WO2008014780A1

WO2008014780A1 - Vorrichtung und verfahren zur steuerung eines gasflusses

Info

Publication number: WO2008014780A1
Application number: PCT/DE2007/001370
Authority: WO
Inventors: Christian Teske; Marcus Iberler; Joachim Jacoby
Original assignee: Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main
Priority date: 2006-08-04
Filing date: 2007-08-01
Publication date: 2008-02-07
Also published as: DE102006036461A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines Gasflusses zwischen zumindest zwei voneinander getrennten Rezipienten, umfassend ein Rezipienten-Verbindungselement mit mindestens einer Öffnung für den Gasfluß zwischen den beiden Rezipienten, eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes, umfassend zwei sich gegenüberliegende Elektroden, wobei die an die Elektroden zum Erzeugen des elektrischen Feldes anzulegende Spannung, vorzugsweise über eine erste Steuer- oder Regeleinheit, steuerbar oder regelbar ist, und eine Einrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Feldes, wobei die Einrichtungen so ausgestaltet sind, daß das elektrische Feld sowie das magnetische Feld in der Öffnung erzeugbar sind, in der Öffnung die Bewegungsrichtung des Gasflusses, das elektrische Feld und das magnetische Feld jeweils senkrecht zueinander stehen, und in der Öffnung geladene Teilchen eines über das elektrische Feld gezündeten Plasmas in dem magnetischen Feld mit einer Lorenzkraft zur Beschleunigung parallel sowie entgegengesetzt der Bewegungsrichtung des Gasflusses zur Regulierung desselben beaufschlagbar sind; und ein Verfahren zur Steuerung eines Gasflusses mit solch einer Vorrichtung.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Gasflusses

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines Gasflusses zwischen zumindest zwei voneinander getrennten Rezipienten.

Ventile zur Steuerung oder Regulierung von Strömungen von Gasen sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Dabei werden meist mechanische Lösungen verwendet, bei denen beispielsweise durch Verschrauben oder Verschieben zweier Teile eine Öffnung zwischen zwei Rezipienten oder Kammern vergrößert bzw. verkleinert werden kann. Der Querschnitt der Öffnung bestimmt die Anzahl der das Ventil durchdringenden Gasteilchen pro Zeiteinheit in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen den zwei ansonsten voneinander getrennten Kammern. Der Nachteil solcher mechanisch variierbarer Durchflußregelungen, wie z.B. mittels Küken, Tellerventilen oder Nadelventilen, ist deren hohe mechanische Trägheit, die sich vor allem bei Anwendungen, bei denen es auf schnelles und impulsförmiges An- und Abschalten von Gasdurchflüssen ankommt, unvorteilhaft auswirkt.

Zum Einkoppeln von Teilchenstrahlen jeglicher Art von einem Ultrahochvakuum(UHV)- Rezipienten in einen Rezipienten mit Gasballast sind mechanische Ventilsysteme vollkommen ungeeignet. Hierbei wird bislang auf ein sogenanntes differenzielles Pumpen zurückgegriffen, bei dem zwischen zwei Rezipienten mit unterschiedlichen Gasdrücken leistungsfähige Pumpsysteme geschaltet werden, um den korrespondierenden Druckgradienten aufrechtzuerhalten. Eine solche technisch aufwendige Vorrichtung ist mit hohen Kosten und mit einem großen Platzbedarf verbunden. Nachteilig ist auch der hohe Energieverbrauch der differenzi- ellen Pumpstände.

Eine weitere Methode zur permeablen Trennung von Rezipienten basiert auf der Verwendung von sehr dünnen Metall- oder Siliziummembranen. Eine solche Membran muß dabei einerseits stabil genug sein, um einen Druckunterschied zwischen den beiden Rezipienten aushalten und aufrechterhalten zu können, andererseits aber dünn genug sein, um den Transfer einer ausreichenden Anzahl von beispielsweise hochenergetischen Partikeln vom UHV-Rezipienten in einen Target-Rezipienten mit Gasballast zu ermöglichen. Die Haltbarkeit einer solchen aufwendig hergestellten Membran ist aufgrund der Wechselwirkungen zwischen dem Teilchenstrahl und der Membran sehr kurz. