(57)【要約】【課題】プラズマ発生用電力の供給部やガスの供給部からの供給線路部を改良し、作業性を改善すること。【解決手段】携帯型大気圧プラズマ発生装置と、ガス供給部、プログラマブル高周波電源部、パルスバイアス電源部及び分光分析部からなるプラズマ発生用機器・分光分析系と、これと携帯型大気圧プラズマ発生装置とを結ぶマルチフレキシブルフィーダ系Bとからなり、フィーダ系Bを、ＰＴＦＥ製ガス導入管B-2aからなるガス供給線路部B-2と、ガス導入管B-2aの外面の溝に埋め込んだ光ファイバーコンジットB-3aからなるファイバー光伝送線路部B-3と、ガス導入管B-2aに外装する電力スリーブB-1bと電力スリーブB-1bに絶縁スリーブB-1cを介して外装する接地スリーブB-1aとからなる電力供給線路部B-1と、ガス導入管B-2aの周側外面の溝に埋め込んだ単線導体からなるパルスバイアス電圧印加線路部B-4とで構成した。【選択図】図２
2007207477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量結合型の携帯型大気圧プラズマ発生装置と、該装置外のプラズマ発生用ガス類の供給部及びプラズマ発生用電力の供給部と、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置と該装置外の各供給部とを接続するガス供給線路部及び電力供給線路部とで構成した携帯型プラズマ発生システムに於いて、
前記ガス供給線路部及び前記電力供給線路部を一体化して一本のフレキシブルなフィーダに構成した携帯型プラズマ発生システム。
【請求項２】
前記携帯型大気圧プラズマ発生装置に受光手段を配し、かつ該装置外に分光分析装置を配し、前記フィーダに前記受光手段と前記分光分析装置を接続する光伝送線路部を一体化して付設構成した請求項１の携帯型プラズマ発生システム。
【請求項３】
前記ガス供給線路部をフレキシブルな管材で構成し、前記電力供給線路部を、高周波電力を供給するための、該管材に外装するメッシュ状導体の電力スリーブと該電力スリーブに絶縁材を介して外装するメッシュ状導体の接地スリーブとで構成し、更に該接地スリーブの外周に絶縁材を被覆して一体化した一本のフレキシブルなフィーダに構成した請求項１の携帯型プラズマ発生システム。
【請求項４】
前記ガス供給線路部をフレキシブルな管材で構成し、前記光伝送線路部を該管材の周側外周に軸方向に沿って形成した溝に埋め込んだ複数の光ファイバーコンジットで構成し、更に前記電力供給線路部を、高周波電力を供給するための、該管材に外装するメッシュ状導体の電力スリーブと該電力スリーブに絶縁材を介して外装するメッシュ状導体の接地スリーブとで構成し、加えて該接地スリーブの外周に絶縁材を被覆して一体化した一本のフレキシブルなフィーダに構成した請求項２の携帯型プラズマ発生システム。
【請求項５】
前記電力供給線路部に、その電力スリーブと接地スリーブの間及び外側に配した絶縁材の中又は前記ガス供給線路部中のいずれかの部位に埋め込んだ、パルスバイアス電圧を印加するための単線の導体を加えた請求項３又は４の携帯型プラズマ発生システム。
【請求項６】
前記電力供給線路部に、前記管材の周側外周に軸方向に沿って形成した溝内に埋め込んだ、パルスバイアス電圧を印加するための単線の導体を加えた請求項３又は４の携帯型プラズマ発生システム。
【請求項７】
前記電力供給線路部の電力スリーブを、プラズマ発生用の高周波電力の供給とパルスバイアス電圧の印加とを切り換える連動リレーの挿入位置をプラズマ発生用電力の供給部の高周波電力供給部側に寄せた位置とすることを前提として、パルスバイアス電圧を印加するための導体と兼用することにした請求項３又は４の携帯型プラズマ発生システム。
【請求項８】
前記管材をＰＴＦＥ管で構成した請求項３、４、５、６又は７の携帯型プラズマ発生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容量結合型の携帯型大気圧プラズマ発生装置を主要構成要素とする携帯型プラズマ発生システムに関し、特に作業性を上げるために、プラズマ発生用電力の供給部やガスの供給部からの供給線路部の改良を行った携帯型プラズマ発生システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、携帯型プラズマ発生システムに於いて、プラズマ発生装置とプラズマ発生用電力の供給部及びガスの供給部との間の供給線路部は、それぞれケーブル等による電力供給線路部及びホース等によるガス供給線路部が別系統に構成されており、プラズマ発生装置の操作性が悪くなっている。プラズマ発生装置にプラズマ観測用の受光手段が配されている場合は、これと分光分析装置を接続する光伝送線路がまた別に構成されているため、一層取り扱いに厄介な状態となっている。
【０００３】
これに関しては、現時点で、特別の改良を提案するような文献は見あたらない。
例えば、後記特許文献１〜３のいずれの部分にもプラズマ発生用の電力とガスの供給ラインに作業性を高めるために何らかの改良を加えるとするような記述、或いはその必要性について述べた記述は見あたらない。
【０００４】
【特許文献１】特許第２５８９５９９号公報
【特許文献２】特許第３２０７４６９号公報
【特許文献３】特開２００２−００８８９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、容量結合型の携帯型大気圧プラズマ発生装置を主要構成要素とする携帯型プラズマ発生システムに於いて、プラズマ発生用電力の供給部やガスの供給部からの供給線路部の改良を行い、作業性を改善することを解決の課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１は、容量結合型の携帯型大気圧プラズマ発生装置と、該装置外のプラズマ発生用ガス類の供給部及びプラズマ発生用電力の供給部と、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置と該装置外の各供給部とを接続するガス供給線路部及び電力供給線路部とで構成した携帯型プラズマ発生システムに於いて、
