DE2233741C3

DE2233741C3 - Verfahren zum Trennen eines Molekularstrahls

Info

Publication number: DE2233741C3
Application number: DE2233741A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr. 7501 Buechig Gspann
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Gspann Juergen Dipl-Phys Dr 7513 Stutensee
Priority date: 1972-07-08
Filing date: 1972-07-08
Publication date: 1981-05-21
Also published as: ZA734604B; DE2233741A1; FR2191927B1; FR2191927A1; DE2233741B2; CH558198A; NL7309465A; SE401325B; JPS4993092A; US3944399A; JPS6121692B2; GB1434957A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines Molekularstrahls nach Masse und/oder Größe seiner Bestandteile.

In der Wissenschaft und Technik werden häufig Molekuiarstrahlen verwendet, die aus Komponenten verschiedener Masse und/oder verschiedenem gaskinetischen Wirkungsquerschnitt bestehen. Zum Beispiel werden Molekularstrahlen aus Gemischen von leichten und schweren Komponenten erzeugt, mit dem Ziel, die schwere Komponente auf die Geschwindigkeit der leichten zu beschleunigen. Es besteht dann der Wunsch, die leichte Komponente weitgehend wieder abzutrennen. Diese Aufgabe wurde bisher durch Ausblenden des Kernteils des Molekularstrahls gelöst (R. Klingelhöfer, P. Lohse, »Production of Fast Molecular Beames Using Gaseous Mixtures«. The Physics of Fluids, Vol. 7, Nr. 3, S. 379—381), wobei jedoch grundsätzlich nur eine Anreicherung der schwereren Komponente im Kernteil erreicht werden kann, da die Achsen der Richtungsverteilungen der Flugbahnen beider Komponenten zusammenfallen.

In einem anderen praktischen wichtigen Fall besteht der Molekularstrahl aus verschieden großen Molekülagglomeraten, in denen die Moleküle bzw. Atome durch van der Waals-Kräfte zusammengehalten werden (kondensierte Molekularstrahlen). Ein Verfahren zum räumlichen Konzentrieren solcher im Vakuum laufender Strahlen ist dadurch gekennzeichnet, daß der bereits an Agglomeraten angereicherte Strahl an einem Reflektor hoher Oberflächengüte umgelenkt wird, wobei durch Ausblenden vorbestimmter Winkelbereiche des reflektierten Gesamtstrahles Teilstrahlen unterschiedlicher mittlerer Teilchengröße erzeugt werden (deutsches Patent Nr. 16 39 248). Dabei tritt jedoch ein Verlust an Strahlmaterie auf und für einen wirksamen Trennvorgang ist sowohl hohe Oberflächengüte als auch die Einhaltung eines strahlgasspezifischen, vom jeweiligen Größenbereich der Agglomerate abhängigen Reflektortemperatur erforderlich.

Bei einem weiteren Verfahren (US-PS 35 58 877) werden die Komponenten eines Molekularstrahls durch kreuzende Lichtstrahlen dadurch unterschiedlich abgelenkt und damit separiert, daß sie aufgrund selektiver Lichtabsorption den jeweiligen Photonenimpuls selektiv übernehmen. Dieses Verfahren ist auf solche Fälle beschränkt, bei denen eine entsprechende Selektivität der Absorption vorliegt und außerdem eine geeignete Lichtquelle verfügbar ist. Zudem hat die Impulsübertragung mittels Photonen den Nachteil sehr ungünstiger Energieökonomie, da das Verhältnis von Energie und Impuls bei Photonen maximal, nämlich gleich der Lichtgeschwindigkeit, ist

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu bieten, das einen Molekularstrahl unabhängig von der Gasart nach Masse und/oder Größe seiner Teilchen trennt und bei dem bereits in einer Stufe ein möglichst hoher Trenneffekt erhalten werden kann, vor allem dann, wenn die zu trennenden Teilchen nicht zwischenkom-ί primierbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruches beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels, insbesondere eines Ausführungsbeispiels mit kondensierten Molekularstrahlen, mittels der F i g. 1 bis 4 näher erläutert

