発光分光特性による大気圧マイクロ波プラズマトーチ特性の検討

発光分光特性 による大気圧マイクロ波 プラズマ トーチ特性の検討

金井博史

(2005年 1月24日受理)

Consideration of Atmosphe五c Microwave Plasina Torch from its EIInssion Spectroscopy

Hiroshi KANAI,Tatsunori YAMAMURA,Kouichiro FIIJWAKE,Yasuo NAKASHIMA and Masashi KANDO

OReCeiVed January 24,2005)

Abstract

Amosphe五c lllucrowave plasma torch can be produced by the句 日しヽGO nozzle with simple structure,applying the 2.45 GIIz microwave poweraround 200 W。 ■can feed the gas ttЮ ugh the pipe opened along the nozzle axls.h the present work,血 properties ofthe torch plasma were invesigated ttЮ ugh the spectroscopic measurement.lt was found that the spectral pro■ les ofthe Lght ellussion lbm the torch plasma depend on the axlal posidon ofthe plasma in such a way:1)the Spectral proflles within the fllalnentt plasma near the nozzle,i.e,within 20 mm hm the nozzle dP,have discrete line spectra fbm 600 to 850 nln due to ArI,2)above Such a region,discrete line spectra hm 350 to 500 11m become stronger and comparable to those oflonger wavelentt mentioned at l),3)in the region ofthe plume which appears above and or surrounding the rllamentary plasma,the broad spectral proflle fron1 500 to 800 nnl becomes donunant over the discrete line spectra mendoned at l)and 2).ItiS fOund that the hne spectra desc五 bed at l)iS rather similarto oneslbm the atmosphe五 c Planar dielectric barrier discharge and low― pressllre microwave glow discharge,which are considered to be typical non― themal equilib五um plasmas.However,it tends to a themal plaslna quickly with separating hm the fllalnentt plaSma.

1. はじめに

トーチ状 プラズマは、通常、交流やRF電 カカ滞U用され、比較 的簡単 な構造の電極 を用いて大気圧中で細長 くシヤープな形状 の熱 プラズマが生成 される。 このため、金属の溶接や切断の 他、Ti02やSi02な どの微粉末を トーチプラズマ中で溶融 させ基 板上 に高機能膜 を生成するプラズマ溶射 など様 々な分野で実用 化 されている。最近開発 された小型マイクロ波プラズマ トーチ は、これまでのACま たはRFプ ラズマ トーチに比べてより簡便な 装置である上に、 トーチプラズマ発生に供給 される2.45GHzマ イ クロ波 も小電力で間に合 うため、微量元素の分析装置や小型W

光源などへの新たな展開が期待 されている。マイクロ波 プラズ マ トーチを発生するノズルには同軸型ノズル^1)と¶医GO型ノズ ル^2)がぁ り、いずれ も100w程度のマ イクロ波電力で大気 中で トーチプラズマを発生で きる。臥 GO型ノズルは円錐型でテー パ導波管のH面 に取 り付けられ、ノズル側面 と導波管H面 との間 のO.511mの隙間か ら漏れるマイクロ波がノズル先端 に集中 して 大気 を絶縁破壊 し、プラズマ を発生すると考 えられている。一 方、同軸型ノズルでは、ノズル先端で外部導体端 より2〜311m突

き出た内部導体先端に集中するマイクロ波により大気が絶縁破 壊 されプラズマが生成 される。一 たびプラズマが生成 される と、周辺のガスがプラズマの熱で加熱 されて上昇するので、プ ラズマは自然にローソク状の トーチプラズマ となる。LGO型

ノズルはその軸に沿つてパイプが設けられていて、このパイプ により種々のガスを トーチプラズマに供給で きる構造 を有 して いる。プラズマによつて加熱 されやすいノズル先端部は、この ガス流 により冷却することがで きる。 トーチプラズマは、中心

この ようなマイクロ波プラズマ トーチは通常熱プラズマ とし て扱われる。事実、SUSや ニ ッケルなどの金属板 をフイラメン ト部に曝す と短時間で溶融することから、熱プラズマ としての 性質を備 えていることが理解 される。 しか し、 トーチプラズマ は専 らノズル先端部で生成 されると考えられ、ガス流で冷却 さ れていることか ら、この付近のプラズマが熱化 されているとは 考 えに くい面がある。本研究 は、 ノズル先端部か ら上方 に向 かって立 ち上がる トーチプラズマの特性の空間的な変化 を、プ ラズマか らの発光スペク トルを測定することにより検討するこ とを目的 とする。 トーチプラズマの周 りの大気はプラズマ内に 巻 き込 まれて、発光スペ ク トルの構造 を複雑 に し解析 を困難 に する。 このため、 トーチプラズマを大気か ら遮断するために石 英管 を取 り付けた実験 を行った。この結果、ノズル先端部の発 光スペク トルは非平衡 プラズマに類似 した ものであることが明 らかにされた。 この性質は トーチプラズマの応用に新たな局面 を拓 く可能性があ り、重要な結果であると考えられる。

