, a movable ground electrode 4, an auxiliary electrode 4a, and a high-speed nozzle for introducing gas. It is attached to the insulating tube 8 and the internal insulating tube 9.

前記電力電極３は、例えば、Ｌ型の中心導体に構成し、図３(b)に示すように、その軸方向部３ａを、前記内部絶縁管９に挿入し、該中心導体の後端から直角方向に延びる縦方向部３ｂの外端付近を前記外部絶縁管８にセットする。該外部絶縁管８に後端から軸方向に向けて係止溝を形成しておき、この係止溝に該縦方向部３ｂの外端付近を挿入すると共に、その下流側端に接するように配置するのが適当である。なお前記内部絶縁管９は、この場合は、以上のように、これに配された電力電極３を構成する中心導体の縦方向部３ｂを介して外部絶縁管８に同軸状に固定保持されることになる。   The power electrode 3 is configured, for example, as an L-shaped central conductor, and as shown in FIG. 3 (b), the axial direction portion 3a is inserted into the internal insulating tube 9, and from the rear end of the central conductor. The vicinity of the outer end of the vertical portion 3b extending in the perpendicular direction is set on the outer insulating tube 8. A locking groove is formed in the outer insulating tube 8 in the axial direction from the rear end, and the vicinity of the outer end of the vertical portion 3b is inserted into the locking groove so as to contact the downstream end thereof. It is appropriate to arrange. In this case, as described above, the inner insulating tube 9 is coaxially fixed and held on the outer insulating tube 8 through the longitudinal portion 3b of the central conductor constituting the power electrode 3 disposed thereon. It will be.

前記外部絶縁管８及び前記内部絶縁管９は、例えば、石英ガラスによって構成することができる。   The outer insulating tube 8 and the inner insulating tube 9 can be made of, for example, quartz glass.

前記可動式の接地電極４は、環状の導体に構成し、図３(a)、(b)に示すように、前記外部絶縁管８の外周にその軸方向に沿って摺動自在に外装する。該接地電極４の摺動範囲は、前記電力電極３が高温になるのを回避するために必要なだけ前記外部絶縁管８の先端側に移動できるように設定する。例えば、該電力電極３に内外ほぼ対応する部位付近から該外部絶縁管８の先端側に概ね１０mm程往復移動可能に構成する。往復移動をさせるための構成は自由である。   The movable ground electrode 4 is formed as an annular conductor, and as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), is externally slidably provided on the outer periphery of the outer insulating tube 8 along its axial direction. . The sliding range of the ground electrode 4 is set so that the power electrode 3 can be moved to the distal end side of the outer insulating tube 8 as much as necessary to avoid a high temperature. For example, the power electrode 3 is configured so as to be reciprocally movable by approximately 10 mm from the vicinity corresponding to the inside and outside of the power electrode 3 to the distal end side of the external insulating tube 8. The configuration for reciprocal movement is free.

前記補助電極４ａは、前記したように、前記接地電極４と並列に配する。この補助電極４ａは、該接地電極４と同様に、環状の導体に構成し、図３(b)に示すように、外部絶縁管８の先端外周部に外装固定する。該補助電極４ａは、先端側で前記外部絶縁管８に固設した絶縁ジャケット１４で被覆する。この絶縁ジャケット１４も石英ガラスで構成するのが適当である。プラズマ吹き出し口の先端で前記外部絶縁管８の先端を細くし、それに伴い、前記補助電極４ａのリング外径を該接地電極４のそれに対して小さくして構成することも可能である。   The auxiliary electrode 4a is arranged in parallel with the ground electrode 4 as described above. The auxiliary electrode 4a is formed as an annular conductor, like the ground electrode 4, and is externally fixed to the outer periphery of the distal end of the external insulating tube 8 as shown in FIG. The auxiliary electrode 4a is covered with an insulating jacket 14 fixed to the outer insulating tube 8 on the tip side. The insulating jacket 14 is also preferably made of quartz glass. It is also possible to make the tip of the outer insulating tube 8 thin at the tip of the plasma outlet, and accordingly, make the ring outer diameter of the auxiliary electrode 4a smaller than that of the ground electrode 4.

前記プラズマ発光を検出する光検出部C-2は、前記外部絶縁管８の後端から先端まで延長する複数本の光ファイバーコンジット５、５…で構成することができる。該外部絶縁管８の外周部に這わせて配置することもできるが、図３(a)、(b)に示すように、その周側肉厚部内に定角度間隔で配する構成とするのがより好ましい。このとき、各光ファイバコンジット５、５…の先端部は該外部絶縁管８の先端にできるだけ近接させる。なお、このような外部絶縁管８の周側肉厚部内への光ファイバコンジット５、５…の配置は、該外部絶縁管８を成形した後に該コンジットをその中に埋め込むことによって行うことができる。   The light detection part C-2 for detecting the plasma emission can be composed of a plurality of optical fiber conduits 5, 5... Extending from the rear end to the front end of the outer insulating tube 8. Although it can be arranged over the outer peripheral portion of the outer insulating tube 8, as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the outer insulating tube 8 has a configuration in which it is arranged at constant angular intervals in the peripheral thick portion. Is more preferable. At this time, the tip of each optical fiber conduit 5, 5... Is as close as possible to the tip of the external insulating tube 8. The optical fiber conduits 5, 5... Can be arranged in the peripheral thick portion of the outer insulating tube 8 by forming the outer insulating tube 8 and then embedding the conduit therein. .

前記高速ノズルは、前記外部絶縁管８の後端、即ち、上流側端部中心に構成する。この高速ノズルとしては、種々の超音速ノズルを採用可能である。例えば、図３(b)に示すように、該外部絶縁管８の後端に円柱形のラバルノズル１を填め込むことによって構成することができる。   The high-speed nozzle is configured at the rear end of the outer insulating tube 8, that is, at the center of the upstream end. As this high speed nozzle, various supersonic nozzles can be adopted. For example, as shown in FIG. 3 (b), a cylindrical Laval nozzle 1 can be fitted into the rear end of the outer insulating tube 8.

前記外部絶縁管８の先端は、図３(b)に示すように、そのまま開口状態となり、プラズマガスの吹出口となっている。   As shown in FIG. 3B, the distal end of the external insulating tube 8 is in an open state as it is and serves as a plasma gas outlet.

従って本発明の携帯型大気圧プラズマ発生装置を含むこのシステムによれば、前記したように、従来の大気圧プラズマ励起電源と同様の仕様であるプログラマブル高周波電源部A-1を用いて、より高エネルギーの正イオンを被処理物の表面に照射することができる。   Therefore, according to this system including the portable atmospheric pressure plasma generator of the present invention, as described above, the programmable high-frequency power supply unit A-1 having the same specifications as those of the conventional atmospheric pressure plasma excitation power supply is used. The surface of the workpiece can be irradiated with positive ions of energy.

