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Bereich der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
die Erzeugung von Partikeln durch chemisches Reagieren gasförmiger Reaktanten.
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Hintergrund der Erfindung
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Es besteht zunehmend Bedarf an festen
Materialien mit Größen im Bereich
von 1 bis 100 Nanometern (nm). Es wurde gefunden, dass diese Partikel im
Nanometerbereich ungewöhnliche
chemische, mechanische, elektrische, magnetische und optische Eigenschaften
aufweisen, die sich von den entsprechenden Eigenschaften des Schüttguts und
von konventionellen Pulvern unterscheiden. Diese ungewöhnlichen
Eigenschaften können
in einer Reihe von Anwendungen genutzt werden.
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Ein Vorteil von Nanopartikeln gegenüber größeren Partikeln
ist der größere Oberflächenbereich beim
selben Materialgewicht. Der Verhältnis
von Oberflächenbereich
zu Gewicht von Nanopartikeln kann ein oder zwei Größenordnungen
größer sein
als das Verhältnis
von Oberflächenbereich
zu Gewicht von konventionellen Pulvern. Diese Zunahme des Oberflächenbereiches
ist für
eine Reihe verschiedener Anwendungen wie z. B. solche wünschenswert, bei
denen Katalyse, Wasserstoffspeicherung und elektrische Kondensatoren
beteiligt sind.
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Eine Reihe verschiedener Nanopartikel
wurden mittels pyrolytischer Reaktion von Chemikalien in der Gasphase
hergestellt. So wurden beispielsweise mit Laserpyrolyse Nanopartikel
aus Ruß, α-Fe, Fe3C und Fe7C3 hergestellt. Diese wurden in den folgenden
beiden Literaturquellen beschrieben: Bi et al., J. Mater. Res. 8:
1666–1674
(1993) und Bi et al., J. Mater. Res. 10: 2875–2884 (1995).
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Die
US
4,556,416 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Herstellen eines feinen Pulvers. aus Metall oder Keramik.
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Die WO 86/04524 betrifft ein Verfahren
zur Herstellung von Borcarbidpulvern in Submikrongröße.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In einem Aspekt betrifft die Erfindung
eine Vorrichtung zur Erzeugung von Partikeln mit einer Reaktionskammer
und einem länglichen
Reaktanteinlass, allgemein gekennzeichnet durch eine Hauptachse
und eine Nebenachse zum Einleiten eines Stroms von Reaktantgas in
die Reaktantkammer. Die Reaktionskammer ist so konfiguriert, dass
sie allgemein der Form des länglichen
Reaktionseinlasses entspricht, und so, dass ein Strahl entlang eines Strahlungspfades
durch ihn projiziert wird, der der Hauptachse des länglichen
Reaktanteinlasses entspricht und den Reaktantstrom schneidet. Die
Vorrichtung umfasst ferner vorzugsweise ein oder mehrere Inertgaseinlässe, die
so konfiguriert sind, dass ein Inertgas-Sperrstrom entsteht, der
wenigstens einen Teil des Reaktantstroms umgibt, und wobei die Reaktionskammer
so konfiguriert ist, dass der Reaktantstrom und der Inertgas-Sperrstrom einen
erheblichen Teil des Volumens der Reaktionskammer einnehmen. Die
Vorrichtung kann ferner einen Laser zum Erzeugen des Strahls beinhalten.
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Die Vorrichtung beinhaltet vorzugsweise eine
Leitung oder ein Paar Leitungen zum Einleiten von Schutzgas in die
Reaktionskammer. Wenn ein Paar Leitungen zum Einleiten von Schutzgas
die Reaktionskammer verwendet wird, dann, kann jede irr einem Winkel
relativ zum länglicher
Reaktanteinlass positioniert werden, so dass sie einen den Reaktantstrom
schneidenden Pfad definieren. Die Leitung zum Einleiten von Schutzgas
endet vorzugsweise entlang einer Oberfläche der Reaktionskammer.
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Die Reaktionskammer hat vorzugsweise
ein Fenster zum Einleiten des Strahls. Die Reaktantkammer beinhaltet
vorzugsweise ein Rohr mit einem Inendurchmesser, der maximal das
Zweifache der Breite des Durchmessers des Strahls beträgt, entlang
des Strahlenpfades ausgerichtet, und ein Fenster zum Einleiten des
Strahls in die Reaktionskammer. Dieses Fenster befindet sich in
der Nähe
des Endes des Rohrs entfernt von dem Reaktantstrom. Die Reaktionskammer
kann ein Paar Fenster entlang des Strahlenpfades aufweisen. Alternativ
kann in der Reaktionskammer ein Spiegel entlang des Strahlenpfades
angeordnet sein.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung
ist ein Verfahren zum Erzeugen von Partikeln. Das Verfahren beinhaltet
den Schritt des Einleitens eines Reaktantgases in eine Reaktionskammer
in der Form eines länglichen
Reaktantstroms und ist durch eine Hauptachse und eine Nebenachse
gekennzeichnet. Die Reaktionskammer ist so gestaltet, dass sie allgemein der
Form des Reaktantstroms entspricht. Ein Strahl wird durch die Reaktionskammer über einen
Pfad entlang der Hauptachse des Reaktantstroms projiziert, wodurch
eine Reaktion in dem Reaktantgas zur Bildung von Partikeln induziert
wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung beinhaltet der Strahl elektromagnetische
Strahlung, die von einem Laser erzeugt werden kann. Der Reaktantstrom
hat vorzugsweise einen. allgemein rechteckigen Querschnitt.
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Die Erfindung stellt eine Vorrichtung
zum Erzeugen von Partikeln bereit, wobei die Vorrichtung Ressourcen
bei hoher Produktionskapazität
effizient nutzt, ohne dass dies auf Kosten der Qualität der resultierenden
Partikel ginge. Somit ist die Vorrichtung für die kommeryielle Produktion
von Partikeln, insbesondere Nanopartikeln, mit durchschnittlichen
Durchmessern von 100 nm oder weniger geeignet. Die kommerziellen
Produktionsanforderungen werden für Partikel erfüllt, die
durch chemische Reaktion von gasförmigen Reaktanten hergestellt
werden können.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von deren bevorzugten
Ausgestaltungen sowie aus den Ansprüchen hervor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Übersicht über eine
Ausgestaltung einer Vorrichtung der Erfindung.
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2 ist
eine perspektivische Schnittansicht des Gaszuführungssystems und der Reaktionskammer
der Vorrichtung von 1.
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3 ist
eine fragmentarische Perspektivansicht der Schnittdarstellung von 2 aus einer geringfügig gedrehten
Perspektive.
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4 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 von 3.