2.実験装置および結果

2‑1)¶hGO型ノズルおよび トーチプラズマ

実験では、ガス供給が可能で熱損傷が少な く、プラズマの特 性 を調べやすい臥 GO型トーチを用いた。 このノズルの詳細 を 図 1に 示す。 ノズルはマイクロ波電力密度 を高めるためテーパ 導波管 を用い、図 1の ようにH面 中心に設置 される。ノズルの前 後には^E―Hチ ユーナと可動プランジャが置かれ、これらを調整 し てインピーダンスマ ッチ ングを取ることにより、低電力のマイ クロ波で安定な トーチプラズマが生成 される。導波管には、管

個 の トーチ プ ラズマの例 を示す。 トーチ プラズマの維持 に必 要 なマ イクロ波電力 は、 ノズルの数 にほぼ比例 した。図 3(a)は ア ル ゴ ンガス をノズル先端か ら噴出 させ て形成 した トーチプラズ マであ る。図2に較べ て トーチ状 の シャープなプラズマ中が形 成 されてい る ことが半Jる。図 3(b)は この構造 を模式化 した もの で、 ノズル先端 か ら上方 に向か って赤紫色 の フィラメ ン トが延 び、 さらにその上 に自色の プルームが フィラメ ン ト部 を覆 って

図1.TIAGO型ノズ ル詳細 図(単位:mm)

図2.

(b)

2つ のTIAGO型ノズ ル を取 り付 けた テーパ導波 管(a)および 2つ の トー チ プ ラズ マ(b)

(a)

図3.アル ゴ ンプラズマ トーチ(a)および トーチ構造 を示す模式 図(b)。 マ イクロ波 入射電力:150W

い る様子 を表 している。 ガス流量一定で、マイクロ波入力 を増 加 させ る と、 プルームが長 くなるが フ ィラメン ト部 の長 さはや や延 びる ものの、 プルームほ ど大 き くは変化 しなかった。 また マ イクロ波電力 を一定 に してガス流量 を増や して も、 トーチ プ ラズマの長 さと構造 はほぼ一定 であった。空気 をノズルか ら供 給 す る と、 アル ゴ ンに較べ てず っと大 き く長い 白色 のプラズマ 中が形成 された。以上の実験結果か ら、 トーチ プラズマの形状 は、主 としてマ イクロ波電力 に依存す るが ガス流量 には影響 を 受 けない こ と、供給 され るガスの電離電圧 に大 きく影響 され る ことが判 る。

2‑2)石英 ガラス管 でカバ ー した トーチプラズマ

本研 究 で は、発光スペ ク トルか ら トーチ プラズマの特性 を検 討す る こ とを目的 と してい る。 この場合 トーチプラズマ に供給 す るアル ゴ ンガス に空気が混 じる と発光スペ ク トルが複雑 に変 化 し解 析 が難 し くな る。 このため、 ノズ ル に直径 18mm、 高 さ 500mmの石英管 をかぶせ て トーチ プラズマ を大気か ら遮断す る ことを試みた。図4にその様子 を示す。 この結果、 プルームの プラズマの色 は自色 か ら赤紫色 に変化 し、 また、マ イクロ波電 カー 定 の下 で ガス流 量 を増 す と、 プルー ムの長 さは伸 びたが フ イラメ ン ト長 はほぼ一定であ った。 これ らの ことか ら、大気 中で覆い を取 り付 けない場合 には多 くの空気が トーチ プラズマ に取 り込 まれていることが考 え られる。

図4.空気遮 断用石英管 を取 り付 けた ノズル

2‑3)トーチプラズマの発光 スペ ク トル

トーチ プラズマの特性 を調べ るため に、発光スペ ク トルの軸 方向の変化 を測定 した。測定 においては、 レンズ に よ リ トーチ プラズマ をス ク リー ン上 に拡大 して結像 し、その像 のあ らか じ め定め られた諸′点か らの放射光 を光 フアイバ ーで検 出 し、分光 器 (HR2000CG―UV―NIR Ocean Optics社)に入力す ることによ り、

発光 スペ ク トルの トーチ軸方向の変化 を測定 した。図5に石英 管の ない場 合の、 また、図6に石英板 を取 り付 けた場合 の トー チ プラズマの発光スペ ク トル を、 ノズルか らの距離Z(mm)を^パ ラメー タと して表示 した。Z=0および5mmの場合、 ガ ラス管 の 有無 にかかわ らず800nm付近 に多 くの離散 的 なAr Iの スペ ク ト ルが観測 されているが、zが増す に連 れてガラス管 による大気遮 断の効果 が強 く現 れて くる。す なわち、 ガラス管が ない場合 に は300〜900nmにかけて連続 スペ ク トルが強 く現れ、Z=30mmで