またプラズマ発生用機器・分光分析系Aのガス供給部A-4からマルチフレキシブルフィーダ系Bを通じて携帯型大気圧プラズマ発生装置Cまで供給されたガスは、その高速ノズルを通じて放電部C-1を構成する外部絶縁管８内に高速で導入される。このようにして外部絶縁管８内に導入されるガスが低流量であっても、その誘電体バリヤ放電部で良好にプラズマ化し、生じたプラズマを該外部絶縁管８先端の吹出口からより長く引出すことができる。即ち、外部絶縁管８の外周途中に移動自在に配した接地電極４に加えてその先端外周に補助電極４ａを配置し、これらと電力電極３との間にプログラマブル高周波電源部A-1から出力される高周波電圧を印加することとしたため、該外部絶縁管８の先端付近の電気力線密度を増大させ、その上流部に位置する誘電体バリヤ放電部からのシードプラズマを空間的に増大し前記吹出口外へ大気圧プラズマを引出すことができる。   In addition, the gas supplied from the gas supply unit A-4 of the plasma generation device / spectroscopy system A to the portable atmospheric pressure plasma generator C through the multi-flexible feeder system B constitutes the discharge unit C-1 through the high-speed nozzle. It is introduced into the outer insulating tube 8 at a high speed. Thus, even when the gas introduced into the outer insulating tube 8 is at a low flow rate, the dielectric barrier discharge part is well plasmified, and the generated plasma is longer from the outlet at the tip of the outer insulating tube 8. Can be withdrawn. In other words, in addition to the ground electrode 4 movably arranged in the middle of the outer periphery of the outer insulating tube 8, an auxiliary electrode 4a is arranged on the outer periphery of the tip, and output from the programmable high frequency power source A-1 between these and the power electrode Since the high frequency voltage to be applied is applied, the electric field line density near the tip of the outer insulating tube 8 is increased, and the seed plasma from the dielectric barrier discharge portion located upstream thereof is spatially increased to increase the density of the seed plasma. Atmospheric pressure plasma can be drawn out of the outlet.

加えて、前記外部絶縁管８の先端まで光ファイバーコンジット５、５…を延長させたため、これによって先端の吹出口近傍のプラズマの発光状態が良好に検出され、これがマルチフレキシブルフィーダ系Bを通じてプラズマ発生用機器・分光分析系Aの分光分析部A-3に伝送され、プラズマ中のガス励起状態及び被処理物表面の励起状態が観測され、この観測結果データがＰＣ部A-5に入力される。ＰＣ部A-5では、この観測結果データと所望のガス励起状態のデータである基準状態のデータとを比較し、その比較結果に基づいて、前記プログラマブル高周波電源部A-1の振幅や周波数等の出力波形、並びにガス供給部A-4から供給されるガス種の混合割合と各ガス種の流量等を適切に制御し、所望のガス励起状態を確保するよう動作する。   In addition, since the optical fiber conduits 5, 5... Are extended to the tip of the outer insulating tube 8, the plasma emission state in the vicinity of the outlet at the tip is detected well, and this is used for generating plasma through the multi-flexible feeder system B. It is transmitted to the spectroscopic analysis unit A-3 of the instrument / spectrometric analysis system A, and the gas excited state in the plasma and the excited state of the surface of the object to be processed are observed, and this observation result data is input to the PC unit A-5. In the PC unit A-5, the observation result data is compared with the reference state data which is the data of the desired gas excitation state, and based on the comparison result, the amplitude, frequency, etc. of the programmable high frequency power supply unit A-1 The output waveform, the mixing ratio of the gas species supplied from the gas supply unit A-4, the flow rate of each gas species, and the like are appropriately controlled to ensure a desired gas excitation state.

また、前記のように、外部絶縁管８の外周に配した接地電極４を該外部絶縁管８の軸方向に移動可能に構成し、プラズマの点火時に該接地電極４を電力電極３に近づけるべく移動させ、これによって比較的低い放電開始電圧を得ると共に、高速ノズルのノズル径を絞ることにより電力電極３を冷却して低いガス流量で安定にプラズマを維持できる。   Further, as described above, the ground electrode 4 arranged on the outer periphery of the outer insulating tube 8 is configured to be movable in the axial direction of the outer insulating tube 8 so that the ground electrode 4 can be brought close to the power electrode 3 when the plasma is ignited. It is possible to move and thereby obtain a relatively low discharge start voltage, and by cooling the power electrode 3 by narrowing the nozzle diameter of the high-speed nozzle, the plasma can be stably maintained at a low gas flow rate.

こうして、プラズマ発生用のプログラマブル高周波電源A-1とガス供給部A-4のガスボンベを小型化でき、小型の携帯型大気圧プラズマ発生装置を含む小型のシステムが提供できる。   Thus, the programmable high frequency power source A-1 for generating plasma and the gas cylinder of the gas supply unit A-4 can be miniaturized, and a small system including a small portable atmospheric pressure plasma generator can be provided.

また本発明の携帯型大気圧プラズマ発生装置を含むこのシステムによれば、パルスバイアスを、前記プログラマブル高周波電源の搬送波が休止する間に、前記電力電極と導体である被処理物との間に印加することにより、イオンを加速して被処理物に強く衝撃させ、
その表面を過度に加熱することなく荒削りするようなことができる。 In addition, according to this system including the portable atmospheric pressure plasma generator of the present invention, a pulse bias is applied between the power electrode and the workpiece to be processed while the carrier wave of the programmable high frequency power supply is stopped. By accelerating the ions and bombarding the workpiece,
The surface can be roughened without excessive heating.

この実施例は、実施例の携帯型大気圧プラズマ発生装置を含むシステムに関し、全体構成の概要は、図１に示す通りである。   This embodiment relates to a system including the portable atmospheric pressure plasma generator of the embodiment, and the outline of the overall configuration is as shown in FIG.

このシステムは、図１に示すように、ガス流の上流方向から見て、プラズマ発生用機器・分光分析系Aと、マルチフレキシブルフィーダ系Bと、携帯型大気圧プラズマ発生装置Cとで構成したものである。   As shown in FIG. 1, this system is composed of a plasma generating device / spectral analysis system A, a multi-flexible feeder system B, and a portable atmospheric pressure plasma generator C as viewed from the upstream side of the gas flow. Is.

前記プラズマ発生用機器・分光分析系Aは、図１に示すように、プラズマ発生用のプログラマブル高周波電源部A-1と、パルスバイアス電源部A-2と、分光分析部A-3と、ガス供給部A-4と、ＰＣ部（パーソナルコンピュータ部）A-5とにより構成される。   As shown in FIG. 1, the plasma generating device / spectral analysis system A includes a plasma generating programmable high-frequency power supply unit A-1, a pulse bias power supply unit A-2, a spectral analysis unit A-3, and a gas. It comprises a supply unit A-4 and a PC unit (personal computer unit) A-5.

