JP2920207B2 - 熱プラズマのエネルギー制御法 - Google Patents

熱プラズマのエネルギー制御法

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JP2920207B2
JP2920207B2 JP9161831A JP16183197A JP2920207B2 JP 2920207 B2 JP2920207 B2 JP 2920207B2 JP 9161831 A JP9161831 A JP 9161831A JP 16183197 A JP16183197 A JP 16183197A JP 2920207 B2 JP2920207 B2 JP 2920207B2
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plasma
thermal plasma
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control method
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隆正 石垣
肇 羽田
忠裕 作田
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KAGAKU GIJUTSUCHO MUKIZAISHITSU KENKYUSHOCHO
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KAGAKU GIJUTSUCHO MUKIZAISHITSU KENKYUSHOCHO
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、熱プラズ
マのエネルギー制御法に関するものである。さらに詳し
くは、この出願の発明は、超微粒子の合成、非平衡物質
の合成、溶射等に有用な熱プラズマのエネルギー制御法
に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】数千度から1万5千度の超高
温を有する熱プラズマ中に原料を注入することで、それ
らの原料は分解、電離し、原子、イオン、ラジカル、電
子等の極めて反応性に富む化学種が生成される。また、
プラズマの尾炎部においては、プラズマは105 〜10
7 K/secという高速度で超急冷される。
【0003】従来より、この熱プラズマを発生する方法
として、無電極型の熱プラズマ発生法である高周波誘導
法が知られており、この方法においてはプラズマガスに
制限はなく、酸化、還元、腐食性のあらゆるガスの使用
が可能である。この超高温、高反応性の化学種、超急冷
を利用して、セラミックス・金属を問わず、超微粒子の
合成、非平衡物質の合成、溶射等に利用することができ
る。
【0004】しかしながら、従来の高周波熱プラズマを
用いた材料プロセスにおいては、プラズマの有する熱量
が大きすぎるという問題がある。また、溶射、粉末処理
等のパウダープロセッシングにおいては熱損失が問題と
なり、特に処理する粉末の粒径が1μm以下のときに
は、表面積が大きく熱移動量も大きくなるので蒸発が多
くなる。このように蒸発量が増加することで、蒸発潜熱
および金属蒸気からの放射による熱損失が大きくなり、
粉末を加熱するためにプラズマの熱量が有効に活用でき
ない。
【0005】さらに、薄膜合成においては、成膜領域に
おけるプラズマ温度が基板温度よりはるかに高いので、
成長後の熱ストレスが大きくなり、膜の基板に対する密
着性が低くなり、また、プラズマ放射熱による膜の損傷
が大きくなる等の問題が生じる。そこで、これらの問題
点を解決方法として、比較的温度の低いプラズマ尾炎部
を利用する方法が容易に考えられ、粉末をプラズマ尾炎
部に供給したり、膜合成においては基板を尾炎部に配置
する方法が実際に採用されてきた。しかしながら、この
ときのプラズマの熱利用率はかなり低く、また尾炎部に
存在する化学種はプラズマ高温領域に存在する化学種と
は異なるため、目的の生成物が得られない等の問題が生
じている。
【0006】また、他の解決方法として、プラズマ発生
圧力の低減が考えられ、パウダープロセッシングにおい
ては、プラズマ発生圧力を下げることで扱う粒径範囲が
広がり、化学反応性を利用することが期待される。圧力
を200Torr以下まで下げると、 Knudsen効果によ
ってプラズマ中の化学種の平均自由行程が粉末粒径以上
になり、連続流体に対する扱いができなくなるため、プ
ラズマから粉末粒子への熱移動は減少する。従って、小
粒径粉末にプラズマから適当な熱移動が起こり、プラズ
マによる粉末修飾が可能になる。また、薄膜合成におけ
る基板および膜の損傷も減少する。しかしながら、この
方法においては、プラズマの流体的制御が困難であるた
め、プラズマの外周部が反応管の内壁に近づき、大電力
を供給したときには反応管の内壁が損傷し、管が破壊さ
れる等の問題が生じる。
【0007】そこで、この発明は、高周波熱プラズマの
欠点を解消すべくなされたものであり、高周波熱プラズ
マのエネルギーを効率的に制御する方法を提供すること
を目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、周波数500KHz〜4MHz
の高周波アーク放電により発生する発生圧力250〜7
60Torrの熱プラズマに、外部から矩形パルス変調
を加えることを特徴とする熱プラズマのエネルギー制御
法(請求項1)を提供する。
【0009】さらに、この発明は、高周波電力の最大値
(Emax )と最小値(Emin )の比(Emin /Emax
が0以上0.8以下であること(請求項2)、最大値の
継続時間(tmax 〔ミリ秒〕)と最小値の継続時間(t
min 〔ミリ秒〕)が
【0010】
【数2】 の範囲にあること(請求項3)等の態様をも提供する。
【0011】
【発明の実施の形態】この出願の発明は、高周波熱プラ
ズマを発生する際に、プラズマにパルス変調した外部磁
界を印加することにより、熱プラズマの特徴をそのまま
にエネルギーを制御することが可能であるという知見に
