JPH0263549A

JPH0263549A - プラズマ反応方法及び装置

Info

Publication number: JPH0263549A
Application number: JP21333388A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Okuya; 猛奥谷; Yoshinori Nakada; 善徳中田; Masaaki Suzuki; 正昭鈴木
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1988-08-27
Filing date: 1988-08-27
Publication date: 1990-03-02

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔利用分野〕本発明は、レーザで反応物質を励起加熱し、これを高周
波誘導プラズマへ導入することにより、プラズマを安定
に発生させ、清浄なプラズマの超高温を用いて、効率よ
く、反応を生じせしめるプラズマ反応方法及び装置に関
する。

〔従来の技術及びその問題点〕

熱プラズマは、電子のみならず重い粒子の温度も高く、
はぼ熱平衡にあるプラズマで、温度は５Ｘ１０３〜２Ｘ
１０”Ｋ＜らいで、圧力が高い（０，５気圧以上）場合
にできる。従って、プラズマの持っているエネルギー密
度は大きく、被加熱物質を短時間で高温化することがで
きる。この特徴を生かし。

高温のみで進行する化学反応、高融点物質の融解・精錬
などいわゆる高温処理の熱源として利用され、また、そ
の利用が種々検討されている。

熱プラズマの発生方式には、アーク放電と高周波誘導の
二つがある。アーク放電方式は、陰極とを印加し、絶縁
破壊させた気体を誘導加熱するものである。前者では、
安価な電源で高い運動エネルギーのプラズマが得られ、
手軽にプラズマを得ることができるが、熱によって電極
（タングステン、炭素など）が蒸発して直流プラズマ中
に混入し、プラズマを汚染することがある。また、プラ
ズマガスとともに反応物質を注入するとき、これらのガ
スが腐食性である場合、電極が腐食され、直流プラズマ
中に混入する。従って、清浄なプラズマを得ることがで
きない。一方、後者では、プラズマ密度はアーク放電に
よる直流プラズマよりも低いが、無電極であるため、清
浄なプラズマを得ることができ、高純度な製品を得るの
に適している。さらに、直流プラズマの場合では、一般
に陽極部をノズル状にしてそこからプラズマを吹き出さ
せるいわゆるプラズマジェットにして使用されるため、
そのプラズマの噴出速度は超音速と言われている。従っ
て、反応履歴の制御と化学反応速度論的に必要とされる
反応時間がある程度必要である場合、直流プラズマの利
用には限界があると言われている。一方、高周波誘導プ
ラズマ（Ｒ，Ｆ、プラズマ）では、プラズマガス流速が
直流プラズマよりも遅＜　（ｚ３０＋＋＋／ｓ）、プラ
ズマ内での完全な化学反応が期待され反応履歴の制御も
可能である。しかしながら、無電極であるために外的じ
よう乱には非常に敏感で、導入される反応物質の量はか
なり制限され、供給速度がある量を越えるとたちまちプ
ラズマは不安定になり消えてしまう。

従って、プラズマの安定性を損なうことなく反応を維持
するためには、プラズマの温度を急激に低下させないこ
と、プラズマの流れを極端に乱さないことが必要である
。

前記のＲ，Ｆ、プラズマを安定に維持し、プラズマ反応
装置として利用するために種々の試みがなされている。

Ｒ，Ｆ、プラズマ内の電場および磁場に起因する磁気圧
効果によってプラズマ上部に渦流が発生することが知ら
れており、この渦流がプラズマの安定性に深く関与して
いることが現在までの研究で明らかにされている。そし
て、このプラズマ上部の渦流を防げないように反応物質
を注入できるトーチが提案されている。このトーチを大
まかに分類すると以下に述べる３種になる。

第１のトーチは、プラズマの尾炎部あるいはワークコイ
ル部からプラズマ上部渦流を乱さず反応物質を注入でき
るトーチである。このトーチでは、注入によるプラズマ
の不安定性は解消されるが、反応物質の注入によりプラ
ズマ内温度は低下する。

従って、プラズマの超高温を充分に利用しているとは言
えない。プラズマ尾炎部へ注入するよりは。

ワークコイルの間隙から注入する方がプラズマの側面へ
注入することになり、熱をより有効に利用することにな
るが、トーチの構造が複雑になる。

何れにしても、プラズマ上部からの注入ではないので超
高湿を有効に利用しているとは言えない。

第２のトーチは、プラズマ上部から反応物質を注入した
場合、渦流を乱し、プラズマが不安定になり消火してし
まうが、プラズマが消えても絶えずエネルギーを供給し
ていると、直ちに点火され、ある程度渦流が乱されても
プラズマは維持できるという考えを基に開発されたもの
で、エネルギー供給源としてＲ，Ｆ、プラズマ上方に設
置された直流プラズマジェットを用いる方式である。こ
の方式では、直流プラズマジェットに反応物質を注入す
ることにより反応物質およびプラズマガスにエネルギー
を供給し、この直流プラズマジェットをＲｏＦ、プラズ
マの軸方向に噴出させるものである。この方式は、検討
の結果、正確にＲ，Ｆ、プラズマの軸方向に直流プラズ
マジェットの噴出方向が合致するため、渦流は乱されな
い（Ｒ，Ｆ、プラズマの中心軸上には渦流は発生しない
）。しかし、既に述べたように、直流プラズマでは、熱
によって電極が蒸発もしくは腐食して熱プラズマ中に混
入するため清浄な熱プラズマが得られず、反応生成物に
不純物が混入してしまうことになる。従って、高純度の
生成物を！３２造することはできない。