前記プログラマブル高周波電源部A-1は、図４(a)に示すようなバースト状の電圧・電流波形を発生し、その振幅、搬送周波数、繰返し周波数及びデューティ比を、各々０〜２kV、１〜２０MHz、１kHz〜１００kHz、５〜９５%の範囲で制御可能に構成したものである。   The programmable high frequency power supply A-1 generates a burst-like voltage / current waveform as shown in FIG. 4 (a), and its amplitude, carrier frequency, repetition frequency, and duty ratio are 0 to 2 kV, 1 to It is configured to be controllable in the range of 20 MHz, 1 kHz to 100 kHz, and 5 to 95%.

これを詳しく説明すると、該プログラマブル高周波電源部A-1は、実効値出力を振幅と称し、これが、前記のように、０〜２kVの範囲で制御可能である。搬送周波数は、図４(a)の(1)に示す周期ｔの逆数であり、これが、前記のように、１〜２０MHzの範囲で制御可能である。繰返し周波数は、図４(a)の(1)に示す搬送波のオンの時間とオフの時間の合計時間（ton+toff）の逆数であり、これが、前記のように、１kHz〜１００kHzの範囲で制御可能である。またデューティ比は、前記合計時間（ton+toff）に対するオンの時間（ton）の１００分率[100ton/(ton+toff)]であり、これが、前記のように、５〜９５% の範囲で制御可能になっている。 Explaining this in detail, the programmable high-frequency power supply unit A-1 refers to the effective value output as the amplitude, which can be controlled in the range of 0 to 2 kV as described above. The carrier frequency is the reciprocal of the period t shown in FIG. 4A (1), and can be controlled in the range of 1 to 20 MHz as described above. The repetition frequency is the reciprocal of the total time (t on + t off ) of the on time and off time of the carrier shown in (1) of FIG. 4 (a), which is 1 kHz to 100 kHz as described above. It can be controlled in a range. Further, the duty ratio is a 100 fraction [100 t on / (t on + t off )] of the on time (t on ) with respect to the total time (t on + t off ), which is 5 as described above. Control is possible in the range of ~ 95%.

前記パルスバイアス電源部A-2は、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cの放電部C-1の電力電極３と導体である被処理物７との間に、前者が高電圧となり、後者が低電圧となるパルス電圧を印加するように接続する。その出力波形は、振幅０〜６kV、パルス幅０〜１００μs、繰返し周波数１kHz〜１００kHzの範囲で、それぞれ制御できるように構成したものである。   In the pulse bias power supply unit A-2, the former has a high voltage between the power electrode 3 of the discharge unit C-1 of the portable atmospheric pressure plasma generator C and the object 7 to be processed, and the latter is Connection is made so as to apply a pulse voltage that is a low voltage. The output waveform is configured such that it can be controlled in the range of amplitude 0 to 6 kV, pulse width 0 to 100 μs, and repetition frequency 1 kHz to 100 kHz.

前記分光分析部A-3は、回折格子の格子数１０２４個、ＣＣＤアレー１０２４chを有し、露出時間４０ms〜２０sの範囲に及ぶものを採用した。   The spectroscopic analysis unit A-3 has a number of diffraction gratings of 1024, a CCD array of 1024ch, and an exposure time ranging from 40 ms to 20 s.

前記ガス供給部A-4は、ガスボンベとその開口部に配したバルブと、該バルブを制御するコントローラとで構成したものである。該ガスボンベは、外形３５０・８０・８０mmで、ガス耐圧２０MPaのそれを採用した。該ガスボンベに付属する減圧弁には、一次側と二次側に圧力センサーが付設してあり、各々の圧力値を逐次前記ＰＣ部A-5でモニターできるようにした。また前記バルブとしては、ピエゾ型バルブを採用し、コントローラとしてマスフローコントローラを組込み、弁開閉と０．０５〜５l/min（１atm、０℃）のガス流量範囲をＰＣ部A-5で制御できるようにしたものである。   The gas supply unit A-4 is composed of a gas cylinder, a valve disposed in the opening thereof, and a controller for controlling the valve. The gas cylinder used had an outer shape of 350, 80, and 80 mm and a gas pressure resistance of 20 MPa. The pressure reducing valve attached to the gas cylinder is provided with pressure sensors on the primary side and the secondary side so that each pressure value can be successively monitored by the PC section A-5. In addition, a piezo-type valve is adopted as the valve, and a mass flow controller is incorporated as a controller so that the valve opening and closing and the gas flow range of 0.05 to 5 l / min (1 atm, 0 ° C) can be controlled by the PC section A-5. It is a thing.

前記ＰＣ部A-5は、ＣＰＵ：ＰＥＮＴＩＵＭ（登録商標）４−３GHz、メモリ：５１２MB以上の性能を有する一般的なノート型のそれを採用し、前記プラズマ発生用機器・分光分析系Aの各部とは分離してボックス外に出して置き、ＵＳＢの通信規格で接続して連動リレー１０ａ、１０ｂを含む該プラズマ発生用機器・分光分析系A内の他の各構成要素を制御することにした。   The PC part A-5 adopts a general notebook type CPU having a performance of CPU: PENTIUM (registered trademark) 4-3 GHz, memory: 512 MB or more, and each part of the plasma generating apparatus / spectral analysis system A And connected to the USB communication standard to control other components in the plasma generation apparatus / spectroscopy system A including the interlocking relays 10a and 10b. .

前記マルチフレキシブルフィーダ系Bは、プラズマ発生用の電力供給線路部B-1と、ガス供給線路部B-2と、ファイバー光伝送線路部B-3と、パルスバイアス電圧印加線路部B-4とにより構成される。図２に示すように、それらを同心状に配置して一本のフレキシブルなラインに構成し、全長は３m、許容曲率１０cmに構成した。   The multi-flexible feeder system B includes a plasma generation power supply line section B-1, a gas supply line section B-2, a fiber light transmission line section B-3, and a pulse bias voltage application line section B-4. Consists of. As shown in FIG. 2, they were concentrically arranged to form a single flexible line, with a total length of 3 m and an allowable curvature of 10 cm.

前記電力供給線路部B-1は、メッシュ状の接地スリーブB-1aと同様にメッシュ状の電力スリーブB-1bとを、図２に示すように、前者を外側に後者を内側にして同心状に配置し、その間及びその外周をそれぞれＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)による絶縁スリーブB-1c、B-1cで保持して構成した。該絶縁スリーブB-1cの厚みは０．５mm、前記接地スリーブB-1aの内径は６mm、その厚みは０．２mm、前記電力スリーブB-1bの内径は３．８mm、その厚さは０．２mmとした。いずれも長さは、前記のように、３mである。   As shown in FIG. 2, the power supply line section B-1 is concentric with a mesh-like power sleeve B-1b as well as a mesh-like ground sleeve B-1a, with the former on the outside and the latter on the inside. The outer periphery and the outer periphery thereof were respectively held by insulating sleeves B-1c and B-1c made of PTFE (polytetrafluoroethylene). The insulation sleeve B-1c has a thickness of 0.5 mm, the ground sleeve B-1a has an inner diameter of 6 mm, its thickness is 0.2 mm, the power sleeve B-1b has an inner diameter of 3.8 mm, and its thickness is 0.2 mm. 2 mm. In any case, the length is 3 m as described above.

