(57)【要約】    【課題】プラズマガスの旋回周波数又は流量を調整できるプラズマトーチを提供すること。    【解決手段】プラズマを生じさせるプラズマトーチにおいて、プラズマガスを移送するプラズマガス筒体１と、プラズマガスをプラズマガス筒体内で回転するように導入するプラズマガス導入管１３、１５とを備え、プラズマガス導入管は異なった口径を有する、プラズマトーチ。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを生じさせるプラズマトーチにおいて、
プラズマガスを移送するプラズマガス筒体と、
プラズマガスをプラズマガス筒体内で回転するように導入するプラズマガス導入管とを備え、
プラズマガス導入管は異なった口径を有することができる、プラズマトーチ。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマトーチ
において、
口径の異なる複数のプラズマガス導入管を備えている、プラズマトーチ。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマトーチ
において、
プラズマガス導入管の口径を可変にする、プラズマトーチ。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマトーチ
において、
キャリアガスをプラズマガス筒体内に移送するキャリアガス導入管を備える、プラズマトーチ。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマトーチにおいて、
噴霧ガスにより液体をプラズマガス筒体内に噴霧する噴霧装置を備える、プラズマトーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを発生するプラズマトーチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマトーチは、一般的にプラズマガスをトーチの接線方向から導入し、プラズマ生成部に旋回気流を発生させる。トーチ内での旋回気流速度（旋回周波数）には、適切な値が存在し、あまり早くても、あまり遅くても安定なプラズマを生成することができない。そして、従来、プラズマガス導入管は一定の口径を有しているため、プラズマトーチは、使用するプラズマガスの種類が１種類に固定しており、また、使用できるプラズマガスの流量や入力電力の範囲も狭かった。そのため、同一のプラズマトーチで複数種類のプラズマガスを使用すると、それぞれの動粘性や温度が異なるため、プラズマガスは同じように旋回しない。また、プラズマガスの流量や入力電力が変化しても、プラズマガスは同じように旋回しない。そのため、プラズマの発生が不安定であったり、もしくは発生が困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、プラズマガスの旋回周波数又は流量を調整できるプラズマトーチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、プラズマを生じさせるプラズマトーチにおいて、プラズマガスを移送するプラズマガス筒体と、プラズマガスをプラズマガス筒体内で回転するように導入するプラズマガス導入管とを備え、プラズマガス導入管は異なった口径を有することができる、プラズマトーチにある。
【発明の効果】
【０００５】
本発明は、複数種類のプラズマガスを使用できるプラズマトーチを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
（１）プラズマトーチ
本発明の実施の形態のプラズマトーチは、プラズマ中に移送した試料を分析したり、又はＰＣＢ、フロンなどの物質の分解処理、ＣＶＤなどのプラズマプロセッシングなどに使用される。このプラズマトーチは、プラズマガスの旋回周波数や流量を調整することができる。それにより、つぎの多くの効果を得ることができる。アルゴン、ヘリウムなど複数種類のプラズマガスをプラズマ発生室内でプラズマ状態にすることができる。また、プラズマガスを消さずに、複数種類のプラズマガスを連続的に変更することができる。また、複数種類の混合ガスを使用することができる。また、低流量から高流量まで、プラズマガスの流量を広範囲に使用することができる。また、低出力から高出力まで、広範囲の印加電力で使用することができる。また、必要なときだけ、アルゴンやヘリウムなど特定のガスを使用し、必要でないときには、空気プラズマなどの安価なガスを使用し、コストの削減を図ることができる。