前記ガス供給線路部及び前記電力供給線路部を一体化して一本のフレキシブルなフィーダに構成した携帯型プラズマ発生システムである。
【０００７】
本発明の２は、本発明の１の携帯型プラズマ発生システムに於いて、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置に受光手段を設け、かつ該装置外に分光分析装置を配備し、前記フィーダに前記受光手段と前記分光分析装置を接続する光伝送線路部を一体化して付設構成したものである。
【０００８】
本発明の３は、本発明の１の携帯型プラズマ発生システムに於いて、前記ガス供給線路部をフレキシブルな管材で構成し、前記電力供給線路部を、高周波電力を供給するための、該管材に外装するメッシュ状導体の電力スリーブと該電力スリーブに絶縁材を介して外装するメッシュ状導体の接地スリーブとで構成し、更に該接地スリーブの外周に絶縁材を被覆して一体化した一本のフレキシブルなフィーダに構成したものである。
【０００９】
本発明の４は、本発明の２の携帯型プラズマ発生システムに於いて、前記ガス供給線路部をフレキシブルな管材で構成し、前記光伝送線路部を該管材の周側外周に軸方向に沿って形成した溝に埋め込んだ複数の光ファイバーコンジットで構成し、更に前記電力供給線路部を、高周波電力を供給するための、該管材に外装するメッシュ状導体の電力スリーブと該電力スリーブに絶縁材を介して外装するメッシュ状導体の接地スリーブとで構成し、加えて該接地スリーブの外周に絶縁材を被覆して一体化した一本のフレキシブルなフィーダに構成したものである。
【００１０】
本発明の５は、本発明の３又は４の携帯型プラズマ発生システムに於いて、前記電力供給線路部に、その電力スリーブと接地スリーブの間及び外側に配した絶縁材の中又は前記ガス供給線路部中のいずれかの部位に埋め込んだ、パルスバイアス電圧を印加するための単線の導体を加えたものである。
【００１１】
本発明の６は、本発明の３又は４の携帯型プラズマ発生システムに於いて、前記電力供給線路部に、前記管材の周側外周に軸方向に沿って形成した溝内に埋め込んだ、パルスバイアス電圧を印加するための単線の導体を加えたものである。
【００１２】
本発明の７は、本発明の３又は４の携帯型プラズマ発生システムに於いて、前記電力供給線路部の電力スリーブを、プラズマ発生用の高周波電力の供給とパルスバイアス電圧の印加とを切り換える連動リレーの挿入位置をプラズマ発生用電力の供給部の高周波電力供給部側に寄せた位置とすることを前提として、パルスバイアス電圧を印加するための導体と兼用することにしたものである。
【００１３】
本発明の７は、本発明の３、４、５、６又は７の携帯型プラズマ発生システムに於いて、前記管材をＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)管で構成したものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の１の携帯型プラズマ発生システムによれば、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置と該装置外の各供給部とを接続するガス供給線路部及び電力供給線路部を一体化して一本のフレキシブルなフィーダに構成したため、それらが別系統になっている場合と比較して、邪魔にならないように整理しやすく、該携帯型大気圧プラズマ発生装置を操作する際に作業性が良好になる。
【００１５】
本発明の２の携帯型プラズマ発生システムによれば、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置に配した受光手段と該装置外の分光分析装置とを接続する光伝送線路部も前記フィーダに一体化されているため、それらが別系統になっている場合と比較して、整理しやすく、該携帯型大気圧プラズマ発生装置を操作する際に作業性が良好になる。
【００１６】
本発明の３の携帯型プラズマ発生システムによれば、前記ガス供給線路部と前記電力供給線路部とを合理的に一体化することができ、扱い易いフレキシブルなフィーダとすることができる。
【００１７】
本発明の４の携帯型プラズマ発生システムによれば、前記ガス供給線路部と前記電力供給線路部と前記光伝送線路部とを合理的に一体化することができ、扱い易いフレキシブルなフィーダとすることができる。
【００１８】
本発明の５の携帯型プラズマ発生システムによれば、前記ガス供給線路部と前記電力供給線路部等を一体化したフィーダのいずれかの部位に、更にパルスバイアス電圧を印加するための単線の導体を一体化することにより、携帯型大気圧プラズマ発生装置を操作する際に作業性を良好にすることができる。
【００１９】
本発明の６の携帯型プラズマ発生システムによれば、前記ガス供給線路部と前記電力供給線路部等を一体化したフィーダに、更にパルスバイアス電圧を印加するための単線の導体をやはり合理的に一体化し、取り扱いし易いフレキシブルなフィーダとすることができる。
【００２０】
本発明の７の携帯型プラズマ発生システムによれば、高周波電力供給用の電力スリーブをパルスバイアス電圧を印加するための導体と兼用することができるようにしたため、フィーダへの単線の導体の組み込みが不要となり、製造工程が簡略化し、低コスト化が実現できる利点が得られる。これは、高周波電力供給用の電力供給線路部の線間容量が小さい場合、或いはフィーダの長さが数メートルを越えない場合等に有効であり、これらの条件を満たさない場合は、パルス波形がなまってしまう可能性があるので、前記管材の周側外周に軸方向に沿って形成した溝にパルスバイアス電圧の印加用の単線の導体を埋め込んだ本発明の５を採用するのが適当である。
【００２１】
本発明の８の携帯型プラズマ発生システムによれば、前記管材をＰＴＦＥ管で構成することにより目的とするフィーダを容易に構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の携帯型プラズマ発生システムを示す説明図である。このシステムは、ガス流の上流方向からみて、プラズマ発生用機器・分光分析系A、マルチフレキシブルフィーダ系B、プラズマ発生−光検出系（携帯型大気圧プラズマ発生装置）Cに大別することができる。
【００２３】