前記ガス供給線路部B-2としては、ＰＴＦＥによるガス導入管B-2aを採用し、図２に示すように、前記電力供給線路部B-1の内側、即ち、内径３．８mmの電力スリーブB-1bの内側に装入する態様で、それらと同心状に配置した。このＰＴＦＥによるガス導入管B-2aは、内径を２mmに、その周側部の厚みを０．７mmに構成したものである。   As the gas supply line section B-2, a PTFE gas introduction pipe B-2a is adopted. As shown in FIG. 2, the inside of the power supply line section B-1, that is, a power sleeve having an inner diameter of 3.8 mm. They were placed concentrically with B-1b in such a manner that they were inserted inside. This PTFE gas introduction tube B-2a has an inner diameter of 2 mm and a peripheral side thickness of 0.7 mm.

前記ファイバー光伝送線路部B-3は、前記ガス供給線路部B-2を構成するＰＴＦＥ製のガス導入管B-2aの外側面に長さ方向に沿って配した溝を利用し、この中に光ファイバーコンジットB-3a、B-3a…を配列保持させて構成した。これらの光ファイバーコンジットB-3a、B-3a…は、図２に示すように、８本のそれを該ガス導入管B-2aの外側面の溝内に周方向に４５度の定角度間隔でかつ長さ方向に沿った向きで配列した。これらの光ファイバーコンジットB-3a、B-3a…は、該ガス導入管B-2aを成形した後に、前記配列の溝に埋め込むものである。   The fiber optical transmission line part B-3 uses a groove disposed along the length direction on the outer surface of the PTFE gas introduction pipe B-2a constituting the gas supply line part B-2. The optical fiber conduits B-3a, B-3a,. As shown in FIG. 2, these optical fiber conduits B-3a, B-3a... Are arranged at a constant angular interval of 45 degrees in the circumferential direction in the groove on the outer surface of the gas introduction pipe B-2a. And it arranged in the direction along the length direction. These optical fiber conduits B-3a, B-3a,... Are formed after the gas introduction pipe B-2a is formed and then embedded in the grooves of the array.

なお、以上の光ファイバーコンジットB-3aは、直径が２００μmで、透過波長が２００−９５０nmのそれを採用した。   The optical fiber conduit B-3a described above has a diameter of 200 μm and a transmission wavelength of 200-950 nm.

前記パルスバイアス電圧印加線路部B-4は、単線の導体を、前記ファイバー光伝送線路部B-3と同様に、前記ガス供給線路部B-2を構成するＰＴＦＥ製のガス導入管B-2aの外側面の溝内に埋め込むことにより、パルスバイアス電圧印加線B-4aとして構成した。該パルスバイアス電圧印加線B-4aを構成する導線は、この場合は、周方向に隣接する二本の光ファイバーコンジットB-3a、B-3aの間に、これらと平行に配するものである。   The pulse bias voltage application line section B-4 is a PTFE gas introduction pipe B-2a that constitutes the gas supply line section B-2 in the same manner as the fiber optical transmission line section B-3. By embedding it in a groove on the outer surface of this, a pulse bias voltage application line B-4a was constructed. In this case, the conducting wire constituting the pulse bias voltage applying line B-4a is arranged in parallel between the two optical fiber conduits B-3a and B-3a adjacent in the circumferential direction.

前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cは、プラズマ発生用の放電部C-1とプラズマ発光を検出する光検出部C-2とにより構成したものである。これらは、図３(b)に示すように、円筒状の外部絶縁管８及びその軸心に沿って配する小径の内部絶縁管９に配して構成したものである。   The portable atmospheric pressure plasma generator C is composed of a discharge part C-1 for generating plasma and a light detection part C-2 for detecting plasma emission. As shown in FIG. 3 (b), these are arranged in a cylindrical outer insulating tube 8 and a small-diameter inner insulating tube 9 arranged along the axis.

前記放電部C-1は、電力電極３と、可動式の接地電極４と、固定式の補助電極４ａと、ガス導入用のラバルノズル１とで構成し、前記のように、これらを外部絶縁管８及び内部絶縁管９に取り付けたものである。   The discharge part C-1 is composed of a power electrode 3, a movable ground electrode 4, a fixed auxiliary electrode 4a, and a Laval nozzle 1 for gas introduction, and as described above, these are external insulating tubes. 8 and the inner insulating tube 9.

前記電力電極３は、この実施例では、Ｌ型の中心導体に構成し、図３(b)に示すように、その軸方向部３ａを、前記内部絶縁管９に挿入し、該中心導体の後端から直角方向に延びる縦方向部３ｂの外端付近を前記外部絶縁管８にセットしたものである。該外部絶縁管８にはその後端から軸方向に向けて係止溝を形成しておき、この係止溝に該縦方向部３ｂの外端付近を挿入すると共に、その下流側端に接するように配置したものである。なお前記内部絶縁管９は、以上のように、この実施例では、これに配された電力電極３を構成する中心導体の縦方向部３ｂを介して前記外部絶縁管８に同軸状に固定保持されることとなっている。   In this embodiment, the power electrode 3 is configured as an L-shaped central conductor, and as shown in FIG. 3B, the axial direction portion 3a is inserted into the inner insulating tube 9, and the central conductor is The vicinity of the outer end of the vertical portion 3b extending in the direction perpendicular to the rear end is set on the outer insulating tube 8. A locking groove is formed in the outer insulating tube 8 from its rear end in the axial direction, and the vicinity of the outer end of the vertical portion 3b is inserted into the locking groove so as to contact the downstream end thereof. It is arranged in. As described above, in this embodiment, the inner insulating tube 9 is fixedly held coaxially to the outer insulating tube 8 via the longitudinal portion 3b of the central conductor constituting the power electrode 3 disposed thereon. It is supposed to be done.

