JP2001185074A

JP2001185074A - プラズマ質量フィルタ

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Publication number: JP2001185074A
Application number: JP2000256655A
Authority: JP
Inventors: Tihiro Ohkawa; オーカワチヒロ
Original assignee: Archimedes Technology Group Inc
Current assignee: Archimedes Technology Group Inc
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2001-07-06
Anticipated expiration: 2020-08-28
Also published as: EP1115142A3; CA2313756A1; AU770948B2; JP3721301B2; CA2313756C; US6248240B1; AU4895700A; EP1115142A2

Abstract

(57)【要約】【課題】低質量荷電粒子を高質量荷電粒子から効果的
に分離するプラズマ質量フィルタを、操作者が低質量粒
子と高質量粒子の間の境界を選択可能にし、使用が容易
で、製造が比較的簡単で、比較的コスト効果を良くする
こと。【解決手段】この質量分離フィルタ１０は、壁１２で
囲まれ、軸１６を形成する室１４を有する。壁１２の外
面に複数の磁気コイル１８が取付けられ、磁場Ｂ _Zを作
る。複数の電圧制御リング２０が電場Ｅ_rを発生し、上
記磁場と共に交差電磁場を作る。荷電低質量粒子２８お
よび荷電高質量粒子２６を含む多種プラズマ２４を室１
４の中へ噴射する。上記交差電磁場の影響で、粒子２８
および２６が軸１６周りに上記粒子の質量に特有なそれ
ぞれの軌道で回転する。低質量粒子２８は室１４を通過
するが、高質量粒子２６は通過できず、壁１２に収集さ
れ、それによって高質量粒子２６と低質量粒子２８が効
果的に分離される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】この出願は、現在係属中の、１９９８年１
１月１６日に提出した米国特許出願第０９／１９２，９
４５号の一部係属出願である。この出願第０９／１９
２，９４５号の内容をここに参考までに援用する。

【０００２】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にはプラズ
マ中の荷電粒子をそれらそれぞれの質量に従って分離で
きる装置および器具に関する。更に詳しくは、本発明
は、多種プラズマから特定の質量範囲の粒子を抽出する
フィルタ装置に関する。本発明は、高質量粒子から低質
量粒子を分離するためのフィルタとして特に有用である
が、それだけではない。

【０００３】

【従来の技術】プラズマ遠心分離機の動作の一般原理は
良く知られ且つ良く理解されている。簡単に言えば、プ
ラズマ遠心分離機は、荷電粒子に力を発生し、それがこ
れらの粒子をそれらの質量に従って互いから分離させ
る。更に詳しくは、プラズマ遠心分離機は、交差電磁場
が荷電粒子に有する効果に依存する。知られるように、
交差電磁場は、プラズマ中の荷電粒子を、中心に向く縦
軸の周りのそれぞれの螺旋状経路上を運動させてこの遠
心分離機を通過させる。荷電粒子がこれらの交差電磁場
の影響下で遠心分離機を通過するとき、それらは、勿
論、種々の力を受ける。特に、半径方向、即ち、遠心分
離機中の粒子回転軸に垂直な方向には、これらの力は：
１）この粒子の運動によって生ずる遠心力Ｆ_c；２）こ
の電場Ｅ_rによってこの粒子に働く電気力Ｆ_E；および
３）この磁場Ｂ_Zによってこの粒子に働く磁気力Ｆ_Bであ
る。数学的に、これらの力の各々の大きさは、それぞれ
次の様に表す：Ｆ_c＝Ｍｒω²；Ｆ_E＝ｅＥ_r；およびＦ_B＝ｅｒωＢ_Z. 但し、Ｍは、粒子の質量；ｒは、粒子の回転軸からの距
離；ωは、粒子の角周波数；ｅは、粒子の電荷；Ｅは、
電場の強さ；およびＢ_Zは、磁場の磁束密度である。

【０００４】プラズマ遠心分離機では、電場を半径方向
に内方に向けることが普遍的に認められている。言換え
れば、遠心分離機で回転軸からの距離が増すと、正電圧
が増す。これらの条件の下で、電気力Ｆ_Eは、この粒子
に作用する遠心力Ｆ_cに対抗し、交差電磁場のＥ×Ｂ回
転から生ずる磁気力がこの外向き遠心力を助ける。従っ
て、この遠心分離機の半径方向の平衝条件を次のように
表すことができる： ΣＦr＝０（半径方向に外が正方向）Ｆ_c−Ｆ_E＋Ｆ_B＝０Ｍｒω²−ｅＥ_r＋Ｆ_B＝０（式１）式１は、一つは正、一つは負の二つの実数解を有するこ
とに気付く、即ち：但し、Ω＝ｅＢ_Z／Ｍ_cは、質量Ｍのイオンのサイクロト
ロン周波数である。

