低周波誘導熱プラズマ炉の試作と巨大クラスター生成への応用

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08555067
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 作田 忠裕 金沢大学, 工学部, 教授 (80135318)
• 研究分担者: 宮本 昌弘 富士電機総合研究所, 課長 ; 滝川 浩史 豊橋技術科学大学, 工学部, 助教授 (90226952) ; 田中 康規 金沢大学, 工学部, 助手 (90303263)
• キーワード: 低周波磁界 / 大口径プラズマ / プラズマ・プロセシング / 高速プロセシング / インバータ電源 / クラスター / フラーレン

研究概要

平成10年度では、周波数450kHzにおいて、低周波コイル形状を大口径150mm直径、長さを150mmとし、従来にはない広い領域のプラズマを発生させることに成功した。最小所要のプラズマ電力は周波数450kHzで約30kWであることを確認した。また、これを用いた巨大クラスターC60等の生成実験を、フラーレン合成に適しているといわれるHeおよびCO2ガス雰囲気中でプラズマで行った。
1) プラズマ高温場の分光計測 平成8年度で設備備品として購入した450KHz低周波電源を用いて大口径のAr、He、CO2等種々の誘導プラズマを形成させ、電力30kWにおいていずれのプラズマも発生可能であることがわかった。特に、CO2混入プラズマはAr/He希ガスプラズマと比べプラズマ温度が高くなることが判明した。
2) 大口径プラズマへの微粒子負荷の導入 これら誘導プラズマ中に負荷としての原材料炭素粉末を注入し、高速分光測定によりプラズマ温度場の安定性を測定した結果、いずれのプラズマも中心温度の低下が認められるものの、全体としての高反応場は安定に維持することができた。
3) クラスター生成実験 この低周波誘導熱プラズマ炉を用いて実際にクラスター生成実験を進めた。原料に炭素粉末を用い、炭素系フラーレンの連続生成実験を行った。プロセスパラメータは、プラズマへの入力電力、原料注入速度、Ar、He、CO2ガスの構成比とする。特徴的なことは、CO2プラズマではC60フラーレンの生成がほとんどみられなかったが、Ar、Heを主体とする希ガス中プラズマにおいて大量のC60生成が可能であることが判明した。これは、希ガスによる炭素原子の急速冷却効果が極めて重要であることを示している。

研究成果

• [文献書誌] 作田,田中,香月,石垣: "パルス変調された高周波誘導熱プラズマの発生" 日本金属学会誌. 63-1. 2-8 (1999)
• [文献書誌] Y.Tanaka,M.Takahasi,K.C.Paul,T.Sakuta: "Transport and Thermodynamic Properties of N_2/O_2 Mixtures at Different Admixture Ratio" International Workshop on High Voltage Engineering IWHV'99. I. 103-108 (1999)
• [文献書誌] T.Sakuta,K.C.Paul,S.Hatazawa,M.Takahashi,Y.Tanaka: "Spectroscopic Measurements of SF_6 and N_2 Induction Plasmas at Atmospheric Pressure" International Workshop on High Voltage Engineering IWHV'99. I. 109-114 (1999)
• [文献書誌] 田中,作田: "化学非平衡モデルによる誘導SF_6熱プラズマの過渡解析" 電気学会 放電研究会資料. 1. 29-34 (1998)
• [文献書誌] K.C.Paul,T.Takashima,T.Sakuta: "Copper Vapor Effect on RF Inductively Coupled SF_6 Plasmas" IEEE Trans,on Plasma Sci. 26-3. 1000-1009 (1998)