また前記外部絶縁管８及び前記内部絶縁管９は、いずれも石英ガラスによって成形したものであり、該外部絶縁管８は、図３(b)に示すように、ストレートな円筒状で前後端（上流側端及び下流側端）のいずれもが開口しており、該内部絶縁管９は、同図に示すように、先端（下流側端）が閉じ、後端（上流側端）が開口した試験管状の構成となっている。この実施例では、該外部絶縁管８の外径は５．３mmに、その周側部の厚みは０．６５mmに構成し、該内部絶縁管９の外径は２mmに、その厚みは0.5mmに構成したものである。   The outer insulating tube 8 and the inner insulating tube 9 are both made of quartz glass, and the outer insulating tube 8 has a straight cylindrical shape, as shown in FIG. Both the upstream end and the downstream end) are open, and the inner insulating tube 9 is closed at the front end (downstream end) and opened at the rear end (upstream end) as shown in FIG. It has a test tube configuration. In this embodiment, the outer diameter of the outer insulating tube 8 is 5.3 mm, the thickness of the peripheral side portion is 0.65 mm, the outer diameter of the inner insulating tube 9 is 2 mm, and the thickness is 0.5 mm. It is configured.

前記電力電極３を構成するＬ型の中心導体の直径は０．５mm、その軸方向部３ａの長さは１０mm、縦方向部３ｂの長さは３mmである。   The diameter of the L-shaped central conductor constituting the power electrode 3 is 0.5 mm, the length of the axial direction portion 3 a is 10 mm, and the length of the vertical direction portion 3 b is 3 mm.

前記可動式の接地電極４は、図３(a)、(b)に示すように、環状の導体に構成し、前記外部絶縁管８の外周にその軸方向に沿って摺動自在に外装する。該接地電極４の摺動範囲は、前記電力電極３の先端側に内外ほぼ一致する部位付近と、該部位から１０mm程該外部絶縁管８の先端（下流端）側の部位との間とし、この範囲を自由に移動可能にしたものである。なお該接地電極４は、その幅を５mmとし、肉厚を０．２mmに構成した。   As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the movable ground electrode 4 is formed as an annular conductor, and is slidably provided on the outer periphery of the outer insulating tube 8 along its axial direction. . The sliding range of the ground electrode 4 is between the vicinity of the portion that substantially matches the inside and outside of the power electrode 3 and the portion on the tip (downstream end) side of the external insulating tube 8 by about 10 mm from the portion. This range is freely movable. The ground electrode 4 was 5 mm wide and 0.2 mm thick.

また前記補助電極４ａは、前記接地電極４と同様に、環状の導体に構成し、図３(b)に示すように、前記外部絶縁管８の先端外周部に外装固定し、該外部絶縁管８の先端側に固設した石英ガラス製の絶縁ジャケット１４で被覆したものである。この補助電極４ａは、その下流側端が該外部絶縁管８の下流側端から１mm上流側に後退した位置となるようにする。またこの補助電極４ａは、電気的には前記接地電極４と並列に接続される。なお該補助電極４ａは、前記接地電極４と同様に、その幅を５mmとし、肉厚を０．２mmに構成した。   The auxiliary electrode 4a is formed as an annular conductor, like the ground electrode 4, and is externally fixed to the outer periphery of the distal end of the external insulating tube 8 as shown in FIG. 8 is covered with an insulating jacket 14 made of quartz glass fixed to the front end side. The auxiliary electrode 4a has a downstream end located at a position retracted 1 mm upstream from the downstream end of the external insulating tube 8. The auxiliary electrode 4a is electrically connected in parallel with the ground electrode 4. The auxiliary electrode 4a has a width of 5 mm and a wall thickness of 0.2 mm, similar to the ground electrode 4.

前記プラズマ発光を検出する光検出部C-2は、前記外部絶縁管８の後端から先端まで延長する８本の光ファイバーコンジット５、５…を、図３(a)、(b)に示すように、該外部絶縁管８の周側肉厚部内に周方向４５度の定角度間隔で配する構成としたものである。このとき、各光ファイバコンジット５、５…の先端部は該外部絶縁管８の先端（下流端）に０．３mmまで近接させたものである。なお、このような外部絶縁管８の周側肉厚部内への光ファイバコンジット５、５…の配置は、該外部絶縁管８を成形した後に該光ファイバコンジット５、５…をその中に埋め込むことによって行った。   As shown in FIGS. 3A and 3B, the light detection unit C-2 for detecting the plasma emission has eight optical fiber conduits 5 extending from the rear end to the front end of the outer insulating tube 8 as shown in FIGS. In addition, the outer insulating tube 8 has a configuration in which the outer insulating tube 8 is arranged at a constant angular interval of 45 degrees in the circumferential direction in the thick portion on the peripheral side. At this time, the distal end portions of the optical fiber conduits 5, 5... Are close to the distal end (downstream end) of the outer insulating tube 8 up to 0.3 mm. The optical fiber conduits 5, 5... Are arranged in the peripheral side thick portion of the outer insulating tube 8 after the outer insulating tube 8 is molded, and the optical fiber conduits 5, 5. Was done by.

該光ファイバコンジット５、５…は、前記ファイバー光伝送線路部B-3を構成する光ファイバーコンジットB-3aをそのまま延長して使用したので、直径が２００μmで、透過波長が２００−９５０nmのそれである。   The optical fiber conduits 5, 5,... Are those having a diameter of 200 μm and a transmission wavelength of 200-950 nm because the optical fiber conduit B-3a constituting the fiber optical transmission line section B-3 is used as it is. .

前記ラバルノズル１は、図３(b)に示すように、円柱状の外形を持ち、縦断面凹レンズ状であり、その端面方向から見た中央部に直径が０．２mmφで、深さ（長さ）が０．５mmのノズル孔を開口した物である。そして、前記のように、前記外部絶縁管８の後端、即ち、上流側端部に同心状に填め込んで固定してあるものである。   As shown in FIG. 3 (b), the Laval nozzle 1 has a cylindrical outer shape and has a concave lens shape with a vertical cross section, and has a diameter of 0.2 mmφ at the center viewed from the end face direction and a depth (length). ) Is a product having a 0.5 mm nozzle hole. As described above, the outer insulating pipe 8 is concentrically fitted and fixed to the rear end, that is, the upstream end.

前記外部絶縁管８の後端（上流側端）には、図１に示すように、これより大径のアウターシェルC-3を結合し、該アウターシェルC-3には、ガス流スイッチC-3a及びガス励起スイッチC-3bを配置する。前記ガス流スイッチC-3aは、前記ラバルノズル１の直前に配した図示しない開閉弁を開閉操作するスイッチであり、前記ガス励起スイッチC-3bは、前記プログラマブル高周波電源部A-1及び前記パルスバイアス電源部A-2をオンオフ操作するスイッチである。   As shown in FIG. 1, an outer shell C-3 having a larger diameter is coupled to the rear end (upstream side end) of the outer insulating pipe 8, and a gas flow switch C is connected to the outer shell C-3. -3a and gas excitation switch C-3b are arranged. The gas flow switch C-3a is a switch that opens and closes an opening / closing valve (not shown) arranged immediately before the Laval nozzle 1, and the gas excitation switch C-3b includes the programmable high-frequency power supply unit A-1 and the pulse bias. This is a switch for turning on / off the power supply unit A-2.

