JP2010533964A

JP2010533964A - ガスの冷却のための方法および装置

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Publication number: JP2010533964A
Application number: JP2010502411A
Authority: JP
Inventors: ビュッシャー・マルクス; ボウクハロフ・アレクサンデル
Original assignee: フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング
Priority date: 2007-04-12
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2010-10-28
Also published as: WO2008125078A2; EP2132507A2; US20100140510A1; WO2008125078A3; CN102066860A; DE102007017212A1; DE112008000917A5

Abstract

本発明は、ガスを振動なく冷却するための方法および装置を提供する。ガスは第１の冷却ステップにおいて第１の冷媒と熱接触する。続いてガスは第２の冷却ステップにおいて、第２の冷媒と熱接触している液化器を貫流し、その際１０Ｋ以下だけ冷却される。この小さな温度勾配が、液化器を出る気体状または液体状のガス流が非常に均質で層流状となることの決定的な原因である。したがってこのガス流は、さらなる処理を施して一定の大きさの固体ペレットから成る流れにするのに適している。このペレットは、真空中で数メートル搬送することができ、したがって強烈なレーザ照射によるプラズマ生成用のターゲット材料として適している。

Description

本発明はガスの冷却のため、特に液化のための方法および装置に関する。

多くの材料から、強烈なレーザ光での衝撃によってプラズマを生成することができる。このようなプラズマは、なかでもＸ線放射ならびに極紫外（ＥＵＶ）光を放射する。しかしプラズマは、例えば電子または陽子のような荷電粒子を加速することもできる。

プラズマを生成するために非常に高いレーザ強度が必要であるため、照射された材料（ターゲット）は、照射個所で局所的に破壊される。このためプラズマを永続的に生成するためには、未使用のターゲット材料の連続的な補給を提供する供給源が必要となる。

（OE. Nordhage、「On a Hydrogen Pellet Target for Antiproton Physics with PANDA」、Uppsala大学学位論文、ISBN 91-554-6649-4（非特許文献１））からは、水素をまず液化し、この液体流を振動ノズルに通して滴に分割し、この滴を引き続きさらなる冷却によって凝固させてペレットにすることが知られている。このペレットは、シンクロトロンで速い陽子との相互作用を調査するためのターゲットとして利用され、原理的には、レーザ衝撃によるプラズマ生成のためにも使用できるはずである。

このようにして生成されたペレットは、したがってこのペレットから生成されたプラズマも、品質が激しく変動するという欠点をもつ。

OE. Nordhage、「On a Hydrogen Pellet Target for Antiproton Physics with PANDA」、Uppsala大学学位論文、ISBN 91-554-6649-4

したがって本発明の課題は、その最終生成物の品質変動が比較的少なく、したがってレーザ衝撃用のペレット・ターゲットを製造するための原料として、現況技術に基づき冷却されたガスよりも適している、ガスの冷却のための方法および装置を提供することである。

この課題は、本発明によれば、主請求項に基づく方法ならびに他の独立請求項に基づく装置によって解決される。さらなる有利な実施形態は、この主請求項ならびに他の独立請求項に関連する従属請求項から明らかである。この装置をベースとするプラズマ源ならびにその有利な使用は、さらなる独立請求項の主題である。

本発明の枠内で、ガスを冷却するための方法が開発された。その際、ガスは第１の冷却ステップにおいて、第１の冷媒と熱接触している導管を通って案内される。

冷媒として、原理的にはガスより低い温度を有するあらゆる媒体が適しており、その際、温度は、空間的にも媒体全体にわたって均質であり、時間的にも不変であることが好ましい。媒体は例えば冷却された固体とすることができ、この固体を通って導管が延びる。媒体は液体から成る浴とすることもでき、この浴を通って導管が延びる。この液体は特に液化クライオガスとすることができる。

第１の冷媒として、蒸気を周辺と交換できる液化クライオガスを選択することが特に有利である。漏れ出る蒸気によって、その蒸気の発生時に吸収される気化熱も周囲に放出されるので、液化クライオガスの温度は、完全に蒸発するまではその沸点を超えて上昇しない。