【０００７】
プラズマトーチは、例えば図１（Ａ）に示すように、キャリアガス導入管２、複数のプラズマガス導入管を有するプラズマガス筒体１を備え、プラズマガス筒体１の内部にプラズマ発生室１１を有している。また、プラズマトーチは、必要に応じて、図２に示すような中間ガス筒体４を備えている。又は、プラズマトーチ１は、例えば図３に示すように、キャリアガス導入管２の代わりに、噴霧装置５を備えている。噴霧装置５は、噴霧ガス５２により液体５３をプラズマガス筒体１内に噴霧することができる。なお、プラズマガス及びキャリアガスには、アルゴン、ヘリウムなどの希ガスのほかに、酸素、水素、窒素、メタン、炭酸ガス、空気などの気体若しくはこれらの混合物を用いることができる。また、キャリアガス導入管２、プラズマガス筒体１、冷却ガス筒体３、中間ガス筒体４は、石英ガラスやセラミックスなどの材料で作製することができる。
【０００８】
（２）プラズマガス筒体
プラズマガス筒体１は、図１に示すように、キャリアガス導入管２の外周に円筒状の筒体を配置する。プラズマガス筒体１は、プラズマガス１４、１６を導入するプラズマガス導入管１３、１５に接続している。また、プラズマガス筒体１は、プラズマガス１４、１６がプラズマ状態になるプラズマ発生室１１を備えている。プラズマガス導入管１３、１５は、プラズマガス１４、１６をプラズマ発生室１１に導入する際、プラズマ発生室１１で回転するようにプラズマガス筒体１の断面円周の接線方向に向くように配置される。プラズマガス導入管１３、１５をプラズマガス１４、１６の流速をプラズマ発生室１１の導入部で速めるために、キャリアガス導入管２と、プラズマガス筒体１の間隙を狭めてもよい。そのためには、キャリアガス導入管２のプラズマ発生室１１側の部分を太径にする。プラズマガス筒体１は、図２では中間ガス筒体４の外周に配置し、図３では噴霧装置５の外周に配置する。プラズマガス筒体１は、冷却ガスや中間ガスなど種々のガスを導入できるように、４重管構造など多重管構造にすることができる。
【０００９】
（３）プラズマガス導入管
プラズマガス導入管は、第１プラズマガス導入管１３と第２プラズマガス導入管１５のように複数個設けてもよい。複数のプラズマガス導入管の口径を異ならせ、プラズマ発生室１１に供給するプラズマガスの流速を異ならせたり、又はプラズマガスの流量を異ならせることができる。又は、プラズマガス導入管は、口径の異なる複数の導入管の代わりに、口径の大きさを調整できるようにしても良い。又は、各口径のプラズマガス導入管は、同一の口径について、複数のプラズマガス導入管を設けても良い。プラズマガス導入管の口径は、種々のものを設けることができるが、例えば、従来良く使用されているアルゴン用の口径４ｍｍと、ヘリウム用の口径１ｍｍのプラズマガス導入管を設けるとよい。
【００１０】
ヘリウムのように動粘性の高いガスでは口径の小さな導入管を使用して、ガスの初速度を上げ、プラズマ生成部で適切な旋回流を得ることができる。又は、アルゴンのようにヘリウムに比して動粘性の低いガスでは口径の大きな導入管を使用して、ガスの初速度を下げ、プラズマ生成部で適切な旋回流を得ることができる。このように、アルゴン、ヘリウムなど複数種類のプラズマガスをプラズマ発生室内で最適なプラズマ状態にすることができる。また、複数のプラズマガス導入管から同時に複数種類のプラズマガスを導入することにより、プラズマ状態を消さずに、複数種類のプラズマガスを連続的に変更することができ、又は、複数種類のプラズマガスをプラズマ発生室１１に導入して、混合ガスをプラズマガスとして使用することができる。また、口径の異なるプラズマガス導入管を用いることにより、低流量から高流量まで、プラズマガスの流量を広範囲に使用することができる。また、口径の異なるプラズマガス導入管を用いることにより、低出力から高出力まで、広範囲の印加電力で使用することができる。また、必要なときだけ、アルゴンやヘリウムなど特定のガスを使用し、必要でないときには、空気プラズマなどの安価なガスを使用し、コストの削減を図ることができる。このように、一つのプラズマトーチで複数種類のプラズマを、広い実験条件に亘って安定に生成することができる。
