誘導プラズマ

誘導プラズマは、誘導結合プラズマとも呼ばれ、通常はアルゴンガスと結合して電磁誘導によって生成される高温プラズマの一種です。磁場がガス内に電流を誘導し、プラズマを生成します。プラズマの温度は最大10,000ケルビンに達します。誘導プラズマ技術は、粉末の球状化やナノ材料の合成などの分野で使用されています。この技術は、誘導コイル、閉じ込めチャンバー、トーチヘッド（ガス分配器）の3つの基本要素で構成される誘導プラズマトーチを介して適用されます。この技術の主な利点は、劣化や汚染の原因となる可能性のある電極が不要になることです。

歴史

1960年代は、航空宇宙プログラムのニーズに後押しされ、熱プラズマ技術の黎明期でした。熱プラズマ生成のさまざまな方法の中で、誘導プラズマ（または誘導結合プラズマ）が重要な役割を果たしています

誘導結合プラズマをガス流上に維持する初期の試みは、1947年のババット^[1]と1961年のリード^[2]にまで遡ります。エネルギー結合メカニズムとプラズマ放電における流れ、温度、濃度場の特性に関する基礎研究に努力が集中しました。1980年代には、高性能材料やその他の科学的課題、そして廃棄物処理などの産業規模の用途における誘導プラズマへの関心が高まりました。実験室の装置と産業統合の間のギャップを埋めるために、多大な研究開発が費やされました。数十年にわたる努力の後、誘導プラズマ技術は現代の先進産業において確固たる地位を築いてきました。

世代

誘導加熱は何世紀にもわたる歴史を持つ成熟した技術です。高周波コイル内の導電性金属片は「誘導」され、赤熱状態まで加熱されます。誘導加熱と「誘導結合プラズマ」の基本的な原理に違いはありませんが、後者の場合は誘導媒体が流動するガスに置き換えられ、得られる温度は「物質の第4の状態」であるプラズマに達するため非常に高くなります。

（左）誘導加熱、（右）誘導結合プラズマ

誘導結合プラズマ（ICP）トーチは、本質的に複数回巻かれた銅コイルで、動作中に発生した熱を放散するために冷却水がコイル内を流れています。ICPには、プラズマ密度が低い容量性（E）モードとプラズマ密度が高い誘導性（H）モードの2つの動作モードがあり、EモードからHモードへの加熱モードの遷移は外部入力によって発生します。^[3]コイルは閉じ込め管を包み込み、その内部で誘導（Hモード）プラズマが生成されます。閉じ込め管の一端は開いており、プラズマは実際には連続ガス流上に維持されます。誘導プラズマ動作中、発電機はトーチコイルに無線周波数（RF）の交流（AC）を供給します。このACは、 アンペールの法則（ソレノイドコイルの場合）に従って、コイル内に交流磁場を誘導します

${\displaystyle \phi _{B}=(\mu _{0}\,I_{c}\,N)(\pi \,r_{0}^{2})\quad (1)}$

where, is the flux of magnetic field, is permeability constant , is the coil current, is the number of coil turns per unit length, and is the mean radius of the coil turns. ${\displaystyle \phi _{B}}$ ${\displaystyle \mu _{0}}$ ${\displaystyle 4\pi \,10^{-7}\,{\textrm {Wb/A.m}}}$ ${\displaystyle I_{c}}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle r_{0}}$

According to Faraday's Law , a variation in magnetic field flux will induce a voltage, or electromagnetic force :

${\displaystyle E=-N(\Delta \phi _{B}/\Delta t)\quad (2)}$

where, is the number of coil turns, and the item in parentheses is the rate at which the flux is changing. The plasma is conductive (assuming a plasma already exists in the torch). This electromagnetic force, E, will in turn drive a current of density j in closed loops. The situation is much similar to heating a metal rod in the induction coil: energy transferred to the plasma is dissipated via Joule heating , j ² R, from Ohm's law , where R is the resistance of plasma. ${\displaystyle N}$

Since the plasma has a relatively high electrical conductivity, it is difficult for the alternating magnetic field to penetrate it, especially at very high frequencies. This phenomenon is usually described as the " skin effect ". The intuitive scenario is that the induced currents surrounding each magnetic line counteract each other, so that a net induced current is concentrated only near the periphery of plasma. It means the hottest part of plasma is off-axis. Therefore, the induction plasma is something like an "annular shell". Observing on the axis of plasma, it looks like a bright "bagel".

Induction plasma, observed from side and from the end

実際には、低圧条件（<300torr）でのプラズマの点火は、コイルに印加される高周波電力が特定の閾値（トーチの構成、ガス流量などによって異なります）に達すると、ほぼ自然に発生します。プラズマガス（通常はアルゴン）の状態は、グロー放電からアークブレークへと急速に遷移し、安定した誘導プラズマを生成します。大気圧条件の場合、点火はテスラコイルの助けを借りて行われることが多く、テスラコイルは高周波、高電圧の電気火花を発生させ、トーチ内部で局所的なアークブレークを誘発し、プラズマガスの電離カスケードを刺激して、最終的に安定したプラズマを生成します。

誘導プラズマトーチ

誘導プラズマトーチは、誘導プラズマ技術の中核です。数百種類の異なる設計が存在するにもかかわらず、誘導プラズマトーチは基本的に3つのコンポーネントで構成されています。

コイル

誘導コイルは、RF電源の特性に応じて、複数の螺旋巻きで構成されています。コイルの直径、巻き数、各巻きの半径などのコイルパラメータは、適切な電気インピーダンスを持つ電気「タンク回路」を作成するように指定されます。コイルは通常、円筒軸に沿って中空になっており、内部には液体冷却（例：脱イオン水）が充填されており、動作中に必要な高電流によって生じるコイルの高温動作を緩和します。

閉じ込め管

この管はプラズマを閉じ込める役割を果たします。石英管が一般的に使用されています。管は圧縮空気（<10kW）または冷却水によって冷却されることがよくあります。石英管の透明性は多くの実験室用途（スペクトル診断など）で求められていますが、その機械的および熱的特性が比較的低いため、高温プラズマの強烈な放射線によって他の部品（Oリングシールなど）が損傷するリスクがあります。これらの制約により、石英管の使用は低出力トーチ（<30kW）のみに制限されています。産業用の高出力プラズマ用途（30～250kW）では、通常、セラミック材料製の管が使用されます。^[4]理想的な候補材料は、優れた熱伝導性と優れた耐熱衝撃性を備えています。当面は、窒化ケイ素（Si ₃ N ₄）が第一候補です。さらに高出力のトーチでは、プラズマ閉じ込め管に金属製の壁ケージが採用されていますが、電力結合効率の低下とプラズマガスとの化学的相互作用のリスクの増加というエンジニアリング上のトレードオフがあります。

ガス分配器

Often called a torch head, this part is responsible for the introduction of different gas streams into the discharge zone. Generally, there are three gas lines passing to the torch head. According to their distance to the center of circle, these three gas streams are also arbitrarily named as Q ₁ , Q ₂ , and Q ₃ .

Q ₁ is the carrier gas that is usually introduced into the plasma torch through an injector at the center of the torch head. As the name indicates it, the function of Q ₁ is to convey the precursor (powders or liquid) into plasma. Argon is the usual carrier gas, however, many other reactive gases (ie, oxygen, NH ₃ , CH ₄ , etc.) are often involved in the carrier gas, depending on the processing requirement.

Q2_はプラズマ形成ガスであり、一般的に「中心ガス」と呼ばれます。今日の誘導プラズマトーチの設計では、中心ガスが接線方向に旋回してトーチチャンバーに導入されることはほとんど珍しくありません。旋回するガス流は、誘導コイルの最初の巻き線の高さまで旋回を円状にする内部チューブによって維持されます。これらのエンジニアリングコンセプトはすべて、コイル領域の中心におけるガス放電の安定性を確保するために必要な適切な流れパターンを作り出すことを目的としています

Q ₃は一般に「シースガス」と呼ばれ、前述の内部管の外側に導入されます。Q ₃の流れパターンは、渦流または直線のいずれかになります。シースガスの機能は2つあります。プラズマ放電の安定化に役立ちます。最も重要なのは、冷却媒体として閉じ込め管を保護することです。

プラズマガスとプラズマ性能

誘導プラズマを維持するための最小電力は、圧力、周波数、およびガス組成によって異なります。低い維持電力設定は、高いRF周波数、低い圧力、およびアルゴンなどの単原子ガスで達成されます。二原子ガスがプラズマに導入されると、まず気体分子結合を破壊するために余分な解離エネルギーが必要になるため、維持電力が大幅に増加します。その後、プラズマ状態へのさらなる励起が可能になります。プラズマ処理で二原子ガスを使用する主な理由は、(1)高エネルギー含有量と良好な熱伝導率のプラズマを得るため（下の表を参照）、および(2)処理化学を適合させるためです。

ガス	比重[ a]	Thermal dissociation energy (eV)	Ionization energy (eV)	Thermal conductivity [b] (W/m·K)	Enthalpy [b] (MJ/mol)
Ar	1.380	—	15.76	0.644	0.24
He	0.138	—	24.28	2.453	0.21
H 2	0.069	4.59	13.69	3.736	0.91
N 2	0.967	9.76	14.53	1.675	1.49
O 2	1.105	5.17	13.62	1.370	0.99
Air	1.000	—	—	1.709	1.39

実際には、誘導プラズマ処理におけるプラズマガスの選択は、まず処理の化学的性質、すなわち処理に還元環境、酸化環境、またはその他の環境が必要かどうかによって決定されます。次に、適切な第2のガスを選択してアルゴンに添加することで、プラズマと処理対象材料間の熱伝達を改善します。Ar-He、Ar-H₂ _、 Ar-N₂ _、 Ar-O₂ _、空気などの混合ガスは、誘導プラズマで非常に一般的に使用されています。放電中のエネルギー散逸は基本的にプラズマの外側の環状シェルで起こるため、第2のガスは通常、中心ガスラインではなくシースガスラインに沿って導入されます。

誘導プラズマ技術の産業応用

実験室における誘導プラズマ技術の進化に伴い、誘導プラズマの主な利点が明らかになりました。

• 誘導プラズマは、DCプラズマの場合と同様に、電極からの汚染のない高純度プラズマを生成することができます
• 固体粉末、懸濁液、液体などの前駆体を軸方向に供給することが可能です。この機能により、材料を最大10000℃の高温プラズマにさらすことができます
• 電極がないため、幅広いプロセスガスの選択が可能で、トーチは還元性、酸化性、さらには腐食性雰囲気でも動作できます。この機能により、誘導プラズマトーチは高温・高エンタルピー熱源としてだけでなく、化学反応容器としても機能します。
• 直流プラズマと比較して、プラズマプルーム内の前駆体の滞留時間が比較的長い（数ミリ秒から数百ミリ秒）。
• 比較的大きなプラズマ体積

誘導プラズマ技術のこれらの特徴は、過去10年間で産業規模の操業においてニッチな用途を見出してきました。誘導プラズマプロセスの産業応用の成功は、多くの基礎的なエンジニアリングサポートに大きく依存しています。例えば、高出力レベル（50～600kW）と長時間（1日8時間の3交代制）のプラズマ処理を可能にする

^{粉末球状化、ナノサイズ粉末合成、誘導プラズマ溶射、廃棄物処理など、誘導プラズマ技術の産業応用例は数多くあります。 [5] [6]}

粉末球状化

球状化された鋳造タングステンカーバイド粉末の緻密な微細構造

粉末の球状化（および緻密化）の必要性は、粉末冶金から電子パッケージングまで、非常に多様な産業分野から生じています。一般的に、球状粉末への移行を促す工業プロセスの切実なニーズは、球状化プロセスから得られる以下の利点の少なくとも1つを追求することです。

1. 粉末の流動性を向上させる。
2. 粉末の充填密度を高める。
3. 粉末内部の空洞や亀裂を排除する。
4. 粒子の表面形態を変える。
5. 光反射、化学的純度など、その他の独自の目的

球状化は、空中溶融のプロセスです。^[7]角張った形状の粉末前駆体が誘導プラズマに導入され、プラズマの高温で即座に溶融します。溶融した粉末粒子は、液体状態の表面張力の作用により球形になります。これらの液滴は、プラズマ内で励起される大きな温度勾配のため、プラズマプルームから飛び出す際に大幅に冷却されます。このようにして固化した球体が球状化生成物として収集されます。このプロセスでは電極やるつぼを使用しないため、非常に高い純度を維持できます

誘導プラズマ球状化法を用いて、多種多様なセラミックス、金属、金属合金の球状化／緻密化に成功しています。プラズマの高温により、融点が非常に高い材料でも球状化できます。以下は

• 酸化物セラミックス：SiO2 _、 ZrO2 _、 YSZ、Al2TiO5 _、ガラス
• 非酸化物：WC、WC-Co、CaF2 _、 TiN
• 金属：Re、Ta、Mo、W
• 合金：Cr-Fe-C、Re-Mo、Re-W、耐火高エントロピー合金^[8]

ガスアトマイズ法と比較した粉末球状化法の利点は次のとおりです。

• 高収率（球状化粉末は前駆体粉末と同じ粒度分布を有する）
• 幅広い材料（ほぼすべてのセラミックスと金属）
• 高純度（電極やるつぼによる汚染がない）
• 球形度の向上と、場合によっては酸素含有量の低減により、使用済み粉末のリサイクルが可能
• 高い球形度、低い多孔性、サテライト粒子の欠如^[9]

ナノ材料合成

誘導プラズマに基づくナノ材料合成プロセスにより、ほとんどの金属およびセラミックスのナノ粒子を合成できます。 ^[10]得られる平均粒子サイズは15nm～200nmです。

誘導プラズマで合成されたナノ粉末の例：

• 純金属：Al、Cu、Ag、Ni、Fe、Co、Mo、Ta、W、Re、B、…
• 炭化物：SiC、_B4C、Mo2C _、 WC、TaC、…
• 窒化物：Si3N4 _、 AlN _、 BN
• 酸化物：CuO、Al2O3 _、MoO3、SiO、SiO2 、_TiO2、_GeO2、_CeO2、_{Y2O3 、} ITO
• カーボンナノチューブ、グラフェン

合成された粉末は高純度で、ほぼ球形で、柔らかい凝集体です

誘導プラズマナノ材料合成は、火炎噴霧熱分解と同様の動作原理を有します。この方法では、前駆体（粉末、液体、または気体）を飛行中に蒸発させます。10,000 Kのプラズマは、非常に高い沸点を持つ材料でさえ蒸発させることができます。このプロセスはプラズマの熱を利用するため、様々な雰囲気（Ar-He、Ar-H ₂、Ar-O ₂、Ar-N ₂、Ar-NH ₃、Ar-CH ₄、空気）で動作し、多種多様なナノ粒子の合成を可能にします。

ナノ合成プロセスでは、まず誘導プラズマ中で材料を加熱して蒸発させ、その後、蒸気は急冷/反応ゾーンで非常に急速に急冷されます。急冷ガスは、合成されたナノ粉末の表面の化学組成を制御するために、ArやN ₂などの不活性ガス、またはCH ₄やNH ₃などの反応性ガスを使用できます。生成されたナノメートルサイズの粉末は通常、プラズマ反応器セクションから離れた場所に設置された多孔質フィルターによって収集されます。金属粉末は反応性が高いため、プロセスのろ過セクションから収集された粉末を除去する前に、粉末の不動態化に特別な注意を払う必要があります。