第２の冷却ステップでは、第２の冷媒と熱接触している液化器を通ってガスが案内される。その際、第２の冷媒は一般的に第１の冷媒より冷たい。しかし第２の冷媒は、第１の冷媒と同じ温度を有することもでき、かつ特に第１の冷媒と同じものであってもよい。

本発明によれば、ガスは第２の冷却ステップにおいて、ガスの融点と沸点の温度差の２倍以下、好ましくは１．５倍以下、特に好ましくは１倍以下だけ冷却される。融点と沸点の温度差は、ガスに備わっている材料特性である。この温度差は、例えばＨ_２に関しては６Ｋ、Ｎ_２に関しては１４Ｋ、Ａｒ、Ｋｒ、およびＸｅに関してはそれぞれ４Ｋである。

この措置は、ガス流が液化器の中および後ろで特に均質かつ特に層流状になるという作用を有する。この利点は特に、ガスが第２の冷却ステップで液化される本発明の特に好ましい実施形態において明らかになる。この場合、液化ガス流中には液化ガスが沸騰または凍結する部位がない。このようにコンディショニングされた液化ガス流は、特によくさらに処理することができ、例えば定義された大きさおよび形状の滴にと処理できることが確認された。すなわち液化ガスの温度変動は、液化器から出るガス噴流の速度変動を引き起こす。このガス噴流を滴に分割する場合、この速度変動は滴の品質を低下させる。本発明による措置は、温度変動を少なくし、かつ液体のガス滴をより良い品質で製造することを可能にする。

経験上、液化ガスの品質は、液化器内でこのガスが不変の量で存在する場合に最も良い。これは有利には、液化器に専ら気相のガスを供給することによって達成可能である。このためガスを、液化器の前ですでに温度が沸点より低くなるほど強く冷却してはならない。最適なのは、ガスの沸点より少しだけ高い温度でガスを液化器に供給することであり、そうすると液化器内ではもうガスの温度を少ししか変化させなくてよくなる。その際、液化器は基本的にこのガスの気相と液相の間のエネルギー差を吸収する。ガスは液化器内で凍結されるべきではない。なぜならそうすると液化器が詰まる可能性があるからである。

液化器は、例えば冷却された固体とすることができ、この固体内にガス用の導管が施されている。第２の冷媒を液化器を通って案内することが特に有利である。これは例えば冷却器を備えた液化器の冷却より少ない振動しかガスに伝達しない。液化器によって伝達される振動は、液化器内でのガス流の均質性および層流性を損ない、したがって阻止すべきであることが確認された。

気体状の第２の冷媒を選択する場合、液化器を、したがってそれを通って導かれるガスを、特に少ない振動で冷却することができる。その際、個々の気体粒子は、堅牢な液化器の測定可能な変位を引き起こすのに十分なインパルスを有していない。統計学的には、全ての粒子によるインパルス伝達は、インパルス伝達がほぼ完全に相殺され、かつ液化器が全体として測定可能なほど変位しないように分布している。

気体状の第２の冷媒として、例えば液化クライオガスの上にある蒸気相が適している。この蒸気により気化熱が排出される。第２の冷媒の貯蔵容器内の圧力が不変の場合、これにより気化速度はほぼ不変であり、したがって残っている液化ガスのストックの温度も蒸気相の温度もほぼ不変である。貯蔵容器内の圧力を介して、気化速度を、したがって第２の冷媒の蒸気相の温度も、大まかに調節することができる。同時に圧力によって、液化器内での冷却能力にとって、したがって単位時間ごとに冷却可能なガスの量にとって重要な第２の冷媒の流れが決まる。

ガスと第２の冷媒を液化器を通って逆方向に案内することが有利である。これによって、両方の流れの間に生じる温度差の最大値が制限される。この温度差は、特にガスが第２の冷却ステップにおいて液化される場合、ガス流における乱流を引き起こす可能性がある。

本発明の特に有利な一実施形態では、ガスを液化器内に入る前に、液化器から出てくる第２の冷媒と、中間冷却器内で例えば熱交換器によって熱接触させる。これにより、第２の冷却ステップにおいて液化器内でまだ克服しなければならない温度差が小さくなる。同時に、液化器から出てくる第２の冷媒の残留冷気が十分に利用され、したがってこの冷媒の消費量がより少なくなる。

