(57)【要約】      （修正有）【課題】導電性の高い液体も含め、広範囲の液体中において安定にプラズマを発生することができる液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法を提供すること。【解決手段】液体３に設けられるプラズマ発生用電極４と、プラズマ発生用電極４に対向して設けられる対向電極５と、プラズマ発生用電極４と対向電極５との間に高周波を印加する高周波回路７と、プラズマ発生用電極４と対向電極５との間に設けられた絶縁部材６を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液中に設けられるプラズマ発生用電極と、プラズマ発生用電極に対向して設けられる対向電極と、プラズマ発生用電極と対向電極との間に高周波を印加する高周波回路と、プラズマ発生用電極と対向電極との間に設けられた絶縁部材を有する液中プラズマ発生装置。
【請求項２】
前記絶縁部材が対向電極の先端部を覆う絶縁カバーである請求項１に記載の液中プラズマ発生装置
【請求項３】
容器に液体を入れ、この液体中にプラズマ発生用電極を設け、プラズマ発生用電極に対向して対向電極を設け、プラズマ発生用電極と対向電極との間に絶縁部材設け、プラズマ発生用電極と対向電極との間に高周波を印加することを特徴とする液中プラズマ発生方法。
【請求項４】
前記絶縁部材を対向電極の先端部を覆うように設け、かつ、水面と接触させるものである請求項１に記載の液中プラズマ発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体中において、高エネルギーのプラズマを発生するための液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、プラズマを用いた蒸着技術として気相プラズマによる蒸着技術が幅広く利用されている。しかし、物質密度の低い気相プラズマでは反応速度が低い。また、液中でプラズマを発生させる技術として、特許文献１に、間隔を隔てられた一対の電極が入れられた電解液内に堆積すべき材料のソースを含む泡の流れを生成し、泡領域にプラズマグロー放電を形成して電極上に材料をプラズマ堆積させる発明が記載されている。さらに、特許文献２にも容器の外部より液体にマイクロ波を照射して、液体中の有害物を分解することが記載されている。
【０００３】
そして、特許文献３および特許文献４には、ドデカン等の液体の中に超音波発生装置により超音波を照射して気泡を発生させるとともに、電磁波発生装置により当該液体中で気泡が発生している位置に電磁波を照射して気泡中に高エネルギーのプラズマを発生させることにより、熱に弱い材料の表面にも蒸着加工のできるようなプラズマ発生方法が記載されている。また、特許文献１には、一対の電極を用いて、水等の導電性の液体も含め、広範囲の液体中において簡易にプラズマを発生することができる液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法が記載されている（例えば、図４）。
【特許文献１】国際公開第０２／０３８８２７号パンフレット
【特許文献２】特開２００２−３０１１３６号公報
【特許文献３】特開２００３−２９７５９８号公報
【特許文献４】特開２００４−１５２３２５号公報
【特許文献５】特開２００５−１０８６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された発明は、直流グロー放電によるものである。同文献には、マイクロ波や電磁波を照射してグロー放電の発生を補助する旨の記載が一部見られるが、その具体的な内容は何ら記載されておらず、また技術的な観点から不明な点が多く、やはり同文献に記載された技術は純然たる直流グロー放電と考えられる。したがって、反応速度は遅い。
【０００５】
特許文献２に記載された有害物分解方法は、容器の外部からマイクロ波を照射して、容器中の液体に含まれる有害物を分解するものであるが、どのような原理で分解するかは説明されていない。このようなマイクロ波の照射の仕方で液体中にプラズマが発生するとは考え難く、同文献にも液体中にプラズマが発生されたとは記載されていない。仮に液体中でのプラズマ発生が不可能でないとしても、極度に大きな電力を供給する必要があり、その実用性は低い。
【０００６】