前記プラズマ発生用機器・分光分析系Aは、図１に示すように、プラズマ発生用電力の供給部であるプログラマブル高周波電源部A-1と、パルスバイアス電源部A-2と、分光分析部A-3と、プラズマ発生用ガス類の供給部であるガス供給部A-4と、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと略称する）部A-5とにより構成される。
【００２４】
前記プログラマブル高周波電源部A-1は、図４(a)に示すような、搬送波が断続するバースト状の電圧波形を発生することができるものを採用する。これは、放電用の電源であり、プラズマ密度、空間電位及び電子温度を制御する。該波形は、以上のように、搬送波が断続するバースト状であるが、以上のような観点から、その振幅、搬送周波数、繰返し周波数及びデューティ比を適切に制御可能なものとする。例えば、これらを、各々０〜２kV、１〜２０MHz、１kHz〜１００kHz、５〜９５%の範囲で制御可能なものが適当である。なお上記繰返し周波数は、搬送波のオンの時間とオフの時間の合計時間の逆数であり、上記デューティ比は、上記合計時間に対するオンの時間の百分率である。
【００２５】
前記パルスバイアス電源部A-2は、バイアス電圧を制御し、これによってイオン衝撃エネルギーを制御するものであり、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cの後記放電部C-1の電力電極３と導体である被処理物との間に、前者が高電圧となり、後者が低電圧となるパルス電圧を印加するようにするものである。その出力波形は、以上の趣旨から、振幅０〜６kV、パルス幅０〜１００μs、繰返し周波数１kHz〜１００kHzの範囲で、それぞれ制御できるように構成するのが適当である。
【００２６】
前記分光分析部A-3は、例えば、回折格子の格子数１０２４個、ＣＣＤアレー１０２４chを有し、露出時間４０ms〜２０sの範囲に及ぶものを採用することができる。
【００２７】
前記ガス供給部A-4は、例えば、ガスボンベとその開口部に配したバルブと、該バルブを制御するコントローラとで構成することができる。該ガスボンベとしては、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cとの関係で決定すべきものであるが、予定されるそれとの関係で、例えば、外形３５０・８０・８０mm以内のサイズで、ガス耐圧２０MPaの仕様で用いられる物を採用することができる。該ガスボンベに付属する減圧弁には、一次側と二次側に圧力センサーが付設してあり、各々の圧力値を逐次前記ＰＣ部A-5でモニターできるようにするのが適当である。また前記バルブとしては、例えば、ピエゾ型バルブを採用し、コントローラとしてマスフローコントローラを組込み、弁開閉と０．０５〜５l/min(１atm、０℃)のガス流量範囲をＰＣ部A-5で制御できるようにする。これらも、当然、予定される携帯型大気圧プラズマ発生装置Cとの関係で決定されるものである。
【００２８】
なお前記ガスボンベに充填されるガスは、不活性ガスとしてはヘリウム等であり、反応性のガスとしては酸素やメタン等である。
【００２９】
前記ＰＣ部A-5は、例えば、ＣＰＵ：ＰＥＮＴＩＵＭ（登録商標）４−３GHz、メモリ：５１２MB以上の性能を有する一般的なそれを採用することができる。前記プラズマ発生用機器・分光分析系A内の各部は一つのボックス内に組込むシステムとするのが適当であるが、例えば、図１に示すように、該プラズマ発生用機器・分光分析系Aの各構成要素の内、ＰＣ部A-5のみを該ボックス外に出して、内部の構成要素とは相互にＵＳＢ、ＲＳ−２３２Ｃ、ＧＰ−ＩＢ等の通信規格で接続して後記連動リレー１０ａ、１０ｂを含む内部の各構成要素を制御することにすることもできる。
【００３０】
前記マルチフレキシブルフィーダ系Bは、通常プラズマ発生用の電力供給線路部B-1と、ガス供給線路部B-2と、ファイバー光伝送線路部B-3と、パルスバイアス電圧印加線路部B-4とにより構成される。図２に示すように、例えば、それらを同心状に配置して一本のフレキシブルなラインに構成し、使用上の便宜を考慮すると、通常、全長は３m以内、許容曲率１０cm程度に構成するのが適当である。
【００３１】
前記電力供給線路部B-1は、メッシュ状導体の接地スリーブB-1aと同様にメッシュ状導体の電力スリーブB-1bとを、前者を外側に後者を内側にして同心状に配置し、その間及びその外周をそれぞれフレキシブルな絶縁材、例えば、ＰＴＦＥ管（絶縁スリーブ）で保持して構成する。各々の寸法は特定のものに限定されないが、上記絶縁材の厚みを０．５mm程度に想定し、供給予定の電力及び後述するガス供給線路部B-2を構成するガス導入管B-2aとの関係を考慮すると、前記接地スリーブB-1aの内径は６mm、その厚さは０．２mm、前記電力スリーブB-1bの内径は３．８mm、その厚さは０．２mmとするのが適当である。
【００３２】
なお、前記電力供給線路部B-1の電力スリーブB-1bと接地スリーブB-1aとは、云うまでもなく、それぞれプラズマ発生用放電部C-1の後記電力電極３と後記接地電極４とを前記プラズマ発生用のプログラマブル高周波電源部A-1に電気的に接続するものである。後記補助電極4aは接地電極４と並列に接続する。なおまた電力電極３とプログラマブル高周波電源部A-1とは、図３(b)に示すように、一方の連動リレー１０ａを介して接続するものである。
【００３３】
前記ガス供給線路部B-2を構成するガス導入管B-2aとしては、種々の管材が使用可能であるが、例えば、ＰＴＦＥ管を採用し、前記電力供給線路部B-1の内側にそれらと同心状に密着配置することができる。該電力供給線路部B-1を、前記のように、接地スリーブB-1aと電力スリーブB-1bとその間及びその外周部の絶縁材とで構成した場合は、該ガス導入管B-2aは、最内部の電力スリーブB-1bの内側に密着する態様で配置するのが適当である。
【００３４】
前記ファイバー光伝送線路部B-3は、マルチフレキシブルフィーダ系Bに於いて、前記電力供給線路部B-1と前記ガス供給線路部B-2を構成するガス導入管B-2aとの間又はそれらの最外周部のいずれかの部位に配することができる。もっとも以上の内で、上記両者の間に配することとするのが、前記ガス導入管B-2aを構成するＰＴＦＥ管等の管材の周側面に長さ方向に沿って構成した溝を利用し、この中に光ファイバーコンジットを配列保持させることができるので好都合である。