は熱放射 の ような連続 スペ ク トル分布 になるが、 ガラス管有 り の場合 には連続 スペ ク トルの増大 は少 な く、300〜400nm付近 に ArIおよびArⅡの離散 的 なスペ ク トルが強 く現 れ、800nm付近 00 mm 74 mm

トーチプラズマ

テーパ導 波管

‑8‑

のスペ ク トルが消滅 していることが分かる。

以上 を要約すると、ガラス管を取 り付けることによリプラズ マの発光スペク トルは大 きく変化 し、ノズル先端付近では800nm を中心 にArIの離散 的 なスペ ク トルが支配的であるが、Z>

15mmでは、300〜400nm付 近に離散的なスペ ク トルが集中 し、

その強度は連続スペク トルや長波長域の離散的なスペク トルよ りも強 くなる。 これ とは対照的にガラス管 な しの場合 には

Z>

15mmで は強い連続スペク トルが300〜900nmに 現れる。 この相 違は、02、 N2に起因するスペク トルは顕著 には観測 されていな いが、 トーチプラズマに巻 き込 まれた空気 によるもの と考 えて いる。興味深いことは、z<5mmにおける離散的なスペク トル分 布が非熱平衡 プラズマか らの発光スペ ク トルに類似 しているこ とである。これを確かめる目的で代表的な2種類の非熱平衡 プ ラズマの発光スペク トルを観測 し、 トーチプラズマのそれ と比

Ar 1 76257‑→ I Lr ArI

=T9｀

H″

Wave lengdr [mr]

Z:0 mm

較 す る こ とと した。 ここで は、非 熱平衡 プ ラズマ と して1.o〜

10.OToIの マ イクロ波放電 アル ゴンプラズマ と大気圧平板型バ リ ア放電 アル ゴンプラズマ を取 り上 げた。図7にマ イクロ波放電 プラズマ生成装置 を、図8にAr2.OTorの グロー状 マ イクロ波放電 を、図9にその発光スペ ク トルを示す。

次 に、図10に平板型誘電体バ リア放電装置 を、図11に大気圧 アル ゴ ン中の誘電体バ リア放電 を、図12にその発光 スペ ク トル を示す。印加電圧 は、f=2.lkHz、Vpp=9kVで あ り、消費電力 は20Wであ つた。 この放電 は、大気 中で点灯 す る と多量 の オブ ンが生成 され る こ とか ら、 オゾナ イザ と して利 用 されてい る が 、 これは このプラズマが非熱平衡 プラズマであ ることを証 明

してい る。

Power montortWl

図7.マイクロ波放電装置

図8.低気圧 マ イクロ波 グロー放電 アル ゴ ンlTOrr,マ イ クロ波入射電力 :200W

/ ^ィ )133549

冒 ８ と ７お

●ヨ

Wave length [m]

Z= l0 ilm

Wave leDgth [mr]

Z:0 mnr

Wave lenplh [run]

Z: l5 mm

図5.石英 管 な しの場 合 の トーチ プ ラズマ の発 光 スペ ク トル^. z:ノズルか らの距離、マ イクロ波入射電力 :300W、 同反 射 電力:50W、アル ゴ ンガス.

冨 二 お 場● ｏ■

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AH 76・5●、_￨卜紆

肝Я、^￨￨ご

′^l142

Wave length [m]

Z=5mm

Wave length [m]

Z= l0 nnr

Wave length [m]

Z=l5m

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Wave lenp5th [mn]

Z:30 mnt

Ｔユむ

﹁ ∽Ｈ●ｏヨ

冨 曇

´７ こ

400   500   600   700   800   900

Wavelength[nm]

Wave length [nn]

Z=20 mm

Wave length [m]

Z=5mm

Wave length [nm] ^Wave lmgth [rm]

Ar1 762 5【

￨￨ィ紆³⁶

いЧ‖オ

high voltage probe

図11.平板 型誘電体バ リ アル ゴ ン1気圧 、 消費電力 :20W.

