(57)【要約】【課題】  高周波誘導熱プラズマトーチで合成した固体物質が、該プラズマトーチの内部に付着するのを抑制することができ、かつ比較的細いターゲット棒上に合成した固体物質を効率よく堆積できる高周波誘導熱プラズマトーチおよび固体物質の合成方法を提供する。【解決手段】  本発明の高周波誘導熱プラズマトーチは、固体物質を合成するための高周波誘導熱プラズマトーチにおいて、最内側から順に、第１管13を原料ガスおよび不活性キャリアガス流路17とし、第２管14を不活性ガス流路18とし、第３管15を必要に応じて不活性ガスで希釈した副原料ガス流路19とし、第４管16を冷却水流路20とする４重管構造を有し、第１管13および第２管14は第３管15および第４管16より後退して配置され、第４管16の外側で、かつ第１管13および第２管14の先端より前方の部分に、高周波コイル21を配置してなることを特徴としている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体物質を合成するための高周波誘導熱プラズマトーチにおいて、最内側から順に、第１管を原料ガスおよび不活性キャリアガス流路とし、第２管を不活性ガス流路とし、第３管を必要に応じて不活性ガスで希釈した副原料ガス流路とし、第４管を冷却水流路とする４重管構造を有し、第１管および第２管は第３管および第４管より後退して配置され、第４管の外側で、かつ第１管および第２管の先端より前方の部分に、高周波コイルを配置してなることを特徴とする高周波誘導熱プラズマトーチ。
【請求項２】
第１管、第２管および第３管の材質が、窒化ケイ素又は窒化アルミニウムである請求項１に記載の高周波誘導熱プラズマトーチ。
【請求項３】
第１管および第2管が、耐熱・耐酸性合金製ブロックで保持され、該ブロックが水冷されている請求項１に記載の高周波誘導熱プラズマトーチ。
【請求項４】
請求項1乃至３のいずれかに記載の高周波誘導熱プラズマトーチを用いて合成することを特徴とする固体物質の合成方法。
【請求項５】
原料ガスがケイ素化合物を含み、副原料ガスが酸素を含む請求項４に記載の固体物質の合成方法。
【請求項６】
ケイ素化合物が四塩化ケイ素である請求項５に記載の固体物質の合成方法。
【請求項７】
合成される固体物質が石英ガラスである請求項４乃至６のいずれかに記載の固体物質の合成方法。
【請求項８】
合成される固体物質が不純物ドープされた石英ガラスである請求項４乃至６のいずれかに記載の固体物質の合成方法。
【請求項９】
ドープされた物質がフッ素である請求項８に記載の固体物質の合成方法。
【請求項１０】
合成される最終製品が光ファイバ用ガラス母材である請求項４乃至９のいずれかに記載の固体物質の合成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体物質の合成、特には光ファイバ用ガラス母材の合成に好適に用いられる高周波誘導熱プラズマトーチ（以下、単にプラズマトーチと称する）および固体物質の合成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマトーチは、ガス流路管の周囲に高周波コイルを配置して高周波電流を流し、内部のガスをプラズマ化して噴射する装置であり、１万度程度の超高温を得ることができ、比較的遅いプラズマ線速で、しかも酸化・還元雰囲気を自由に選択できることから、超高温の反応場として用いられている。
【０００３】
プラズマトーチを用いる方法は、プラズマの反応場に電極が存在しないため不純物が入りづらく、結晶やアモルファスの粉体・膜等、高純度固体物質の合成に非常に適している。また、超高温の熱源として、廃棄物の減容処理等に利用されている。さらに、超高温で対象物を完全に分解できることから、ICP発光分析やフロンの分解等にも用いられている。
【０００４】
従来から固体の微粒子や膜の合成等に用いられているプラズマトーチの例を図１に示す。
プラズマトーチの原料導入口には、中心に不活性キャリアガスを含む原料ガス流路１を有する原料供給管２が配置され、その外側に内側管３が設けられ、原料供給管２と内側管３の間がプラズマガス流路４となっている。
原料導入口に設けられた原料供給管２は、直接高温のプラズマに曝されるため、その内部に冷却水流路（図示を省略）を設けて、プラズマに向いた面５を水冷する構造になっている。内側管３の外側には外側管６が配置され、内側管３と外側管６の間は冷却水流路７となっている。外側管６のさらに外側に、高周波コイル８が配置されている。
