(57)【要約】  【解決手段】  大気圧プラズマジェットの空間体積を増大させ方向付ける装置および方法。１またはそれ以上の追加のガス流がプラズマジェットと交差するように導入される。プラズマジェットがこれらの追加のガス流と相互作用するため、プラズマジェットの伝播方向が変わり、プラズマは追加のガス流によって決定される体積内に膨張し、それに従ってプラズマジェットの体積および有効表面積が増大する一方、プラズマ体積の増加を促進するのに必要な電力の増加が体積の増加に対し非線形に増減する。  【選択図】      図２Ａ
2019533296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマジェットの体積を増大させる装置であって、
第１の方向に伝播するプラズマジェットを生成するように構成されているプラズマジェット源と、
少なくとも１つのガスノズルであって、前記プラズマジェットに向かって拡張し前記プラズマジェットの第１の方向とは異なる第２の方向に伝播する対応した中性ガス流を生成するように構成されているものである、前記ガスノズルと
を有し、
前記中性ガス流は、前記プラズマジェットと任意の角度で交差し、当該プラズマジェットと相互作用するものであり、
前記中性ガス流が前記プラズマジェットと相互作用すると、当該プラズマジェットからの拡張された体積のプラズマが前記中性ガス流中に拡張するものであり、当該拡張された体積のプラズマは前記中性ガス流内のガス密度を増加させる方向に流れるものであり、
前記ガスノズルの形状、前記中性ガスの素性、前記中性ガスの速度、または前記中性ガスの体積は、少なくとも１つの既定の空間特性を有する既定の増大された体積のプラズマを生成するように構成されているものである、
装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマジェットの体積を増大させる装置において、前記中性ガス流は前記プラズマジェットの方向と直交する方向に拡張するものである、装置。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマジェットの体積を増大させる装置において、この装置は、
互いに対向して前記プラズマジェットに向かって拡張する２つの中性ガス流を生成するように構成されている２つのガスノズルを有し、
両方の中性ガス流の共通軸は前記プラズマジェットと任意の角度で交差するものであり、
前記中性ガス流が前記プラズマジェットと相互作用すると、前記プラズマジェットからの拡張された体積のプラズマは各中性ガス流中に拡張するものであり、当該拡張された体積のプラズマは各中性ガス流内のガス密度を増加させる方向に流れるものである、
装置。
【請求項４】
請求項４に記載のプラズマジェットの体積を増大させる装置において、両方の中性ガス流は、前記プラズマジェットからのプラズマ流の方向と直交する方向に流れるものである、装置。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマジェットの体積を増大させる装置において、この装置は、複数の中性ガスノズルを有するものであり、当該ガスノズルは、前記プラズマジェットに向かって拡張する対応した複数の中性ガス流を生成するように構成されているものであり、前記中性ガス流の各々は任意の角度で前記プラズマジェットと交差するものである、装置。
【請求項６】
請求項１に記載のプラズマジェットの体積を増大させる装置において、この装置は複数の中性ガスノズルを有するものであり、前記ガスノズルは、前記プラズマジェットに向かって拡張する対応した複数の中性ガス流を生成するように構成されているものであり、前記中性ガス流の各々は前記プラズマジェットに直交しているものである、装置。
【請求項７】
請求項１に記載のプラズマジェットの体積を増大させる装置において、
前記ガスノズルは平坦形状を有し、
拡張された体積のプラズマは、各中性ガス流内でガス密度が増加する方向に流れるシート状のプラズマの形態を有するものである、装置。
【請求項８】
請求項１に記載のプラズマジェットの体積を増大させる装置において、前記中性ガスは希ガスを含むものである、装置。
【請求項９】
請求項１に記載のプラズマジェットの体積を増大させる装置において、前記中性ガスはヘリウムを含むものである、装置。