この携帯型大気圧プラズマ発生装置を含むシステムの各部の構成は以上の通りであるが、そのフレキシブルフィーダ系Bを、以下に示すように、上流のプラズマ発生用機器・分光分析系Aと下流の携帯型大気圧プラズマ発生装置Cとに接続してシステムは完成する。   The configuration of each part of the system including this portable atmospheric pressure plasma generator is as described above, but the flexible feeder system B is connected to the upstream plasma generating device / spectral analysis system A and the downstream as shown below. The system is completed by connecting to the portable atmospheric pressure plasma generator C.

こうして電力供給線路部B-1の電力スリーブB-1bと接地スリーブB-1aとは、それぞれプラズマ発生用放電部C-1の電力電極３と接地電極４及び補助電極４ａとをプログラマブル高周波電源部A-1に電気的に接続する。なお電力電極３とプログラマブル高周波電源部A-1とは、図３(b)に示すように、連動リレー１０aを介して接続する。この連動リレー１０ａは後記連動リレー１０ｂも含めて半導体素子によって構成したものである。   Thus, the power sleeve B-1b and the ground sleeve B-1a of the power supply line section B-1 respectively connect the power electrode 3, the ground electrode 4 and the auxiliary electrode 4a of the plasma generating discharge section C-1 to the programmable high frequency power supply section. Electrical connection to A-1. The power electrode 3 and the programmable high-frequency power supply unit A-1 are connected via an interlocking relay 10a as shown in FIG. 3 (b). This interlocking relay 10a includes a semiconductor element including the interlocking relay 10b described later.

パルスバイアス電圧印加線路部B-4は、プラズマ発生用放電部C-1の電力電極３とパルスバイアス電源部A-2の高電圧側を連動リレー１０bを介して接続する。パルスバイアス電源部A-2の低電圧側は、ここから別に延長した導線で被処理物７側に個別に接続する。パルスバイアスを併用する場合は、前記プログラマブル高周波電源A-1の搬送波が切れた時間に前記一方の連動リレー１０aが開き、同時に前記他方の連動リレー１０bが閉じることにより、電力電極３へパルス電圧のみが供給される。この場合、パルス幅は搬送波の休止時間より小さく、その繰り返し周期は、バースト電圧波形のそれと一致させている。このようなパルスバイアスは、被処理物７の表面を過度に加熱することなく荒削りしたい場合等のイオンを加速して被処理物７に強く衝撃させる必要がある場合に印加する。なおプログラマブル高周波電源A-1が前記バースト電圧波形に前記のタイミングで重畳されるスルーレートの大きい前記パルスを含むように構成してある場合は、パルスバイアス電源部A-2、バイアス電圧印加線路部B-4及び連動リレー１０a、１０bは不必要となる。   The pulse bias voltage application line section B-4 connects the power electrode 3 of the plasma generating discharge section C-1 and the high voltage side of the pulse bias power supply section A-2 via the interlocking relay 10b. The low voltage side of the pulse bias power supply unit A-2 is individually connected to the object to be processed 7 side with a lead wire separately extended from here. When the pulse bias is used together, the one interlocking relay 10a is opened at the time when the carrier wave of the programmable high frequency power supply A-1 is cut off, and at the same time, the other interlocking relay 10b is closed, so that only the pulse voltage is applied to the power electrode 3. Is supplied. In this case, the pulse width is smaller than the pause time of the carrier wave, and the repetition period is made to coincide with that of the burst voltage waveform. Such a pulse bias is applied when ions need to be accelerated and strongly bombarded to the object 7 when it is desired to roughen without excessively heating the surface of the object 7 to be processed. When the programmable high-frequency power source A-1 is configured to include the pulse having a large slew rate that is superimposed on the burst voltage waveform at the timing, the pulse bias power source unit A-2, the bias voltage application line unit B-4 and interlocking relays 10a and 10b are unnecessary.

ファイバー光伝送線路部B-3は、その一端で、分光分析部A-3に接続し、他端はそのままプラズマ発光を検出する光検出部C-2として延長する。   The fiber light transmission line part B-3 is connected at one end to the spectroscopic analysis part A-3, and the other end is extended as it is as a light detection part C-2 for detecting plasma emission.

またガス供給線路部B-2は、その一端でガス供給部A-4に接続し、他端で、前記ラバルノズル１の上流側に接続する。   The gas supply line section B-2 is connected to the gas supply section A-4 at one end and connected to the upstream side of the Laval nozzle 1 at the other end.

次に、以上の携帯型大気圧プラズマ発生装置を含むシステムによって所望のガス励起状態が得られるメカニズムを、図４(a)〜(d)に沿って説明する。   Next, a mechanism by which a desired gas excited state can be obtained by a system including the above portable atmospheric pressure plasma generator will be described with reference to FIGS.

前記ガス流スイッチC-3aを、前記ラバルノズル１の直前の開閉弁を開くべく操作し、かつ前記ガス励起スイッチC-3bをオン操作する。   The gas flow switch C-3a is operated to open the on-off valve immediately before the Laval nozzle 1, and the gas excitation switch C-3b is turned on.

こうして前記ガス供給部A-4のガスボンベからヘリウムガスが供給され、図３(b)中の矢印６に示すように、これが前記ラバルノズル１まで導入され、該ラバルノズル１を通じて、毎分０．５リットル（０．５ l/min）で該ヘリウムガスが外部絶縁管８の上流端の中央部に高速で導入される。このとき、可動式の接地電極４を上流側に移動させて電力電極３であるＬ型中心導体の軸方向部３ａに近づける。こうして比較的低い放電開始電圧を得、小さな電源容量でプラズマの点火を容易にする。点火したプラズマは、前記ラバルノズル１でノズル径を絞ることにより電力電極３を冷却して低いガス流量においても安定に維持できる。   Thus, helium gas is supplied from the gas cylinder of the gas supply unit A-4, and as shown by an arrow 6 in FIG. 3B, this is introduced up to the Laval nozzle 1 and through the Laval nozzle 1, 0.5 liters per minute. The helium gas is introduced into the central portion of the upstream end of the outer insulating tube 8 at a high speed at (0.5 l / min). At this time, the movable ground electrode 4 is moved to the upstream side so as to approach the axial portion 3a of the L-shaped central conductor as the power electrode 3. Thus, a relatively low discharge start voltage is obtained, and plasma ignition is facilitated with a small power source capacity. The ignited plasma can be stably maintained even at a low gas flow rate by cooling the power electrode 3 by narrowing the nozzle diameter with the Laval nozzle 1.

