JP3584007B2 - プラズマ質量フィルタ - Google Patents

Description

【０００１】
本出願は、１９９８年１１月１６日に出願され、共願で現在許可されている米国特許出願第０９／１９２，９４５号の部分継続特許である、１９９９年１２月１５日に出願された共願の米国特許出願第０９／４６４，５１８号の部分継続特許出願である。本パラグラフで特定された出願の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概ね、個々の質量に応じてプラズマ内の荷電粒子を分離することができる装置および機器に関する。特に、本発明は、特定の質量範囲の粒子を多相プラズマから抽出する、エネルギー効率の高い濾過装置に関する。本発明は、特に、高質量の粒子から低質量の粒子を分離するため、エネルギー効率が高く処理量が多いフィルタとして有用であるが、それに制限されるものではない。
【０００３】
【従来の技術】
プラズマ遠心分離機を操作する一般原理はよく知られ、よく理解されている。要するに、プラズマ遠心分離機は、粒子をその質量に応じて相互から分離させる力を、荷電粒子に対して発生する。特に、プラズマ遠心分離機は、交差した電界と磁界とが荷電粒子に与える影響を利用する。知られているように、交差する電界と磁界により、プラズマ内の荷電粒子は、中心に向いた縦軸の周囲で、個々の螺旋状の経路上で遠心分離機内を移動する。荷電粒子がこれらの交差した電界と磁界の影響下で遠心分離機を通過すると、言うまでもなく様々な力を受ける。特に、半径方向、つまり遠心分離機内の粒子の回転軸に対して垂直の方法では、これらの力は、１）粒子の運動によって生じる遠心力Ｆｃ、２）電界Ｅｒによって粒子に加わる電気的力Ｅ_Ｅ、および３）磁界Ｂｚによって粒子に加わる磁力Ｆ_Ｂである。数学的に、これらの力はそれぞれ以下のように表現される。
Ｆｃ＝Ｍｒω^２
Ｆ_Ｅ＝ｅＥｒ
Ｆ_Ｂ＝ｅｒωＢｚ
ここで、
Ｍは粒子の質量、
ｒは粒子のそ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は電界強度、
Ｂｚは磁界の磁束密度である。
【０００４】
プラズマ遠心分離機では、電界が半径方向内側に向くことが一般に受け入れられている。言い換えると、遠心分離機の回転軸から遠いほど、プラスの電圧が増加する。このような状態で、電気的力Ｆ_Ｅは、粒子に作用する遠心力Ｆｃに対抗し、磁力は、回転の方向に応じて外側への遠心力に対抗するか、これを助ける。したがって、遠心分離機の半径方向の平衡状態は、下式で表現することができる。
ΣＦｒ＝０（プラスの方向半径方向外側）
Ｆｃ−Ｆ_Ｅ−Ｆ_Ｂ＝０
Ｍｒω^２−ｅＥｒ−ｅｒωＢｚ＝０ （式１）
式１は２つの実数の解があり、１つはプラス、１つはマイナスである。つまり、下式の通りである。

ここでΩ＝ｅＢｚ／Ｍである。
【０００５】
プラズマ遠心分離機では、遠心力Ｆｃによって粒子をその質量に応じて相互から分離できる遠心分離機の状態を生成するよう、平衡を求めようとする。こうするのは、遠心力が、特定の粒子の質量（Ｍ）に応じて粒子ごとに異なるせいである。したがって、粒子の質量が大きいほど、経験するＦｃが大きく、これより小さい遠心力を経験する比較的質量の小さい粒子より、遠心分離機の外縁に向かって大きく移動する。その結果、相互の回転軸から外側への方向に、軽い粒子から重い粒子へと分布する。しかし、よく知られているように、プラズマ遠心分離機は、前述した方法で全ての粒子を完全に分離するわけではない。
【０００６】
式１に関連して上述したように、イオンを制限するよう電界Ｅが選択され、イオンが制限された軌道を呈する全ての状態で、力の平衡を達成することができる。本発明のプラズマフィルタでは、遠心分離機とは異なり、イオンを抽出するため反対の記号の電界を選択する。その結果、臨界値Ｍｃより質量が大きいイオンは、制限されない軌道に乗る。臨界質量Ｍｃは、電界および磁界の強度を調節することによって選択することができる。プラズマフィルタの基本的特徴は、ハミルトンの形式を使用して述べることができる。
【０００７】
総エネルギー（位置エネルギー＋運動エネルギー）は運動の定数であり、ハミルトンの演算子で表現することができる。