【０００５】プラズマ遠心分離機に対して、この目的
は、遠心分離機で遠心力Ｆ_cが粒子を互いからそれらの
質量に従って分離可能とする条件を作るための平衡状態
を求めることである。これは、遠心力が、特定の粒子の
質量（Ｍ）によって、粒子毎に異なるために起るもので
ある。それで、重い質量の粒子は、大きいＦ_cを受け、
小さい遠心力しか受けない軽い質量の粒子より遠心分離
機のより外側縁の方へ動く。その結果、相互回転軸から
外方に軽い粒子から重い粒子へと順次分布する。しか
し、良く知られるように、プラズマ遠心分離機は、全て
の粒子を前述の方法で完全には分離していないことは、
周知である。

【０００６】上に式１に関連して示したように、イオン
を閉込めるように電場Ｅを選択し、イオンが限定された
軌道を示すとき、力平衡を達成できる。本発明のプラズ
マフィルタでは、遠心分離機と違って、イオンを抽出す
るために電場を反対符号に選択する。その結果、カット
オフ値Ｍ_cより大きい質量のイオンは、非限定軌道上に
ある。カットオフ質量Ｍ_cは、電磁場の強さを調整する
ことによって選択できる。このプラズマフィルタの基本
的特徴をハミルトニアン・フォーマリズムを使って説明
できる。

【０００７】全エネルギー（位置＋ポテンシャル）は、
運動の定数であり、ハミルトン演算子によって表す。但し、およびＰ_z＝Ｍｖ_zは、それぞれ運動量の成分であり、ｅ
Φはポテンシャルエネルギーである。Ψ＝ｒ²Ｂ_z／２
は、磁束関数に関係し、Φ＝Ｖ_ctr−αΨは電位であ
る。Ｅ＝−∇Φは、関心のあるフィルタの場合ゼロより
大きく選んだ電場である。このハミルトニアンを次のよ
うに書直すことができる：ＰおよびＰが運動の定数であるように、これらのパラ
メータがｚ軸に沿って変らないとする。展開し、区分し
直して定数項を全て左辺に置くと：但し、Ω＝ｅＢ_z／Ｍは、サイクロトロン周波数であ
る。最後の項は、ｒ²に比例し、それでもし、Ω／４−
α＜０ならば、第２項が１／ｒ²と共に減少するので、
Ｐ_r ²は、粒子が放射状に移動しても左辺を一定に保つた
めに、増加しなければならない。これは、次の式によっ
て与えられるカットオフ質量より大きい質量に対して軌
道が制限されないことに繋がる：Ｍ_c＝ｅ（Ｂ_zａ）²／
（８Ｖ_ctr）但し、ａは、この室の半径である。次も使
う：但し、Φ₀＝Ｖ_ctrおよびΨ₀＝０一方、ｒ＝ａで、φ＝
０およびΨ＝ａ²Ｂ_z／２それで、例えば、陽子質量Ｍ_p
に規準化して、式２を書直して高質量を喪失軌道に載せ
るために必要な電圧を得ることができる。

【０００８】従って、装置半径１ｍ、カットオフ質量比
１００、および磁場２００Ｇｓは、４８Ｖの電圧を要す
る。プラズマ質量フィルタでのカットオフ質量に対する
同じ結果は、次に与えられる単純な力平衡式を調べるこ
とによっても得られる： ΣＦr＝０（半径方向に外が正方向）Ｆ_c＋Ｆ_E＋Ｆ_B＝０Ｍｒω²＋ｅＥ_r＋ｅｒωＢ_Z＝０（式３）これは式１と電場および磁力の符号だけが異なり、次の
解を有する：それでもし、４Ｅ_r／ｒΩＢ_z＞１ならば、ωが虚根を有
し、力平衡を達成できない。シリンダ半径“ａ”、中心
電圧Ｖ_ctrおよび壁で電圧ゼロのフィルタ装置に対し、
カットオフ質量に対する同じ式は次の様になり：Ｍ_c＝ｅａ²Ｂ_z ²／（８Ｖ_ctr）荷電粒子の質量Ｍが閾値より大きいとき（Ｍ＞Ｍ_c）、
この粒子は、壁に当るまで半径方向の外方に動き続け、
ところが質量の軽い粒子が含まれ、この装置の出口に集
められる。質量の高い粒子も種々の手法を使ってこれら
の壁から回収できる。

