CN104520453A - 用于分离的磁电-等离子体分离器及方法 - Google Patents

Abstract

描述一种等离子体分离器和质量过滤器系统。在一些方面，所述系统被设计并配置成在真空室中引起等离子体，并且在所述真空室中向一组或更多组收集器轴向和周向移动带电微粒。废物材料被从所述系统喷射，同时所述一个或更多个收集器产出一种或更多种对应的产物。

Description

用于分离的磁电-等离子体分离器及方法

技术领域

本公开涉及用于多成分材料的处理的系统和方法，以及在一些实例中用于从金属的矿石和氧化物中提取所述金属的系统和方法。

相关申请

本申请涉及赋予本发明的发明人和受让人的2011年11月10日递交的名称为“磁电-等离子体分离器及用于分离的方法(Magneto-Plasma Separator and Method for Separation)”的美国临时申请61/557951并且要求其权益和优先权，所述临时申请在本文中通过引用被并入。

发明背景

稀土元素(REEs)和其他高价值战略材料是其独特的性质对于高科技工业、医药和军事技术制造业至关重要的元素。REE组被认为包括镧系元素：镧、铈、镨、钷(非天然存在的)、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥。钇和钪元素由于具有相似的化学性质也被包括。本申请的几个方面针对的其他材料包括钽、钛、钨、铌、锂、钯、钒、锆、铍、钍和铀。上述材料在本文中简称战略材料。本领域技术人员将理解本公开也可以被应用于类似的和相似的材料。

稀土元素和其他战略材料被使用于手机、电脑和电视，以及混合动力汽车(hybridautomobiles)、高速火车、风力涡轮机、激光、声纳和光纤。由于它们可以被使用于制导导弹、通信卫星、雷达、预警系统和无数的其他军事和防御项目，稀土元素和其他战略材料对于国家安全也是重要的。

钽金属是高价值材料的一个例子，以其元素形式被广泛使用，但是在自然界中以盐或氧化物化合物的形式被发现。钽被使用于制造具有如高熔点、高强度和良好延展性的理想的性质的钢材。这些钢材应用于飞机和导弹制造业。钽是相对不活泼的并且因而在化学和核工业中是有用的。该金属还是高度生物相容的，因此，钽在外科手术用途上具有广泛的使用。例如，它可以被使用在缝合线中以及作为颅骨修复板。在电子工业中该金属还被使用于电容器。

铀，以其浓缩的形式，作为用于核反应器的燃料，同时引起商业和军事应用特别的兴趣。生产铀的总体流程表包括采矿、磨粉(以生产铀精矿(yellow cake))、转化和制备。每个步骤包括若干子步骤。随着完成的产物在核反应器中使用后，用过的燃料可以被再处理和/或被稳定和储存。用于再处理用过的燃料和高水平核废物的管理的装置是非常重要的。

美国专利号3429691针对一种用于使二氧化钛粉末还原为元素钛的方法。该方法将熔化成微滴(droplet)的二氧化钛粉末和氢等离子体结合，在室的另一端生产液体钛和水。被注射的氢等离子体用来加热二氧化钛，并且通过还原从钛去除氧。该反应在压缩磁场中发生以便防止内容物接触侧边并将其熔化。

在目前实践的一个例子中，钽是通过其一种盐的金属热还原被生产的。在大致800℃，将固体氟钽酸钾(K2TaF7)和液体钠加入卤化物熔化物(被认为是“稀释剂(diluent)”)，其中它们反应生产粉末形式的固体钽。该过程涉及许多还原步骤之前的单元操作以便将矿石转化为高质量供给料。接着，该还原步骤依靠一系列过程，所述过程涉及处于接近其沸点温度(883℃)的非常危险的液体钠。所述钠被用大型容器(铁路罐车)运送到反应器并且被原地储存。在该反应器中既要控制微粒尺寸(particle size)又要防止微粒团聚是困难的，其对于用于使用在电容器中的高级粉末的生产是关键的。

以上系统通常需要高反应性的液体钠和昂贵的氟钽酸钾复盐原料(feedstock)，缺少连续的生产能力，基于成批操作方法，并且还缺少控制在产物钽粉末中的微粒尺寸的能力。

通常地，当混合物的成分(constituent)或化合物之内的元素具有电荷，一种将它们分离的方法依靠将带电微粒(charged particle)加速并且使它们通过与其速度相垂直的磁场。这种分离工艺基于微粒的质荷比来分离该微粒。

美国专利号3722677针对一种用于为了分离微粒的目的，而使用垂直的电场和磁场引起微粒在圆柱形室内沿着弯曲路径运动的设备。在本发明中电极可以被放置在受限体积的一端或两端。带正电微粒将绕中心轴旋转并且通过碰撞将这种动作传递给不带电微粒。在更大的半径距离处较重的微粒的浓度将更大，从而允许分离。

一种在混合物或化学化合物中创建带电微粒的方式是通过提高材料的温度到其气相温度以上。这种方法将材料改变成被称为等离子体的物态(state of matter)，该物态与气相相似只是材料被加热到了分子成分的一部分失去了其一些电子的程度，被称为“离子化”。化学键被热破坏——离子化程度取决于温度。因而等离子体由带电微粒——通常是正离子和负电子构成。