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5 ist
eine schematische Querschnittsansicht von vier Ausgestaltungen von
optischen Komponenten, die für
die Vorrichtung von 1 geeignet sind,
wobei der Querschnitt entlang einer horizontalen Ebene durch den
optischen Pfad genommen wurde.
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6 ist
eine perspektivische Schnittansicht, die das Auffangsystem der Vorrichtung
von 1 in Bezug auf die
Reaktionskammer und das Gaszuführungssystem
veranschaulicht.
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7 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines Teils eines Auffangsystems
mit mehreren Partikelkollektoren.
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8 ist
eine schematische Querschnittsansicht entlang einer horizontalen
Ebene durch den optischen Pfad, die zwei Ausgestaltungen von mehreren
Reaktionskammern entlang eines einzelnen optischen Pfades veranschaulicht.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausgestaltungen
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Die vorliegende Vorrichtung ist nützlich für die Erzeugung
von Partikeln, insbesondere von Naopartikeln, aus hochaktivierten
chemischen Reaktionen. Die Aktivierungsenergie für die Einleitung der Reaktion
kommt von einem Strahl. Typische Reaktionen sind pyrolytischer Natur,
da die Energie in Wärme
umgewandelt wird, aber auch an anderen Reaktionen können Ungleichgewichtsreaktionen
beteiligt sein, die durch spezifische Interaktionen mit der Strahlung
vorangetrieben werden.
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Eine Vorrichtung zum Herstellen von
Partikeln, insbesondere von Nanopartikeln, ist in den 1-6. veranschaulicht. Die Vorrichtung beinhaltet ein
Gasversorgungssystem 100, eine Reaktionskammer 102,
eine externe Strahlungsquelle 104, ein Auffangsystem 106,
einen Steuercomputer 108 sowie eine Reihe verschiedener Überwachungsgeräte, die nachfolgend
ausführlicher
beschrieben werden. Die hier allgemein beschriebene Vorrichtung
kann für eine
beliebige strahlungsgetriebene chemische Reaktion verwendet werden,
obwohl die präzise
Einstellung der Komponenten variiert werden kann, um die Reaktionsparameter
für die
jeweilige Reaktion zu optimieren.
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Gemäß 1 beinhaltet das Gasversorgungssystem 100 ein
Reaktantversorgungssystem und vorzugsweise ein Schutzgasversorgungssystem.
Das Reaktantversorgungssystem beinhaltet vorzugsweise einen Mixer 124,
der das Mischen der Reaktantgase vordem Eintritt in die Reaktionskammer
fördert.
Gut gemischte Reaktantgase ergeben im Allgemeinen einen homogeneren
Reaktantstrom mit einer entsprechenden Verbesserung von Qualität und Quantität der Produktpartikel.
Reaktantzusammensetzungen innerhalb der "Reaktantgase" können die
Form eines Aerosols haben, d. h. von zerstäubten Tröpfchen; die ähnlich wie
ein Gas in einem Strom fließen.
Der Mixer 124 kann die Form eines Verteilers haben, in
dem alle Reaktanten kombiniert werden. Es können viele verschiedene andere
Designs zum Mischen der Gase verwendet werden
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Der Mixer 124 wird aus einer
oder mehreren Reaktionsvorläuferquelle(n) 126 gespeist. 1 zeigt drei Reaktionsvorläuferquellen 126,
aber die Zahl der Vorläufer
ist von der spezifischen Reaktion abhängig, die Mindestzahl ist einer
für unimolekulare Reaktionen.
Die Anzahl der Vorläuferquellen 126,
die in den Mixer 124 gespeist werden, kann auf die Zahl der
Vorläufer
abgestimmt werden. Der Mixer 124 kann ggf. auch von einer
Strahlung absorbierenden Gasquelle 130 gespeist werden.
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Die Vorläuferquellen 126 können eine
Reihe verschiedener Formen haben, je nach der chemischen, Natur
des Vorläufers.
Wenn die Vorläufer Gase
sind, kann die Quelle der Vorläufer ein
geeigneter Vorratsbehälter
für die
Verbindung sein. Alternativ kann der Vorläufer beispielsweise eine flüchtige Flüssigkeit
sein, eventuell erhitzt, wobei der Dampf in der Reaktion verwendet
wird; eine Flüssigkeit,
bei der ein Aerosol der Flüssigkeit
verwendet wird; oder ein Feststoff, der zur Bildung einer gasförmigen oder
aerosolförmigen
Reaktantquelle gesputtert wird.
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Ein Inertgas kann mit den Vorläufern kombiniert
werden, um deren Fluss zu-unterstützen. Wie in 1 gezeigt, wird eine Quelle des Inertgases 132 durch
einen Durchflussregler 134 zur Vorläuferquelle 126 geleitet.
Das Inertgas kann einfach mit Rohren von der Vorläuferquelle
verbunden, durch eine den Vorläufer
enthaltende Flüssigkeit
geblasen, zum Aufnehmen von Vorläuferverbindungen,
die in einer geeigneten Form hergestellt werden, geleitet oder auf eine
andere Weise geleitet werden, um die Zuführung des Vorläufers in
einer geeigneten Menge zu unterstützen.
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In einigen Fällen können ein oder mehrere der Vorläufer den
Strahl ausreichend absorbieren, so dass kein zusätzliches Absorptionsgas benötigt wird. In
anderen Fällen
ist eine zusätzliche
Strahlungsabsorptionsverbindung nützlich oder notwendig, wo die Strahlungsabsorptionsverbindung
die Energie duch Kollision zu den Reaktanten überträgt Bevorzugte Strahlungsabsorptionsgase
für die
Verwendung mit einem CO2- Laser sind unter
anderem C2H4, NH3 und SF6 Ausreichend
Energie muss von dem Strahl durch Absorbieren von Molekülen zum
Durchführender
Reaktion absorbiert werden.
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Die Strahlungsabsorptionsverbindung
muss in einem gasförmigen
Zustand erzeugt werden, wenn die Verbindung sich nicht bereits in
einem gasförmigen.
Zustand befindet. Geeignete Techniken, um die Strahlungsabsorptionsverbindung
in einen gasförmigen
Zustand zu bringen, sind den in Verbindung mit der Zuführung der
Vorläuferverbindungen
beschriebenen Techniken ähnlich.
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In 1 ist
die Strahlungsabsorptionsgaszuleitung 130 über einen
Durchflussregler 136 mit einem Strahlungsabsorptionsgasvorrat 138 und
vorzugsweise über
einen Durchflussregler 140 mit einem Inertgasvorrat 142 verbunden.