【００１１】
（４）キャリアガス導入管
プラズマトーチの中心にキャリアガス２１を移送するキャリアガス導入管２を配置する。キャリアガス導入管２は、キャリアガス２１と共に分析用の試料をプラズマの中に移送するものであり、プラズマガス１４、１６と同一ガスを使用することができる。キャリアガス導入管２は、プラズマ発生室１１にキャリアガス２１を導入する付近では流路を細くしてある。
【００１２】
（５）噴霧装置
噴霧装置５は、液体導入用のプラズマトーチに使用するものであり、液体５３をプラズマ発生室１１に直接に噴霧する装置である。噴霧装置５は、例えば図３に示すように、先端部に位置し、プラズマ発生室１１に液体をほぼ直接に送り出す噴霧口５１を備えている。
【００１３】
（６）冷却ガス筒体
プラズマガス筒体３の外周に同心円状に冷却ガス４１もしくは冷却液を移送する円筒状の冷却ガス筒体３を配置する。冷却ガス筒体３とプラズマガス筒体１との間の空間に冷却ガスを流して、プラズマガス筒体１を冷却することができる。そのために、冷却ガス筒体３は、プラズマガス筒体１を覆うように配置される。冷却ガスは、好ましくは、プラズマガス筒体３の外周を回転するように移送する。そのために、冷却ガスを導入する冷却ガス導入管３１は、図１に示すように冷却ガス筒体３の円周の接線方向に配置する。冷却ガスの種類は、プラズマガス筒体１を効率よく冷却でき、プラズマの安定を乱さないものであればよく、取り扱いが容易で、安価なものとしては空気が適している。また、プラズマへの大気（空気）の混入を防ぎたい場合には、例えばプラズマガスと同じガスを用いるとよい。同じガスを使っても、流速を速くすれば、冷却ガスはプラズマ化されることがない。
【００１４】
（７）プラズマ発生室
プラズマ発生室１１は、プラズマガス筒体１の内部に形成され、一端がキャリアガス導入管２の端部であり、他端は、プラズマガス排出側端部であり、プラズマガス１４、１６が外部に排出されるように開口部１２となっている。プラズマガス筒体１を冷却ガスにより冷却して、筒体の溶融を回避できるので、プラズマ発生室１１を長く取ることができる。これにより、サンプリング深さを長く形成でき、分析感度を高めることができ、また、質量分析においては、分析感度を下げる原因となっている二次放電の影響を小さくすることができる。
【００１５】
（８）プラズマ発生装置
プラズマガス１４、１６をプラズマ状態にするために、プラズマ発生室１１の周囲にロードコイル６である誘導コイルを巻き、ロードコイル６に高周波発振器を接続し、高周波を印加する。もしくは、冷却ガス筒体の外周の空洞共振器にマイクロ波を印加する。
【００１６】
（９）プラズマガスの旋回
プラズマガス導入管の口径（直径）を０．７ｍｍ、１．０ｍｍ、１．４ｍｍの３種類を使用する。これらのプラズマガス導入管からアルゴンとヘリウムを流して、それらのガスの流量（Ｌ／ｍｉｎ）と回転周波数（Ｈｚ）の関係を測定し、図４に示す。図４（Ａ）では、アルゴンを使用した場合のグラフである。口径が０．７ｍｍと細い場合、回転周波数は、６００Ｈｚ前後において、流量は、８Ｌ／ｍｉｎ〜９Ｌ／ｍｉｎ付近のみでプラズマが安定に存在するが、それ以外の場合、安定に存在しなくなる。プラズマが安定するプラズマガス導入管のガス導入口における流速は、３４６ｍ／ｓ〜３９０ｍ／ｓである。口径が１．０ｍｍと少し太い場合、回転周波数は、３３０Ｈｚ〜５３０Ｈｚ付近において、流量は、１０Ｌ／ｍｉｎ〜１２Ｌ／ｍｉｎ付近のみでプラズマが安定に存在する。口径が０．７ｍｍの場合よりは、少し安定する幅が広いが、それ以外の場合、安定に存在しなくなる。プラズマが安定するガス導入口における流速は、２１２ｍ／ｓ〜２５５ｍ／ｓである。口径が１．４ｍｍと更に少し太い場合、回転周波数は、２８０Ｈｚ〜４７０Ｈｚ付近において、流量は、１０Ｌ／ｍｉｎ〜１４Ｌ／ｍｉｎ付近のみでプラズマが安定に存在する。口径が１．０ｍｍの場合よりは、更に少し安定する幅が広いが、それ以外の場合、安定に存在しなくなる。プラズマが安定するガス導入口における流速は、１０８ｍ／ｓ〜１５１ｍ／ｓである。以上のように、同一のプラズマガスにおいてさえ、プラズマガス導入管の口径の違いにより、プラズマが安定に存在する条件が異なることを示している。