第３のトーチは、第２のトーチで用いている直流プラズ
マジェットのかわりにＲｏＦ、プラズマトーチを用いる
方式である。この方式では、エネルギー供給用のＲ，Ｆ
、プラズマトーチの軸と、その下方にあるＲ、Ｆ、プラ
ズマトーチの軸とは同一線上にある。

エネルギー供給用Ｒ，Ｆ、プラズマトーチは、その下方
にあるＲ、Ｆ、プラズマトーチよりプラズマの出力は小
さい。この方式では、第２のトーチの様な直流プラズマ
を用いないため、清浄なプラズマが得られるが５反応物
質をエネルギー供給用プラズマトーチの上部から注入し
た場合、渦流を乱しプラズマが消火してしまう、そして
、その下方にあるＲ、Ｆ、プラズマの渦流も乱し、プラ
ズマをも消火してしまう、ことになる。従って、反応物
質の注入方法として、プラズマ上方から軸方向に反応物
質を注入することができないため、プラズマの超高温を
充分に利用していることにはならず、効率の良い反応が
期待できない。

Ｒ，Ｆ、プラズマは清浄なプラズマであり、高純度の生
成物を製造する優れた手段と考えられるが、安定にプラ
ズマを維持し、超高温を利用する手段はまだ見いだされ
ていない。

〔発明の課題〕

本発明は、Ｒ，Ｆ、プラズマを安定に維持し、かつその
超高温を有効に利用するプラズマ反応方法及び装置を提
供することをその課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発、明者らは、この様な課題を解決すべく鋭意研究を
重ねた結果、反応物質とプラズマガスとの混合物をレー
ザ光で励起した後、Ｒ，Ｆ、枠環プラズマ上部へ導入す
ることにより、清浄なプラズマを得ることができ１．ま
た、安定にプラズマが維持でき、超高温を利用できるこ
とを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに
至った。

即ち、本発明の方法は、Ｒ，Ｆ、プラズマに注入される
反応物質をレーザ光で照射し、励起加熱する工程と、Ｒ
，Ｆ、プラズマにより該反応物質を超高温に加熱する工
程からなり、また本発明の装置は、このような各工程を
実施する領域を含むものである（本発明による方法及び
装置をそれぞれバイブ＋１すニットプラズマレーザ反応方法及び装置となづける）
。レーザ光照射領域は、Ｒ，Ｆ、プラズマ上部に側゛る
。反応物質は、レーザ光光路の真上に導かれる。レーザ
光の照射により励起された反応物質は、レーザ光照射領
域真下に発生している熱プラ′ズマの中心（軸方向）に
注入され、Ｒ，Ｆ、プラズマの超高温と接触し、加熱さ
れる。レーザ光では、不純物の混入がなく、清浄な状態
で励起・加熱でき、かつ、加熱用に清浄なプラズマであ
るＲ、Ｆ、プラズマを用いているため、高純度物を製造
するのに適している。

Ｓｉ、　Ｎ、のセラミック粉体を合成する反応では、反
応物質が各々５ｉ−Ｈ，Ｃ−Ｈ，Ｎ−Ｈを持つため、Ｃ
Ｏ，レーザ光（波長１０，５９１．ｍ）を効率よく吸収
するので、ＣＯ２レーザが好適に用いられる。また、固
体粒子を反応物質とする場合は、ＣＯ２レーザやＮｄ　
：　ＹＡＧレーザ（波長１．０６μｍ）等を使用するこ
とにより反応物質を励起加熱することができる。その他
、反応物質に応じて各種レーザ（エキシマレーザ、色素
レーザなど）を使用することができる。レーザ照射領域
真下には、ワークコイルで励起誘導されたＲｏＦ、プラ
ズマがあり、この中心の軸方向にレーザ光により励起加
熱された反応物質を注入し、Ｒ，Ｆ、プラズマの安定性
を増し、超高温を利用し９反応を効率よく完結させる。

二種以上の反応物より生成物を製造する場合。

即ち、Ａ＋Ｂ−ＤＣ（反応物質Ａ、Ｂ、生成物Ｃ）の場
合１反応物質Ａのみをレーザで照射し、もう一つの反応
物質ＢをＲ，Ｆ、プラズマの尾炎部に注入し、反応させ
て反応生成物Ｃを得るという方法も可能である。