美国专利号6096220(“等离子体质量过滤器”)，该专利的一附图被重现为图1，其针对用于从等离子体中的高质量微粒过滤低质量微粒的过程和设备10，所述过滤是通过将等离子体注射到具有与轴对齐的磁场和垂直的电场的圆柱形室中从而引起带电微粒在室中的旋转运动的方式。该电场和磁场的量级被这样调整以至于高质量微粒径向逃脱并且与圆柱形壁碰撞，而低质量微粒被约束在壁之内行进。

过滤器的通常的功能与分离器的通常的功能十分不同。而前者通常只需要使某一质量以上的所有微粒受限并且使此“某一质量”以下的所有微粒通过——动量分辨能力不是关键的设计或性能问题。后者必须清楚地分离并且收集代表特定的金属产物离子成分的具体微粒。此外，经常的情形是这样的“产物微粒”没有很大的相对质量差。对于这些应用获得与动量分辨能力相关的测量和参数可能是有帮助的。

美国专利号6248240是美国专利号6096220的部分延续，并且讨论了非圆柱形室和位于室下方中间位置的等离子体源。另外该专利提供一种用于维持多种类等离子体在足够低的密度以至于微粒间的碰撞是相对不频发的方法，并且所述方法引进一个或更多个被定位用来拦截高质量微粒的收集器。

美国专利号6235202是美国专利号6096220的另一个部分延续，该专利讨论了将被蒸气化的(vaporized)材料注射到室中，接着在室里将材料离子化来创建等离子体。

在一些方面，本系统和方法提高矿物提取效率，减少稀土元素和其他高价值战略材料的价格，并且减少将新矿石体投入生产所需要的时间。

附图简述

为了更完整理解本理念的性质和优点，对于以下优选的实施方案的详细描述并且连同附图进行参考，在所述附图中：

图1示出根据现有技术，即前述美国专利6096220的等离子体分离器；

图2-4图示说明用于精炼战略材料的示例性过程；

图5-12图示说明以截面示出的示例性等离子体分离器系统的多个方面；

图13图示说明在等离子体分离器系统的扇形磁体中各种质量的组分的加速和分离；

图14图示说明等离子体系统的示例性RF发射(launching)方面；以及

图15图示说明在所述等离子体分离器系统的一方面中提供会切场(cusp field)的示例性永磁体排列。

详细描述

因为对于需要所述稀土元素REEs和其他高价值战略材料的技术的需求膨胀并且成为对于世界上大多数人口的福祉而言是实实在在的，对于稀土元素REEs和其他高价值战略材料的需求在不断增加。用于处理REEs和其他高价值战略材料的新技术，更具体地参考本申请，用于从金属的矿石和氧化物中分离所述金属的新技术需要满足这种增长的需求。进一步处理用于改良合金的精炼的金属来减少成本并改进如电池以及高效发动机和发生器这样的产品的性能的新技术也是需要的。在一些实施方案中，本系统通过总体设计配置和宽高比，以及电场和磁场分布的控制来提供改良的质量分辨能力。

图2示出从金属的稀土矿石或氧化物中获得所述金属的过程或方法(200)的概况。作为实施例，这可以被进行来从稀土金属的金属氧化物矿石中提取所述稀土金属。进行从稀土矿石获得稀土金属氧化物的步骤(202)。过程或方法200还包含预处理初始基料(initialsubstrate)的步骤，所述预处理包含多成分物质从矿石到细粉末的机械预处理、细碎或粉碎(204)。

在步骤206粉末被供给(feed)到等离子体炬，其中粉末被初始加热。在步骤208，要精炼的材料被加热到蒸气化的温度，并且所述材料至少部分地离子化并转变成被称为等离子体的物态，在这个情形中金属和氧的等离子体被创建。等离子体可以由本领域技术人员已知的各种等离子体发生器中的任何一种产生，例如感应耦合等离子体(ICP)源或炬。

在步骤210进行金属从氧化物的分离。对于金属氧化物，等离子体典型地含有至少以下的：正的金属离子、正的氧离子(O⁺)、负的氧离子(O^-)和电子。氧的中和及其移除可以例如使用还原反应(如使用氢还原)来进行。

在步骤212和214实现金属从收集器的收集和移除。可以在步骤216清除或中和不需要的氧。

应该了解上文示例性实施方案是为了图示说明提供的。本领域技术人员会理解，当在给出的技术场景中适当时，上文的步骤(以及本文其他实施例中给出的步骤)可以被等同的步骤代替，或者可以被省略，或者可以包含除了描述的那些步骤之外的其他步骤。

等离子体的带电微粒成分的分离是通过电场和磁场的合适的配置来实现的，或者通过洛伦兹力分离实现，其中等离子体被物理地加速并且被引导通过横向磁场。图3和4示出描述这两种精炼金属氧化物的过程的各自的实施方案的流程图。图3的方法300包含步骤302，该步骤302为向等离子体反应器室的带电内容物施加相对于所述带电内容物的轴向轨道的垂直的电场和磁场，而图4的方法400包含步骤402，所述步骤402为向所述内容物施加垂直的感应速度和磁场。图示说明的过程的步骤被以实施例的方式给出，而不是意在限制本范围，如将会被本领域技术人员所理解的。

图5图示说明根据实施方案的磁电-等离子体分离器系统500的截面视图。所述系统包含：(a)真空容器、(b)真空泵口、(c)磁线圈、(d)供应侧电极、(f)等离子体供应炬、(g)供给线、(h)RF线圈、(i)RF壳体(enclosure)以及(j)产物(product)收集器。