【請求項１０】
請求項１に記載のプラズマジェットの体積を増大させる装置において、前記中性ガスはネオンを含むものである、装置。
【請求項１１】
請求項１に記載のプラズマジェットの体積を増大させる装置において、前記中性ガスは複数の気体の混合物を含むものである、装置。
【請求項１２】
プラズマジェットから増大されたプラズマ体積を生成する方法であって、
プラズマジェット源からプラズマジェットを供給する工程と、
前記プラズマジェット内に少なくとも１つの中性ガス流を方向付ける工程と
を有し、
各中性ガス流は任意の角度で前記プラズマジェットと交差し、当該プラズマジェットと相互作用するものであり、
前記中性ガス流が前記プラズマジェットと相互作用すると、当該プラズマジェットからの拡張された体積のプラズマは前記中性ガス流中に拡張するものであり、当該拡張された体積のプラズマは前記中性ガス流内のガス密度を増加させる方向に流れるものであり、
前記ガスノズルの幾何学形状、前記中性ガスの素性、前記中性ガスの速度、または前記中性ガスの体積は、少なくとも１つの既定の空間特性を有する既定の拡張された体積のプラズマを生成するように構成され得るものである
方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の増大されたプラズマ体積を生成する方法において、前記少なくとも１つの中性ガス流は、前記プラズマジェットと任意の角度で交差するものである、方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の増大されたプラズマ体積を生成する方法において、前記少なくとも１つの中性ガス流は、前記プラズマジェットの方向と直交する方向に拡張するものである、方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の増大されたプラズマ体積を生成する方法において、
前記少なくとも１つの中性ガス流は、平坦形状のガスノズルから生成されるものであり、
拡張された体積のプラズマは、各中性ガス流内でガス密度が増加する方向に流れるシート状のプラズマの形態を有するものである、方法。
【請求項１６】
請求項１２に記載の増大されたプラズマ体積を生成する方法において、前記中性ガスは希ガスを含むものである、方法。
【請求項１７】
請求項１２に記載の増大されたプラズマ体積を生成する方法において、前記中性ガスはヘリウムを含むものである、方法。
【請求項１８】
請求項１２に記載の増大されたプラズマ体積を生成する方法において、前記中性ガスはネオンを含むものである、方法。
【請求項１９】
請求項１２に記載の増大されたプラズマ体積を生成する方法において、前記中性ガスは複数の気体の混合物を含むものである、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、通常の出願であり、２０１６年１１月４日に出願された米国仮特許出願第６２／４１７，３７２号に基づく３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９の優先権の利益を主張するものである。
【０００２】
本開示は、大気圧プラズマジェットに関し、特に、そのようなプラズマジェットの体積を増大、制御することができる装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
過去２０年間にわたり、大気圧プラズマへの関心が高まっている。これらには、グロー放電、高周波および誘電体バリア放電、マイクロ波持続プラズマ、プラズマジェットおよびトーチ、マイクロプラズマ、レーザー誘起プラズマ、電子ビーム発生プラズマ、及びその他の多くのものが含まれる。典型的には、それらの設計および操作は特定の用途または生物学および医学のような様々な分野で異なる技術を使用可能にするように調整されている（Ｄ．  Ｂ．  Ｇｒａｖｅｓ、「低温プラズマ生物医学：チュートリアルレビュー」、Ｐｈｙｓ．ｏｆ  Ｐｌａｓｍａｓ  ２１，  ０８０９０１  （２０１４）；  Ｍ．Ｇ．Ｃｏｎｇ等、「プラズマ医学：序論」、Ｎｅｗ  Ｊ．Ｐｈｙｓ．１１、１１５０１２（２００９）；およびＸ．Ｌｕａ等、「非平衡大気圧プラズマ中の反応種：  発生、輸送、および生物学的影響」、Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｐｏｒｔｓ  ６３０、１-８４（２０１６）参照）；化学および材料科学（Ｄ．