【００３５】
この場合は、前記ガス供給線路部B-2を構成するガス導入管B-2aの周側面に、周方向に定角度間隔でかつ長さ方向に沿った向きで溝を配列形成し、これらに光ファイバーコンジットを埋め込むこととし、これによってファイバー光伝送線路部B-3を構成する。該ガス導入管B-2aとして、前記のように、ＰＴＦＥ管を採用した場合は、該光ファイバーコンジットを上記のように配列する余地を持った物にするため、相応する周側肉厚寸法を持ったものとすべきであるのは云うまでもない。なお以上の光ファイバーコンジットは、ＰＴＦＥ管等の管材を成形した後に、それらの溝に前記のように埋め込むこととする。
【００３６】
前記パルスバイアス電圧印加線路部B-4は、電力供給線路部B-1の電力スリーブB-1bと兼用することができる。これによって製造工程の簡略化や低コスト化が可能となる。もっともマルチフレキシブルフィーダ系Bの長さが数メートルになると、電力供給線路部B-1の線間容量が大きくなり、これと兼用した場合は、パルス波形がなまってしまうので、専用の導線を用意すべきことになる。この場合は、単線の導体を絶縁被覆して前記マルチフレキシブルフィーダ系Bの電力供給線路部B-1とガス供給線路部B-2を構成したガス導入管B-2aとの間又はそれらの最外周部のいずれかの部位に引き回すことができる。
【００３７】
該単線の導体は、或いは、該ガス導入管B-2aの周側面に長さ方向に沿って別に形成した溝内に、前記ファイバー光伝送線路部B-3と同様に、前記光ファイバーコンジットと共に配することも可能である。この場合は、該導体は、周方向に隣接する適宜二本の光ファイバーコンジットの間に、これらと平行に配することにする。当然、この導体も該ガス導入管B-2aを構成する管材を成形した後にその周側に形成した溝内に埋め込むものである。
【００３８】
なお、前記パルスバイアス電圧印加線路部B-4は、云うまでもなく、プラズマ発生用放電部C-1の後記電力電極３と前記パルスバイアス電源部A-2の高電圧側を他方の連動リレー１０ｂを介して接続するものである。被処理物側には、前記パルスバイアス電源部A-2の低電圧側を、ここから別に延長した導線で接続する。パルスバイアスを併用する場合は、前記連動リレー１０aと上記連動リレー１０bとは、前記プログラマブル高周波電源A-1と前記パルスバイアス電源部A-2の各々の電圧波形が示す電圧ゼロの区間に、相補的に給電されるようにリレー駆動を適切に設定しておくべきものである。この場合、プラズマ発生用の搬送波が休止した直後数μsは、プラズマ状態が維持されている。なお、これらの連動リレー１０ａ、１０ｂは、半導体素子によって構成し得る。また該連動リレー１０ａ、１０ｂの動作は、前記のように、前記ＰＣ部A-5によって制御することができる。
【００３９】
更にまた前記ファイバー光伝送線路部B-3は、前記分光分析部A-3にプラズマ発光を検出する後記光検出部C-2で検出した光を伝送すべく相互を接続するものである。
【００４０】
前記プラズマ発生-光検出系である携帯型大気圧プラズマ発生装置Cは、プラズマ発生用の放電部C-1とプラズマ発光を検出する光検出部C-2とにより構成される。これらは、図３(b)に示すように、円筒状の外部絶縁管８及びその軸心に沿って配する小径の内部絶縁管９に配して構成する。
【００４１】
前記プラズマ発生用の放電部C-1は、電力電極３と、可動式の接地電極４と、補助電極４ａと、ガス導入用の高速ノズルとで構成し、前記のように、これらを前記外部絶縁管８及び前記内部絶縁管９に取り付ける。
【００４２】
前記電力電極３は、例えば、Ｌ型の中心導体に構成し、図３(b)に示すように、その軸方向部３ａを、前記内部絶縁管９に挿入し、該中心導体の後端から直角方向に延びる縦方向部３ｂの外端付近を前記外部絶縁管８にセットする。該外部絶縁管８に後端から軸方向に向けて係止溝を形成しておき、この係止溝に該縦方向部３ｂの外端付近を挿入すると共に、その下流側端に接するように配置するのが適当である。なお前記内部絶縁管９は、この場合は、以上のように、これに配された電力電極３を構成する中心導体の縦方向部３ｂを介して外部絶縁管８に同軸状に固定保持されることになる。
【００４３】
前記外部絶縁管８及び前記内部絶縁管９は、例えば、石英ガラスによって構成することができる。
【００４４】
前記可動式の接地電極４は、環状の導体に構成し、図３(a)、(b)に示すように、前記外部絶縁管８の外周にその軸方向に沿って摺動自在に外装する。該接地電極４の摺動範囲は、前記電力電極３が高温になるのを回避するために必要なだけ前記外部絶縁管８の先端側に移動できるように設定する。例えば、該電力電極３に内外ほぼ対応する部位付近から該外部絶縁管８の先端側に概ね１０mm程往復移動可能に構成する。往復移動をさせるための構成は自由である。
【００４５】
前記補助電極４ａは、前記したように、前記接地電極４に並列に配する。この補助電極４ａは、該接地電極４と同様に、環状の導体に構成し、図３(b)に示すように、外部絶縁管８の先端外周部に外装固定する。該補助電極４ａは、先端側で前記外部絶縁管８に固設した絶縁ジャケット１４で被覆する。この絶縁ジャケット１４も石英ガラスで構成するのが適当である。プラズマ吹き出し口の先端で前記外部絶縁管８の先端を細くし、それに伴い、前記補助電極４ａのリング外径を該接地電極４のそれに対して小さくして構成することも可能である。
【００４６】
前記プラズマ発光を検出する光検出部C-2は、前記外部絶縁管８の後端から先端まで延長する複数本の光ファイバーコンジット５、５…で構成することができる。該外部絶縁管８の外周部に這わせて配置することもできるが、図３(a)、(b)に示すように、その周側肉厚部内に定角度間隔で配する構成とするのがより好ましい。このとき、各光ファイバーコンジット５、５…の先端部は該外部絶縁管８の先端にできるだけ近接させる。なお、このような外部絶縁管８の周側肉厚部内への光ファイバーコンジット５、５…の配置は、該外部絶縁管８を成形した後に該光ファイバーコンジット５、５…をその中に埋め込むことによって行うことができる。
