(57)【要約】【課題】この発明は、反応速度が高く、安全で取り扱いやすいという液中プラズマの特性を生かしながら、しかも、プラズマの開始や継続が制御でき、広範囲な使用条件で安定に実施できる液中プラズマ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。【解決手段】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装置１は、液体３を保持するための反応容器２と、液体３中に電磁波を照射するための電磁波照射手段４と、プラズマの発生を制御するためのプラズマ発生補助手段６を有するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を保持するための容器と、液体中に電磁波を照射するための電磁波照射手段と、プラズマの発生を制御するためのプラズマ発生補助手段を有する液中プラズマ装置。
【請求項２】
前記プラズマ発生補助手段がレーザー照射装置である請求項１に記載の液中プラズマ装置。
【請求項３】
レーザーを走査する走査手段を有する請求項２に記載の液中プラズマ装置。
【請求項４】
前記プラズマ発生補助手段が直流放電発生装置である請求項１に記載の液中プラズマ装置。
【請求項５】
液体を保持するための容器を覆う外部容器と、外部容器内の気圧を調整するための気圧調整装置を有する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の液中プラズマ装置。
【請求項６】
液体中に電磁波を照射し、電磁波が照射されている位置にレーザーを照射することによってプラズマの発生を開始させる液中プラズマ発生方法。
【請求項７】
電磁波が照射されている位置にレーザーを照射し続けることによってプラズマの発生を継続させる請求項６に記載の液中プラズマ発生方法。
【請求項８】
レーザーの照射場所を変えることにより、プラズマの発生位置を変化させる請求項７に記載の液中プラズマ発生方法。
【請求項９】
液体中に電磁波を照射し、電磁波が照射されている位置に直流放電を発生させることによってプラズマの発生を開始させる液中プラズマ発生方法。
【請求項１０】
電磁波が照射されている位置に直流放電を発生させ続けることによってプラズマの発生を継続させる請求項９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】
本発明は、液体中においてプラズマを発生させるための方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、プラズマを用いた結晶合成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。たとえば特許文献１にはプラズマＣＶＤ法によってシリコンまたは立方晶シリコンカーバイドの表面にダイヤモンド膜を形成することが記載されている。また、特許文献２、特許文献３には液体中に気泡を発生させるとともに電磁波を照射して、液中でプラズマを発生させてタイヤモンド等を合成したり膜を形成する発明が記載されている。  
【特許文献１】特開平１０−８１５８９号公報
【特許文献２】特開２００３−２９７５９８号公報
【特許文献３】国際公開第０３／０８６６１５号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載の方法等プラズマＣＶＤ法では目的の結晶性物質を大量に合成することは困難である。従って、ある程度厚みのある結晶膜を形成しようとすれば、長時間を要する。あえて蒸着速度を上げるために、メタン等の原材料物質を急速に供給することは危険を招くことにもなりかねない。また、気相で高エネルギーのプラズマを発生させると高温になり、熱に弱い基板材料へ蒸着することはできない。
【０００４】
特許文献２、特許文献３には、超音波照射等の手段によって液体中で気泡を発生させるとともに電磁波を照射して、液中で高エネルギーのプラズマを発生することが記載されている。この液中プラズマの技術によれば、物質密度の高い液体中でプラズマを発生させるので、高密度の原料物質が供給され、物質の合成、分解等の反応を高速で行うことができるものである。しかし、この液中プラズマ装置および発生方法においては、プラズマの発生および継続を直接的に制御する手段を有しない。したがって、電磁波を液中に送り込む電極先端から発生する自然的放電現象などの偶発的な要因によってプラズマの発生が開始するものであった。また、一旦プラズマが発生すれば電磁波照射によって供給されるエネルギーによってプラズマは持続するのであるが、突発的な揺らぎの発生や電力供給の不安定要因等によってプラズマが停止することもある。もちろん、偶発的な要因といってもプラズマの発生しやすい条件下であればプラズマの開始および継続はある程度の確率で期待できるのであるが、直接的にプラズマの開始や継続が制御できるようになれば、液中プラズマを使用できる条件が広くなる。また、プラズマの開始や継続が制御できるなら、液中プラズマの発生条件を厳密に管理することができ、再現性が高い試験装置および試験方法として利用することもできる。
【０００５】
