DE60125317T2

DE60125317T2 - Tandem-Plasmamassenfilter

Info

Publication number: DE60125317T2
Application number: DE60125317T
Authority: DE
Inventors: Tihiro La Jolla Ohkawa
Original assignee: Archimedes Operating LLC
Current assignee: Archimedes Operating LLC
Priority date: 2000-08-08
Filing date: 2001-04-13
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2021-04-14
Also published as: JP2002052314A; JP3584007B2; US6235202B1; EP1220293B1; DE60125317D1; EP1220293A2; EP1220293A3; RU2229924C2

Description

Dies ist eine Fortsetzungsanmeldung zu der mitanhängigen US-Patentanmeldung 09/464 518, eingereicht am 15. Dezember 1999, welche eine Fortsetzungsanmeldung zu der mitanhängigen und mittlerweile erteilten US-Patentanmeldung 09/192 945, eingereicht am 16. November 1998, nunmehr US-Patent 6096220, ist.
Sachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen und Geräte, die in der Lage sind, geladene Partikel in einem Plasma nach ihren jeweiligen Massen zu trennen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung energieeffiziente Filtervorrichtungen, die Partikel eines bestimmten Massenbereichs aus einem Multispezies-Plasma extrahieren. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, als energieeffizienter Hochdurchsatzfilter zum Trennen von Partikeln mit geringer Masse von Partikeln mit großer Masse geeignet.
Hintergrund der Erfindung
Die allgemeinen Funktionsprinzipien einer Plasmazentrifuge sind bekannt und verstanden. Kurz gesagt erzeugt eine Plasmazentrifuge auf geladene Partikel einwirkende Kräfte, die bewirken, dass sich die Partikel entsprechend ihrer Masse voneinander trennen. Genauer gesagt beruht eine Plasmazentrifuge auf der Wirkung, welche kreuzende elektrische und magnetische Felder auf geladene Partikel haben. Bekanntermaßen bewirken sich kreuzende elektrische und magnetische Felder, dass sich geladene Partikel in einem Plasma in jeweiligen schraubenlinienförmigen Bahnen um eine mittig ausgerichtete Längsachse durch die Zentrifuge bewegen. Währen die geladenen Partikel die Zentrifuge unter dem Einfluss dieser sich kreuzenden elektrischen und magnetischen Felder durchlaufen, sind sie selbstverständlich verschiedenen Kräften ausgesetzt. Insbesondere in radialer Richtung, d.h. in einer zur Achse der Partikelro tation in der Zentrifuge senkrechten Achse, handelt es sich bei diesen Kräften um: 1) eine Zentrifugalkraft F_c, die durch die Bewegung des Partikels verursacht wird; 2) eine elektrische Kraft F_E, die von dem elektrischen Feld E_i auf das Partikel aufgebracht wird, und 3) eine magnetische Kraft F_B, die von dem Magnetfeld B₂ auf das Partikel aufgebracht wird. Mathematisch werden diese Kräfte jeweils ausgedrückt als: Fc = Mrω2; FE = eEr;undFB = erωBz.Wobei:

M: die Masse des Partikels angibt;
r: die Entfernung des Partikels von seiner Drehachse angibt;
ω: die Winkelfrequenz des Partikels bezeichnet;
e: die elektrische Ladung des Partikels bezeichnet;
E: die elektrische Feldstärke angibt, und
B_z: die magnetische Flussdichte des Feldes bezeichnet.

Es ist allgemein akzeptiert, dass in einer Plasmazentrifuge das elektrische Feld radial nach innen gerichtet ist. Anders ausgedrückt nimmt die positive Spannung mit zunehmender Entfernung von der Drehachse der Zentrifuge zu. Unter diesen Bedingungen steht die elektrische Kraft F_E der Zentrifugalkraft F_c entgegen, die auf das Partikel wirkt, und in Abhängigkeit von der Drehrichtung wirkt die Magnetkraft entweder der nach außen gerichteten Zentrifugalkraft entgegen oder unterstützt diese. Daher kann ein Gleichgewichtszustand in radialer Richtung der Zentrifuge wie folgt ausgedrückt werden: ΣFr = 0(positive Richtung radial nach außen) Fc – FE – FB = 0 Mrω2 – eEr – erωBz = 0 (Gl.1)
Es sei darauf hingewiesen, dass die Gl. 1 zwei reale Lösungen, eine positive und eine negative, hat, nämlich:
wobei Ω = eB_z/M.
