JP2002501466A

JP2002501466A - 複雑なカーボン分子の製造方法及び製造装置

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Publication number: JP2002501466A
Application number: JP53103398A
Authority: JP
Inventors: マイリー，ジョージ・エイチ; スヴェド，ジョン; ジャーチク，ブライアン・エドワード
Original assignee: マイリー，ジョージ・エイチ; スヴェド，ジョン; ジャーチク，ブライアン・エドワード
Priority date: 1997-01-13
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 2002-01-15
Also published as: CN1243495A; EP0951440A4; IL130342A0; AU5815698A; US6171451B1; KR20000070131A; CA2273216A1; EP0951440A1; WO1998030495A1

Abstract

(57)【要約】フラーレンを製造する装置は、高電圧のパルス電源に接続され、チャンバー内に電場を作る中心のグリッド状電極と電導性外殻を持つＩＥＣ真空チャンバーを含む。印加電圧は、チャンバーの内コアにおける電極近傍でのプラズマの生成を維持する。チャンバー内に導入されたカーボンをベースにしたガスは、不活性バッファーガスと共に、カーボンと水素イオンの成分に解離され、分離されて、カーボンイオンはフラーレンに再結合し、すすの形になる。この装置は、フラーレンを取り出し、捕集するすすの取り出し機構を含む。

Description

【発明の詳細な説明】複雑なカーボン分子の製造方法及び製造装置発明の背景本出願は、１９９７年１月１３日出願の米国特許仮出願第６０／０３４，４９１号による国内優先権を主張し、この出願の全内容は、引用することにより本明細書に取り込まれている。本発明は、複雑なカーボン分子を製造する方法及び装置に関し、特に慣性静電閉じ込め（ＩＥＣ：ｉｎｅｒｔｉａｌｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）装置内でプラズマを使用し、カーボンをベースにしたガスを「バッキーボール（buckey-ball）」またはフラーレンＣ₆₀及び姉妹分子に変換する方法及び装置に関する。ＩＥＣは、元来、活性化分析の中性子ソースとして開発されたものであり、G ．H．Miley、J.B．Javedani、R．Nebel、J．Nadler、Y．Gu、A.J．Satsangi、及びP．Heck「慣性静電閉じ込め中性子／プロトンソース」、Third International Conference on Dense Z-pinches、Malcom Haines及びAndrew Knight編、AIP Co nference Proceeding No．299、AIP Press New York、675-689（1994）に報告されている通りである。この用途に対しては、ガスを数１０ミリトールの圧力範囲でチャンバー中に導入し、グリッドに高電圧（１０〜１００ｋＶ）を印加することによりプラズマ放電が生成される。グリッドは、また、放電からイオンを引き出し、高密度の高温プラズマが形成される装置の中心に向かってイオンを加速するように機能する。イオンが捕捉され、再循環されるように電位面が形成され、エネルギーの高い（ｋＶ）イオンと低エネルギーのバックグラウンド電子を持つ極めて非熱的なプラズマを形成するように電位面が作られる。得られたプラズマは、その場で生成する（ｉｎｓｉｔｕｍｅｔｈｏｄ）方法を使用したり、あるいは高密度のコア領域から照射される放射を用いたりして、プラズマ加工にいくつかの独自な機会を提供する。慣性静電閉じ込め（ＩＥＣ）粒子発生装置は、１９９４年４月２５日に出願され、引用することにより本明細書に取り込まれている米国特許出願第０８／２３２，７６４号（Mileyら）に記載されている。そこで開示されている慣性静電閉じ込め（ＩＥＣ）装置は、金属の真空容器を含み、それは、接地電位に保持され、容器の内部で同心的にカソードとして機能するワイヤグリッドを含む。カソードは、構造的強度及び適切な二次電子・熱イオン電子係数を持つ種々の金属からできている。カソードワイヤグリッドは、電源に接続されていて、負の高電位（３０ｋＶ〜７０ｋＶ）を提供し、一方、容器それ自身は電導性であり、接地電位に保たれる。重水素または重水素及び三重水素ガスの混合物が容器に導入される。電圧がカソードワイヤグリッドに印加され、グロー放電を開始させるために、圧力が調整される。グリッドとの衝突を低減することによりグリッドの寿命を最大にする一方で、単位入力当たりの中性子収率を最大にするため、「スター（ｓｔａｒ）」グロー放電モードを生む運転条件が使用される。グロー放電は、イオンを生成し、それは、カソードグリッドでつくりだされる電場により放電から引き出される。このイオンは、グリッドの開口部を通って加速され、球形の装置の中心点に焦点を結ぶ。得られる高エネルギーイオンは、中心のスポット付近の小容積中でバックグランドガス（ビーム−バックグランド衝突）及びイオン同士（ビームービーム衝突）で相互作用する結果、高率の融合反応が得られる。結果は、Ｄ−ＤまたはＤ−Ｔ融合反応生成物の一つとしての中性子生成する中性子の発生装置である。引き出し率か高い場合には、引き出されたイオンは、トラップされたビームイオンを閉じ込め、更に高い反応率をもたらす、深い自己形成性電位井戸を提供する。この装置は、中性子の代わりに、重水素とヘリウム−３のフィールドガス混をより、中性子よりもプロトンのソースとして使用するように改変することができる。この装置の一つの幾何学的な形は、球形であり、図１に見られるようなものである。この装置は、プラズマターゲットを持つイオン加速器の原理に基づいている。中性子発生装置の実施の形態としては、重水素−重水素融合反応がプラズマターゲット領域で起こり、エネルギーの高い中性子を生成する。この装置は、幾何学的にほぼ透明な外側の球にグランド電位及び内側の球形グリッドに負電位を持つ、単純な球形プラズマダイオードとして機能する。球形の慣性静電閉じ込め装置１０を図１に図示するが、ここでは電導性の真空チャンバー１１は、コンタクト１７でグランド電位に接続されている。この装置は、幾何学的に高い透明性を提供する設計である、チャンバー内で小球を規定するカソードグリッド１２を持つ。しかしながら、操作時には、このグリッドの設計は、次に説明するように、イオンを「マイクロチャンネル」に濃縮する効果により、更に高い有効イオン透過性をもたらす。電源１４は、高電圧フィードスルーを通して内部カソードグリッド１２に接続される。電圧は、負の値を持ち、これにより真空チャンバーの相対的に正の壁と中心のグリッド領域の間にバイアスを作る。ガスは、コントロールバルブ１５により真空チャンバー１１中に導入され、ポンプ１８により排気されて、チャンバー中のガス圧を制御する手段が提供される。グリッド電圧、ガス圧力、ガスのタイプ及びグリッド配置のある条件の下にカソードグリッドに電位を印加すると、高密度のイオン及び電子ビームがＩＥＣ装置内で生成し、「スター」モードの運転が開始する。このモードにおいては、高密度の空間電荷で、中和されたイオンビームがグリッドワイヤ間の開放空間を通過するマイクロチャンネルを形成する。イオンは、ワイヤとの接触を避けるので、このモードにより、グリッドの有効な透明性は、幾何学的な値以上のレベル迄増大される。このマイクロチャンネルは、グリッドの衝撃と侵食を顕著に低減させ、パワー効率を増大させる。従来の「スター」モードの運転に対しては、グリッドとマイクロチャンネルのビームは、対称的であって、収束性の高密度のコアが発達する。慣性静電閉じ込め装置は、中性子またはプロトンの貴重なソースとして機能する。ＩＥＣにおける非熱的なプラズマ形成により、いくつかの他の異なる、しかし有望な用途が可能になる。これまでに開発されたものの一つは、紫外（ＵＶ）線の発生である。クリプトンまたはキセノン等の重いガスを使用すると、この装置は高強度のＵＶ線ソースとなる。別な応用は、拡げられたグリッドワイヤの開口部によりつくられたチャンネルからプラズマを流出させることにより、ＩＥＣを使用して推力を作ることである。処理下の流動する流体を入れるための石英窓を使用したプロセスチャンバーが設計され、引用することにより本明細書の一部をなすものとするに包含されている、１９９６年１１月１日出願の、「慣性静電閉じ込め放電プラズマを使用したイオンジェット推力発生装置」という題名の特許公開第６０／０３０，００９号及び１９９７年１０月３１日出願の、「慣性静電閉じ込め放電プラズマを使用したプラズマジェット源」という題名のＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ９７／１９３０６号に前出の応用の双方が開示されている。フラーレンの製造にＩＥＣの構造を応用することも探査された。カーボン６０は、１９８５年に発見され、ガス相のカーボンクラスターの、３次元の、かご状のオールカーボンの分子を持っているいることが判明した。この偶数個の、サッカーボール形の、頑丈につくられた分子は、測地学的(geodesic) な設計で先行したアメリカ人の建築家のR．Buckminster Fullerにちなんで「フラーレン」と命名された。その時以来、このオールカーボンの材料が比較的入手しにくいためにフラーレンの製造及び理論の主題についての研究及び報告は、数が限られていた。