ア放電 印加電圧9kV、

図10.平板型誘電体バ リア放電装置

も小 さな値であることが判る。この結果 より、大気圧マイクロ 波 プラズマ トーチで生成 されるプラズマは、 ノズル先端部の フイラメン ト部では平板型大気圧誘電体バ リア放電 と同様 に非 平衡 プラズマである可能性が高い と考 えられる。 しか し、ノズ ルから離れるにつれて、高頻度の衝突過程 を経て急速に熱化す るため、オゾンなどの熱に弱い分子は破壊 されて しまい、検出 されな くなると考えられる。

12.9 13.0 13.1 13.2 13.3 13.4 ^13.5

Upper Excitation level: E,, (eD

(a) _I-ower Excitation Starc : 11.55 [eV] ^(+. t3ldJ

129  130  131  13.2  133  13.4  13.5

■Tpper Excitatlon level:Eu(cV)

(b)Lov〕 rEКiね樋nSねte:11.62 1eVl 14s[3/21♪

129  130  13.1  132  13.3  13.4  13.5

Uppcr Excitation lcvcl:Eu(cV)

C)bwerEКhttnSね船:11.83 1eV1 0s'メリ1)

図13.各種 プラズマ と低気圧 マ イクロ波 グロー放電か らの発光 スペ ク トルの比較 。いず れの プラズマ もアル ゴ ンを使 用 。ACBD、AMPT,MDはそれぞ れ、大気圧平板状誘電 体 バ リア放電 、大気圧 マ イクロ波 プラズマ トーチ、低気 圧 マ イクロ波 グロー放電の略称。

Glass Cu Glass epoxy

図12.大気圧誘電体バ リア放電発光スペ ク トル アル ゴ ン、1気圧

図6のZ=Ommの発 光 スペ ク トルは、図9および図12の 2つ の非熱平衡 プラズマの発光スペ ク トルに類似 していることが半J

る。

次 に上記 の類似性 を定量 的 に調べ るため に、ArI:763.51nm (4p[3/2]1→ 4s[3/2]1)の スペ ク トル強度で規格化 した後、(1)式 で定義 され る低気圧 マ イクロ波 グロー放電の発光 スペ ク トル と の偏差 σを計算 した。

И一B

ここで、Aは試料 となる放電(大気圧 マ イ クロ波 プラズマ トー チ :略称AMPT、平板 型誘 電体 バ リア放電:ACBD)、 Bは標準 となるマイクロ波 グロー放電(MD)の同 じ波長 のスペ ク トル強度 であ る。図13(a)〜(c)に 3つの下準位毎 に、上準位 をパ ラメー タ と して求めた σの計算結果 を示す。 なお、 ノズル先端部 にお け る大気圧 マ イクロ波 プラズマ トーチのスペ ク トルを対象 とし てい る。□印で示 され るAMPTの σは、○印のACBDの σよ り

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B

O ACBD

□ AMPT

△ MGD atl丁Orr

× MGD at 7TOrr

と       ｏ

○

□

□×

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○

Ｘ聡Ｏ   

○  500 600 700 800

Wavelength Inr]

O ACBD

□ AMP丁

△ MGD atl丁orr

× MGD at 7丁orr

×□

□  

％

︶査 ○

‑10‑

3.ま とめ

簡単 な構造の臥 GO型ノズルを用いて生成 される大気圧マイ クロ波 プラズマ トーチの特性 を、発光スペ ク トル よ り考察 し た。 このノズルは中心軸 に沿って開けられているパイプを用い てガスを供給で きる上、インピーダンスマ ッチングが簡単 に得 られ、200W程度のマイクロ波電力で安定な トーチプラズマが得 られることか ら、利用価値が高い と考 えられる。 トーチプラズ マには周囲の大気が巻 き込 まれることが判つたが、これは石英 管 をノズルにかぶせ ることにより制御で きた。プラズマの特性 は、石英板で覆 うことにより、フイラメン ト部が長 くな り、そ の上部でフイラメン ト部 を覆 うプルーム部の色 もアルゴン発光 色 に変化 した。

ノズル先端部か らフィラメン ト部にかけてのプラズマか らの 発光スペク トルは、700‑850コ皿付近の離散的なArIの線スペク ト ルで構成 されているが、上にのぼるにつれて、350‑50011nlの離散 的なAr Iのスペ ク トル強度が強 くな り、 さらに上部では、400‑

80mmにわたる連続的なスペク トルが支配的となった。これは、

石英管 を用いない場合 に顕著 となった。

ノズル先端部の発光スペク トルを、典型的な大気圧非平衡プ ラズマである誘電体バ リア放電 と低気圧マイクロ波 グロー放電 の発光スペ ク トルと比較 したところ、グロー放電のそれ と類似 していることが半1った。これはノズル先端部のフイラメン ト上 のプラズマでは平板型大気圧誘電体バ リア放電 と同様 に非平衡 プラズマである可能性が高い と考えられる。 しか し、強い上昇 気流で上部 に輸送 される過程で熱化 し、プルームでは熱プラズ マに変化 していることが明 らかになった。 この結果は、 トーチ プラズマの特性の改善に手がか りを与えるもの と考えられる。

参考文献

1)H.Kand,K.町iwake,T.Yalnalnura and M.Kando, '79nap̀湖

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