ここでＰ_Ｒ＝ＭＶ_Ｒ、

およびＰｚ＝ＭＶｚは、モーメントの個々の成分であり、ｅΦは位置エネルギーである。Ψ＝ｒ^２Ｂｚ／２は磁束関数に関連し、Φ＝αΨ＋Ｖｃｔｒは電位である。Ｅ＝−▽Φは、問題のフィルタのケースでゼロより大きくなるよう選択された電界である。ハミルトンを下式のように書き換えることができる。

【０００８】
パラメータはｚ軸に沿って変化しないと仮定するので、Ｐｚと

とは両方とも運動の定数である。左辺の定数の項全てを展開し、再編成すると、下式のようになる。

ここで、Ω＝ｅＢ／Ｍである。
【０００９】
最後の項はｒ^２に比例するので、Ω／４＋α＜０の場合は、第２の項が１／ｒ^２として減少するので、粒子が半径方向外側に移動するにつれ、左辺を一定に維持するため、Ｐ_Ｒ ^２は増加しなければならない。その結果、下式により与えられた臨界質量より大きい質量については、軌道が制限されない。
Ｍｃ＝ｅ（Ｂ_２ａ）^２／（８Ｖｃｔｒ）、ここで下式を使用した：

ここでａは室の半径である。
【００１０】
したがって、例えば陽子質量Ｍｐを正規化して式２を書き換え、大きい質量を損失軌道に乗せるのに必要な電圧を与えることができる。

【００１１】
このように、装置の半径を１ｍ、臨界質量比を１００、磁界を２００ガウスにするには、４８ボルトの電圧が必要となる。
【００１２】
下式によって与えられる単純な力の平衡の式を見ることにより、臨界質量について同じ結果が得られる。
ΣＦｒ＝０（プラスの方向は半径方向外側）

これは、電界の記号のみが式１と異なり、下記の解を有する。

したがって、４Ｅ／ｒＢｚΩ＞１の場合は、ωが虚数の根を有し、力の平衡は達成されない。円筒形の半径が「ａ」、中心電圧がＶｃｔｒ、壁の電圧がゼロのフィルタ装置の場合、臨界質量に関する同じ式は以下のようになる。

