(57)【要約】【課題】従来技術の代わりとなるＤＣプラズマトーチおよび改善されたＤＣプラズマトーチを提供すること、および／または上記１つ以上の問題を解決することにある。【解決手段】ＤＣプラズマ除害装置の稼働寿命を長くすべく、導電性カソードおよび導電性アノードを有し、これらのカソードおよびアノードが、これらの間にギャップを形成すべく互いに間隔を隔てて配置され、少なくとも一部が前記ギャップ内に配置されかつ使用時にガスが前記ギャップを通って流れることを可能にするチャネルを備えた金属渦巻きブシュと、カソードと渦巻きブシュとの間およびアノードと渦巻きブシュとの間のいずれか一方または両方に介在されたセラミック要素とを更に有することを特徴とする改善されたＤＣプラズマトーチが提供される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性カソードおよび導電性アノードを有し、これらのカソードおよびアノードは、これらの間にギャップを形成すべく互いに間隔を隔てて配置され、少なくとも一部が前記ギャップ内に配置されかつ使用時にガスが前記ギャップを通って流れることを可能にするチャネルを備えた金属渦巻きブシュと、カソードと渦巻きブシュとの間およびアノードと渦巻きブシュとの間のいずれか一方または両方に介在されたセラミック要素とを更に有することを特徴とするＤＣプラズマトーチ。
【請求項２】
前記セラミック要素は、渦巻きブシュのセラミックコーティングからなることを特徴とする請求項１記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項３】
前記セラミックコーティングは、絶縁性酸化物からなることを特徴とする請求項２記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項４】
前記酸化物は、金属渦巻きブシュの下地金属の表面を酸化させることにより形成されることを特徴とする請求項３記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項５】
前記セラミックコーティングは、金属の基準表面より内方に延びている内方成長部分と、金属の基準表面より外方に延びている外方成長部分とからなることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項６】
前記セラミックコーティングは、金属渦巻きブシュの金属を、プラズマ電解酸化することにより形成されることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項７】
前記セラミックコーティングは、ケロナイト法により形成されることを特徴とする請求項６記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項８】
前記セラミック要素は別体のセラミック要素からなることを特徴とする請求項１記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項９】
前記別体のセラミック要素は、ホウケイ酸ガラスマトリックスの蛍光金雲母からなることを特徴とする請求項８記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項１０】
前記カソードおよびアノードの一方はほぼ円筒状の本体部分を有し、カソードおよびアノードの他方はほぼ管状の部分を有し、カソードおよびアノードの前記一方は、その少なくとも一部が、カソードおよびアノードの前記他方内に該他方から間隔を隔てて重なり合わせられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項１１】
前記ほぼ管状の部分の内部の幾何学的形状は、内方にテーパした截頭円錐状の第１部分を有し、該第１部分は、実質的に平行な側面を備えた第２のど部に導かれていることを特徴とする請求項１０記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項１２】
前記内方にテーパした截頭円錐状の第１部分は、別体のセラミックインサートを受入れるためのほぼ平行な側面を備えた凹部からなることを特徴とする、請求項８に従属した場合に請求項１１に従属するＤＣプラズマトーチ。
【請求項１３】