Inertgas kann bei Bedarf mit dem Strahlungsabsorptionsgas gemischt werden,
um eine gewünschte
Konzentration von Strahlungsabsorptionsgas zu erzeugen, das durch die
Strahlungsabsorptionsgaszuleitung 130 fließt. Die
genaue Konfiguration der Inertgasversorgung und der Strahlungsabsorptionsgasversorgung
ist von der gewünschten
Strategie des Mischens der Gase abhängig.
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Gase vom Mixer 124 fließen zu einem
Reaktantgasverteiler 154 mit einer Mehrzahl von Mischgaseinlässen 156,
die mit der Reaktantgasleitung 158 verbunden sind. Es gibt
alternative Möglichkeiten zum
Verbinden des Mixers 124 mit der Reaktantgasleitung 158.
Das Gaszuführungssystem 152 kann
bei Bedarf erhitzt werden, um dazu beizutragen, dass bestimmte Reaktanten
in gasförmiger
Form bleiben, und um die Reaktanten vor der Reaktion vorzuerhitzen.
Ebenso kann die Reaktionskammer 102 zusammen mit dem Gaszuführungssystem 152 erhitzt
werden:
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Gemäß den 2-4 hat
die Reaktantgasleitung 158 im Gaszuführungssystem 152 ein
solches längliches
Längenmaß 160 und
ein solches Breitenmaß 162,
das ein Kanal 164 in der Reaktantgasleitung 158 entsteht.
Diese Maße
sind in der Schnittansicht von 2 dargestellt.
Der Kanal 164 hat vorzugsweise einen allgemein rechteckigen
Querschnitt wie z. B. ein Rechteck, ein Rechteck mit abgerundeten
Ecken oder eine Rechteckform mit ähnlichen geringfügigen Modifikationen.
Der Kanal 164 kann jedoch auch jede beliebige andere Form
haben, die in einer Dimension des Querschnitts relativ zur Orthogonaldimension
ausreichend langgestreckt ist.
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Der Querschnitt von Kanal 164 kann
entlang des Strömungspfads
variieren, aber der langgestreckte Charakter des Kanals muss an
dem in die Reaktantkammer 102 führenden Reaktantgaseinlass 166 deutlich
sein. Kanal 164 kann auf eine Reihe verschiedener Weisen
konfiguriert werden, die ihn zum Reaktantgaseinlass 166 führen. Gemäß 1 und 2 verbreitert sich der Kanal 164 in
Längsrichtung 160 vom
Anschluss an Mischgaseinlässen 156 in
Richtung Reaktionskammer 102 bis auf einen konstanten Wert
an einer gewünschten
Stelle in Längsrichtung, und
verengt sich in Breitenrichtung 162 mit der Annäherung des
Kanals an den Reaktantgaseinlass 166.
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Der Reaktantgaseinlass 166 hat
vorzugsweise eine solche Breite, dass die Breite des resultierenden
Reaktantgasstroms etwa der Breite des Strahls entspricht. Auf diese
Weise wird weder Strahlung noch Reaktantgas in erheblichem Ausmaß dadurch vergeudet,
dass sie sich außerhalb
der Reaktionszone befinden. Alternativ kann der Reaktantgaseinlass so
bemessen werden, dass er kleiner ist als die Breite des Strahls.
Eine geringere Breite ergibt eine höhere Gasgeschwindigkeit für denselben
Massenfluss. Höhere
Geschwindigkeiten bedeuten im Allgemeinen geringere Partikelgrößen, möglicherweise mit
einer anderen kristallinen Struktur.
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Die Länge des Reaktantgaseinlasses 166 ist optimalerweise
die maximale Länge, über die
ausreichend Energie im Strahl bleibt, um die chemische Reaktion über die
gesamte Länge
der Reaktionszone zu unterstützen.
Eine zusätzliche
Antriebskraft für
die Reaktion ergibt sich aufgrund des Wärmeenergietransfers entlang
des Reaktantstroms in Fortpflanzungsrichtung des Strahls und in
den Richtungen lotrecht zum Strahl.
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Auf der Basis einer typischen Reaktion
unter Verwendung eines CO2-Lasers hat der
Reaktantgaseinlass im Allgemeinen eine Breite zwischen etwa 0,1
mm und etwa 50 mm, bevorzugter zwischen etwa 0,5 mm und etwa 30
mm, und eine Länge
zwischen etwa 1 mm und etwa 2 Metern, bevorzugter zwischen etwa
5 mm und etwa 1 Meter. Durchflussraten für Reaktantgase sind von der
Reaktanteinlassgröße und der
Gasgeschwindigkeit abhängig,
die für
die gewünschten
Produktpartikel geeignet gewählt
werden müssen.
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Die Eigenschaften der Produktpartikel
wie Partikelgröße, kristalline
Struktur und Oberflächeneigenschaften,
variieren mit den Reaktionsbedingungen. Reaktionsbedingungen, die
Partikeleigenschaften beeinflussen, sind u. a. Strahlungsintensität, Länge und
Breite des Reaktionsgaseinlasses, Reaktionskammerdruck und Reaktantgas-Strömungsrate. Bevorzugte
Kammerdrücke
liegen im Bereich zwischen sehr niedrigen Unterdrücken und
etwa 1 atm, vorzugsweise zwischen etwa 10 Torr und etwa 500 Torr.
Im Allgemeinen führt
eine kleinere Reaktanteinlassöffnung
zu einer höheren
Gasgeschwindigkeit für dieselbe
Durchflussrate, was eine geringere Partikelgröße ergibt. Eine höhere Gasgeschwindigkeit
erzeugt eine höhere
Durchflussrate von Reaktanten, wenn die übrigen Parameter unverändert bleiben.
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Eine höhere Gasgeschwindigkeit ergibt
auch eine kürzere
Verweilzeit in der Reaktionszone und entsprechend weniger Erhitzung
bei gleichem Strahlungsenergieeingang. Der Reaktionskammerdruck beeinflusst
auch die Verweilzeit der Reaktionsgase in der Reaktionszone. Weniger
Erhitzung führt
zu einer kristallinen Phase, die sich unter niedrigen Temperaturen
bildet. Eine höhere
Strahlungsleistung erhöht die
Reaktionstemperatur, was zur Entstehung von Phasen mit höherer Temperatur
der Reaktionsprodtiktmaterialien führen kann. Die Größe des Reaktanteinlasses
beeinflusst die Menge der Gesamtpartikelproduktion.