真空容器(a)使过滤器中的反应保持在恰当的压力和材料浓度水平上，以确保所述过程会按期望继续进行。

真空泵(b)可以被使用来提升所述过程的生产量。

磁线圈(e)提供用于处理条件的轴向磁场。

电极(d)会导致正确的电压分布并且因此导致用于需要的处理条件的径向电场。在一些实施方案中，径向电压分布可以是抛物线型的，因而赋予与半径成比例的电场。

等离子体炬(f)被用来供应主等离子体(bulk plasma)(在适当的预处理之后)到系统的主容器或室中，要精炼的金属氧化物被供给到等离子体炬中，在等离子体炬中金属氧化物被初始加热。在一些实施方案中，优选在引导到等离子体炬(f)中之前预加热供给材料。在其他的实施方案中，采用串联的多个这样的等离子体系统，其中第一系统的排出物(exhaust)被提供到第二系统以从第一系统回收热能，否则所述热能会被浪费，并且从而预加热进入到第二系统中的材料。

原料(g)供给到炬——这确保所述炬具有需要的供给来为在适当的温度和压力的等离子体供以燃料。

在真空容器(a)内侧的附加的离子化，可以通过RF带状天线(strap antenna)(h)由RF加热提供。如果未被浸没在等离子体中——RF天线带可以被封装在允许RF传播的壳体(i)中，同时禁止等离子体围绕RF发射结构，那么RF系统进行得最好。

如图6图示说明，微粒的分离根据微粒的质荷比来实现，图6的实施方案可以被当做某些实施方案设计的基准。交叉的电场和磁场导致等离子体的方位角上的旋转(azimuthalrotation)(关于反应器的中央线圆形流动)。在等离子体和轴向磁场中的带电微粒的方位角上的或径向的运动的相互作用创建在单个的带电微粒上的径向力。洛伦兹力被创建，以至于引起室中的各种类(species)或各类型(types)的离子化的材料的分离，该分离根据其各自的质量和电荷。根据F＝q(E+v×B)，用于这样的分离的洛伦兹力(F)对应于带电物质的所述带电成分的微粒速度(v)、所述微粒的电荷(q)以及室中各自电场和磁场(B)和(E)的矢量积。

可以通过包含所述微粒的流的物理作用、机械力、电磁力或其他加速方法来赋予供给材料或离子化的微粒速度。

等离子体中较高质量的种类代表被收集的产物。如前文描述的，所述种类的轨道是这样的，以至于其向外迁移到产物收集器(j)。低质量的种类被更紧密地约束并且通过在底部的低场电极排放(discharge)。具体地，被约束的离子会轴向地行进，而未被约束的离子会径向地逃脱。在金属从氧中分离的情形中，截止点质量(cutoff mass)落在氧的质量和要被从氧中分离的一种或更多种材料的质量之间。装置的操作可以连续地实现。当在收集器(j)中收集足够的产物材料时，所述产物材料可以被收获用于使用或后处理。例如，收集器和其收集的产物可以作为储盒系统(cartridge system)被移除，并且新的收集器储盒系统可以被安装用于系统的继续操作。

可以从磁电-等离子体处理受益的单元过程包含采矿(特别是堆浸)、采矿(溶剂提取)和转换和富集(同位素分离)。使用后再处理和高水平废物稳定处理和储存也可以受益，矿山复垦和含水层修复的问题同样可以受益。相同或相似的益处可以归于稀土和其相关的废物产物以及环境挑战的处理。

下文附加的实施方案意在依靠磁场和电场的具体设计和分布来解决改进分离器的质量分辨能力的问题。MPS的高质量分辨能力的性能不仅对于最终金属产物的纯度(和价值)是重要的，同样对于分离某些矿石和/或矿物的不同稀土成分的能力也是关键的。

图6图示说明简化的分离器系统600，所述分离器系统600示出针对通过图5的系统的不同质量和电荷值的微粒的示例性轨道。微粒602、604被通过质量，或者通过微粒602、604相对的质量和电荷值分离，以至于微粒602、604终止在系统600中的不同的预设计位置。感兴趣的产物可以被设计成在之前描述的收集器上收集，其中不需要的或废物材料可以被排放或在其他收集器上收集。

替换的实施方案可以包含这样的设计，如中流(mid-stream)试剂的添加、废物材料的绝热冷却，以用于与中流试剂反应。图7图示说明具有附加的部件的磁电-等离子体分离器的另一个实施方案。组件包含：a)真空容器、b)真空泵口、c)磁线圈、d)供应侧/高场电极、e)收集器侧/低场电极、f)等离子体供应炬、g)供给线、h)RF线圈、i)RF壳体、j)产物收集器、k)试剂添加结构。轴向磁场可以沿着机器的长度改变以绝热地冷却等离子体。在示出的实施例中，较低的线圈已被移除或者在强度上减少以允许在这个区域的绝热膨胀，电极也已被制作得在半径上更大以适应膨胀的磁场。

图8图示说明包括螺线管设计的实施方案800，所述螺线管设计与基准设计相似，除了电极由单个中央杆(或线)和外面的产物收集器构成。电场将具有在所有轴向位置处1/R的分布。中央电极802被包括来修改系统800的离子化的内容物的内部通道。

图9示出的另一个选项是配置磁场，如在系统900内的区域902增加“等离子体夹(plasma-pinch)”，以提供全部离子化的等离子体进入分离区域(在中央线处)的明确限定的入口，减少室中的等离子体的截面面积。这个实施方案还可以包含图8的中央电极802的设计。

在另一个实施方案中，等离子体反应系统1000包含多个收集器1002、1004，在此方案中，被设置在距等离子体源1006不同的轴向距离处。图10图示说明一个具有两个收集器的实施例——一个用于较高质量的微粒，另一个用于较低质量的微粒。这个装置因而将作为质量斥拒过滤器(Mass Rejection Filter)操作。这个系统还可以从图8和图9的中央电极和等离子体夹概念受益。

图11示出具有用于线性(横向B场)系统的圆形或矩形设计的另一个实施方案1100。这个系统被示出在离子化区域的排放端具有等离子体夹。这个设计提供极好的质量分辨能力，并且可以具有圆柱形1110、膨胀区域1130和/或矩形1120截面。在矩形设计的情形中，能够有高生产量。矩形设计1120可以从面等离子体炬的使用中受益，以更好地适应大的宽高比的矩形孔，所述矩形孔在磁电等离子体分离器(MPS)的“离子化”和“分离”区域之间。

图12示出包括环形磁体1202设计(方位角上的B场1204)的另一个实施方案。

图13示出包括扇形磁体1302的替换的设计。这与线性设计相似，除了只有正离子会被加速通过所述系统，并且中央射线会被偏离一完整的90度。这个讨论是为了图示说明的目的，并且本领域技术人员会理解本实施例的普遍性。设备1300提供非常高的质量分辨能力。排放束线可以包含电场或磁场“推离器(kicker)”以使产物束周期性偏离来交替收集器，以帮助产物金属从非主动的(inactive)收集器的回收。

注意到加速器1304和/或束聚焦装置1306可以被引入反应物供给流，例如在邻近等离子体源(炬)1308处。例如，在反应区域的下游，也可以实现产物分离的种类的进一步的操纵(steering)和准直。

另一个替换的实施方案涉及公开的技术作为锐截止的过滤函数(filter function)的使用，所述锐截止的过滤函数用于使用多阶段系统的清楚和明确限定的质量斥拒。例如，两个或更多个这样的过滤器可以被串联使用，调整到不同的截止点质量。例如：如果期望180amu(原子质量单位)的质量，我们可以设立第一过滤器作为低通过过滤器，并且设立磁场和电场以至于从方程式(1)得到截止点质量是185amu。因而，在185amu质量之下的一切物质都会最后到达等离子体柱的远侧端，而质量在185amu之上的一切离子会最后到达重产物收集器上。

现在可以采用第二过滤器，其中原料来自第一过滤器的轻收集器。这个过滤器可以具有其截止点——原料中重于175amu的一切物质会最后到达重产物收集器上，而只有低于175amu的物质会最后到达远侧的轻产物收集器上。在这个方式中，系统被设立为质量斥拒系统(陷波过滤器的类似物)，并且可以被具体用来从元素被发现的矿石中分离出所述元素。在这种情形中，离子中的一些(正离子或负离子或两者都有)可以是氟。再次，上文具体的实施例可以延伸到其他情况，并且在总结本公开的基础上本领域技术人员会了解这一点。

上文图示说明性的实施例通常被提供为本领域技术人员的指南，并且不是限制于由本公开或发明覆盖的实施方案的表达或隐含描述。其他的几何结构、尺寸和材料性质也可以用在本技术场景中，而不损失普遍性或理解。

以下关于磁电-等离子体分离器的操作的设计参数的各个方面包含以下的方面：

收集器和收集系统：例如，图4示出的产物收集器(j)位于大于等离子体柱的半径的半径处，并且在与流动速度和产物径向损失速度相称的轴向距离处会存在用于产物的收集器。通常地，如果产物在表面被收集，产物和表面的交界面(在所述交界面上产物被收集)可以变成强有力地结合。用于这个产物从收集器的移除的示例性方法和装置在下文节(I)中提出。

室的几何结构、大小和宽高比。垂直定向可以允许在源炬中的某些便利，然而水平配置也不应该被排除。

电场和磁场的最佳量级和最佳分布。这在下文节(II)中研究。

用于获得要被分离的所有元素的最佳离子化分布的操作温度。针对氧所需要并且所独有的操作温度范围是本发明独有并且要解决的问题之一——参见下文节(III)。

RF发射系统，其频率范围和功率：等离子体可以由室内的RF功率加热以维持离子化水平。图14示出RF发射系统1400的示例性实施方案。

氧清除和/或移除：例如，具体地添加氢到等离子体中以中和或消除离子、原子或双原子氧的腐蚀作用是一个选项。这个主题还要在下文节(V)中讨论。本系统和方法的进一步的方面描述如下。

(I)产物收集器以及产物从产物收集器的移除

一个这样的方法将是使用产物和收集器材料的不同的热膨胀系数(CTEs)，以从收集器释放产物。表1和2中，各种感兴趣的材料的CTEs列表如下。

元素	符号	原子序数	CTE(mm/m K)
				钪	Sc	21	10.2
钇	Y	39	10.6
				镧	La	57	12.1
铈	Ce	58	6.3
				镨	Pr	59	6.7
钕	Nd	60	9.6
				钷	Pm	61	11
钐	Sm	62	12.7
				铕	Eu	63	35
钆	Gd	64	9.4
				铽	Tb	65	10.3
镝	Dy	66	9.9
				钬	Ho	67	11.2
铒	Er	68	12.2
				铥	Tm	69	13.2
镱	Yb	70	26.3
				镥	Lu	71	9.9
钽	Ta	73	6.3

表1：一些感兴趣的元素的热膨胀系数CTEs

材料	CTE(mm/m K)
		铬镍铁合金	12.6
316SST	16
		310SST	14.4
因瓦合金	>2

表2：一些其他的感兴趣的材料的热膨胀系数CTEs

在一个实施方案中，收集器在基本上不同于室温的温度下，例如用LN₂(液氮)冷却到低温温度(或者被加热到几百摄氏度)，在分离器中运行。当收集器冷却(或加热)，所述收集器收缩(或膨胀)。一旦分离过程完成并且期望来移除产物，收集器被允许回到室温。产物和收集器材料具有不同或者理想情况下基本上不同的CTEs。当收集器加热到室温(或冷却到室温)时，所述收集器膨胀(或收缩)导致被收集的产物的基本的应力。这些被收集的产物的内部应力引起所述产物从收集器上脱落。

在另一个实施方案中，收集器会在大约室温或者与室温相差不大的温度下在机器中运行。在期望从收集器移除产物的这样的时间，收集器可以被冷却到很低的温度(采用LN₂的低温温度)或者被加热到高温，同样利用由于热收缩或膨胀造成的产物的内部应力，来从收集器释放产物。

在另一个实施方案中，所述移除可以通过物理轰击(bombardment)来实现。用于这样做的一个方法是使用低温固体，所述低温固体升华(sublimate)或者熔化随后容易在STP(标准温度和压力，即20℃and760托)下蒸发(evaporate)，如喷丸(bead blasting)系统中的丸。

CO₂球粒(pellet)或丸经常被使用在清洁应用中以移除材料而既不污染加工件(材料从加工件上被移除)，也不污染从加工件上移除的材料。CO₂气体被转换成固体球粒“干冰”，这些球粒随后被加压并且通过喷嘴以高速发射，这些球粒的动量被使用来轰开(blastaway)堆积的材料。残余的球粒和被移除的堆积的(deposited)材料可以在别处被收集。CO₂球粒会升华，因为CO₂在STP下是气体，剩下的材料将是堆积的任何材料并且随后通过球粒的轰击被移除。

CO₂只是可以被使用于这个过程的一个可能的物质。其他相对不活泼的物质，例如固体氩、固体碳氢化合物、固体乙醇、水冻冰块(water ice)等。任何可以被制作成固体，在磁电-等离子体分离器的收集器中轰击，并且随后在STP下，或者例如在水冻冰块的情形中在合理地少量的热的条件下蒸发掉的材料。

在另一个实施方案中，超声波被使用来使产物从收集器脱开。在磁电-等离子体分离器已经运行给定量的时间之后，收集器会被产物覆盖。随后收集器会被从分离器移除。在此时，收集器会接受超声波机械振动。这会引起覆在收集器上的产物挣脱，并且掉落而在别处被收集为高纯度产物。

在另一个实施方案中，高纯度产物被在表面上收集，所述表面是由与产物相等或更高纯度的相同材料制作的，在收集材料之后，收集器本身、产物等一切可以被粉碎或者以其他方式被转换成用于销售的适当形式。

产物收集器可以是完全由产物材料制作的复杂的几何结构。在不同的实施方案中，收集器可以是箔材形成的或者是箔材延展(stretch over)在收集器的形式。因而，用于覆盖收集器需要的初始材料会被减少。可替换地，收集器可以被产物材料的粉末或者在合适的结合剂中的产物材料的粉末覆盖。可替换地，覆盖的箔材或粉末可以是通过其他手段(化学的手段、大的温度变化等)很容易被从产物材料上分离的东西。可替换地，覆盖的箔材或粉末可以是由这样的材料制作的，所述材料作为产物中的污染物是可接受的。

在另一个实施方案中，产物收集器的壁被很低的蒸气压的液体覆盖，所述液体被允许在重力下顺着收集器的壁向下流。当产物产生时，产物会径向逃脱，并且变成被容纳(lodged)在或被嵌入(embedded)壁的液体中。这个液体随后会通过泵送系统循环，所述泵送系统包括泵、阀或一系列阀以及一个或更多个过滤器部件，所述泵、阀或一系列阀允许液体被引到真空处理室中或者被从真空处理室中移除，并且所述过滤器部件从液体中移除产物。在这种方式中，磁电-等离子体分离器可以连续地操作，并且产物可以连续地从真空处理室被移除。

在另一个实施方案中，在产物收集器外边缘周围，永磁体被定向以至于相邻的磁体具有径向面向内的相反极性。这在重离子收集器的表面创建会切场，所述会切场会使较轻离子避开而使较重离子通过。图15示出这样的会切约束场的实施例。如果场强度和会切几何结构被正确选择，该场可以有助于使杂散的(stray)轻离子转向，同时允许重离子穿过该场而被收集。会切配置不会干扰在合理距离处的轴向磁场。会切几何结构会允许接近收集器的相对强的场对在更远距离处的轴向磁场具有最小的干扰。这将允许收集器使接近范围的轻离子避开，而不扰乱在主要等离子体柱中的需要来用于分离的电场和磁场。在这种方式中，会切场应该允许较高纯度产物在产物收集器被收集。可替换的永磁体1500的极性极可以被周向排列(如图15示出的)或者沿着产物收集器的长度轴向排列。