この発明は、反応速度が高く、安全で取り扱いやすいという液中プラズマの特性を生かしながら、しかも、プラズマの開始や継続が制御でき、広範囲な使用条件で安定に実施できる液中プラズマ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】
【０００６】
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装置は、液体を保持するための容器と、液体中に電磁波を照射するための電磁波照射手段と、プラズマの発生を制御するためのプラズマ発生補助手段を有するものである。プラズマ発生補助手段として、レーザー照射装置を使用してもよく、また、直流放電発生装置を使用してもよい。さらに、レーザーを走査する走査手段を設けることもできる。液体を保持するための容器を覆う外部容器と、外部容器内の気圧を調整するための気圧調整装置を加えることもできる。
【０００７】
さらに、本発明に係る液中プラズマ発生方法は、液体中に電磁波を照射し、電磁波が照射されている位置にレーザーを照射することによってプラズマの発生を開始させるものである。電磁波が照射されている位置にレーザーを照射し続けることによってプラズマの発生を継続させてもよい。さらに、レーザーの照射場所を変えることにより、プラズマの発生位置を変化させることもできる。
【０００８】
さらに、本発明に係る別の液中プラズマ発生方法は、液体中に電磁波を照射し、電磁波が照射されている位置に直流放電を発生させることによってプラズマの発生を開始させるものである。電磁波が照射されている位置に直流放電を発生させ続けることによってプラズマの発生を継続させてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の本発明に係る液中プラズマ装置および液中プラズマ発生方法は、局所的には高エネルギーでありながら巨視的には低温であり安全で取り扱いやすい液中プラズマにより高い反応速度で物質の分解・合成等の処理を行うものであり、結晶を合成するとともに、プラズマ発補助生手段によってプラズマの発生を制御するため、偶発的な要因に頼ることなくプラズマの発生開始を制御することが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】
【００１０】
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はこの発明に係る液中プラズマ装置の一例を示す説明図である。液中プラズマ装置１の反応容器２には原料液体３を入れるようになっている。反応容器２の大きさは必要とされる処理能力に応じて適宜選択でき、ビーカー程度の小型のものであっても、大型プラントとして実施するための大型の処理槽であってもよい。ここで、ステンレス製の容器を用いている。
【００１１】
原料液体３としては、用途に応じてさまざまなものが選択できる。液中プラズマによって物質の合成を行う場合には、原料となる物質を含む液体を使用する。特に、結晶性物質を合成する場合には、還元剤として水や水素ガスの微小な気泡を混入して、高純度の結晶を得るようにしてもよい。ダイオキシンやＰＣＢ等の分解処理を行う場合は、これらを含む液体を使用する。
【００１２】
この発明の液中プラズマ装置１は、さらにプラズマ発生補助手段を有する。図１の例においては、レーザー照射装置６がプラズマ発生補助手段の役割を果たす。レーザー照射装置６は、電磁波が集中的に照射される領域に向けてレーザーを集中的に照射するように設けられている。レーザー照射装置６は制御器７に接続されており、レーザー照射の開始・停止やレーザー出力レベルの制御を受ける。
【００１３】
ついで、図１に示す液中プラズマ装置１により液中プラズマを発生させる方法について説明する。反応容器２に原料液体３を入れる。必要に応じて、還元剤等の添加物も原料液体中に混入する。
【００１４】
電磁波照射手段４を作動させて原料液体３中に電磁波を照射する。電磁波は、アンテナ５によって所定の領域に集中的に照射され、この領域は高エネルギー状態となる。さらに、必要に応じては超音波照射手段（図示省略）を設けて、同じ領域に超音波を重畳させてもよい。こうして、この領域では、もし小さなプラズマが開始すればこの領域に広がり、しかも、連続供給される電磁波のエネルギーによって維持されるような状態になる。しかし、最初のプラズマの発生は、電磁波照射や超音波照射によって、直接的に引き起こされるわけではない。プラズマの開始を制御する手段を講じないなら、アンテナ５からの自然的放電の発生など電磁波照射手段４の本来の機能としては予定されていない偶発的な現象によるプラズマの開始を待つことになる。
【００１５】
そこで、制御器７によってレーザー照射装置６を作動させ、電磁波が照射されている領域中にレーザーを集中的に照射する。レーザーを照射された場所では最初のプラズマが発生する。このプラズマは電磁波が照射されている領域内で広がる。このようにしてプラズマが一旦発生すれば、その維持は多くの場合には電磁波や超音波の連続照射のみで維持できる。したがって、制御器７によってレーザー照射装置６を停止させることも可能である。
【００１６】