本発明のさらなる有利な実施形態では、第１の冷却ステップと中間冷却器の間で、例えば電気ヒータによってガスを加熱する。これにより、液化器内に入るガスの温度を特に微細に、かつ迅速に調節することができる。第１の冷却ステップ直後のガスの温度は比較的緩慢にしか変化させることができない、なぜならそのためには第１の冷媒のストック全体を加熱または冷却しなければならないからである。中間冷却器内で引き起こされる冷却は、液化器からの第２の冷媒の流出温度に依存しており、したがって、同時に液化器内での温度環境を変えることなく直接に影響を及ぼすことはできない。

第２の冷媒の温度は、クライオガスの貯蔵容器内の圧力によって大まかに調節することができ、この圧力は他方ではクライオガスの気化速度を決定する。第２の冷媒を、液化器内に入る前に例えば電気ヒータによって加熱することが有利である。この加熱は、貯蔵容器内の圧力変化による間接的な温度変化より微細かつ迅速に実施することができる。

本発明による方法によってガスを液化する場合、本発明の特に有利な実施形態は、液化した状態でのガスが振動ノズルを通って導かれることを企図する。このノズルは、好ましくは液化ガスの流れる方向に平行に、好ましくは１００〜１０００ｎｍの振幅で振動する。このようにして液化ガスを、一定の形状および大きさの滴から成る流れに変化させることができる。流れ出る液化ガスの速度は、ガスを第１の冷却ステップに供給する圧力によって決まり、かつこの圧力の変化によって調節することができる。

現況技術に基づきガスを冷却する際の望ましくない振動が、滴の品質を、またこの品質の不変性を制限する要因であったことが確認された。このような振動は、例えば冷却ヘッドを使用することによって、ガス内および機器内にもたらされていた。本発明による振動のない冷却は、このような障害を回避し、かつ現況技術に基づき可能であったより高いだけでなく、一定でもある品質（特に大きさ）での滴の製造を可能にする。

振動ノズルで形成された滴からは、例えば強烈なレーザパルスでの衝撃によってプラズマを生成することができ、このプラズマは、Ｘ線放射および／または極紫外（ＥＵＶ）光を放射する。

真空中で行われるこのような適用例および他の適用例のために、本発明の特に有利な実施形態では、液化ガスを振動ノズルから真空中に移送する。その際、ノズルの振動によって一定の形状および大きさの滴に分割された液化ガスを凝固させることが特に有利である。これは表面蒸発によって起こり、この表面蒸発は、凝固点より低い温度までの追加的な冷却を引き起こす。このとき、固体ペレットから成る均質な流れが生じ、このペレットは、真空中で比較的長い距離を搬送することもできる。これは、強烈なレーザパルスによる衝撃のために特に有利である。この場合に生成されたプラズマは、かなりの熱量および高エネルギーの放射を放出するので、ペレットの供給源を損傷させないために、この衝撃は、供給源に対して空間的に間隔をあけて行うべきであろう。

振動ノズルから真空中への移送は間隔をあけて行うことが有利であり、すなわち特に、液化ガスを、同じガスが気体状態で充満しているチャンバに通して真空中に移送することができ、その際、ガスはこのチャンバ内では好ましくは３重点付近において存在する。これは特に、３重点圧力の０．２倍〜３倍の圧力と、３重点温度の１倍〜１．２倍の温度とから成る組合せとして理解できる。このようにして、真空中に移る際に、液化ガスの流れまたはそれから生じた滴の流れの均質性および飛行方向が、できるだけ遠くまで保たれる。

同じ理由から液化ガスを、内径が真空に向かって減少し続けるノズルに通して真空中に移送することが有利である。その際、ガスの入口でのノズルの内径は、真空側のせいぜい１０倍、好ましくは３〜４倍とすべきであろう。この場合、液滴またはペレットの速度も均質に分布され、ペレット流が目標飛行方向の周りに狭くコリメートされる。