【０００５】
プラズマの点火は、特許文献１に記されているように、冷却水流路７の冷却水を除いた状態で、プラズマトーチ内部にアルゴンのみを流して高周波コイルに高周波電流を流しつつ、プラズマトーチ内部に図示していない高電圧印加手段により高電圧を印加・放電させることによってなされ、これによってプラズマ９が形成される。
【０００６】
例えば、プラズマトーチを用いてフッ素ドープ石英ガラス微粒子を合成し、これを純粋石英ガラス棒の周囲に堆積させて光ファイバ用ガラス母材を作製しようとすると、プラズマガス流路４に酸素ガスとアルゴンを流し、続いて不活性キャリアガスを含む原料ガス流路１に四塩化ケイ素、四フッ化ケイ素あるいは四フッ化炭素等のフッ素含有ガスおよびアルゴンを流すことで、プラズマ９内部でフッ素ドープ石英ガラス微粒子を合成することができる。なお、冷却水流路7の冷却水はプラズマ点火の後に流される。合成されたガラス微粒子は、回転・移動する純粋石英ガラス製のターゲット棒10上に堆積される。高周波コイル８に1〜4MHz, 20〜100 kVA程度の高周波電流を流すことでプラズマを維持することができる。
【特許文献１】特開平05-242995号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来のプラズマトーチを用いてガラス等の固体物質を合成すると、原料供給管２のプラズマ側の面５の表面や内側管３の内面に、生成した固体微粒子が粉体あるいは膜として成長することがある。これらのプラズマトーチ内付着物は時間の経過とともに成長して剥がれ落ち、プラズマの安定性を損ねる上、生成した粉体の粒度分布の広がりや膜の欠陥の原因となる。また、ターゲット棒10上に膜を成長させるような場合、生成した固体微粒子の質量に対するターゲット棒10上に付着する割合、すなわち付着効率が高々40%と低く、さらに、ターゲット棒が細い場合には付着効率がさらに低下するという問題があった。
【０００８】
本発明は、プラズマトーチで合成した固体物質が、該プラズマトーチの内部に付着するのを抑制することができ、かつ比較的細いターゲット棒上に合成した固体物質を効率よく堆積できるプラズマトーチおよび固体物質の合成方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のプラズマトーチは、固体物質を合成するためのプラズマトーチにおいて、最内側から順に、第１管を原料ガスおよび不活性キャリアガス流路とし、第２管を不活性ガス流路とし、第３管を必要に応じて不活性ガスで希釈した副原料ガス流路とし、第４管を冷却水流路とする４重管構造を有し、第１管および第２管は第３管および第４管より後退して配置され、第４管の外側で、かつ第１管および第２管の先端より前方の部分に、高周波コイルを配置してなることを特徴としている。
第１管、第２管および第３管の材質は、窒化ケイ素又は窒化アルミニウムとする。また、第１管および第2管は、耐熱・耐酸性合金製ブロックで保持し、該ブロックを水冷構造とするのが好ましい。
【００１０】
本発明の固体物質の合成方法は、上記構成からなるプラズマトーチを用いて合成することを特徴としており、原料ガスは、四塩化ケイ素などのケイ素化合物を含み、副原料ガスは酸素を含むものとするのが好ましい。
このようにして石英ガラスは合成されるが、フッ素などで不純物ドープされた石英ガラスを製造することもできる。合成される最終製品は、光ファイバ用ガラス母材として好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、合成された固体物質を付着堆積させるターゲット棒の径がプラズマトーチ径に比較してかなり細い場合であっても、合成された固体物質の付着効率を大きく高めることができ、生産性の向上に寄与する。加えて、最終製品が光ファイバ用ガラス母材である場合、プラズマトーチ内に付着する固体物質が極めて少ないため、極めて気泡の少ない母材が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
従来のプラズマトーチを用いて合成された固体物質は、その一部がプラズマトーチ内に付着堆積するが、これについて詳細に検討したところ、プラズマトーチ内部のガス流に問題があることを突き止めた。
これついて、図１に示したプラズマトーチ内部のガス流の状態を示す図２で説明する。
【００１３】
