(57)【要約】【課題】  電磁波を電磁波が照射される空間の外へ取り出し、その取り出した電磁波を反応容器に供給してプラズマを発生させてプラズマを効率良く発生させることができるプラズマ発生装置を提供する。【解決手段】  電磁波を照射する閉鎖空間６と、該閉鎖空間６に一方端部７が挿入されて他方端部８が該閉鎖空間６の外に設けられたアンテナ４と、アンテナ４の他方端部先端９を内設した、閉鎖空間６の外に配置された反応容器３と、存在することによって閉鎖空間６内のインピーダンスが整合するインピーダンス調整手段１５とから構成し、アンテナ４の一方端部７で定常波の電磁波を受信して他方端部８の先端９でプラズマを発生させるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を照射する閉鎖空間と、該閉鎖空間に一方端部が挿入されて他方端部が該閉鎖空間の外に設けられたアンテナと、該アンテナの他方端部先端を内設した、前記閉鎖空間の外に配置された反応容器とからなり、前記アンテナの一方端部で電磁波を受信して前記他方端部の先端にてプラズマを発生させることを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】
電磁波を照射する閉鎖空間と、該閉鎖空間に一方端部が挿入されて他方端部が該閉鎖空間の外に設けられたアンテナと、該アンテナの他方端部先端を内設した、前記閉鎖空間の外に配置された反応容器と、存在することによって前記閉鎖空間内のインピーダンスが整合するインピーダンス調整手段とからなり、前記アンテナの一方端部で定常波の電磁波を受信して前記他方端部の先端にてプラズマを発生させることを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項３】
インピーダンス調整手段が銅製棒からなる請求項２記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
電磁波を照射する閉鎖空間が電子レンジの調理室である請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、定常波の電磁波を受信して気中や液中プラズマを効率良く発生させるプラズマ発生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。また、特許文献１に記載の液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法は，簡易な装置および方法で液体中において高エネルギーのプラズマを発生することができるものであり，化学蒸着や化学反応炉あるいは有害物質の分解炉として適用され、電子レンジを応用することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】  特許第３７６９６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  しかし、従来の液中プラズマ発生装置は、電磁波が照射される空間内においてプラズマを発生させる構造となっているため、該空間内に存在する導電性物質に電磁波が吸収され、該物質の温度上昇に電磁波エネルギーが消費されてプラズマを効率良く発生させることができないという問題点があった。【０００５】  そこで、本発明者等は、汎用電子レンジで発生する２．４５ＧＨｚの電磁波を外部へ取り出し、その取り出した電磁波をリアクター（反応容器）に供給してプラズマを発生させれば、プラズマを効率良く発生させることができるという着想を得、以下の第１実験を試みた。【０００６】  図１はプラズマ発生装置の概略図であり、電子レンジ（電磁波発生容器）を用いた。本装置１は、電子レンジ２とリアクター（反応容器）３とを電磁波受信側電極（一方端部）と電磁波伝送側電極（他方端部）からなる電磁波受信・伝送電極（アンテナ）４を介して結合した構造となっている。【０００７】  電子レンジ２内に設置されたマグネトロン（電磁波発生手段）５から発信された電磁波（２．４５ＧＨｚ）は電子レンジ２内の調理室（閉鎖空間）６の中に入り調理室壁に反射して調理室６内で溜まる。そこに電子レンジ２の上部から挿入された電磁波受信・伝送電極４の受信側電極７から見たインピーダンスが電子レンジ調理室６のインピーダンスと等しく整合していれば、電磁波受信・伝送電極４の伝送側電極８を介してリアクター３の中に電磁波が伝送される。リアクター３内に伝送された電磁波（マイクロ波）は、伝送側電極８の先端９で最も強度が高くなって先端９でプラズマが発生する。そして、リアクター３内に入っている媒体が気体の場合には気中プラズマが発生し、液体の場合には液中プラズマが発生する。インピーダンス整合が正しく行われていれば、電子レンジ２で発生した電磁波はプラズマの維持にすべて消費される。