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Das Gasversorgungssystem 100 beinhaltet vorzugsweise
ein Schutzgasversorgungssystem. Ein Inertgas, als "Schutzgas" bezeichnet,
kann zum Sperren des Flusses des Reaktantstroms sowie dazu verwendet
werden zu verhindern, dass reaktive Gase und Produktpartikel auf
die Kammerwände
und empfindlichen Teile der Kammer wie z. B. optische Komponenten
auftreffen. Es ist nützlich,
Partikel von den Kammerwänden
fern zu halten, da die Partikel Kontamination verursachen können, wenn
die Kammer später
zur Erzeugung anderer Partikel verwendet wird. Ausreichend hohe
Partikelmengen an der Kammerwand können auch die Leistung allgemein
herabsetzen. Da die Vorrichtung während des Reinigens nicht verwendet
werden kann, nimmt die Produktivität zu, wenn Partikel von den
Oberflächen
in der Reaktionskammer 102 ferngehalten werden.
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Das Schutzgas darf keine erheblichen
Energiemengen vom Strahl absorbieren. Bevorzugte Schutzgase sind
unter anderem Ar, He und N2.
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Gemäß 1 beinhaltet das Schutzgasversorgungssystem
einen Inertgasvorrat 180, der vorzugsweise mit Durchflussreglern 182 und 183 verbunden
ist. Das Schutzgasversorgungssystem kann eine Mehrzahl von Inertgasvorräten und/oder
zusätzlichen
Durchflussreglern beinhalten. Der Durchflussregler 182 ist
vorzugsweise mit Peripherieanschlüssen 184 verbunden.
Peripherieanschlüsse 184 führen Inertgas
in die Reaktionskammer 102 vom Reaktantstrom weg, so dass
Reaktantgase und Produktpartikel von diesen peripheren Bereichen
ferngehalten werden. Die Zuführung
von Inertgas von den Peripherieanschlüssen 184 kann dazu
beitragen, dass Reaktantgase und partikelförmige Produkte von den Reaktantkammerwänden, von
der Optik und von anderen Komponenten in der Reaktantkammer 102 ferngehalten
werden.
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Der Durchflussregler 183 ist
vorzugsweise mit einem Schutgasverteiler 186 verbunden.
Der Schutzgasverteiler 186 leitet das Inertgas an einer Schutzgasheizung 188 vorbei,
die das Inertgas vor dem Eintritt in die Reaktionskammer 102 erhitzt.
Das Schutzgas wird vorzugsweise auf etwa dieselbe Temperatur erhitzt
wie die Reaktantgase, um eine Abkühlung des Reaktantgaseinlasses
zu verhüten, die
zur Kondensation. von Reaktantgasen führen könnte. Darüber hinaus kann die Erhitzung
des Schutzgases den Wärmeverlust
von der Reaktionszone reduzieren. Der Schutzgasverteiler 186 leitet das
Gas dann zu einer Schutzgasleitung 190. Der Schutzgasverteiler 186 kann
den Strom von Inertgas in die Schutzgasleitung 190 auf
eine Reihe verschiedener Weisen leiten. Wie in 1 veranschaulicht, fließt das Inertgas vom
Schutzgasverteiler 186 durch eine Mehrzahl von Kanälen 192 in
die Schutzgasleitung 190.
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Gemäß den 2-4 weist
die Schutzgasleitung 190 vorzugsweise zwei allgemein längliche Schutzgaskanäle 194 auf,
einen Kanal 194 auf jeder Seite des Reaktantgaskanals 164.
Die Schutzgasleitung 190 erzeugt vorzugsweise einen Strom
von Schutzgas in die Reaktionskammer 102 durch längliche
Schutzgaseinlässe 196,
die in die Reaktionskammer 102 führen. In der bevorzugten Konfiguration
erzeugt das Schutzgas einen Sperrstrom von Schutzgas in der Form
eines Schutzgasmantels auf beiden Seiten des Reaktionsgasstroms,
der die Ausbreitung des Reaktantstroms und der resultierenden Partikel
verringert.
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Je nach der Natur der Reaktantgase
ist es möglicherweise
wünschenswert,
die Kanäle 194 in einem
Winkel anzuordnen, um das Schutzgas in Richtung auf den Reaktantstrom
zu leiten. Eine Platzierung der Kanäle 194 in einem Winkel
erhöht
den Sperrcharakter des Schutzgases. Für relativ schwere Reaktantmoleküle im Reaktantstrom
können
die Kanäle 194 etwa
parallel zum Reaktantgaskanal 164 ausgerichtet werden.
Für relativ
leichte Reaktantmoleküle
können
die Schutzgasrohrkanäle 194 in
einem größeren Winkel
relativ zum Reaktantgaskanal 164 ausgerichtet werden.
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Wie beim Reaktantgaskanal 164,
so kann auch der Querschnitt der länglichen Leitungen 194 der
Schutzgaspassage 190 eine Reihe verschiedener Formen haben,
solange die Leitungen 194 eine Abmessung in Längsrichtung
haben, die im Wesentlichen größer ist
als die in Orthogonalrichtung. In einer bevorzugten Ausgestaltung
haben Schutzgaseinlässe 196 eine
geringe Breite zwischen etwa 1 mm und etwa 20 mm, bevorzugter zwischen
etwa 2 und etwa 10 mm. Der Spalt kann zum Erhöhen der Schutzgasgeschwindigkeit
verstellt werden, ohne dass zuviel teures Schutzgas wie z. B. Ar
verwendet wird. Die Schutzgaseinlässe sind vorzugsweise geringfügig länger als
der Reaktantgaseinlass 166.
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Alternativ können sich Schutzgaskanäle 194 in
Fluidverbindung miteinander befinden. So können die länglichen Endrohrkanäle 194 beispielsweise fortgesetzt
werden und sich vereinigen, um einen Querschnitt zu bilden, der
den Reaktantgaskanal 164 völlig umgibt. In einer anderen
Ausgestaltung können die
länglichen
Leitungen 194 durch eine Mehrzahl kleinerer Leitungen mit
einer Reihe verschiedener Formen ersetzt werden, um einen Strom
von Inertgas ähnlich
dem zu erzeugen, der von allgemein länglichen Leitungen 194 erzeugt
wird.
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Wie in den 2-4 dargestellt,
befindet sich der Reaktantgaskanal 164 innerhalb eines
Blocks 198. Facetten 200 des Blocks 198 bilden
einen Teil der Leitungen 194. Ein weiterer Teil der Leitungen 194 vereinigt
sich am Rand 202 mit einer Innenfläche der Reaktionskammer 102.
Die Positionierung von Block 198 bestimmt den Ort des Reaktanteinlasses 166 in
der Reaktantkammer 102. Der Block 198 kann je
nach Reaktion und gewünschten
Bedingungen so umpositioniert oder umplatziert werden, dass die
Beziehung zwischen Reaktanteinlass 166 und Schutzgaseinlässen 196 verändert wird.
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In der Vorrichtung werden kontrollierte
Reaktiensbedingungen in einer Raktionskammer 102 aufrecht
erhalten, die gegeüber
der Umgebung verschlossen ist. Der Schnittpunkt von Reaktantstrom und
Strahl definiert grob die Reaktionszone, in der die Reaktion eingeleitet
wird. Die Produkte der Reaktion ergeben partikelförmige Materialien.