一方、特許文献３、４に記載された液中に電磁波を照射して液中プラズマを発生する方法は、液相では分子密度が気相に比べて極めて高いことから、高い反応速度が得られることが期待される。しかも、装置は簡易な構成であり、小型に作ることもできる。しかしながら装置やプラズマ発生方法をさらに簡易なものとすることができれば便利である。さらに、特許文献５に記載された発明によれば、水等の導電性の液体においても、液体中においてプラズマを発生することができる。しかし、食塩水など特に導電性が高い液体では、両電極を液中に浸しておくと電圧低下により、電極間の整合をとることが難しくなる。そこで、上部の電極を液面より上に出して整合をとるようにすることもできるが、印加する高周波の電力が大きくなると、液面と対向電極の間で絶縁破壊が起こりやすくなり、その部分のエネルギー消費が大きくなって、液中でのプラズマが安定しにくくなる。
【０００７】
この発明は、導電性の高い液体も含め、広範囲の液体中において安定にプラズマを発生することができる液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明に係る液中プラズマ発生装置は、液中に設けられるプラズマ発生用電極と、プラズマ発生用電極に対向して設けられる対向電極と、プラズマ発生用電極と対向電極との間に高周波を印加する高周波回路と、プラズマ発生用電極と対向電極との間に設けられた絶縁部材を有するものである。さらに、前記絶縁部材が対向電極の先端部を覆う絶縁カバーとすることが好ましい。
【０００９】
本発明に係る液中プラズマ発生方法は、容器に液体を入れ、この液体中にプラズマ発生用電極を設け、プラズマ発生用電極に対向して対向電極を設け、プラズマ発生用電極と対向電極との間に絶縁部材設け、プラズマ発生用電極と対向電極との間に高周波を印加することを特徴とするものである。前記絶縁部材を対向電極の先端部を覆うように設け、かつ、水面と接触させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の本発明に係る液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法は、電解質を多く含むような伝導性の高い液体など広範囲の液体において高エネルギーの液中プラズマを簡易な装置及び方法で安定に発生できるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて説明する。図１は液中プラズマ用装置の一例を示す概略図である。
【００１２】
液中プラズマ発生装置１は、液体３を入れることができる容器２と、プラズマ発生用電極４と、プラズマ発生用電極４に対向する対向電極５と、絶縁部材６と、プラズマ発生用電極と対向電極との間に高周波を印加する高周波回路７を有する。
【００１３】
プラズマ発生用電極４は、電磁波を液体中の比較的限定された範囲に集中的に導入する電極であり、その付近でプラズマを発生させるものである。ここでは、容器２の底部に設けられており、液体３入れた状態で、プラズマ発生用電極４の先端部は液中にある。また、プラズマ発生用電極４は対向電極５に比べて先端部が細く形成されている。例えば、銅線等の細い導線を使用することができる。また、先端部の外周にセラミックカバー８を設けることによって、液体中に高周波を集中的に導入することができる。ここで、セラミックカバー８はプラズマ発生用電極４の導線の外周を覆うが、導線の先端は開放されている。
【００１４】
対向電極５は容器２の上部にプラズマ発生用電極４に対向するように設けられている。対向電極５はプラズマ発生用電極４に比べて先端部が太く形成されている。プラズマ発生用電極４も導体で形成されている。プラズマ発生用電極４と対向電極５は一対をなしており、この両電極間に高周波を印加する。この例では、対向電極５側を接地している。
【００１５】
絶縁部材６は、プラズマ発生用電極４と対向電極５との間に設けられる。図１の例では、絶縁部材６は対向電極５の先端部に密着して覆う絶縁カバーである。絶縁部材６は絶縁性に優れた素材であれば材料を特定しない。誘電正接tanδの小さい素材が望ましい。たとえばポリプロピレン（ＰＰ）やポリエチレン（ＰＥ）などが使用できる。また、水溶液での使用においては、対薬品性からフッ素樹脂やセラミックなども望ましい。
【００１６】
高周波回路７は、高周波電源９と、整合器１０と、共振器１１を備える。液中での高周波プラズマの発生には安定で効率的な最大交流磁場の発生が重要となる。起電力Ｅ、内部インピーダンスＺi、電源に負荷インピーダンスＺを接続する時（Ｚi、Ｚともに複素数）、の両端の電位差は
Ｖ＝ＺＩ＝Ｅ−ＺiＩ
となる。したがって、負荷インピーダンスで流れる電流は、
Ｉ＝Ｅ／（Ｚ＋Ｚi）
である。このとき、負荷インピーダンスで消費される電力は
Ｗ＝Ｒｅ（Ｚ）Ｅ2／｜Ｚ＋Ｚi｜