また、このとき、プログラマブル高周波電源部A-1では、図４(a)中の(2)に示すような波形、即ち、搬送周波数２MHz、振幅１００V、繰返し周波数１００kHz、デューティ比３０%の電圧・電流波形を生成し、これを、電力電極３と可動式の接地電極４及び補助電極４ａ間に給電している。この振幅を大きくして行くと、約８００Vで、図３(b)に示すように、外部絶縁管８の外周に位置する接地電極４と内部絶縁管９中の電力電極３との間に誘電体バリヤ放電が発生し、その間に誘電体バリヤ放電プラズマ１３が生成される。   At this time, the programmable high frequency power supply unit A-1 has a waveform as shown in (2) of FIG. 4A, that is, a voltage of 2 MHz, a carrier frequency of 2 MHz, an amplitude of 100 V, a repetition frequency of 100 kHz, and a duty ratio of 30%. A current waveform is generated and supplied between the power electrode 3, the movable ground electrode 4 and the auxiliary electrode 4a. When this amplitude is increased, the dielectric is between about 800 V and the ground electrode 4 located on the outer periphery of the outer insulating tube 8 and the power electrode 3 in the inner insulating tube 9 as shown in FIG. A body barrier discharge is generated, during which dielectric barrier discharge plasma 13 is generated.

次いで、前記プログラマブル高周波電源部A-1の出力する高周波電圧・電流の振幅を更に大きくすることにより、図３(b)に示すように、誘電体バリヤ放電部で生成されたプラズマを外部絶縁管８の先端外まで引出すことができる。こうして、同図に示すように、トーチ状プラズマ１２が生成する。   Next, by further increasing the amplitude of the high-frequency voltage / current output from the programmable high-frequency power supply unit A-1, as shown in FIG. 8 can be pulled out of the tip. Thus, the torch-like plasma 12 is generated as shown in FIG.

この後、可動式の接地電極４を電力電極３であるＬ型中心導体の軸方向部３ａから遠ざけ、補助電極４ａに近づける。こうして該電力電極３が高温になり、不純物が発生するのを抑制することができる。   Thereafter, the movable ground electrode 4 is moved away from the axial portion 3a of the L-shaped central conductor, which is the power electrode 3, and is brought closer to the auxiliary electrode 4a. In this way, it is possible to prevent the power electrode 3 from becoming high temperature and generating impurities.

搬送周波数２MHz、振幅９００V、繰返し周波数１００kHz、デューティ比３０%の波形、即ち、図４(a)-(2)の波形によりプラズマが生成されると、図４(a)-(1)に示すデューティ比のより大きな波形で生成された場合に比べて、電子温度の低いプラズマ状態が実現される。   When plasma is generated by a waveform having a carrier frequency of 2 MHz, an amplitude of 900 V, a repetition frequency of 100 kHz, and a duty ratio of 30%, that is, the waveforms of FIGS. 4 (a)-(2), it is shown in FIGS. 4 (a)-(1). Compared to the case where the waveform is generated with a larger duty ratio, a plasma state having a lower electron temperature is realized.

この場合には、図４(c)に示すような、窒素ガスの電離や酸素ガスの解離等の化学反応に必要なエネルギーは原子や分子により固有であるため、大気雰囲気の成分である酸素分子と窒素分子では、窒素分子の電離が起こり難い。   In this case, as shown in FIG. 4 (c), the energy necessary for chemical reaction such as ionization of nitrogen gas and dissociation of oxygen gas is specific to atoms and molecules, so oxygen molecules that are components of the atmospheric atmosphere. And nitrogen molecules are less likely to ionize.

以上のプラズマ中のガス励起状態は、外部絶縁管８の先端（下流端）まで延長状態に埋め込んだ光ファイバーコンジット５、５…によりガスの発光状態を検出し、それをマルチフレキシブルフィーダ系Bのファイバー光伝送線路部B-3を経由して、分光分析部A-3に導き、これによってモニターすることができる。   The gas excitation state in the above plasma is detected by the optical fiber conduits 5, 5... Embedded in the extended state up to the tip (downstream end) of the outer insulating tube 8, and this is detected as the fiber of the multi-flexible feeder system B. The light can be guided to the spectroscopic analysis part A-3 via the optical transmission line part B-3 and monitored by this.

こうしてモニターすると、図４(d)-2に示すように、プラズマガス中の発光現象として、波長が８００nm前後の酸素分子の励起スペクトルがより強く現れるのが分かる。   When monitored in this way, as shown in FIG. 4 (d) -2, it can be seen that the excitation spectrum of oxygen molecules having a wavelength of around 800 nm appears more intensely as a light emission phenomenon in the plasma gas.

窒素分子ガスの励起状態が必要な場合は、ＰＣ部A-5で、プログラマブル高周波電源部A-1が、図４(a)-(1)に示すデューティ比の大きな波形出力を生成すべく制御するように操作すれば良い。これによって、図４(d)-1に示すように、波長が２００−４００nm程の窒素分子の励起スペクトルがより強く現れるのが分かる。   When the excited state of the nitrogen molecular gas is required, the programmable high frequency power supply unit A-1 controls the PC unit A-5 to generate a waveform output with a large duty ratio shown in FIGS. 4 (a)-(1). You just have to operate it. As a result, as shown in FIG. 4D, it can be seen that the excitation spectrum of nitrogen molecules having a wavelength of about 200 to 400 nm appears more intensely.

こうして携帯型大気圧プラズマ発生装置Cは、目的に応じて、プログラマブル高周波電源部A-1の出力波形を制御することにより、プラズマ生成ガスの励起状態をある範囲でコントロールすることができる。   Thus, the portable atmospheric pressure plasma generator C can control the excitation state of the plasma generation gas within a certain range by controlling the output waveform of the programmable high-frequency power supply unit A-1 according to the purpose.

本発明の携帯型大気圧プラズマ発生装置及びこれを含むシステム全体を示す説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Explanatory drawing which shows the portable atmospheric pressure plasma generator of this invention, and the whole system containing this. 実施例のマルチフレキシブルフィーダの概要を示す断面説明図。Cross-sectional explanatory drawing which shows the outline | summary of the multi-flexible feeder of an Example. (a)は実施例の携帯型大気圧プラズマ発生装置の主要部に於けるプラズマ放電構造とファイバー光検出機能を示す断面説明図、(b)は実施例の携帯型大気圧プラズマ発生装置に於けるプラズマ放電構造とファイバー光検出機能を説明する側面説明図。(a) is a cross-sectional explanatory view showing the plasma discharge structure and fiber light detection function in the main part of the portable atmospheric pressure plasma generator of the embodiment, (b) is the portable atmospheric pressure plasma generator of the embodiment. Side surface explanatory drawing explaining the plasma discharge structure and fiber light detection function which start. (a)は実施例の携帯型大気圧プラズマ発生装置を用いてプラズマを発生させる場合のプログラマブル高周波電源部の出力波形を示す図、(b)は波形に対応するプラズマ電子のエネルギー分布を示す図、(c)はプラズマ中で生じる化学反応の一例を示す図、(d)-1及び(d)-2は生成するプラズマの発光スペクトラムの一例を示す図。(a) is a diagram showing the output waveform of the programmable high-frequency power supply unit when generating plasma using the portable atmospheric pressure plasma generator of the embodiment, (b) is a diagram showing the energy distribution of plasma electrons corresponding to the waveform (C) is a figure which shows an example of the chemical reaction which arises in a plasma, (d) -1 and (d) -2 are figures which show an example of the emission spectrum of the plasma to produce | generate.