【０００９】与えられた装置に対して、式３のＭ_cに対
する値が磁場Ｂ_Zの大きさとこの室の中央（即ち、縦軸
に沿って）での電圧Ｖ_ctrによって決ることに気付くこ
とが重要である。これら二つの変数は、設計考慮事項で
あり、制御可能である。上に示した数学的計算の結果を
より十分に理解するために、プラズマ質量フィルタとプ
ラズマ遠心分離機のそれぞれの動作にかかわる物理的現
象の比較がためになる。これら２種類の装置の間に類似
性はあるが、これらの類似性は、殆ど重要性がない。例
えば、両種の装置が軸方向に向いた磁場を確立する。両
方が交差電磁場を確立する（電場の方向が半径方向に互
いに反対であるとはいえ）。および、両方が多種プラズ
マの荷電粒子をそれらの質量に従って互いから分離する
意図である。しかし、類似性はそこで終る。

【００１０】プラズマ質量フィルタとプラズマ遠心分離
機の間の重要な差異は、プラズマ遠心分離機が動作上プ
ラズマの中の種々の荷電粒子間の衝突に依存するという
事実である。特に、粒子をそれらの質量に従って分離す
るための作動機構を確立するのは、遠心分離機の中の軽
イオンと重イオン間の衝突である。他方、プラズマ質量
フィルタは、その動作のためにこの衝突機構は使わな
い。実際、それと反対に、プラズマ質量フィルタは、プ
ラズマの中の荷電粒子間の衝突の回避に依存する。プラ
ズマ質量フィルタでこれを行う目的は、それによって各
荷電粒子に所定の軌道を辿らせることである。すると、
プラズマ質量フィルタの中の荷電粒子の分離は、それぞ
れの粒子の軌道が特定の荷電粒子の質量に従って異なる
ので、可能であることことになる。この基本的差異がプ
ラズマ質量フィルタとプラズマ遠心分離機の間の更に他
の差異をもたらす。

【００１１】遠心分離機と質量フィルタの動作状況間
で、二つの主な相違点に注意すべきである。第１に、従
来の遠心分離機での半径方向電場は、内方に向き、全て
のイオンを閉込める。個々のイオン軌道の点から見る
と、この電場は、外方に向いた遠心力およびｖｅＢ力の
平衡をとる唯一の半径方向力である。フィルタでは、こ
の電場が外方に向いてイオンを抽出する。カットオフ質
量以下の質量に対しては、今度は内方に向いたｖｘＢ力
が外方に向いた電気力および遠心力の平衡をとって半径
方向の閉込めを達成できる。しかし、カットオフ質量以
上の質量に対して、内方に向いたｖｘＢ力は、外方に向
いた電気力および遠心力の平衡をとるには不十分であ
り、これらのイオンは追出される。

【００１２】上記の軌道比較は、イオンとイオンの衝突
の影響を無視し、それがフィルタと遠心分離機の第２の
主な相違点の要因である。フィルタは、衝突が稀であ
り、それで軌道は基本的に遠心力、ｖｘＢ力および電気
力の平衡によって与えられるものであり；分離は、主と
してカットオフ質量を超える質量の重い粒子の半径方向
放逐から生ずるという状況で動作する。対照的に、遠心
分離機は、そのより限られた質量分離を、種々のイオン
種を熱力学的平衡状態に追いやる衝突によって達成す
る。この平衡状態で、軽および重イオン密度の半径方向
分布の比は、ガウス分布で、その半値幅は、重いイオン
と軽いイオンの間の遠心力の差に依る。

【００１３】多種プラズマの荷電粒子間の衝突頻度がプ
ラズマの密度に比例することは良く知られている。更
に、荷電粒子が他の粒子との衝突を避けることが出来た
ならば、この妨害されない粒子が交差電磁場によって影
響され、所定の軌道を辿れることが知られている。特
に、電荷ｅ、および強さＢの磁場に垂直な速度ｖを有す
る粒子が円形経路に沿って動くことが知られている。こ
れらの条件下で、この粒子がこの円形経路の周りに１秒
当りに行う回転数は、サイクロトロン周波数として知ら
れ、数学的に；Ω＝Ｂ_zｅ／Ｍとして表され、但し、ｍ
は粒子の質量である。上に示す計算に対応して、サイク
ロトロン周波数が粒子速度ｖと独立であることに気付く
ことが重要である。

