ITGE990021A1

ITGE990021A1 - INERTIAL FOCUS NOZZLE FOR MOLECULAR JETS.

Info

Publication number: ITGE990021A1
Application number: IT1999GE000021A
Authority: IT
Inventors: Paolo Milani; Paolo Giuseppe Carlo Piseri; Emanuele Barborini
Original assignee: Istituto Naz Per La Fisica De; Paolo Milani; Emanuele Barborini
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2000-08-26
Also published as: IT1310030B1

Description

DESCRIZIONE del brevetto per invenzione industriale avente per titolo: “Ugello a focalizzazìone inerziale per getti molecolari" DESCRIPTION of the patent for industrial invention entitled: "Inertial focusing nozzle for molecular jets"

TESTO DELLA DESCRIZIONE TEXT OF THE DESCRIPTION

La presente invenzione riguarda un ugello a focalizzazìone inerziale per la produzione di getti molecolari costituiti da miscele di gas di diverse masse, il quale sia adattabile ad ogni applicazione in cui tali getti sono previsti ed in particolare tale ugello verrà descritto con riferimento alla sua applicazione ad un vaporizzatore a microplasma pulsato appartenente ai titolari del presente brevetto. The present invention relates to an inertial focusing nozzle for the production of molecular jets consisting of gas mixtures of different masses, which is adaptable to any application in which such jets are provided and in particular this nozzle will be described with reference to its application to a pulsed microplasma vaporizer belonging to the owners of the present patent.

Come è noto, i getti molecolari vengono utilizzati in ambito industriale per la produzione si strati sottili ad esempio nel campo dell'ottica, della microelettronica, e della sensoristica. L'applicazione è al momento limitata a getti molecolari classici, la cui sorgente operi in regime effusivo, vale a dire sia tale che l’apertura di detta sorgente o ugello sia di dimensioni inferiori o confrontabili con il cammino libero medio delle molecole che ne fuoriescono. Quando il gas fluisce dalla sorgente in regime di flusso continuo, vale a dire con cammino libero medio delle molecole molto minore delle dimensioni dell’apertura, l’uscita del gas dall'ugello è accompagnata da un'espansione, a velocità supersonica o subsonica a seconda della caduta di pressione attraverso l'ugello. Per . effetto dell'espansione si producono getti molecolari più intensi rispetto a quelli effusivi, e con proprietà cinetiche meglio definite. Infatti l'espansione, oltre ad accelerare il gas, lo raffredda riducendo di fatto le componenti casuali delle velocità delle molecole dovute all'agitazione termica. Quando ad espandere attraverso l'ugello è una miscela di gas e non uno solo, la specie più abbondante determina le condizioni dell'espansione e definisce la velocità terminale del fascio, mentre la specie diluita risulta trascinata dal flusso del gas maggioritario. As is known, molecular jets are used in the industrial field for the production of thin layers, for example in the field of optics, microelectronics, and sensors. The application is currently limited to classical molecular jets, the source of which operates in an effusive regime, i.e. both such that the opening of said source or nozzle is smaller than or comparable with the average free path of the molecules that emerge from it. . When the gas flows from the source in a continuous flow regime, that is to say with an average free path of the molecules much smaller than the size of the opening, the exit of the gas from the nozzle is accompanied by an expansion, at supersonic or subsonic speed at depending on the pressure drop across the nozzle. For . effect of the expansion molecular jets are produced that are more intense than the effusive ones, and with better defined kinetic properties. In fact, the expansion, in addition to accelerating the gas, cools it, effectively reducing the random components of the molecule velocities due to thermal agitation. When a mixture of gas and not just one expands through the nozzle, the most abundant species determines the conditions of the expansion and defines the terminal velocity of the beam, while the diluted species is entrained by the flow of the majority gas.

La presenza di effetti di separazione nell'espansione di miscele di gas attraverso ugelli è nota e trova importanti applicazioni negli apparecchi o dispositivi di arricchimento isotopico, per la realizzazione di impattori per aerosol. The presence of separation effects in the expansion of gas mixtures through nozzles is known and finds important applications in isotope enrichment apparatuses or devices, for the production of aerosol impactors.