原料ガス流路１およびプラズマガス流路４から出たガスはそれぞれ直進しようとするが、その流れに引きずられるようにして、渦流11が生じ、プラズマ中で生じた固体生成物の一部がこの渦流11に乗って原料ガス導入口の方へ戻ってきてしまい、原料供給管２のプラズマ９側に向いた面５上に堆積することが判明した。
さらに、プラズマガス流路４を流れるガス量が少ない場合、渦流11で循環する固体生成物の一部が内側管３の内壁にも付着することが分かった。プラズマトーチ外へ噴出するガス流12、特に固体生成物の流れは、この渦の影響により原料ガス流路１の径よりも遥かに太くなってしまい、細いターゲット棒ほど付着効率が悪くなるという問題を引き起こしていることが明らかになった。
【００１４】
本発明者等は、これらの問題の原因を解決するために、プラズマトーチの構造を次のように改良した。
すなわち、従来原料導入口に設けられていた原料供給管２に替えて、図３に示すように、第１管13および第２管14からなる二重管を配置し、図１で言うところの内側管３および外側管６にそれぞれ対応する第3管15、第4管16と合わせて4重管構造とした。再内側の第1管13の流路を不活性キャリアガスを含む原料ガス流路17とし、第１管13と第２管14との間の流路を不活性ガス流路18とし、第2管14と第3管15との間の流路を必要に応じて不活性ガスで希釈した副原料ガス流路19とした。第３管15と第４管16の間の流路は、冷却水を流す冷却水流路20とした。第１管13および第２管14は、第３管15および第４管16より後退して配置し、第４管16の外側で、かつ第１管13および第２管14の先端より前方の部分に、高周波コイル21を配置している。
【００１５】
このようにプラズマトーチを４重管構造にして、プラズマトーチの奥全面からガスが流れるようにすることで、図３に示すようにプラズマトーチ内での渦流の発生を最小限に抑えることができ、プラズマトーチ内への固体生成物の付着を抑制することができる。また、第１管13と第２管14の間の不活性ガス流路18に不活性ガスを流すことによって、再内側の第1管13の原料ガス流路17を流れる原料ガスと、第2管14と第3管15との間の副原料ガス流路19に流れる副原料ガスがすぐに接触することがなくなり、その結果、第１管13および第２管14の先端面への固体生成物の付着を抑制することができる。さらに、噴出するガス流22が良好な平行性を保って流れるため、中心の固体生成物の流れの太さが従来のプラズマトーチよりも原料ガス流路17の径に近い細さで流れてくることになり、ターゲット棒24上に堆積する固体生成物の付着効率が飛躍的に向上する。
【００１６】
高周波コイル21が第１管13および第２管14よりも前方に設置されているのは、プラズマとの接触によって第１管および第２管が破損するのを防ぐためである。なお、第１管13、第２管14および第３管15の材質として、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、石英ガラスなどを用いることができ、特には、耐熱性・耐酸性・耐熱衝撃性に優れた窒化ケイ素製とすることにより、運転時のこれら部材の割れや消耗をほぼ完全に防止することができる。
【００１７】
第１管13および第２管14は、図示していない金属製のブロックで保持されている。この金属製ブロックは、プラズマから直接届く輻射熱による損傷を防ぐために水冷構造とするのが好ましい。その材質は、耐熱性と耐酸性を兼ね備えた合金が良く、例えば、ステンレス（SUS 316等）やニッケル合金（インコネルC-276, インコロイG-3等）などが挙げられる。
【実施例】
【００１８】
（実施例１）
図４に示した本発明のプラズマトーチを用い、回転・往復する高純度合成石英ガラス製のターゲット棒24上にフッ素ドープ石英ガラス微粒子を堆積させて光ファイバ用ガラス母材を製造した。具体的には、以下の通りである。
第１管13は窒化ケイ素製で内径φ3 mm、外径φ8 mm、第２管14は窒化ケイ素製で内径φ19 mm、外径φ24 mm、第３管15は窒化ケイ素製で内径φ42 mmである。第１管13の原料ガス流路17には、4.0 L/minのアルゴン、2.0 L/minの四塩化ケイ素および0.76 L/minの四フッ化ケイ素を供給した。第１管13と第２管14の間に形成される不活性ガス流路18には、20 L/minのアルゴンを供給した。第２管14と第３管15の間に形成される副原料ガス流路19には、30 L/minのアルゴンと40 L/minの酸素を供給した。
