(57)【要約】  キャピラリがその内側に形成されている内部誘電体と、内部誘電体のキャピラリ内に軸方向に一部挿入された遠位端を有する第１の電極と、その間に放電ゾーンを形成するようにそこから離れており、第１の電極の遠位端近傍にて外部誘電体の少なくとも一部の外側へ放射状に延在する第２の電極とを有するキャピラリ内蔵リング型ガス放電発生器。弱電離ガスの放出はキャピラリから生じ、更に内部誘電体と外部誘電体との間の放電領域でも生じる。こうして、外部誘電体の内開口とサイズが実質的に等しく、比較的大きい表面積を効率良く処理することができる弱電離ガスプルームが生成される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
弱電離ガスを生成するためのキャピラリ内蔵リング型ガス放電発生器であって、
キャピラリがその内側に形成されている内部誘電体と、
内部誘電体のキャピラリ内に軸方向に一部挿入された遠位端を有する第１の電極と、
内部誘電体との間に放電ゾーンを形成するように該誘電体から離れてその周囲に配置された外部誘電体と、
第１の電極の遠位端近傍にて外部誘電体の少なくとも一部の外側へ放射状に延在する第２の電極とを有する発生器。
【請求項２】
内部誘電体と外部誘電体は実質的に同心円状である、請求項１に記載の発生器。
【請求項３】
内部誘電体と外部誘電体は円柱状チューブである、請求項２に記載の発生器。
【請求項４】
外部誘電体の内開口とサイズが実質的に等しい弱電離ガスプルームを生成する、請求項１に記載の発生器。
【請求項５】
内部誘電体は試薬ガスがキャピラリ内を通過できるように構成されている、請求項１に記載の発生器。
【請求項６】
外部誘電体は試薬ガスが放電ゾーン内を通過できるように構成されている、請求項１に記載の発生器。
【請求項７】
第２の電極は少なくとも一部バリア誘電体に囲まれており、外部誘電体と第２の電極との間でのアーク放電を抑制するようになっている、請求項１に記載の発生器。
【請求項８】
第２の電極はリング状又はディスク状である、請求項１に記載の発生器。
【請求項９】
第１の電極は、内部誘電体における軸方向の挿入深さが変わるように構成されている、請求項１に記載の発生器。
【請求項１０】
第１の電極の遠位端が内部誘電体内に収容され、且つ該誘電体の遠位端から所定の距離だけ奥まった所に配置されるように第１の電極は内部誘電体内に軸方向に一部挿入されている、請求項１９に記載の発生器。
【請求項１１】
第１の電極の遠位端と内部誘電体の遠位端との間の所定の分離距離は約２ｍｍである、請求項１０に記載の発生器。
【請求項１２】
第２の電極は、第１の電極の長手方向軸に対して実質的に垂直に配置された面内にある、請求項１に記載の発生器。
【請求項１３】
弱電離ガスを生成するためのキャピラリ内蔵リング型ガス放電発生器であって、
キャピラリがその内側に形成されている第１の誘電体と、
第１の誘電体のキャピラリ内に軸方向に一部挿入された第１の電極と、
第１の誘電体との間に放電ゾーンを形成するように該誘電体から離れてその周囲に配置された第２の誘電体と、
第１の電極に対して実質的に横断して配置され、第２の誘電体の少なくとも一部の周囲に放射状に延在する第２の電極とを有する発生器。
【請求項１４】
キャピラリがその内側に形成されている内部誘電体と、
内部誘電体のキャピラリ内に軸方向に一部挿入された第１の電極と、
内部誘電体との間に放電ゾーンを形成するように該誘電体から離れてその周囲に配置された外部誘電体と、
第１の電極の遠位端近傍にて外部誘電体の少なくとも一部の外側へ放射状に延在する第２の電極とを有するキャピラリ内蔵リング型ガス放電発生器を用いて弱電離ガスを発生させるための方法であって、
第１の電極と第２の電極との間に電位差を与えるステップと、
弱電離ガスを発生させるステップとを含む方法。
【請求項１５】
キャピラリ内に第１の試薬ガスを導入するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
放電ゾーン内に第１の試薬ガスを導入するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
放電ゾーン内に第２の試薬ガスを導入するステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
第１の試薬ガスと第２の試薬ガスは同一である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
第１の試薬ガスと第２の試薬ガスは異なっている、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