Ｐａｐｐａｓ、「材料の大気プラズマ処理の現状および可能性」、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ  ２９，０２０８０１（２０１１）参照）；航空宇宙科学（Ｃ．Ｌ．Ｅｎｌｏｅ等、「空気力学的プラズマアクチュエータにおける表面電位および縦方向電界測定」、ＡＩＡＡジャーナル４６、２７３０（２００８）参照）；  環境工学（Ｇ．Ｍ．Ｐｅｔｒｏｖ等、「パルス電子ビームを用いた工業規模の二酸化炭素低減の研究」、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１１９、１０３３０３（２０１６）参照）。
【０００４】
大気圧プラズマは、低圧プラズマを含むその他の手法では利用できない材料合成および処理においていくつかの利点を有する。非平衡低温プラズマによってもたらされる反応の幅はそれらを特に有利にし、十分な密度の空気中で生成される場合、そのようなプラズマは低圧適合性のないシステムおよび材料と共に使用することができる。
【０００５】
一種の非平衡大気圧プラズマは、「プラズマジェット」といわれることが多いが、それらの比較的単純な設計、柔軟な電極形状、および適度の電力要件を考えるとそのような用途に非常に適している。プラズマジェットは、閉じ込められたガス流、通常は誘電体管を流れる純粋なまたは希薄希ガス中で発生した放電が閉じ込め領域を離れて周囲の環境を通じて伝播するときに生成される。  Ｘ．Ｌｕ等、「誘導電離波：理論と実験」、Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｐｏｒｔｓ  ５４０  １２３−１６６（２０１６）を参照。
【０００６】
図１Ａ及び図１Ｂは、米国海軍研究所で開発されたプラズマジェットを発生させる例示的な従来型の装置を示す。図１Ａの概略的な及び図１Ｂの写真のブロック画像に示すように、プラズマジェットは、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、またはキセノン（Ｘｅ）などの希ガスの流れ１０１から発生させることができ、電源１０４と接続された電極１０３が位置している、外装１０６内のシリンダ１０２内に進む。ガス１０１は、電極１０３上を通過するため、イオン化され、プラズマジェット１０５を形成し、これがシリンダ１０２から出力される。
【０００７】
プラズマジェットは非常に小さくすることができ、これは高精度の用途に適している。上記Ｌｕａを参照。しかしながら、大きな表面積を処理するよう増減可能なジェットシステムを製造することは困難であり、その結果、最大処理面積は一般的に約１ｃｍ２に制限される。Ｍ．Ｇｈａｓｅｍｉ等、「大気圧プラズマジェットアレイにおける複数のプラズマプルームの相互作用」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｄ：Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ４６、０５２００１（２０１３）を参照。
【０００８】
より大きな面積でのプラズマ処理の要望に対応するために、処理面積がジェットの数に対応して増減する一次元および二次元のプラズマジェットアレイが構築されてきた。上記Ｇｈａｓｅｍｉを参照；また、Ｑ．Ｙ．  Ｎｉｅ等．、「プラズマ医療のための大面積表面の均一処理のための二次元冷大気プラズマジェットアレイ」、Ｎｅｗ  Ｊ．Ｐｈｙｓ、１１  １１５０１５（２００９）参照。しかしながら、この手法は電力およびガス流の増加を必要とし、電力およびガス流のこれらの増加もジェットの数に対応して増減する。例えば、並行して作動する２つのジェットは２倍のガス流および電力入力を必要とすることとなる。
【０００９】