前記別体のセラミックインサートは、平行側面を備えた凹部の形状および寸法と実質的に同じ形状および寸法を有する外面と、渦巻きブシュの外面と実質的に同じテーパ状内面とを有することを特徴とする請求項１２記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項１４】
前記実質的に平行な側面を備えたのど部は、外方にテーパした截頭円錐状の第３部分に導かれていることを特徴とする請求項１１記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項１５】
前記ほぼ円筒状の本体部分は、ボタン電極を更に有することを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項１６】
前記ほぼ円筒状の本体部分は、ボタン電極の熱伝導率および作動機能よりも高い熱伝導率および作動機能を有する金属で形成されていることを特徴とする請求項１５記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項１７】
前記ボタン電極は、熱電子材料で形成されていることを特徴とする請求項１５または１６記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項１８】
前記ほぼ円筒状の本体部分は銅からなり、ボタン電極はハフニウムからなることを特徴とする請求項１５記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項１９】
前記渦巻きブシュの少なくとも１つのチャネルは、トーチを通って流れるガスの運動量に回転成分を伝達することができることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項記載のＤＣプラズマトーチ。
【請求項２０】
添付図面の図３および図４を参照して説明しかつこれらの図面に示したものと実質的に同じであることを特徴とするＤＣプラズマトーチ。
【請求項２１】
請求項２〜７のいずれか１項記載のセラミック層を有することを特徴とする渦巻きブシュ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマトーチに関する。本発明は、半導体工業等のプロセスから生じる排気ガスの除害（abatement）に特別な用途を有している。
【背景技術】
【０００２】
工業的プロセスから大気中に排出される有害ガスのエミッションを防止または制限することは、今や、科学分野および工業分野の両分野の大きな目標である。特に、プロセスガスの使用が本来的に非効率的である半導体工業においては、製造工場から大気中に排出されるガスの量を低減させることを１つの目標と定めている。破壊することが望まれる化合物の例として、フッ素、ＳＦ6、ＮＦ3またはペルフルオロカーボン（ＣＦ4、Ｃ2Ｆ6等）のエッチングプロセスから生じるものがある。
【０００３】
排気ガス流からの好ましくないガスを破壊すなわち除害する１つの方法は、プラズマ除害装置を使用している。例えば下記特許文献１に開示されているように、燃焼による除害に通常使用されている燃料ガスが容易に入手できない場合には、プラズマが特に有効である。
【０００４】
除害装置用のプラズマは種々の方法で形成される。マイクロ波プラズマ除害システムは、幾つかのプロセスチャンバの排気口に連結できる。しかしながら、各装置は、システムにかなりのコストを付加するマイクロ波発生器を必要とする。ＤＣプラズマトーチ除害装置は、単一のＤＣ電源により複数のトーチを作動できる点で、マイクロ波プラズマ装置より優れている。
【０００５】
図1には、既知のＤＣプラズマトーチの一例が断面図で概略的に示されている。トーチ１０は、ほぼ管状のアノード１４の上流側開口内に部分的に重なり合ったほぼ円筒状のカソード１２を有している。カソード１２とアノード１４との間には環状空間１６が形成されており、該環状空間１６を通って、アルゴンまたは窒素等のプラズマ源ガス（図示せず）が流れることができる。
【０００６】
カソード１２（任意であるが、アノード１４）は電源（図示せず）に電気的に接続される。電源は、カソード１２とアノード１４との間にＤＣ電圧を印加するか、カソード１２およびアノード１４のいずれか一方または両方にＡＣ電圧を印加するように構成できる。所要電圧の大きさおよび周波数は、一般に、排気ガスまたはプラズマ源ガスの種および流量、カソード-アノードの間隔、ガス温度等の他のプロセスパラメータを考慮して概略的に決定されかつ選択される。いずれにせよ、適応する電圧条件は、ガスをイオン化させ、これによりプラズマを形成できるものである。