内部誘電体のキャピラリ内で軸方向に第１の電極の挿入深さを変えるステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
第１の電極の遠位端は、内部誘電体の遠位端から所定の距離だけ奥まった所に配置されるように内部誘電体内に一部挿入されている、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
第１の電極の遠位端と内部誘電体の遠位端との間の所定の分離距離は約２ｍｍである、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
弱電離ガスが放出される発生器の遠位端の近傍に処理対象物を置くステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
処理対象物をキャピラリ内に導入するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２５】
内部誘電体と外部誘電体は実質的に同心円状である、請求項１４に記載の方法。
【請求項２６】
放出物は、外部誘電体の内開口とサイズが実質的に等しい弱電離ガスプルームである、請求項１４に記載の方法。
【請求項２７】
第２の電極は少なくとも一部バリア誘電体に囲まれており、外部誘電体と第２の電極との間でのアーク放電を抑制するようになっている、請求項１４に記載の方法。
【請求項２８】
第２の電極は、第１の電極の長手方向軸に対して実質的に垂直に配置された面内にある、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２００４年１月２２日出願の米国仮特許出願第６０／５３８，７４３号の利益を主張するものであり、該出願の全内容を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
【０００２】
発明の分野
本発明は、弱電離ガス（例えば、プラズマ）を発生させるためのシステム及び方法に関し、より詳細には、弱電離ガスを生成するためのキャピラリ内蔵リング電極形状発生器或いは反応器及びその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
「弱電離ガス」とは、イオン、電子及び中性種から成る部分的に電離されたガスである。「プラズマ」は、ほぼ電気的に中性の（ｎ+  ≒ｎ-）（即ち、正電荷と負電荷がほぼ等しい）弱電離ガスのほんの一例である。弱電離ガスは、比較的高い温度、又は比較的強い電磁場、即ち一定の（ＤＣ）電磁場或いは経時的に変化する（例えば、ＲＦやマイクロ波）電磁場で生成される。弱電離ガスは、中性原子／分子を背景に自由電子が電場によって励起されたとき、ガス放電によって生成される。これら電子によって電子と原子／分子との衝突が引き起こされ、この衝突によってエネルギーが原子／分子へ移動し、様々な種（例えば、フォトンや準安定種（metastables）、励起状態の原子や分子、フリーラジカル、分子断片、電子、イオン）が形成される。この中性ガスは部分的に或いは完全に電離し、電流を通すことができるようになる。生成種は、化学的に活性、及び／又は物質表面を物理的に改質可能であるため、新しい化学化合物の形成及び／又は既存化合物の改質に用いられる。また、ガス放電によって有効量の照明用電磁放射線も生成される。ガス放電デバイスには他にも多くの用途がある。
【０００４】
米国特許第５，８７２，４２６号、６，００５，３４９号及び６，１４７，４５２号（各特許の全内容を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する）には、グローからアークへの移行を抑制することによってグロー放電モードを安定化させるためのグロー放電デバイスが記載されている。このデバイスでは、上面と下面を有し、更に延在する複数の孔を有する誘電体板が電極板上に配置され、環状台座(collar)によって所定の位置に保持されている。誘電体内の各孔は、全電流密度がグロー−アーク移行の閾値を超えて上昇するのを防ぐ個々の活性限流マイクロチャネルとして作用する。グロー−アーク移行を抑制するために電流をうまく制限しつつ誘電体内でキャピラリを用いた場合、プラズマの生成量も制限される。プラズマの生成量を増加させるためには、全電極領域の限流システムが占める割合を増加させる必要がある。
【０００５】