この均質性およびコリメーションは、ノズルに沿った圧力勾配が最小限になる場合に最大になる。これはノズルの直径がノズルの長さに沿って指数関数的に減少し、これに加えノズルがその出口直径の有利には少なくとも１０倍の長さである場合に達成することができる。

本発明の特に有利な一実施形態では、ガスを少なくとも２段階において真空中に移送する。その際、第１の段階では１０^−５ｍｂａｒ以上、好ましくは１０^−４ｍｂａｒ以上の圧力に保つことが有利であり、これによりペレットへと凍結する際にガス滴の形状が維持され続ける。最後の段階では１０^−６ｍｂａｒ以下、好ましくは１０^−７ｍｂａｒ以下に圧力を保つことが有利である。なぜならこれが加速設備およびＥＵＶ光を生成するための設備の典型的な基本圧力であり、この場合ペレットを直接的にこれらの設備内に移送することができるからである。この段階分けを実現するためには、例えばそれぞれペレットが通過可能な開口またはノズルによって互いに結合され、段階的に差を付けた圧力を有する、複数の真空チャンバを、ペレットの飛行方向において前後に並べて配置することができる。ペレットのための推進力としてチャンバ間の圧力差を利用することができる。３重点チャンバがある場合は、３重点チャンバから第１の真空チャンバ内への移行が、残りのチャンバ間の移行よりはるかに大きい加速をペレットに付与する。ただしチャンバを上下に配置する場合は、地球の重力場もさらなる推進力として利用することができるが、この効果は比較的小さい（１０ｍの落下距離で約１５ｍ／ｓの速度上昇）。

ペレットは、真空中に移送された後、少なくとも５０ｍ／ｓ、好ましくは少なくとも１００ｍ／ｓの速度を有することが有利である。レーザ衝撃によってペレットからプラズマを生成する際、ペレットは蒸発し、したがって消費される。可能な繰り返し率は、ペレット流の速度およびペレット流におけるペレット間の間隔によって決まる。

冷却剤としては、特に気体状および液体状のＨｅ、Ｎ_２、Ａｒ、Ｋｒ、およびＸｅが適している。本発明による方法によれば、例えば液滴および固体ペレットはＨ_２、Ｎ_２、Ａｒ、Ｋｒ、およびＸｅから製造することができる。

本発明の枠内で、特に本発明による方法を実施するのに適している、ガスを冷却するための装置も開発された。この装置は、互いに熱接触し、ガスおよび主冷媒がその中を逆方向に貫流できる、少なくとも２つの導管を含む液化器を特徴とする。

この措置は、液化器の稼働中に、両方の導管の全長にわたり、この両方の導管の温度差を小さく調整し得るという作用を有する。ガスがその最も熱い状態または最も冷たい状態にある場合、第２の冷媒もその状態にある。これにより、第１の導管の断面に沿って小さな温度勾配を達成することができ、それによりこの第１の導管内での流れの均質性および層流性が改善される。

この効果は、本発明の有利な一実施形態では、両方の導管が互いに平行または同軸に配置されることによってさらに強化される。

本発明の特に有利な一実施形態では、液化器の前に、ガスと熱接触し得る前冷媒が接続されている。この措置は、ガスがその元の温度と所望の目標温度の間の温度差の最大部分を、すでに前冷媒との熱接触中に克服し得るという作用を有する。ガスの元の温度と共に、液化器内でのガスの温度低下の最大値も予め定められている場合、より低い最終温度を達成することができる。

前冷媒が容器内に配置されており、ガスがその中を貫流でき得る導管がこの容器を通って延びることが有利である。このような配置は、ガスと前冷媒の間の熱接触を最大限にする。

この容器は、リング形状を有することが有利である。なお、リング形状とは、その内側で１つの領域を画定するあらゆる閉鎖形状と理解すべきである。この領域は円形でなくてもよく、楕円の形状でも、または角張った形状でもよい。この領域は前冷媒によって、周囲からの熱入射に対して保護されている。

