(57)【要約】【課題】発生するプラズマの安定性が向上し、プラズマ密度が大きくなり、例えば内包フラーレンの収率を向上させることが可能な金属蒸気導入管を提供すること。【解決手段】金属配管表面上にシースヒータを取り付け、前記金属配管および前記シースヒータ上に溶射法により金属膜を形成したことを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属配管表面上にシースヒータを取り付け、前記金属配管および前記シースヒータ上に溶射法により金属膜を形成したことを特徴とする金属蒸気導入管。
【請求項２】
前記シースヒータを前記金属配管の周囲にロー付け法により取り付けることを特徴とする請求項１記載の金属蒸気導入管。
【請求項３】
前記シースヒータを前記金属配管の周囲に０．２〜２．０ｃｍの範囲の間隔をあけて巻きつけることを特徴とする請求項１記載の金属蒸気導入管。
【請求項４】
サンドブラスト法により凹凸をつけた前記金属配管表面上に前記シースヒータを取り付けることを特徴とする請求項１記載の金属蒸気導入管。
【請求項５】
前記金属配管上に熱電対を取り付け、前記金属配管、前記シースヒータ、および前記熱電対上に前記金属膜を形成することを特徴とする請求項１記載の金属蒸気導入管。
【請求項６】
請求項１記載の金属蒸気導入管、金属円筒、前記金属蒸気導入管の第一の端部に取り付けた金属蒸気噴射部、前記金属蒸気導入管の第二の端部に取り付けた金属オーブンからなり、前記金属円筒の少なくとも一部をプラズマ発生装置の真空室内に挿入し、前記金属円筒と前記金属蒸気噴射部により前記金属蒸気導入管の表面を前記真空室から隔離することを特徴とする金属蒸気導入装置。
【請求項７】
前記金属蒸気噴射部が、銅、又はアルミニウムからなることを特徴とする請求項６記載の金属蒸気導入装置。
【請求項８】
前記金属蒸気噴射部が、ステンレスからなることを特徴とする請求項６記載の金属蒸気導入装置。
【請求項９】
前記金属円筒が、ステンレスからなることを特徴とする請求項６記載の金属蒸気導入装置。
【請求項１０】
前記金属噴射部の先端のノズルが、前記金属円筒の軸方向に対し３０度から６０度の角度をなすことを特徴とする請求項６記載の金属蒸気導入装置。
【請求項１１】
請求項６記載の金属蒸気導入装置により金属蒸気をホットプレート上に噴射しプラズマを発生するプラズマ発生装置、フラーレン導入装置、内包フラーレン堆積プレートから構成される内包フラーレン製造装置。
【請求項１２】
前記金属蒸気が、ナトリウム、又はカリウムを加熱し昇華させた蒸気であることを特徴とする請求項１１記載の内包フラーレン製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、内包フラーレン製造装置のような、金属プラズマを利用して電子部品などの材料を製造する装置において、プラズマ発生室に金属蒸気を導入する金属蒸気導入装置、金属蒸気導入装置を構成する金属蒸気導入管、及び内包フラーレン製造装置に係る。
【０００２】
【発明の背景】
【非特許文献１】
プラズマ・核融合学会誌  第７５巻第８号  １９９９年８月
ｐ．９２７〜９３３「フラーレンプラズマの性質と応用」
内包フラーレンは、フラーレンとして知られるＣ６０などの球状炭素分子にナトリウム、カリウムなどの金属元素を内包した、エレクトロニクス、医療などへの応用が期待される新規な材料である。内包フラーレンの製造方法としては、真空室中で加熱したホットプレートに対し金属蒸気を噴射してプラズマを発生させ、発生した金属プラズマ流にフラーレンを噴射し、プラズマ流の下流に配置したプレートに内包フラーレンを堆積させる方法が知られている。内包フラーレンの製造装置としては、図８に示すようなプラズマ発生室１０１、フラーレン導入室１０２、内包フラーレン堆積室１０３からなる管状の反応室とプラズマを閉じ込めるための磁界発生コイル１１１、１１２、１１３により構成される装置が使用されている。最初に、ナトリウムなどの金属材料をオーブン１０６で加熱し昇華させる。発生した金属蒸気を真空引きしたプラズマ発生室に導入管１０５を通して導入し、ホットプレート１０４上で金属プラズマを発生させる。発生した金属プラズマは、ホットプレート１０４前面で形成された電子シースによる電位降下により加速され、均一磁場に沿って管軸方向に流れる。フラーレン導入室１０２において、プラズマ流に対しＣ６０などのフラーレンを昇華させた蒸気を噴射することにより、プラズマ流を構成する電子とＣ６０が衝突してＣ６０の負イオンが発生する。金属の正イオンと発生したＣ６０の負イオンからなるプラズマ流は、内包フラーレン堆積室１０３において、バイアス電源１１０により正のバイアス電圧を印加した堆積プレート１０９近傍で衝突し、堆積プレート１０９表面に内包フラーレンが堆積する。（非特許文献１）
