マイクロ波励起大気圧ライン状プラズマ及びこれを用いたプロセスへの応用に関する研究

微波激发常压线等离子体及其工艺应用研究

基本信息

批准号：
01J08107
负责人：
高橋一郎
金额：
$ 1.15万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2002
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度の研究内容は、昨年度までに世界で始めて発生に成功したエキシマガスによるライン状の連続発光プラズマにおいて、プラズマ密度や電子密度の一層の向上を目指して放電部の改造を行ってきた。昨年まで用いていた放電部では、トムソン散乱計測の結果、電子密度は10^<14>cm^3以下と低く、レーザ発振を実現するには従来の3倍以上の励起パワーが必要であることが判明した。また、熱損失の実測より、従来の構造ではマイクロ波の利用効率は20%程度であることが判った。そこで、本年度はプラズマ励起源であるマイクロ波のエネルギーを90%以上の高い効率でプラズマ発生に利用できる新しい構造の放電部を目指して開発してきた。マイクロ波によるプラズマの発生効率を上げるために、マイクロ波がプラズマ発生部に導かれるまでの導波路の構造や形状を、3次元電磁界シミュレーションによって最適化してきた。すなわち、導波路として用いられる高純度セラミックでは、比誘電率が約10であり、放電部に満たされるガスの比誘電率は1である。したがってこれらの境界面では原理的に大きなマイクロ波反射が生じ、効率良くガスを励起することは困難になる。ところが、セラミック導波路の形状を工夫することで、媒質境界面での反射を打ち消し、99%をプラズマ発生に利用できる目処がついた。しかも形状を最適化することで、高密度プラズマの発生中でもマイクロ波の反射を抑制できる形状が存在することも判った。以上のように、マイクロ波導波路の構造と形状を最適化した放電部を製作し、現在、高密度プラズマの発生実験を行っている。現時点での実験結果として、導波路中での損失がほとんど無く、90%以上のエネルギーがプラズマ発生に利用されていることを確認した。さらに、ガス圧に関しても従来最高値の5倍の約3気圧までの圧力において、常に安定した高密度プラズマが発生できることを確認した。現在、世界初のエキシマレーザ連続発振を目指して実験を継続中である。

今年的研究涉及对去年在世界上首次成功产生的准分子气体产生的线状连续发光等离子体的放电截面进行修改，目的是进一步提高等离子体密度和电子密度。直到去年使用的放电部分，汤姆森散射测量表明电子密度低至小于10^<14>cm^3，并且需要超过三倍的激发功率才能实现激光振荡。。此外，热损失的实际测量表明，传统结构中微波的利用效率约为20%。因此，今年我们一直在开发一种具有新结构的放电部分，该放电部分可以利用作为等离子体激发源的微波能量来产生等离子体，效率高达90%以上。为了提高微波产生等离子体的效率，我们利用三维电磁场模拟优化了将微波引导至等离子体产生区域的波导的结构和形状。即，用作波导的高纯度陶瓷的介电常数约为10，放电部分填充的气体的介电常数为1。因此，原则上，在这些界面处会发生大的微波反射，从而难以有效地激发气体。然而，通过设计陶瓷波导的形状，现在可以消除介质界面处的反射，并使用 99% 的波导来产生等离子体。另外，通过形状的优化，发现存在即使在产生高密度等离子体时也能够抑制微波的反射的形状。如上所述，我们制作了具有优化的微波波导结构和形状的放电部分，目前正在进行高密度等离子体生成实验。目前的实验结果已经证实，波导中几乎没有损耗，90%以上的能量都用于等离子体的产生。此外，我们确认可以在高达约 3 个大气压的气压下产生稳定的高密度等离子体，这是传统最大值的五倍。目前正在进行实验，目的是创造世界上第一个连续振荡的准分子激光器。