Bei einer Plasmazentrifuge ist beabsichtigt, ein Gleichgewicht zu finden, um Bedingungen in der Zentrifuge zu erzeugen, die ein Trennen der Partikel nach ihrer Masse durch die Zentrifugalkräfte F_c ermöglichen. Dies geschieht, da sich die Zentrifugalkräfte von Partikel zu Partikel entsprechend der Masse (M) des jeweiligen Partikels unterscheiden. Partikel größerer Masse sind stärkeren F_c ausgesetzt und bewegen sich weiter zum äußeren Rand der Zentrifuge als Partikel geringerer Masse, die schwächeren Zentrifugalkräften ausgesetzt sind. Das Ergebnis ist eine Verteilung von leichteren zu schwereren Partikeln in einer von der gegenseitigen Drehachse nach außen gerichteten Richtung. Es ist jedoch bekannt, dass eine Plasmazentrifuge nicht alle Partikel in der genannten Weise trennt.
Wie zuvor in Zusammenhang mit der Gleichung 1 angegeben, kann ein Kräftegleichgewicht für sämtliche Bedingungen erreicht werden, wenn das elektrische Feld E derart gewählt ist, dass es Ionen einschließt, und Ionen begrenzte Umlaufbahnen aufweisen. Bei dem erfindungsgemäßen Plasmafilter ist das elektrische Feld, anders als bei einer Zentrifuge, mit dem entgegengesetzten Vorzeichen gewählt, um Ionen zu extrahieren. Das Ergebnis ist, dass Ionen mit einer Masse, die größer als ein Grenzwert M_c ist, sich auf nicht eingeschränkten Umlaufbahnen befinden. Die Grenzmasse M_c kann durch Einstellen der Stärke des elektrischen und des magnetischen Felds gewählt werden. Die Grundmerkmale des Plasmafilters können unter Verwendung des Hamilton-Formalismus beschrieben werden.
Die Gesamtenergie (potentielle plus kinetische Energie) ist eine Konstante der Bewegung und wird durch den Hamilton-Operator ausgedrückt: H = eΦ + (PR 2 + Pz 2)/(2M) + (Pθ – eΨ)2/(2Mr2)wobei P_R = MV_R, P_θ = MrV₀ + eΨ, und P_z = MV_z die jeweiligen Komponenten des Moments sind und eΦ die potentielle Energie angibt. Ψ = r²B_z/2 steht in Zusammenhang mit der Magnetflussfunktion und Φ = αΨ + V_ctr bezeichnet das elektrische Potential. E = –∇Φ ist das elektrische Feld, das für den betreffenden Filter größer als Null gewählt ist. Der Hamilton-Operator kann somit umgeschrieben werden als: H = eαr2Bz/2 + eVctr + (PR 2 + Pz 2)/(2M) + (P0 – er2Bz/2)2/(2Mr2)
Es sei angenommen, dass sich die Parameter entlang der z-Achse nicht ändern, so dass sowohl P_z, als auch P₀ Konstanten der Bewegung sind. Ein Erweitern und Umstellen, um sämtliche Konstanten-Terme auf die linke Seite zu bringen, ergibt: H – eVctr – Pz 2/(2M) + P0Ω/2 = PR 2/(2M) + (P0 2/(2Mr2) + (MΩr2/2)(Ω/4 + α)wobei Ω = eB/M.
Der letzte Term ist proportional zu r², so dass, wenn Ω/4 + α < 0, P_R ², da der zweiter Term mit 1/r² kleiner wird, ansteigen muss, um die linke Seite konstant zu halten, während sich das Partikel bezogen auf den Radius nach außen bewegt. Dies führt zu unbegrenzten Umlaufbahnen für Massen, die größer als die Grenzmasse sind, welche wie folgt angegeben ist: MC = e(B2a)2/(8Vctr) wobei verwendet wurde: α = (Φ – Vctr)/Ψ = –2Vctr/(a2BZ) (Gl.2)und wobei α der Radius der Kammer ist.
Indem beispielsweise die Protonenmasse M_p normalisiert wird, kann die Gleichung 2 umgeschrieben werden, um die Spannung zu erhalten, die erforderlich ist, um größere Massen auf freie Umlaufbahnen zu bringen: Vctr > 1.2 × 10–1 (a(m)B(gauss))2/(MC/MP)
Somit erfordern ein Vorrichtungsradius von 1 m, ein Grenzmassenverhältnis von 100 und ein Magnetfeld von 200 Gauss eine Spannung von 48 Volt.
Das gleiche Ergebnis für die Grenzmasse kann erhalten werden, indem man die einfache Kraftgleichgewichtgleichung betrachtet, die durch ΣFr = 0(positive Richtung radial nach außen) Fc + FE + FB = 0 Mrω2 + eEr – erωBz = 0 (Gl.3)wiedergegeben ist, und sich von der Gleichung 1 nur durch das Vorzeichen des elektrischen Feldes unterscheidet und die folgende Lösung hat:
so dass, wenn 4E/rB_zΩ > 1, ω imaginäre Wurzeln hat und das Kräftegleichgewicht nicht erreicht werden kann. Bei einer Filtervorrichtung mit einem Zylinderradius "a", einer mittigen Spannung V_ctr und einer Null-Spannung an der Wand, ist der gleiche Ausdruck für die Grenzmasse: MC = ea2BZ 2/8Vctr (Gl.4)
Wenn die Masse M eines geladenen Partikels größer als der Schwellenwert (M > M_c) ist, bewegt sich das Partikel weiter radial nach außen, bis es auf die Wand trifft, während die Partikel geringerer Masse eingefangen bleiben und am Auslass der Vorrichtung gesammelt werden können. Die Partikel größerer Masse können ebenfalls nach verschiedenen Verfahren von den Wänden wiedergewonnen werden.
Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass bei einer gegebenen Vorrichtung der Wert von M_c in der Gleichung 3 durch die Größe des Magnetfelds B_z und die Spannung in der Mitte der Kammer (d.h. entlang der Längsachse) V_ctr bestimmt ist. Diese beiden Variablen sind durch die jeweilige Ausbildung bestimmt und können geregelt werden. Es ist ebenfalls wichtig, dass die Filterbedingungen (Gleichungen 2 und 3) nicht von Begrenzungsbedingungen abhängig sind. Insbesondere beeinflussen die Geschwindigkeit und die Stelle, an welcher jedes Partikel eines Multispezies-Plasmas in die Kammer eintritt, nicht die Fähigkeit der gekreuzten elektrischen und magnetischen Felder Partikel großer Masse (M > M_c) auszustoßen, während Partikel geringer Masse (M < M_c) auf Kreisbahnen gehalten werden, die innerhalb des Abstands "a" von der Drehachse bleiben.
Bei sämtlichen Prozessen, die ein Plasma erzeugen und anschließend behandeln, ist eine große Menge an Energie erforderlich. Insbesondere ist Energie erforderlich, um das Plasmamaterial zu verdampfen und zu ionisieren. Zusätzlich dazu ist weitere Energie erforderlich, um die elektrischen und magnetischen Felder zu erzeugen, welche zum Einschließen und Behandeln des Plasmas notwendig sind. Infolgedessen hängt die Wirtschaftlichkeit der Verwendung eines Plasmaprozesses, wie beispielsweise eines Plasmamassenfilters oder einer Plasmazentrifuge, zum Trennen eines Materials von einem anderen erheblich von Energieaspekten ab. Ferner beeinflussen die Durchstazrate und die Trenneffizienz ebenfalls den Energieaufwand, der zum Durchführen eines Plasmaprozesses erforderlich ist.
