DE102007017212A1 - Method and device for cooling a gas - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur vibrationsfreien Kühlung eines Gases zur Verfügung. Das Gas wird in einem ersten Kühlschritt mit einem ersten Kühlmedium in thermischen Kontakt gebracht. Anschließend durchströmt es in einem zweiten Kühlschritt einen Verflüssiger, der in thermischem Kontakt mit einem zweiten Kühlmedium steht, und wird dabei um nicht mehr als 10 K abgekühlt. Dieser geringe Temperaturgradient ist maßgeblich dafür verantwortlich, dass der den Verflüssiger verlassende gasförmige oder flüssige Gasstrom sehr homogen und laminar ist. Er eignet sich daher für die Weiterverarbeitung zu einem Strom aus festen Pellets gleich bleibender Größe. Diese Pellets lassen sich über mehrere Meter im Vakuum transportieren und eignen sich somit als Targetmaterial für die Erzeugung eines Plasmas durch intensive Laserbestrahlung.The invention provides a method and apparatus for vibration-free cooling of a gas. The gas is brought into thermal contact with a first cooling medium in a first cooling step. Subsequently, in a second cooling step, it flows through a condenser, which is in thermal contact with a second cooling medium, and is thereby cooled by not more than 10 K. This low temperature gradient is largely responsible for ensuring that the gaseous or liquid gas stream leaving the condenser is very homogeneous and laminar. It is therefore suitable for further processing into a stream of solid pellets of the same size. These pellets can be transported over several meters in a vacuum and are therefore suitable as target material for the generation of a plasma by intensive laser irradiation.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung, insbesondere zur Verflüssigung, eines Gases.The The invention relates to a method and a device for cooling, in particular for liquefaction, a gas.
Stand der TechnikState of the art
Aus vielen Materialien lässt sich durch Beschuss mit intensivem Laserlicht ein Plasma erzeugen. Ein solches Plasma strahlt unter Anderem Röntgenstrahlung sowie extrem ultraviolettes (EUV) Licht ab. Es kann aber auch geladene Teilchen, wie beispielsweise Elektronen oder Protonen, beschleunigen.Out many materials generate a plasma by bombardment with intense laser light. Such a plasma emits X-rays as well as extremely ultraviolet (EUV) light off. But it can also be charged particles, such as electrons or protons, accelerate.
Da zur Erzeugung eines Plasmas eine sehr hohe Laserintensität notwendig ist, wird das bestrahlte Material (Target) am Ort der Bestrahlung lokal zerstört. Zur dauerhaften Erzeugung eines Plasmas wird daher eine Quelle benötigt, die einen kontinuierlichen Nachschub an unverbrauchtem Targetmaterial liefert.There To generate a plasma, a very high laser intensity is necessary is, the irradiated material (target) is at the site of irradiation locally destroyed. For the permanent generation of a plasma therefore a source is needed, the a continuous supply of unconsumed target material supplies.
Aus (Ö. Nordhage, „On a Hydrogen Pellet Target for Antiproton Physics with PANDA", Dissertation Universität Uppsala, ISBN 91-554-6649-4) ist es bekannt, Wasserstoff zunächst zu verflüssigen, den Flüssigkeitsstrom mit einer vibrierenden Düse in Tropfen aufzuteilen und diese Tropfen anschließend durch weitere Abkühlung zu Pellets zu verfestigen. Diese Pellets werden als Targets für die Untersuchung von Wechselwirkungen mit schnellen Protonen an einem Synchrotron benutzt und könnte auch prinzipiell zur Erzeugung von Plasmen durch Laserbeschuss verwendet werden.Out (Ö Nordhage, "On a Hydrogen Pellet Target for Antiproton Physics with PANDA ", Dissertation University Uppsala, ISBN 91-554-6649-4) it is known to add hydrogen first liquefy, the liquid flow with a vibrating nozzle divided into drops and then these drops through further cooling to solidify into pellets. These pellets are used as targets for the investigation of interactions with fast protons at a synchrotron used and could also used in principle for the production of plasmas by laser bombardment become.
Nachteilig sind die so erzeugten Pellets, und somit auch die daraus erzeugten Plasmen, von stark schwankender Qualität.adversely are the pellets produced in this way, and therefore also the ones produced from them Plasmas, of strongly varying quality.
Aufgabe und LösungTask and solution
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung eines Gases bereitzustellen, deren Endprodukt geringere Qualitätsschwankungen aufweist und somit als Rohstoff für die Herstellung von Pellet-Targets für den Laserbeschuss besser geeignet ist als das nach dem Stand der Technik gekühlte Gas.It is therefore the object of the invention, a method and an apparatus for cooling to provide a gas whose end product lower quality variations and thus as a raw material for the production of pellet targets for laser bombardment is more suitable than the cooled according to the prior art gas.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch sowie eine Vorrichtung gemäß Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen. Eine auf der Vorrichtung basierende Plasmaquelle sowie vorteilhafte Verwendungen derselben sind Gegenstände weiterer Nebenansprüche.These The object is achieved by a method according to the main claim and a device according to the independent claim. Further advantageous embodiments will be apparent from the following referred back Dependent claims. An on-device based plasma source and advantageous Uses thereof are the subject of further ancillary claims.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zur Kühlung eines Gases entwickelt. Dabei wird das Gas in einem ersten Kühlschritt durch eine Leitung geführt, die in thermischem Kontakt mit einem ersten Kühlmedium steht.in the As part of the invention, a method for cooling a gas has been developed. In this case, the gas is in a first cooling step through a conduit guided, which is in thermal contact with a first cooling medium.
Als Kühlmedium ist prinzipiell jedes Medium geeignet, das eine geringere Temperatur aufweist als das Gas, wobei die Temperatur vorzugsweise sowohl räumlich über das Medium homogen als auch zeitlich konstant ist. Es kann beispielsweise ein gekühlter Festkörper sein, durch den die Leitung verläuft. Es kann auch ein Bad aus einer Flüssigkeit sein, durch das die Leitung verläuft. Diese Flüssigkeit kann insbesondere ein verflüssigtes Kryogas ein.When cooling medium In principle, any medium is suitable that has a lower temperature as the gas, wherein the temperature preferably both spatially over the Medium is homogeneous as well as temporally constant. It can, for example be a cooled solid, through which the line passes. It can also be a bath of a liquid through which the Line runs. This liquid in particular, a liquefied Kryogas.
Besonders vorteilhaft wird ein verflüssigtes Kryogas, welches Dampf mit der Umgebung auszutauschen vermag, als erstes Kühlmedium gewählt. Da mit dem entweichenden Dampf auch die bei seiner Entstehung aufgenommene Verdampfungswärme an die Umgebung abgegeben wird, steigt die Temperatur des verflüssigten Kryogases so lange nicht über dessen Siedepunkt, wie es nicht komplett verdampft ist.Especially advantageous is a liquefied cryogenic gas, which is capable of exchanging steam with the environment, first cooling medium selected. There with the escaping vapor also those taken in its creation Heat of vaporization is discharged to the environment, the temperature of the liquefied increases Cryogenic gas is not over so long its boiling point, as it is not completely evaporated.
In einem zweiten Kühlschritt wird das Gas durch einen Verflüssiger geführt, der in thermischem Kontakt mit einem zweiten Kühlmedium steht. Dabei ist das zweite Kühlmedium in der Regel kälter als das erste. Es kann aber auch die gleiche Temperatur wie das erste Kühlmedium aufweisen und insbesondere mit diesem identisch sein.In a second cooling step the gas is passed through a condenser guided, which is in thermal contact with a second cooling medium. That's it second cooling medium usually colder as the first one. But it can also be the same temperature as that first cooling medium and in particular be identical to this.
Erfindungsgemäß wird das Gas im zweiten Kühlschritt um nicht mehr als das Doppelte, vorzugsweise um nicht mehr als das 1,5-Fache und ganz besonders bevorzugt um nicht mehr als das 1-Fache des Temperaturunterschieds zwischen seinem Schmelz- und seinem Siedepunkt abgekühlt. Der Temperaturunterschied zwischen dem Schmelz- und dem Siedepunkt ist eine dem Gas innewohnende Materialeigenschaft. Er beträgt beispielsweise für H2 6 K, für N2 14 K sowie für Ar, Kr und Xe jeweils 4 K.According to the invention, the gas is cooled in the second cooling step by not more than twice, preferably not more than 1.5 times and most preferably not more than 1 times the temperature difference between its melting point and its boiling point. The temperature difference between the melting and boiling points is a material property inherent in the gas. It is for example for H 2 6 K, for N 2 14 K and for Ar, Kr and Xe 4 K.
Diese Maßnahme hat die Wirkung, dass die Strömung des Gases im und hinter dem Verflüssiger besonders homogen und besonders laminar ist. Diese Vorteile zeigen sich insbesondere in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, in der das Gas im zweiten Kühlschritt verflüssigt wird: Dann gibt es in der Strömung des verflüssigten Gases keine Stellen, an denen dieses siedet oder gefriert. Es wurde erkannt, dass sich eine derart konditionierte Strömung verflüssigten Gases besonders gut weiter verarbeiten lässt, beispielsweise zu Tropfen definierter Größe und Form: Temperaturschwankungen des verflüssigten Gases bewirken Geschwindigkeitsschwankungen des aus dem Verflüssiger austretenden Gasstrahls. Wird dieser Gasstrahl in Tropfen aufgeteilt, vermindern diese Geschwindigkeitsschwankungen deren Qualität. Die erfindungsgemäße Maßnahme vermindert die Temperaturschwankungen und ermöglicht es so, flüssige Gastropfen mit einer besseren Qualität herzustellen.This measure has the effect that the flow of the gas in and behind the condenser is particularly homogeneous and particularly laminar. These advantages are particularly evident in a particularly preferred embodiment of the invention, in which the gas is liquefied in the second cooling step: Then there are no places in the flow of the liquefied gas at which it boils or freezes. It has been recognized that such a conditioned flow of liquefied gas can be processed particularly well, for example to droplets of defined size and shape: temperature fluctuations of the liquefied gas cause Geschwin digkeitsschwankungen of emerging from the condenser gas jet. If this gas jet is divided into drops, these speed fluctuations reduce their quality. The measure according to the invention reduces the temperature fluctuations and thus makes it possible to produce liquid gas droplets of better quality.
Erfahrungsgemäß ist die Qualität des verflüssigten Gases dann am besten, wenn eine konstante Menge dieses Gases im dem Verflüssiger vorliegt. Dies kann vorteilhaft dadurch erzielt werden, dass das Gas dem Verflüssiger ausschließlich in der Gasphase zugeführt wird. Hierfür darf das Gas nicht schon vor dem Verflüssiger so stark gekühlt werden, dass hier die Temperatur unter den Siedepunkt fällt. Optimalerweise wird das Gas dem Verflüssiger mit einer nur wenig über seinem Siedepunkt liegenden Temperatur zugeführt, so dass seine Temperatur im Verflüssiger nur noch um einen geringen Betrag geändert werden muss. Der Verflüssiger nimmt dann im Wesentlichen den Energieunterschied zwischen der Gasphase und der flüssigen Phase des Gases auf. Das Gas sollte im Verflüssiger nicht gefrieren, da dieser ansonsten verstopfen kann.Experience has shown that quality of the liquefied Gases are best when a constant amount of this gas in the the liquefier is present. This can be achieved advantageously in that the Gas the liquefier exclusively fed in the gas phase becomes. Therefor the gas must not be cooled so much before the condenser that here the temperature falls below the boiling point. Optimally, that will Gas the liquefier with a little bit over supplied to its boiling point temperature, so its temperature in the liquefier only has to be changed by a small amount. The liquefier takes then essentially the energy difference between the gas phase and the liquid Phase of the gas. The gas should not freeze in the condenser since This can otherwise clog.
Der Verflüssiger kann beispielsweise ein gekühlter Festkörper sein, in den eine Leitung für das Gas eingebracht ist. Besonders vorteilhaft wird das zweite Kühlmedium durch den Verflüssiger geführt. Dies überträgt weniger Vibrationen auf das Gas als beispielsweise eine Kühlung des Verflüssigers mit einer Kältemaschine. Es wurde erkannt, dass durch den Verflüssiger übertragene Vibrationen Homogenität und Laminarität der Gasströmung im Verflüssiger beeinträchtigen und daher zu unterbinden sind.Of the condenser For example, a chilled solid be in the lead for the gas is introduced. Particularly advantageous is the second cooling medium through the liquefier guided. This transmits less Vibrations on the gas as, for example, a cooling of the condenser with a chiller. It has been recognized that vibrations transmitted through the condenser combine homogeneity and laminar flow of the gas flow Affect liquefier and therefore are to be prevented.
Der Verflüssiger und damit das durch ihn durchgeleitete Gas lässt sich besonders vibrationsarm kühlen, wenn ein gasförmiges zweites Kühlmedium gewählt wird. Ein einzelnes Gasteilchen hat dann keinen ausreichenden Impuls, um eine messbare Auslenkung des massiven Verflüssigers hervorzurufen. Die Impulsüberträge durch die Gesamtheit der Teilchen sind statistisch so verteilt, dass sie sich fast völlig aufheben und der Verflüssigers insgesamt nicht messbar ausge lenkt wird.Of the condenser and thus the gas passed through it can be particularly low in vibration cool, if a gaseous second cooling medium chosen becomes. A single gas particle will not have enough momentum to cause a measurable deflection of the massive condenser. The Pulse transfers through the totality of the particles are statistically distributed so that they almost completely pick up and the liquefier Total is not measurable out.
Als gasförmiges zweites Kühlmedium ist beispielsweise die Dampfphase über einem verflüssigten Kryogas geeignet. Mit dem Dampf wird Verdampfungswärme abgeführt. Bei konstantem Druck im Vorratsbehälter des zweiten Kühlmediums ist daher die Verdampfungsrate und somit die Temperatur sowohl des verbleibenden verflüssigten Gasvorrats als auch der Dampfphase nahezu konstant. Über den Druck im Vorratsbehälter kann die Verdampfungsrate und somit auch die Temperatur der Dampfphase des zweiten Kühlmediums grob reguliert werden. Der Druck bestimmt zugleich den Fluss des zweiten Kühlmediums, der maßgeblich für die Kühlleistung im Verflüssiger und somit für die Menge an pro Zeiteinheit kühlbarem Gas ist.When gaseous second cooling medium For example, the vapor phase is above a liquefied one Kryogas suitable. The steam dissipates heat of vaporization. at constant pressure in the reservoir of the second cooling medium is therefore the evaporation rate and thus the temperature of both the remaining liquefied Gas supply and the vapor phase almost constant. About the pressure in the storage container can the evaporation rate and thus the temperature of the vapor phase of the second cooling medium roughly regulated. The pressure also determines the flow of the second cooling medium, the authoritative for the cooling capacity in the liquefier and thus for the amount of per unit time coolable Gas is.
Vorteilhaft werden das Gas und das zweite Kühlmedium gegenläufig durch den Verflüssiger geführt. Dies begrenzt die maximal auftretende Temperaturdifferenz zwischen den beiden Strömungen, die eine Turbulenz in der Strömung des Gases hervorrufen kann, insbesondere wenn dieses im zweiten Kühlschritt verflüssigt wird.Advantageous become the gas and the second cooling medium opposite through the liquefier guided. This limits the maximum occurring temperature difference between the two currents, the one turbulence in the flow of the gas, especially if this in the second cooling step liquefied becomes.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Gas vor dem Eintritt in den Verflüssiger mit dem aus dem Verflüssiger austretenden zweiten Kühlmedium in einem Zwischenkühler in thermischen Kontakt gebracht, beispielsweise durch einen Wärmetauscher. Dies vermindert die Temperaturdifferenz, die im zweiten Kühlschritt im Verflüssiger noch zu überbrücken ist. Zugleich wird die Restkälte des aus dem Verflüssiger austretenden zweiten Kühlmediums ausgenutzt, so dass weniger von diesem Kühlmedium verbraucht wird.In a particularly advantageous embodiment of the invention is the Gas before entering the condenser with the leaking from the condenser second cooling medium in an intercooler placed in thermal contact, for example by a heat exchanger. This reduces the temperature difference in the second cooling step in the liquefier still to be bridged. At the same time, the residual cold from the condenser exiting second cooling medium exploited, so that less of this cooling medium is consumed.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Gas zwischen dem ersten Kühlschritt und dem Zwischenkühler erwärmt, beispielsweise mit einer elektrischen Heizung. Dadurch kann die Eintrittstemperatur des Gases in den Verflüssiger besonders feinfühlig und auch schnell reguliert werden. Die Temperatur des Gases unmittelbar nach dem ersten Kühlschritt ist nur vergleichsweise träge zu ändern, weil hierzu der komplette Vorrat des ersten Kühlmediums erwärmt oder abgekühlt werden müsste. Die im Zwischenkühler bewirkte Abkühlung hängt von der Austrittstemperatur des zweiten Kühlmediums aus dem Verflüssiger ab und kann daher nicht direkt beeinflusst werden, ohne zugleich die Temperaturverhältnisse im Verflüssiger zu ändern.In a further advantageous embodiment of the invention is the Gas between the first cooling step and the intercooler heated for example, with an electric heater. This allows the Inlet temperature of the gas in the condenser particularly sensitive and also be regulated quickly. The temperature of the gas immediately after the first cooling step is only comparatively lethargic to change, because this heats the entire supply of the first cooling medium or chilled would have to be. The in the intercooler caused cooling depends on the outlet temperature of the second cooling medium from the condenser and therefore can not be directly influenced without the temperature conditions in the liquefier to change.
Die Temperatur des zweiten Kühlmediums lässt sich grob regulieren durch den Druck im Vorratsbehälter dieses Kryogases, der wiederum dessen Verdampfungsrate bestimmt. Vorteilhaft wird das zweite Kühlmedium vor dem Eintritt in den Verflüssiger erwärmt, beispielsweise mit einer elektrischen Heizung. Diese Erwärmung kann sowohl feinfühliger als auch schneller durchgeführt werden als eine indirekte Temperaturänderung durch Änderung des Drucks im Vorratsbehälter.The Temperature of the second cooling medium can be roughly regulate by the pressure in the reservoir of this cryogenic gas, which in turn determines its evaporation rate. Advantageously, the second cooling medium before entering the condenser heated for example, with an electric heater. This warming can both more sensitive than also done faster be considered an indirect temperature change by change the pressure in the reservoir.
Wird das Gas mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verflüssigt, so sieht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, es im verflüssigten Zustand durch eine vibrierende Düse zu leiten. Diese Düse vibriert vorzugsweise parallel zur Strömungsrichtung des verflüssigten Gases und vorzugsweise mit einer Amplitude zwischen 100 und 1000 nm. Auf diese Weise kann das verflüssigte Gas in einen Strom aus Tropfen gleich bleibender Form und Größe umgewandelt werden. Die Geschwindigkeit des ausströmenden verflüssigten Gases wird durch den Druck bestimmt, mit dem das Gas dem ersten Kühlschritt zugeführt wird, und kann durch Variation dieses Drucks reguliert werden.If the gas is liquefied by the process according to the invention, a particularly advantageous embodiment of the invention provides for it to be passed through a vibrating nozzle in the liquefied state. This nozzle preferably vibrates parallel to the flow direction of the liquefied gas, and preferably with an amplitude of between 100 and 1000 nm. In this way, the liquefied gas in a stream of drops of consistent shape and Size to be converted. The velocity of the effluent liquefied gas is determined by the pressure at which the gas is supplied to the first cooling step and can be regulated by varying this pressure.
Es wurde erkannt, dass unerwünschte Vibrationen bei der Kühlung des Gases nach dem Stand der Technik der begrenzende Faktor für die Qualität der Tropfen und für die Konstanz dieser Qualität waren. Solche Vibrationen wurden beispielsweise durch die Verwendung von Kühlköpfen in das Gas und in die Apparatur eingebracht. Die erfindungsgemäß vibrationsfreie Kühlung vermeidet derartige Störungen und ermöglicht so die Herstellung von Tropfen in nicht nur höherer, sondern auch gleich bleibender Qualität (insbesondere Größe) als dies nach dem Stand der Technik möglich war.It it was recognized that unwanted Vibrations during cooling of the gas of the prior art, the limiting factor for the quality of the drops and for the constancy of this quality were. Such vibrations have been caused, for example, by use from cooling heads in the gas and introduced into the apparatus. The invention vibration-free cooling avoids such disturbances and allows so the production of drops in not only higher, but also the same lasting quality (especially size) as this was possible according to the prior art.
Aus an der vibrierenden Düse gebildeten Tropfen kann beispielsweise durch Beschuss mit intensiven Laserpulsen ein Plasma erzeugt werden, welches Röntgenstrahlen und/oder extrem ultraviolettes (EUV) Licht abstrahlt.Out at the vibrating nozzle formed drops can, for example, by bombardment with intense Laser pulses are generated by a plasma, which X-rays and / or extreme Ultraviolet (EUV) light is emitted.
Für solche und andere Anwendungen, die in einem Vakuum ablaufen, wird das verflüssigte Gas in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung aus der vibrierenden Düse in ein Vakuum überführt. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, das durch die Vibration der Düse in Tropfen gleich bleibender Form und Größe zerteilte verflüssigte Gas zu verfestigen. Dies geschieht durch Oberflächenverdampfung, die eine zusätzliche Kühlung bis unter den Gefrierpunkt bewirkt. Es entsteht dann ein homogener Strom aus festen Pellets, die im Vakuum auch über längere Strecken transportiert werden können. Dies ist insbesondere vorteilhaft für den Beschuss mit intensiven Laserpulsen. Da das dabei erzeugte Plasma erhebliche Wärmemengen und energiereiche Strahlung abgibt, sollte der Beschuss in einem räumlichen Abstand zur Quelle der Pellets stattfinden, um diese Quelle nicht zu beschädigen.For such and other applications that run in a vacuum, the liquefied gas in a particularly advantageous embodiment of the invention the vibrating nozzle transferred to a vacuum. there It is particularly advantageous in that by the vibration of the nozzle in drops uniform shape and size divided liquefied Solidify gas. This is done by surface evaporation, which adds an extra cooling until it reaches freezing. It then creates a homogeneous Electricity from solid pellets, which transports in vacuum also over longer distances can be. This is particularly advantageous for the bombardment with intense laser pulses. Because the plasma generated thereby considerable amounts of heat and emits high-energy radiation, the shelling should be in a spatial Distance to the source of the pellets take place to this source not to damage.
Vorteilhaft erfolgt die Überführung in das Vakuum von der vibrierenden Düse beabstandet; insbesondere kann das verflüssigte Gas durch eine Kammer, in der das gleiche Gas in gasförmigem Zustand vorliegt, in das Vakuum überführt werden, wobei sich das Gas in der Kammer bevorzugt in der Nähe des Tripelpunkts befindet. Hierunter ist insbesondere die Kombination aus einem Druck zwischen dem 0,2-Fachen und dem 3-Fachen des Tripelpunktdrucks mit einer Temperatur zwischen dem 1-Fachen und dem 1,2-Fachen der Tripelpunkttemperatur zu verstehen. Auf diese Weise werden die Homogenität und Flugrichtung des Stroms an verflüssigtem Gas beziehungsweise an den daraus entstandenen Tropfen beim Übertritt in das Vakuum so weit wie möglich gewahrt.Advantageous the transfer takes place in the vacuum is spaced from the vibrating nozzle; especially can the liquefied Gas through a chamber in which the same gas is in a gaseous state, be transferred into the vacuum, wherein the gas in the chamber preferably in the vicinity of the triple point located. This includes in particular the combination of a pressure between 0.2 times and 3 times the triple point pressure with a Temperature between 1 times and 1.2 times the triple point temperature to understand. In this way, the homogeneity and flight direction the stream of liquefied Gas or the resulting drop when crossing in the vacuum as much as possible maintained.
Aus dem gleichen Grund ist es vorteilhaft, das verflüssigte Gas durch eine Düse in das Vakuum zu überführen, deren Innendurchmesser zum Vakuum hin stetig abnimmt. Dabei sollte der Innendurchmesser der Düse beim Eintritt des Gases um einen Faktor von höchstens 10, bevorzugt um einen Faktor zwischen 3 und 4, größer sein als auf der Vakuumseite. Dann sind auch die Geschwindigkeiten der Flüssigkeitstropfen beziehungsweise Pellets homogen verteilt, und der Pelletstrom ist eng um die Sollflugrichtung kollimiert.Out For the same reason, it is advantageous to pass the liquefied gas through a nozzle in the To transfer vacuum, whose Inner diameter gradually decreases towards the vacuum. It should be the Inner diameter of the nozzle when the gas enters by a factor of at most 10, preferably by one Factor between 3 and 4, be greater as on the vacuum side. Then the speeds of the liquid drops or pellets distributed homogeneously, and the pellet stream is tightly collimated around the target flight direction.
Diese Homogenität und Kollimation werden dann maximal, wenn der Druckgradient entlang der Düse minimal wird. Dies kann erzielt werden, wenn der Durchmesser der Düse entlang ihrer Länge exponentiell abnimmt und die Düse zudem vorteilhaft mindestens zehnmal länger ist als ihr Austrittsdurchmesser.These homogeneity and collimation will be maximal when the pressure gradient is along the nozzle becomes minimal. This can be achieved when the diameter of the Nozzle along their length decreases exponentially and the nozzle also advantageous at least ten times longer than their exit diameter.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Gas in mindestens zwei Stufen ins Vakuum überführt. Vorteilhaft herrscht dabei in der ersten Stufe ein Druck von 10–5 mbar oder mehr, vorzugsweise 10–4 mbar oder mehr, so dass die Form der Gastropfen beim Gefrieren zu Pellets erhalten bleibt. Vorteilhaft herrscht in der letzten Stufe ein Druck von 10–6 mbar oder weniger, vorzugsweise 10–7 mbar oder weniger; da dies typische Basisdrücke von Beschleunigeranlagen und Anlagen zur Erzeugung von EUV-Licht sind, können die Pellets dann direkt in diese Anlagen überführt werden. Zur Realisierung der Stufen können beispielsweise mehrere Vakuumkammern mit abgestuften Drücken, die jeweils durch von den Pellets passierbare Öffnungen oder Düsen miteinander verbunden sind, in Flugrichtung der Pellets hintereinander angeordnet werden. Als Vortriebskraft für die Pellets kann der Druckunterschied zwischen den Kammern genutzt werden. Ist eine Tripelpunktkammer vorhanden, erteilt der Übergang aus der Tripelpunktkammer in die erste Vakuumkammer den Pellets eine weitaus größere Beschleunigung als die Übergänge zwischen den übrigen Kammern. Sind die Kammern untereinander angeordnet, kann aber auch das Schwerefeld der Erde als weitere Vortriebskraft genutzt werden, wobei dieser Effekt vergleichsweise gering ist (etwa 15 m/s Geschwindigkeitssteigerung auf 10 m Fallstrecke).In a particularly advantageous embodiment of the invention, the gas is transferred to the vacuum in at least two stages. Advantageously, in the first stage, there is a pressure of 10 -5 mbar or more, preferably 10 -4 mbar or more, so that the shape of the gas droplets remains frozen when frozen into pellets. Advantageously prevails in the last stage, a pressure of 10 -6 mbar or less, preferably 10 -7 mbar or less; Since these are typical base pressures of accelerator systems and systems for generating EUV light, the pellets can then be transferred directly to these systems. To realize the steps, for example, a plurality of vacuum chambers with graduated pressures, which are connected to one another in each case by openings or nozzles which can be passed through by the pellets, can be arranged one behind the other in the direction of flight of the pellets. As a driving force for the pellets, the pressure difference between the chambers can be used. If a triple point chamber is present, the transition from the triple point chamber into the first vacuum chamber gives the pellets a much greater acceleration than the transitions between the remaining chambers. If the chambers are arranged one below the other, however, the gravitational field of the earth can also be used as a further propulsion force, whereby this effect is comparatively low (about 15 m / s speed increase to 10 m fall distance).
Die Pellets haben nach dem Überführen in das Vakuum vorteilhaft eine Geschwindigkeit von mindestens 50 m/s, bevorzugt von mindestens 100 m/s. Bei der Erzeugung von Plasma aus den Pellets mittels Laserbeschuss werden die Pellets verdampft und damit verbraucht. Die Geschwindigkeit des Pelletstroms und die Abstände zwischen den Pellets im Pelletstrom bestimmen über die mögliche Repetitionsrate.The Pellets have after being transferred to the Vacuum advantageously a speed of at least 50 m / s, preferably of at least 100 m / s. In the production of plasma from the pellets by means of Laser bombardment, the pellets are evaporated and thus consumed. The speed of the pellet flow and the distances between determine the pellets in the pellet stream about the possible repetition rate.
Als Kühlmittel sind insbesondere He, N2, Ar, Kr und Xe in gasförmiger und flüssiger Form geeignet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind beispielsweise Flüssigkeitstropfen und feste Pellets aus H2, N2, Ar, Kr und Xe herstellbar.In particular, He, N 2 , Ar, Kr and Xe are suitable in gaseous and liquid form. With the method according to the invention, for example, liquid droplets and solid pellets of H 2 , N 2 , Ar, Kr and Xe can be produced.
Im Rahmen der Erfindung wurde auch eine Vorrichtung zur Kühlung eines Gases entwickelt, die insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Diese Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Verflüssiger umfassend mindestens zwei von dem Gas und einem Hauptkühlmedium gegenläufig durchströmbare Leitungen, die in thermischem Kontakt miteinander stehen.in the The invention also provides a device for cooling a Gas developed in particular for carrying out the method according to the invention suitable is. This device is characterized by a condenser comprising at least two lines through which the gas and a main cooling medium can flow in opposite directions, which are in thermal contact with each other.
Diese Maßnahme hat die Wirkung, dass im Betrieb des Verflüssigers auf der ganzen Länge der beiden Leitungen ein gerin ger Temperaturunterschied zwischen diesen beiden Leitungen einstellbar ist. Ist das Gas in seinem wärmsten beziehungsweise kältesten Zustand, ist es auch das zweite Kühlmedium. Dadurch kann ein geringer Temperaturgradient über den Querschnitt der ersten Leitung erzielt werden, was die Homogenität und Laminarität der Strömung in dieser ersten Leitung verbessert.These measure has the effect that in the operation of the condenser along the entire length of the two Lines a small temperature difference between these two Lines is adjustable. Is the gas in its warmest or coldest Condition, it is also the second cooling medium. This can be a low temperature gradient over the cross-section of the first conduit can be achieved, reflecting the homogeneity and laminarity of the flow in improved this first line.
Dieser Effekt wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung noch dadurch verstärkt, dass die beiden Leitungen parallel oder konzentrisch zueinander angeordnet sind.This Effect is still in an advantageous embodiment of the invention reinforced by that the two lines arranged parallel or concentric with each other are.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem Verflüssiger ein Vorkühlmedium vorgeschaltet, das in thermischen Kontakt mit dem Gas gebracht werden kann. Diese Maßnahme hat die Wirkung, dass das Gas den größten Teil der Temperaturdifferenz zwischen seiner Ursprungstemperatur und der gewünschten Zieltemperatur bereits im thermischen Kontakt mit dem Vorkühlmedium zurücklegen kann. Ist neben der Ursprungstemperatur des Gases seine maximale Temperaturabsenkung im Verflüssiger vorgegeben, ist eine tiefere Endtemperatur erreichbar.In a particularly advantageous embodiment of the invention is the condenser a pre-cooling medium upstream, which are brought into thermal contact with the gas can. This measure has the effect of making the gas most of the temperature difference between its original temperature and the desired target temperature already in thermal contact with the pre-cooling medium can. Is next to the origin temperature of the gas its maximum Temperature reduction in the condenser given, a lower end temperature is reached.
Vorteilhaft ist das Vorkühlmedium in einem Behältnis angeordnet, durch das eine von dem Gas durchströmbare Leitung verläuft. Eine derartige Anordnung maximiert den Wärmekontakt zwischen dem Gas und dem Vorkühlmedium.Advantageous is the pre-cooling medium in a container arranged, through which passes a line through which the gas can flow. A Such arrangement maximizes thermal contact between the gas and the pre-cooling medium.
Das Behältnis weist vorteilhaft eine Ringform auf. Unter einer Ringform ist in diesem Zusammenhang jede geschlossene Form zu verstehen, die einen Bereich in ihrem Inneren eingrenzt. Dieser Bereich muss nicht kreisrund sein, sondern kann auch eine ovale oder auch eckige Form haben; er ist durch das Vorkühlmedium vor Wärmeeinstrahlung aus der Umgebung geschützt.The container advantageously has a ring shape. Under a ring shape is in To understand in this context every closed form, the one Restricted area in its interior. This area does not have to be circular but may also have an oval or even angular shape; it is through the pre-cooling medium against heat radiation protected from the environment.