Die genauen Eigenschaften der Partikel sind von den. Reaktanten
und den Bedingungen innerhalb der Reaktionskammer abhängig. Die
Bedingungen innerhalb der Reaktionszone sollten allgemein homogen
sein, damit relativ gleichförmige
Partikel, vorzugsweise Nanopartikel, erzeugt werden.
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Die Reaktionskammer 102 ist
so ausgelegt, dass Kontaminationen der Wände der Kammer mit Partikeln
minimal gehalten, die Produktionskapazität erhöht und Ressourcen effizient
genutzt werden. Zur Erreichung dieser Ziele entspricht die Kammer 102 allgemein
der Form des länglichen
Reaktanteinlasses 166, um das Totvolumen außerhalb
des Reaktantstroms zu verringern. Gase können sich im Totvolumen ansammeln,
was die Menge an vergeudeter Strahlung aufgrund von Streuung. oder
Absorption durch nichtreagierende Moleküle erhöht. Auch können sich aufgrund des Fehlens
von Gasfluss im Totvolumen Partikel darin ansammeln, was eine Kammerkontamination
verursacht.
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Gemäß 1 hat die Reaktionskammer 102 einen
mittleren Kammerabschnitt 220, einen Strahlungsanfangsabschnitt 222 und
einen Strahlungsendabschnitt 224. Gemäß den 2-4 hat
der mittlere Kammerabschnitt 220 einen Hohlraum 226,
in dem die Reaktion stattfindet. In den Hohlraum 226 münden der
Reaktionsgaseinlass 166 und ggf. Schutzgaseinlässe 196.
Der Hohlraum hat einen Auslass 228 entlang des Reaktantstroms
zum Entnehmen von partikelförmigen
Reaktionsprodukten, unreagierten Reaktantgasen und Inertgasen.
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Der Hohlraum 226 ist im
Allgemeinen länglich
und entspricht der Gestalt des Reaktantgaseinlasses 166.
Die Länge
des Hohlraums 226 darf nicht erheblich über die Enden des Reaktantgaseinlasses 166 hinaus
gehen. Ebenso darf die Breite des Hohlraums 226 unter Anbetracht
der Breite des Reaktantstrorns und des Schutzgasmantels um den Reaktantstrom
nicht zu groß sein.
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Das Volumen des Hohlraums 226 beträgt vorzugsweise
nicht mehr als etwa das 20-fache des Volumens des Reaktantstroms,
bevorzugter nicht mehr als etwa das 10-fache, noch stärker bevorzugt wird
etwa das Zwei- bis Vierfache des Volumens des Reaktantstroms. Das
Reaktantstromvolumen wird durch die Fläche des Reaktanteinlasses 166 multipliziert
mit dem Abstand zwischen Reaktanteinlass 166 und Auslass 228 definiert.
Reaktantstrom und den Reaktantstrom umgebender Inertgas-Sperrstrom nehmen
vorzugsweise gemeinsam einen erheblichen Teil des Reaktantkammervolumens
ein.
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Reaktantstrom und Inertgas-Sperrstrom nehmen
vorzugsweise mehr als etwa 50 Prozent des Hohlraumvolumens, bevorzugter
mehr als etwa 80 Prozent ein, noch stärker bevorzugt werden mehr
als etwa 90 Prozent. Das Totvolumen, d. h. der Raum ohne gut definierten
Gasfluss, ist entsprechend klein.
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Die genaue Gestalt des Hohlraums 226 ist nicht
wesentlich, solange der Hohlraum 226 etwa das gewünschte Volumen
hat und der Reaktantstrom nicht behindert wird. Die den Hohlraum 226 bildenden
Oberflächen 230 sind
gemäß 3 und 4 allgemein planar, um die Herstellung
zu erleichtern und das Volumen minimal zu halten, ohne den Gasfluss zu
behindern. Längliche
Seitenwände 232 können vom
Rand nahe des Reaktanteinlasses 166 in Richtung auf den
Randnahe des Auslasses 230 geringfügig nach innen abgewinkelt
sein.
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Gemäß 2 beinhaltet der Strahlungsanfangsabschnitt 222 ein
röhrenförmiges Element 240, das
in den Hohlraum 226 mündet
und in Längsrichtung
des Reaktanteinlasses 166 ausgerichtet ist. An dem röhrenförmigen Element 240 befindet
sich vorzugsweise ein Peripherieanschluss 184, um einen
Inertgasüberdruck
im röhrenförmigen Element 240 zu erzeugen.
Der Inertgasüberdruck
verhindert, dass verdrängte
Reaktantgase in das röhrenförmige Element 240 strömen.
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Der Querschnitt des röhrenförmigen Elements
240 kann jede beliebige Form haben, aber ein kreisförmiger Querschnitt
wird bevorzugt. Der Durchmesser des röhrenförmigen Elementes 240 sollte
geringfügig
größer sein
als die Breite des Strahlungspfades für die Projektion entlang des
röhrenförmigen Elementes 240.
Das röhrenförmige Element 240 ist vorzugsweise
relativ lang und schmal, um zu verhindern, dass erhebliche Mengen
an verdrängten
Reaktantgasen zum Ende der Röhre
fließen.
Das röhrenförmige Element 240 erstreckt
sich vorzugsweise 1 bis 100 cm vom Hohlraum 226, bevorzugter
etwa 2 cm bis etwa 5 cm. Die gewünschte
Länge des
röhrenförmigen Elementes 240 kann
vom Fokus des Strahls beeinflusst werden.
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Der Strahlungsanfangsabschnitt 222 weist ferner
ein Fenster 242 am Ende. des röhrenförmigen Elementes 240 auf.
Das Fenster 242 erlaubt den Eintritt von Strahlung in das
röhrenförmige Element 240, während der
Hohlraum 226 von der Umgebungsluft isoliert bleibt. Das
Fenster 242 kann aus einem beliebigen Material hergestellt
sein, das die Übertragung von
Strahlung in das röhrenförmige Element 240 ermöglicht,
so dass die Wahl des Materials von diesem Strahlungstyp abhängig ist.
Wenn Infrarotstrahlung verwendet wird, dann besteht das Fenster 242 vorzugsweise
aus ZnSe und kann zu einer Linse gestaltet sein, um die optische
Strahlung zu fokussieren, wie nachfolgend näher beschrieben wird. Die Linse kann
mit einer Vakuum-O-Ringdichtung oder durch Schmelzen der Linse direkt
in die Edelstahlflansche montiert werden. Alternativ kann sich die
Strahlungsquelle innerhalb des röhrenförmigen Elementes 240 befinden.