図1に示す従来技術の例では、管状アノード１４の内部幾何学的形状は、上流側端部（図面の最上方に示す部分）から下流側端部（図面の最下方に示す部分）にかけて見て、内方にテーパした第１截頭円錐状部分１８を有し、該第１截頭円錐状部分１８は、実質的に平行な側面を有するのど部２０に導かれ、該のど部２０は外方にテーパした截頭円錐状部分２２に導かれている。この幾何学的形状の効果は、流入ガスを加速しかつ圧縮して、カソード１２の直ぐ下流側の領域内に、比較的高速かつ比較的高圧縮のガス２４の小領域を形成する。
【０００７】
カソード１２は、面取りされた自由端２８を備えたほぼ円筒状の本体部分２６を有し、本体部分２６の外面の幾何学的形状は、アノード１４の内方にテーパした截頭円錐状部分１８の内面の幾何学的形状に一致する。カソード１２の本体部分２６は、銅のような高導電性金属から作られ、通常は水冷される。カソード１２のほぼ平らな下面３０の中心には、軸線方向に突出したボタン型カソード３２が設けられており、該ボタン型カソード３２は優先放電部位を形成する。これは、ボタン３２の材料として、カソード装置の主本体２８の材料とは異なる材料を選択することにより達成される。すなわち、カソード本体２８は、ボタンカソード３２の熱電子材料よりも高い熱伝導率および作動機能を有する導電性材料で形成される。例えば、銅のカソード本体２８およびハフニウムのボタン３２を使用するのが通例である。アノード１４は、カソード１２の本体部分２８と同様な材料、例えば銅で形成できる。
【０００８】
ボタンカソード３２は、比較的高速かつ高圧縮のガスの領域２４内に配置される。このような構成の効果は、比較的高圧縮かつ高速状態、すなわちプラズマ３４の形成に適した状態にあるときに、プラズマ源ガスの優先放電を行う領域を形成することである。かくしてプラズマ３４は、カソード１２の直ぐ下の領域内で核形成され、のど部２０を通ってジェットとして流出し、その後、アノード１４の外方にテーパした截頭円錐状部分２２内で膨張しかつ減速する。
【０００９】
図１のプラズマトーチの作動において、プラズマ源すなわちフィードガス（すなわち、窒素、酸素、空気またはアルゴン等の適度に不活性のイオン化可能ガス）が、入口マニホルド（図示せず）を通って環状空間１６に搬送される。プラズマトーチを開始すなわち始動させるためには、最初に、熱電子ボタンカソード３２とアノード１４との間でパイロットアークを発生させなくてはならない。これは、トーチ１０の電源（図示せず）に接続されたジェネレータにより発生させることができる高周波数および高電圧信号により達成される。カソード装置の銅本体６とハフニウムボタン３２との間の熱伝導率の差は、カソード温度が高くなり、電子がボタン３２から優先的に放出されることを意味する。したがって、両電極１２、１４の間に上記信号が入力されると、プラズマ形成領域２４内に流入するプラズマ源ガス中にスパーク放電が誘起される。スパークは、アノード１４とカソード１２との間に電流路を形成し、次に、制御された直流により、プラズマがアノード１４とカソード１２との間に維持される。出口のど部２０を通過するプラズマ源は、イオン化された源ガスからなる高運動量プラズマフレアを発生させる。
【００１０】
殆どの場合に、プラズマフレアは不安定で、アノード腐食を引き起こす。したがって、両電極１２、１４の間に入口プラズマガスの螺旋流または渦流を発生させることにより安定化させる必要がある。
【００１１】
渦流すなわちガス渦を発生させる１つの方法は、渦巻きブシュ要素を備えたカソード装置を用いることである。図２には、この形式の既知の装置の一例が示されている。簡単化のため、図１および図２に表わされた同じ特徴は、同じ参照番号で示されかつ再び説明することは行わない。
【００１２】
図２に示すカソード装置１２は、環状渦巻きブシュ４０が付加されている点を除き、図１に示したカソード装置と実質的に同じである。渦巻きブシュ４０は、カソード１２とアノード１４との間に介在されたほぼ管状の要素から形成されている。図面からは明らかではないが、渦巻きブシュ４０は、ガスの副流のための非軸流チャネルを形成する複数の非直線（例えば螺旋状）の溝またはベーンを有している。
【００１３】
渦巻きブシュ４０の外面は、アノード装置１４の内方にテーパした截頭円錐状表面部分の一部と協働するように形成されている。渦巻きブシュ４０の外面は、截頭円錐状アノード１２の協働部分の内壁角度と実質的に一致し、かつその表面には、プラズマ源ガスの流れを案内する管路を形成する傾斜溝が設けられている。或いは、傾斜溝は、截頭円錐状アノード１４の協働部分１８の表面に形成することもできる。