Vorteilhaft ist der Vorrat des Hauptkühlmediums in diesem umgrenzten Bereich angeordnet. Dann wird vermieden, dass sich dieser übermäßig schnell erwärmt. Beispielsweise kann das Vorkühlmedium preiswerter flüssiger Stickstoff und das Hauptkühlmedium das sehr viel teurere flüssige Helium sein. Wärmeeinstrahlung aus der Umgebung verbraucht in einer solchen Anordnung zusätzlichen Stickstoff, nicht aber zusätzliches Helium.Advantageous is the stock of the main cooling medium arranged in this bounded area. Then it avoids that This is overly fast heated. For example, the pre-cooling medium cheaper liquid Nitrogen and the main cooling medium the much more expensive liquid Be helium. heat radiation from the environment consumes additional nitrogen in such an arrangement, not additional Helium.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die Vorrichtung eine dem Verflüssiger nachgeschaltete Düse, welche Mittel zur Erzeugung einer Vibration aufweist. Als Mittel zur Erzeugung der Vibration sind insbesondere piezoelektrische Mittel geeignet. Ein im Verflüssiger erzeugter laminarer Strom verflüssigten Gases kann durch diese Düse bei geeigneter Wahl der Vibrationsamplitude definiert in Tropfen aufgebrochen werden.In a particularly advantageous embodiment of the invention includes the device a condenser downstream nozzle, which has means for generating a vibration. As a means for generating the vibration are in particular piezoelectric means suitable. One in the condenser liquefied laminar stream produced Gases can through this nozzle with a suitable choice of the vibration amplitude defined in drops be broken up.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die Vorrichtung mindestens eine der Düse nachgeschaltete Unterdruckkammer. Dann können aus der Düse austretende Tropfen verflüssigten Gases beim Übergang in die Unterdruckkammer zu Pellets gefrieren. Es wurde erkannt, dass feste Pellets eine längere Strecke zwischen dem Ort ihrer Erzeugung und dem Ort ihrer Verwendung zurücklegen können als Tropfen verflüssigten Gases. Die Pellets können dann beispielsweise ein Pellettarget bilden, das in einer definierten Wechselwirkungszone mit Strahlung aus einer Strahlungsquelle wechselwirkt. Ein solches Pellettarget hat den Vorteil, dass das Targetmaterial kontinuierlich in die Wechselwirkungszone nachgeliefert werden kann.In a further advantageous embodiment of the invention includes the device at least one of the nozzle downstream vacuum chamber. Then you can exit from the nozzle Drops liquefied Gases at the transition freeze into pellets in the vacuum chamber. It was recognized that solid pellets a longer Distance between the place of their production and the place of their use return can liquefied as drops Gas. The pellets can then, for example, form a pellet target that in a defined Interaction zone interacts with radiation from a radiation source. Such a pellet target has the advantage that the target material can be replenished continuously in the interaction zone.
Um die Form der Tropfen beim Gefrieren zu erhalten, können vorteilhaft mehrere Unterdruckkammern mit abgestuften Drücken hintereinander angeordnet sein.Around To obtain the shape of the drops when frozen can be beneficial several vacuum chambers with graduated pressures arranged one behind the other be.
Vorteilhaft ist die Unterdruckkammer räumlich von der Düse beabstandet, wie beispielsweise durch eine Tripelpunktkammer, in der Bedingungen nahe am Tripelpunkt des Gases vorliegen. Dann erhalten die Flüssigkeitstropfen nach dem Austritt aus der Düse die Gelegenheit, sich zu stabilisieren, bevor sie zu Pellets verfestigt werden.Advantageous the vacuum chamber is spatially from the nozzle spaced, such as by a triple point chamber, in conditions close to the triple point of the gas. Then get the liquid drops after exiting the nozzle the opportunity to stabilize before solidifying into pellets become.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Eintritt in die Unterdruckkammer als eine weitere Düse ausgestaltet ist, deren Innendurchmesser zum Vakuum hin stetig abnimmt. Dabei sollte der Innendurchmesser der weiteren Düse auf der Einlassseite um einen Faktor von höchstens 10 größer ist als auf der Unterdruckseite. Dann sind auch die Geschwindigkeiten der in die Unterdruckkammer eintretenden Flüssigkeitstropfen beziehungsweise Pellets homogen verteilt, und der Pelletstrom ist eng um die Sollflugrichtung kollimiert.In An advantageous embodiment of the invention is the entrance in the vacuum chamber is designed as a further nozzle whose Inner diameter gradually decreases towards the vacuum. It should be the Inner diameter of the other nozzle on the inlet side is larger by a factor of at most 10 as on the vacuum side. Then there are the speeds the entering into the vacuum chamber liquid droplet or Pellets homogeneously distributed, and the pellet flow is tight around the target flight direction collimated.
Im Rahmen der Erfindung wurde eine Plasmaquelle gefunden. Diese enthält eine auf eine Wechselwirkungszone gerichteten Strahlungsquelle sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung eines Gases. Die Vorrichtung ist derart angeordnet, dass sie gekühltes Gas in die Wechselwirkungszone zu emittieren vermag. Als Strahlungsquelle ist insbesondere ein Laser geeignet.In the context of the invention, a Plas found a source. This contains a directed to an interaction zone radiation source and the inventive device for cooling a gas. The device is arranged to emit cooled gas into the interaction zone. As a radiation source, in particular a laser is suitable.