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Der Strahlungsendabschnitt 224 weist
ein röhrenförmiges Element 244 auf.
Ein optisches Element 246 befindet sich im Allgemeinen
am Ende des röhrenförmigen Elementes 244.
Der Aufbau für
das optische Element 246 wird gemäß der Anwendung gewählt.
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Das optische Element 246 kann
ein Spiegel sein, um die Strahlung zurück in den Hohlraum 226 zu
spiegeln oder ein Fenster, um die Übertragung von Strahlung aus
dem röhrenförmigen Element 244 zuzulassen.
Die Verwendung eines Spiegels als optisches Element 246 ergibt
eine höhere
Energiedichte in der Reaktionszone, da unabsorbierte Strahlung zurück in die
Reaktionszone reflektiert wird. Bezugnehmend auf 1, wenn das optische Element 246 ein
Fenster ist, dann kann ein Strahlungsdetektor 248 in den
Strahlungspfad außerhalb
des röhrenförmigen Elementes 244 gesetzt
werden, um die Menge an Strahlung zu messen, die in der Reaktionskammer 102 absorbiert
wird. Das optische Element 246 kann ein teilreflektierender
Spiegel sein, der einen Teil der Funktionen von Spiegel und Fenster
ausführt.
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Weitere optische
Elemente können
bei Bedarf in den
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Strahlungspfad gesetzt werden. Der
Strahlungstyp bestimmt im Allgemeinen die Materialtypen, die zum
Erzeugen verschiedener optischer Elemente verwendet werden.
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Fenster 242 und optisches
Element 246, zusammen mit eventuellen weiteren optischen
Komponenten, definieren den Strahlungspfad durch die Reaktionskammer 102. 5 zeigt eine Reihe alternativer
Konfigurationen für
diese optischen Elemente. In Ausgestaltung A von 5 ist das Fenster 242 eine zylindrische
Linse 260, und das optische Element 246 ist eine
zylindrische Linse 262. Zylindrische Linsen fokussieren
das Licht in einer Ebene, aber nicht in der orthogonalen Richtung.
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Zylindrische Linsen 260 und 262 fokussieren das
Licht vorzugsweise in der Strömungsrichtung
der Reaktantgase, aber nicht in der Richtung orthogonal zur Strömung. Die
bevorzugte Fokallänge
der Linsen ist etwa die Hälfte
des Abstands zwischen Linse 260 und Linse 262,
so dass das durch die Linse 262 passierende Licht unfokussiertes
gebündeltes
Licht ähnlich
dem auf die Linse 260 auftreffenden Licht ist. Ein Leistungsdetektor 264 kann
im Lichtpfad hinter der Linse 262 platziert werden, wie
in Ausgestaltung A veranschaulicht ist.
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In Ausgestaltung B von 5 werden zwei zylindrische Linsen 266, 268 ähnlich den
Linsen 260, 262 von Ausgestaltung A verwendet.
Der Leistungsdetektor 264 von Ausgestaltung A wurde in
Ausgestaltung B durch einen Spiegel 270 ersetzt, um das Licht
durch die Reaktionskammer 102 zurück zu reflektieren. Ein Strahlenteiler 272 kann
in den Strahl gesetzt werden, vorzugsweise in den Pfad von der Lichtquelle
vor der Linse 266. Der Strahlenteiler 272 ist
vorzugsweise ein Platten-Strahlenteiler, der in einem Winkel von
45 Grad zur Strahlrichtung platziert wird.
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Der Strahlenteiler 272 überträgt einen
Teil des Lichts in etwa der ursprünglichen Richtung und reflektiert
dabei einen Teil des Lichts im rechten Winkel zur Fortpflanzungsrichtung.
Der Anteil des übertragenen
und reflektierten Lichts ist von den Materialien und dem zum Erzeugen
des Strahlenteilers 270 verwendeten Überzug abhängig. Der Strahlenteiler 272 überträgt vorzugsweise
mehr als etwa 60 Prozent des einfallenden Lichtes, bevorzugter mehr
als etwa 80 Prozent des Lichtes, am meisten. bevorzugt werden mehr
als etwa 90 Prozent des Lichtes.
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Der vom Strahlenteiler 272 reflektierte
einfallende Lichtanteil wird zu einem Leistungsdetektor 274 geleitet.
Da der Strahlenteiler 272 einen bekannten Teil des einfallenden
Lichtes reflektiert, stellt der Leistungsdetektor 274 ein
Maß für die Reflexion
der einfallenden Lichtintensität
bereit. Vom Spiegel 270 reflektiertes Licht trifft auf
den Strahlenteiler 272 und pflanzt sich in der der Einfallsrichtung
entgegengesetzten Richtung fort. Ein Teil des reflektierten Lichtes
vom Spiegel 270 wird vom Strahlenteiler 272 in einen
zweiten Leistungsdetektor reflektiert. Der Leistungsdetektor 276 stellt
ein Maß für das Licht
bereit, das von den Gasen und Partikeln während der beiden Durchgänge durch
die Reaktionskammer 102 nicht absorbiert oder gestreut
wurde.
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Die Ausgestaltungen C und D sind
jeweils den Ausgestaltungen A und ähnlich mit der Ausnahme, dass
die zylindrischen Linsen 260; 262 (Ausgestaltung
A) und 266 (Ausgestaltung B) jeweils durch flache Fenster 280, 282 (Ausgestaltung
C) bzw. 284 (Ausgestaltung D) und die Linse 268 (Ausgestaltung B)
durch den Spiegel 286 (Ausgestaltung D) ersetzt wurde(n).
Die Leistungsdichte ist geringer in der Reaktionszone, wenn die
flachen Fenster anstatt der zylindrischen Linsen verwendet werden.
Diese unfokussierte Konfiguration kann für. die Synthese von Pulvern
geeignet sein, die bei relativ niedrigen Temperaturen erzeugt werden,
oder für
höhere
Strahlungsflüsse,
wo weniger Fokussierung benötigt
wird.
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Die Reaktionskammer 102 kann
weitere Öffnungen
in den Hohlraum 226 aufweisen. Wieder mit Bezug auf 1, ein Fenster 300 befindet
sich vorzugsweise entlang der Seite der Reaktionskammer 102 und
weist in den Hohlraum 226. Ein Pyrometer 302 befindet
sich außerhalb
dieses Fensters 300, um die Emissionen der Reaktanten zu überwachen,
ob Schwarzkörperstrahlung
oder Chemilumineszenz.
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Auch ein Drucksensor 304 ist
vorzugsweise an einer kleinen Öffnung
in der Seite der Reaktionskammer 102 montiert. Ein Signal
vom Drucksensor 304 kann zum Computer 108 zum Überwachen
des Drucks in der Reaktionskammer 102 gesendet werden.