となる。したがって負荷に供給される電力を最大にするためにはＺi＝Ｚ*の条件を満たさなければならない。Ｚi＝Ｚ*の条件を満たさなければ負荷側において高周波が反射し、効率的に交流磁場を発生させることができない。通常は、
Ｚ＝ｒ＋ｉωＬ
と表わしたときの虚部が存在したり、r≪Zであるため、回路内に可変のリアクタンスを挿入することによって整合を取るため整合器１０を設けている。
【実施例１】
【００１７】
図２は実施例を示す概略図である。容器２には、アクリルの蓋１２をおいている。容器２に質量濃度約１％の食塩水を入れ、対向電極５に絶縁体カバー６（絶縁部材）を装着した。容器２にはプラズマ発生用電極４として銅製の1.5mmの電極を取り付けている。対向電極５はM10の銅製雄ねじを使用している。高周波電源９は、周波数１３．５６ＭＨｚ、最大出力１ｋＷのものである。
【００１８】
対向電極の先にＰＰ（φ32mm×21mm）でできた絶縁体カバー６を取り付けた状態でプラズマを発生させた。上部のアクリルの蓋１２と絶縁体カバー６との間には約10mmの間隔があいている。
【００１９】
印加電力140Wで安定したプラズマが発生する。ここで、印加電力とは反射された電力を除いた値であり、入力された正味の電力を示す（以下、同じ）。その後、200Wまで印加電力を上げても絶縁破壊が起きることなく、大きな水中プラズマが安定した状態を維持する。
【００２０】
次に対向電極の位置をそのままの状態にして絶縁体カバー６を取り外し、同じ手順で試験を行った。絶縁体カバー６がない状態では、印加電力が140Wになると絶縁破壊が起きはじめ、180Wに上げるとほとんど絶縁破壊の状態になってしまい水中プラズマが安定しない。
【００２１】
図３は絶縁体カバー６を水面から離した状態を示す概略図である。絶縁体カバー６を水面から離した状態では、プラズマ発生用電極４の直上でプラズマが発生した後、プラズマが上昇し、絶縁体カバー６と水面の間にできたわずかな隙間でプラズマが維持される。
【００２２】
図４は絶縁体カバー６が小さい状態を示す概略図である。絶縁体カバー６が小さいとき（PP製・φ15mm×12mm）には絶縁体カバー６を迂回して、対向電極５が覆われていないところと水面によって絶縁破壊が起きてしまう。この時の絶縁体カバー６と上部のアクリルの蓋１２との間は19mm空いている。
【比較例】
【００２３】
図５は比較例を示す概略図である。対向電極５には絶縁部材が設けられていない。水面から対向電極５の間隔は約3 mm、プラズマ発生用電極と水面の距離は約9 mmである。印加電力114Wで小さな水中プラズマが発生するが、その後約1秒で絶縁破壊を起こす。絶縁破壊が起きると水中プラズマの発生は確認できず、水面と対向電極５の間の放電状態が続く。
【００２４】
水面から対向電極の間隔を約６mm、プラズマ発生用電極と水面の距離を約9mmとした場合には、印加電力120Wで安定したプラズマが発生する。しかし印加電力を160Wまで上げると絶縁破壊を起こす。破壊が起きると、たまに水中プラズマが生じることがあるがすぐに対向電極と水面間の放電になり安定した水中プラズマを維持できない
【００２５】
以上、本発明の液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法によって、導電性の高い液体中においても安定して液中プラズマを発生させることができる。大きな電力によって強いプラズマを安定に発生できる。また、大きな電力を使用できるので、広い面積のプラズマ発生用電極を用いて広い範囲で同時にプラズマを発生させることもでき、化学蒸着に適用した場合に、大面積の蒸着処理を短時間で行うこともできる。水等の導電性の液体を含む広範囲の液体に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】液中プラズマ発生装置の一例を示す概略図である。
【図２】液中プラズマ発生方法の実施例を示す概略図である。
【図３】絶縁体カバーを水面から離した状態を示す概略図である。
【図４】絶縁体カバ６が小さい状態を示す概略図である。
【図５】液中プラズマ発生方法の比較例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２７】
１．液中プラズマ発生装置
２．容器
３．液体
４．プラズマ発生用電極
５．対向電極
６．絶縁部材
７．高周波回路
【図１】
2008066210.tif 000003
【図２】
2008066210.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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