ガス処理に用いるイオン発生器の別の構成については、米国特許第６，１７０，６６８号に開示されている。該発生器は誘電体チューブを有し、この誘電体チューブはその末端と面一に配置された接地リング電極で囲まれている。該チューブ内にはワイヤ電極が配置されており、該電極の自由端は該チューブの自由端から奥まった所にある。リング電極とワイヤ電極との間に電位差を生じさせることによって電場を発生させる。該発生器によって、サイズが誘電体チューブの内径に限定されたプラズマジェットが生成される。誘電体チューブの径が比較的小さいため、プラズマジェットに付される（或いは曝露される）表面の処理には非常に時間がかかる。この特許に記載の設計構成の他の不利な点は、比較的低い放電力にてワイヤ電極端とリング電極との間でグロー−アーク移行が生じることである。
【特許文献１】米国特許第５，８７２，４２６号号明細書
【特許文献２】米国特許第６，００５，３４９号明細書
【特許文献３】米国特許第６，１４７，４５２号明細書
【特許文献４】米国特許第６，１７０，６６８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、従来のガス放電発生器に伴う上述の問題を解決しつつ、比較的大量の弱電離ガスを生成し、アーク放電を最小限に抑えるデバイスを開発することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
本発明は、開口誘電体キャピラリ内に配置された中央電極（或いは内部電極）と、レシーブ電極（receiving electrode）とを有し、これら２種類の電極間に誘電体バリアが設けられた電極と誘電体との同軸構造を用い、弱電離ガスを、好ましくは大気圧ガス（例えば、空気）の存在下で発生させるための装置に関する。
【０００８】
本発明に係るキャピラリ内蔵リング型ガス放電発生器は、キャピラリがその内側に形成されている内部誘電体と、内部誘電体のキャピラリ内に軸方向に一部挿入された遠位端を有する第１の電極と、内部誘電体との間に放電ゾーンを形成するように該誘電体から離れてその周囲に配置された外部誘電体と、第１の電極の遠位端近傍にて外部誘電体の少なくとも一部の外側へ放射状に延在する第２の電極とを有する。放電放出物はキャピラリから生じ、更に内部誘電体と外部誘電体との間の放電領域でも生じる。こうして、外部誘電体の内開口とサイズが実質的に等しく、比較的大きい表面積を効率良く処理することができる弱電離ガスプルームが生成される。
【０００９】
本発明は更に、上述のキャピラリ内蔵リング型ガス放電発生器を用い、第１の電極と第２の電極との間に電位差（voltage differential）を与えることによって弱電離ガスを発生させるための方法にも関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の上述の及び他の特徴は、本発明の例示的実施形態についての以下の詳細な説明及び図面からより容易に明らかとなるであろう。尚、複数の図面に亘って用いられている同一の参照番号は同一の要素を示す。
【００１１】
発明の詳細な説明
図１は、本発明に係る、弱電離ガスを生成するためのキャピラリ内蔵リング形状ガス放電発生器１００の一例を示す長手方向断面図である。発生器１００は、中空路１０７を有する外部誘電体１０５（例えば、石英）を有し、その内側には長手方向に形成された開口部を有する内部誘電体１１０が配置され、キャピラリ１１２を形成している。内部誘電体１１０は外部誘電体１０５から所定の距離（好ましくは約３ｍｍ）だけ離れている。図１に示す好ましい実施形態において、内部誘電体１１０は外部誘電体１０５と実質的に同心円状に配置されている。内部誘電体１１０のキャピラリ１１２内の少なくとも一部に、金属線（例えば、ニッケルや白金）等の第１の電極１１５が挿入されている。線状、棒状或いは円柱状の電極であれば容易に且つ安価に製造することができるが、他の形状の電極を代わりに用いてもよい。第１の電極１１５の末端と外部誘電体１０５の中空路１０７の内側に配置された内部誘電体１１０の末端との距離「ｄ」がゼロより大きく（好ましくは約２ｍｍ）保たれるように金属線をキャピラリ１１２内に挿入するのが好ましい。第１の電極の末端と内部誘電体の末端との間に多少の距離を維持し、電極１１５の存在しないキャピラリ１１２末端部分が放電のアークモードへの移行を抑制するチョークとして作用するようにすることが有利である。試薬ガスをキャピラリ内に導入すると、試薬ガスがシールドガスとして作用し、電極１１５の腐食を抑制することができる。試薬ガスをキャピラリ内に導入した場合、キャピラリから主ガス流へ放出される前に試薬ガス内で弱電離ガスが発生するであろう。
【００１２】
或いは、（ｉ）第１の電極１１５の末端と内部誘電体１１０の末端とが実質的に面一になるように、又は（ｉｉ）第１の電極１１５の末端が内部誘電体１１０の末端を超えて延在するように設計を変更することもできる。しかし、これらの代替構成のどちらにおいても、比較的低い放電力でアークモードへの放電の移行が生じると思われ望ましくない。これら２種類の代替構成においては、キャピラリ内へ試薬ガスを導入して電極をシールドする効果が低いであろう。最後に、試薬ガスをキャピラリに導入した場合、プラズマは主ガスと試薬ガスとの混合物内に発生するであろう。