この囲まれた領域内に主冷媒のストックを配置することが有利である。そうすると、この領域が過度に速く加熱されることが回避される。例えば前冷媒を割安の液化窒素とし、かつ主冷媒がはるかに高価な液化ヘリウムとすることができる。このような配置では、周囲からの熱入射は窒素を追加的に消費するが、しかしヘリウムを追加的に消費することはない。

本発明の特に有利な一実施形態では、装置が、液化器の後ろに接続されたノズルを含んでおり、このノズルは、振動を生成する手段を有している。振動を生成する手段としては、特に圧電式の手段が適している。振動振幅を適切に選択すれば、液化器内で生成された液化ガスの層流をこのノズルに通して、定義された滴に分断することができる。

本発明のさらなる有利な実施形態では、装置が、ノズルの後ろに接続された少なくとも１つの低圧チャンバを含んでいる。こうすると、ノズルから出る液化ガスの滴が、低圧チャンバ内に移行する際に凍結してペレットになることができ得る。固体ペレットが、その生成場所からその使用場所まで、液化ガスの滴より長い距離を進み得ることが確認された。この場合、ペレットは例えばペレット・ターゲットを形成することができ、このペレット・ターゲットは、定義された相互作用ゾーン内で放射源からの放射と相互作用する。このようなペレット・ターゲットは、ターゲット材料を相互作用ゾーン内に連続的に追加提供し得るという利点を有している。

凍結時の滴の形状を維持するために、有利には、段階的に差を付けた圧力を有する複数の低圧チャンバを前後に並べて配置することができる。

低圧チャンバは、ノズルから空間的に間隔をあけておくことが有利であり、例えばガスの３重点付近の条件がその中で存在している３重点チャンバによって間隔をあける。この場合、液滴はノズルから出た後、凝固してペレットになる前に、安定する機会を得る。

本発明の有利な一実施形態では、低圧チャンバ内への入口がさらなるノズルとして形成されており、このノズルの内径は真空に向かって減少し続ける。その際、さらなるノズルの入口側の内径は、低圧側のせいぜい１０倍の大きさとすべきであろう。この場合、低圧チャンバ内に入る液滴またはペレットの速度も均質に分布され、ペレット流が目標飛行方向の周りに狭くコリメートされる。

本発明の枠内で、プラズマ源が見出された。このプラズマ源は、相互作用ゾーンに向けられた放射源ならびにガスを冷却するための本発明による装置を含んでいる。この装置は、冷却されたガスを相互作用ゾーン内に放出できるように構成されている。放射源としては特にレーザが適している。

このようなプラズマ源は、連続的に稼働させることができ、同時に、現況技術に基づくプラズマ源より長持ちすることが確認された。放射源からの放射線による衝撃の際に消費されるターゲット材料としてのガスは、その凝集状態に関係なく連続的に追加提供することができる。ガスが装置からペレットの形で放出される場合、有利には、この装置を相互作用ゾーンから大きな間隔（１ｍ以上の大きさ）をあけて配置することができる。こうなると、装置はプラズマの熱および放射性放射によって損傷を受けない。

プラズマ源が冷却トラップを含むことが有利であり、この冷却トラップは、ガスのうち、放射源からの放射線と相互作用しない部分を受け止める。この冷却トラップは、ガスの流れる方向または固体ペレットの飛行方向において、ガスまたはペレットが放射線と相互作用するゾーンの後ろに配置することが好ましい。冷却トラップ内で余分なガス残留物ならびに利用されなかったペレットを捕捉すると、プラズマ源内の真空が改善され、かつこの真空を維持するために必要なポンプ能力がより小さくなる。

このプラズマ源によって生成されたプラズマは、Ｘ線放射および極紫外（ＥＵＶ）放射を生成することができる。このようなプラズマ中では、例えば電子および陽子のような荷電粒子の加速も、数百ＭｅＶのエネルギーで可能である。したがってこのプラズマ源は、例えば半導体をフォトリソグラフィによって構造化するための装置内で、ＥＵＶ放射用の供給源として用いることができる。しかしプラズマ源は、例えば粒子加速器内でも使用することができる。この場合、冷却されたガス（好ましくはペレットの形において）と加速放射線が相互作用するゾーンを極めてコンパクトに構築することができる。