また、２つの対向伝播プラズマジェットを組み合わせることはプラズマ放電の長さを効果的に延ばすことが示されている。Ｃ．Ｄｏｕａｔ等、「２つの対向伝播プラズマ弾丸間の相互作用」、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｃｉ．３９，２２９８−２２９９（２０１１）参照；また、  Ｃ．Ｄｏｕａｔ，Ｇ．等、「衝突するマイクロプラズマジェットの動力学」、Ｐｌａｓｍａ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２１，０３４０１０−８（２０１２）参照。２つのプラズマジェットは、それぞれ対応する電源および電極を有する２つの対向するガス流、または２つの電極間を流れる単一のガス流を使用して生成することができる。いずれの場合も、所要電力は実質的に２倍になる。
【００１０】
これらの手法は、体積および／または有効処理面積が増大するという意味で明らかに機能するが、プラズマ体積（ｐｌａｓｍａ  ｖｏｌｕｍｅ）を生成するために必要な電力は、プラズマ体積が増大するにつれて増大する。さらに、すべてのプラズマジェットが同時にかつ等しい強度で生じるよう駆動回路およびガス供給システムの両方を綿密に設計しなければならないため、装置の複雑さが増す。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この概要は、詳細な説明においてさらに説明する一連の概念を簡略化した形で紹介することを意図している。この概要は、特許請求の範囲に記載された主題の重要なまたは本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求の範囲に記載の主題の範囲を判断する際の補助として使用することも意図していない。代わりに、それは単に本明細書に記載され請求された主題の簡単な概要として示される。
【００１２】
本発明は、追加の電源、回路または電極を用いることなく大気圧プラズマジェットの空間体積を増大させる装置および方法を提供する。代わりに、プラズマジェット軸の直線上になく、任意の角度でプラズマジェットと交差する１またはそれ以上の追加の中性ガス流のみが使用される。プラズマジェットがこれらの追加のガス流と相互作用するため、プラズマジェットの伝播方向が変化し、プラズマは追加のガス流によって決定される体積に膨張し、それに応じてプラズマジェットの有効体積、及びしたがって有効表面積が増大する一方、プラズマ体積の増加を促進するのに必要な電力の増加がその体積の増加に対し非線形に増減する
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】図１Ａおよび図１Ｂは、従来技術におけるプラズマジェット発生の態様を示す。
【図１Ｂ】図１Ａおよび図１Ｂは、従来技術におけるプラズマジェット発生の態様を示す。
【図２Ａ】図２Ａ〜図２Ｄは、本発明における空間的に修正されたプラズマジェット体積を生成する装置および方法の態様を示す。
【図２Ｂ】図２Ａ〜図２Ｄは、本発明における空間的に修正されたプラズマジェット体積を生成する装置および方法の態様を示す。
【図２Ｃ】図２Ａ〜図２Ｄは、本発明における空間的に修正されたプラズマジェット体積を生成する装置および方法の態様を示す。
【図２Ｄ】図２Ａ〜図２Ｄは、本発明における空間的に修正されたプラズマジェット体積を生成する装置および方法の態様を示す。
【図３】図３は、本発明における空間的に修正されたプラズマジェット体積を発生させる装置において電圧および電流を測定する装置の態様を示すブロック図である。
【図４Ａ】図４Ａ〜図４Ｃは、「ジェットなし」、「プラズマジェット」、および「プラズマジェット＋ガス流」の場合における図３に示すような装置により測定された電圧および電流を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａ〜図４Ｃは、「ジェットなし」、「プラズマジェット」、および「プラズマジェット＋ガス流」の場合における図３に示すような装置により測定された電圧および電流を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ａ〜図４Ｃは、「ジェットなし」、「プラズマジェット」、および「プラズマジェット＋ガス流」の場合における図３に示すような装置により測定された電圧および電流を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａおよび図５Ｂは、本発明における１またはそれ以上の直交中性ガス流を使用する場合と使用しない場合におけるプラズマジェット体積の生成に関連する駆動電流および駆動電力を示す追加の図である。