汎用電子レンジの電磁波出力は最大８００Ｗ程度であるから、最大８００Ｗのプラズマを発生させることができ、電子レンジの電磁波出力はマグネトロン５にかける高電圧（０〜２ｋＶ程度）をコントロールして調整することができる。【０００８】  具体的には、図２に示す液中プラズマ発生装置を用いた。図２に示すように、リアクター３にメタノールとエタノールを９５：５に混合した溶液を入れ、リアクター３内部をアスピレーター１０で排気し、プラズマが発生したときに空気と混合して燃焼爆発しないように安全を確保した。この混合溶液は、通常、液中プラズマＣＶＤ法においてダイヤモンド形成に用いる溶液である。【０００９】  第１実験では、電子レンジ２のマグネトロン高電圧を調整し、８００Ｗ（フルパワー）及び３００Ｗの電磁波を発生させた。混合溶液の圧力と温度とをできるだけ同じになるようにしながら、受信側電極７の長さを変えて何秒で液中プラズマが発生するかを調べた。【００１０】  液中プラズマは伝送側電極８の先端９において電極の誘導加熱によって蒸気泡が生じたときに発生することがわかっている。受信側電極７の長さが適正であれば、インピーダンス整合がなされ、リアクター３内に位置付けられた伝送側電極先端９に大きな電力が導入されるから、短い時間で先端温度が上昇して蒸気泡が発生する。従って、���ンピーダンス整合はプラズマ発生に要する時間で測定できる。実験結果を表１、表２及び表３に示す。また、図３は電極長さをＸ軸、プラズマ発生時間をＹ軸とし、３００Ｗの電磁波を発生させた場合のプラズマが発生するまでの時間を表したグラフである。【００１１】
【表１】
2013157303.tif 000003
【００１２】
【表２】
2013157303.tif 000004
【００１３】
【表３】
2013157303.tif 000005
【００１４】  表中、「×」は３０秒以内にプラズマが発生しなかったことを示し、「電極長さ」は受信側電極７の長さと伝送側電極８の長さとの合計である電磁波受信・伝送電極４の長さである。【００１５】  液中プラズマは、８０〜８５ｍｍ、１３２〜１５３ｍｍ及び２２０〜２４４ｍｍの電極長さにおいて発生した。電子レンジで発生する電磁波（２．４５ＧＨｚ）の波長は１２２ｍｍ程度であるから、液中プラズマが発生しうる長さの間隔は、約半波長であることがわかる。しかしながら、正確には半波長ではないようである。これは、インピーダンス整合の影響によるものである。今回の実験では、アンテナ４の長さ２２０ｍｍ以上の場合において最も強度の強いプラズマが発生した。電磁波照射空間外で強力なプラズマが発生することを確認できた。なお、特許文献１に開示されたプラズマ発生装置に本実験における混合溶液を入れてプラズマ発生を試みたが溶液の温度が上るのみでプラズマは発生しなかった。【００１６】  続いて、本発明者等は、ダイヤモンドを形成できる温度まで加熱できるプラズマを安定して発生させるために、さらに、下記の第２実験を試みた。【００１７】  プラズマを安定して発生させるには、電磁波受信・伝送電極４を構成する同軸回路と電子レンジ２内のインピーダンスを整合させてマイクロ波（電磁波）をうまく同軸変換する必要がある。そこで，図４に示すように、電子レンジ２のマグネトロン５をアンテナプローブ１１に付け替え、マグネトロン５の代わりに取り付けたアンテナプローブ１１とネットワークアナライザー１３とを同軸ケーブル１４で接続したインピーダンス計測装置１２を製作し、電極長さを表１、表２及び表３に示す長さと同様に変化させて装置１２全体のマイクロ波の反射を測定した。結果を図３のプラズマ発生グラフに反射係数のグラフを重ねて表した図５に示す。なお、図５において右側Ｘ軸の数値は反射係数である。【００１８】  図５によれば、プラズマが発生した電磁波受信・伝送電極４の長さはインピーダンスの整合とは無関係であることを示しており、プラズマが発生した電磁波受信・伝送電極４の長さを用いて別の機構でインピーダンスを調節すれば，安定してプラズマを発生できるという着想を得た。【００１９】  そこで，前記リアクター３を取り付けた電子レンジ２の底から、インピーダンスを調節するための機構（インピーダンス調整手段）１５として３本の銅棒（インピーダンス調節棒）１６を挿着し、当該銅棒１６を進退させて動かすことで電子レンジ２内部のインピーダンスを調節する第３実験を実施した。図６はインピーダンスを調節するための機構（以下、「インピーダンス調節機構」という。）の説明図である。【００２０】  図６に示すインピーダンス調節機構１５を設けたプラズマ発生装置１７を用いて前記第１実験と同様にダイヤモンドの生成を試みた。【００２１】  先ず、図７に示すように、インピーダンス計測装置１２（図４参照）の電子レンジ２にインピーダンス調節機構１５（図６参照）を装着し、銅棒１６を進退させて本装置１２におけるインピーダンスを整合させた。