F i g. 1 zeigt die schematische Anordnung einer Trennanlage,

Fig.2 das Profil des direkten Molekularstrahls und

die Verschiebung seines Maximums in Richtung der Querstrahlachse,

F i g. 3 die Ortsabhängigkeit der mittleren Teilchengröße des direkten und des abgelenkten Molekularstrahls und

F i g. 4 einen Schnitt durch einen Molekularstrahl und einen Querstrahl im Bereich einer Durchsetzungsebene. Kondensierte Molekularstrahlen werden durch Überführung des Kerns einer teilweise kondensierten Überschallströmung ins Hochvakuum erzeugt Sie enthalten kondensierte Materie in Form von Atomoder Molekülagglomeraten und sind durch hohe Materiestromdichte sowie räumlich scharfe Begrenzung ausgezeichnet.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in F i g. 1 schematisch dargestellt Sie besteht aus dem Molekularstrahlerzeugungssystem 1, dem Querstrahlsystem 2 und der Auffangeinrichtung 3 zur Sammlung oder zur Bestimmung der Größe der Teilchen des Molekularstrahls 4 oder deren Geschwindigkeit und zur Messung der Molekülstromdichte.

Bei dem System 1 zur Erzeugung kondensierter N₂-Molekularstrahlen 4 tritt der Molekularstrahl 4 (mit Hauptachse eingezeichnet) durch eine Kegeldüse 5 in eine erste Druckstufe 6 ein, die mittels einer Pumpe 24 evakuiert wird. Der Kern des teilweise kondensierten

Überschallstrahles wird durch den Kollimator 7 in die Hochvakuumkammer 8 überführt die ebenfalls mit

einer Pumpe 25 evakuiert wird.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird reiner

Stickstoff als Molekularstrahlgas 4 verwendet, der in einem Kryostaten (nicht näher dargestellt) durch flüssigen Stickstoff unter Atmosphärendruck vorgekühlt wird. Die Düse S und der Kollimator 7 sind in einem gemeinsamen Kupferdrehteil 9 montiert, das an dem ebenfalls aus Elektrolytkupfer gefertigten Kryostatenboden (nicht näher dargestellt) angeflanscht ist. Die Gaszuführung zur Düse 5 wird dabei durch einen Indiumring gegen die Druckstufe 6 abgedichtet. Um mit einem kontinuierlichen Strahl arbeiten zu können, kann eine öffnung 10 des Kollimators 7 von nur 0,05 mm 0 verwendet werden. Das gesamte Strahlerzeugungssystem 1 ist in bevorzugter Weise von einer Stickstoffkühlfalle umgeben.
Zur Erzeugung des Querstrahls 11 (auch die

Hauptachse eingezeichnet) dient eine konvergente Düse 12, die mittels eines Schlittens 13 (schematisch dargestellt) quer, senkrecht und parallel zum Querstrahl 11 bewegt werden kann, so daß dieser während des Betriebes auf maximale Durchsetzung des Molekular-

Strahls 4 justierbar ist. Um den Kammerdruck in dem Vakuum 8 bei laufendem Querstrahl 11 möglichst niedrig zu halten, wurde in diesem Ausführungsbeispiel CO2 als Querstrahlgas gewählt, das nach Passieren des

Molekularstrahls 4 an den Wandungen innerhalb eines Behälters 14 mit öffnung 15 aufgefroren wird, wobei der Schalter 14 mit einer äußeren Kühlfalle (nicht näher dargestellt) des Strahlerzeugungssystems 1 verbunden sein kann. Der Behälter 14 wird vorzugsweise unmittelbar hinter dem Durchsetzungspunkt 16 von Molekular- und Querstrahl 4 und 11 aufgestellt

Der Düsenvordruck des Querstrahls 11 wird über eine zur Gaszuleitung 17 parallele Druckmeßleitung (nicht näher dargestellt) mit z. B. einem Membranmanometer gemessen. Außerdem wird die Düse 12 gekühlt, damit zur Erhaltung kleiner Impulse der einzelnen Teilchen des Querstrahles U die Geschwindigkeit klein gehalten werden kann. Die Teilchen sollen zusätzlich leicht sein, damit bei den Kollisionen dieser Teilchen mit den Teilchen des Molekularstrahls 4 im Bereich des Durchsetzungspunktes 16 (bzw. der Durchsetzungsebene oder des Durchsetzungsvolumens) die Teilchen des Molekularstrahls 4 nur durch viele Stöße abgelenkt werden.

Die Auffangeinrichtung 3 zum Sammeln oder Bestimmen von Größe und Geschwindigkeit der Teilchen des Molekularstrahls 4 besteht aus einem Sammelbehälter 18 mit evtl. einem Absaugrohr 19 zur Abführung der gesammelten Teilchen. Die Auffangeinrichtung 3 ist auf einem Kreuzschlitten 20 oder dergleichen (schematisch durch Pfeile angedeutet) z. B. in der χ-y-Ebene senkrecht zur Hauptachse des Molekularstrahls 4 verschiebbar. Außerdem kann er sowohl um die x-Achse als auch um die y-Achse geschwenkt werden, wobei jeweils die Spitze (öffnung 21 der Eintrittsblende 22) Fixpunkt bleibt Außerdem kann anstelle des Sammelbehälters 18 eine gekühlte Fläche verwendet werden, auf der der aufgetrennte Molekularstrahl 4 aufgefroren wird.

Zur Messung der Masse und der Molekülstromdichte des Molekularstrahles 4 kann ein Ziehfeld-Laufzeit-Detektor mit Unterbrecherscheibe und eine Ionisationsmanometerröhre mit kegelförmiger Eintrittsblende auf einem Kreuzschlitten befestigt sein. Sie kann anstelle des Sammelbehälters 18 durch den Strahl 4 gefahren werden.

Die Ablenkung des Molekularstrahls 4 durch den rechtwinklig kreuzenden Querstrahl 11 ist in Fig.2 dargestellt. Sie zeigt das Profil 23 der Molekülstromdichte I des Molekularstrahls 4 bei einem Düsenvordruck ft=500 Torr in Richtung der Querstrahlachse 11. Der Querstrahl 11 wird mittels eines Vielkanalsystems, das 1 mm breit und in Richtung der Hauptachse des Molekularstrahls 4 fünf (5) mm lang ist, erzeugt. Der Durchmesser der Einzelkanäle beträgt 0,051 mm, wobei die Kanallänge 3,5 mm und die Transparenz des Systems (offene Fläche) 41% ist. Es ist zu erkennen, daß bei einem Düsenvordruck von p=15 Toir des Querstrahlesill das Maximum Aides Molekularstrahls 4 abgelenkt wird. Die Verschiebung des Intensitätsmaximums M ist dabei direkt proportional zum Düsenvordruck Po und damit auch proportional zur Querstrahlintensität /.

Eine Zusammenstellung der Ergebnisse der Bestimmung der Agglomeratmasse bei 500 Torr Stickstoffdüsenvordruck (mit Vielkanaldüse) ist in F i g. 3 wiedergegeben. Sie zeigt, daß die Ablenkung und Aufweitung des kondensierten Molekularstrahls 4 durch den Querstrahl 11 bei 15,0 Torr CO2- Düsenvordruck mit einer erheblichen Abnahme der mittleren Zahl N der Moleküle pro Agglomerat in Querstrahlrichtung verbunden ist Außerdem nimmt die Geschwindigkeit mit zunehmender Ablenkung ab.

F i g. 4 zeigt Linien gleicher relativer Intensität / des Molekularstrahls 4 mit und ohne Querstrahl 11 (jeweils Hauptachsen bezeichnet; mit Einzeldüse), bezogen auf die jeweils maximale Intensität M. Die durchgezogenen Linien sind Linien gleicher Teilchenstromdichte des direkten (leere Zeichen) und des abgelenkten Molekularstrahls 4 (ausgefüllte Zeichen). Die Teüchenstromdichten entsprechen jeweils von innen nach außen dem 0,8-, 0,6-, 0,4- und 0,2-fachen der maximalen Teilchenstromdichte. Der abgelenkte Molekularstrahl 4 ist danach in Richtung y senkrecht zur Querstrahlachse 11 etwas aufgeweitet und zwar stärker mit zunehmender Ablenkung in x-Richtung (durch die Stoßvorgänge zwischen den Teilchen des Quer- und Molekularstrahls 11 und 4 erzeugt). Das eingezeichnete Geradenbüschel demonstriert daß diese Aufweitung allein auf die endliche Divergenz des Querstrahles 11 zurückzuführen ist

Die Umlenkung des Molekularstrahls 4 durch den Querstrahl 11 beruht auf einer Vielzahl von Einzelstößen, deren resultierende Wirkung einen Impulsübertrag in Richtung der Relativbewegung zwischen Molekular-

und Querstrahl 4 und 11 verursacht Sie läßt sich ermitteln über die Bestimmung des Wiederstandes, den ein umströmter Körper der Strömung entgegensetzt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die Agglomerate in kondensierten Molekularstrahlen

durch einen kreuzenden Überschall-Freistrahl nach ihren Massen separieren. Dabei tritt praktisch kein Verlust an agglomeriertem Material auf. Die geringfügige Aufweitung des kondensierten Molekularstrahls 4 in der Richtung senkrecht zu beiden Strahlen 11 und 4 ist

auf die Divergenz des verwendeten Überschall-Freistrahls zurückzuführen und läßt sich durch Verwendung eines Querstrahls 11 mit möglichst parallelen Stromlinien vermindern bzw. verhindern. Dies wird durch Verwendung genügend langer Vielkanalsysteme (Vielkanaldüsen) bei niedrigem Vordruck des Querstrahles 11 erhalten. Die Divergenz könnte jedoch auch vorteilhaft zur Fokussierung der separierten Teilchen des Molekularstrahls 4 ausgenutzt werden. Da die Separation der Agglomerate eigentlich nach Impulsen erfolgt, ist die theoretische Grenze der Massenauflösung nur durch die Breite der Geschwindigkeitsverteilung einer bestimmten Molekularstrahlmasse gegeben.

Die Separation der Teilchen des Molekularstrahls 4 läßt sich durch eine Mehrfachanwendung des Stoßverfahrens mit Querstrahlen 11 vergrößern. Dazu genügt es, in Richtung der Hauptachse des Molekularstrahls 4, vorzugsweise immer senkrecht zu dessen Hauptachse, hintereinander mehrere Düsen (ähnlich der Düse 12) anzuordnen. Dazu gehören selbstverständlich jeweils Querstrahlauffänger 14, die die Teilchen der Querstrahlen 11 nach dem Durchdringen des Molekularstrahls 4 wiederum auffangen. Diese Auffangvorrichtungen können auch ringförmig um die Hauptachse des Molekularstrahls 4 angeordnet werden und als Kühlfallen ausgebildet sein. Die Richtung der Hauptachse des Molekularstrahls 4 kann dabei einer Kreis- oder Schraubenlinie folgen. Es ist aber auch jederzeit denkbar, die Richtung der Hauptachse oder -achsen des oder d^r Querstrahlen 11 unter einem anderen Winkel als 90° mit der Hauptachse des Molekularstrahls 4 zu kreuzen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Trennen eines Molekularstrahls nach Masse und/oder Größe seiner Bestandteile, dadurch gekennzeichnet, daß der Molekularstrahl mit Hilfe eines oder mehrerer Hilfsgasstrahlen als kreuzende Quersirahlen abgelenkt wird