【図５Ｂ】図５Ａおよび図５Ｂは、本発明における１またはそれ以上の直交中性ガス流を使用する場合と使用しない場合におけるプラズマジェット体積の生成に関連する駆動電流および駆動電力を示す追加の図である。
【図６Ａ】図６Ａおよび図６Ｂは、ヘリウム（図６Ａ）およびネオン（図６Ｂ）ガス流を用いた本発明における拡張プラズマジェット体積の生成を示す写真画像である。
【図６Ｂ】図６Ａおよび図６Ｂは、ヘリウム（図６Ａ）およびネオン（図６Ｂ）ガス流を用いた本発明における拡張プラズマジェット体積の生成を示す写真画像である。
【図７Ａ】図７Ａ〜図７Ｃは、互いに直交して流れジェット軸で交差する４つの中性ガス流を用いて本発明に従って生成された拡張プラズマジェット体積の態様を示す写真画像である。
【図７Ｂ】図７Ａ〜図７Ｃは、互いに直交して流れジェット軸で交差する４つの中性ガス流を用いて本発明に従って生成された拡張プラズマジェット体積の態様を示す写真画像である。
【図７Ｃ】図７Ａ〜図７Ｃは、互いに直交して流れジェット軸で交差する４つの中性ガス流を用いて本発明に従って生成された拡張プラズマジェット体積の態様を示す写真画像である。
【図８Ａ】図８Ａおよび図８Ｂは、中性ガス流を成形しプラズマジェット内へ方向付ける平坦状のガス管を用いて本発明に従って生成された拡張プラズマジェット体積の態様を示す写真画像である。
【図８Ｂ】図８Ａおよび図８Ｂは、中性ガス流を成形しプラズマジェット内へ方向付ける平坦状のガス管を用いて本発明に従って生成された拡張プラズマジェット体積の態様を示す写真画像である。
【図９Ａ】図９Ａ〜図９Ｃは、２つの平行なプレート間に位置する中性ガス流を用いて本発明に従って生成された拡張プラズマジェット体積の態様を示す写真画像である。
【図９Ｂ】図９Ａ〜図９Ｃは、２つの平行なプレート間に位置する中性ガス流を用いて本発明に従って生成された拡張プラズマジェット体積の態様を示す写真画像である。
【図９Ｃ】図９Ａ〜図９Ｃは、２つの平行なプレート間に位置する中性ガス流を用いて本発明に従って生成された拡張プラズマジェット体積の態様を示す写真画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
上記に要約した本発明の態様および特徴は様々な形態で具体化することができる。以下の説明は、例示として、態様および特徴を実施できる組合せおよび構成を示す。記載した態様、特徴、および／または実施形態は単なる例示であり、当業者であれば本開示の範囲から逸脱することなく、その他の態様、特徴、および／または実施形態を利用し、あるいは構造的および機能的修正を行うことができることが理解される。
【００１５】
本開示は、追加の電源、駆動回路、または物理的閉じ込めを用いることなく大気圧プラズマジェットの体積を増大させる手段を記載する。代わりに、１またはそれ以上の中性ガス流の注入を通してバックグラウンドガス密度を制御することによりプラズマ体積を増大させ、その空間的プロファイルを調整することができる。この手法によりプラズマ体積を増大させることで、より有用な荷電および反応性中性ガス種が提供され、また、有効表面処理面積が増大する。
【００１６】
したがって、本発明は、追加の電源、回路または電極なしで大気圧プラズマジェットの体積を増大させ、それらの空間分布を調整する装置および方法を提供する。代わりに、プラズマジェットと交差する１またはそれ以上の追加のガス流のみを使用する。
【００１７】
プラズマジェットがこれらの追加のガス流と相互作用するため、プラズマジェットの伝播方向が変化し、プラズマが追加のガス流によって決定された体積に膨張し、それに従ってプラズマジェットの有効表面積が増大する一方、プラズマ体積の増加を促進するのに必要な電力の増加がその体積の増加に対し非線形に増減する。複数の実施形態において、これらの追加のガス流はプラズマジェット軸に直交する平面内を流れるが、そのような直交性は必要でなく、プラズマジェット軸の直線上にない任意の方向のガス流であって、任意の角度でプラズマジェットと交差するものを使用することもできる。
【００１８】
本発明の最も単純な実施形態は、互いに直角に伝播するプラズマジェットと中性ガス流とを含む。図２Ａ〜図２Ｄには、この構成およびその拡張として、２つの中性ガス流であって対向方向に（ただしプラズマジェット軸に対して依然として直交して）伝播するものが示されている。