【００１４】上に示すように、荷電粒子がプラズマの中
の他の荷電粒子との衝突を避けることができることは、
プラズマ質量フィルタの動作にとって重要な概念であ
る。衝突を完全に避けられるという絶対的保証は有り得
ないが、単純にこの室内のプラズマの密度を減らすこと
によって衝突の可能性を減らせることは明らかである。
これを心に留め、および本発明のため、“衝突密度”
を、Ｍ_cを決めるための上述の計算がプラズマ質量フィ
ルタの動作を説明するために有効である上限のプラズマ
密度と定義する。言換えれば、連続の中で、“衝突密
度”は、プラズマ遠心分離機の動作のために有用な高プ
ラズマ密度とプラズマ質量フィルタの動作のために有用
な低プラズマ密度の間の遷移点である。実際問題とし
て、プラズマ質量フィルタは、粒子の衝突周波数に対す
る粒子のサイクロトロン周波数の比が約１を超える、
“衝突密度”未満の密度で有効である。

【００１５】プラズマ質量フィルタの動作をプラズマ遠
心分離機の動作と更に対比するために、軽い荷電粒子の
軌道がプラズマ質量フィルタでこれらの粒子が後の収集
のためにフィルタ室を出る様に確立することを理解すべ
きである。また、このフィルタ室で荷電平衡を維持する
ために、電子を、必要に応じて、軽い荷電粒子と共にこ
の室から除去する。他方、重い荷電粒子の軌道は、軽い
荷電粒子の軌道と異なるので、重い荷電粒子を、軽い荷
電粒子が移動しない場所にある収集器と接触するように
向けることができる。プラズマ遠心分離機は、軌道の差
に依存するものでない。実際、上に議論したように、遠
心分離機は、さもなければ予測可能な軌道を効果的に混
乱させる、粒子間の衝突に依存する。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記に照らし、本発明
の目的は、低質量荷電粒子を高質量荷電粒子から効果的
に分離するプラズマ質量フィルタを提供することであ
る。本発明の他の目的は、操作者に低質量粒子と高質量
粒子の間の境界を選択可能にする可変設計パラメータを
有するプラズマ質量フィルタを提供することである。本
発明の更に他の目的は、使用が容易で、製造が比較的簡
単で、比較的コスト効果の良いプラズマ質量フィルタを
提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】多種プラズマ中の低質量
粒子を高質量粒子から分離するためのプラズマ質量フィ
ルタが中空室を囲み、縦軸を形成する円筒形型壁を含
む。この室の外側の周りに磁場Ｂ_Zを発生する磁気コイ
ルがある。この磁場は、この室内に確立され、この縦軸
とほぼ平行に整列されている。また、この室の一端に、
半径方向に外方を向き、この磁場と実質的に垂直に向い
た電場Ｅ_rを発生する一連の電圧制御リングがある。こ
れらそれぞれの配向で、Ｂ_ZおよびＥ_rは、交差電磁場を
作る。重要なことは、この電場が縦軸上に正電位Ｖ_ctr
をおよび室の壁でほぼゼロ電位を有することである。

【００１８】本発明の動作で、磁場Ｂ_Zの大きさおよび
室の縦軸に沿う正電位Ｖ_ctrの大きさを設定する。次
に、回転する多種プラズマを室内に交差電磁場と相互作
用するように作る。更に詳しくは、縦軸と室壁の間に距
離“ａ”を有する室に対して、Ｂ _ZおよびＶ_ctrを設定
し、Ｍ_cを次の式によって決める：Ｍ_c＝ｅａ²（Ｂ_z）²／８Ｖ_ctr 多重荷電イオンに対しては、ｅをｚｅによって置換える
べきであり、但し、ｚはイオン荷電状態であり、Ｍ_c／
ｚが閉込められたイオンを決める。煩瑣を避けるため
に、この議論ではｚ＝１とするが、分離されるのは荷電
する質量であることが明確であるべきである。

【００１９】従って、多種プラズマ中の全ての粒子中
で、カットオフ質量Ｍ_cより小さい質量を有する低質量
粒子（Ｍ＜Ｍ_c）は、それらがこの室を通過中にこの室
に閉込められるだろう。他方、カットオフ質量より大き
い質量を有する高質量粒子（Ｍ＞Ｍ_c）は、室の壁に放
出され、従って、この室を通過しないだろう。

【００２０】このプラズマ質量フィルタの動作で、この
室内の多種プラズマの密度は、このプラズマの“衝突密
度”以下のレベルに維持する。特に、この発明のため
に、この“衝突密度”を、粒子のサイクロトロン周波数
（Ω）のそれらの衝突周波数（ｖ）に対する比が約１よ
り大きい（Ω／ｖ≧１）密度であるとして定義する。そ
れで、プラズマが薄ければ薄い程、サイクロトロン周波
数の衝突周波数に対する比の値が大きいだろう。多種プ
ラズマの範囲内で、この比がプラズマの異なる領域で異
なる値をもつことが最も起りそうである。典型的には、
高密度（即ち、この比がほぼ１に等しいところ）がプラ
ズマの中心またはその近くにあり、一方薄いプラズマ
（即ち、この比が約１０程になるところ）は、プラズマ
の周辺近くにあるだろう。

【００２１】プラズマ質量フィルタのスループットを、
フィルタを大きくするか、多種プラズマの密度を増す
か、プラズマをこのフィルタを通してより速く動かす
か、またはこれらの可能性の種々の態様の組合せによっ
て増すことができることは自明である。しかし、フィル
タの機能上の形態を支配するかも知れない、幾つかの実
際上の考慮事項がある。一方で、フィルタによって処理
するとき、多種プラズマが薄ければ薄い程、重いイオン
を軽いイオンから分離する際にフィルタの効率が良い。
しかし、多種プラズマのが薄いと、低スループットの結
果となる。他方で、多種プラズマの濃度を増すことによ
って、スループットを増すとき、プラズマの中の粒子の
衝突周波数も増すだろう。ここでの結果は、スループッ
トは増すが、粒子分離の効果性が減るということであ
る。その上、プラズマがフィルタを通過できる速さに実
際的制限がある。全ての場合に、粒子分離の品質とスル
ープットの増加の間のトレードオフが、プラズマ質量フ
ィルタの動作パラメータｑを確立するときに重要な考慮
事項である。

【００２２】

【発明の実施の形態】この発明それ自体は勿論、この発
明の新規な特徴が、そこ構造およびその作用の両方に関
して、添付の図面を添付の説明と共に検討すれば最も良
く理解できよう。それらの図面で、類似の参照文字は類
似の部品を指す。図１を参照すると、本発明によるプラ
ズマ質量フィルタを示し、全体を１０で指す。図示のよ
うに、フィルタ１０は、室１４を囲み、および縦軸１６
を形成する、ほぼ円筒形の形状の壁１２を含む。室１４
の実際の寸法は、完全にではないが、幾分設計選択の問
題である。重要なことは、縦軸１６と壁１２の間の半径
方向距離“ａ”がフィルタ１０の動作に影響し、およ
び、ここの他のところではっきり示すように、考慮しな
ければならないパラメータであることである。図１に、
フィルタ１０が、室１４を囲むように壁１２の外面に取
付けた複数の磁気コイル１８を含むことも示す。関連技
術で良く知られる方法で、コイル１８は、活性化され、
この室内に実質的に縦軸１６に沿って向けられた成分Ｂ
_Zを有する磁場を作ることができる。更に、フィルタ１
０は、複数の電圧制御リング２０を含み、電圧リング２
０ａ〜２０ｃがその代表である。図示のように、これら
の電圧制御リング２０ａ〜２０ｃは、円筒形壁１２の一
端に位置し、且つ一般に縦軸１６に実質的に垂直な平面
内にある。この組合せで、半径方向に向いた電場Ｅ_rを
発生することができる。電圧制御のための代替構成は、
図２に示す螺旋状電極２０ｄである。

【００２３】本発明のプラズマ質量フィルタ１０用に、
磁場Ｂ_Zおよび電場Ｅ_rは、特別に交差電磁場を作るよう
に向けられている。当業者に良く知られているように、
交差電磁場は、荷電粒子（即ち、イオン）を、図１に示
す経路２２のような、螺旋状経路上を動かさせる。実
際、交差電磁場がプラズマ遠心分離機用に広く使われて
いることが良く知られている。しかし、プラズマ遠心分
離機とは全く違って、本発明のプラズマ質量フィルタ１
０は、縦軸１６に沿う電圧Ｖ_ctrが、通常ゼロ電圧であ
る、壁１２での電圧に比べて、正電圧であることを要す
る。

【００２４】本発明のプラズマ質量フィルタ１０の動作
では、回転する多種プラズマ２４を室１４の中へ噴射す
る。交差電磁場の影響の下で、プラズマ２４に閉込めら
れた荷電粒子が縦軸１６の周りを一般的に、経路２２に
類似する、螺旋状経路に沿って移動する。更に詳しく
は、図１に示すように、多種プラズマ２４は、質量が互
いに異なる荷電粒子を含む。開示目的で、プラズマ２４
は、少なくとも二つの異なる種類の荷電粒子、即ち、高
質量粒子２６と低質量粒子２８を含む。しかし、本発明
のために意図するように、低質量粒子２８しか実際に室
１４を通過できないことが起るかも知れない。