【００１３】
図１に示すディスク状或いはリング状の第２の電極１２５（例えば、ニッケルや銅等から成る金属箔や金属層）は、外部誘電体１０５の外周の少なくとも一部に配置されている。第２の電極の好ましい形状はディスク状やリング状であるが、必要に応じて変更することもできる。また、第２の電極１２５は、第１の電極１１５と実質的に同心円状に配置するのが好ましい。第２の電極（或いはレシーブ電極）１２５は、第１の電極１１５の末端近傍で外側へ放射状に配置されているが、第１の電極の長手方向軸に対して実質的に垂直な面内に配置されるのが好ましい。外部誘電体１０５の末端近傍には、バリア誘電体１３０（例えば、リング状やワッシャ状、ディスク状）が外部誘電体の外周の少なくとも一部に配置されており、外部誘電体１０５の開口末端と第２の電極１２５との間での弱電離ガスの通過や生成を防止したり実質的に抑制したりする。バリア誘電体１３０に対して第２の電極（レシーブ電極）１２５の反対側に更なる誘電体１３０’を用いて、第２の電極１２５の他の露出面を保護しながら酸化を防止することもできる。バリア誘電体と更なる誘電体とは同一の材料であってもよい。しかし、本発明を実施する上でこの更なる誘電体１３０’を省いてもよいことに留意すべきである。
【００１４】
第１の電極１１５と第２の電極１２５とに電源１３５を接続し、電位差を電極間に与えることにより、外部誘電体１０５と内部誘電体１１０との間の空間で形成された放電ゾーン（領域）１２０内で弱電離ガス（小さい矢印で示す）が生成する。弱電離ガスに曝露させたり該ガスで処理したりする対象物（例えば、ガスや蒸気、液体、固体）は、弱電離ガスが放出される弱電離ガス放電反応器１００の開口遠位端の近傍に置いてもよく、該遠位端に接触させてもよい。本発明に係る発生器においては、（先行技術のように）サイズが内部誘電体１１０のキャピラリ１１２の内径に制限される弱電離ガスジェットを生成するのではなく、該ジェットよりサイズの大きい弱電離ガスプルームを生成するため、より効率的に大きな処理表面積をカバーすることができる。具体的には、発生器１００の開口端から放出される弱電離ガスプルームのサイズは、外部誘電体１０５の内開口（内路）のサイズ、即ち、中空路１０７の直径とほぼ等しい。
【００１５】
更に、或いはこれに代え、処理対象物（通常はガス）をキャピラリ１１２内に導入し、放電ゾーン１２０で生成した弱電離ガスの最大濃度にキャピラリ内で曝露させることもできる。有機系試薬（例えば、エチレン）をキャピラリ１１２内に導入して弱電離ガスの安定性を向上させ、及び／又は弱電離ガスにおける化学反応を最適化することもできる。
【００１６】
第１の電極１１５の先端が尖っている場合、より高い電場が生成し、必要な破壊電圧はより低くなるであろう。この電場は不均質であり、半径の増大に比例して場の強度が低下するコロナのような特性を有する。説明目的のため、図１に示す反応器の形状は環状或いは円柱状であるが、他のいずれの形状も本発明によって意図されているものであり、本発明の意図の範囲内である。
【００１７】
図２は、単一キャピラリ内蔵リング構造及び対応する支持用ねじを示す弱電離ガス放電反応器２００の部分断面図である。図２に示す装置の下部は、第１の電極１１５（例えば、金属線）が部分的に挿入された内部誘電体１１０を有する点において図１のものと同様である。外部誘電体１０５（例えば、誘電体スリーブ）は、誘電体層１３０ａ内に形成された相補的サイズの孔に収容されている。第２の電極１２５は、内部誘電体１１０の末端近傍で外部誘電体１０５から外側へ放射状に配置された金属箔層であるのが好ましい。複数の誘電体層１３０ａ〜１３０ｇを用いる。用いる誘電体層の数は必要に応じて変更することができる。また、誘電体層１３０ａ〜１３０ｇは同一の材料から構成されていてもよく、異なる材料から構成されていてもよい。誘電体層の数を選択する上での因子としては、冷却チャンバを組み込んで反応器を冷却するという要求を挙げることができる。また、材料の選択は、絶縁耐力や膨張係数、伝熱率等の特性に基づくこともできる。
【００１８】