その際、液中プラズマは液体中に発生した泡の中に発生するので、整合させるインピーダンスは電磁波受信・伝送電極４の先端９に泡が発生している状態でなければならないから、インピーダンスはリアクター３内を溶液の蒸気で満たした状態で整合させた。また、図６に示すプラズマ発生装置１７の銅棒１６の取り付け位置と図７に示すインピーダンス計測装置１２の銅棒１６の取り付け位置とは同じ位置である。【００２２】  次に、インピーダンスを整合させた状態の３本の銅棒１６を調理室６内における銅棒１６の位置を保持したまま図６に示すプラズマ発生装置１７の同じ取り付け位置に取り付け、インピーダンス計測装置１２に装着されていたリアクター３を当該プラズマ発生装置１７に移動させ、リアクター３内を前記混合溶液で満たして電子レンジ２の電源を入れた。【００２３】  結果、安定してプラズマが発生し、基板の温度を上昇させることができた。電子レンジ２に投入する電圧を調節して基板の温度を調節してダイヤモンドを生成することができた。図８、図９及び図１０に示すように基板上のダイヤモンドを確認し、図１１及び図１２に示すようにダイヤモンドであることを確認した。なお、基板の温度は６５０℃であった。【００２４】  前記第１実験結果に基づき、本発明は、電磁波が照射される空間内から外部へ電磁波を導いて該空間の外においてプラズマを発生させることにより、前記技術的課題を達成したものである。【００２５】  また、前記第２実験及び前記第３実験に基づき、本発明は、さらに、電磁波が照射される空間内のインピーダンスを調整して定常波のマイクロ波（電磁波）を外部に導いて該空間の外においてプラズマを発生させることにより、前記技術的課題を達成したものである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】  前記技術的課題は、次の通りの本発明によって解決できる。【００２７】  即ち、本発明に係るプラズマ発生装置は、電磁波を照射する閉鎖空間と、該閉鎖空間に一方端部が挿入されて他方端部が該閉鎖空間の外に設けられたアンテナと、該アンテナの他方端部先端を内設した、前記閉鎖空間の外に配置された反応容器とからなり、前記アンテナの一方端部で電磁波を受信して前記他方端部の先端にてプラズマを発生させるものである。【００２８】  また、本発明に係るプラズマ発生装置は、電磁波を照射する閉鎖空間と、該閉鎖空間に一方端部が挿入されて他方端部が該閉鎖空間の外に設けられたアンテナと、該アンテナの他方端部先端を内設した、前記閉鎖空間の外に配置された反応容器と、存在することによって前記閉鎖空間内のインピーダンスが整合するインピーダンス調整手段とからなり、前記アンテナの一方端部で定常波の電磁波を受信して前記他方端部の先端にてプラズマを発生させるものである。【００２９】  また、本発明は、前記インピーダンス調整手段を備えたプラズマ発生装置において、インピーダンス調整手段が銅製棒からなるものである。【００３０】  さらに、本発明は、前記いずれかのプラズマ発生装置において、電磁波を照射する閉鎖空間を電子レンジの調理室としたものである。
【発明の効果】
【００３１】  本発明によれば、電磁波を受信するアンテナの一方端部を電磁波が照射される閉鎖空間内に位置づけ、他方端部を閉鎖空間の外に位置づけて一方端部で電磁波を受信し、他方端部の先端にてプラズマを発生させるようにしたので、他方端部側では照射される電磁波の影響を受けないから、電磁波を効率良くプラズマ発生のために消費することができる。【００３２】  また、それが存在することによって電磁波が照射される閉鎖空間内のインピーダンスが調整されて整合するインピーダンス調整手段を前記空間内に位置付けて設けたので、定常波の電磁波がプラズマの発生する先端に伝達されるから、さらに、電磁波を効率良くプラズマ発生のために消費することができ、プラズマを高温状態で発生させることができる。従って、例えば、ダイヤモンドを効率良く生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】  本発明に係るプラズマ発生装置を説明する概略図である。
【図２】  本発明に係るプラズマ発生装置の説明図である。
【図３】  プラズマが発生するまでの時間を表したグラフである。
【図４】  インピーダンス計測装置の説明図である。
【図５】  反射係数を表したグラフである。
【図６】  本発明に係るプラズマ発生装置の説明図である。
【図７】  インピーダンス計測装置の説明図である。
【図８】  基板上に形成されたダイヤモンド膜の走査型電子顕微鏡写真である。
【図９】  図８に示すダイヤモンド膜ポジション１の走査型電子顕微鏡拡大写真である。