符号の説明Explanation of symbols

A プラズマ発生用機器・分光分析系
A-1 プログラマブル高周波電源部
A-2 パルスバイアス電源部
A-3 分光分析部
A-4 ガス供給部
A-5 ＰＣ部（パーソナルコンピュータ）部
B マルチフレキシブルフィーダ系
B-1 電力供給線路部
B-1a 接地スリーブ
B-1b 電力スリーブ
B-1c 絶縁スリーブ
B-2 ガス供給線路部
B-2a ガス導入管
B-3 ファイバー光伝送線路部
B-3a 光ファイバーコンジット
B-4 パルスバイアス電圧印加線路部
B-4a パルスバイアス電圧印加線
C 携帯型大気圧プラズマ発生装置
C-1 放電部
C-2 光検出部
C-3 アウターシェル
C-3a ガス流スイッチ
C-3b ガス励起スイッチ
１ ラバルノズル
３ 電力電極
３ａ 軸方向部
３ｂ 縦方向部
４ 接地電極
４ａ 補助電極
５ 光ファイバーコンジット
６ ガス流を示す矢印
７ 被処理物
８ 外部絶縁管
９ 内部絶縁管
１０a プログラマブル高周波電圧断続用の連動リレー
１０b パルスバイアス電圧断続用の連動リレー
１４ 絶縁ジャケット A Plasma generator / spectroscopy system
A-1 Programmable high frequency power supply
A-2 Pulse bias power supply
A-3 Spectroscopic analysis unit
A-4 Gas supply unit
A-5 PC section (personal computer) section
B Multi-flexible feeder system
B-1 Power supply line
B-1a Grounding sleeve
B-1b Power sleeve
B-1c Insulation sleeve
B-2 Gas supply line
B-2a Gas introduction pipe
B-3 Fiber optical transmission line
B-3a optical fiber conduit
B-4 Pulse bias voltage application line
B-4a Pulse bias voltage application line
C Portable atmospheric pressure plasma generator
C-1 Discharge part
C-2 Photodetector
C-3 outer shell
C-3a Gas flow switch
C-3b Gas excitation switch 1 Laval nozzle 3 Power electrode 3a Axial part 3b Longitudinal part 4 Ground electrode 4a Auxiliary electrode 5 Optical fiber conduit 6 Gas flow arrow 7 Processed object 8 External insulation pipe 9 Internal insulation pipe 10a Programmable high-frequency voltage Interlocking relay for intermittent operation 10b Interlocking relay for intermittent pulse bias voltage 14 Insulation jacket

Claims (4)

外部絶縁管の外周部にその軸方向に移動可能に配した接地電極と、
前記外部絶縁管の外周部先端に配した、前記接地電極と同電位の補助電極と、
前記外部絶縁管の軸心に沿って配した内部絶縁管と、
前記外部絶縁管の後端に配したガス導入用の高速ノズルと、
前記内部絶縁管内に配置した、前記高速ノズルから導入したガスが電離して生成したプラズマガスにその一部もしくは全体を接触させるように構成した電力電極と、
前記外部絶縁管の先端に開口したプラズマガスの吹出口と、
前記高速ノズルにプラズマ生成用のガスを供給するガス供給部と、
前記接地電極及び前記補助電極と前記電力電極との間に放電用の高周波電力を供給するプログラマブル高周波電源とを備え、
前記接地電極は前記電力電極の先端にもっとも近づいた位置から該電力電極が高温になるのを回避するのに必要なだけ前記補助電極に近づいた位置まで移動可能であり、かつプラズマ点火時には、該接地電極が該電力電極の先端に前記もっとも近づいた位置にあるようにしたことを特徴とする携帯用大気圧プラズマ発生装置。 A ground electrode arranged on the outer periphery of the outer insulating tube so as to be movable in the axial direction;
An auxiliary electrode having the same potential as that of the ground electrode, disposed at the outer periphery of the outer insulating tube,
An inner insulating pipe disposed along the axis of the outer insulating pipe;
A high-speed nozzle for gas introduction disposed at the rear end of the external insulating tube;
A power electrode arranged in the inner insulating tube and configured to bring a part or the whole into contact with a plasma gas generated by ionizing a gas introduced from the high-speed nozzle; and
A plasma gas outlet opening at the tip of the outer insulating tube;
A gas supply unit that supplies a gas for generating plasma to the high-speed nozzle;
A programmable high-frequency power source that supplies high-frequency power for discharge between the ground electrode and the auxiliary electrode and the power electrode,
The ground electrode can be moved from a position closest to the tip of the power electrode to a position as close to the auxiliary electrode as necessary to avoid the power electrode from becoming hot, and during plasma ignition, A portable atmospheric pressure plasma generator characterized in that a ground electrode is positioned closest to the tip of the power electrode . 前記電力電極と導体である被処理物との間に、パルスバイアス電源により、パルスバイアス電圧を印加するように構成した請求項１の携帯型大気圧プラズマ発生装置。 2. The portable atmospheric pressure plasma generator according to claim 1, wherein a pulse bias voltage is applied between the power electrode and a workpiece to be processed by a pulse bias power source. 前記外部絶縁管の先端まで、該外部絶縁管先端の吹出口近傍の発光状態を観測するために、光ファイバーコンジットを延長した請求項１又は２の携帯型大気圧プラズマ発生装置。   The portable atmospheric pressure plasma generator according to claim 1 or 2, wherein an optical fiber conduit is extended to observe the light emission state in the vicinity of the air outlet at the distal end of the external insulating tube up to the distal end of the external insulating tube. 前記光ファイバーコンジットを分光分析装置に接続し、該分光分析装置により前記吹出口周辺のガス励起状態を分光モニタし、得られた励起状態データを基準励起状態データと比較し、所望のガス励起状態が得られるように、前記プログラマブル高周波電源の高周波電圧・電流波形、前記ガス供給部の供給するガス種混合割合及び各種のガス流を制御するように構成した請求項３の携帯型大気圧プラズマ発生装置。   The optical fiber conduit is connected to a spectroscopic analyzer, and the gas excited state around the outlet is spectroscopically monitored by the spectroscopic analyzer, and the obtained excited state data is compared with the reference excited state data to obtain a desired gas excited state. The portable atmospheric pressure plasma generator according to claim 3, configured to control a high-frequency voltage / current waveform of the programmable high-frequency power source, a gas species mixing ratio supplied by the gas supply unit, and various gas flows so as to be obtained. .
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