外部誘電体１０５の中空路１０７への入口をブロックして試薬ガスやシールドガスの中空路への導入を防止する、図１に示す実施形態とは対照的に、図２の他の実施形態では試薬ガスを受け入れるための入口を２個備える。具体的には、キャピラリ１１２の開口部近傍で誘電体１３０ｅ内に第１のチャネル２１５を設け、キャピラリ内に第１の試薬ガス（或いはシールドガス）２２５を導入し、プラズマの安定性を向上させたり、プラズマにおける化学反応を最適化できるようにするのが好ましい。第２の実施形態においては、上述の誘電体層の内の一層（例えば、誘電体層１３０ｂ）に第２のチャネル２２０を設けて、外部誘電体１０５と内部誘電体１１０との間に形成された放電ゾーン１２０と流体連通させるようにすることもできる。第２の試薬ガス（或いはシールドガス）２３０を第２のチャネル２２０から放電ゾーン１２０へ導入して、更にプラズマの安定性を向上させたり、プラズマにおける化学反応を最適化することもできる。本発明は、第１のチャネルに導入する第１の試薬ガス、及び／又は第２のチャネルに投入する第２の試薬ガスを用いることを意図する。一例として、第１の試薬ガス（或いはシールドガス）２２５と第２の試薬ガス（或いはシールドガス）２３０は同一であっても異なっていてもよく、試薬ガスは例えばエチレンとすることができる。
【００１９】
第１の電極１１５はキャピラリ１１２内で軸方向に移動可能であり、必要に応じてキャピラリ内の挿入深さが調整できるようになっている。一例として、図２は、収容スリーブ２０５内にねじ込み可能なねじ２１０に接続された第１の電極１１５の近位端を示すが、このねじとスリーブは相補的な外部ねじ山と内部ねじ山を有する。第１の電極１１５の深さを対応するキャピラリ１１２内の軸方向で調整するための他の機械的デバイス及び／又は電気的デバイスのいずれをも用いることができる。
【００２０】
図２に示すガス放電発生器は単一キャピラリ内蔵リング構造に対してのみ設計されたものであるが、必要に応じて反応器を改造し、キャピラリ内蔵リング構造の数が一以上のいずれにもなるようにすることができる。反応器が複数のキャピラリ内蔵リング構造を有する場合、第１の電極各々の挿入（或いは深さ）を対応するキャピラリ内で実質的に軸方向或いは長手方向で独立的に調整するために、図２に示すねじ等の機械的変位デバイス及び／又は電気的変位デバイスを設けることが好ましい。
【００２１】
本発明に係るキャピラリ内蔵リング型ガス放電発生器によって、様々な用途に適した弱電離ガス（例えば、プラズマ）が生成される。プラズマは対象物や表面の滅菌の分野で特に注目されており、プラズマへ曝露することによって、有毒な化学滅菌剤を用いることなく、対象物や表面上で生存する微生物の数が減少する。例えば、キャピラリ内蔵リング型ガス放電発生器を滅菌器（例えば、医療目的用滅菌器）内で滅菌手段として用いることができる。消毒や除染等の他のプロセスにおいては、対象物や表面上に生存する微生物の低レベルの破壊が要求されることがある。対象物や表面上に生存する微生物の破壊レベルは、ガス放電発生器に伴う条件を変更する（例えば、弱電離ガスに有機系試薬を注入したり、プラズマへの曝露時間を変更する）ことによって変更することができる。
【００２２】
対象物や表面の他に、ガス放電発生器を用いてガス（例えば、空気）から不要な成分や化合物を除去することができる。また、放電プラズマによって有効量の照明用光学的放射線も生成することができる。ガス放電発生器には他にも多くの用途があり、それらは本発明が意図する範囲内である。
【００２３】
全ての参考文献、刊行物、係属中特許及び発行済特許については、各々の全内容を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
【００２４】
こうして、本発明の好ましい実施形態に適用される基本的且つ新規な特徴について図示し、説明し、指摘してきたが、当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、説明してきた装置の形状や詳細、またその操作についての様々な省略、置換及び変更を行い得ることが理解されるであろう。例えば、実質的に同様な機能を実質的に同様な方法で発揮させ、同様な結果を得ることができる要素及び／又は工程の全ての組合せが本発明の範囲内であるとの意図をここに明示する。記載された一実施形態の要素を他の実施形態のものと置き換えることも、十分意図されており企図されている。また、図面は必ずしも一定の縮尺で描かれたものではなく、単なる概念的な性質のものに過ぎないことも理解されるであろう。従って、本発明は、添付した請求の範囲の記載によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明に係る、弱電離ガスを生成するためのキャピラリ内蔵リング形状非熱的環状ガス放電反応器の一例を示す長手方向断面図である。
【図２】図２は、キャピラリ内蔵リング形状ガス放電反応器の他の例及び支持用ねじを示す部分断面図である。
【図１】
2008503030.tif 000002
【図２】
2008503030.tif 000003