それにも拘わらず、最初に同定されたカーボン６０及びカーボン７０に加えて、カーボン２４からカーボン２４０にわたる、多数の、他の安定なカーボンの構造体があることも見出された。更に、過去５年の内にカーボン６０とカーボン７０の製造及び高及び低オーダーのカーボン分子の限られた収率の点で地道な進歩があった。最近、潜在的な応用のために、フラーレンの需要が伸びてきた。現在使用されている多くの先進材料には、単一の用途しか見られないが、フラーレンには、超伝導体、抗エイズ薬、触媒及び触媒担体、光導電体、光学的リミッター、吸収剤、合成ダイヤモンドの先駆体、及び植物成長調整剤としての用途を含む一連の用途が見られる。加えて、フラーレン研究の主な推進力は、エネルギー製造への用途を開拓することである。最近の研究によれば、カーボン６０は、良好な水素貯蔵媒体であり、パラジウムのような従来使用されている材料に比較して、単一の貯蔵分子当たりに更に多くの（４８個迄の）水素原子を付加することが示されている。エネルギー製造に関連する別な領域は、カーボン６０を電池の電極に使用することである。フラーレンをベースにした電極は、軽量であり、効率の点で従来の酸化ニッケル電極に比肩しうる。最後に、カーボン６０は、また、船の分子ボールベアリング及び衛星の電気推力発生装置用の推進剤等の近未来の多くの新用途の優れた候補として考えられてきた。今のところ最も先進的な概念は、ミクロ構造の領域、ナノチューブにおいてであり、この場合、オールカーボンの連結構造が金属及び半導体特性を持つことが可能である。これらの結果を得るためのフラーレンの製造は、理論及び実際の両方のレベルで試みられてきた。例えば、フラーレンカーボン分子の生成方法は、いくつかの理論の主題であった。一つの理論は、グラファイトがペンタゴン及びヘキサゴンからできているシートの形で存在し、この構造が最低のエネルギーレベルに向かって引力で引かれるための物理的傾向の結果として、Smalley，R.E.（Smalley，R.E.、「フラーレンの自己アセンブリー」、Acc．Chem．Res．25:98-105，1992）により議論されている「ペンタゴンロード則」に従って、屈曲して、成長する構造の縁に存在する極めてエネルギーの高いダングリングボンドが取り除かれるものである。この屈曲したあるいは反ったグラファイトシートが閉じる結果、カーボン原子の閉じた回転楕円体のかごが形成される。（Zhangら「大きなカーボンクラスターの反応性：回転楕円体のカーボン殻及びすすの形成と形態とその関連性；J．Phys．Chem．90-525，1 986）。フラーレンは、タイムオブフライト質量スペクトルによるグラファイトのレーザーアブレーション時のホットカーボンプラズマ中で最初に生成された。それ以来、フラーレンの製造にはいくつかの試みがなされた。1990年、Kratscherら（「固体C-60:カーボンの新しい形」、Nature 347:354-358、1990）は、不活性雰囲気中でのグラファイトの抵抗加熱による巨視的な量のカーボン６０の簡単な作製法を開示した。その時以来、この方法は、反応器のサイズ、グラファイトロッドの消耗速度、及びヘリウム圧を引き続き変えることにより、連続して改良が行われている。米国特許第５，５３４，２３２号には、プラズマトーチへのカーボンハライドの導入が教示されており、それによれば分子は、カーボンとハロゲン原子に解離され、カーボンの雲が生成し、凝縮してフラーレンを含むすすが得られる。しかしながら、ハロゲン原子は、凝縮プロセスに入り込み、ある場合にはＣ−６０の生成を妨げ、それにより全体の作製効率を低減させる。また、その場合には、電場は使用せず、トーチ中のプラズマは、マックスウエル形である。日本特開昭６１−７３８９１号は、またフラーレンを作製するのにプラズマを使用することに関するが、分離プロセスに電場を使用しない。米国特許第５，５１０，０９８号、第５，３１６，６３６号、第５，４９４，５５８号及び第５，３９５，４９６号を含む他の特許では、カーボンロッドを蒸発させ、再結合してフラーレンになるカーボン原子を生成させる種々のプロセスが使用される。大規模な製造については、Petersら（「新しいフラーレン合成」、Angew．Che m．Int．Ed．Engl．31:223-224，1992）は、高周波炉を用いた加熱蒸発法を開発し、２７００℃の温度でカーボン６０のほどほどの収率が得られた。また、この方法は、強力な太陽光を用いたグラファイトの蒸発に迄発展された。他の蒸発法には、電導性グラファイトロッドの短い接触、アーク放電あるいはプラズマ放電がある（Parkerら「フラーレンC60-C266の高収率合成、分離及び質量スペクトルによるキャラクタリゼーション」、J．Am．Chem．Soc．113:7499-7503，1991）がある。高度に濃縮されたカーボン７０を得るために、直流炉を使用し、かなりの量の他のオーダーのカーボン分子が電子ビーム蒸発プロセスにより作製された。しかしながら、これ迄、経済的に魅力的であると考えられる程十分な効率を示した方法はない。ホスト材料としてグラファイトを使用することに加えて、石炭をレーザー蒸発プロセスで出発材料として使用し、次にすべてのカーボン性材料を用いてカーボン生成の新しい領域が発足された。Taylorら「ナフタレンの熱分解によるC60の生成」、Nature 366:728-731，1993）により開示されているように、ベンゼンのような芳香族炭化水素の燃焼または熱分解による生成がある。上述の装置でのフラーレンの製造は、材料の量及び効率の点で制約がある。捕集されたすすは、消費されたホスト材料からの再編成されたカーボンからなる。炭化水素、再編成されたグラファイト及びカーボンの酸化物に加えて、フラーレンが生成される。１時間当たり数グラムから数１００グラムのすす製造レベルが５０％から＜１％の効率で得られる。最良のケースのシナリオでは、１時間当たりほぼ２グラムのカーボン６０材料の量がプラズマアーク反応器で製造される（ Andersonら、「フラーレン研究用のプラズマアーク反応器」、Rev．Sci．Instru m、65（12）:3820-3822，1994）。前出の製造技術によって、この分野の科学者がこのカーボン分子に更に接近できるようになったが、妥当な製造速度を持つ高効率なフラーレン物質の経済的な製造法のニーズが未だ存在する。このように、好適な製造方法が生み出されない限り、最初に同定されたカーボン６０構造（フラーレン）及びその姉妹分子の充分な活用は、大規模な応用には経済的に可能とならないであろう。従って、フラーレン（Ｃ−６０）製造用の媒体としてエネルギーの高い非熱的なプラズマ放電を利用することが本発明の目的である。フラーレン（Ｃ−６０）及びその姉妹分子の非熱的な製造に慣性静電閉じ込め（ＩＥＣ）装置を利用し、他の製造法にまさるその強味と独自性を活用することが本発明の更なる別な目的である。また、将来的には商業的に有望な規模で比較的簡単であるが、効率的な装置とプロセスを用いて、フラーレン（Ｃ−６０）及びその姉妹分子を効率的に製造するのに好適な方法を提供することが本発明の更なる目的である。発明の概要フラーレンの製造にＩＥＣを使用する特定の装置及び方法が探索され、連続あるいはパルスモードで運転されるＩＥＣ中にバッファーガスと共にカーボンをベースにしたガスを注入することを含む。パルスの間に、高密度の、エネルギーの高い、非熱的なプラズマが形成され、メタンをカーボンと水素に解離させる。ＩＥＣの構造は、所望のプラズマを生成させる極めて効率的な方法を提供する。プラズマは、エネルギーの高いイオン成分がメタン（または他のカーボン含有ガス）を有効に分解させる作用をする、非マックスウエル形である。ＩＥＣのコアプラズマ中の電場の構造は、高いＺのカーボンイオンが優先的にプラズマのコア領域に濃縮され、水素がコアの外縁に向かって動くようなものである。非マックスウエル形ＩＥＣプラズマの非中性的性質により、「二重井戸」の電位プロフィールがプラズマのコア領域に作られる。この電位井戸の現象は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする、前述の米国特許出願第０８／２３２，７６４号に記載されている。電場の構造により他の種からカーボン原子が自然に分離することによって、カーボンが再結合してフラーレンを比較的大量に生成する極めて効率的な機構がもたらされる。パルスの終了時に、プラズマは、急速に冷却され、種々の種の再結合が起こる。プラズマのコア領域ではフラーレン（Ｃ− ６０）の生成が優勢であり、そこでは高濃度のカーボンイオンと低濃度の水素イオンの結合により、カーボンの結合が優勢となり、連鎖の停止を介しての水素の干渉が最小の確率となる。バッファーガス（例えば、ヘリウム、キセノン、アルゴン）は、このプロセスに直接には関与せず、プラズマのエネルギーの貯蔵／移動成分として働く。このように、バッファーガスの使用により、プロセスの更なる最適化が可能になる。フラーレンを製造する装置は、高電圧のパルス電源に接続され、チャンバー内に電場を作る中心のグリッド状電極と電導性外殻を持つＩＥＣ真空チャンバーを含む。印加電圧は、チャンバーの内コアにおける電極近傍でのプラズマの生成を維持する。チャンバー内に導入されたカーボンをベースにしたガスは、不活性バッファーガスと共に、カーボンと水素イオンの成分に解離され、分離されて、カーボンイオンはフラーレンに再結合し、すすの形になる。この装置は、フラーレンを取り出し、捕集するすすの取り出し機構を含む。この装置は、グリッドの周りの電子の経路を局在化させ、かくしてグリッド近傍のバックグラウンド中性ガスのイオン化速度を増大させる機能をする中間のガイドグリッドを含む。