【００１４】
ベーンまたは溝の効果は、ガスの個々の副流が螺旋トラジェクトリに沿って流れるようにし、これにより、ガスの個々の副流が収斂する、比較的高速で比較的圧縮されたガス２４の領域内に渦流を発生させることである。トーチ１０ののど部２０を通って流出するときのガスの運動量の回転成分により、プラズマジェット３４が自己安定化される。
【００１５】
トーチ１０を機能させるには、カソード１２およびアノード１４は互いに電気的に絶縁されなくてはならない。このため、カソード１２とアノード１４との間に配置されかつ互いに接触している全ての要素は、電気的に絶縁されなくてはならない。この場合、渦巻きブシュ４０はＰＴＦＥのような誘電材料で製造されている。誘電材料は、両電極１２、１４間の電気的絶縁体として機能し、かつペルフルオロカーボンの除害中に作られる原子フッ素（atomic fluorine）のような高反応性プラズマイオンがこの領域を通る場合に、該高反応性プラズマイオンによる化学的攻撃にも或る程度耐えることができる。
【００１６】
上記プラズマ除害装置１０の構成部品は、長時間に亘って連続的に作動することが要求される。しかしながら、ＰＴＦＥで形成された渦巻きブシュは、プラズマトーチ１０内の高温条件により急速に劣化されることが判明している。したがって、渦巻きブシュは、装置の信頼性を確保しかつアノードのようなトーチの他の構成部品にその後に生じる損傷を防止すべく交換しなければならない。カソード装置を冷却することにより熱の効果を制限できるが、これにより装置のランニングコストが増大される。
【００１７】
一般に、金属はＤＣプラズマ装置内に形成されるプラズマの形式の高温条件に耐久性を有するので、渦巻きブシュを金属で作り、その稼働寿命を延長することを考えることができる。しかしながら、金属の渦巻きブシュも導電体であるので、アノードとの間に電流が流れないようにするため、アノードから電気的に絶縁されなくてはならない。前述のように、ＰＴＦＥは高温での稼働寿命が短いため、アノードから渦巻きブシュを絶縁するのにＰＴＦＥを使用することはできない。
【００１８】
空気も優れた絶縁体であり、したがって、金属渦巻きブシュは単にアノードから間隔を隔てておくだけでもよい。しかしながら、エアギャップを用いると、渦巻きブシュの渦流発生能力が低下される。なぜならば、プラズマ源ガスの一部が、渦巻きブシュの管路に沿って搬送されることなく、プラズマ形成領域内に流入するからである。また、金属渦巻きブシュからアークが発生し、これにより渦巻きブシュがやがて破壊されることがある。より詳しくは、ボタンカソードよりもむしろアノードに近い渦巻きブシュの部分で優先的に発生するアークを防止するため、金属ブシュは、アノードから非常に正確にかつ均一に間隔を隔てておかなくてはならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】欧州特許第１７７３４７４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明の目的は、従来技術の代わりとなるＤＣプラズマトーチおよび改善されたＤＣプラズマトーチを提供すること、および／または上記１つ以上の問題を解決することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の第１態様によれば、導電性カソードおよび導電性アノードを有し、これらのカソードおよびアノードは、これらの間にギャップを形成すべく互いに間隔を隔てて配置され、少なくとも一部が前記ギャップ内に配置されかつ使用時にガスが前記ギャップを通って流れることを可能にするチャネルを備えた金属渦巻きブシュと、カソードと渦巻きブシュとの間およびアノードと渦巻きブシュとの間のいずれか一方または両方に介在されたセラミック要素とを更に有することを特徴とするＤＣプラズマトーチが提供される。
【００２２】
金属の渦巻きブシュを使用することによりおよび金属渦巻きブシュからアノードおよびカソードを絶縁することにより、ＰＴＦＥを使用する上記装置と比較して、部品の稼働寿命を大幅に延長できることが判明している。
【００２３】
本発明の好ましい第１実施形態では、セラミック要素は、渦巻きブシュのセラミックコーティングからなる。セラミックコーティングの主な長所は、多数の部品を減少できること、すなわち、別体の絶縁体が不要になること、およびセラミックコーティングの塗布が比較的容易であるため製造が容易になることである。