次に本発明の装置について、添付図面に従って説明する
と、第１図において、本発明のハイブリッドプラズマレ
ーザ反応装置全体は、プラズマトーチヘッド部１、レー
ザ照射部２、Ｒ，Ｆ、プラズマトーチ部３、レーザ発振
部４、ワークコイル５に接続する高周波電源部（図示せ
ず）から成っている。レーザ照射部２、Ｒ，Ｆ、プラズ
マトーチ部３は、耐熱性で電気絶縁性の石英ガラスや窒
化ケイ素などを材料とする二重管から成っている。その
外管６にはレーザ照射部のレーザ光入口及び出口には、
レーザ光を通す窓７，８がおかれている（ＣＯ□レーザ
の場合はＫＣＱ、　Ｚｎ５ｅなど、ＹＡＧレーザの場合
はシリカガラスなど）。内管９はプラズマトーチヘッド
部１からワークコイル５上方までの間に設置され、外管
と内管との間をシースガス１０が流れるようになってい
る。このシースガスはプラズマガスと同じガスを用い、
外管内壁下方に沿ってらせん状に流れ、熱プラズマの熱
から外管を守るとともに、適切な渦流を生じさせプラズ
マを安定に維持させるためのもので、内管と外管との間
に位置するプラズマトーチヘッド部に設けられた４〜６
箇所の孔１１から送入される。

プラズマトーチヘッド部１の中心には、プラズマガス及
び反応物質を注入する導入管１２が設置され、その横に
はプラズマ点火用のタングステン棒（または炭素棒）１
３がおかれ、点火時にはワークコイル５の中心まで押し
込むことができ、点火後は引き上げることができるよう
になっている。ヘッド部ｌの上端部外周側には冷却用の
水冷管１４が巻かれている。

レーザ光照射部２は、窓７の外側にレーザ発振装置がお
かれ、レーザー発振部４で発振されたレーザ光はレンズ
２０で適当なビーム径に絞られた後、窓７を通り、プラ
ズマトーチヘッド部中心に設置されている管１２から注
入される反応物質に照射される。第２図に、このレーザ
ー照射部の横方向断面図を示す。窓７，８を熱などから
保護するために窓内側にアルゴンガス等の冷却用ガスを
吹き込むことができるように冷却用ガス導入管２３が配
設されている。反応物質に吸収されなかったレーザ光は
、出口側の窓８を出てビームストッパー２１で吸収され
る。レーザ光により励起・加熱された反応物質とプラズ
マガスとの混合物は、導入管１２の先端からレーザによ
る炎を生じ、正確に熱プラズマの軸中心へと導かれる。

そして、反応物質は、プラズマガスで加熱され、生成物
すに変換される。

Ｒ，Ｆ、プラズマトーチ部３は、外管６外側にワークコ
イル５が巻かれ、このワークコイルは高周波電源に接続
されている。プラズマ点火は、まずプラズマガスを流し
、トーチヘッド部にあるタングステン棒をワークコイル
中央に差し込み、電源を入れ、誘導加熱によりタングス
テン棒を加熱しプラズマを発生させる。プラズマ点火後
は、タングステン棒を引き上げる。また、発生した熱プ
ラズマの尾炎部へ反応物質の一部を注入できるように、
外管壁に注入管２２を設けることもできる。

（発明の効果）本発明においては１．　Ｒ，Ｆ、プラズマ上部に、レー
ザ光により励起・加熱された反応物質を注入することに
より、清浄な熱プラズマを得ることができるとともに、
安定なプラズマを維持し、反応物質を超高温に加熱する
ことが可能になる。そして。

本発明で得られる生成物は、不純物を含まない高純度の
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の詳細な説明断面図である。第２図は、レーザ照射部の横方向断面図である。１・・・プラズマトーチヘッド部、２・・・レーザ照射
部。３・・・Ｒ，Ｆ、プラズマトーチ部、４・・・レーザ発
振部、５・・・ワークコイル、６・・・外管、７，８・
・・窓、９・・・内管、１２・・・プラズマガスと反応
物質との混合物導入管。特許出願人工業技術院長飯塚幸三指定代理人　工業技術院北海道工業開発試験所長後　藤
　藤太部

Claims

【特許請求の範囲】

（１）反応物質とプラズマガスとの混合物をレーザ光で
照射し、該反応物質を励起・加熱した後、高周波誘導プ
ラズマ上部に導入することを特徴とするプラズマ反応方
法。
（２）外周に高周波ワークコイルを有するプラズマトー
チ部の上方にレーザ照射部を介してプラズマトーチヘッ
ド部を配設するとともに、該レーザ照射部にプラズマガ
スと反応物質との混合物導入管の先端を配置した構造を
有することを特徴とする高周波誘導プラズマ反応装置。