【００４７】
前記高速ノズルは、前記外部絶縁管８の後端、即ち、上流側端部中心に構成する。この高速ノズルとしては、種々の超音速ノズルを採用可能である。例えば、図３(b)に示すように、該外部絶縁管８の後端に円柱形のラバルノズル１を填め込むことによって構成することができる。
【００４８】
前記外部絶縁管８の先端は、図３(b)に示すように、そのまま開口状態となり、プラズマガスの吹出口となっている。
【００４９】
従って本発明の携帯型プラズマ発生システムによれば、前記したように、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cと、前記プラズマ発生用機器・分光分析系Aのプログラマブル高周波電源部A-1、パルスバイアス電源部A-2、分光分析部A-3及びプラズマ発生用ガス類の供給部であるガス供給部A-4とが、電力供給線路部B-1、ガス供給線路部B-2のガス導入管B-2a、ファイバー光伝送線路部B-3及びパルスバイアス電圧印加線路部B-4を一体化した一本のマルチフレキシブルフィーダ系Bにより相互に接続されているため、それらが別系統になっている場合と比較して、邪魔にならないように整理しやすく、該携帯型大気圧プラズマ発生装置を操作する際に作業性が極めて良好になるものである。
【００５０】
またこのシステム中の携帯型大気圧プラズマ発生装置は、従来の大気圧プラズマ励起電源と同様の仕様であるプログラマブル高周波電源部A-1を用いて、より高エネルギーの正イオンを被処理物の表面に照射することができるものでもある。
【００５１】
ところでプラズマ発生用機器・分光分析系Aのガス供給部A-4から該マルチフレキシブルフィーダ系Bを通じて携帯型大気圧プラズマ発生装置Cまで供給されたガスは、その高速ノズルを通じて放電部C-1を構成する外部絶縁管８内に高速で導入される。このようにして外部絶縁管８内に導入されるガスが低流量であっても、その誘電体バリヤ放電部で良好にプラズマ化することができ、生じたプラズマは、該外部絶縁管８先端の吹出口からより長く引出すことができる。即ち、外部絶縁管８の外周途中に移動自在に配した接地電極４に加えてその先端外周に補助電極４ａを配置し、これらと電力電極との間にプログラマブル高周波電源部A-1から出力される高周波電圧を印加することとしたため、該外部絶縁管８の先端付近の電気力線密度が増大することとなり、その上流部に位置する誘電体バリヤ放電部からのシードプラズマを空間的に増大し前記吹出口外へ大気圧プラズマを引出すことができる。
【００５２】
加えて、前記外部絶縁管８の先端まで光ファイバーコンジット５、５…を延長させたため、これによって先端の吹出口近傍のプラズマの発光状態が良好に検出され、これがマルチフレキシブルフィーダ系Bを通じてプラズマ発生用機器・分光分析系Aの分光分析部A-3に伝送され、プラズマ中のガス励起状態及び被処理物表面の励起状態が観測され、この観測結果データがＰＣ部A-5に入力される。ＰＣ部A-5では、この観測結果データと所望のガス励起状態のデータである基準状態のデータとを比較し、その比較結果に基づいて、前記プログラマブル高周波電源部A-1の振幅や周波数等の出力波形、並びにガス供給部A-4から供給されるガス種の混合割合と各ガス種の流量等を適切に制御し、所望のガス励起状態を確保するよう動作する。
【００５３】
また、前記のように、外部絶縁管８の外周に配した接地電極４を該外部絶縁管８の軸方向に移動可能に構成し、プラズマの点火時に該接地電極４を電力電極３に近づけるべく移動させ、これによって比較的低い放電開始電圧を得ると共に、高速ノズルのノズル径を絞ることにより電力電極３を冷却して低いガス流量で安定にプラズマを維持できる。
【００５４】
こうして、この携帯型プラズマ発生システムによれば、前記のように、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cと、前記プラズマ発生用機器・分光分析系Aの各部とを一体化した一本のマルチフレキシブルフィーダ系Bにより相互に接続したため、それらが別系統になっている場合と比較して、携帯型大気圧プラズマ発生装置を操作する際に作業性が極めて良好になり、かつプラズマ発生用のプログラマブル高周波電源A-1とガス供給部A-4のガスボンベとを小型化でき、小型の携帯型大気圧プラズマ発生装置を含む小型のシステムとすることができる。
【実施例】
【００５５】
この実施例は本発明の携帯型プラズマ発生システムに関し、その全体構成の概要は図１に示す通りである。
【００５６】
このシステムは、図１に示すように、ガス流の上流方向から見て、プラズマ発生用機器・分光分析系Aと、マルチフレキシブルフィーダ系Bと、携帯型大気圧プラズマ発生装置Cとで構成したものである。
【００５７】
前記プラズマ発生用機器・分光分析系Aは、図１に示すように、プラズマ発生用のプログラマブル高周波電源部A-1と、パルスバイアス電源部A-2と、分光分析部A-3と、ガス供給部A-4と、ＰＣ部（パーソナルコンピュータ部）A-5とにより構成される。
【００５８】
前記プログラマブル高周波電源部A-1は、図４(a)に示すようなバースト状の電圧・電流波形を発生し、その振幅、搬送周波数、繰返し周波数及びデューティ比を、各々０〜２kV、１〜２０MHz、１kHz〜１００kHz、５〜９５%の範囲で制御可能に構成したものである。
【００５９】
これを詳しく説明すると、該プログラマブル高周波電源部A-1は、実効値出力を振幅と称し、これが、前記のように、０〜２kVの範囲で制御可能である。搬送周波数は、図４(a)の(1)に示す周期ｔの逆数であり、これが、前記のように、１〜２０MHzの範囲で制御可能である。繰返し周波数は、図４(a)の(1)に示す搬送波のオンの時間とオフの時間の合計時間（ton+toff）の逆数であり、これが、前記のように、１kHz〜１００kHzの範囲で制御可能である。またデューティ比は、前記合計時間（ton+toff）に対するオンの時間（ton）の１００分率[100ton/(ton+toff)]であり、これが、前記のように、５〜９５% の範囲で制御可能になっている。
【００６０】