ＩＥＣをプラズマジェット装置として装置化し、フラーレンの大規模製造を組み立てる追加の手法及び構造が提案される。図面の簡単な説明図１Ａは、慣性静電閉じ込め（ＴＥＣ）中性子／プロトン発生装置の概略図である。図１Ｂは、本発明に関連する電位構造を示す。図１Ｃは、本発明に関連する別な電位構造を示す。図１Ｄは、本発明に関連するイオン密度プロフィールを示す。図２は、本発明の主題である、慣性静電閉じ込め（ＩＥＣ）装置を用いたフラーレン生成装置の概略の設計である。図３は、ＩＥＣ装置を用いたフラーレンの製造方法のステップを規定するプロセスフローチャートを図示する。図４は、ＩＥＣ装置を用いたフラーレンの製造時に使用される圧力と電圧の時間シーケンスを図示する。図５は、電位井戸構造とフラーレン製造の効率を増大させるＩＥＣプラズマのエネルギーの高い非熱的な中心のコア領域を図示する図６Ａ及び６Ｂは、中心の「すす」捕集システムに向けられたジェットを持つＩＥＣジェット装置のクラスターに基づくフラーレンの工業的な製造装置を２つの俯瞰から図示し、図６Ｂは、図６Ａの断面である。図７は、本発明の主題であるＩＥＣジェットソースの概略の設計である。図８は、ＩＥＣジェットソースの椎力軸に沿った電気電位を図示する。図９は、ＩＥＣジェット源のスターモードを図示し、運転中に成長したマイクロチャンネルを示す。図１０は、フォーカスビームによるジェットモードで運転しているＩＥＣ推力発生装置を図示する。図１１は、ＩＥＣジェットソースにおけるイオン化プロセスを図示する。好ましい実施の形態の説明慣性静電閉じ込め（ＩＥＣ）装置を用いたフラーレンの非熱的なプラズマによるフラーレンの製造が行われた。好ましい実施の形態としては、ヘリウムバッフアーガスと共にメタンがパルスモードで運転しているＩＥＣ中に注入される。パルス時に、高密度の、エネルギーの高い、非熱的なプラズマコア（非マックスウエル形）が生成し、メタンをカーボンと水素に分解させる。ＩＥＣのコアプラズマ中の電場の構造は、高いＺのカーボンイオンが優先的にプラズマのコア領域に濃縮され、水素がコアの外縁に向かって動くようになっている。パルスの終了時に、プラズマは、急速に冷却され、種々の種の再結合が起こる。プラズマのコア領域ではフラーレン（Ｃ−６０）の生成が優勢であり、そこでは高濃度のカーボンイオンと低濃度の水素イオンの結合により、カーボンの結合が優勢となり、連鎖の停止を介しての水素の干渉が最小の確率となる。ＩＥＣ装置が単純、かつ独自であるために、比較的高い生成効率を持つ経済的なフラーレンの大規模製造が可能になる。元来、活性化分析の中性子ソースとして開発された慣性静電閉じ込めプラズマソースでは、図１Ａに見られるように、球形の真空容器中に球形のカゴ状グリッドが使用される。数１０ミリトールの圧力範囲でガスをチャンバー中に導入し、グリッドに高電圧（１０〜７０ｋＶ）を印加することによりプラズマ放電が形成される。グリッドは、また放電からイオンを引き出し、高密度で、高温のプラズマコアが形成されている装置の中心に向かってイオンを加速するように動作する。図５に図示するように、グリッドにより形成される電位面は、イオンを捕捉し、再循環して、エネルギーの高い（ｋＶ）イオンと低エネルギーのバックグラウンド電子を持つ非熱的なプラズマを形成させる形状をしている。グリッドでの電位面では、グリッド構造の形状の動作により形成される電位降下が起こる。この面の特徴は、イオンをマイクロチャンネル中に焦点を絞り、再循環プロセスを促進するように動作する。得られるプラズマにより、その場の方法を使用したり、あるいは高密度のコア領域から出る放射を用いるプラズマ加工のいくつかの独自の機会が提供される。ＩＥＣ運転時にカソードグリッド内で形成される電位構造を使用する可能性は、ＩＥＣを核融合の中性子ソースとして使用することと関連して、この構造を徹底的に測定し、計算した結果として実現された。ＩＥＣ中で重水素を使用する場合には、エネルギーの高いＤイオンの融合により、２．５−ＭｅＶの中性子と３．４−ＭｅＶのプロトンが生成する。このように、得られる径方向のプロトンソースのプロフィールを評価するために、Ｄ−Ｄプロトン放出の空間的測定に基づいて、診断法及びデータ分析法が開発された。プロトンソースの速度は、今度は、電位プロフィール（「構造」）に依存する、Ｄイオン密度の二乗に直接比例する。このように、プロトンの測定は、電位構造の探査法を提供する（Nadlerら、「球状静電慣性プラズマ閉じ込め（SEIC）における収束性プロトン検出器に基づく電位プロフイールの測定」Ninth Topical Conference on a High-Temperature P lasma Diagnostics，Rev．Sci．Instrum.，63（10）1992年10月、Guら、「電位井戸構造及びIECについてのスケール化の研究」、Intl．Sherwood Fusion Theor y Mtg.，Madison，WI、1997年4月27-30日）。プロトンソースのプロフイールは、数ｍｍの分解能を持つ良く収束されたプロトン検出器を用いて、ＩＥＣのコアプラズマにわたって回転軸方向に走査することにより測定される。このように、走査データは、アーベル反転法（Abel inversion method）を用いて反転され、径方向のプロトンソースのプロフィール（すなわち、半径に対するプロトンの生成速度）が得られる。この実験的手法により、２．２ｍＡ／ｋＶ３／２の構造形成のパーバランス（perverance）しきい値条件を超えた場合、強い電位構造の存在が確認された。図１Ｂには、１５ｋＶでの種々なグリッド電流に対して、実験的なＩＥＣ装置の中心からの半径に対する単位容積当たりのＤ−Ｄプロトンソースの速度がプロットされている（Guら、「電位井戸構造及びIECについてのスケール化の研究」、Intl．Sherwood Fusion Theory Mtg.，Madison，WI、1997年4 月27-30日）。３つのピークのプロフィールの出現は、陽イオンに対する電位井戸「トラップ」がコアの中心に形成したという決定的なしるしである。図１Ｂの結果は、電流の増加と共にこのトラップを形成する仮想電極の振幅の一貫した増加を示す。この観察されたプロトン／電位プロフィールの出現は、球状のＩＥＣプラズマ閉じ込めに対するVlasov-Poisson理論によく合う。このような場合、異なる電荷質量比を持つイオンを形成させるように、ガス混合物を使用するならば、各々のイオンは、トラップ内の電位変動により異なる半径方向のゾーンに濃縮される。また、この電位構造への更なる洞察がＩＥＣプラズマのコンピュターシミュレーションから得られる。最初に、計算手法の正しさを証明するために、プロトン測定に使用されたのと類似の条件について、イオン密度プロフィールと電位構造が計算され、得られる電位構造とイオン密度プロフィールが１５ｋＶでそれぞれ図１Ｃ及び１Ｄに示されている（Tzonev、「慣性静電閉じ込め電位構造に及ぼす大きなイオンの角運動量の開きと大電流の影響」、M.S．Thesis，Department of Nuclear Engineering、UICI、Urbana、IL、1996年5月）一定電圧で、低電流での単一井戸から高電流での二重井戸に進化することが見られる。これらの結果は、図１ＢのＤ−Ｄプロトンの放出の空間的プロトン測定の間と良好な一致を示し、計算への信頼を与える。このようなシミュレーションは、本発明で使用されるようなより高い電圧電流条件迄拡張される。 IXLTMVlasov-Poisson解法コードによるパラメトリックな研究（King及びBussa rd、「球状収束性慣性静電プラズマ閉じ込めシステムに対するVlasov-Poisson動的解法」、Energy-Matter Conversion Corporation Report，EMC₂、1193-03頁、 EMC2、Manassas、VA、1991年）には、高イオン電流の下では、注入イオンの角運動量の開きと共に更に深い二重電位井戸が生成することが示されている。加えて、PDSITM等のセル中の粒子の動的コード（particle-in-cell）（Bromleyら、「I EC融合装置のPIC-MCCシミュレーション」、Bult．APS，40，11，1736頁，1995年；Bromleyら、「IEC融合装置のPDSITMシミュレーション」、Abstracts:1995 IEE E International Conference on Plasma Science，IEEE Conf．Rec．95CH35796 ，206頁，Madison，WI，1995年6月5-8日）及びOhnishiのPICコード（OPICC）（O hnishiら、「数値シミュレーションによる慣性静電閉じ込め融合における多電位井戸構造の形成及び中性子の発生」、Proceedings of Symposium on Fusion Eng ineeering、2巻、1995年10月5日）には、本発明に望ましいタイプの多電位井戸構造の形成が示されている。要約すれば、いろいろな研究者による一連の実験と計算により、ある電流及び電圧条件を超えた動作時のＩＥＣの中心のプラズマコア中の電位構造の存在が確認された。本発明は、この結果を利用するが、電位構造内の異なる径方向のゾーンに異なるイオン種を分別し、濃縮するのにこの構造を使用するという新しい概念によりこの結果を拡張したものである。ＩＥＣの構造と機構は、商業的、工業的用途にフラーレンを大量生成するのに必須の効率的な製造機構の基礎をなすものである。図２に図示されているＩＥＣ装置は、効率的なフラーレンの製造を可能にする電位井戸構造とカーボンイオンの分離を利用している。