上文详细的方法将允许以这样的方式的材料收集，所述方式容易从收集器释放以产生公开市场可用的和适合的商品形式的适合产物。

(II)几何结构的确定和操作场强度

以下电磁场的计算属于磁电-等离子体分离器的第一个实施方案，之前表示为“基准”设计。要研究的第一项是在等离子体被通过电场加速的实施方案中的磁电-等离子体分离器的“过滤函数”。这是支配以这个装置过滤材料的物理性质的方程式。过滤函数针对期望的离子质量截止点A_C确定操作参数(B₀是以特斯拉为单位的轴向磁场，V_C是以伏特为单位的在轴上的峰值电压，a是以米为单位的过滤器的半径)。过滤函数由径向力的平衡导出，并且可以被写作以下：

$A_C=\frac{M_i}{{\mathrm{ZM}}_p}=\frac{e{B}_0^2{a}^2}{8V_0{M}_p}---\left[1\right]$

其中A_C是以amu为单位的截止点质量，M_i是以Kg为单位的截止点离子质量，Z是离子的电荷状态，M_p是以Kg为单位的质子质量，并且e是以库伦为单位的电子的电荷。这种复频率比被解读为意味着在这个质量以上的离子将不再被约束在具有这些场的这个几何结构中。表3示出一些感兴趣的材料(包括氧)的有效质量，作为其离子化状态的函数。

表3：感兴趣的材料的质荷比或有效质量

(III)操作温度的确定

接下来，作为温度的函数的氧(O)、钽(Ta)、镧(La)和钕(Nd)的离子化分数(fraction)会被计算出来，后面三个被选择为目标矿物基料的实施例。这些实施例是为了图示说明的目的被给出。本领域技术人员会了解许多其他的实施例和实施方案也是可能的并且也会落在本范围内。

这些离子化数据将允许操作温度的合适选择，所述操作温度的合适选择将确保大部分的氧被离子化并且因而被过滤出去。氧被离子化到其为了最终产物的纯度预期的水平之上的水平是必要的。例如，如果最终金属产物是要到99.99％纯，超过99.99％的氧需要被离子化。这会对金属有影响，并且通常地金属会有比氧更高的离子化状态。下文表4总结了一些感兴趣的元素的已知的离子化电势，以电子伏特(eV)为单位。

表4：针对O、Ta、La和Nd的离子化状态的离子化能(eV)。缺乏所述金属的更高的离子化状态的数据。

对于这些特别的感兴趣的元素，作为温度的函数的离子化分数可以使用萨哈平衡方程式来计算出，所述萨哈平衡方程式为：

$\frac{n_{j+1}}{n_j}=\frac{2Z_{j+1}}{n_e{Z}_j}{\left(\frac{2\mathrm{\π}{m}_e\mathrm{kT}}{h^2}\right)}^{3/2}{e}^{-{\mathrm{\χ}}_{j+1}/\mathrm{kT}}---\left[2\right]$

其中n_j是以m^-3为单位的第j个电荷状态的数量密度，Z_j是第j个状态的配分(partition)函数，n_e是以m^-3为单位的电子的数量密度，m_e是电子的质量，k是波尔兹曼常数，T是以K为单位的温度，h是普朗克常数并且x_j+1是以eV为单位的第j+1个离子化电势。

因为涉及的所有原子必须最终是以一个电荷状态或另一个电荷状态的，其依从：

$1=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{Z}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i---\left[3\right]$

其中N是给定种类的所有原子的总的数量密度，Z是该种类的总电荷，i是离子化状态，其中是以光谱学符号0＝I，1＝II，2＝III，等，并且n_i是电荷状态i的数量密度。这个级数提供以下限定每个带电状态的离子化分数的等式：

$\begin{array}{c}1+\frac{n_0}{N}+\frac{n_1}{N}+\frac{n_1}{N}\frac{n_2}{n_1}+\frac{n_1}{N}\frac{n_2}{n_1}\frac{n_3}{n_2}+...\\ \⇒\frac{n_1}{N}=\frac{(1-\frac{n_0}{N})}{(1+\frac{n_2}{n_1}+\frac{n_2}{n_1}\frac{n_3}{n_2}+...)}\end{array}---\left[4\right]$

中性(neutral)分数n₀/N可以如下估算。人们可以假设只有一个离子化状态，即类氢的。氢的数量密度可以随后被写成：

$n_e=\frac{n_1}{n_0+n_1}N---\left[5\right]$

与方程式[2]结合结果是：

$\frac{n_1^2}{n_0(n_0+n_1)}=\frac{2Z_1}{N{Z}_0}{\left(\frac{2\mathrm{\π}{m}_e\mathrm{kT}}{h^2}\right)}^{3/2}{e}^{-{\mathrm{\χ}}_1/\mathrm{kT}}---\left[6\right]$

通过限定X＝n1/N，方程式[6]可以被改写成简单的二次方程式：

$\frac{X^2}{1-X}=\frac{2Z_1}{N{Z}_0}{\left(\frac{2\mathrm{\π}{m}_e\mathrm{kT}}{h^2}\right)}^{3/2}{e}^{-{\mathrm{\χ}}_1/\mathrm{kT}}---\left[7\right]$

中性分数可以被估算作1减去这个值。尽管这不是用于这种预测的最精确的模型，其被认为用于操作范畴和装置参数的这种估算是足够准确的。

一旦金属中氧污染物的可接受的水平已经被确定，操作温度可以被确定。为了这些分析，做出假设期望例如99.99％纯的钽。这对应于1×10^-4以下的中性氧分数。

在计算维持这种等离子体需要的功率中，要注意等离子体将是包含带负电的离子(O^-)的负电性等离子体。不管怎样，对带正电性等离子体的估算将在此使用，尽管这可能过量估算损失和需要的功率。等离子体的负电性指惯常的两极扩散(ambipolar diffusion)被基本上减少，因而径向离子损失也被减少。