【００１９】
図２Ａは、本発明におけるプラズマジェットの発生の態様を示すブロック図である。図２Ａのブロック図及び図２Ｂの写真画像に示すように、プラズマジェット２０５は、外側ケーシング２０６内のシリンダ２０２内を移動し、ＡＣ（ｆ＝２５〜３５ｋＨｚ）、高電圧（Ｖｐｐ＝５００〜２０００Ｖ）信号（不図示）に接続された電極２０３を通過するヘリウムガス２０１の流れから発生させることができる。本発明において、１またはそれ以上中性ガス流２０７ａ／２０７ｂは、管２０８ａ／２０８ｂを通じて方向付けられ、プラズマジェット２０５の軸の直線上にない方向に伝播するようになっている。記載されている多くの実施形態において、中性ガス流２０６ａ／２０６ｂはヘリウムとするが、その他の中性ガスを適宜使用してもよい。
【００２０】
以下により詳細に記載するように、本発明において、中性ガス流はプラズマジェットと相互作用し、当該プラズマジェットからプラズマジェットの元の伝播方向の直線上にないプラズマの体積分布を生成する。中性ガス流の形状および空間分布、流れの方向、ならびに使用されるガスなどのガス流のパラメータのうちの任意の１またはそれ以上を調整することによって、プラズマ体積について所望の空間分布を達成することができる。
【００２１】
図２Ｂ〜図２Ｃの写真画像は、本発明において、どのようにプラズマジェットに直交する中性ガス流の存在により空間分布が変化したプラズマ体積が生成できるのかを示す。
【００２２】
図２Ｂは、ガス管２０８ａ／２０８ｂのいずれからもガスが出ていない場合を示し、プラズマジェット２０５が、チャンバから実質的に直線的な流れで、チャンバを通じた元のヘリウムガスの流れの方向に出ていることを示す。
【００２３】
図２Ｃおよび図２Ｄは、１またはそれ以上の直交ガス流がプラズマジェットへ方向付けられている場合に起こること示す。
【００２４】
図２Ｃに見られるように、ガス管２０８ａから出るガス流２０６ａの存在により、プラズマジェット２０５からのプラズマ体積の一部は、中性ガスと相互作用し、ガス流内に拡張する追加のプラズマ体積２０９ａを生成する。図２Ｄの写真画像に示すように、中性ガス流２０７ａ／２０７ｂが両方のガス管２０８ａ／２０８ｂから伝播する場合、追加のプラズマ体積２０９ａ／２０９ｂが生成される。
【００２５】
図２Ｃ及び図２Ｄの両図に見られるように、追加のプラズマ体積２０９ａ／２０９ｂは流れの方向ではなく中性ガス密度の方向に伝播する。本発明において、総プラズマ体積は、中性ガス流をプラズマジェットに導入することによって増大し、当該プラズマ体積の増大は、典型的には、１つのガス流が存在する場合には２倍程度の増大、２つのガス流が使用される場合には３倍の程度の増大である。
【００２６】
このシステムをよりよく理解するために、電流−電圧測定を図３に示す構成を用いて行った。この場合、プラズマを発生させる電源からの電圧および電流は、対向するガス管の出口で接地カラー３２０上に集められた電流と共に監視することができる。
【００２７】
以下により詳細に記載されるように図４Ａ〜図４Ｃの図に、「ジェットなし」、「プラズマジェット」、および「プラズマジェット＋ガス流」の３つの動作構成におけるこれらの電圧および電流の測定結果を示す。ここで、図４Ａは、３つの動作構成における駆動電圧（ｋＶ）を示し、図４Ｂは駆動電流（ｍＡ）を示し、図４Ｃはガス流管の出口で測定される電流（ｍＡ）を示す。３つの動作構成の追加の態様は、図５Ａおよび図５Ｂにおける図に示す。ここで、図５Ａは、「プラズマジェット」と「ジェットなし」間の場合、及び「プラズマジェット＋ガス流」と「ジェットなし」間の場合における駆動電流の違い（ｍＡ）を示す。また、図５Ｂは、「ジェットなし」、「プラズマジェット」、および「プラズマジェット＋ガス流」構成間における駆動力（Ｗ）の違いを示す。
【００２８】
図中に中空四角と点線で示されている「ジェットなし」の場合では、電力は電極に印加されるが、ガスは電極を通過して流れることはなく、そのような流れがない状態ではプラズマジェットは生成されない。図中に実線の丸と点線で示されている「プラズマジェット」の場合では、プラズマジェットを生成する典型的な動作を反映しており、ガスは電力が与えられている電極を通過して流れプラズマジェットを生成し、当該プラズマジェットは自由伝播プラズマとして管から現れる。「ジェットなし」および「プラズマジェット」動作モードの両方において、追加のガス流はプラズマジェットと交差していない。図中に中空三角と点線で示されている「プラズマジェット＋ガス流」の場合では、ガス流がガス管から出て、図２Ｄに関して上述したように放電を生じて両方のガス管に向かって伝播する。