基づいている。高周波アーク放電により発生する熱プラ
ズマに、外部印加磁界に矩形パルス変調を加えることに
より熱プラズマのエネルギーを制御する方式において、
次のような条件でプラズマを発生させる。
【0012】添付した図面の図1は、印加時間の変調パ
ルスと制御範囲を示したものである。図中の符号は次の
ものを示している。
【0013】
【表1】図1に示したように、プラズマにパルス変調し
た外部磁界を印加したとき、高周波電力の最大値(E
max )と最小値(Emin )の比(Emin /Emax )が1
に近いと、プラズマ温度はあまり変化せず、従ってプラ
ズマのトータル・エネルギーもほとんど変化しない。連
続発生と比較して、有意な差が生じるためには、最大値
(Emax )と最小値(Emin )の比(Emin /Emax
は0.8以下にする必要がある。
【0014】外部印加磁界の最大値(Hmax )の継続時
間(tmax )が短いと、プラズマ温度は充分に上がりき
れずに、その最大値は連続発生時もプラズマ温度より低
くなる。この立上り時間は、プラズマ発生圧力が760
Torrのときに約3ミリ秒であり、圧力の低下ととも
に短くなる。一方、外部印加磁界の最小値(Hmin )の
継続時間(tmin )が短いと、プラズマの温度は充分に
下がりきらなかった。この立ち下がり時間は、立上り時
間より少し長くプラズマ発生圧力が760Torrのと
きに約3ミリ秒であり、圧力の低下とともに短くなる。
【0015】また、tmin を長くしすぎると、プラズマ
温度が低くなりすぎて次のパルスがきてプラズマの立ち
上がりがうまくいかなくなり、プラズマは不安定にな
り、さらに長くするとプラズマ発生ができなくなる。こ
のtmin の最大はプラズマ発生圧力が760Torrの
ときに約10ミリ秒であり、圧力の低下とともに長くな
る。
【0016】プラズマの安定発生が可能であり、プラズ
マ温度の最高値が連続発生時のプラズマ温度になり、か
つプラズマ温度が有意に低くなる領域を示したのが図1
の下図である。すなわち、外部印加磁界の最大値の継続
時間(tmax 〔ミリ秒〕)と最小値の継続時間(tmin
〔ミリ秒〕)が前記の
【0017】
【数3】 の範囲(図の斜線部分)でパルス変調したプラズマ発生
を行なうことにより、連続発生時の最高温度を維持しな
がら、トータル・エネルギーを減少させることが可能に
なる。この出願の発明は、上記の通りの構成によってこ
れまでにない熱プラズマのエネルギー制御法を提供する
ものであるが、その構成および作用効果の特徴につい
て、さらに詳しく以下の実施例に沿って説明する。もち
ろんこの出願の発明は以下の例によって限定されるもの
ではない。
【0018】
【実施例】プラズマ発生ガスとして、Arを50L/m
in、H2 を6L/minを供給し、高周波電源から周
波数1MHz、電力18KWの電力を供給し、外部印加
磁界の最大値の継続時間tmax が5ミリ秒、最小値の継
続時間tmin が10ミリ秒、高周波電力の最大値(E
max )と最小値(Emin )の比(Emin /Emax )が
0.36、発生圧力760Torrでパルス変調プラズ
マを発生した。
【0019】添付した図面の図2は、このときのプラズ
マからの発光強度の変化を示したものである。図2に示
したように、外部印加磁界の増加とともに発光強度が増
加し、約2ミリ秒後に最大になり、パルス磁界を最小に
切り替えると発光強度は低下し、約3ミリ秒で最小レベ
ルに達するのがわかる。
【0020】発光強度が最大のときのプラズマ温度は約
12500℃で、プラズマを連続発生したときの温度に
等しかった。一方、最小時は約5000℃で、温度は半
分以下になった。
【0021】
【発明の効果】以上詳しく説明したように、この出願の
発明によって、連続発生時のプラズマ温度を最大値とし
て、プラズマ温度の最小値で約40%、トータル・エネ
ルギーは半分以下にすることができる。このプラズマ発
生により、高周波熱プラズマのエネルギーを効率的に使
用し、合成物にダメージを与えずに、材料の合成が可能
になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】印加時間の変調パルスと制御範囲の関係を示し
たものである。
【図2】プラズマ発光強度の時間変化を示したものであ
る。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周波数500KHz〜4MHzの高周波
    アーク放電により発生する発生圧力250〜760To
    rrの熱プラズマに、外部から矩形パルス変調を加える
    ことを特徴とする熱プラズマのエネルギー制御法。
  2. 【請求項2】 高周波電力の最大値(Emax )と最小値
    (Emin )の比(Emin /Emax )が0以上0.8以下
    である請求項1の熱プラズマのエネルギー制御法。
  3. 【請求項3】 高周波電力の最大値の継続時間(tmax
    〔ミリ秒〕)と最小値の継続時間(tmin 〔ミリ秒〕)
    が 【数1】 の範囲にある請求項1ないし2のいずれかの熱プラズマ
    のエネルギー制御法。
JP9161831A 1997-06-04 1997-06-04 熱プラズマのエネルギー制御法 Expired - Lifetime JP2920207B2 (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004096949A1 (ja) 2003-04-30 2004-11-11 National Institute For Materials Science 酸化亜鉛蛍光体とその製造法及び発光装置

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WO2004096949A1 (ja) 2003-04-30 2004-11-11 National Institute For Materials Science 酸化亜鉛蛍光体とその製造法及び発光装置

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