【００１３】
荷電粒子の質量Ｍが閾値（Ｍ＞Ｍｃ）より大きい場合、粒子は壁に衝突するまで半径方向外側に移動し続け、より大きい質量の粒子は、装置の出口に収容され、収集することができる。より大きい質量の粒子は、様々な方法を使用して壁から回収することもできる。
【００１４】
任意の装置について、式３のＭｃの値は磁界Ｂｚの大きさ、および室の中心における（つまり縦軸に沿った）電圧Ｖｃｔｒによって決定されることに留意することが重要である。この２つの変数は設計の考慮事項であり、制御することができる。濾過条件（式２および式３）は、境界の状態に依存しないことも重要である。特に、多種プラズマの各粒子が室に入る速度および位置は、交差した電界と磁界が高質量粒子（Ｍ＞Ｍｃ）を追い出しながら、低質量粒子（Ｍ＜Ｍｃ）を回転軸から距離「ａ」内にある軌道に制限することができる能力に影響を与えない。
【００１５】
プラズマを生成し、次にこれを操作する全てのプロセスで、大量のエネルギーが必要である。特に、プラズマ材料を蒸発させ、イオン化するためにエネルギーが必要である。その上、プラズマを包含し、操作するのに必要な磁界および電界を生成するために、追加のエネルギーが必要である。その結果、１つの材料を別の材料から分離するためにプラズマ質量フィルタまたはプラズマ遠心分離機などのプラズマプロセスを使用することの経済的実現性は、エネルギーの問題点に大きく依存する。さらに、処理量および分離効率も、プラズマプロセスの操作に必要なエネルギー入力に影響を与える。
【００１６】
プラズマ質量フィルタなどのプラズマプロセスでは、粒子は電界の線に沿っていずれかの方法に移動する傾向がある。その結果、磁界に導入された粒子については、粒子の約半分が磁界の線に沿って一方向に移動し、残りの粒子が磁界の線に沿って反対方向に移動する。磁界の線が円筒の軸に平行であり、粒子を容器の一方端から導入する円筒形容器では、粒子の約半分しか第２端部に向かって移動しない。粒子の他の半分は、容器内の導入箇所に集合する。その結果、単純な円筒形状を有するプラズマ質量フィルタでは、一方端から導入した材料の約半分しか、反対側の端部にある出口に向かって効果的に移動して分離されるだけである。その結果、材料の約半分は再処理が必要である。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
以上を鑑みて、高質量粒子から低質量粒子を分離するために、エネルギー効率、処理量および分離効率が上がるよう構成されたプラズマ質量フィルタを提供することが、本発明の目的である。磁界の線に垂直に蒸気を磁界に導入することにより、単純な円筒形のプラズマ質量フィルタの２倍の処理量を有するプラズマ質量フィルタを提供し、それによってフィルタ内で生成されたプラズマの半分が、第１コレクタに向かって第１方向に磁界線に沿って移動し、残りのプラズマが第２コレクタに向かって反対方向に移動できるようにすることが、本発明の別の目的である。高質量粒子から低質量粒子を分離するために、粒子の有意の量が導入箇所で容器から出ることを防止するプラズマ質量フィルタを提供することが、本発明の別の目的である。本発明のさらに別の目的は、簡単に使用でき、相対的に製造が単純で、比較的コスト効率がよいプラズマ質量フィルタを提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
多種プラズマの高質量粒子から低質量粒子を分離するプラズマ質量フィルタは、縦軸の周りに中空の室を囲む円筒形の壁を含む。室の外側には、磁界Ｂzを生成する磁気コイルがある。この磁界は、室内に確立され、前記縦軸にほぼ平行に生成される。また、室の一方端には、電界Ｅrを生成する一連の電圧制御リングがあり、この電界Ｅ rは半径方向外側に向き、磁界にほぼ垂直に向けられる。かくして、ＢzとＥrとは交差する磁界と電界とを生成する。電界は、縦軸Ｖctr上にプラスの電位を、室の壁にほぼゼロの電位を有することが重要である。
【００１９】
使用時には、磁界Ｂｚの大きさおよびプラスの電位Ｖｃｔｆの大きさを室の縦軸に沿って設定する。次に、回転する多種プラズマを室の一方端に注入し、交差する磁界と電界と相互作用させる。あるいは、シリンダの両端のほぼ中間に位置する入口を通して、蒸気状態の材料を室に注入することができる。蒸気は、室に注入されると、蒸気を高周波（ｒｆ）エネルギーに露出させることにより、イオン化して多種プラズマを生成することができる。室内で円筒壁に高周波アンテナを装着し、蒸気のイオン化に必要な高周波エネルギーを生成することができる。イオン化されると、プラズマ内に生じた圧力勾配により、イオン化した粒子が磁界線に沿ってシリンダ端部へと移動する。以下で詳細に述べるように、低質量粒子は、各シリンダ端でシリンダを出て、高質量粒子はシリンダ壁に衝突し、これに捕捉される。特に、縦軸と室の壁との間に「ａ」の距離を有する室で、ＢｚおよびＶｃｔｒが設定されると、Ｍｃは下式によって決定される。