以下参考[Lieberman,M.A and Lichtenberg,A.J.《等离子体放电原理和材料处理》(Principles of plasma discharges and material processing),John Wiley&Sons.NY,NY.1994]，吸收的功率将由方程式给出：

P_abs＝en_iu_BA_effE_T     [8]

其中P_abs是以瓦特为单位的吸收功率，e是电子的电荷e＝1.602×10^-19C，n_i是离子密度，u_B是玻姆速度，A_eff是有效面积，并且E_T是以eV为单位的每个离子的总的能量损失。

对于占主导地位的氧等离子体，E_T是大约97eV。玻姆速度被限定为：

$u_B=\sqrt{\frac{e{T}_e}{m_i}}---\left[9\right]$

其中T_e是以eV为单位的电子温度，并且m_i是离子质量。有效面积被限定为：

A_eff＝2πR(Rh_t+lh_R)     [10]

其中R是以米为单位的等离子体半径，l是以米为单位的等离子体柱长度，并且h_l和h_R由表达式来近似：

$h_l\≈0.86{(3+\frac{l}{2{\mathrm{\λ}}_i})}^{-1/2},h_R\≈0.80{(4+\frac{R}{{\mathrm{\λ}}_i})}^{-1/2}---\left[11\right]$

其中λ_i是离子平均自由程。

如果假设等离子体具有合理强度的、轴向的DC磁场，等离子体的有效长度是不重要的并且A_eff简化为2πR²h_l，损失本质上仅出于末端部分。

为了说明示例性实施方案，提出用于钽的精炼的计算。从上文的离子化计算，可以选择大约1.5eV的平衡温度。假设氧可以是O⁺或O₂ ⁺的状态，并且在这种情形中钽是Ta⁺⁺或者Ta⁺⁺⁺，大约46amu的截止点质量将会是适当的。这是在32amu的O₂ ⁺的有效质量和60.3amu的Ta⁺⁺⁺的有效质量之间的大约一半。使用过滤函数，可行的操作参数将是针对所述磁场的1kG、25cm的半径以及大约165伏特的中央电压。假设在这个机器中有5毫托的起始压力，对于大约1MW的吸收功率，预期密度将是1或2×10²⁰m^-3。这将产出大约0.07mol/s的氧流量。假设原料是Ta₂O₅，这个氧流量将净得大约18kg/hr的Ta金属。

如果存在对于更热的温度(例如5eV)的需求。以同样的机器、用于2毫托的起始压力的大小、场强度等，对于大约1MW的吸收功率，预期密度可以是5或6×10¹⁹m^-3。这将产出大约0.05mol/s或者大约13kg/hr的Ta金属。

可以对其他感兴趣的元素进行类似的分析。

(IV)氧清除

氧的破坏性作用可以通过氢中和方案来减少，以至于氢与氧反应使其转回中性微粒，或优选地成为要被泵送出的H₂O。这也会减小电极功率的要求。氢可以被引导到激发态或者原子态。中和或消除离子、原子或双原子氧的腐蚀作用的另一种方式是用石墨在室的内部作衬，以至于石墨消耗性地吸收所述氧。

本发明应该不被认为限制于上述特别的实施方案。在总结本公开的基础上，本发明所针对的本发明可能可应用的各种改造、等同的过程，以及许多结构，对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

Claims (37)

1.一种磁电等离子体分离器系统，所述系统包括：

室，所述室具有壁，所述壁基本上限定在所述室中的封闭体积；

等离子体炬，所述等离子体炬在所述室的第一端耦合到所述室，所述等离子体炬接收多组分供给材料，并且从所述供给材料提供离子化的微粒的等离子体，并且将所述等离子体注射到所述封闭体积中；

磁场线圈，所述磁场线圈被设立在所述封闭体积外部，所述磁场线圈在所述封闭体积中产生基本上轴向的磁场；

多个电极，所述多个电极在所述封闭体积内产生基本上径向的电场；

所述磁场和所述电场联合作用于所述封闭体积内的带电微粒，从而引起所述带电微粒的平移和旋转，所述带电微粒的平移和旋转限定所述带电微粒通过所述室从所述等离子体源离开的一般的螺旋运动和轨道，所述轨道对应于所述微粒的质量和电荷；

至少一个收集器，所述至少一个收集器以距所述等离子体源一轴向距离被设置在所述室内，所述至少一个收集器与所述带电微粒的质量相称，所述至少一个收集器收集一部分所述带电微粒；以及

排放器，所述排放器在所述室的第二端，所述排放器从所述封闭体积接收未被收集的材料。

2.如权利要求1所述的系统，所述等离子体炬包括感应耦合的等离子体炬，所述感应耦合的等离子体炬包括电感应线圈，所述电感线圈增加在所述等离子体炬中的所述等离子体的温度。