Der Reaktionskammerdruck wird gemessen, damit der Fluss so eingestellt
werden kann, dass der Kammerdruck als Reaktion auf Schwankungen
und Ansammlungen , von Partikeln im Kollektorsystem 106 stabilisiert
wird.
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Die externe Strahlungsquelle 104 leitet
einen Strahl zum Strahlungsanfangsabschnitt 222. Die Strahlungsquelle
kann von der Reaktionskammer getrennt werden, wie 1 illustriert. Alternativ kann die Strahlungsquelle
als integraler Bestandteil der Reaktionskammer konstruiert werden.
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Eine bevorzugte Strahlungsquelle 104 ist
ein Laser, der Strahlung mit einer optischen Frequenz im infraroten,
sichtbaren oder ultravioletten Teil des elektromagnetischen Spektrums
aussendet, wo optische Komponenten zum Steuern des Strahls verwendet
werden können.
Bevorzugte Laser sind unter nderem Infrarotlaser, insbesondere Hochleistungs-CO2-Laser. CO2-Laser
sind mit maximalen Leistungen im Dauerbetrieb von bis zu 10 kW erhältlich.
So wird beispielsweise ein CO2-Laser mit
1800 Watt von PRC Corp. of Landing, NJ, verkauft. Es ist wünschenswert,
eine Strahlungsquelle zu haben, die über einen breiten Leistungsbereich
verstellbar ist. Im Allgemeinen werden verschiedene Partikel optimal
bei verschiedenen Laserleistungen erzeugt.
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Alternativ kann eine Strahlungsquelle 104 eine
optische Nichtlaser-Lichtquelle, ein Elektronenstrahlgenerator,
eine Röntgenstrahlenquelle
oder eine vergleichbare Strahlungsquelle oder eine Kombination von
Quellen sein. Einige dieser Strahlungsquellen können spezifische Anforderungen
an den Aufbau der Vorrichtung haben, um die Strahlung zu leiten,
oder an ultrahohe Vakuumbedingungen, um eine unerwünschte Absorption
der Strahlung zu vermeiden. Unabhängig von der Natur der Strahlung sollte
eine bevorzugte Strahlungsquelle 104 eine ausreichende
Menge absorbierbarer Energie in einem Strahl liefern können, der
in einer kleinen Reaktionszone in der Reaktionskammer fokussiert
wird, um einen angemessenen Fluss von Produktpartikeln zu erzeugen.
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wie oben erwähnt, verlassen Produktpartikel, unreagierte
Reaktantgase und Inertgas die Reaktionskammer 102 am Auslass 228 und
treten ins Auffangsystem 106 ein. Das Auffangsystem 106 hat
einen geringeren Druck als die Reaktionskammer 102, um
einen Fluss von der Reaktionskammer 102 ins Auffangsystem 106 zu
erzeugen. Das Auffangsystem 106 dient zum Auffangen des
Flusses aus der Reaktionskammer 102, zum Isolieren der
Reaktantpartikel und zum Entfernen der unreagierten und inerten Gase
zum Entlüften
oder Recyclieren. Um dies zu erzielen, kann das Auffangsystem 106 eine
Reihe verschiedener Komponenten aufweisen.
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Das Auffangsystem 106 beinhaltet
vorzugsweise ein Partikelgrößern-Analysegerät 400 Ω Echtzeitmessungen
der Partikelgröße erlauben
die Einsteilung von Gasströmungern
zum Erzeugen eines gewünschten
Partikelgrößenbereiches.
Ein bevorzugtes Partikelgrößen-Analysegerät 400 beinhaltet eine
Mehrzahl von Lichtstreudetektoren 402 und ein Fenster 404,
um einen Lichtstrahl 406 zu erzeugen, der auf den durch
den Auslass 228 aus dem Hohlraum 226 kommenden
Partikelstrom trifft. Ein Helium-Neon-Laser 408 ist eine
bevorzugte Lichtquelle für
die Lichtstreumessungen, aber es können auch andere vergleichbare
Lichtquellen verwendet werden. Die Messungen von den Streudetektoren
können
zum Schätzen
der Verteilung von Partikelgrößen verwendet
werden.
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Das Partikelgrößen-Analysegerät 400 kann mit
dem Computer 108 verbunden werden, um die Reaktionsprodukte
zu überwachen
und um Feedback in Bezug auf Reaktionsbedingungen mit fortschreitender
Reaktion zu erzeugen. Auf diese Weise können Laserintensität, Kammerdruck
und verschiedene Reaktantgas-Strömungsraten
auf Echtzeitbasis gemäß den Messungen
von Partikelgrößenverteilung und
Agglomerationsgrad eingestellt werden.
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Gemäß 1 und 6 kann
ein Filter 420 im Strom hinter dem Partikelgrößen-Analysegerät 400 platziert
werden, um die Partikel in einer Partikelauffangstelle 422 aufzufangen.
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Filter können aus Teflon, Glasfasern
oder einem beliebigen anderen Material oder einer Kombination von
Materialien hergestellt werden, die mit den Reaktantverbindungen
oder partikelförmigen
Produkten nicht signifikant reagieren. Die Porengrößen des
Filtermaterials liegen vorzugsweise im Bereich von etwa 0,1 Mikrometer
bis etwa 1 Mikrometer. Im Handel erhältliche Materialien können für die Verwendung
als Filtermaterial angepasst werden, indem sie auf die richtige
Größe für die Platzierung
in der Falle 422 gebracht werden. Inertgase und eventuell unreagiertes
Gas passieren durch den Filter 420 vorzugsweise zu einem
Automatikventil 424. Das Automatikventil 424 ist
vorzugsweise mit dem Computer 108 durch die Ventilsteuerung 425 verbunden
um den Fluss von Gas durch das Auffangsystem 106 zu regeln.
Geeignete Automatikventile sind beispielsweise von Edwards Vacuum
Products, Wilmington, MA erhältlich.
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Der Strom geht vom Automatikventil 424 zur Leitung 428 und
dann zur Pumpe 430. Die Pumpe 430 hat einen Ausgang 432 zum
Ablassen der Gase oder zum Auffangen der Gase zum Recyceln. Bevorzugte
Pumpen sind unter anderem mechanische Pumpen, die große Gasvolumen
ohne erhebliche Pumpölverluste
handhaben können.
Geeignete Pumpen werden beispielsweise von Busch Inc., Virginia
Beach, Virginia, veräußert. Das
Auffangsystem 106 kann eine Mehrzahl manueller oder automatischer
Ventile 434 zum Isolieren verschiedener Teile des Auffangsystems 106 beinhalten.