【００２９】
プラズマが存在しない（ジェットなし）場合におけるＩ−Ｖ測定値は駆動回路のベースライン値を表し、この場合、駆動電極およびガス管カラー（ｃｏｌｌａｒｓ）での変位電流は振動高電圧信号によるものである。流れるヘリウムの存在下において、これらのベースライン信号からのわずかな偏差はプラズマ抵抗率による寄与を表す。特に、電流は、図４Ｂに示す電極電流において約２〜３μｓおよび１７〜１８μｓで急増し、プラズマジェットを形成する流れ状放電の点火を示す。また、同様の電流急増が、放電伝播時間に応じたわずかな時間遅延の後に接地カラーで測定される。カラー上の電流は直交ガス流なしで測定されるが、ジェット軸とガス管との間の体積では放出（光）は観察されず、無視できないとしてもプラズマ電流は非常に弱いことが示唆される。ヘリウムの存在はプラズマの生成にとって重要であり（「ジェットなし」対「プラズマジェット」動作モード）、したがって、ヘリウムガス流を流している場合のカラー上で測定される電流の増加は驚くべきことではない。
【００３０】
体積の増加は印加電力の増加を必要とすることが予想される。駆動電極で測定された瞬時電力と共に放電電流を図５Ａ及び図５Ｂに示す。プラズマジェットがある場合とない場合の瞬時電力曲線の違いは、放電を生じさせるのに必要な電力である。この電力はガス流が導入されるときに増加することが見出されており、この増加は図５Ａに見られるように主として放電電流の増加によるものである。ガス流が供給されると、１期間当たりの平均電力は約５０％増加することがわかった。それ以降、我々は、プラズマ体積の３倍増加が比較的わずかな５０％の電力増加になることを理解している。
【００３１】
図６Ａ〜図６Ｂ、図７Ａ〜図７Ｃ、および図８Ａ〜図８Ｂ、ならびに図９Ａ〜図９Ｃは、本発明におけるプラズマジェット体積を増大、調整するための中性ガス流の使用についての更なる例示的な実施形態を示す。本明細書に記載の実施形態は、２つの広いカテゴリー、異なるガスの使用および異なるガス流の幾何学的形状に分類される。さらに、本明細書では詳細には記載していないが、当業者であれば、本発明において所望のプラズマジェット体積を得るために、中性ガス流のその他のパラメータ、例えば、その速度、体積、または組成などの調整を利用し得ることを容易に理解するであろう。
【００３２】
図６Ａおよび図６Ｂは、本発明におけるプラズマジェット体積に異なるガスを使用した場合の効果を示す。図６Ａは、ヘリウムバックグラウンド中で生成されるプラズマジェット６０５が、対向するヘリウムガス流６０７ａ／６０７ｂと相互作用して、ヘリウムガス密度の方向に拡張する追加のプラズマ体積６０９ａ／６０９ｂを生成することを示す。一方、図６Ｂは、ヘリウムバックグラウンドで生成されるプラズマジェット６０５が、ヘリウムガス流の場合よりもプラズマジェットから遠いところから始まるネオンガス流６０７ａ／６０７ｂと相互作用することを示す。これらの図からわかるように、ネオンガス流の使用は、ヘリウムガス流と比較したときよりもプラズマジェットから遠くに拡張する追加のプラズマ体積を生成する。プラズマ体積の所望の空間分布を得るために、その他の気体を使用することもできる。
【００３３】
プラズマは、大きな表面を処理するのに使用されることが多い。プラズマジェットは、プラズマジェットの半径によっておおよそ決定される非常に小さい面積しか処理できないため、現在の実務では大きな面積の処理において、１またはそれ以上のプラズマジェットを表面全体にわたって走査させることが必要となる。以下に記載するように、上記に説明した概念および実施形態は、プラズマジェットの処理面積を増大させるためにさらに利用することができる。
【００３４】
図７Ａ〜図７Ｃは、本発明における強化プラズマジェット体積を生成するために用いることができる異なる幾何学的形状の態様を示す。図７Ａ〜図７Ｃに示す実施形態では、プラズマジェット７０５は、それぞれが互いに９０°の角度でプラズマジェット軸に直交する平面内に等間隔に配置された４つのガスノズルからのガス流にさらされて、４つの拡張プラズマ体積７０９ａ／ｂ／ｃ／ｄを生成することができる。このような構成は、複数のガス流がプラズマジェットと相互作用して、プラズマジェット軸から外側に拡張する方向に任意の大きなプラズマ体積を生成することができることを示し、したがってより大きな面積を処理する性能を示す。