以下に本発明の主題を図に基づきさらに詳しく説明するが、これによって本発明の主題が制限されることはない。

本発明による装置および本発明による方法の例示的実施形態を示す図である。本発明による方法によって生成された水素滴を示す図である。３重点チャンバから約１．２ｍ離れたところでの直径２０μｍの水素ペレットの位置分布を示す図である。複数の真空チャンバを備える本発明による装置の例示的実施形態を示す図である。

図１は、本発明による装置ならびに本発明による方法の例示的実施形態を断面図で示している。液体の前冷媒（第１の冷媒）２用の容器１を通って、曲がりくねった導管３が延びており、この導管内で、冷却すべきガス４が第１の冷却ステップにおいて冷却される。容器１によって囲まれた領域５の内部には、主冷媒（第２の冷媒）６のストックを備えたさらなる容器がある。

ガス４は、液化器９から出てくる主冷媒６と熱交換器８によって熱接触する前に、任意でヒータ７によって加熱することができる。続いてガスは液化器９内に入る。主冷媒６から蒸気相が導管１０を介して液化器に供給される。液化器９は、ガス４を液体流に変化させ、この液体流は振動ノズル１１を通って滴に分断される。これらの滴は続いて真空中に移る際に、表面蒸発によって凝固することができる。

本方法の例示的実施形態ではガス４として水素を使用する。前冷媒２は液化窒素であり、主冷媒６は液化ヘリウムである。水素は、第１の冷却ステップにおいて室温（２９３Ｋ）から８１Ｋに冷却される。ヒータ７はこの例示的実施形態では使用しない。ヘリウムの蒸気相は、液化ヘリウムの貯蔵容器から出る際には４．５Ｋの温度を有しており、液化器９内に入る際には５．０５Ｋの温度を有している。熱交換器８内に入る際は１６．２Ｋの温かさであり、かつ入ってくる水素を２１Ｋに冷却し、その後に水素は液化器内で１６．９Ｋに冷却され、したがって液化される。

液化水素から成る噴流は、振動ノズル１１を通って同じ大きさの滴１２に分断され、これらの滴は、気体状の水素で満たされた３重点チャンバ（７０ｍｂａｒ、１４Ｋ）内に導入される。

２つの異なるタイプの振動ノズルを使用した。すなわち内径１２〜４０μｍの、真鍮で縁取りしたガラスノズルならびに内径１６〜４０μｍの特殊鋼ノズルである。ガラスノズルは、より平滑な内表面を有しており、かつガラスノズルは透明なので、稼働中にその機能を視覚的にチェックすることができる。特殊鋼ノズルは、より優れた再現性で製造することができ、かつその出口はより良い（つまりより小さい）長さ−直径比を有している。したがって液化ガスを特殊鋼ノズルに通すためにより小さい圧力しか必要としない。

図２は、振動ノズル１１から３重点チャンバ内へ出ていく水素滴を示している。この水素滴は、このチャンバから、真空側の内径６００μｍのさらなるノズルを通って、１０^−２ｍｂａｒの第１の真空中に移動し、その際、凍結してペレットになる。滴またはペレットは、３重点チャンバからのガス流によって真空方向に加速される。ペレットはさらなるノズルを通って、１０^−４ｍｂａｒの第２の真空中に達し、そこから直径２ｃｍの管を通って相互作用ゾーン内に達し、この相互作用ゾーン内でペレットがレーザ光によって衝撃を加えられる。この相互作用ゾーンは、３重点チャンバから数メートル離すことができる。３重点チャンバから１．２ｍ離れたところで、直径１８〜６０μｍの一定の品質のペレットを観察することができた。ペレット直径は、基本的に液化器と３重点チャンバの間の振動ノズル１１の終端直径に対応している。

ペレットの空間分布および角度分布ならびにペレットの速度をＣＣＤカメラによって観察した。第１の真空中に移った後、大きさ３０μｍのペレットは約７０ｍ／ｓの平均速度を有している。ペレットの大きさは、数秒の時間で１％まで安定し、数時間かけてさらに１０％まで安定する。