前記パルスバイアス電源部A-2は、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cの放電部C-1の電力電極３と導体である被処理物７との間に、前者が高電圧となり、後者が低電圧となるパルス電圧を印加するように接続する。その出力波形は、振幅０〜６kV、パルス幅０〜１００μs、繰返し周波数１kHz〜１００kHzの範囲で、それぞれ制御できるように構成した矩形波である。
【００６１】
前記分光分析部A-3は、回折格子の格子数１０２４個、ＣＣＤアレー１０２４chを有し、露出時間４０ms〜２０sの範囲に及ぶものを採用した。
【００６２】
前記ガス供給部A-4は、ガスボンベとその開口部に配したバルブと、該バルブを制御するコントローラとで構成したものである。該ガスボンベは、外形３５０・８０・８０mmで、ガス耐圧２０MPaのそれを採用した。該ガスボンベに付属する減圧弁には、一次側と二次側に圧力センサーが付設してあり、各々の圧力値を逐次前記ＰＣ部A-5でモニターできるようにした。また前記バルブとしては、ピエゾ型バルブを採用し、コントローラとしてマスフローコントローラを組込み、弁開閉と０．０５〜５l/min（１atm、０℃）のガス流量範囲をＰＣ部A-5で制御できるようにしたものである。
【００６３】
前記ＰＣ部A-5は、ＣＰＵ：ＰＥＮＴＩＵＭ（登録商標）４−３GHz、メモリ：５１２MB以上の性能を有する一般的なノート型のそれを採用し、前記プラズマ発生用機器・分光分析系Aの各部とは分離してボックス外に出して置き、ＵＳＢの通信規格で接続して連動リレー１０ａ、１０ｂを含む該プラズマ発生用機器・分光分析系A内の他の各構成要素を制御することにした。
【００６４】
前記マルチフレキシブルフィーダ系Bは、プラズマ発生用の電力供給線路部B-1と、ガス供給線路部B-2と、ファイバー光伝送線路部B-3と、パルスバイアス電圧印加線路部B-4とにより構成される。図２に示すように、それらを同心状に配置して一本のフレキシブルなラインに構成し、全長は３m、許容曲率１０cmに構成した。
【００６５】
前記電力供給線路部B-1は、メッシュ状の接地スリーブB-1aと同様にメッシュ状の電力スリーブB-1bとを、図２に示すように、前者を外側に後者を内側にして同心状に配置し、その間及びその外周をそれぞれＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)による絶縁スリーブB-1c、B-1cで保持して構成した。該絶縁スリーブB-1cの厚みは０．５mm、前記接地スリーブB-1aの内径は６mm、その厚みは０．２mm、前記電力スリーブB-1bの内径は３．８mm、その厚さは０．２mmとした。いずれも長さは、前記のように、３mである。
【００６６】
前記ガス供給線路部B-2としては、ＰＴＦＥによるガス導入管B-2aを採用し、図２に示すように、前記電力供給線路部B-1の内側、即ち、内径３．８mmの電力スリーブB-1bの内側に装入する態様で、それらと同心状に配置した。このＰＴＦＥによるガス導入管B-2aは、内径を２mmに、その周側部の厚みを０．７mmに構成したものである。
【００６７】
前記ファイバー光伝送線路部B-3は、前記ガス供給線路部B-2を構成するガス導入管B-2aの周側面に長さ方向に沿って複数の溝を構成し、それらの溝の中に各々光ファイバーコンジットB-3a、B-3a…を装入保持させて構成した。これらの光ファイバーコンジットB-3a、B-3a…は、図２に示すように、８本のそれを該ＰＴＦＥによるガス導入管B-2aの周側面に周方向に４５度の定角度間隔でかつ長さ方向に沿った向きに配列形成した溝の中に埋め込んだ。これらの光ファイバーコンジットB-3a、B-3a…は、該ＰＴＦＥによるガス導入管B-2aを成形した後に、前記配列の溝に前記のように埋め込む。
【００６８】
なお、以上の光ファイバーコンジットB-3aは、直径が２００μmで、透過波長が２００−９５０nmのそれを採用した。
【００６９】
前記パルスバイアス電圧印加線路部B-4は、単線の導体を、前記ファイバー光伝送線路部B-3と同様に、前記ガス供給線路部B-2を構成するガス導入管B-2aの周側外面の溝内に埋め込むことにより、パルスバイアス電圧印加線B-4aとして構成した。該パルスバイアス電圧印加線B-4aを構成する単線の導体は、この場合は、周方向に隣接する二本の光ファイバーコンジットB-3a、B-3aの間に、これらと平行状態に配することとし、ガス導入管B-2aを成形した後にその周側外面の溝内に埋め込んだものである。
【００７０】
前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cは、プラズマ発生用の放電部C-1とプラズマ発光を検出する光検出部C-2とにより構成したものである。これらは、図３(b)に示すように、円筒状の外部絶縁管８及びその軸心に沿って位置する小径の内部絶縁管９に配して構成したものである。
【００７１】
前記放電部C-1は、電力電極３と、可動式の接地電極４と、固定式の補助電極４ａと、ガス導入用のラバルノズル１とで構成し、前記のように、これらを外部絶縁管８及び内部絶縁管９に取り付けたものである。
【００７２】
前記電力電極３は、この実施例では、Ｌ型の中心導体に構成し、図３(b)に示すように、その軸方向部３ａを、前記内部絶縁管９に後端から挿入し、該中心導体の後端から直角方向に延びる縦方向部３ｂの外端付近を前記外部絶縁管８にセットしたものである。該外部絶縁管８にはその後端から軸方向に向けて係止溝を形成しておき、この係止溝に該縦方向部３ｂの外端付近を挿入すると共に、その下流側端に接するように配置したものである。なお前記内部絶縁管９は、この実施例では、以上のように、これに配された電力電極３を構成する中心導体の縦方向部３ｂを介して前記外部絶縁管８に同軸状に固定保持されることとなっている。
【００７３】
また前記外部絶縁管８及び前記内部絶縁管９は、いずれも石英ガラスによって成形したものであり、該外部絶縁管８は、図３(b)に示すように、ストレートな円筒状で前後端（上流側端及び下流側端）のいずれもが開口しており、該内部絶縁管９は、同図に示すように、先端（下流側端）が閉じ、後端（上流側端）が開口した試験管状の構成となっている。この実施例では、該外部絶縁管８の外径は５．３mmに、その周側部の厚みは０．６５mmに構成し、該内部絶縁管９の外径は２mmに、その厚みは０．５mmに構成したものである。