【００２４】
より好ましくは、セラミック要素は、例えば金属渦巻きブシュの表面を酸化することにより、電気的絶縁性を有する酸化物で形成される。
【００２５】
下地の金属への酸化物の接合を向上させるため、設けられるセラミックコーティングは、金属の基準表面より内方に延びている内方成長部分を有している。これに加えまたはこれとは別に、セラミックコーティングには、金属の基準表面より外方に延びている外方成長部分を設けることができる。酸化物の内方成長部分および外方成長部分には、異なる機械的特性、化学的特性または位相特性をもたせることができる。
【００２６】
セラミックコーティングは、金属渦巻きブシュの金属のプラズマ電解酸化（Plasma electrolytic oxidation：ＰＥＯ）により形成できる。最も好ましくは、セラミックコーティングは、高品質で、硬く、稠密性を有し、耐久性があり、幾何学的形状に安定性を有し、耐摩耗性があり、および／または電気的な絶縁性を有する酸化物コーティングが得られるケロナイト（Keronite）法により形成される。
【００２７】
この方法では、アルミニウムのような金属または合金で形成された渦巻きブシュが、電解液の浴中に懸架され、金属渦巻きブシュの表面上にスパークを発生させる電流が流される。スパークは金属の表面を酸化させ、セラミックケロナイト層を形成する。
【００２８】
この方法は、渦巻きブシュの溝のような複雑な表面であっても、均一厚さのケロナイト層が形成されるように自己調整される。層の厚さは、加工時間に基づいて定まり、マグネシウム物体の表面上には、４μｍ／分までの層厚が形成される。
【００２９】
これに加えまたはこれとは別に、カソードと渦巻きブシュとの間および／またはアノードと渦巻きブシュとの間に介在される別体のセラミック絶縁要素を用いて、カソードとアノードとの電気的絶縁を達成できる。
【００３０】
これらの両構成は、カソード装置を正確にかつ一貫してアノード装置内に配置することを可能にする。なぜならば、金属渦巻きブシュおよびセラミックの電気遮断器が比較的剛性の高い材料で形成されているからである。したがって、２つの協働するアノードおよびカソード要素は互いにぴったりと重なり合うことができる。これにより、移動が防止されかつアノード装置とカソード装置との間のエアギャップを正確に（手動で）設定する条件が不要になる。
【００３１】
また、渦巻きブシュを金属で形成することにより、プラズマ内で発生される熱にも耐えることができ、渦巻きブシュを保護するために冷却する必要がるとしても、僅かな冷却で済む。
【００３２】
別体のセラミック要素にとって好ましい１つのセラミック材料は、ホウケイ酸ガラスマトリックスの蛍光金雲母（fluorphlogopite mica）からなる。
【００３３】
カソードは、好ましくはほぼ円筒状の本体部分を有し、アノードは、好ましくはほぼ管状の部分を有する（或いは、この逆の関係でもよい）。アノード内にカソードの少なくとも一部を重ね合わせることにより（或いは、この逆の関係でもよい）、カソードとアノードとの間に渦巻きブシュを受入れるための環状ギャップを形成できる。
【００３４】
ほぼ管状の部分の内部の幾何学的形状は、内方にテーパした截頭円錐状の第１部分を有し、該第１部分は、流入するプラズマ源ガスを圧縮しおよび／または加速する。第１部分は、好ましくは、実質的に平行な側面を備えた第２のど部に導かれており、使用時に、ギャップ内に比較的高いガス圧力の領域と、プラズマ用出口孔とを形成する。
【００３５】
別体のセラミックインサートを使用する場合には、内方にテーパした截頭円錐状の第１部分は、別体のセラミックインサートを受入れるためのほぼ平行な側面を備えた凹部で構成できる。この場合、別体のセラミックインサートは、平行側面を備えた凹部の形状および寸法と実質的に同じ形状および寸法を有する外面と、渦巻きブシュの外面と実質的に同じテーパ状内面とを有するのが好ましい。
【００３６】
実質的に平行な側面を備えたのど部は、外方にテーパした截頭円錐状の第３部分に導かれ、プラズマトーチの下流側の膨張および減速ゾーンを形成している。
【００３７】
カソードのほぼ円筒状の本体部分は、好ましくは、ほぼ円筒状の本体部分の熱伝導率および作動機能よりも低い熱伝導率および作動機能を有する材料で形成されているボタン電極を有する。ボタン電極を設ける場合には、ボタン電極は、ハフニウムのような熱電子材料で形成され、ほぼ円筒状の本体部分は銅で製造することができる。
【００３８】