この例示的実施形態では、真空中に移るためのノズルの半径Ｒ_ｃは、ノズルに沿った座標ｘに従って指数関数的に先細りしていく。すなわち
Ｒ_ｃ＝Ｒ_１＋Ｒ_２・ｅｘｐ（−δ・χ）
式中でδは独立な先細りパラメータであり、Ｒ_１およびＲ_２は以下のように、入口側の半径Ｒ_ｍａｘおよび真空側の半径Ｒ_ｍｉｎに依存している。すなわち

図３は、３重点チャンバから約１．２ｍ離れた飛行方向に垂直な平面内での直径２０μｍの水素ペレットの位置分布を示している。主飛行方向からのペレットの偏差Δｘの上方に、相対頻度ｎが任意の単位で示されている。ペレットの噴射は非常に良くコリメートされており、つまり圧倒的に大部分のペレットは、主飛行方向から２００μｍ未満しか偏位していない。これは、液体の水素噴流が非常に規則正しく滴に分断されることに帰せしめることができる。一方、その原因は、振動ノズル１１に、そのように均質で層流状の水素流が供給されることにある。現在のところ、振動ノズル１１で生成された全てのペレットの約３０％が相互作用ゾーンに到達する。

図４は、本発明による装置の一例示的実施形態を示している。ノズル１１は３重点チャンバ２０内に通じている。稼働中は、３重点圧力の０．２倍〜３倍の圧力が保たれている。温度は３重点温度の１倍〜１．２倍である。真空チャンバ２１、２２、および２３は、滴１２の飛行方向において前後に並んで配置されており、これらの真空チャンバによって滴１２を段階的に真空中に移送することができる。その際、滴１２は、３重点チャンバ２０内ではまだ液体であり、チャンバ２１内に移る際に凍結する。チャンバ２１、２２、および２３は、ペレットを通すノズル２４によって互いに分離され、かつ３重点チャンバ２０から分離されている。第１のチャンバ２１内では、稼働中に圧力が１０^−４ｍｂａｒの大きさに保たれており、最後のチャンバ２３内では、圧力が１０^−７ｍｂａｒの大きさに保たれている。

この装置は、レーザ（図示せず）を含んでおり、このレーザの放射２５が相互作用ゾーン内で、凍結してペレットになった滴１２と相互作用する。利用されなかったペレットは冷却トラップ２７内で捕捉される。