【００７４】
前記電力電極３を構成するＬ型の中心導体の直径は０．５mm、その軸方向部３ａの長さは１０mm、縦方向部３ｂの長さは３mmである。
【００７５】
前記可動式の接地電極４は、図３(a)、(b)に示すように、環状の導体に構成し、前記外部絶縁管８の外周にその軸方向に沿って摺動自在に外装する。該接地電極４の摺動範囲は、前記電力電極３の先端側に内外ほぼ一致する部位付近と、該部位から１０mm程該外部絶縁管８の先端（下流端）側の部位との間とし、この範囲を自由に移動可能にしたものである。なお該接地電極４は、その幅を５mmとし、肉厚を０．２mmに構成した。
【００７６】
また前記補助電極４ａは、前記接地電極４と同様に、環状の導体に構成し、図３(b)に示すように、前記外部絶縁管８の先端外周部に外装固定し、該外部絶縁管８の先端側に固設した石英ガラス製の絶縁ジャケット１４で被覆したものである。この補助電極４ａは、その下流側端が該外部絶縁管８の下流側端から１mmだけ上流側に後退した位置となるようにする。またこの補助電極４ａは、電気的には前記接地電極４と並列に接続される。なお該補助電極４ａは、前記接地電極４と同様に、その幅を５mmとし、肉厚を０．２mmに構成した。
【００７７】
前記プラズマ発光を検出する光検出部C-2は、前記外部絶縁管８の後端から先端まで延長する８本の光ファイバーコンジット５、５…を、図３(a)、(b)に示すように、該外部絶縁管８の周側肉厚部内に周方向４５度の定角度間隔で配する構成としたものである。このとき、各光ファイバーコンジット５、５…の先端部は該外部絶縁管８の先端（下流端）に０．３mmまで近接させたものである。なお、このような外部絶縁管８の周側肉厚部内への光ファイバーコンジット５、５…の配置は、該外部絶縁管８を成形した後に該光ファイバーコンジット５、５…をその中に埋め込むことによって行ったものである。
【００７８】
該光ファイバーコンジット５、５…は、前記ファイバー光伝送線路部B-3を構成する光ファイバーコンジットB-3aをそのまま延長して使用したので、当然、直径が２００μmで、透過波長が２００−９５０nmのそれである。
【００７９】
前記ラバルノズル１は、図３(b)に示すように、円柱状の外形を持ち、縦断面凹レンズ状であり、その端面方向から見た中央部に直径が０．２mmφで、深さ（長さ）が０．５mmのノズル孔を開口した物である。そして、前記のように、前記外部絶縁管８の後端、即ち、上流側端部に同心状に填め込んで固定してあるものである。
【００８０】
前記外部絶縁管８の後端（上流側端）には、図１に示すように、これより大径のアウターシェルC-3を結合し、該アウターシェルC-3には、ガス流スイッチC-3a及びガス励起スイッチC-3bを配置する。前記ガス流スイッチC-3aは、前記ラバルノズル１の直前に配した図示しない開閉弁を開閉操作するスイッチであり、前記ガス励起スイッチC-3bは、前記プログラマブル高周波電源部A-1及び前記パルスバイアス電源部A-2をオンオフ操作するスイッチである。
【００８１】
この携帯型プラズマ発生システムの各部の構成は以上の通りであるが、そのフレキシブルフィーダ系Bを、以下に示すように、上流のプラズマ発生用機器・分光分析系Aと下流の携帯型大気圧プラズマ発生装置Cとに接続してシステムは完成する。
【００８２】
こうして電力供給線路部B-1の電力スリーブB-1bと接地スリーブB-1aとは、それぞれプラズマ発生用放電部C-1の電力電極３と接地電極４及び補助電極４ａとをプログラマブル高周波電源部A-1に電気的に接続する。なお電力電極３とプログラマブル高周波電源部A-1とは、図３(b)に示すように、連動リレー１０ａを介して接続する。この連動リレー１０ａは後記連動リレー１０ｂも含めて半導体素子によって構成したものである。
【００８３】
パルスバイアス電圧印加線路部B-4は、プラズマ発生用放電部C-1の電力電極３とパルスバイアス電源部A-2の高電圧側を連動リレー１０ａを介して接続する。パルスバイアス電源部A-2の低電圧側は、ここから別に延長した導線で被処理物７側に個別に接続する。パルスバイアスを併用する場合は、前記プログラマブル高周波電源A-1の搬送波が切れた時間に前記一方の連動リレー１０aが開き、同時に前記他方の連動リレー１０bが閉じることにより、電力電極３へパルス電圧のみが供給される。この場合、パルス幅は搬送波の休止時間より小さく、その繰り返し周期は、バースト電圧波形のそれと一致させている。このようなパルスバイアスは、被処理物７の表面を過度に加熱することなく荒削りしたい場合等のイオンを加速して被処理物７に強く衝撃させる必要がある場合に印加する。なおプログラマブル高周波電源A-1が前記バースト電圧波形に前記のタイミングで重畳されるスルーレートの大きい前記パルスを含むように構成してある場合は、パルスバイアス電源部A-2、パルスバイアス電圧印加線路部B-4及び連動リレー１０a、１０bは不必要となる。
【００８４】
ファイバー光伝送線路部B-3は、その一端で、分光分析部A-3に接続し、他端はそのままプラズマ発光を検出する光検出部C-2として延長する。
【００８５】
またガス供給線路部B-2は、その一端でガス供給部A-4に接続し、他端で、前記ラバルノズル１の上流側に接続する。
【００８６】
次に、以上の携帯型プラズマ発生システムによって所望のガス励起状態が得られるメカニズムを、図４(a)〜(d)に沿って説明する。
【００８７】
前記ガス流スイッチC-3aを、前記ラバルノズル１の直前の開閉弁を開くべく操作し、かつ前記ガス励起スイッチC-3bをオン操作する。
【００８８】
こうして前記ガス供給部A-4のガスボンベからヘリウムガスが供給され、図３(b)中の矢印６に示すように、これが前記ラバルノズル１まで導入され、該ラバルノズル１を通じて、毎分０．５リットル（０．５ l/min）で該ヘリウムガスが外部絶縁管８の上流端の中央部に高速で導入される。このとき、可動式の接地電極４を上流側に移動させて電力電極３であるＬ型中心導体の軸方向部３ａに近づける。こうして比較的低い放電開始電圧を得、小さな電源容量でプラズマの点火を容易にする。点火したプラズマは、前記ラバルノズル１でノズル径を絞ることにより電力電極３を冷却して低いガス流量においても安定した状態に維持できる。