【００２５】上に示した数学的計算によれば、低質量粒
子２８と高質量粒子２６の間の境界がカットオフ質量Ｍ
_cで、次の式によって確立できる：Ｍ_c＝ｅａ²（Ｂ_z）²／８Ｖ_ctr 上の式で、ｅは電子の電荷、ａは室１４の半径、Ｂ_zは
磁場の大きさ、およびＶ_c _trは縦軸１６に沿う正電圧で
ある。この式のこれらの変数の中で、ｅは既知定数であ
る。他方、“ａ”、Ｂ_zおよびＶ_ctrは、全てプラズマ質
量フィルタ１０の動作のために特別に設計または確立す
ることができる。

【００２６】この交差電磁場の構成および、重要なこと
に、縦軸１６に沿う正電圧Ｖ_ctrのために、このプラズ
マ質量フィルタ１０は、多種プラズマ２４の荷電粒子を
それらが室１４を通過するときに違う行動をするように
する。特に、荷電高質量粒子２６（即ち、Ｍ＞Ｍ_c）
は、室１４を通過できず、その代りに壁１２へ放出され
る。他方荷電低質量粒子２８（即ち、Ｍ＜Ｍ_c）は、そ
れらが室１４を通過する間、室１４に閉込められる。そ
れで、低質量粒子２８は、室１４を出て、それによって
高質量粒子２６から効果的に分離される。

【００２７】本発明のプラズマ質量フィルタ１０の動作
中、室１４の中の多種プラズマ２４の密度は、プラズマ
２４の“衝突密度”より下に維持される。ここで定義し
たように、この“衝突密度”は、密度の連続の中で、プ
ラズマ２４の中の粒子２６、２８のサイクロトロン周波
数（Ω）の粒子２６、２８の衝突周波数（ｖ）に対する
比が約１より大きい（Ω／ｖ≧１）点として確立され
る。この比が１を超える値に対して（即ち、プラズマ２
４の密度が減少するところ）、ここに開示した計算は、
高質量粒子２６の軌道と低質量粒子２８の軌道の間の差
を効果的に予測する。

【００２８】

【発明の効果】図３に、粒子分離とスループットの間の
関係の理想化した表現を、プラズマ質量フィルタ１０の
動作にかかわるトレードオフを説明し且つプラズマ質量
フィルタ１０と遠心分離機（図示せず）の間の動作上の
差を強調するために示す。特に、グラフ線３０は、プラ
ズマ質量フィルタ１０の意図する動作に関し、一方グラ
フ線３２は、一般的にプラズマ遠心分離機の期待性能に
関する。更に、図３で意図するように、フィルタ１０
の、または遠心分離機の、スループットがプラズマ２４
の密度の関数であることを認識すべきである。

【００２９】上記を心に留めて、グラフ線３０は、プラ
ズマ２４のスループットおよび密度が増すと、フィルタ
１０による粒子２６、２８の分離の品質が必然的に減少
することを表示すように図３に示す。この傾向は、大部
分、プラズマ２４での粒子衝突の可能性の増加による。
点３４を超えるスループットの増加（即ち、プラズマ２
４の密度の増加）に対して、プラズマ質量フィルタ１０
と遠心分離機の両方に対する期待動作パラメータがすっ
かり似ているようになることが分るだろう。他方、点３
４をプラズマ２４の“衝突密度”を表すように使って、
フィルタ１０が低スループット（密度）でプラズマ２４
の中の粒子２６、２８を分離するために遠心分離機より
かなり効率が良いことに気付くだろう。これらの同じ低
スループット（密度）の条件の下で、遠心分離機は、粒
子衝突の可能性が低く、遠心分離機の動作に有効な衝突
機構が完全には実施されないので、それ程効率的でな
い。破線３２によって示すように、低スループット（密
度）条件での遠心分離機の動作は、比較的効率が悪い。
従って、効率的粒子分離が最も重要な関心事であると
き、プラズマ質量フィルタ１０を使い、上に示す数学的
処理に従って構成すべきである。重要なことは、プラズ
マ質量フィルタ１０をここで定義する“衝突密度”以下
の密度で作動すべきことである。

【００３０】ここに図示し且つ詳細に説明した特別のプ
ラズマ質量フィルタは、ここに先に述べた目的を達成し
および利点をもたらすものであるが、発明の現在好適な
実施態様の例示に過ぎず、また請求項に記載する範囲以
内でここの示す構造または設計の詳細に何の制限も意図
しないことを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】明確さのために一部破断した、プラズマ質量フ
ィルタの斜視図である。