【発明が解決しようとする課題】
フラーレンプラズマと金属プラズマの衝突により、一部のフラーレンの内部に金属原子が入り内包フラーレンが生成される。堆積プレート上に堆積する生成物質の中から、内包フラーレンを液相クロマトグラフィーなどの方法で抽出するが、抽出される内包フラーレンの収率はきわめて低く、また収率の再現性も悪かった。収率が低い原因を調査してみたところ、プラズマ発生室に導入される金属蒸気の温度が、シースヒータの加熱温度よりも低く、そのため十分な密度の金属プラズマが発生していないことが判明した。図７は、従来使用されていた金属蒸気導入管の断面図である。図７に示すように、従来、ステンレスの配管３２にシースヒータ３３をロー付けして巻きつけた導入管が使用されていた。金属蒸気の温度を下げずにプラズマ発生室に導入するために、導入管はシースヒータ３３により加熱されている。シースヒータ３３は、ロー付け作業時に、シースヒータの側面からローを流し込む必要があるため、ある程度間隔をあけて導入管に巻きつけられている。そのため、配管３２のシースヒータ３３に覆われていない露出された表面から熱が外気中に逃げていくので、導入管を通る金属蒸気の加熱効率が低いという問題があった。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明の金属蒸気導入管は、シースヒータが巻かれた導入管上に、銅などの熱伝導率の高い金属材料を溶射法により堆積して金属膜を形成することを特徴とする。
【０００４】
【作用】
シースヒータが巻かれていない導入管部分にも、堆積した熱伝導率の高い金属膜を介してシースヒータで発生した熱が伝わるため、導入管全体を均一に加熱することが可能になる。そのため、導入管を通る金属蒸気を均一に加熱することができる。
【０００５】
【実施例】
図１に示す、本発明の内包フラーレン製造装置の金属オーブン６内に、金属材料、たとえばナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属を入れて、金属オーブン６を約５００℃に加熱し、金属材料を昇華させ蒸気を発生させる。発生した金属蒸気は、金属蒸気導入管を通って、背景真空度約１０−５  Ｐａのプラズマ発生室１内に設置された２０００〜２５００℃に加熱されたホットプレート４上に導入される。導入管５の通過中に金属蒸気の温度が下がらないように、オーブン６で金属蒸気を発生する前に、あらかじめ導入管５を暖めておく必要があり、通常４５０〜５００℃に加熱する。
【０００６】
図３は、本発明の第一の実施例に係る金属蒸気導入管の斜視図であり、図４は、本発明の第一の実施例に係る金属蒸気導入管の断面図である。金属蒸気導入管２２を通る金属蒸気を加熱するために、金属蒸気導入管２２の表面にシースヒータ２３が巻きつけられている。アルカリ金属などの金属蒸気を流すために、金属配管２４の材料としては、ステンレスなどの耐腐食性の高い材料が使用される。シースヒータはニクロム線などの発熱体の表面をアルミナなどの絶縁材で被膜した構造で、柔軟性があるため複雑な形状の被加熱物に直接取り付けて加熱できるという特徴がある。実施例では、ステンレスの金属配管２４に、シースヒータ２６を巻きつけ、銀ローでロー付けすることにより固定している。図３に示すように、巻きつけ、及びロー付けの作業性向上のため、金属導入管の先端部で折り返したシースヒータを互いに隣接して巻きつけている。ロー付け作業のため、シースヒータの側面から銀ローを注入する必要があり、シースヒータ２３は、互いに０．２〜２．０ｃｍの間隔を開けて金属配管２２に巻きつける。次に、図４に示すように、シースヒータ２６を巻きつけた金属配管２４の表面に、熱伝導率の高い銅を溶射法により、たとえば１ｍｍの膜厚で堆積させ、金属膜２５を形成する。溶射法は、ＣＶＤやＰＶＤなどの薄膜形成方法にくらべ、薄膜の堆積速度が速い、廃液や有毒ガスの発生がないので環境にやさしいという特徴がある。シースヒータ２６を金属配管２４に巻きつける前に、サンドブラスト法などにより金属配管２４の表面に微細な凹凸をつけておくと、金属膜２５と金属配管２４の密着性が向上する。金属膜２５の材料としては、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが好ましい。銅以外にもアルミニウムなどの熱伝導率の高い材料を用いれば、銅を用いた場合と同様の効果が得られる。