3.如权利要求1所述的系统，所述供给材料包括稀土材料。

4.如权利要求1所述的系统，所述供给材料包括：钽、钛、钨、铌、锂、钯、钒、锆、铍、钍以及铀中的任何一种。

5.如权利要求1所述的系统，包括多个设置在所述室内的收集器，第一收集器在离开所述等离子体源的第一轴向距离处，并且第二收集器在离开所述等离子体源的第二轴向距离处。

6.如权利要求1所述的系统，还包括将所述室的所述内部体积抽真空的真空泵。

7.如权利要求1所述的系统，所述等离子体炬还包括围绕所述等离子体炬的一组磁场线圈。

8.如权利要求1所述的系统，所述室的壁基本上是圆柱形的，并且所述至少一个收集器包括设置在所述室的所述壁内的圆柱形部分。

9.如权利要求1所述的系统，还包括基本上沿着所述室的中央轴位置设置的中央电极。

10.如权利要求1所述的系统，还包括多个相对于彼此串联地布置的所述室，以至于第一室的排放物被供给到第二室中。

11.如权利要求10所述的系统，所述第一室收集至少第一材料并且将至少两种其他材料传递到所述第二室，以在所述第二室中被分离。

12.如权利要求11所述的系统，所述第二室包括收集所述在第一室中未被收集的两种其他材料中的至少一种的收集器。

13.如权利要求1所述的系统，还包括在所述室内提供加热的射频(RF)场源。

14.如权利要求1所述的系统，还包括设置在所述室内的一组磁场线圈，所述磁场线圈减小带电微粒在所述封闭体积内流动的截面面积。

15.如权利要求1所述的系统，还包括至少一个其他(第二个)等离子体源以及相应的至少一个其他(第二个)供给气体供应器。

16.如权利要求1所述的系统，还包括后处理装置，所述后处理装置对从所述系统被收集的材料提供后处理步骤。

17.一种用于操作磁电等离子体分离器系统的方法，所述方法包括步骤：

制备用于在等离子体炬中使用的多组分供给材料；

在所述炬中离子化所述多组分供给材料，以产生所述炬的离子化的细粒输出；

将所述炬的所述离子化的细粒输出注射到磁电等离子体分离器室的内部体积中；

从所述室的外侧向所述内部体积施加基本上轴向的磁场；

对所述内部体积施加基本上径向的电场；

在所述磁场和所述电场的联合力下，引起所述离子化的细粒在离开所述等离子体炬的轴向和关于所述室的轴的方位角两者上，都以基本上螺旋的方式移动；

在作用在所述微粒上的所述联合力下，基于所述微粒的相对质量和电荷，在所述室中从其他类型中在空间上分离出至少第一类型微粒；以及

在收集器中收集所述第一类型微粒，所述收集器在所述室中的轴向位置上被设置在所述室内。

18.如权利要求17所述的方法，还包括预处理所述多组分供给材料。

19.如权利要求18所述的方法，包括预加热所述多组分供给材料。

20.如权利要求18所述的方法，包括机械粉碎输入材料，以产出用于在所述等离子体源中使用的所述多组分供给材料的细粉末。

21.如权利要求17所述的方法，还包括在所述室内抽出真空。

22.如权利要求17所述的方法，还包括将被加热的排出物从所述分离器系统递送到处理的另一个阶段，从而在所述其他阶段从所述被加热的排出物回收废热。

23.如权利要求17所述的方法，还包括将所述其他类型的微粒传递到另一个分离器系统中，以进一步在所述其他类型中从彼此中分离不同类型的材料。

24.如权利要求17所述的方法，还包括绝热地膨胀所述室的所述离子化的内容物。

25.如权利要求24所述的方法，包括将所述离子化的内容物通过在所述室内的增加面积的流动路径传递。

26.一种用于在等离子体室中精炼包括矿石产品的供给材料的方法，所述方法包括：

在耦合到所述室的入口的等离子体炬中加热所述供给材料，从而当所述供给材料进入所述室时，至少部分地离子化所述供给材料；

加速在所述至少部分地离子化的供给材料中的带电微粒；

引导所述加速的带电微粒通过磁场，所述磁场基本上是横向于所述微粒的一般运动方向，从而使用洛伦兹力分离将不同种类的带电微粒从彼此中分离；

在被放置在所述等离子体室中选择的位置上的收集器上，收集所述种类的带电微粒中选取的一种，以对应于所述选取的一种带电微粒的质量和电荷，拦截所述选取的种类；以及

从所述等离子体室排放其他种类的带电成分。

27.如权利要求26所述的方法，所述供给材料包括稀土材料。

28.如权利要求26所述的方法，所述供给材料包括：钽、钛、钨、铌、锂、钯、钒、锆、铍、钍以及铀中的任何一种。

29.如权利要求26所述的方法，根据F＝q(E+v×B)，所述洛伦兹力(F)分离对应于在电场(E)中，电荷(q)的所述带电成分的速度(v)和磁场(B)的矢量积。

30.如权利要求26所述的方法，还包括一旦所述收集器已经收集一定量的所述选取的种类，将所述收集器从使用中移除，并且从所述收集器中提取所述选取的种类，然后将所述收集器恢复使用。

31.如权利要求26所述的方法，所述方法还包括在等离子体炬中蒸气化所述供给材料，从而在将所述供给材料引导到所述室中之前生成等离子体。

32.如权利要求26所述的方法，还包括在加热所述供给材料之前，精细划分所述供给材料。

33.如权利要求26所述的方法，还包括从所述收集的种类中移除不需要的气体。

34.如权利要求26所述的方法，还包括在微粒加速器装置中加速所述种类，所述微粒加速器装置被设置于在注射到所述室中之前预加速所述供给材料微粒的路径上。

35.如权利要求34所述的方法，包括使用不同的压力机械地加速所述微粒，所述不同压力将所述微粒以提高的速度推进所述室。

36.如权利要求34所述的方法，包括使用电磁场加速所述微粒。

37.如权利要求26所述的方法，还包括从所述收集器中提取所述被收集的选取的种类。