Questi dispositivi noti tuttavia sono di più complessa fabbricazione rispetto a quello presentemente descritto e sono meno facilmente adattabili a scopi differenti, ovvero alla variazione del dominio di massa di interesse. Salvo pochissime eccezioni, inoltre, i dispositivi di separazione noti non sono in grado di produrre come risultato finale un fascio collimato di nanoparticelle. However, these known devices are more complex to manufacture than the one currently described and are less easily adaptable to different purposes, that is to the variation of the mass domain of interest. Moreover, with very few exceptions, known separation devices are not capable of producing a collimated beam of nanoparticles as a final result.

Lo scopo della presente invenzione è la realizzazione di un ugello per getti molecolari di miscele di gas che superi le limitazioni dei dispositivi noti citati precedentemente, nel quale la regolazione dei parametri che definiscono la geometria dell'ugello permetta di modificarne le prestazioni in modo da predisporlo ad applicazioni differenti, e che possieda una conformazione che produca, per effetto inerziale, la focalizzazione delle specie di gas più pesanti della miscela lungo l'asse dell'ugello stesso. Tale effetto di concentrazione delle specie più pesanti della miscela di gas risulta dipendente dalla massa delle particelle presenti nel fascio, e può essere vantaggiosamente sfruttato allo scopo di ottenere una separazione in massa delle stesse, arricchendo il centro del fascio della massa desiderata. The purpose of the present invention is the realization of a nozzle for molecular jets of gas mixtures that overcomes the limitations of the known devices mentioned above, in which the adjustment of the parameters that define the geometry of the nozzle allows to modify its performances in such a way as to prepare it to different applications, and which has a conformation that produces, due to inertial effect, the focusing of the heavier gas species of the mixture along the axis of the nozzle itself. This concentration effect of the heavier species of the gas mixture is dependent on the mass of the particles present in the beam, and can be advantageously exploited in order to obtain a mass separation of the same, enriching the center of the beam with the desired mass.

L'oggetto della presente invenzione è pertanto un ugello a focalizzazione inerziale per getti molecolari comprendente almeno un primo elemento di ingresso ed almeno un secondo elemento di uscita posizionati in sequenza e adiacenti l'uno all'altro lungo l'asse longitudinale di una sorgente di produzione di un getto molecolare, essendo il primo elemento di ingresso provvisto di due o più ammissioni per la miscela prodotta da tale sorgente posizionate in prossimità della periferia di tale primo elemento e comunicanti con almeno una strozzatura ricavata trasversalmente all'interno dell’ugello, tale strozzatura essendo inoltre comunicante con almeno un canale longitudinale di uscita ricavato in tale secondo elemento. The object of the present invention is therefore an inertial focusing nozzle for molecular jets comprising at least a first inlet element and at least a second outlet element positioned in sequence and adjacent to each other along the longitudinal axis of a source of production of a molecular jet, being the first inlet element provided with two or more admissions for the mixture produced by this source positioned near the periphery of said first element and communicating with at least one constriction obtained transversely inside the nozzle, such throat being moreover communicating with at least one longitudinal outlet channel made in said second element.

Secondo un aspetto della presente invenzione l'elemento di ingresso di focalizzazione del getto molecolare è un disco comprendente una serie di fori longitudinali di ammissione della miscela ricavati in prossimità del suo bordo esterno. Tale bordo esterno è sporgente rispetto alla superficie trasversale del disco comprendente le uscite di detti fori e, tra detto bordo e detta superficie, è definita la strozzatura nella quale il flusso percorre una traiettoria centripeta verso il canale dell'elemento di uscita dell’ ugello. According to an aspect of the present invention, the inlet element for focusing the molecular jet is a disc comprising a series of longitudinal holes for inlet of the mixture obtained in proximity to its outer edge. This outer edge protrudes with respect to the transverse surface of the disc comprising the outlets of said holes and, between said edge and said surface, the constriction is defined in which the flow travels a centripetal trajectory towards the channel of the nozzle outlet element.

Questa curvatura della traiettoria della miscela di gas costituente il flusso dal primo al secondo elemento dell'ugello produce la separazione delle specie gassose di cui tale miscela è composta sulla base della loro diversa inerzia. La geometria delTugelIo inoltre permette di definire con precisione la direzione delle particelle uscenti, potendo così concentrare l'intensità del getto entro un angolo solido estremamente ridotto. This curvature of the trajectory of the gas mixture constituting the flow from the first to the second element of the nozzle produces the separation of the gaseous species of which this mixture is composed on the basis of their different inertia. The geometry of the TugelIo also allows to precisely define the direction of the outgoing particles, thus being able to concentrate the intensity of the jet within an extremely reduced solid angle.

La presente invenzione verrà meglio compresa nel corso della seguente descrizione di una sua forma esecutiva, considerata a titolo esemplificativo e non limitativo e riferita ai disegni allegati, nei quali: The present invention will be better understood in the course of the following description of an embodiment thereof, considered by way of non-limiting example and referring to the attached drawings, in which:

• la Fig. 1 è un diagramma schematico comprendente un ugello per getti molecolari secondo la presente invenzione applicato ad un vaporizzatore a microplasma pulsato; • Fig. 1 is a schematic diagram comprising a nozzle for molecular jets according to the present invention applied to a pulsed microplasma vaporizer;

• la Fig. 2 è un vista in prospettiva che illustra il disco di focalizzazione inerziale dell'ugello·, • Fig. 2 is a perspective view illustrating the inertial focusing disk of the nozzle,

• la Fig. 3 è una vista in prospettiva dell'ugello della presente invenzione applicato ad un vaporizzatore a microplasma pulsato. • Fig. 3 is a perspective view of the nozzle of the present invention applied to a pulsed microplasma vaporizer.

In Fig. 1 è illustrato un ugello per getti molecolari secondo la presente invenzione comprendente: un disco 1 di ingresso ed un elemento 2 di uscita posizionati lungo una cavità 3 di un vaporizzatore 4 a microplasma pulsato posizionato in una camera 13 ad alto vuoto. Su tale disco 1 sono ricavati a partire dalla sua superficie a monte dell'ugello otto fori 101 di ammissione di un flusso 5, che è costituito, in questo caso, da una miscela di nanoparticelle di massa differente e gas inerte. L'elemento 2 di uscita dell'ugello è appoggiato al bordo esterno 102 del disco 1 , il quale bordo sporge longitudinalmente rispetto alla superficie di uscita dei fori 101. In questo modo è ricavata tra il disco 1 e l'elemento 2 una strozzatura trasversale 6 che, come vedremo, conferisce al flusso 5 una traiettoria centripeta verso un canale 201 longitudinale di uscita dell'ugello ricavato nell'elemento 2. Le nanoparticelle di cui sopra vengono prodotte mediante l'ablazione di un catodo 7 posizionato all'interno del vaporizzatore 4 e affacciato ad un anodo 8, ai quali anodo e catodo viene applicata un'adeguata tensione grazie all'alimentatore 9. Il plasma, che attua la vaporizzazione mediante ablazione del catodo 7, è ottenuto mediante ionizzazione di un flusso 10 di gas, generalmente inerte, che viene iniettato all'interno del vaporizzatore 4 mediante un'opportuna valvola 1 1 provvista di controller 14 e collegata ad un sistema 12 di alimentazione di tale gas. Come si può notare dalla figura inoltre, è presente una seconda camera 15 ad alto vuoto nella quale è inserito un manipolatore 16 provvisto di un substrato 17 sul quale si deposita il getto molecolare 501 che fuoriesce dal canale 201 dell'ugello per applicazioni, ad esempio, nel campo della microelettronica. La comunicazione tra le due camere 13 e 15 è garantita da un'apertura 18 ricavata su una parete 19 che separa dette camere e il vuoto all'interno di esse è garantito da una pompa 20 da vuoto. Fig. 1 shows a nozzle for molecular jets according to the present invention comprising: an inlet disk 1 and an outlet element 2 positioned along a cavity 3 of a pulsed microplasma vaporizer 4 positioned in a high vacuum chamber 13. On this disk 1, eight holes 101 are made from its surface upstream of the nozzle for admission of a flow 5, which in this case consists of a mixture of nanoparticles of different mass and inert gas. The outlet element 2 of the nozzle rests on the outer edge 102 of the disc 1, which edge protrudes longitudinally with respect to the outlet surface of the holes 101. In this way, a transverse constriction is formed between the disc 1 and the element 2 6 which, as we will see, gives the flow 5 a centripetal trajectory towards a longitudinal outlet channel 201 of the nozzle obtained in element 2. The above nanoparticles are produced by ablation of a cathode 7 positioned inside the vaporizer 4 and facing an anode 8, to which an anode and cathode is applied an adequate voltage thanks to the power supply 9. The plasma, which carries out the vaporization by ablation of the cathode 7, is obtained by ionizing a flow 10 of gas, generally inert, which is injected inside the vaporizer 4 by means of a suitable valve 11 equipped with a controller 14 and connected to a system 12 for feeding this gas. Furthermore, as can be seen from the figure, there is a second high vacuum chamber 15 in which a manipulator 16 is inserted, provided with a substrate 17 on which the molecular jet 501 is deposited, which comes out of the channel 201 of the nozzle for applications, for example , in the field of microelectronics. The communication between the two chambers 13 and 15 is ensured by an opening 18 obtained in a wall 19 which separates said chambers and the vacuum inside them is guaranteed by a vacuum pump 20.