渦巻きブシュの少なくとも１つのチャネルは、トーチを通って流れるプラズマ源ガスの運動量に回転成分（螺旋流成分）を伝達することができる。
【００３９】
本発明の第２態様は、カソード本体と、ボタンカソードと、金属の渦巻きブシュと、のど部および収斂する内面を備えたアノード装置とを備えたＤＣプラズマトーチ装置を提供し、渦巻きブシュは、プラズマ源ガスがカソード装置とアノード装置との間を通るときに、アノードの収斂する内面の一部と協働して渦流を発生し、アノードの内面の協働部分はセラミックの電気遮断器から形成されている。
【００４０】
本発明の他の好ましい特徴および態様は特許請求の範囲に記載されている。
【００４１】
本発明を良く理解できるようにするため、単なる例示としての実施形態を、添付図面を参照して以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】既知の第１ＤＣプラズマトーチを示す概略縦断面図である。
【図２】既知の第２ＤＣプラズマトーチを示す概略縦断面図である。
【図３】本発明の第２態様によるＤＣプラズマトーチを示す概略縦断面図である。
【図４】本発明の第１態様によるＤＣプラズマトーチを示す概略縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図３および図４は、上述した図１および図２と同様であり、したがって、各々の同じ特徴は同じ参照番号で示し、反復説明は行わない。
【００４４】
図３において、ＤＣプラズマトーチ１０は、図１および図２の既知のトーチについて前述したようなカソード装置１２およびアノード装置１４を有している。図３に示す本発明と、図１および図２に示した従来技術のトーチとの主な相違は、渦巻きブシュ４０が金属で作られていることである。隣接するカソード１２およびアノード１４から渦巻きブシュ４０を絶縁するため、環状セラミックインサート（セラミックの電気遮断器）５０が設けられている。渦巻きブシュ要素４０は、２００℃より高い温度に耐えることができる銅、ステンレス鋼またはタングステン等の導電性金属または合金で形成されている。渦巻きブシュ４０は、カソード１２の本体２６と強固に係合しかつ電気的に接触する別体要素である。或いは、渦巻きブシュ４０は、カソード１２の本体２６と一体化しかつ同じ材料で形成することができる。この例に示すように、渦巻きブシュを別体要素として形成するならば、図２に示したような既存のＤＣプラズマ除害システムを改装（retro fit）することができる。アノード装置１４は、通常銅で形成される管状本体部分からなり、該管状本体部分は更に、のど部２０と、該のど部２０に向かって収斂しかつ終端する截頭円錐状内面部分１８と、セラミックの電気遮断要素５２とを有している。収斂表面のテーパは、プラズマ源ガス流を安定化させかつプラズマフレアをのど部２４の方向に指向させるように設計されている。
【００４５】
セラミックの電気遮断要素５２は、高い耐熱性および電気的絶縁性を有するホウケイ酸ガラスマトリックス（Corning International社の製造に係るＭＡＣＯＲ(登録商標)としても知られている）の蛍光金雲母等の商業的に入手可能な安価で容易に機械加工できるセラミックから形成される。
【００４６】
組立てられたとき、カソード装置１２は、銅アノード１４内で、これと同心状に配置される。アノード１４およびカソード１２は、これらの間に管路を形成すべく、互いに間隔を隔てられている。
【００４７】
セラミックは有効な材料であるが、その脆性のため、複雑な形状に形成するのが困難でかつ高価な材料である。セラミックは渦巻きブシュを製造するのに優れた材料であるが、製造コストは、一般に極めて高価である。したがって、セラミック材料が使用されてはいるが、比較的簡単な形状に形成されている。この例では、セラミック材料は既知の技術から容易に形成できる環状リングとして形成されている。アノード１４には環状凹部５４が形成されており、この例では環状凹部５４は、セラミックの電気遮断要素５２を受入れるために一部がブラインド状の軸線方向孔の形態に形成されている。
【００４８】
セラミックの電気遮断要素５２は、環状凹部５４の半径方向最外方表面の輪郭と一致する半径方向最外方表面５６の輪郭と、金属アノード１４の内方にテーパした表面１８に連続しかつこれと同一面を形成する半径方向最内方表面５８とを有している。電気遮断要素５２は、渦巻きブシュ４０と協働して、プラズマ源ガス渦流を形成するように配置され、かつ図示のように、金属渦巻きブシュ４０はセラミックの電気遮断要素５２と接触している。金属渦巻きブシュ４０と金属アノード１４との間に確実にアークが発生しないようにするため、セラミックの電気遮断要素５２は、図３に示すように、渦巻きブシュ４０の各軸線方向側面上に延びるか、渦巻きブシュ４０の少なくとも下流側の軸線方向側面上に延びるように構成される。