図２に見られるように、ＩＥＣフラーレン製造ユニット１００は、容器に接続された接地された端子１１７を持つ球形電導性真空容器１１１を含むＩＥＣ球形構造１１０からなる。容器１１１内には、カゴ状のグリッドの形の中心電極集合体１１２がある。必要ならば、好ましい実施の形態として、グリッド状の電極構造に損傷を与えずに所望の電位を与える最適な入力レベルを得るために、グリッドを構成する中空パイプ内を流れる作動冷却材を使用することができる。容器１１１の殻を貫通する極高電圧用フィードスルー集合体１１３を通って電源１１４を中心電極１１２に接続することにより、殻内の真空条件を維持しながら電位差が得られる。電源は、中心電極にパルス出力電圧またはパルス電流を加えるようにスイッチされる。殻は、また、真空ポンプ１１９とガス抜き出しマニホールド１２０の間を接続する真空ポート１１８を持つ。真空ポンプは、容器１１１内で適切な真空レベルを維持し、抜き出しマニホールド１２０により内殻に蓄積されたガスの捕集を促進する機能をする。容器１１１の殻は、反応物ガスマネジメントシステム１１５が付属している第２のポート１１６を持つ。通常、メタン等のカーボンベースのガスとヘリウム等のキャリアまたは「バッファー」ガスの混合物がポート１１６から供給される。容器１１１の殻は、真空用スプレーノズルシステムを含む「洗い落とし」システム１１５が接続している第３のポート１２１を持つ。洗い落としシステムノズルは、「非真空」条件下でチャンバー中に溶剤を注入するように操作され、蓄積された「すす」は、捕集領域１２９に向かい、製品捕集容器１２５を通って取り出される。図２に見られるように、球形容器１１１は、振動を発生する振動子ユニット１２３に接続されている半剛性の脚１２４により下半球で支持されている。振動子ユニットを作動し、それと洗い落としシステムを協働させると、チャンバー内のフラーレン含有すすは、洗い落としすすと溶剤用の着脱可能な反応器製品捕集容器１２５が入っている下部の捕集領域１２９に向かう。異なるロードロックチャンバー用の高（１２６）及び低（１２７）真空ポートが付いたロードロック設計を有し、可撓性コネクター１２８により捕集領域に接続されている真空ポンプシステムは、周期的にフラーレン含有すすを捕集するように機能する。系内へのメタンの導入から始まって、サイクルの終わりにフラーレン（Ｃ６０）を取り出すところ迄の慣性静電閉じ込め（ＩＥＣ）装置を運転するための実際的な問題、機構、及び運転パラメーターは、プロセスサイクルの説明の中で述べられる。図３に見られるように、最初の製造モードとして、ＩＥＣユニットは、排気され、前のプロセスサイクルから蓄積されている汚染物質がベークアウトされる。特定すれば、ステップＳ−１においては、ＩＥＣ反応チャンバー１１１を、ポート１１８を経由してターボモレキュラー超高真空ポンプの真空ポンプ系１１９により、１０^-5から１０^-6トール迄排気し、汚染物質を除去するために４００℃で１時間加熱する。真空ポンプの排気は、ガス溶剤回収に向けられる。装填ステップＳ−２においては、ポンプ１１９を単離し、高圧排気にセットし、反応物とバッファーガス混合物を回収するために転じられたポンプ排気、及びメタン、または別な炭化水素ガスを、通常、ヘリウム等の追加のバッファーガスと共に反応ガス操作系１１５からポート１１６を経由して、チャンバー１１１に導入し、ガスマネジメントシステム１１５内のバルブ及び／またはマスフローコントローラーによって、圧力をほぼ２×１０^-3Torrに維持する。反応物ガスは、好ましくはメタン及びヘリウムの組み合わせであり、バッファーガスがゼロのものからほぼ当量のメタンとヘリウム迄の広い範囲をカバーしている。チャンバーの中心のＩＥＣカソードグリッド１１２に電源１１４からほぼ１０ｋＶの電圧を印加することにより、炭化水素ガスがパッシェン（Paschen）絶縁破壊し、電気（ブラズマ）放電を開始する。この高電圧の電圧パルスは、高出力電源１１４から真空フィードスルー集合体１１３を経由して中心電極１１２に印加される。製造モードステップＳ−３においては、プラズマグロー放電が生成したならば、系に供給される電力とガスを細かく調節して、グリッド電圧をほぼ１０〜６０キロボルト（ｋＶ）に、また電流をほぼ５〜１００ミリアンペア（ｍＡ）に保ち、放電を維持する。サイクルの操作は、半定常状態（例えば、電圧と電流をずっと維持する）、あるいは短パルス印加（例えば、グリッド電圧を急速に周期的にパルスとし、周期的な放電を生成させる）のいずれでもよい。サイクルは、フラーレンのすすが蓄積して、放出を余儀なくされる迄繰り返される。炭化水素ガス中の電気放電により、分子は解離し、成分原子はイオン化される。チャンバー１１１の壁とグリッド１１２の間の電位差により、イオン化された原子は、チャンバーの中心に加速される。これらの収束イオンにより生成した電位井戸構造により、多くのイオンは、チャンバーの中心（コア）領域に閉じ込められる。カーボンイオンに対する水素イオンの電荷／質量比のために、水素は、大きなコア容積に閉じ込められ、カーボンイオンは、小さな領域内に閉じ込められて、殆どすべてがカーボンイオンの局在化された、高密度の領域を形成する。種を分離するこの能力が「通常の」電気放電プラズマにおける状況と明らかな対比をなす。フラーレンの製造に後者のケースを使用する試みにおいては、水素の強い圧力により、水素がカーボン鎖中に入り、Ｃ６０の生成に先立ってしばしば反応を停止させ、効率の顕著な低下が起こった。カーボン粒子は、グリッドの中心で互いに近接して保たれ、再結合して、Ｃ６０、Ｃ７０、及び他のフラーレン分子を形成する。フラーレンは比較的重く、放電から脱離して、特にチャンバーの底部に沈降する傾向がある。プロセスが続行するに従い、カーボンイオンは、ＩＥＣの電場構造のために、グリッドにより引き出され、装置の中心に向かって加速され、再循環されて、結果としてグリッドの周りの高密度の、高温のコアプラズマ領域が生成する。グリッドの形状およびそれに印加される電位が放電からカーボンと水素イオンを引き出す機能をする。高いＺのカーボンイオンほど優先的にプラズマの内部コア領域に濃縮される。軽い水素は、コアの外縁、すなわち水素マニホールド１２０に向かって動き、真空ポンプ系１１９によりポート１１８を経由して除去される。パルスが終了し、プラズマが冷却されると、プラズマの中心コア領域でフラーレンの生成が起こり、そこでは高濃度のカーボンイオンと低濃度の水素イオンの結合により、カーボンの結合、かくして複雑なカーボンフラーレンの形成が優勢となる。フラーレンは、チャンバー１１１の内側またはチャンバーの底部に凝縮したすすとして出現する。引き続いて詳述されるように、パルスサイクル及びＩＥＣの冷却の後に、すすは、振動子ユニット１２３と洗い落としシステムの片方または両方を使用して、取り出される。洗い落としシステムは、チャンバーの内壁とその部品に溶剤をスプレーし、すすを捕集容器１２５中に捕集する。最終のパージモードステップＳ−４においては、反応ガス混合物を遮断し、ヘリウムに切り換える。チャンバーからのフラーレンの取り出しは、エアロック／ロードロックシステム１２９により行われる。ロードロックは、チャンバー内の圧力を顕著に上昇させたり、下降させたりせずにチャンバーから材料を出し入れできる装置である。図２では、チャンバーは、円筒形のロードロック系を持つ球形であるように示されているが、ＩＥＣチャンバーの別な構造には、円錐形の底部が含まれ、これは、チャンバー漏斗の底部に位置し、ロードロックに向かってフラーレンを移動させる漏斗として働く。ＩＥＣチャンバーの電気的な構造は、通常球形であり、チャンバーの底部の電気的幾何学的形状を維持するために、半球形のワイヤメッシュが使用され、チャンバーの底部のむくの円錐形の壁がチャンバー内の圧力を維持し、並びにフラーレンをロードロックに移動させる。パージモードにおいては、洗い落としを維持するために、チャンバー中の圧力を上昇し、蓄積したフラーレンをチャンバーの底部に搬送するように、洗い落としスプレーユニット１２２を操作する。勿論、洗い落としユニットなしで装置化することもある。いずれにせよ、特定の時間間隔で、ロードロックの内扉１３０を開き、フラーレン（及び使用していれば洗い落とし液）を下部チャンバー（反応チャンバーと同一の高い圧力に維持）中に重力で落下させる。次に、ロードロックの内扉１３０を閉じ、下部チャンバーの圧力を上げ、ロードロックの第２の扉１３１を開き、フラーレンを容器中に落下させる。次に、ロードロックの第２の扉１３１を閉じ、最下部のロードロック１３２を開き、フラーレンを下部の取り外し可能なチャンバー１２５の中に落下させる。ロードロックの最下部の扉を開くと、最下部のチャンバーは、大気圧となり、フラーレンの取り出しあるいは以降の加工が可能になる。フラーレンの反応及びロードロックチャンバーの底部への落下を促進するために、バイブレーター１２３をチャンバーの底部及び側部に取り付け、フラーレンを側部からふるい落とし、チャンバーの底部に重力で自由に落下させることができる。圧力と電圧のタイミングは、図４に見られるようであり、パルス印加（ａ）及び定常状態（ｂ）の双方の製造モードによるＩＥＣによるフラーレンの製造における時間スケール及び種々のポイントにおける圧力と電圧の傾向を示している。パルス印加モードのフラーレンの製造に対しては、シーケンスとタイミングは、（１）大気圧からの系の排気（ほぼ、２０分）、（２）真空チャンバー中へのガスの導入、プラズマ放電の開始（１分）、（３）フラーレン生成のための電圧パルスの印加（３ミリ秒）、（４）パルスの繰り返し（数１０分）、（５）パルスの終了、（６）フラーレンの取り出し、チャンバーの排気、プロセスサイクルの再開（３０〜４０分）である。