【図１０】  図８に示すダイヤモンド膜ポジション２の走査型電子顕微鏡拡大写真である。
【図１１】  図９に示すダイヤモンド膜位置のレーザーラマン分光法分析グラフである。
【図１２】  図１０に示すダイヤモンド膜位置のレーザーラマン分光法分析グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】  以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００３５】実施の形態１．
【００３６】  図１に示すプラズマ発生装置１は、電磁波が照射される閉鎖空間（電子レンジの調理室）６を有する電磁波発生容器（汎用電子レンジ）２と、電磁波を照射する電磁波発生手段（マグネトロン）５と、電磁波を受信する一方端部（電磁波受信側電極）７と電磁波を伝送して先端９よりプラズマを発生させる他方端部（電磁波伝送側電極）８とから構成されているアンテナ（電磁波受信・伝送電極）４とを備えて構成されており、一方端部７は閉鎖空間６に挿入され、他方端部８は電子レンジ２の外に突出してプラズマの発生によって各種物質を生成する反応容器（リアクター）３内に位置づけられている。
【００３７】  プラズマ発生装置１は前記電子レンジ２と前記リアクター３とを一方端部７と他方端部８とからなるアンテナ４を介して結合した構造となっており、閉鎖空間６内を飛び交う電磁波（マイクロ波）をアンテナ４の一方端部７が受信することにより、受信された電磁波（マイクロ波）が他方端部８を通過して他方端部８の先端９よりプラズマが発生するようになっている。
【００３８】  電子レンジ２内に設置されたマグネトロン５から発信された電磁波は、電子レンジ２の調理室６の中に入り、調理室６壁に反射して調理室６内で溜まる。調理室６内は該調理室６に挿入されているアンテナ４の受信側電極である一方端部７から見たインピーダンスが調理室６のインピーダンスと等しく整合するように調整され、電磁波の反射波が最小となるように微調整されているので、伝送側電極である他方端部８を介して、電磁波がリアクター３の中に伝送される。そして、リアクター３内に伝送された電磁波は、他方端部８の先端９で最も強度が高くなって該先端９においてプラズマが発生する。
【００３９】  リアクター３内に入っている媒体は，気体でも液体でもよく、気体の場合は気中プラズマが発生し、液体の場合は液中プラズマが発生する。また、閉鎖空間とは閉じることによって密閉される空間であってもよく、密閉状態になっている空間であってもよい。
【００４０】  本実施の形態では、プラズマが発生する電極先端部を電磁波が照射される閉鎖空間の外に位置付けたので、プラズマを効率よく発生させることができる。また、閉鎖空間内はインピーダンスが調整されて整合しているので、電子レンジで発生した電磁波をプラズマの維持に消費することができる。
【００４１】  次に、本実施の形態における実施例について説明する。
【００４２】実施例１〜２５：
図２に示すように、メタノールとエタノールを９５：５に混合した、液中プラズマＣＶＤ法においてダイヤモンド形成に用いる溶液をリアクター３に入れ、リアクター３内部をアスピレーター１０で排気し、プラズマが発生したときに空気と混合して燃焼爆発しないように安全を確保した。
【００４３】  次いで、電子レンジ２のマグネトロン高電圧を調整し、８００Ｗ（フルパワー）と３００Ｗとの電磁波を発生させた。溶液の圧力と温度をできるだけ同じになるようにしながら、調理室６内に挿入される電磁波受信電極７の長さを変え、何秒で液中プラズマが発生するかを調べた。結果を表４に示す。
【００４４】
【表４】
2013157303.tif 000006
【００４５】  表中、「電極長さ」は電磁波受信側電極７と電磁波伝送側電極８との合計の長さ、即ち、アンテナ４の長さを表す。電極の長さに関わらず、リアクター３内における電磁波伝送側電極８の先端９の位置は不変である。
【００４６】  液中プラズマは、電磁波伝送側電極８の先端９において電極の誘導加熱によって蒸気泡が発生したときに発生する。電磁波受信側電極７の長さが適正であれば、インピーダンス整合がなされ、大きな電力がリアクター３に設置された電磁波伝送側電極８の先端９に導入されるから、短い時間で電極の先端温度が上昇し、蒸気泡が発生するので、インピーダンス整合はプラズマ発生に要する時間で測定できる。
【００４７】  本実施例では、液中プラズマが長さ８０〜８５ｍｍ、１３２〜１５３ｍｍ、及び、２２０〜２４４ｍｍにおいて発生した。電極長さ２２０ｍｍ以上において、インピーダンスが調整され、最も強度の強いプラズマが発生した。
【００４８】実施の形態２．