【００２０】
その結果、多種プラズマ中の全粒子のうち、臨界質量Ｍｃより質量が小さい低質量粒子（Ｍ＜Ｍｃ）は、室を通過する間、室内に制限される。他方、臨界質量より大きい質量を有する高質量粒子（Ｍ＞Ｍｃ）は、室の壁に射出され、したがって室を通過しない。
【００２１】
本発明の新規の特徴、さらに本発明自体は、その構造および操作の両方について、添付の説明に関連させて添付図面を考慮することにより最もよく理解され、図面では同様の参照文字は同様の部品を指す。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、プラズマ質量フィルタが図示され、概ね１０で指定されている。図示にように、フィルタ１０は、室１４を囲み、縦軸１６を画定するほぼ円筒形の壁１２を含む。室１４の実際の寸法は、多少は設計の選択肢の問題であるが、そればかりではない。縦軸１６と壁１２との半径方向の距離「ａ」は、フィルタ１０の動作に影響するパラメータであり、本明細書の他の箇所で明瞭に指示されているように、考慮に入れなければならない。
【００２３】
図１には、フィルタ１０が、壁１２の外面に装着されて室１４を囲む複数の磁気コイル１８を含むことも図示されている。当技術分野でよく知られている方法で、コイル１８を起動し、縦軸１６にほぼ沿った方向の成分Ｂｚを有する磁界を室１４内に生成することができる。また、フィルタ１０は複数の電圧制御リング２０を含み、そのうち電圧リング２０ａ〜ｃは代表的なものである。図示のように、これらの電圧制御リング２０ａ〜ｃは、円筒形壁１２の一方端に配置され、概ね縦軸１６にほぼ垂直な面にある。この組合せにより、半径方向の電界Ｅｒが生成される。電圧制御の代替構成は、図２に示す螺旋状電極２０ｄである。
【００２４】
プラズマ質量フィルタ１０では、磁界Ｂｚおよび電界Ｅｒは、交差した電界と磁界を生成するよう特に配向される。当業者にはよく知られているように、電界と磁界が交差すると、荷電粒子（つまりイオン）が、図１の経路２２のような螺旋状の経路を移動する。実際、プラズマ遠心分離機には交差した電界と磁界が広く使用されていることが、よく知られている。しかし、プラズマ遠心分離機とは全く異なり、本発明のプラズマ質量フィルタ１０は、通常はゼロ電圧である壁１２の電圧に対して、縦軸１６に沿った電圧Ｖｃｔｒがプラスの電圧である必要がある。
【００２５】
プラズマ質量フィルタ１０の操作では、回転する多種プラズマ２４を、図１に示すように室１４の一方端２５に注入することができる。プラズマ２４内に制限された荷電粒子は、交差した電界と磁界の影響により、経路２２と同様の縦軸１６を中心とした螺旋状の経路にほぼ沿って移動する。特に、図１に示すように、多種プラズマ２４は、質量が相互に異なる荷電粒子を含む。開示のために、プラズマ２４は少なくとも２つの異なる種類の荷電粒子、つまり高質量粒子２６および低質量粒子２８を含む。しかし、実際には低質量粒子２８のみが室１４を通過できることもある。
【００２６】
上記の数学的計算によると、低質量粒子２８と高質量粒子２６との境界は臨界質量Ｍｃであり、これは下式によって確立することができる。

上式で、ｅは電子の電荷、ａは室１４の半径、Ｂｚは磁界の大きさ、Ｖｃｔｒは縦軸１６に沿って確立されたプラスの電圧である。式のこれらの変数のうち、ｅは分かっている定数である。これに対して、「ａ」、ＢｚおよびＶｃｔｒは、プラズマ質量フィルタ１０の操作のために全て特に設計的に選択または確立することができる。
【００２７】
交差した電界と磁界との形状、および重要なことであるが、縦軸１６に沿ったプラスの電圧Ｖｃｔｒのために、プラズマ質量フィルタ１０は、多種プラズマ２４中の電荷粒子が室１４を通過するにつれ、それに異なった挙動をさせる。特に、高質量荷電粒子２６（つまりＭ＞Ｍｃ）は、室１４を通過できず、壁１２に射出される。他方、低質量荷電粒子２８（つまりＭ＜Ｍｃ）は、室１４を通過する間、室１４内に制限される。したがって、低質量粒子２８は室１４から出て、それによって高質量粒子２６から効果的に分離される。
【００２８】
図３は、円筒壁１２の端部３２、３４のほぼ中央に配置された室入口３０を室１４に形成したプラズマ質量フィルタ１０の実施形態を示す。インジェクタ３３を使用し、室入口３０を通して矢印３６の方向で室１４内に蒸気状態の材料（蒸気３５）を注入することができる。本発明では、当技術分野で知られているインジェクタ３３を使用することができる。蒸気３５は、室１４内に注入されると、蒸気３５を高周波（ｒｆ）エネルギーに露出させることにより、イオン化して多種プラズマ２４を生成することができる。図３に示すように、高周波アンテナ３８を室１４内部の壁１２に装着して、蒸気３５を多種プラズマ２４にイオン化するのに必要な高周波エネルギーを生成することができる。図示のように、多種プラズマ２４は高質量粒子２６、低質量粒子２８および電子４０を含む。
【００２９】
室１４内に入ると、多種プラズマ２４内に生じた圧力勾配により、多種プラズマ２４の一部が端部３２に向かってドリフトし、残りの多種プラズマ２４は端部３４に向かって反対方向にドリフトする。上述したように、電界と磁界が交差することにより、多種プラズマ２４は、プラズマ２４が端部３２、３４に向かってドリフトするにつれ、縦軸１６を中心とする概ね螺旋状の経路２２を移動する。しかし、上述した数学的計算によると、低質量粒子２８のみが、実際には室１４を通過し、２つの端部３２、３４を通って室１４を出ることができる。上述したように、高質量粒子２６は制限されない軌道上を移動する。これらの非制限軌道により、高質量粒子２６は壁１２に衝突し、これに捕捉される。
【００３０】
本明細書で図示し、詳細に開示したような特定のタンデム型プラズマ質量フィルタは、十分に目的を達成し、上述した利点を提供することができるが、これは本発明の現在好ましい実施形態の例示にすぎず、請求の範囲で述べるもの以外に、本明細書で示す構造または設計の詳細には制限を設けないものとすることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】明快さを期して一部を切り取ったプラズマ質量フィルタの斜視図である。
【図２】電圧制御リングの実施形態の上面図である。
【図３】明快さを期して一部を切り取ったタンデムプラズマ質量フィルタの斜視図である。
【符号の説明】
１０ プラズマ質量フィルタ
１２ 壁
１４ 室
１６ 縦軸
１８ 磁気コイル
２０ 電圧制御リング
２２ 経路
２４ 多種プラズマ
２５ 端
２６ 高質量粒子
２８ 低質量粒子
３０ 室入口
３２ 端部
３３ インジェクタ
３４ 端部
３５ 蒸気
３６ 矢印
３８ 高周波アンテナ
４０ 電子