定常状態のフラーレンの製造に対しては、シーケンスとタイミングは、（１）大気圧からの系の排気（ほぼ、２０分）、（２）真空チャンバー中へのガスの導入、プラズマ放電の開始（１分）、（３）最適な圧力、電圧及び電流で放電の定常状態の運転（数１０分から数時間）、（４）運転の終了、及び（５）フラーレンの取り出し、チャンバーの排気、プロセスサイクルの再開（３０〜４０分）である。図５は、ＩＥＣ中で成長する二重静電電位井戸、及びこの井戸とＩＥＣの物理的成分とイオンとの関係を示す。プラズマ放電領域からカソードへのイオンの流れの結果、カソード内に電位井戸が生じる。充分なイオンにより、カソード内のイオンの集合的な空間電荷は、電子を引き付ける仮想的なアノードを形成する。電子は、それ自身正のイオンを捕捉する仮想的なカソード−深い負の電位井戸を形成する。第２の井戸中のイオンの捕捉は、カソードの容積に比べて極めて小さい容積中で起こり、高密度のプラズマコアが生成され、高い割合の融合が得られる。電位井戸の概念は、単一グリッドの球形のＩＥＣ装置に適用される。ともかく、深い、安定な二重電位井戸の形成が良好なイオン閉じ込めに必須であると考えられる。井戸の深さは、いくつかの既知の手法で最大化される。電位井戸の形成は、また逆極性、すなわちカソードに正の印加電位により得られる。この場合には、装置の中心に流れる電子により井戸の形成プロセスが開始される。この構造もまた、フラーレンの製造に使用される。本出願には引用することにより本明細書の一部をなすものとする、特許公開第６０／０３０，００９号（１９９６年１１月１日出願）「慣性静電閉じ込め放電プラズマを使用したイオンジェット推力発生装置」、及びＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ９７／１９３０６号（１９９７年１０月３１日出願）「慣性静電閉じ込め放電プラズマを使用したイオンジェットソース」に開示されているようなＩＥＣをジェット椎力発生装置装置として使用することにより、ＩＥＣチャンバーから吐出されるジェットまたはロケットの排気がフラーレン種に富むようになされる。この概念の利点は、生成するフラーレン粒子またはすすがロケットモーターに関連した本質的な高効率でＩＥＣチャンバーから外に輸送されることである。図６Ａは、一組の４個のＩＥＣジェット反応器チャンバー２１０を使用するフラーレン製造系の好ましい実施の形態を示す。各ＴＥＣチャンバー２１０は、ロケット排気ジェットが膨張、冷却されるもっと大きな容積の真空チャンバー２１２内あるいはそれに取り付けられ、運転される。ＩＥＣチャンバーアッタチメントは、絶縁体部分２１９を含み、その真中にジェット用の孔がある。ＩＥＣチャンバー２１０から出るジェットは、正に帯電したイオンと負電荷の電子からなる。ＩＥＣチャンバージェット出口のオリフィスにある電子エミッター２１８の列は、ジェットに電気的電荷バランスを与えるのに使用される。フラーレン粒子は、バッフルまたは偏向子構造２１３に衝突して減速されて、最下点に落下する。ＩＥＣ反応チャンバーに関して負圧を確保するために、大きな二次真空チャンバー圧力は、低圧に維持される。ＩＥＣ反応器の運転のパルスモードは、プラズマジェットを経由してのフラーレン粒子の排出を維持しながら、フラーレン生成の最高速度に達するように最適化される。ジェット粒子減速の更なる手段が使用される。接地電位の中空電極２４０及び各ジェットの更なる下流に同軸で配置され、１０から３０ｋＶのオーダーの正の高電位に設定された別の中空電極２４１により、残存する正に帯電した粒子をすべて減速する静電電場を形成することができる。これは、図６Ａと６Ｂの一つの位置だけであるべきである。フラーレン「すす」の取り出しは、ＩＥＣ反応プロセスを中断せずに行われる。あるいは、生産性を１時間当たり数１０キログラムまたはそれ以上に増大させるために、少なくとも、フラーレン製造プロセスステップを最適化することがあり得る。取り出しシステムは、バッフル構造２１３、振動子アクチュエーターシステム２１５の上に載せられた「すす」捕集漏斗からなる。系内で真空を破らずに、「すす」を取り出すために、「エアロック」または「ロードロック」システム２３０、２３１、２２８、２２６、２２７が使用され、それによりフラーレン製造の連続運転が可能になる。「すす」の蓄積が許容レベルを超えた時、「洗い落とし」システム２１７モードの運転を使用する。製造システムのスケールアップには、図６Ａと６Ｂに図示するように、一つの中心の大きな真空タンクすす捕集装置及び引き出しシステムに接続された数台のＩＥＣ反応器が使用される。製造装置は、より高い生産性を得、工業的装置としてより頑丈にすることができる。ジェット推力発生装置方式のＩＥＣは、前に説明した同一の真空容器と単一グリッドの構造に基づくが、代わりの実施の形態として、グリッド内から外に向かって追従するプラズマジェットが作り出すために、局所電場を妨害するためにグリッドの開口部が拡げられる。容器壁の開口部を拡げられたグリッドの開口部と位置合わせしている場合には、外部の圧力が容器内の圧力より低い、あるいは同じであって、ガスの真空容器中への逆流を防ぐならば、ジェットを容器から引き出すことが可能である。これは、推力発生装置を宇宙空間で使用する場合の当然の条件であり、そうでない場合には、容器の開口部は、圧力のコントロールの目的で別な真空容器に導かれなければならない。ユニットの別な変更は、ジェットから電子が優先的に逃散することによる空間電荷の形成を中和するために、電子のエミッターが真空容器の開口部近くに付加されることである。また、ジェット流を促進し、方向付けするために、カソードグリッドと同電位にバイアスされた短い円筒形グリッドを、軸をカソードグリッドと容器の開口部に合わせて、挿入する。ジェット流がカソードグリッドから、容器の開口部を通って引き出す補助をするために、このグリッドは、電位の「スルー」となる。単一グリッドＩＥＣは、プラズマジェットの運転に使用できる一方で、引用特許には、容器壁とカソードグリッドの間に第２のグリッドが付加される代替の構造も開示されている。電子エミッターが容器壁の周辺の種々な位置に付加される。付加されたグリッドは、低い正の電圧に維持され、電子がこの「ガイド」グリッドの面に沿った経路に従うように、エミッターから電子を引っ張り、ガイドする働きをする。このことは、中性物質との電子衝撃衝突により生成したイオンの誕生の地点をガイドグリッド周辺の空間に局在化することを助ける働きをする。すべてのイオンは、カソードグリッドによりほぼ同じエネルギーに加速され、カソードからの距離はガイドグリッドとカソードグリッドの距離にほぼ等しいので、イオンソースの局在化により、電位構造の形成とジェットの運転の効率が増大される。この場合、プラズマジエットをガイドするのに使用される円筒形のグリッドを収めるために、第２のグリッド中の適切な孔か設けられる。４つの構造体（カソードグリッド、第２のグリッド、円筒形のジェットガイドグリッド、及び電導性の容器壁）はすべて異なる電位に保たれるので、運転中の電圧を絶縁するために、適当な電気的な絶縁体構造が設けられる。ＩＥＣのジェットソースの設計が図７に示される。ソース１１０は、一つの側に形成された小さい孔１１２を持つ球形の真空チャンバー１１１からなる。タングステンまたはタンタルからできた小直径の電気的なワイヤグリッド１１３は、９０％以上の幾何学的透明性を持ち、チャンバー内に取り付けられる。また、グリッドは、高い幾何学的透明性を得るために径方向から見た場合、薄いプロファイルを与える幾何学的パターンで一体に結合された複数の翼板から形成される。グリッドは、生成するイオンから形成されるプラズマを閉じ込める中心の容積を規定する働きをし、プラズマジェットになるイオン流を作る。第１の孔とほぼ同じサイズの第２の孔１１４は、ワイヤグリッド１１３の側面に形成される。この孔１１４は、チャンバー壁の孔１１２と位置合わせされていて、２つの孔と類似した直径を持つ円筒形グリッド１１５により接続されている。円筒形グリッド１１５は、静電電位分布中にチャンネルを作り出し、それを通ってイオンは、最大の運動エネルギーでジェット１１７に逃散することができる。静電電位の変動は、図８に示される。絶縁体１１８は、チャンバー１１１の接地された壁を覆い、接地された容器壁から円筒形グリッド１１５へのアークオーバー（arc-over）を防止するサイズでなければならない。図に見られるように、これは、球形の形を持ち、プラズマジェットが装置から出る孔の近傍の領域の外側の接地された壁を覆う高電圧絶縁体である。高電圧絶縁体は、また、プラズマジェットが通過する孔１１２の内側を内張りする。絶縁体は、負にバイアスされた円筒形グリッドと外側の接地された球、電子ガイドグリッドの両方の間の電位差を維持する。この装置では、また、電子ガイドグリッド、球形カソード、及び円筒形グリッドをその位置に取り付けるために、絶縁された支持構造が使用される。内側の電気的なグリッド１１３は、絶縁されたフィードスルケーブル１２０を通って電源１１９に接続されている。ケーブル及びコネクター（番号を付けていない）は、高電圧フィードスルー絶縁体のシステムからなり、これにより、高い負電圧で内側のカソード１１３に、また低い正電圧で電子ガイドグリッド１１６に電力を供給することができる。電源１２６（例えば、１０〜１０００Ｖ）に接続され、電子エミッター１２１と共に、接地された球１１１と同心的で、近くに置かれた正に帯電した外側の電気的なグリッド１１６は、イオンを発生させる。内側のカソードと外側の接地された球の間に在る、中間の球形グリッド状構造１１６は、イオン及び電子の流れに対して極めて透過性をもち、接地された球電位に対して正の電圧にバイアスされる。