In Plasmaprozessen, wie einem Plasmamassenfilter, neigen Partikel dazu, sich in der einen oder der anderen Richtung entlang magnetischer Feldlinien zu bewegen. Infolgedessen gilt für in ein Magnetfeld eingebrachte Partikel, dass sich ungefähr die Hälfte der Partikel in eine Richtung entlang der Magnetfeldlinien bewegt, während sich die übrigen Partikel in die entgegengesetzte Richtung entlang der Magnetfeldlinien bewegen. Bei einem zylindrischen Behälter mit Magnetfeldlinien, die parallel zu der Zylinderachse verlaufen, wobei Partikel an einem Ende des Behälters eingespeist werden, bewegt sich nur ungefähr die Hälfte der Partikel zum zweiten Ende. Die andere Hälfte der Partikel sammelt sich in dem Behälter an der Einleitestelle. Infolgedessen bewegt sich bei einem Plasmamassenfilter mit einer einfachen Zylinderausbildung nur ungefähr die Hälfte des an einem Ende eingebrachten Materials effektiv zum Auslass am gegenüberliegenden Ende und wird so einer Trennung unterzogen. Eine Folge davon ist, dass ungefähr die Hälfte des Materials wieder verarbeitet werden muss.
In Anbetracht des Vorhergehenden ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Plasmamassenfilter zum Trennen von Partikeln geringer Masse von Partikeln großer Masse zu schaffen, das zum Erhöhen der Energieeffizienz, der Durchsatzrate und der Trenneffizienz konfiguriert ist. Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Plasmamassenfilter zu schaffen, der den doppelten Durchsatz eines einfachen zylindrischen Plasmamassenfilters hat, indem Dämpfe senkrecht zu den Magnetfeldlinien in ein Magnetfeld eingeleitet werden, und anschließend ermöglicht wird, dass sich die Hälfte des in dem Filter erzeugten Plasmas in einer ersten Richtung entlang der Magnetfeldlinien zu einer ersten Sammeleinrichtung bewegt, und das übrige Plasma sich in die entgegengesetzte Richtung zu einer zweiten Sammeleinrichtung bewegt. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Plasmamassenfilter zum Trennen von Partikeln geringer Masse von Partikeln großer Masse zu schaffen, der verhindert, dass eine wesentliche Menge der Parti kel an dem Einleitepunkt aus dem Behälter austritt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Plasmamassenfilter zu schaffen, der einfach zu verwenden, relativ einfach herzustellen und vergleichsweise kostengünstig ist.
Überblick über die bevorzugten Ausführungsbeispiele
Ein Plasmamassenfilter zum Trennen von Partikeln geringer Masse von Partikeln großer Masse weist eine zylindrisch geformte Wand auf, welche eine Kammer umschließt, wobei die Kammer eine Längsachse definiert. Um die Außenseite der Kammer befindet sich eine Magnetspule, die ein Magnetfeld B_z erzeugt. Dieses Magnetfeld wird in der Kammer gebildet und ist im wesentlichen parallel zur Längsachse ausgerichtet. Ferner befindet sich an einem Ende der Kammer eine Reihe von Spannungsregelringen, die ein elektrisches Feld E_r Erzeugen, das radial nach außen gerichtet ist und im wesentlichen senkrecht zu dem Magnetfeld ausgerichtet ist. Mit diesen jeweiligen Ausrichtungen bilden B_z und E sich kreuzende magnetische und elektrische Felder. Es ist wichtig, dass das elektrische Feld ein positives Potential entlang der Längsachse V_ctr und im wesentlichen ein Null-Potential an der Wand der Kammer hat.
Im Betrieb ist die Größe des Magnetfeldes B_z und die Größe des positiven Potentials V_ctr entlang der Längsachse der Kammer eingestellt. Ein drehendes Multispezies-Plasma kann sodann in ein Ende der Kammer eingeleitet werden, um mit den sich kreuzenden magnetischen und elektrischen Feldern zusammenzuwirken. Alternativ kann ein Material in dampfförmigem Zustand durch einen Einlass in die Kammer eingeleitet werden, der im wesentlichen in der Mitte zwischen den Zylinderenden liegt. Sobald er in die Kammer eingeleitet ist, kann der Dampf ionisiert werden, um ein Multispezies-Plasma zu bilden, indem der Dampf Hochfrequenzenergie (HF) ausgesetzt wird. Eine Hochfrequenzantenne kann an der zylindrischen Wand in der Kammer angebracht werden, um die Hochfrequenzenergie zu erzeugen, die zum Ionisieren des Dampfs erforderlich ist. Sobald die Ionisierung erfolgt ist, bewirkt der sich in dem Plasma entwickelnde Druckgradient, dass die ionisierten Partikel sich ent lang der Magnetfeldlinien in Richtung der Zylinderenden bewegen. Wie im folgenden näher beschrieben, verlassen Partikel geringer Masse den Zylinder an jedem Zylinderende und Partikel großer Masse treffen auf die Zylinderwand und werden dort eingefangen. Genauer gesagt, sind bei einer Kammer mit einer Entfernung "a" zwischen der Längsachse und der Kammerwand B_z und V_ctr gegeben und M_c ist durch den folgenden Ausdruck bestimmt: Mc = ea2(Bz)2/8Vctr.
Infolgedessen sind von sämtlichen Partikeln in dem Multispezies-Plasma die Partikel geringer Masse, die eine geringere Masse als die Grenzmasse M_c (m < M_c) haben, während ihres Durchgangs durch die Kammer in der Kammer gehalten. Andererseits werden Partikel großer Masse, die eine Masse haben, die größer als die Grenzmasse (M > M_c) ist, in die Wand der Kammer ausgestoßen und durchqueren daher nicht die Kammer.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die neuartigen Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie die Erfindung selbst, sowohl hinsichtlich ihres Aufbaus, als auch ihrer Funktionsweise, sind am besten anhand der zugehörigen Zeichnungen in Verbindung mit der zugehörigen Beschreibung zu verstehen, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen und welche zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Plasmamassenfilters, bei dem Teile aus Gründen der Deutlichkeit weggebrochen sind.
2 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel für Spannungsregelringe; und
3 eine perspektivische Darstellung eines Tandem-Plasmamassenfilters, bei dem Teile aus Gründen der Deutlichkeit weggebrochen sind.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
1 zeigt einen Plasmamassenfilter, der allgemein mit 10 bezeichnet ist. Wie dargestellt, weist der Filter 10 eine im wesentlichen zylindrische Wand 12 auf, welche eine Kammer 14 umschließt und eine Längsachse 16 definiert. Die tatsächlichen Abmessungen der Kammer 14 sind in gewissem Maße, jedoch nicht völlig, eine Frage der gewählten Ausbildung. Es ist wichtig, dass der radiale Abstand "a" zwischen der Längsachse 16 und der Wand 12 ein Parameter ist, der den Betrieb des Filters 10 beeinflusst und, wie an anderer Stelle deutlich festgestellt, berücksichtigt werden muss.
In 1 ist ferner dargestellt, dass der Filter 10 mehrere Magnetspulen 18 umfasst, die auf der Außenseite der Wand 12 die Kammer 14 umgebend angebracht sind. In auf diesem Gebiet bekannter Weise können die Spulen 18 aktiviert werden, um ein Magnetfeld in der Kammer 14 zu erzeugen, das eine Komponente B_z hat, welche im wesentlichen entlang der Längsachse 16 gerichtet ist. Darüber hinaus weist der Filter 10 mehrere Spannungsregelringe 20 auf, von denen die Spannungsringe 20a–c repräsentativ dargestellt sind. Wie gezeigt, befinden sich die Spannungsregelringe 20a–c an einem Ende der zylinderförmigen Wand 12 und liegen allgemein in einer Ebene, die im wesentlichen senkrecht zur Längsachse 16 ist. Durch diese Kombination kann ein radial ausgerichtetes elektrisches Feld E_r erzeugt werden. Eine alternative Anordnung für die Spannungsregelung ist die Spiralelektrode 20d in 2.
Bei dem Plasmamassenfilter 10 sind das Magnetfeld B_z und das elektrische Feld E_r spezifisch ausgerichtet, um sich kreuzende elektrische und magnetische Felder zu erzeugen. Wie dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt, bewirken sich kreuzende magnetische und elektrische Felder, dass geladene Partikel (d.h. Ionen) sich auf schraubenlinienförmigen Bahnen bewegen, wie der in 1 dargestellten Bahn 22. Es ist tatsächlich allgemein bekannt, dass sich kreuzende elektrische und magnetische Felder für Plasmazentrifugen verbreitet Verwendung finden. Anders als eine Plasmazentrifuge erfordert jedoch der Plasmamassenfilter 10 der vorliegenden Erfindung, dass die Spannung entlang der Längsachse 16 V_ctr im Vergleich mit der Spannung an der Wand 12, bei der es üblicherweise um eine Null-Spannung handelt, eine positive Spannung ist.
Im Betrieb des Plasmamassenfilters 10 kann ein sich drehendes Multispezies-Plasma 24 in ein Ende 25 der Kammer 14 eingeleitet werden, wie in 1 dargestellt. Unter dem Einfluss der sich kreuzenden elektrischen und magnetischen Felder bewegen sich in dem Plasma 24 enthaltene geladene Partikel im allgemeinen auf schraubenlinienförmigen Bahnen um die Längsachse 16, die der Bahn 22 ähnlich sind. Insbesondere weist das Multispezies-Plasma 24, wie in 1 dargestellt, geladene Partikel auf, die sich voneinander hinsichtlich der Masse unterscheiden. Zu Offenbarungszwecken weist das Plasma 24 zumindest zwei verschiedene Arten von geladenen Partikeln auf, nämlich Partikel großer Masse 26 und Partikel geringer Masse 28. Es kommt jedoch vor, dass nur die Partikel geringer Masse 28 tatsächlich in der Lage sind, die Kammer 14 zu durchqueren.
Entsprechend zuvor ausgeführter mathematischer Berechnungen ist die Grenze zwischen Partikeln geringer Masse 28 und Partikeln großer Masse 26 durch die Grenzmasse M_c gebildet, welche durch den folgenden Ausdruck wiedergegeben werden kann: Mc = ea2(Bz)2/8Vctr.
In dem obigen Ausdruck bezeichnet e die Ladung eines Elektrons, a den Radius der Kammer 14, B_z die Größe des Magnetfelds und V_ctr die entlang der Längsachse 16 herrschende positive Spannung. Von diesen Variablen in dem Ausdruck ist e eine bekannte Konstante. Andererseits können "a", B_z und V_ctr sämtlich spezifisch für den Betrieb des Plasmamassenfilters 10 ausgelegt und erstellt werden.
Aufgrund der Konfiguration der sich kreuzenden elektrischen und magnetischen Felder und, was wichtig ist, der positiven Spannung V_ctr entlang der Längsachse 16, bewirkt der Plasmamassenfilter 10, dass geladene Partikel in dem Multispezies-Plasma 24 sich während des Durchgangs durch die Kammer 14 unterschiedlich verhalten. Insbesondere sind geladene Partikel großer Masse 26 (d.h. M > M_c) nicht in der Lage, die Kammer 14 zu durchqueren, werden stattdessen in die Wand 12 ausgestoßen. Andererseits werden geladene Partikel geringer Masse 28 (d.h. M < M_c) während ihres Durchgangs durch die Kammer 14 in der Kammer 14 gehalten. Somit verlassen die Partikel geringer Masse 28 die Kammer 14 und werden so wirksam, von den Partikeln großer Masse 26 getrennt.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Plasmamassenfilters 10, bei dem die Kammer 14 mit einem Kammereinlass 30 ausgebildet ist, der im wesentlichen in der Mitte zwischen den Enden 32, 34 der Zylinderwand 12 angeordnet ist. Ein Injektor 22 kann zum Einleiten eines im Dampfzustand befindlichen Materials (Dampf 35) durch den Kammereinlass 30 in Richtung des Pfeils 36 und in die Kammer 14 verwendet werden. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann jeder auf diesem Gebiet bekannte Injektor 33 verwendet werden. Sobald der Dampf 35 in die Kammer 14 injiziert ist, kann er ionisiert werden, um ein Multispezies-Plasma 24 zu bilden, indem der Dampf 35 Hochfrequenzenergie (HF) ausgesetzt wird. Wie in 3 dargestellt, kann eine Hochfrequenzantenne 38 an der Wand 12 in der Kammer 14 angebracht sein, um die Hochfrequenzenergie zu erzeugen, die zum Ionisieren des Dampfs 35 zu einem Multispezies-Plasma 24 erforderlich ist. Wie dargestellt, umfasst das Multispezies-Plasma 24 Partikel großer Masse 26, Partikel geringer Masse 28 und Elektronen 40.
Sobald es sich in der Kammer 14 befindet, bewirkt ein Druckgradient, der sich in dem Multispezies-Plasma 24 entwickelt, dass sich ein Teil des Multispezies-Plasmas 24 in Richtung des Endes 22 bewegt, während das verbleibende Multispezies-Plasma 24 sich in die entgegengesetzte Richtung zum Ende 34 bewegt. Wie zuvor beschrieben, bewirken die sich kreuzenden elektrischen und magnetischen Felder, dass sich das Multispezies-Plasma 24 auf einer im allgemeinen schraubelinienförmigen Bahn 22 um die Längsachse 16 bewegt, während sich das Plasma 24 in Richtung der Enden 32, 34 bewegt. Entsprechend der zuvor genannten mathematischen Berechnungen sind jedoch lediglich die Partikel geringer Masse 28 in der Lage, die Kammer 14 zu durchqueren und die Kammer 14 durch die beiden Enden 32, 34 zu verlassen. Wie zuvor erwähnt, bewegen sich die Partikel großer Masse 26 auf freien Bahnen. Diese freien Bahnen bewirken, dass die Partikel großer Masse 26 auf die Wand 12 treffen und von dieser eingefangen werden.
Während der hier gezeigte und im Detail offenbarte spezifische Tandem-Plasmamassenfilter vollkommen in der Lage ist, die Aufgaben zu erfüllen und die zuvor erwähnten Vorteile zu realisieren, sei darauf hingewiesen, dass dies lediglich der Darstellung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung dient und keinerlei Einschränkungen hinsichtlich der hier dargestellten Details des Aufbaus oder der Ausbildung beabsichtigt sind, die nicht in den anhängigen Ansprüchen beschrieben sind.

Claims

Plasmamassenfilter zum Trennen von Partikeln geringer Masse von Partikeln großer Masse, mit: einer zylindrisch geformten Wand, welche eine Kammer umschließt, wobei die Kammer eine Längsachse definiert; einer Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes in der Kammer, wobei das Magnetfeld im wesentlichen parallel zu der Längsachse ausgerichtet ist; einer Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes, das im wesentlichen senkrecht zu dem Magnetfeld verläuft, um sich kreuzende magnetische und elektrische Felder zu erzeugen, wobei das elektrische Feld an der Längsachse ein positives Potential und an der Wand ein im wesentlichen Null betragendes Potential aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner mindestens einen Kammereinlass aufweist, der im wesentlichen in der Mitte zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende der zylindrisch geformten Wand angeordnet ist; die Vorrichtung ferner eine Einrichtung zum Einspritzen eines dampfförmigen Materials durch den Kammereinlass und in die Kammer aufweist; und eine Einrichtung zum Ionisieren des dampfförmigen Materials in der Kammer aufweist, um ein Multispezies-Plasma in der Kammer zu erzeugen, das mit den sich kreuzenden magnetischen und elektrischen Feldern zusammenwirkt, um während des Durchgangs durch die Kammer die Partikel großer Masse in die Wand auszustoßen und die Partikel geringer Masse in der Kammer zurückzuhalten, wodurch die Partikel geringer Masse von den Partikeln großer Masse getrennt werden.
Filter nach Anspruch 1, wobei "e" die Ladung eines Partikels bezeichnet, wobei sich die Wand im Abstand "a" von der Längsachse befindet, das Magnetfeld eine Stärke "B_z" entlang der Längsachse hat, das positive Potential an der Längsachse einen Wert "V_ctr" aufweist, die Wand ein Potential von im wesentlichen Null aufweist, und ein Partikel geringer Masse eine Masse hat, die geringer als M_c ist, wobei Mc = ea2(Bz)2/8Vctr.
Filter nach Anspruch 2, ferner mit einer Einrichtung zum Variieren der Stärke (B_z) des Magnetfeldes.
Filter nach Anspruch 2, ferner mit Einrichtungen zum Variieren des positiven Potentials (V_ctr) des elektrischen Feldes an der Längsachse.
Filter nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes eine an der Wand angebrachte Magnetspule ist.
Filter nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Erzeugen des elektrischen Feldes aus einer Reihe von leitfähigen Ringen besteht, die an einem Ende der Kammer entlang der Längsachse angebracht sind.
Filter nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Erzeugen des elektrischen Feldes eine Spiralelektrode ist.
Filter nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Ionisieren des verdampften Materials eine in der Kammer angeordnete Hochfrequenzantenne ist.
Verfahren zum Trennen von Partikeln geringer Masse von Partikeln großer Masse, mit den folgenden Schritten: Umschließen einer Kammer mit einer zylindrisch geformten Wand, wobei die Kammer eine Längsachse definiert; Erzeugen eines Magnetfeldes in der Kammer, wobei das Magnetfeld im wesentlichen parallel zu der Längsachse ausgerichtet ist, und Erzeugen eines elektrischen Feldes, das im wesentlichen senkrecht zu dem Magnetfeld verläuft, um sich kreuzende magnetische und elektrische Felder zu erzeugen, wobei das elektrische Feld an der Längsachse ein positives Potential und an der Wand ein im wesentlichen Null betragendes Potential aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer eine zylindrisch geformte Wand mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende aufweist und im wesentlichen in der Mitte zwischen diesen mit mindestens einem Kammereinlass versehen ist; ferner mit den Schritten des Einspritzens eines verdampften Materials durch den Kammereinlass und in die Kammer; und des Ionisierens des verdampften Materials in der Kammer, um ein Multispezies-Plasma in der Kammer zu erzeugen, das mit den sich kreuzenden magnetischen und elektrischen Feldern zusammenwirkt, um während des Durchgangs durch die Kammer die Partikel großer Masse in die Wand auszustoßen und die Partikel geringer Masse in der Kammer zurückzuhalten, wodurch die Partikel geringer Masse von den Partikeln großer Masse getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei "e" die Ladung eines Partikels bezeichnet, wobei sich die Wand im Abstand "a" von der Längsachse befindet, das Magnetfeld eine Stärke "B_z" entlang der Längsachse hat, das positive Potential an der Längsachse einen Wert "V_ctr" aufweist, die Wand ein Potential von im wesentlichen Null aufweist, und ein Partikel geringer Masse eine Masse hat, die geringer als M_c ist, wobei Mc = ea2(Bz)2/8Vctr.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner mit dem Schritt des Variierens der Stärke (B_z) des Magnetfeldes, um M_c zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner mit dem Schritt des Variierens des positiven Potentials (V_ctr) des elektrischen Feldes an der Längsachse, um M_c zu verändern.