Claims (3)

1. 高質量粒子と低質量粒子を分離するプラズマ質量フィルタであって、
   縦軸の周りで室を囲む円筒形の壁を備え、前記円筒形の壁の第１端と第２端との間のほぼ中央に少なくとも１つの室入口が形成され、さらに、
   前記室は磁界を生成する手段を備え、前記磁界は、前記縦軸にほぼ平行に生成され、
   前記磁界にほぼ垂直の電界を生成して、磁界と電界とを交差させる手段を備え、前記電界は、前記縦軸上でプラスの電位、前記壁でほぼゼロの電位を有し、さらに、
   前記室入口を通って前記室内へ蒸発した材料を注入する手段と、
   前記室内で前記の蒸発した材料をイオン化して前記室内で多種プラズマを生成し、前記の交差した磁界と電界とに相互作用させ、前記高質量粒子を前記壁へと射出し、前記低質量粒子を、前記室の通過中にその中に閉じ込めて、前記高質量粒子と前記低質量粒子を分離する手段とを備えるフィルタ。
2. 「ｅ」が粒子の電荷であり、前記壁が前記縦軸から距離「ａ」にあって、前記縦軸に沿った方向の磁界が値「Ｂz」を有し、前記縦軸のプラスの電位が値「Ｖctr」を有し、前記壁がほぼゼロの電位を有し、前記低質量粒子が下記式で与えられるＭc、
   

   

   未満の質量である、請求項１に記載のフィルタ。
3. 高質量粒子と低質量粒子を分離する方法であって、
   縦軸の周りで室を円筒形の壁で囲むステップを含み、前記円筒形の壁の第１端と第２端との間のほぼ中央に少なくとも１つの室入口を形成し、さらに、
   前記室内に磁界を生成するステップを含み、前記磁界は、前記縦軸にほぼ平行に生成し、また、前記磁界にほぼ垂直な電界を生成して、磁界と電界とを交差させ、前記電界は、前記縦軸上でプラスの電位、前記壁でほぼゼロの電位を有し、さらに、
   前記室入口を通して前記室内へ蒸発した材料を注入するステップと、
   前記室内で前記の蒸発した材料をイオン化して前記室内で多種プラズマを生成し、前記の交差した磁界と電界とに相互作用させ、前記高質量粒子を前記壁へと射出し、前記低質量粒子を、前記室の通過中にその中に閉じ込めて、前記高質量粒子と前記低質量粒子を分離するステップとを含む方法。

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