この構造は、電子ガイドグリッドであり、電子の行路長を増加させ、バックグラウンドの中性ガスのプラズマへのイオン化率を増大させる。図３に見られるように、電子ガイドグリッドの球は、全装置にわたって延びていない。電子ガイドグリッドの部分は、プラズマジェットが装置から出るプラズマジェットの孔に近傍で切り開かれている。外側のグリッド１１６の電圧は、イオンの発生を最適にするように選ばれなければならず、−０．１ｋＶから−３０ｋＶの範囲であり、０．００５から２，０００アンペアの電流で運転される。加速電圧は、得られる排気の速度が所望のレベル（例えば、３０，０００ｍ／秒、ここでＩＳＰは、３，０００秒以下である）の近くを確保するレベル（例えば、１ｋＶ）に維持されなければならない。キセノンまたは他の相当する物質であるガス状の推進剤１２２は、容器１１１の壁の周りの適切な位置から孔１２３を通してチャンバーに流出される。中性のガス状の推進剤は、０．１と２０ｍトンの間である。ガス供給とイオン化システム全体は、運転中の中性の推進剤の損失を最小にするように、最適化される。完全な中和を確保するために、追加の電子エミッター１２５をジェット放出孔１１４に近くに取り付ける。これらのエミッターは、装置の内側に置かれ、外側の接地された球に取り付けられ、エミッターのコイルガンが外側の球の壁と電子ガイドグリッド１１６の間の空間に配置される。図７に見られるように、中心コア１２８は、イオンの最高の濃度の個所であり、ソースにより放出されるプラズマジェット１１７のソースとして動作する。図８は、ＩＥＣの推力軸に沿った電位を図示する。図の左から右に移動すると、電圧は、接地されているために容器壁２１１では、０であり、正にバイアスされた電子ガイド２２２に接近するにつれて、上昇することが判る。しかしながら、装置の中心に向かって更に移動すると、負にバイアスされた加速グリッド電圧Ｖ（ＡＧ）の最小値に向かって、電圧の急激な減少が見られる。加速グリッドの中心内で、電圧は、再び正となり、中心でピークとなり、円筒形グリッド２１５内のプラズマジェット経路２１６に沿って、定常状態のレベルに低下する。電位井戸説によれば、高いイオン電流で第２の仮想のカソードの形成が予測される。これまでに開示されたＩＥＣソースでは、１３１．３ａｍｕの分子量を持つキセノンからなる推進剤が使用される。このガスは、イオン化の容易さにより選ばれるが、セシウム、アルゴン、水素、ヘリウム、メタン、重水素、セシウム及び更には窒素等の代替ガスも使用される。カーボンをベースにしたガスを使用する場合には、ジェットは、フラーレン等の微粒子を含む。図１に見られるように、容器１１１は、それ自身ステンレススチール等の電導性材料でできており、電子ガイド１１６、加速グリッド１１４及び円筒形グリッドガイド１１５は、高融点、高二次電子係数、低電気抵抗、高熱伝導性、及び低スパッタリング収率等の特性を持つ、ステンレススチール、タングステンモリブデンまたはバナジウム等の材料でできている。非電導性容器材料も使用されるが、追加のグリッドが必要とされる。 −１ｋＶの電源１１９及び＋１００Ｖの電源１２６に基づき、この装置は、３４ｍＮの推力及び５００Ｗのジェットパワーを持つ３，０００秒の特定のインパルスが成長する。これらの電圧値によれば、正味の加速電位は、ほぼ６００Ｖであり、ビーム電流は、ほぼ８００ｍＡ、入力は、７５０〜８００Ｖである。大きな有効透過性を証拠付けるものとして、グリッドでの電力損失は、５０Ｗ以下であり、推進剤のイオン化の電力損失は、ほぼ２００〜２５０Ｗである。結果として、推力発生装置の全効率は、ほぼ６０〜７０％である。グリッドワイヤまたは翼板の間隔が粗く、マイクロチャンネルが形成されるので、ＩＥＣ装置は、平面的な、静電イオンソースまたは推力発生装置よりもより大きな有効透過性を持つために、ジェットを通しての排出前にマルチプルイオンを循環させたとしても、グリッドでの電力損失は低い。ＩＥＣ装置は、平面的な推力発生装置で経験されるものより、中心のコアプラズマにおいて高密度と高温を持つが、放射による損失の増加は、無視しうる。熱放射損失は、平面的なプラズマ装置のそれと同等であると予測される。結果として、イオン当たりのエネルギー消費は、平面的な推力発生装置のイオン当たりの見積値の３００ｅＶより低い。ＩＥＣ推力発生装置においては、イオンと電子は、排出される前に再循環され、マルチプルグリッドシステムでは、イオン化領域がより効果的に局在化され、全速の排気イオン当たりに消費されるエネルギー効率が更に向上する。図９は、ＩＥＣ装置中に存在するスターモードの図示である。この図示では、中心のグリッド開口部を通してのマイクロチャンネルの成長が示されるが、マイクロチャンネルは、中心のコア領域からグリッドを通って容器壁迄延びる。圧力、容積と電流パラメーター、及びグリッドの設計の組合わせにより、イオンをチャンネル中に偏向させるのに充分な電場の局所的な擾乱が与えられる。このような擾乱は、グリッド球の全面積のかなり大部分を覆う開口部を提供するグリッドの孔のサイズにより得られる。自己電場力は、更にイオンビームを締め付け、維持する助けをする。上に引用された、継続中の出願において説明されているように、球形の設計については、球の表面のグリッド開口部面の高さと球の半径ＲＣの比により、電位面の降下の程度が決められ、ひるがえってビームが形成される。図１０は、ＩＥＣ推力発生装置中の焦点を絞られたビームを図示する写真である。マルチプルマイクロチャンネルは、実質的に取り除かれ、ビームは、円筒形グリツド領域を通って、中心のコアから容器の外部壁迄焦点を絞られ、容器の外側のジェット流に推力を与える。図１１は、ＩＥＣ椎力発生装置３００中のイオン化プロセスを図示する写真である。推力発生装置は、推進剤ガスを入れるための開口部３２２とプラズマジェット３１７を発射する出口ポート３１２を持った接地された容器３１１からなる。容器の中心には、負の球形加速グリッド３１３が設けられ、正のグリッド電子ガイド３１６が容器の壁の近く、負の加速グリッドの周りに同心的に配置される。図示を簡単にするために、円筒形ガイドグリッドは示してない。運転時には、電子エミッター３２１が電子を発生し、電子は、正のグリッド電子ガイドに沿ってソースの場所３５０から、ガイドに沿って中間点３５１迄流れる。ガイドに沿って流れる時、電子は、電圧の作用の結果として振動し、正のイオン３５４を生じる。イオン化された粒子３５４は、２個のグリッドにより作り出された内部電場の制御により、容器の中心３５６を通って流れる。正イオンは、正のグリッド３１６により反発され、再び中心に戻され、更なる作用を受ける。慣性静電閉じ込めソースの設計は、球形の設計に限定されず、円筒形の設計、楕円形の設計あるいは他の設計がある。円筒形の設計は、マルチイオンビームの交差によりチャンバーの中心に作り出されるプラズマターゲットを使用することに基づく。円筒形の設計等の他の幾何学的な設計を用いて、イオン流を作り出し、推力プラズマジェット中にイオンを偏向させることにより、類似の結果が得られる。このような設計により、良好な効率、軽量及び極めて開放された加速グリッド構造による長寿命が約束される。所要の電圧及び電流とするために、貯蔵電力、捕集電力、または発電電力の有望なソースは、いずれも条件出しされる。ＩＥＣイオンソースの好ましい実施の形態のいくつかは、すでに規定されている。例えば、単一の狭いプラズマジエットを生成する装置は、２．５ｃｍの直径の対向する２個の六角形の孔２．５ｃｍの側面の１２個の正三角形、及び１．５ｃｍの側面の１２個の正三角形を含む５ｃｍの直径のグリッド、３から５ミリトールのアルゴンガスチャンバー圧力、１から４ｋＶのグリッド電圧、及び１から２０Ｍａの電極電流を持つ３２ｃｍの直径の真空容器である。単一の狭いプラズマジェットは、六角形の孔を通り抜ける。別な実施の形態は、１．８ｃｍの直径の拡げられた円形の孔を持つ７．５ｃｍの直径の電気的グリッドを持つ３１ｃｍの直径の真空容器からなり、１０から２０Ｍａ電極電流が印加され、単一の狭いプラズマジェットは、拡げられた円形の孔を通り抜ける。更なる設計により、以下の設計の配置と運転条件に対して６本の個別の狭いプラズマジェットが生成される。特定すれば、３１ｃｍの直径の真空容器、９５％の幾何学的な透過性を持つ、６ｃｍの短軸と８ｃｍの長軸の楕円の３個の電気的なグリッド、１から１０ミリトール重水素ガスチャンバー圧力、２０〜３０ｋＶのグリッド電圧及び５〜１５Ｍａの電極電流となる。最後の例としては、以下の設計配置と運転条件の下に、１本の主ジェット及び直径を隔てて対向した、従ジェットを生成するように、装置が配置される。球形の真空チャンバー内に、０．２ｍｍ厚、外径３５ｍｍ、内径２９ｍｍの７個のリングからなるグリッドが組み立てられ、北極と南極で交差する３個のリングを持つ球形のグリッドが作り出される。残った４個のリングは、三角形の孔の繰り返しの均一なパターンを確保するように配置される。アノードチャンバー壁は、２３０ｍｍの内径を持つ。チャンバー中には、７〜９×１０^-3ｍバールの圧力の重水素ガスが数１０〜４０ｍＡと５〜１５ｋＶと共に提供される。ジェットは、一番大きい三角形の孔から出る。反応性のカーボンをベースにしたガスとして、メタンに加えて、メタン、エタン、ブタン、ペンタン、プロパン、ベンゼン、エチレン、プロピレン、ブタン、アセチレン、一酸化炭素、二酸化炭素、直鎖炭化水素、芳香族炭化水素またはカーボンハライドが使用できる。更に、バッファーガスとして、キセノン、アルゴン及びヘリウムの使用に加えて、メタン、エタン、ブタン、ペンタン、プロパン、ベンゼン、エチレン、プロピレン、ブタン、アセチレン、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、炭素、または希ガスが使用できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者マイリー，ジョージ・エイチアメリカ合衆国、61821 イリノイ、シャンペイン、ウェスト・アーマリー・ドライヴ 912 (72)発明者スヴェド，ジョンドイツ連邦共和国、デー―27755 デルメンホルスト、ファルケン・シュトラーセ３ (72)発明者ジャーチク，ブライアン・エドワードアメリカ合衆国、61801 イリノイ、アーバナ、ウェスト・グリッグス・ストリート 506、アパートメント＃102

Claims

【特許請求の範囲】１．ａ．少なくとも低圧のガス及びプラズマを入れる真空容器と、ここで、上記真空容器は、（ｉ）内からの固相の反応生成物の取り出しを可能にするよう、気密シールすることができる少なくとも一つの開口部を持つ壁部と（ii）上記容器内で導電性面を提供する第１の電導性構造とを含み、ｂ．上記真空容器内及び上記第１の電導性構造の内部にかご状のグリッドとして形成され、流動するイオン及び電子に極めて透過性である第２の電導性構造であって、前記第２の電導性構造が上記第１の電導性構造に関し負の電圧にバイアスされるとき、カソードとして動作する第２の電導性構造と、ｃ．上記容器中にカーボンをベースにしたガスとバッファーガスの中性ガス混合物を制御した速度で流す手段と、ｄ．未反応ガス及びガス状反応生成物を取り出すことにより上記容器内を低圧に維持する手段と、ｅ．プラズマ放電を作り出すのに充分な値で、電源から上記第２の電導性構造に負の電圧で電力を加える高電圧フィードスルー絶縁体システムと、ｆ．上記カーボンをベースにしたガスをカーボン及び関連する種に解離させることができるプラズマ放電を作り出すのに充分なパワーレベルで、連続的な調整された直流及び繰り返しパルス電流運転の少なくとも一つが可能である高電圧電源とを含んでなる複雑なカーボン分子を製造する装置。２．上記複雑なカーボン分子の取り出しと捕集のためのカーボンすすの取り出し出し手段をさらに含む請求項１に記載の装置。３．容器内から蓄積したカーボンすすを「洗い落とす」手段をさらに含む請求項２に記載の装置。４．上記カーボンをベースにしたガスが、メタン、エタン、ブタン、ペンタン、プロパン、ベンゼン、エチレン、プロピレン、ブタン、アセチレン、一酸化炭素、及び二酸化炭素のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。５．上記バッファーガスが、主にキセノン、アルゴン及びヘリウムのうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。６．ａ．局所的な電位面を歪ませる機能をする第２の電導性カゴ状構造中の少なくとも一つの拡げられた第２の開口部、及び、プラズマジェットが形成され、上記第２の電導性かご状構造内の容積から上記第２の開口部と対応する第１の開口部を通って流出するように、上記少なくとも一つの第２の開口部のうちの対応する一つと位置合わせされた、上記第１の電導性構造中の少なくとも一つの第３の開口部と、ｂ．上記プラズマジェットが上記チャンバー内から逃散し、イオンと分子種を含む反応生成物を同伴するよう、壁部内に少なくとも一つの第１の開口部を持つ上記真空容器と、ｃ．上記容器内で形成されたプラズマが容器からプラズマジェットとして出るように、上記第１の電導性構造中の上記少なくとも一つの位置合わせされた開口部及び上記少なくとも一つの拡げられた開口部のうち対応するものと位置合わせされた、上記真空容器中の上記少なくとも一つの壁の開口部と、ｄ．実質的に円筒形で、透明で、グリッド状で、かつ上記真空容器壁中の上記対応する開口部と、第１の電導性構造と、第２の電導性構造との中心を通る長軸により規定された少なくとも一つの第３の電導性構造であって、上記第３の電導性構造がカソードとして機能する場合には、上記第２の電導性構造と同一の電圧にバイアスされるが、上記第１の電導性構造から電気的に絶縁され、それによって上記第３の電導性構造が上記プラズマジェットに対してガイドチャンネルとして機能する第３の電導性構造とをさらに含んでなる請求項１に記載の装置。７．上記真空容器と、上記第１の電導性構造と、上記第２の電導性構造とが実質的に球形であり、それらの中心が同位置にあり、上記第２の電導性構造が８０％以上の透明性を持つワイヤまたはリボン構造からなる請求項１に記載の装置。８．上記第２の電導性構造がカソードとして機能するようにバイアスされ、流動するイオン及び電子と相互作用し、異なる質量対電荷の比を持つイオンが電位構造内で異なる球状の殻領域に優先的に濃縮されるような、球対称の電位構造を作り出す請求項７に記載の装置。９．プラズマ放電運転時に、カーボンをベースにしたガスの解離により生成されるカーボン及び水素または酸素原子が、球状のグリッド容積内で形成される電位構造内で異なる球状の殻領域における優先的な濃縮により部分的に分離される請求項８に記載の装置。１０．カーボン原子が、球状のグリッド容積の中心の小容積に濃縮される請求項９に記載の装置。１１．球状のグリッド容積の中心の近傍に濃縮されたカーボン原子が、再結合して、複雑なカーボン分子を提供するように、カソード電圧を急速に切る手段をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の装置。１２．カソードグリッド電圧を１〜１００Ｈｚの速度で繰り返しパルスで印加し、複雑なカーボン分子の連続的な製造を可能にする請求項１１に記載の装置。１３．上記第１の電導性構造を接地またはゼロ電位の一つにバイアスし、上記第２の電導性構造を負の電位にバイアスする請求項１に記載の装置。１４．電子のソースを提供するために上記真空チャンバー内に配置された複数の電子エミッターをさらに含み、ここで、プラズマジェット生成時の収容されたプラズマの負電荷の蓄積を防止するように、上記電子エミッターが上記第１の電導性構造と上記第２の電導性構造とから絶縁され、上記エミッターが上記位置合わせされた開口部の少なくとも一つに近接して配置されている請求項６に記載の装置。１５．負にバイアスされた第３の構造と上記第１の電導性構造の間の電位差を保つための高容積の絶縁体手段をさらに含む請求項６に記載の装置。１６．上記絶縁体手段が上記第１の開口部に近接した上記第１の電導性構造を被覆し、プラズマジェットが通る上記第１の開口部の内側を内張りした構造となされている請求項１５に記載の装置。１７．上記第１の電導性構造と上記第２の電導性構造が、実質的に球形であり、上記第１及び上記第２の電導性構造の間に在る中間の電導性構造をさらに含み、上記中間の電導性構造がイオン及び電子の流れに対して極めて透過性であり、第１の電導性構造の電位に対して正の電圧にバイアスされている構造である請求項６に記載の装置。１８．上記中間の構造が球形であり、グリッド状の構造を持つ請求項１７に記載の装置。１９．上記中間の電導性構造が、電子の経路をグリッドの周りに局在化させ、この領域のバックグラウンドの中性ガスのイオン化速度を増大させ、上記電子ガイドグリッドの一部かプラズマジェットを通すように動作する電子ガイドグリッドであって、上記第１、第２及び第３の開口部の対応するものとグリッドが位置合わせされている少なくとも一つの第４の開口部を持つ電子ガイドグリッドを含む請求項１７に記載の装置。２０．上記中間の電導性構造が、全装置内に均一に延びていない部分的な球を含む請求項１７に記載の装置。２１．上記高電圧のフィードスルー絶縁体システムが、上記第２の電導性構造に負の高電圧で電力を加えられるようにし、上記中間の電導性構造に正の低電圧で電力を加えられる請求項１８に記載の装置。２２．上記高電圧のフィードスルー絶縁体システムが、少なくとも上記第１の開口部から上記第４の開口部迄絶縁を施す請求項１９に記載の装置。２３．上記電子エミッターが上記第１の電導性構造と上記中間の電導性構造の間のスペースに配置される請求項１７に記載の装置。２４．上記第１の電導性構造、上記第２の電導性構造及び上記中間の電導性構造の相対的な位置を保つ電気的に絶縁された支持手段をさらに含む請求項６に記載の装置。２５．上記中間の電導性構造が１００Ｖから１０００Ｖの範囲の正の電位に保たれる請求項１７に記載の装置。２６．上記第２の電導性構造が−０．１ｋＶから−１５０ｋＶの範囲でバイアスされる請求項１７に記載の装置。２７．上記第２の電導性構造への電流が０．００５から１０アンペアで運転される請求項６に記載の装置。２８．中性ガスの圧力が０．１から１００ミリトールで運転される請求項１に記載の装置。２９．１〜５ｃｍの範囲の厚さを持つ単一の、狭いプラズマジェットを生成し、上記第１の電導性構造が２０〜４０ｃｍの範囲内の直径を持つ球形の真空タイプのチャンバーからなり、上記第２の電導性構造が上記チャンバーよりも４〜２５ｃｍの範囲内の小さい直径を持つ球形のかご状のグリッドを含み、上記第１の開口部が円形あるいはポリゴン形の孔の一つを含む請求項６に記載の装置。３０．上記第２の電導性構造がポリゴン形グリッド要素を含む請求項１７に記載の装置。３１．上記真空容器及び上記第１の電導性構造が単一の構造であり、上記単一の構造及び上記第２の電導性構造が実質的に球形であって、ここで上記装置が複数の個々の、狭いプラズマジェットを生成し、ここで上記第１の電導性構造により規定される容器が２０〜４０ｃｍの範囲内の直径を持ち、上記第２の電導性構造により規定されるかご状のグリッドが複数の環の電気的なグリッドを含み、上記幾何学的透明性が８５％以上である請求項１に記載の装置。３２．