Il percorso che il . flusso 5 percorre all'interno dell'ugello è quindi dapprima in direzione longitudinale attraverso i fori 101 di ammissione del disco 1 , a questo punto la sua traiettoria viene deviata una prima volta in direzione trasversale o centripeta lungo la strozzatura 6 verso l'asse dell'ugello e quindi del canale 201 dell'elemento 2 di uscita. Per imboccare detto canale 201 il flusso 5 deve deviare bruscamente una seconda volta e la differente inerzia delle nanoparticelle e del gas ionizzato fa sì che le linee di flusso delle nanoparticelle si separino dalle linee di flusso del gas, ottenendo quindi un getto 501 estremamente collimato, caratterizzato da un angolo di divergenza rispetto al suo asse longitudinale molto piccolo, con valori dell’ordine del grado o inferiori. The path that the. flow 5 travels inside the nozzle and therefore first in the longitudinal direction through the inlet holes 101 of the disc 1, at this point its trajectory is diverted a first time in a transverse or centripetal direction along the throat 6 towards the axis of the the nozzle and therefore of the channel 201 of the outlet element 2. To enter said channel 201 the flow 5 must deviate abruptly a second time and the different inertia of the nanoparticles and of the ionized gas causes the flow lines of the nanoparticles to separate from the gas flow lines, thus obtaining an extremely collimated jet 501, characterized by a very small angle of divergence with respect to its longitudinal axis, with values of the order of one degree or less.

In Fig. 2 e 3 è possibile osservare un vista prospettica rispettivamente del disco 1 focalizzatore e dell'ugello della presente invenzione applicato al vaporizzatore 4, le quali chiariscono ulteriormente la forma di detto disco 1 e il posizionamento relativo di detto ugello rispetto all'anodo 8 e ala catodo 7 mediante i quali la miscela di cui è costituito il flusso 5 viene ottenuta, precisamente per vaporizzazione del catodo 7. In Fig. 2 and 3 it is possible to observe a perspective view respectively of the focusing disk 1 and of the nozzle of the present invention applied to the vaporizer 4, which further clarify the shape of said disk 1 and the relative positioning of said nozzle with respect to the anode. 8 and the cathode 7 by means of which the mixture of which the flux 5 is made is obtained, precisely by vaporization of the cathode 7.