以上、プラズマの発生において、レーザーを照射することによってその開始を制御することができるようになる。プラズマを維持することは開始させることと比べて容易ではあるが、原料液体３の種類や濃度、電磁波の周波数・強度等の条件によっては、電磁波の連続照射のみでは安定的なプラズマの維持が期待し難いときもある。プラズマが発生している領域近傍で突発的な揺らぎが発生したり、電力供給の不安定要因等に起因してプラズマが停止することもあり得る。そこで、プラズマが開始した後も、レーザー照射を継続することも可能である。プラズマの維持に必要な量のレーザーを照射するように制御器７によりレーザー照射装置６へ指示させて、プラズマをより安定に維持することができる。
【００１７】
このように発生させたプラズマにより、さまざまな処理を行うことができる。原料液体として炭素を含むものを使用して、ダイヤモンドやカーボンナノチューブを合成することもでき、さまざま有害物質を分解・無害化する等、反応炉として広く使用できる。後述の例のように、基板上にダイヤモンド、アモルファス炭素、シリコンカーバイド等の膜を形成することもできる。ＣＶＤ法等従来の気相による蒸着と異なり、物質密度の高い液体を原料として使用するために反応速度は著しく向上する。また、液中で反応させることにより液体による冷却効果があり、基板上に膜を形成する場合において熱に弱い物質を基板として用いることができ、プラスチックや紙、木材等従来では考えられなかったような材料を基板として使用することができる。
【００１８】
図２は、液中プラズマ反応装置の第２の例を示す説明図である。図１の装置の変形例であり、レーザー照射装置６にレーザーを走査する走査手段８が設けられている。この例では、レーザーを集光するためのレンズ９の角度を所定範囲において変えるものである。レンズ９の角度を変えることによって焦点位置が変化し、レーザーが集中的に照射される点が移動する。図２においてはプラズマが発生する位置に基板１０が取り付けられるようになっており、走査手段８を作動させることによってレーザーの照射位置が基板１０上で移動する。図２は照射位置を略波形状に走査した状態を示しており、基板１０上ではこの走査の軌跡に沿って、プラズマによる化学反応が発生している。このように基板１０の特定部分に加工を施すことが可能である。また、基板１０の表面をまんべんなく走査して、基板１０の表面の所定領域全体に膜を形成することもできる。
【００１９】
図３は、液中プラズマ装置の第３の例を示す説明図である。この例においては、プラズマ発生補助手段として直流放電発生装置１１が設けられている。電磁波が集中的に照射される領域の近傍に一対の直流放電用電極１２が設けられており、直流放電用電源１３より電力が供給されることにより、電磁波が集中的に照射される領域内で直流放電が発生するようになっている。制御器７の指示に従って直流放電を発生させることによって、最初のプラズマを発生させる。
【実施例１】
【００２０】
ついで、この発明の実施例について説明する。図１に示す液中プラズマ装置を使用した。ここで、原料液体３としてはドデカン７０ｃｃを使用し、レーザー照射装置６としては、基本波（１０６４ｎｍ）ＹＡＧレーザーを使用した。電磁波としては２．４５GHｚのマイクロ波を使用した。
本実施例においては、液体を保持するための容器を覆う外部容器（図示省略）と、外部容器内の気圧を調整するための気圧調整装置（図示省略）が設けられており、原料液体３にかかる気圧を変化させることができるようになっている。原料液体３にかかる気圧およびレーザーの出力を変化させながら、プラズマの開始に要する電磁波の出力を求め、図示したものが図４のグラフである。レーザー照射を行わない場合のデータも比較として示してある。いずれの気圧においても、レーザー照射を行わない場合に比べてレーザー照射を行った場合のほうがより小さな出力の電磁波照射でプラズマが開始しており、レーザー照射によってプラズマの開始が容易になっていることが確認できる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
この発明の液中プラズマ装置および液中プラズマ発生方法は、プラズマ発生補助手段によって、プラズマの開始を容易にし、広範囲の使用条件で適用ができるので、より広い用途で利用が可能である。さまざまな物質の合成・分解、膜形成等の分野で利用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】液中プラズマ装置の第１の例を示す説明図である。
【図２】液中プラズマ装置の第２の例を示す説明図である。
【図３】液中プラズマ装置の第３の例を示す説明図である。
【図４】気圧およびレーザーの出力とプラズマの開始に要する電磁波の出力の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２３】
１．液中プラズマ装置
２．反応容器
３．原料液体
４．電磁波照射手段
５．アンテナ
６．レーザー照射装置（プラズマ発生補助手段）
７．制御器
８．走査手段
９．レンズ
１０．基板
１１．直流放電発生装置
１２．直流放電用電極
１３．直流放電用電源
【図１】
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【図２】
2005235662.tif 000004
【図３】
2005235662.tif 000005
【図４】
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