生産性は、さまざまな材料の物理的特性とプラズマの電力レベルに応じて、数百g/hから3～4kg/hまで変化します。産業用途の典型的な誘導プラズマナノ合成システムを以下に示します。このシステムで合成されたナノ粉末の写真も含まれています。

プラズマ風洞

大気圏突入時、宇宙船は高熱流束にさらされるため、熱防護システム材料で保護する必要があります。開発のためには、これらの材料を同様の条件で試験する必要があります。高エンタルピー地上試験施設とも呼ばれるプラズマ風洞は、これらの条件を再現します。これらのプラズマ風洞では、汚染物質のない高エンタルピープラズマを生成できるため、誘導プラズマが使用されます。[ ^11]

ギャラリー

• 
  薄片状の絡み合ったレニウム粉末は、誘導プラズマ球状化処理後、高密度の独立した球状になります
• 
  誘導プラズマ（空気プラズマ）によって球状化されたSiO₂粉末。出力15～20kg/h
• 
  誘導プラズマ処理によって作製されたナノ粒子のサンプル

概要

誘導プラズマ技術は、主に前述の高付加価値プロセスを実現します。「球状化」と「ナノ材料合成」に加えて、高リスク廃棄物処理、耐火材料の堆積、貴金属合成などが、誘導プラズマ技術の次の産業分野となる可能性があります。

参照

• プラズマ推進エンジン

注記

1. 標準温度および圧力において
2. 10000 Kにおけるab

参考文献

1. Babat, George I. (1947). 「無電極放電とそれに関連するいくつかの問題」.電気学会誌 - パートIII：無線・通信工学. 94 (27): 27– 37. doi :10.1049/ji-3-2.1947.0005.
2. Reed, Thomas B. (1961). 「誘導結合プラズマトーチ」. Journal of Applied Physics . 32 (5): 821– 824. Bibcode :1961JAP....32..821R. doi :10.1063/1.1736112.
3. Hyo-Chang Lee (2018) 誘導結合プラズマのレビュー：ナノアプリケーションと双安定ヒステリシス物理学 5 011108 https://doi.org/10.1063/1.5012001
4. 米国特許 5200595
5. MI Boulos, 「無線周波数プラズマの開発、スケールアップ、および産業用途」, Journal of High Temperature Chemical Processes , 1(1992)401–411
6. MI Boulos、「誘導結合型無線周波数プラズマ」、高温材料プロセス：ハイテクプラズマプロセスの国際季刊誌、1(1997)17–39
7. Boulos, Maher (2004). 「プラズマパワーはより良い粉末を作ることができる」。金属粉末レポート。59 (5): 16– 21. doi :10.1016/S0026-0657(04 ) 00153-5
8. Abdullah, Muhammad Raies; Peng, Zhen (2024年6月). 「耐火性高エントロピー合金の積層造形に関するレビューと展望」. Materials Today Advances . 22 100497. doi : 10.1016/j.mtadv.2024.100497 . ISSN  2590-0498.
9. プラズマ回転電極プロセス（PREP）とプラズマアトマイゼーション（PA）：選択方法、スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ
10. Jiayin, Guo; Xiaobao, Fan; Dolbec, Richard; Siwen, Xue; Jurewicz, Jerzy; Boulos, Maher (2010年4月). 「誘導プラズマを用いたナノ粉末合成の開発」 .プラズマ科学技術. 12 (2): 188–199 . doi :10.1088/1009-0630/12/2/12. ISSN  1009-0630
11. Sirmalla, Prathamesh R.; Munafò, Alessandro; Kumar, Sanjeev; Bodony, Daniel J.; Panesi, Marco (2024-01-04). 「Plasmatron X ICP施設におけるプラズマジェットのモデリング」. AIAA SCITECH 2024 Forum . バージニア州レストン：アメリカ航空宇宙学会. doi :10.2514/6.2024-1685. ISBN 978-1-62410-711-5。