Es wurde erkannt, dass eine solche Plasmaquelle kontinuierlich betrieben werden kann und zugleich langlebiger ist als Plasmaquellen nach dem Stand der Technik. Das Gas als Targetmaterial, welches bei Beschuss mit dem Strahl aus der Strahlungsquelle verbraucht wird, kann unabhängig von seinem Aggregatzustand kontinuierlich nachgeliefert werden. Wird es von der Vorrichtung in Form von Pellets emittiert, kann die Vorrichtung vorteilhaft in einem großen Abstand (Größenordnung 1 m und mehr) von der Wechselwirkungszone angeordnet sein. Dann wird sie nicht durch die Hitze und radioaktive Strahlung des Plasmas beschädigt.It it was recognized that such a plasma source operated continuously can be and at the same time is more durable than plasma sources the state of the art. The gas as the target material, which when bombarded is consumed with the beam from the radiation source, regardless of his State of aggregation be supplied continuously. Will it be from emits the device in the form of pellets, the device advantageous in a big one Distance (order of magnitude 1 m and more) from the interaction zone. Then it will be not by the heat and radioactive radiation of the plasma damaged.
Vorteilhaft umfasst die Plasmaquelle eine Kühlfalle, die den Anteil des Gases aufnimmt, der nicht mit dem Strahl aus der Strahlungsquelle wechselwirkt. Die Kühlfalle ist bevorzugt in Strömungsrichtung des Gases beziehungsweise in Flugrichtung der festen Pellets hinter der Zone angeordnet, in der das Gas beziehungsweise die Pellets mit dem Strahl Wechselwirken. Das Einfangen überschüssiger Gasreste sowie nicht benutzter Pellets in der Kühlfalle verbessert das Vakuum in der Plasmaquelle und vermindert die zur Aufrechterhaltung dieses Vakuums erforderliche Pumpleistung.Advantageous the plasma source comprises a cold trap, which absorbs the portion of the gas that does not emit the jet the radiation source interacts. The cold trap is preferably in the flow direction of the gas or in the direction of flight of the solid pellets behind the zone in which the gas or pellets interact with the beam. The capture of excess gas residues as well used pellets in the cold trap improved the vacuum in the plasma source and reduces the to maintain this vacuum required pump power.
Das mit der Plasmaquelle erzeugte Plasma kann Röntgen- und extrem ultraviolette (EUV) Strahlung erzeugen. In einem solchen Plasma ist auch die Beschleunigung von geladenen Teilchen, wie beispielsweise Elektronen und Protonen, auf Energien von mehreren 100 MeV möglich. Somit kann die Plasmaquelle beispielsweise in einer Vorrichtung zur fotolithographischen Strukturierung von Halbleitern als Quelle für EUV-Strahlung dienen. Sie kann aber auch beispielsweise in einem Teilchenbeschleuniger eingesetzt werden. Die Zone, in der das gekühlte Gas (vorzugsweise in Form von Pellets) und der Beschleunigerstrahl Wechselwirken, ist dann extrem kompakt zu bauen.The Plasma generated with the plasma source can be X-ray and extremely ultraviolet (EUV) generate radiation. In such a plasma is also the acceleration charged particles, such as electrons and protons, at energies of several 100 MeV possible. Thus, the plasma source for example, in a device for photolithographic structuring of semiconductors as a source for EUV radiation serve. But it can also be used for example in a particle accelerator become. The zone where the cooled gas (preferably in the form of pellets) and the accelerator beam interact, is then extremely compact to build.
Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:following the object of the invention is explained in more detail with reference to figures, without that the subject of the invention is limited thereby. It is shown:
Das
Gas
In
einem Ausführungsbeispiel
des Verfahrens wird Wasserstoff als Gas
Durch
die vibrierende Düse
Es wurden zwei verschiedene Typen von vibrierenden Düsen verwendet: in Messing eingefasste Glasdüsen mit Innendurchmessern zwischen 12 und 40 μm sowie Edelstahldüsen mit Innendurchmessern zwischen 16 und 40 μm. Glasdüsen haben glattere innere Oberflächen und erlauben, da sie durchsichtig sind, während des Betriebs die optische Kontrolle ihrer Funktion. Edelstahldüsen sind reproduzierbarer herzustellen, und ihre Austrittsöffnungen haben ein besseres (d. h. kleineres) Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis. Somit wird ein geringerer Druck benötigt, um verflüssigtes Gas durch Edelstahldüsen zu treiben.Two different types of vibrating nozzles were used: brass edged glass nozzles with inside diameters between 12 and 12 inches 40 μm and stainless steel nozzles with inner diameters between 16 and 40 μm. Glass nozzles have smoother inner surfaces and, being transparent, allow optical control of their function during operation. Stainless steel nozzles are more reproducible to produce, and their exit ports have a better (ie, smaller) length to diameter ratio. Thus, a lower pressure is needed to drive liquefied gas through stainless steel nozzles.
Die räumliche und die Winkelverteilung der Pellets sowie ihre Geschwindigkeiten wurden mit CCD-Kameras beobachtet. Nach dem Übertritt in das erste Vakuum haben Pellets von 30 μm Größe eine durchschnittliche Geschwindigkeit von etwa 70 m/s. Über einen Zeitraum von wenigen Sekunden ist die Größe der Pellets bis auf 1% stabil, über einen Zeitraum von mehreren Stunden noch bis auf 10%.The spatial and the angular distribution of the pellets and their velocities were observed with CCD cameras. After crossing into the first vacuum have pellets of 30 microns Size an average Speed of about 70 m / s. Over a period of a few Seconds is the size of the pellets stable up to 1%, over a period of several hours up to 10%.
Der
Radius Rc der Düse für den Übertritt in das Vakuum verjüngt sich
in diesem Ausführungsbeispiel
exponentiell mit der Koordinate x entlang der Düse:
Die
Vorrichtung umfasst einen Laser (nicht eingezeichnet), dessen Strahl
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