【００３５】
図８Ａおよび図８Ｂは、本発明における生成された拡張プラズマジェット体積の更なる別の実施形態の態様を示し、それは単一のプラズマジェットの性能を高めてより大きな表面積を処理することができるものである。図８Ａおよび図８Ｂに示す実施形態において、プラズマジェット８０５は、例えば平坦形状を有するガスノズルによって生成された１つ（図８Ａ）または２つ（図８Ｂ）のシート状ガス流の存在下で動作し得る。図からわかるように、この構成のガスノズルを使用すると、生成される追加のプラズマ体積８０９ａ／８０９ｂもまたシート状の形状を有する。ガス流を綿密に制御することによって、非常に均一なプラズマ膨張を有する多数の可能な幾何学的形状が得られることが予想される。そのようなプラズマの構成は、各パスにおけるより大きな表面積を処理するために使用することができ、大きな面積を処理するために必要とされる時間およびエネルギーを減少させる。さらに、シート状プラズマは、同体積の円筒形プラズマよりも大きな表面積対体積比を有するという更なる利点がある。
【００３６】
その他の場合では、限定された空間内の表面を処理するためにプラズマを使用することが望ましい場合がある。図９Ａ〜図９Ｃは、本発明における装置および方法を使用して、そのような限定された空間で使用するための空間的に拡張されたプラズマ体積を生成できることを示している。したがって、図９Ａに示すように、上部プレート９３０ａと底部プレート９３０ｂとの間に延びるプラズマジェットは、当該プレート間に方向付けられた１または２つの中性ガス流によって、追加のプラズマ体積９０９ａ（図９Ｂ）または９０９ａ／９０９ｂ（図９Ｃ）を形成するように向け直すことができる。同一の上部プレートおよび底部プレートによって形成される対称性は、ガス流におけるほとんどの不均一性を大幅に排除し、単一のプレートまたは表面を使用する構成と比較して均一なプラズマ発生をもたらす。このような幾何学的形状は、静止表面の処理のための、または処理されるべき表面積が底部プレートとなるロール・ツー・ロール・ポリマー・ウェブ処理に使用されるような移動表面を有するものの処理のためのプラズマ「線源」を生成するのに使用することができる。
【００３７】
長所と新たな特徴
上述したように、プラズマジェットの体積を増加させることを目的とする方法には、典型的には単純にジェットまたは電力が与えられる電極の数を増やすことが含まれる。これらの手法は、単純明快で効果的であるが、電力の大幅な増加や駆動回路の複雑化を招く。本明細書に記載の手法は、追加の回路を必要とせず、体積増加に対する電力増加が驚くほど小さい。さらに、体積拡張をプラズマジェット軸に対して直交させることができ、それにより、平行プラズマジェットアレイでは不可能な様式で潜在的な処理面積が増加する。さらに、異なるガス組成を有する追加の外部ガス流を使用することが可能である。例えば、特定の材料処理用途を目標として選択された分子および／または反応性ガスにより中性ガスを希釈することが挙げられる。
【００３８】
特定の実施形態、態様、および特徴を記載および図示してきたが、当業者であれば、本明細書に記載の発明がそれらの実施形態、態様、および特徴のみに限定されないことを容易に理解するであろう。
【００３９】
例えば、本開示では詳細に説明されていないが、当業者であれば、その他の実施形態において、本発明における拡張プラズマ体積を生成する装置および方法を使用して、特定の用途、幾何学的形状、または環境に合うようにプラズマ体積を調整するために、中性ガス流の１またはそれ以上のパラメータを制御することができることを容易に理解されよう。
【００４０】
そのような修正および追加の実施形態はすべて、本開示および本明細書に記載され特許請求される発明の範囲および趣旨内にあると見なされる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【国際調査報告】
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