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Eine Ansammlung von Produktpartikeln
auf dem Filter 420 kann die Pumpgeschwindigkeit des Systems
herabsetzen. Eine geringere Pumpgeschwindigkeit kann zu einer Zunahme
des Drucks in der Reaktionskammer 102 führen. Da Partikeleigenschaften
wie z. B. Größe und Kristallinität im wesentlichen
vom Kammerdruck abhängig
sind, muss der Kammerdruck während
der Synthese stabilisiert werden.
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Wie oben erwähnt, kann die Pumpeffizienz mit
einem Automatikventil 424 zwischen Pumpe 430 und
Partikelfalle 422 geregelt werden. Mit dem Steuersignal
von dem Drucksensor 264 an der Reaktionskammer 102 werden
das Öffnen
und Schließen
des Ventils 424 gesteuert, um Druckveränderungen aufgrund der allmählichen
Ansammlung von Pulver auf dem Partikelfilter 420 auszugleichen.
Wenn das Ventil vollständig
offen ist, wird vorzugsweise ein Signal zum Computer gesendet, der
das System zum Abschalten anweist. Geringfügige Druckschwankungen können mit
der Druckventil-Rückführungsschleife
eliminiert oder minimiert werden.
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Gemäß 7 führt
der Auslass 228 in einer alternativen Ausgestaltung zu
einem Verteiler 480. Der Verteiler 480 hat Verbindung
mit drei Partikelkollektoren 482, 484 und 486.
Der Vertriler kann so aufgebaut werden, dass er eine andere Zahl
von Partikelkollektoren wie z. B. zwei oder mehr als drei verbindet.
Der Zugang zu den Partikelkollektoren 482, 484 und 486 wird
vorzugsweise durch automatische Ventile 488, 490 und 492 geregelt.
Die Partikelkollektoren 482, 484 und 486 sind
durch Auslässe 494, 496 und 498 mit
einer oder mehreren Pumpen verbunden. Automatikventile 500, 502 und 504 können zum Öffnen und
Schließen
der Verbindung zwischen der/den Pumpe(n) und Partikelkollektoren 482, 484, 486 verwendet
werden. Manuelle Ventile können
ein oder mehrere der automatischen Ventile ersetzen.
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Unter Verwendung einer Mehrzahl von
Partikelkollektoren kann die Vorrichtung kontinuierlich betrieben
werden. Wenn ein Partikelkollektor so voll wird, dass der Kammerdruck
nicht mehr aufrecht erhalten werden kann, dann schaltet das System
um, um einen anderen Partikelkollektor zu füllen. Nanopartikel folgen einem
Gasstrom, so dass ein Verteiler verwendet werden kann, ohne dass
sich große
Partikelmengen an Krümmungen
im Strömungspfad
ansammeln. Falls gewünscht,
kann mehr als ein Partikelkollektor gleichzeitig offen sein.
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Es kann eine Reihe verschiedener
Prozessoren für
den Steuercomputer 108 verwendet werden. Die Schnittstelle
zum Computer 108 ist vorzugsweise ein I-EEE Protokoll,
obwohl auch andere Typen von Schnittstellenprotokollen verwendet
werden können.
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Für
eine Produktion von Partikeln, insbesondere von Nanopartikeln, im
kommerziellem Maßstab müssen Betriebsmittel
effizient genutzt werden. Zu solchen Betriebsmitteln gehört die Strahlungsenergie.
Die Länge
des länglichen
Reaktanteinlasses 166 kann zum gewissen Grad für eine effiziente
Nutzung der Strahlungsquelle abgestimmt werden. Die Vorrichtung
wird jedoch gewöhnlich
zum Erzeugen einer Reihe verschiedener Partikel eingesetzt. Daher
ist die optimale Länge
für den
Reaktanteinlass 166 möglicherweise
für eine
Reaktion geeigneter als für
eine andere.
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Wo betächtliche Strahlungsmengen nach der
Passage durch die Reaktionskammer unabsorbiert bleiben, kann der
Strahl in eine zweite Reaktionskammer 450, 452 geleitet
werden, z. B. wie in 8 gezeigt.
In den anderen Reaktionskammern können dieselben chemischen Reaktionen
ablaufen oder auch nicht.
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In Ausgestaltung A von 8 werden zylindrische Linsen 454, 456, 458, 460 als
Fenster in die und aus der erste(n) 462 und zweite(n) 450 Reaktionskammer
verwendet. In Ausgestaltung B von 8 gewähren flache
Fenster 464, 466, 468, 470 Zugang
für die
Strahlung zur ersten 472 und zweiten 452 Reaktionskammer.
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Zum Verwenden einer Pyrolysekammer
wie oben beschrieben werden die für eine gewünschte Reaktion benötigten Reaktanten gewählt. Dann
wird ermittelt, ob ein Strahlungsabsorptionsgas zum Übertragen
von Energie zu den Reaktantmolekülen benötigt wird.
Die Konfiguration des Reaktantversorgungssystems kann auf der Basis
von Gesamtzahl und Eigenschaften der Reaktanten sowie von Anwesenheit
oder Abwesenheit eines Strahlungsabsorptionsgases eingestellt werden.
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Gasfluss wird mit den gewünschten
Drücken eingeleitet,
um den Reaktantstrom und die Schutzgasströme zu erzeugen. Gleichzeitig
wird die Strahlungsquelle eingeleitet und zur Reaktionszone geleitet.
Die Produktpartikel verlassen die Reaktionskammer und werden im
Partikelkollektor aufgefangen. Die Reaktionsbedingungen werden vorzugsweise überwacht,
um den Druck in der Reaktionskammer auf gewünschten Werten zu halten und
um die Produktion von Partikeln gewünschter Größen sicherzustellen.
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Die Reaktion kann so lange fortgesetzt
werden, bis die gewünschte
Menge an Partikeln erzeugt ist, bis der Partikelkollektor voll ist
oder bis die Rückmeldungsschleife
den stabilen Druck innerhalb der Reaktionskammer nicht länger aufrechterhalten kann.
Der Gasfluss in die Reaktionskammer kann dann gestoppt werden. Wenn
geeignete Ventile vorhanden sind, dann können diese zum Isolieren des Partikelkollektors
verwendet werden, während
die übrigen
Teile des Systems von der Umgebungsluft isoliert gehalten werden.
Dann kann ein leerer Partikelkollektor eingesetzt und die Reaktion
wieder aufgenommen werden. Alternativ kann ein Umschaltventil eingebaut
werden, das die Produktpartikel zu einer zweiten Partikelfalle lenkt,
um einen Dauerbetrieb des Systems zu ermöglichen.
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Weitere Ausgestaltungen liegen im
Rahmen der folgenden Ansprüche.