【０００７】
図５は、本発明の第二の実施例に係る金属蒸気導入管の斜視図であり、図６は、本発明の第二の実施例に係る金属蒸気導入管の断面図である。金属蒸気導入管２７を通る金属蒸気を加熱するために、金属蒸気導入管２７の表面にシースヒータ２８が巻きつけられている。第一の実施例と同様に、ステンレスの金属配管２７に、シースヒータ２８を巻きつけ、銀ローでロー付けすることにより固定している。第二の実施例では第一の実施例と異なり、図５に示すように、金属導入管の先端部で折り返したシースヒータを互いに隣接させずに金属配管２７に巻きつけている。シースヒータを巻きつける間隔は、第一の実施例と同様にロー付けの作業性を考慮し、０．２〜２．０ｃｍとしている。次に、図６に示すように、シースヒータ３１を巻きつけた金属配管２９の表面に、熱伝導率の高い銅を溶射法により、たとえば１ｍｍの膜厚で堆積させ、金属膜３０を形成する。シースヒータ３１を金属配管２９に巻きつける前に、サンドブラスト法などにより金属配管２９の表面に微細な凹凸をつけておくと、金属膜３０と金属配管２９の密着性が向上する。金属膜３０の材料として、銅以外にもアルミニウムなどの熱伝導率の高い材料を用いれば、銅を用いた場合と同様の効果が得られる。
【０００８】
図２は、本発明の金属蒸気導入管を使用して、金属蒸気をプラズマ発生室に導入する金属蒸気導入装置の断面図である。金属オーブン２０にはシースヒータ２１が巻きつけられ、シースヒータ２１で加熱することにより金属オーブン２０内に入れた金属材料を昇華させ金属蒸気を発生する。発生した金属蒸気は、金属オーブン２０に取り付けられた、金属膜で覆った金属配管１６およびシースヒータ１７からなる金属蒸気導入管を通り、金属蒸気導入管の端部に溶接などの方法で取り付けられた金属蒸気噴射部１９の先端のノズル３４からプラズマ発生装置のホットプレート上に噴射される。金属蒸気噴射部１９は、プラズマ発生装置の真空室に置かれるためシースヒータにより加熱することができない。そのため、金属蒸気噴射部１９、及びノズル３４の材料は、銅、又はアルミニウムを用い、シースヒータ１７で発生した熱が効率よく金属蒸気に伝わるようにする。また、特に、腐食性の高い金属プラズマを使用し、装置の耐腐食性を重視する場合には、金属蒸気噴射部１９、及びノズル３４の材料として、ステンレスを用いることも可能である。さらに、金属蒸気導入管を、金属円筒１８と金属蒸気噴射部１９により取り囲んで、金属蒸気導入管と金属円筒１８の間の空間をプラズマ発生装置の真空室から隔離する。プラズマ雰囲気に曝される金属円筒１８の材料としては、耐腐食性の高いステンレスを使用する。金属蒸気噴射部１９の先端に取り付けたノズル３４をプラズマ発生装置内のホットプレートに近づけるため、金属蒸気導入管、及び金属円筒１８の少なくとも一部を真空室内に挿入しているが、金属蒸気導入管を金属円筒１８及び金属蒸気噴射部１９により取り囲み、真空室から隔離することにより、金属蒸気導入管の表面に存在する付着物からの脱ガスによる真空度の劣化を防止することができる。同時に、金属蒸気導入管表面に堆積した銅、又はアルミニウムからなる金属膜がプラズマに曝され、腐食することがないように、金属円筒１８により保護する効果もある。また、ノズル３４は、金属円筒の軸方向に対し、３０度〜６０度の角度で取り付けられており、ホットプレート４に対し効率よく金属蒸気が噴射されるとともに、図１に示すように、金属蒸気導入装置がホットプレート４上で発生するプラズマ流を妨げないという効果もある。
【０００９】