Claims

ガスが、第１の冷却ステップにおいて、第１の冷媒と熱接触している導管を通って案内されるステップと、
前記ガスが、第２の冷却ステップにおいて、第２の冷媒と熱接触している液化器を通って案内され、その際に、前記ガスの融点と沸点の温度差の２倍以下だけ冷却されるステップと
を含む、ガスを冷却するための方法。
前記ガスが、前記第２のステップにおいて、前記ガスの融点と沸点の温度差の１．５倍以下だけ冷却されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第２の冷媒が前記第１の冷媒より冷たいことを特徴とする請求項１〜２のいずれか一つに記載の方法。
蒸気を周囲と交換できる液化クライオガスが第１の冷媒として選択されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
前記第２の冷媒が、前記液化器を通って案内されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
前記ガスと前記第２の冷媒が、前記液化器を通って逆方向に案内されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
気体状の第２の冷媒が選択されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。
前記ガスが、前記液化器内に入る前に、前記液化器から出てくる前記第２の冷媒と、中間冷却器内で熱接触することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載の方法。
前記ガスが、前記第１の冷却ステップと前記中間冷却器の間で加熱されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の方法。
前記ガスが、前記第２の冷却ステップにおいて液化されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の方法。
前記液化ガスが、振動ノズルを通って導かれることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
前記ノズルが、前記液化ガスの流れる方向と平行に振動することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
前記ノズルが、１００〜１０００ｎｍの振幅で振動することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
前記液化ガスが、前記振動ノズルから真空中に移送されることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一つに記載の方法。
前記液化ガスが、前記真空中に移送される際に凝固することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記真空中への移送が、前記振動ノズルから間隔をあけて行われることを特徴とする請求項１４〜１５のいずれか一つに記載の方法。
前記液化ガスが、同じガスが気体状態で充満しているチャンバを通って前記真空中に移送されることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか一つに記載の方法。
前記ガスが、前記チャンバ内で３重点付近において存在することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
前記液化ガスが、内径が前記真空に向かって減少し続けるノズルを通って前記真空中に移送されることを特徴とする請求項１４〜１８のいずれか一つに記載の方法。
前記ノズルの内径が、前記ガスの入口では前記真空側のせいぜい１０倍の大きさであることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
前記ガスが、少なくとも２段階で前記真空中に移送されることを特徴とする請求項１４〜２０のいずれか一つに記載の方法。
前記第１の段階で、圧力が１０−５ｍｂａｒ以上、好ましくは１０−４ｍｂａｒ以上に保たれることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
前記最後の段階で、圧力が１０−６ｍｂａｒ以下、好ましくは１０−７ｍｂａｒ以下に保たれることを特徴とする請求項２１〜２２のいずれか一つに記載の方法。
前記ガスが、前記真空中に移送された後、少なくとも５０ｍ／ｓ、好ましくは少なくとも１００ｍ／ｓの速度を有することを特徴とする請求項１４〜２３のいずれか一つに記載の方法。
群（Ｈｅ、Ｎ_２、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ）からの少なくとも１つのガスが冷媒として選択されることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか一つに記載の方法。
互いに熱接触しており、ガスと主冷媒がその中を逆方向に貫流できる、少なくとも２つの導管を含む液化器を特徴とするガスを冷却するための装置。
互いに平行に配置された２つの導管を含む液化器を特徴とする請求項２６に記載の装置。
互いに同軸に配置された２つの導管を含む液化器を特徴とする請求項２６〜２７のいずれか一つに記載の装置。
前記液化器の前に接続された、前記ガスと熱接触し得る前冷媒を含む請求項２６〜２８のいずれか一つに記載の装置。
前記前冷媒が容器内に配置されており、前記ガスがその中を貫流できる導管が前記容器を通って延びることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
リング状の容器を特徴とする請求項３０に記載の装置。
前記容器によって囲まれた領域内に配置された前記第２の冷媒のストックを特徴とする請求項３０〜３１のいずれか一つに記載の装置。
前記液化器の後ろに接続された、振動を生成する手段を有するノズルを特徴とする請求項２６〜３２のいずれか一つに記載の装置。
前記振動を生成するための圧電式の手段を特徴とする請求項３３に記載の装置。
前記ノズルの後ろに接続された少なくとも１つの低圧チャンバを特徴とする請求項３３〜３４のいずれか一つに記載の装置。
前後に並んで配置され、段階的に差を付けた圧力を有する、複数の低圧チャンバを特徴とする請求項３５に記載の装置。
前記低圧チャンバが、前記ノズルから空間的に間隔をあけて配置されることを特徴とする請求項３５〜３６のいずれか一つに記載の装置。
前記低圧チャンバを前記ノズルからの間隔をあけて配置する手段としての３重点チャンバを特徴とする請求項３７に記載の装置。
前記低圧チャンバ内への入口がさらなるノズルとして形成されており、前記ノズルの内径が前記真空に向かって減少し続けることを特徴とする請求項３５〜３８のいずれか一つに記載の装置。
前記さらなるノズルの入口側の内径が、低圧側のせいぜい１０倍の大きさであることを特徴とする請求項３９に記載の装置。
冷却されたガスを相互作用ゾーン内に放出できるように配置されている請求項２６〜４０のいずれか一つに記載の装置を特徴とする、前記相互作用ゾーンに向けられた放射源を有するプラズマ源。
放射源としてのレーザを特徴とする請求項４１に記載のプラズマ源。
前記放射源からの放射と相互作用しないガスを受け止めるための冷却トラップを特徴とする請求項４１〜４２のいずれか一つに記載のプラズマ源。
請求項４１〜４３のいずれか一つに記載のプラズマ源を特徴とする、半導体をフォトリソグラフィによって構造化するための装置。
請求項４１〜４３のいずれか一つに記載のプラズマ源を特徴とする粒子加速器。