【図２】電圧制御装置の代替実施例の平面図である。

【図３】粒子分離とスループットの関係を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１０荷電粒子分離装置１２壁１４室１６縦軸１８コイル２０電極２０ａ導電性リング２０ｃ導電性リング２０ｄ螺旋状電極２２経路Ｂ磁場ＥｘＢ交差電磁場Ｍ₁ 低質量粒子Ｍ₂ 高質量粒子ｖ衝突周波数 Ω サイクロトロン周波数

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子をそれらの質量に従って分離す
るための方法であって：軸（１６）を定めた室（１４）
内に、比較的低質量粒子（Ｍ₁）および比較的高質量粒
子（Ｍ₂）を含む多種プラズマを用意する工程；上記粒
子Ｍ₁およびＭ₂を上記軸（１６）周りの、上記粒子の質
量に特有な、それぞれの軌道で回転するために、および
上記室（１４）内の各上記粒子に対してそれぞれのサイ
クロトロン周波数（Ω）を発生するために上記室（１
４）に交差電磁場（ＥｘＢ）を創る工程；上記多種プラ
ズマを上記室（１４）内で、上記粒子が他の上記粒子と
衝突周波数（ｖ）を有し、上記サイクロトロン周波数
（Ω）の上記衝突周波数（ｖ）に対する比が約１より大
きい（Ω／ｖ≧１）密度に維持する工程；並びに上記比
較的高質量粒子（Ｍ₂）を上記比較的低質量粒子（Ｍ₁）
から分離するために上記比較的高質量粒子（Ｍ₂）を捕
えるためそれらの軌道に収集器を配置する工程を含む方
法。
【請求項２】請求項１に記載する方法に於いて、上記
室（１４）が実質的に円筒形形状をし、上記軸が上記室
（１４）によって形成される縦軸（１６）である方法。
【請求項３】請求項２に記載する方法に於いて、上記
室（１４）が上記縦軸（１６）から距離“ａ”に位置す
る壁（１２）によって少なくとも部分的に囲われ、上記
磁場が上記縦軸（１６）に実質的に平行な方向に向き且
つ大きさ“Ｂ _z”を有し、上記電場が上記縦軸（１６）
上に大きさ“Ｖ_ctr”を有する正電位を確立され、並び
に上記壁（１２）がＭ₁＜Ｍ_c＜Ｍ₂およびＭ_c＝ｅａ
²（Ｂ_z）²／８Ｖ_ctrであるように、実質的にゼロ電位を
有する方法。
【請求項４】請求項３に記載する方法に於いて、上記
収集器が上記室（１４）の上記壁（１２）である方法。
【請求項５】請求項３に記載する方法に於いて、上記
円筒形室（１４）が第１端および第２端を有し、上記電
磁場を創る工程が：上記磁場（Ｂ）を確立するために上
記第１端と上記第２端の間に上記室（１４）の上記壁
（１２）上に複数の磁気コイル（１８）を取付ける工
程；および上記室（１４）の上記第１端に電極（２０）
を配置する工程を含む方法。
【請求項６】請求項５に記載する方法に於いて、上記
電極（２０）が複数の共平面同心導電性リング（２０ａ
〜２０ｃ）を含む方法。
【請求項７】請求項５に記載する方法に於いて、上記
電極（２０）が螺旋状電極（２０ｄ）である方法。
【請求項８】請求項５に記載する方法であって、更
に、上記室（１４）の第２端に電極（２０）を配置する
工程を含む方法。
【請求項９】荷電粒子をそれらの質量に従って分離す
るための方法であって：室（１４）内に交差電磁場（Ｅ
ｘＢ）を創る工程；上記室（１４）内の経路（２２）に
沿ってそれぞれの第１軌道を移動するために比較的低質
量粒子（Ｍ₁）を有する複数の荷電粒子を用意する工程
で、上記第１軌道が上記交差電磁場（ＥｘＢ）での上記
粒子Ｍ₁の上記質量に特有である工程；上記室（１４）
内の経路（２２）に沿ってそれぞれの第２軌道を移動す
るために比較的低質量粒子（Ｍ₂）を有する複数の荷電
粒子を用意する工程で、上記第２軌道が上記交差電磁場
（ＥｘＢ）での上記粒子Ｍ₂の上記質量に特有である工
程；および上記比較的高質量粒子（Ｍ₂）を上記比較的
低質量粒子（Ｍ₁）から分離するために上記比較的高質
量粒子（Ｍ₂）を捕えるためそれらの軌道に収集器を配
置する工程を含む方法。