上記かご状のグリッドが周囲の第１の電導性構造の直径よりも５〜２０ｃｍ小さい直径を持つ請求項３１に記載の装置。３３．局所電場を歪めて、イオン及び電子を引き出し、上記カソードグリッドの内部から上記少なくとも一つの拡げられた開口部を通るプラズマジェットを形成するように、上記カソードグリッドが隣接する開口部に較べて１０％以上囲まれた領域を増加するように拡げられ、一つまたはそれ以上の開口部を持つ請求項６に記載の装置。３４．カソードとして機能するようにバイアスされた、上記グリッドが流れるイオン及び電子と相互作用し、関連する局所電場の歪みにより、グリッド中の上記拡げられた開口部を通って逃散することができる迄、イオン及び電子を捕捉し、再循環させる電場構造を作りだす請求項６に記載の装置。３５．上記真空容器の圧力より低いあるいは同じ圧力とするような条件とした第２の容器をさらに含み、上記真空容器装置の運転によるプラズマジェットが第２の容器の容器に流入し、そこで、冷却及び更なる再結合の後に、微粒子及び／または複雑なカーボン分子が捕集場所内に沈降する請求項６に記載の装置。３６．各真空容器からのプラズマジェットが上記第２の容器中に流入するように、第２の容器が複数の真空容器と結合するようになっている請求項３５に記載の装置。３７．蓄積した複雑なカーボン分子生成物が周期的あるいは連続的に取り出されるように、第２の容器が適切な真空バルブを持つ開口部を包含する請求項３６に記載の装置。３８．上記真空容器が少なくとも０．１から１００ミリトールの範囲内の内部圧力で運転可能な請求項３６に記載の装置。３９．すす粒子の圧縮を増進させる機械的手段をさらに含む請求項３５に記載の装置。４０．連続あるいは半連続製造プロセスまたは第２及び第１のガスを入れる容器内のガス圧力を乱さずに、第２のガスを入れる容器から圧縮されたすすを取り出す手段をさらに含む請求項３５に記載の装置。４１．上記装置が上記反応容器及び共有される第２のガスを入れる容器内ですす粒子を機械的に濃縮する装置を含む請求項３６に記載の装置。４２．上記装置が成分及び蓄積した固体反応生成物を挿入あるいは取り出すための複数のバルブを有するアクセスポートをさらに含む請求項６に記載の装置。４３．上記装置がプラズマ放電とジェットを目視的又は光学的な顕微的検査するための少なくとも一つのアクセスポートを含む請求項６に記載の装置。４４．上記装置が真空容器と少なくとも一つの共有される第２のガスを入れる容器の間の個別の単離バルブをさらに含む請求項６に記載の装置。４５．蓄積したすすを取り出すために、上記装置がガスを入れる容器の内面に適切な液体を噴霧する「洗い落とし」システムをさらに含む請求項３６に記載の装置。４６．上記装置がプラズマジェットの発生時に定常的な直流の電源と平行して複数のパルス電源を使用する請求項３６に記載の装置。４７．ａ．少なくとも低圧のガスとプラズマを含む閉じられた容積を確保し、ｂ．上記閉じられた容積内に、流動するイオン及び電子に極めて透過性を持つ第１の電導性構造内にグリッドとして形成された第１の電導性構造と第２の電導性構造を設け、ｃ．カーボンをベースにしたガスとバッファーガスの中性ガス混合物を制御した速度で流し、ｄ．第１の電導性構造に第１の電導性構造に関し負の電圧でバイアスをかけ、第１の電導性構造に連続した、調整された直流または繰り返しパルス電流を印加し、ｅ．プラズマ放電を作り、上記カーボンをベースにしたガスの解離を含む反応を起こさせ、閉じられた容積内に、高質量反応生成物が容積の中心に優先的に濃縮されるような電位構造を作るのに充分な値で、上記第２の電導性構造に電源から負の電圧で電力を加え、ｆ．上記ガス状反応生成物を再結合させて、上記容積内でフラーレンを含むカーボンすすを形成させることを含む複雑なカーボン分子を製造する方法。４８．上記カーボンすすを捕集し、捕集のために圧縮するステップをさらに含む請求項４７に記載の方法。４９．関連する電気部晶から蓄積したカーボンすすを洗い落とすことを含む請求項４７に記載の方法。５０．上記カーボンをベースにしたガスがメタンとベンゼンの少なくとも一つを含む請求項４８に記載の方法。５１．上記バッファーガスがキセノン、アルゴン及びヘリウムの少なくとも一つを主として含む請求項４８に記載の方法。５２．プラズマジェットが形成され、上記第２の電導性構造の内部から流出するように、上記第２の電導性表面が局所的な電位面を歪ませる請求項４８に記載の方法。５３．プラズマジェットがフラーレンを含む反応生成物を同伴して逃散するように、閉じられた容積内から経路を規定する付加された電導性構造をさらに含む請求項５２に記載の方法。５４．長軸により規定された上記経路が上記第１の電導性構造及び第２の電導性構造の面に直交する請求項５７に記載の方法。５５．上記第２の電導性構造内から逃散するプラズマジェットに対してガイドチャンネルを設けるために、上記長軸に沿って電位を抑制することをさらに含む請求項５４に記載の方法。５６．プラズマの負電荷の蓄積を防止するために、上記容積内に電子を放出することを含む請求項５３に記載の方法。５７．上記第１の電導性構造及び第２の電導性構造が実質的に球形であり、第１及び第２の電導性構造の間に在る中間の球形グリッド状構造をさらに設け、上記中間の球形グリッド状構造がイオン及び電子の流れに極めて透過性をもち、上記中問の電導性構造が第１の電導性面上に在るが、電気的に絶縁されているエミッターからの電子に対してガイド経路となり、かくして電子のガイド経路に沿って強力なイオン化領域を設けるように上記中間の電導性構造に第１の電導性構造に関し正の電圧にバイアスをかけることを含む請求項５２に記載の方法。５８．上記第１、第２及び中間の構造を電気的に絶縁し、上記第２の電導性構造に関し負の高電圧で電力を加え、及び上記中間の構造に関し正の低電圧で電力を加えることをさらに含む請求項５７に記載の方法。５９．上記中間の電子のグリッドガイドが１００Ｖから１０００Ｖの範囲で正にバイアスされる請求項５７に記載の方法。６０．上記第２の電導性構造が−０．１ｋＶから−１５０ｋＶの範囲でバイアスされる請求項５７に記載の方法。６１．上記閉じられた容積に比較して、また上記閉じられた容積と連通して低いあるいは同じ圧力を与えるように条件付けされた第２の容器をさらに設け、それにより実質的な割合のカーボン「すす」を含むホットな、イオン化されたあるいは中性に帯電したガスとして、上記の閉じられた容器から排出された物質が第２の容器内に蓄積される請求項５７に記載の方法。６２．カーボン性のガスの強力加熱、更に重い原子及び分子種の含有、更に軽い原子及び分子種の分離、種々のプラジュマジェット、プラズマを生成する容器から、上記容器の低運転圧力を保つ、「すす」の取り出し装置を備えた「すす」捕集容器へのジェットの排出をもたらす一つあるいはそれ以上の容器を用いた、複雑なカーボン分子の製造方法であって、上記方法が、ａ．第１のガスを入れる容器として、プラズマジェットを上記チャンバー内から逃散させる少なくとも第１の開口部のある壁部分を持つ第１の電導性構造を運転し、ｂ．上記第１の電導性構造内に、流動するイオン及び電子に極めて透明である上記第１の電導性構造内にグリッドとして第２の電導性構造を形成し、上記第２の電導性構造が負の電圧にバイアスされた場合、カソードグリッドのように機能し、上記グリッド状構造中に第２の開口部を持ち、プラズマジェットがグリッドの内から上記第２の開口部を通って流出するように、上記第２の開口部が拡げられ、局所的な電位面を歪ませるように動作し、ｃ．カーボン性の種と化学反応性のないバッファーガスを含む中性ガス混合物を制御した速度で上記ガスを入れる容器中に流し、ｄ．プラズマ放電を作り出すのに充分な値で、電源から上記カソードグリッドに負の電圧で電力を加え、ｅ．上記容器内で形成されたプラズマがプラズマジェットとして容器から出て、第２の容器に入るようにさせ、ｆ．容器から出てくるジェットが第２の容器に向かうように、一つまたはそれ以上の第１のガスを入れる容器が気密に取り付けられた第２のガスを入れる容器、ｇ．ミクロ粒子または大きなフラーレン分子または「すす」がフラーレン粒子の圧縮または振動濃化及び機械的移動のために沈降するように、第２のガスを入れる容器内でジェットプルームを減速させることを含む方法。６３．上記第１の電導性構造を接地またはゼロの電圧に、また上記第２の電導性構造を負の電位にバイアスすることをさらに含む請求項６２に記載の方法。６４．カソードとして動作するとき、上記第２の電導性構造と同じ電圧に上記ジェットの経路をバイアスすることをさらに含む請求項６３に記載の方法。６５．第２のガスを入れる容器から複雑なカーボン粒子を圧縮し、取り出すことをさらに含む請求項６２に記載の方法。６６．連続あるいは半連続製造プロセスをさらに含む請求項６５に記載の方法。６７．上記装置が、ジェットの周りに同軸で、かつ第２のチャンバー内に配置された２つの電極からなる静電的減速手段であって、印加電圧が残存する帯電粒子を減速するのに最適化されるように、第１の中空の電極が接地電池であり、第２の中空の電極が１０から３０ｋＶの間の電圧で正にバイアスされ、かつ双方の電極が同じ直径で、正確な電気絶縁になるように取り付けられている静電的減速手段をさらに含む請求項６に記載の装置。６８．上記カーボンをベースにしたガスが鎖状の炭化水素、芳香族炭化水素またはカーボンハライドの少なくとも一つを含む請求項４７に記載の方法。６９．上記バッファーガスが窒素、酸素、または希ガスの少なくとも一つをさらに含む請求項４７に記載の方法。７０．上記カーボンをベースにしたガスが鎖状の炭化水素、芳香族炭化水素またはカーボンハライドの少なくとも一つを含む請求項６に記載の装置。７１．上記バッファーガスが主に窒素、酸素、または希ガスの少なくとも一つを含む請求項６に記載の装置。