【００４９】
上記のように、渦巻きブシュ４０は金属から作られ、したがって容易に製造できかつ高温にも耐えることができる。しかしながら、本発明の構成は、カソード装置１２の渦巻きブシュ要素４０がアノード装置１４の内方テーパ表面１８と接触して、渦巻きブシュ４０の外面に形成された溝６０内に螺旋管路（図示せず）を形成することを可能にする。溝６０は、図３に破線で概略的に示されている。したがって、螺旋溝は、セラミックの電気遮断要素５６により一部が形成されている。この点において、溝６０の螺旋形態は、プラズマ形成領域２４内で渦流を形成できるあらゆる適当な表面形状をカバーするものである。
【００５０】
図３のプラズマトーチ１０の作動において、プラズマ源ガスが、ガスの供給源（図示せず）から管路１６を通って導入される。プラズマトーチを開始すなわち始動させるためには、最初に、熱電子ボタンカソード３２とアノード１４との間にパイロットアークを発生させなくてはならない。これは、トーチ用電源（図示せず）に接続されたジェネレータにより与えられる高周波数および高電圧信号により達成される。銅の本体２６とハフニウムのボタン型カソード３２との間の熱伝導率および作動機能の差は、熱電子がボタン型カソード３２から優先的に放出されることを意味する。したがって、両電極１２、１４の間に上記信号が入力されると、プラズマ形成領域２４内に流入するプラズマ源ガス内にスパーク放電が誘起される。スパークは、アノード１２とカソード１４との間に電流路を形成し、次に、アノード１２とカソード１４との間の制御された直流電流によりプラズマが維持される。トーチ１０を通過するプラズマ源ガスは、のど部２０および拡散ノズル２２を通ってトーチ１０を出るイオン化された源ガスの高運動量プラズマフレア３４を形成する。プラズマ形成領域内に形成される渦流は、プラズマ柱３４を安定化させかつアノード１４の腐食を低減させる。
【００５１】
ここで図４を参照すると、トーチ１０は、渦巻きブシュ７０が、セラミック材料ではなく金属で製造されている点を除き、図２の既知の例に示す構造と同じである。図４の図面（縮尺は正確ではない）から理解されようが、渦巻きブシュ７０は、下地のバルク金属７４上に配置される、プラズマ酸化法（好ましくはケロナイト法）により形成されるセラミック表面コーティング７２からなる。ケロナイト法は、アルミニウムおよびアルミニウム合金等の金属と良く作用する。当業者ならば、ケロナイト加工を受けるオリジナルの渦巻きブシュ材料は、ケロナイト加工を受けられる材料であること、およびカソードと渦巻きブシュとが一体である装置の場合にはカソードとして作用するのに適した材料であることの両方に適したものでなくてはならないことは明白であろう。ケロナイト法は酸化膜を内方および外方に成長させ、これにより、基準金属表面７８より内方に位置する内方成長層部分７６および基準金属表面より外方に位置する外方成長層部分８０が形成される。内方成長層部分７６および外方成長層部分８０は、通常、異なる機械的、化学的および電気的特性を有するが、少なくとも一方の層は優れた誘電性を有するので、渦巻きブシュ７０と、カソード１２およびアノード１４のいずれか一方または両方との間に必要な電気的絶縁が形成される。
【００５２】
本発明の第３態様では、セラミック層からなる渦巻きブシュを提供する。
【００５３】
本発明は、上記実施形態の細部に限定されるものではなく、例えば構造の実態に応じて種々の要素の形状および構造を変更できる。また、本願で使用される用語「カソード」および「アノード」は、或る状況では、本発明から逸脱することなく逆の意味で用いることができる。
【符号の説明】
【００５４】
１０  ＤＣプラズマトーチ
１２  カソード（装置）
１４  アノード（装置）
１８  截頭円錐状内面部分
２４  プラズマ形成領域
３２  ボタン型カソード
４０、７０  渦巻きブシュ
７６  内方成長層部分
７８  基準金属表面
８０  外方成長層部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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