【００１９】
ターゲット棒24には、外径がφ20，30，40，50，60 mmの５種類を用いた。高周波コイル21には3.5 MHzの高周波電流を供給し、そのパワーはターゲット棒24が軟化せず、しかも付着したガラス微粒子が良好に透明化するようなパワーに調整した。合成したガラス微粒子の堆積中、ターゲット棒24の回転数は60 rpmとし、往復移動範囲は500 mmで、その速度は75 mm/minとした。堆積は、外径が元のターゲット径の1.1倍になるまで行った。堆積の結果を表１に示す。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
堆積終了後、プラズマトーチを検査したところ、プラズマトーチ内にガラスの付着はなく、良好な状態を保っていた。生成したガラス微粒子量に対する付着量の割合、すなわち付着効率もターゲット棒24の外径が20 mmφと細径の場合でも50 %に達しており、非常に良好であった。
【００２２】
（比較例１）
図１に示した従来のプラズマトーチを用い、回転・往復する高純度合成石英ガラス製のターゲット棒10上に、フッ素ドープ石英ガラス微粒子を堆積して光ファイバ用ガラス母材を製造した。
原料供給管２は窒化ケイ素製で内径φ3 mm、外径φ38 mm、内側管３は窒化ケイ素製で内径φ42 mmとした。原料供給管２の原料ガス流路１には4 L/minのアルゴン、2.0 L/minの四塩化ケイ素および0.76 L/minの四フッ化ケイ素を供給した。原料供給管２と内側管３の間に形成されるプラズマガス流路４には、75 L/minのアルゴンと40 L/minの酸素を供給した。
【００２３】
ターゲット棒10には、外径がφ20，30，40，50，60 mmの５種類を用いた。高周波コイル８には3.5 MHzの高周波電流を供給し、そのパワーはターゲット棒10が軟化せず、しかも付着したガラス微粒子が良好に透明化するようなパワーに調整した。合成したガラス微粒子の堆積中、ターゲット棒10の回転数は60 rpmとし、往復移動範囲は500 mmで、その速度は75 mm/minとした。堆積は、外径が元のターゲット径の1.1倍になるまで行った。堆積の結果を表２に示す。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
装置運転後のプラズマトーチ内には、原料供給管２の表面５にガラス微粒子が堆積し、さらにその上に透明なガラスが堆積して垂れ下がってきていた。内側管３のプラズマ出口付近の内面にもガラス微粒子が堆積して層をなし、ひび割れが生じてその一部が飛散し、透明ガラス化工程で発生する気泡の一原因となっていた。このため、堆積終了ごとにプラズマトーチを分解しメンテナンスする必要があった。生成したガラス微粒子の付着効率は10〜38 %と低く、満足できる結果ではなかった。
【００２６】
図５に実施例１と比較例１の付着効率とターゲット径との関係を示した。このように、本発明のプラズマトーチを用いることで、従来よりも凡そ２〜５倍の付着効率でガラスを堆積することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
光ファイバ用ガラス母材の生産性向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来のプラズマトーチの構造の概略を示す縦断面図である。
【図２】図１に示したプラズマトーチ内部のガス流の状態を示す概略断面図である。
【図３】本発明のプラズマトーチの構造の概略を示す縦断面図である。
【図４】図３に示したプラズマトーチ内部のガス流の状態を示す概略断面図である。
【図５】ガラス微粒子の付着効率とターゲット径との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１，１７…原料ガス流路、
２…原料供給管、
３…内側管、
４…プラズマガス流路、
５…面、
６…外側管、
７，２０…冷却水流路、
８，２１…高周波コイル、
９，２３…プラズマ、
１０，２４…ターゲット棒、
１１…渦流、
１２，２２…ガス流、
１３…第１管、
１４…第２管、
１５…第3管、
１６…第4管、
１８…不活性ガス流路、
１９…副原料ガス流路。
【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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