【請求項１０】請求項９に記載する方法に於いて、各
上記荷電粒子（Ｍ₁およびＭ₂）が上記室（１４）でそれ
ぞれのサイクロトロン周波数（Ω）を有し、および上記
方法が、更に、上記室（１４）内の上記粒子に対する密
度を、上記粒子が他の上記粒子と衝突周波数（ｖ）を有
し、上記サイクロトロン周波数（Ω）の上記衝突周波数
（ｖ）に対する比が約１より大きい（Ω／ｖ≧１）密度
に維持する工程を含む方法。
【請求項１１】請求項１０に記載する方法に於いて、
上記室（１４）が縦軸（１６）を定める実質的に円筒形
形状で、上記交差電磁場（ＥｘＢ）が上記荷電粒子（Ｍ
₁およびＭ₂）を上記軸（１６）周りに回転する方法。
【請求項１２】請求項１１に記載する方法に於いて、
上記室（１４）が上記縦軸（１６）から距離“ａ”に位
置する壁（１２）によって少なくとも部分的に囲われ、
上記磁場が上記縦軸（１６）に実質的に平行な方向に向
き且つ大きさ“Ｂ_z”を有し、上記電場が上記縦軸（１
６）上に大きさ“Ｖ_ctr”を有する正電位を確立され、
並びに上記壁（１２）がＭ₁＜Ｍ_c＜Ｍ₂およびＭ_c＝ｅａ
²（Ｂ_z） ²／８Ｖ_ctrであるように、実質的にゼロ電位を
有する方法。
【請求項１３】請求項１２に記載する方法に於いて、
上記収集器が上記室（１４）の上記壁（１２）である方
法。
【請求項１４】請求項１２に記載する方法に於いて、
上記円筒形室（１４）が第１端および第２端を有し、上
記電磁場を創る工程が：上記磁場（Ｂ）を確立するため
に上記第１端と上記第２端の間に上記室（１４）の上記
壁（１２）上に複数の磁気コイル（１８）を取付ける工
程；および上記室（１４）の上記第１端に電極（２０）
を配置する工程を含む方法。
【請求項１５】請求項１４に記載する方法に於いて、
上記電極（２０）が複数の共平面同心導電性リング（２
０ａ〜２０ｃ）を含む方法。
【請求項１６】請求項１４に記載する方法に於いて、
上記電極（２０）が螺旋状電極（２０ｄ）である方法。
【請求項１７】請求項１４に記載する方法であって、
更に、上記室（１４）の第２端に電極を配置する工程を
含む方法。
【請求項１８】請求項１７に記載する方法に於いて、
この発源領域がこれらの電極のほぼ中間にあり、および
この軽質量粒子のための収集器がこの円筒の両端にある
方法。
【請求項１９】荷電粒子をそれらの質量に従って分離
するための装置（１０）であって：軸（１６）を定める
室（１４）内に、比較的低質量粒子（Ｍ₁）および比較
的高質量粒子（Ｍ₂）を含む多種プラズマを用意するた
めの手段；上記粒子Ｍ₁およびＭ₂を上記軸（１６）周り
の、上記粒子の質量に特有な、それぞれの軌道で回転す
るために、および上記室（１４）内の各上記粒子に対し
てそれぞれのサイクロトロン周波数（Ω）を発生するた
めに上記室（１４）に交差電磁場（ＥｘＢ）を創るため
の手段；上記多種プラズマを上記室（１４）内で、上記
粒子が他の上記粒子と衝突周波数（ｖ）を有し、上記サ
イクロトロン周波数（Ω）の上記衝突周波数（ｖ）に対
する比が約１より大きい（Ω／ｖ≧１）密度に維持する
ための手段；並びに上記比較的高質量粒子（Ｍ₂）を上
記比較的低質量粒子（Ｍ₁）から分離するために上記比
較的高質量粒子（Ｍ₂）を捕えるためそれらの軌道に配
置した収集器を含む装置。
【請求項２０】請求項１９に記載する装置（１０）に
於いて、上記室（１４）が実質的に円筒形形状をし、上
記軸が上記室（１４）によって形成される縦軸（１６）
である装置。
【請求項２１】請求項１９に記載する装置（１０）に
於いて、上記室（１４）が上記縦軸（１６）から距離
“ａ”に位置する壁（１２）によって少なくとも部分的
に囲われ、上記磁場が上記縦軸（１６）に実質的に平行
な方向に向き且つ大きさ“Ｂ_z”を有し、上記電場が上
記縦軸（１６）上に大きさ“Ｖ_ctr”を有する正電位を
確立され、並びに上記壁（１２）がＭ₁＜Ｍ_c＜Ｍ₂およ
びＭ_c＝ｅａ ²（Ｂ_z）²／８Ｖ_ctrであるように、実質的
にゼロ電位を有する装置。