シースヒータから発生した熱は、熱伝導率の高い金属膜を通って金属配管の表面に沿って伝わるので、金属配管のシースヒータが巻かれていない表面も十分に加熱される。そのため、金属配管を通って流れる金属蒸気が効率的に加熱されてプラズマ発生室に導入されるので、発生するプラズマの安定性が向上し、プラズマ密度が増加する。そのため、金属イオン、及びフラーレンイオンの密度が増加するので、内包フラーレンの収率が向上し、収率の再現性も改善された。金属蒸気導入管を加熱するためシースヒータに供給する電力効率も従来の金属蒸気導入管を使用した場合に比べ、３倍から５倍の改善がみられた。
【００１０】
また、金属導入管を通る金属蒸気の温度を計測するために、通常、金属導入管に取り付けた熱電対などの温度センサーを使用するが、温度センサーを金属配管の表面に取り付けた後に溶射を行って金属膜を堆積すれば、温度センサーが金属膜に覆われ、外気に直接触れなくなるので、金属蒸気導入管を通る金属蒸気の温度測定精度の向上に効果がある。
【００１１】
実施例では、金属膜の膜厚を１ｍｍとして説明したが、１ｍｍより厚い膜厚、あるいは１ｍｍより薄い膜厚の金属膜を金属配管の表面に堆積した場合でも、本発明の実施例に係る効果が得られることは明らかである。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００１３】
発生するプラズマの安定性が向上し、プラズマ密度が大きくなるため、内包フラーレンの収率が向上し、収率の再現性が改善される。
【００１４】
金属蒸気導入装置を構成する金属円筒、金属配管、金属蒸気噴射部、及びノズルをステンレスで製作することにより、金属蒸気導入装置の耐腐食性が向上する。
【００１５】
金属蒸気導入装置を構成する金属蒸気噴射部、及びノズルを銅、又はアルミニウムで製作する場合は、金属蒸気噴射部、及びノズルにおける金属蒸気の加熱効率が向上する。
【００１６】
シースヒータを金属配管に間隔をあけて巻きつけ銀ローで固定することにより、シースヒータの取り付けの作業性が向上する。
【００１７】
サンドブラスト法により凹凸をつけた金属配管表面上にシースヒータを取り付けることにより、金属配管と金属膜の密着性が改善される。
【００１８】
金属蒸気の温度を測定する温度センサーを取り付けた金属配管上に金属膜を形成することにより、温度測定精度が向上する。
【００１９】
金属蒸気導入装置において、金属蒸気導入管を金属円筒、及び金属蒸気噴射部で囲み、金属蒸気導入管の表面を真空室から隔離することにより、脱ガスによる真空度の劣化、金属蒸気導入管の腐食を防止できる。
【００２０】
金属蒸気噴射部の先端に取り付けたノズルを、金属円筒の軸方向に対し３０〜６０度の角度をなすように取り付けることにより、金属蒸気をホットプレートに効率よく噴射できるとともに、金属蒸気導入装置がプラズマ流を妨げないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る内包フラーレン製造装置の断面図である。
【図２】本発明の実施例に係る金属蒸気導入装置の断面図である。
【図３】本発明の第一の実施例に係る金属蒸気導入管の斜視図である。
【図４】本発明の第一の実施例に係る金属蒸気導入管の断面図である。
【図５】本発明の第二の実施例に係る金属蒸気導入管の斜視図である。
【図６】本発明の第二の実施例に係る金属蒸気導入管の断面図である。
【図７】従来の金属蒸気導入管の断面図である。
【図８】従来の内包フラーレン製造装置の断面図である。
【符号の説明】
１、１０１  プラズマ発生室
２、１０２  フラーレン導入室
３、１０３  内包フラーレン堆積室
４、１０４  ホットプレート
５、１０５  金属蒸気導入管
６、１０６  金属オーブン
７、１０７  フラーレン導入管
８、１０８  フラーレンオーブン
９、１０９  堆積プレート
１０、１１０  バイアス電源
１１、１２、１３、１１１、１１２、１１３  磁界発生コイル
１４、１５、１１４、１１５  ゲートバルブ
１６  金属配管
１７、２１  シースヒータ
１８  金属円筒
１９  金属蒸気噴射部
２０  金属オーブン
２２、２７  金属導入管
２３、２６、２８、３１  シースヒータ
２４、２９  金属配管
２５、３０  金属膜
３２  金属配管
３３  シースヒータ
３４  ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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