【００８９】
また、このとき、プログラマブル高周波電源部A-1では、図４(a)中の(2)に示すような波形、即ち、搬送周波数２MHz、振幅１００V、繰り返し周波数１００kHz、デューティ比３０%の電圧・電流波形を生成し、これを、電力電極３と可動式の接地電極４及び補助電極４ａ間に給電している。この振幅を大きくして行くと、約８００Vで、図３(b)に示すように、外部絶縁管８の外周に位置する接地電極４と内部絶縁管９中の電力電極３との間に誘電体バリヤ放電が発生し、その間に誘電体バリヤ放電プラズマ１３が生成される。
【００９０】
次いで、前記プログラマブル高周波電源部A-1の出力する高周波電圧・電流の振幅を更に大きくすることにより、図３(b)に示すように、誘電体バリヤ放電部で生成されたプラズマを外部絶縁管８の先端外まで引出すことができる。こうして、同図に示すように、トーチ状プラズマ１２が発生する。
【００９１】
この後、可動式の接地電極４を電力電極３であるＬ型中心導体の軸方向部３ａから遠ざけ、補助電極４ａに近づける。こうして該電力電極３が高温になり、不純物が発生するのを抑制することができる。
【００９２】
搬送周波数２MHz、振幅９００V、繰返し周波数１００kHz、デューティ比３０%の波形、即ち、図４(a)-(2)の波形によりプラズマが生成されると、図４(a)-(1)に示すデューティ比のより大きな波形で生成された場合に比べて、電子温度の低いプラズマ状態が実現される。
【００９３】
この場合には、図４(c)に示すような、窒素ガスの電離や酸素ガスの解離等の化学反応に必要なエネルギーは原子や分子により固有であるため、大気雰囲気の成分である酸素分子と窒素分子では、窒素分子の電離が起こり難い。
【００９４】
以上のプラズマ中のガス励起状態は、外部絶縁管８の先端（下流端）まで延長状態に埋め込んだ光ファイバーコンジット５、５…によりガスの発光状態を検出し、それをマルチフレキシブルフィーダ系Bのファイバー光伝送線路部B-3を経由して、分光分析部A-3に導き、これによってモニターすることができる。
【００９５】
こうしてモニターすると、図４(d)-2に示すように、プラズマガス中の発光現象として、波長が８００nm前後の酸素分子の励起スペクトルがより強く現れるのが分かる。
【００９６】
窒素分子ガスの励起状態が必要な場合は、ＰＣ部A-5で、プログラマブル高周波電源部A-1が、図４(a)-(1)に示すデューティ比の大きな波形出力を生成すべく制御するように操作すれば良い。これによって、図４(d)-1に示すように、波長が２００−４００nm程の窒素分子の励起スペクトルがより強く現れるのが分かる。
【００９７】
こうして携帯型大気圧プラズマ発生装置Cは、目的に応じて、プログラマブル高周波電源部A-1の出力波形を制御することにより、プラズマ生成ガスの励起状態をある範囲でコントロールすることができる。
【００９８】
以上の携帯型プラズマ発生システムによれば、先に述べたように、前記携帯型大気圧プラズマ発生装置Cと、前記プラズマ発生用機器・分光分析系Aのプログラマブル高周波電源部A-1、パルスバイアス電源部A-2、分光分析部A-3及びプラズマ生成用ガス類の供給部であるガス供給部A-4とが、各々前記のような構成により一本のマルチフレキシブルフィーダ系Bに一体化された電力供給線路部B-1、ガス供給線路部B-2、ファイバー光伝送線路部B-3及びバイアス電圧印加線路部B-4により相互に接続されているため、それらが別系統になっている場合と比較して、邪魔にならず、かつフレキシブルで取り扱いが容易であり、その携帯型大気圧プラズマ発生装置を操作する際に作業性が極めて良好になるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の携帯型プラズマ発生システム全体を示す説明図。
【図２】実施例のマルチフレキシブルフィーダの概要を示す断面説明図。
【図３】(a)は実施例の携帯型大気圧プラズマ発生装置の主要部に於けるプラズマ放電構造とファイバー光検出機能を示す断面説明図、(b)は実施例の携帯型大気圧プラズマ発生装置に於けるプラズマ放電構造とファイバー光検出機能を説明する側面説明図。
【図４】(a)は実施例の携帯型大気圧プラズマ発生装置を用いてプラズマを発生させる場合のプログラマブル高周波電源部の出力波形を示す図、(b)は波形に対応するプラズマ電子のエネルギー分布を示す図、(c)はプラズマ中で生じる化学反応の一例を示す図、(d)-1及び(d)-2は生成するプラズマの発光スペクトラムの一例を示す図。
【符号の説明】
【０１００】
A     プラズマ発生用機器・分光分析系
A-1   プログラマブル高周波電源部
A-2   パルスバイアス電源部
A-3   分光分析部
A-4   ガス供給部
A-5   ＰＣ部（パーソナルコンピュータ）部
B     マルチフレキシブルフィーダ系
B-1   電力供給線路部
B-1a  接地スリーブ
B-1b  電力スリーブ
B-1c  絶縁スリーブ
B-2   ガス供給線路部
B-2a  ガス導入管
B-3   ファイバー光伝送線路部
B-3a  光ファイバーコンジット
B-4   パルスバイアス電圧印加線路部
B-4a  パルスバイアス電圧印加線
C     携帯型大気圧プラズマ発生装置
C-1   放電部
C-2   光検出部
C-3   アウターシェル
C-3a  ガス流スイッチ
C-3b  ガス励起スイッチ
１    ラバルノズル
３    電力電極
３ａ  軸方向部
３ｂ  縦方向部
４    接地電極
４ａ  補助電極
５    光ファイバーコンジット
６    ガス流を示す矢印
７    被処理物
８    外部絶縁管
９    内部絶縁管
１０a  プログラマブル高周波電圧断続用の連動リレー
１０b  パルスバイアス電圧断続用の連動リレー
１４  絶縁ジャケット
【図１】
2007207477.tif 000003
【図２】
2007207477.tif 000004
【図３】
2007207477.tif 000005
【図４】
2007207477.tif 000006