【００４９】  図６に示すように、本実施形態に係るプラズマ発生装置１７は、電磁波が照射される閉鎖空間６と、電磁波を照射するマグネトロン５と、閉鎖空間６内に位置付けられて電磁波を受信する一方端部７と電磁波を伝送して先端９よりプラズマを発生させる閉鎖空間６の外に位置付けられた他方端部８とから構成されているアンテナ４と、閉鎖空間６の外に配置されてアンテナ４の他方端部先端９を内設した反応容器３と、閉鎖空間６に設けられて存在することによって閉鎖空間６内のインピーダンスが整合するインピーダンス調整手段１５とから構成されている。
【００５０】  次いで、存在することによって閉鎖空間６内のインピーダンスが整合する状態にする方法について説明する。
【００５１】  図７に示すように、図６と同じ構成のプラズマ発生装置１７を用意し、マグネトロン５をアンテナプローブ１１に付け替え、マグネトロン５の代わりに取り付けたアンテナプローブ１１とネットワークアナライザー１３とを同軸ケーブル１４で接続してインピーダンス計測装置１２とした。アンテナ４が装着された状態の反応容器３とインピーダンス調整手段１５はプラズマ発生装置１７から取り外してインピーダンス計測装置１２に装着した。
【００５２】  続いて、インピーダンス調整手段１５のインピーダンス調節棒１４を閉鎖空間６内で進退させてインピーダンス計測装置１２におけるインピーダンスを整合させる。
【００５３】  次に、インピーダンスを整合させた状態のインピーダンス調整手段１５とインピーダンス計測装置１２に取り付けていたアンテナ４つきリアクター３をプラズマ発生装置１７に移動させる。
【００５４】  これにより、インピーダンス調整手段１５の存在により図６に示すプラズマ発生装置１７においてインピーダンスが整合された状態となる。
【００５５】  次に、本実施の形態における実施例について説明する。
【００５６】実施例２６：
液中プラズマ装置１７を用いて液中プラズマを発生させてダイヤモンドを生成させた。
【００５７】  先ず、図７に示すように、インピーダンス計測装置１２の電子レンジ２にインピーダンス調整手段１５（図６参照）を装着し、３本の銅棒１６を進退させて本装置１２におけるインピーダンスを整合させた。その際、インピーダンスはリアクター３内を溶液の蒸気で満たした状態で整合させた。
【００５８】  次に、インピーダンスを整合させた状態の３本の銅棒１６を調理室６内における銅棒１６の位置を保持したまま図６に示すプラズマ発生装置１７の同じ取り付け位置に取り付け、インピーダンス計測装置１２に装着されていたリアクター３を当該プラズマ発生装置１７に移動させ、リアクター３内をメタノールとエタノールを９５：５に混合した溶液で満たし、電子レンジ２の電源を入れた。
【００５９】  安定してプラズマが発生し、基板の温度が６５０℃まで上昇し、図８、図９及び図１０並びに図１１及び図１２に示すようにダイヤモンドを生成することができた。
【産業上の利用可能性】
【００６０】  本発明によれば、電磁波を効率良くプラズマ発生のために消費することができ、プラズマを高温状態で発生させることができるから、ダイヤモンドを効率良く生成することができる。さらに、電子レンジを応用することができるので、簡単な構造の安価な装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００６１】  １、１７  プラズマ発生装置
２  電子レンジ（電磁波発生容器）
３  リアクター（反応容器）
４  アンテナ（電磁波受信・伝送電極）
５  マグネトロン（電磁波発生手段）
６  閉鎖空間（電子レンジの調理室）
７  電磁波受信側電極（一方端部）
８  電磁波伝送側電極（他方端部）
９  先端
１０  アスピレーター
１１  アンテナプローブ
１２  インピーダンス計測装置
１３  ネットワークアナライザー
１４  同軸ケーブル
１５  インピーダンス調整手段
１６  インピーダンス調節棒（銅棒）
【図１】
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【図２】
2013157303.tif 000008
【図３】
2013157303.tif 000009
【図４】
2013157303.tif 000010
【図５】
2013157303.tif 000011
【図６】
2013157303.tif 000012
【図７】
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【図８】
2013157303.tif 000014
【図９】
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【図１０】
2013157303.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
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