プラズマ

質問

プラズマは、粒子温度の非常に高い状態ということを知りました。
一般的に、適宜ガスにマイクロ波を当てることでプラズマ状態が得られるそうなのですが、マイクロ波のような小さなエネルギーで、分子をプラズマ状態まで励起できる原理が分かりません。
電子レンジとは比較にならないほど甚大な強度のマイクロ波を与えているのでしょうか？
また、電子レンジと同様に、配向分極の摩擦を利用して加熱しているのでしょうか？
どうかご教授お願いいたします。

回答No.1

雪中庵（@psytex） · ベストアンサー

プラズマとは、＋の電荷を持つ原子核の周りに－の電荷を持つ電子が
引きつけられて、回っている状態です。
マイクロ波によって、電子にエネルギーを与えると、最初は振動し始め
ます（=熱）が、その振れが大きくなると、原子核の拘束から離れて
自由になります（=プラズマ）。

この場合、機器としての出力も影響しますが（ラボのプラズマ発生装置は
電子レンジの10倍(数kw)以上）、プラズマ発生装置と電子レンジの最大の違いは、
電子レンジが電線からの50/60Hzで断続的にマイクロ波を発しているのに対し、
プラズマ発生装置の場合は、連続的に発振している点です。
（断続的でも強ければ発生しますが＝あくまで加熱とプラズマ発生は連続的現象です）

お礼

ありがとうございました！

回答No.3

loveMySai

途中から入り込んで申し訳ありません。
(前職で、マイクロ波加熱、マグネトロンの開発を行ったことがあり、興味があり投稿してみます。)
プラズマについての詳細は、IEEEなどの論文に多数発表されていると思いますが、国内で、プラズマ発生器などを作成している会社(例えば、日本高周波、ダイヘン、東京電子など)のサイトにプラズマ発生の概略が記載されていると思います。

>>電子レンジとは比較にならないほど甚大な強度のマイクロ波を与えているのでしょうか？
について、
プラズマ発生に使用しているマグネトロンの高周波出力は、3kW(整合負荷時)と6kW(2.5のシンク)が主流だったと、記憶しています。(6kWのマグネトロンは、リチャードソン社のコピー管が主流)
一部、30年以上も前の設計のマグネトロン(2M164)を使用している場合は、1kW程度です。(これは、生産数が減少しているらしいです。)
一方、家庭用(コンビニなどの業務用)で使用されているマグネトロンの場合、高い場合で、1kW程度だったような気がします。(家庭用は、質問者さまの自宅に電子レンジがあれば、電子レンジの側面に記載されていると思います。数百ワットと思います。)
波は、直流的に連続ではなく、波をうっているのが、主流です。(スイッチング電源を使用の場合は、別)

次に、発振周波数は、2450、又は、2460MHzが標準的です。(マグネトロンの発振周波数と出力は、外部負荷により変わります。πモードなどの都合により、3kWの球は、整合負荷時に2460MHzで設計、開発しました。)

プラズマ以外で、高周波加熱にも利用しています。60kW(6kWの球を10本使用)が標準的なオープンらしいです。(カタログ値でどこまで本当かは、わかりません。)ヨーロッパあたりでは、タイヤの再生の際に使用されているらしいです。(ドイツのミュッゲ、アメリカのコーバーあたりが、装置を作っていたと思います。)

最後に、基本的に電界に磁界をぶっかけてマイクロ波を発生させる訳ですが、マグネトロン以外に、ジャイロトロンという電子管でも高周波、高出力のものもあります。
しかし、研究用以外、一般的(半導体のプラズマエッチングなど)には、マグネトロンの利用が多かったと記憶しています。

質問者さまの的が違っていたらごめんなさい。
尚、上述の社名は、旧社名の可能性があります。

お礼

有難うございます。おかげで具体的なイメージを作ることができました。
今後プラズマ製膜ＣＶＤを使う機会が有りそうなので、このホームページは大切に保存しておきます。

回答No.2

雪中庵（@psytex）

あ、下の書き込み中、冒頭の「プラズマとは～回っている状態です。」は、
「～回っている原子の、電子と原子核がバラバラになった状態です。」
の間違いです。スミマセン！

お礼

つまり、マグネトロンに直流を与えているということですね。
結果、与える電磁波の強度としては、電子レンジの　10×(√2)^2＝20倍　になり、プラズマ化するのに十分なエネルギーが与えてられるということですね。
納得できました。有難うございました。