【００１７】
図４（Ｂ）では、ヘリウムをプラズマガスとして使用した場合のグラフである。口径が０．７ｍｍと細い場合、回転周波数は、数Ｈｚ〜４５０Ｈｚにおいて、流量は、７Ｌ／ｍｉｎ〜２０Ｌ／ｍｉｎ付近でプラズマが安定して存在している。その時の流速は、３０３ｍ／ｓ〜８６７ｍ／ｓである。ほぼ２０Ｌ／ｍｉｎ以上の流量では、安定して存在しなくなる。流量が１０Ｌ／ｍｉｎで回転周波数が１００Ｈｚとなり、流量が増大するに従って、回転周波数が増大する。口径が１．０ｍｍと少し太い場合、回転周波数は、数Ｈｚ〜３５０Ｈｚにおいて、流量は、１０Ｌ／ｍｉｎ〜２０Ｌ／ｍｉｎ付近でプラズマが安定して存在している。その時の流速は、２１２ｍ／ｓ〜４２４ｍ／ｓである。ほぼ１６Ｌ／ｍｉｎ以上の流量では、安定して存在しなくなる。流量が７Ｌ／ｍｉｎから徐々に回転周波数が増大し、１０Ｌ／ｍｉｎで回転周波数が１１０Ｈｚとなり、流量が増大するに従って、回転周波数が増大する。口径が１．４ｍｍと更に太い場合、回転周波数は、数Ｈｚ〜４００Ｈｚにおいて、流量は、１０Ｌ／ｍｉｎ〜２０Ｌ／ｍｉｎ付近でプラズマが安定して存在している。その時の流速は、１０８ｍ／ｓ〜２１６ｍ／ｓである。ほぼ２０Ｌ／ｍｉｎ以上の流量では、安定して存在しなくなる。流量が１０Ｌ／ｍｉｎで回転周波数が７０Ｈｚとなり、流量が増大するに従って、回転周波数が増大する。
【００１８】
以上のように、プラズマガス導入管の口径が０．７ｍｍ〜１．４ｍｍの場合、ヘリウムは、アルゴンよりは、プラズマが安定に存在しているが、口径により安定状態が異なっている。プラズマガスの種類が異なる場合、プラズマガス導入管の口径によって、プラズマが安定に存在する条件が大きく異なることを示している。プラズマガスは、動粘性が温度に依存し、温度の上昇と共に動粘性が高まる。また、プラズマガスは、プラズマ発生室１１で温度の上昇と共に、密度が薄くなるので、動粘性に変動が生じる。このように、種々の条件で動粘性が変わる。
【００１９】
（１０）ガスの種類と導入管の口径における旋回状態
プラズマガスの種類とプラズマガス導入管の口径において、プラズマではない状態の旋回を図５に示す。図５（Ａ）には、アルゴンとヘリウムについて、プラズマガス導入管の口径が１ｍｍのプラズマトーチにおける流量と旋回周波数の関係を示している。アルゴンは、ヘリウムより粘性が少ないために、同一の流量において、旋回周波数が大きくなっている。図５（Ｂ）には、アルゴンとヘリウムについて、プラズマガス導入管の口径が４ｍｍのプラズマトーチにおける流量と旋回周波数の関係を示している。流量が０Ｌ／ｍｉｎ〜２０Ｌ／ｍｉｎの範囲で、アルゴンは、旋回しているが、ヘリウムは、ほとんど旋回していない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】キャリアガス用のプラズマトーチの説明図
【図２】中間ガスを使用するプラズマトーチの説明図
【図３】液体導入用のプラズマトーチの説明図
【図４】プラズマ状態のアルゴンとヘリウムについて、流量と回転周波数の関係を示す図
【図５】プラズマ状態でないアルゴンとヘリウムについて、流量と回転周波数の関係を示す図
【符号の説明】
【００２１】
１・・・プラズマガス筒体
１１・・プラズマ発生室
１２・・開口部
１３・・第１プラズマガス導入管
１４・・第１プラズマガス
１５・・第２プラズマガス導入管
１６・・第２プラズマガス
２・・・キャリアガス導入管
２１・・キャリアガス
３・・・冷却ガス筒体
３１・・冷却ガス導入管
４・・・中間ガス筒体
４１・・中間ガス導入管
４２・・中間ガス
５・・・噴霧装置
５１・・噴霧口
５２・・噴霧ガス
５３・・液体
６・・・ロードコイル
【図１】
2006216467.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006216467.tif 000005
【図４】
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【図５】
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