Per ottenere una focalizzazione adeguata tramite il disco 1 di tale ugello è necessario trovare un corretto bilancio tra la velocità centripeta nel tratto all'interno del canale 201 dell'elemento 2 e la pressione nel punto di raccordo tra detto canale e la strozzatura 6. Questo bilancio si ottiene secondo la presente invenzione dimensionando il canale 201 e la strozzatura 6 in modo che le relative conduttanze abbiano gli stessi ordini di grandezza. In particolare se la conduttanza del canale 201 fosse molto maggiore di quella della strozzatura 6 si avrebbe nel punto di raccordo una pressione troppo bassa e il flusso di gas che costituisce la componente maggioritaria della miscela non sarebbe in grado di guidare le nanoparticelle nella direzione della strozzatura e queste andrebbero a collidere lungo le pareti della strozzatura stessa. Mentre se la conduttanza nel canale 201 fosse molto minore di quella della strozzatura 6, la velocità centripeta delle particelle in detta strozzatura sarebbe troppo bassa e la pressione nel punto di raccordo troppo alta, perciò le nanoparticelle seguirebbero troppo da vicino le linee del flusso di gas, senza effetti di separazione (sarebbero in questo caso "troppo guidate" dal gas). To obtain an adequate focusing through the disc 1 of this nozzle it is necessary to find a correct balance between the centripetal speed in the section inside the channel 201 of the element 2 and the pressure at the point of connection between said channel and the restriction 6. This balance is obtained according to the present invention by dimensioning the channel 201 and the constriction 6 so that the relative conductances have the same orders of magnitude. In particular, if the conductance of the channel 201 were much greater than that of the restriction 6, a pressure would be too low at the connection point and the gas flow which constitutes the majority component of the mixture would not be able to guide the nanoparticles in the direction of the restriction. and these would collide along the walls of the bottleneck itself. While if the conductance in channel 201 were much less than that of throat 6, the centripetal velocity of the particles in that throat would be too low and the pressure at the junction point too high, so the nanoparticles would follow the gas flow lines too closely. , without separation effects (in this case they would be "too guided" by the gas).

Claims

CLAIMS 1. Inertial focusing nozzle for molecular jets characterized in that it comprises at least a first inlet element (1) and at least a second outlet element (2) positioned in sequence and adjacent to each other along the longitudinal axis of a source (4) for producing a molecular jet (501), said first inlet element (1) being provided with two or more admissions (101) for the flow (5) of the mixture produced by said source (4) positioned in proximity of the periphery (102) of said first element and communicating with at least one throat (6) obtained transversely inside the nozzle, said restriction (6) also being communicating with at least one longitudinal outlet channel (201) formed in said second element (2).

2. Nozzle according to claim 1, characterized in that said constriction (6) is formed downstream of the inertial focusing element (1).

3. Nozzle according to claim 1, characterized by the fact that said constriction (6) is obtained upstream in the nozzle outlet element (2).

4. Nozzle according to claims 1 and 2, characterized in that the inlet element (1) focusing on the minority component of the flow (5) is a disk (1) comprising a series of longitudinal holes (101) for admission of the jet formed in proximity to its outer edge (102), said outer edge (102) being protruding with respect to the transverse surface of the disc (1) comprising the outlets of said holes (101) and being, between said edge (102) and said surface , defined the restriction (6) in which the flow (5) travels a centripetal trajectory towards the channel (201) of the nozzle outlet element (2).

5. Nozzle according to any one of the preceding claims, characterized in that the conductances of the channel (201) of the outlet element (2) and of the throat (6) are of the same order of magnitude.

6. Nozzle according to any of the preceding claims, characterized in that the divergence angle of the molecular jet (501) with respect to its longitudinal axis at the outlet of the element (2) is of the order of one degree or less.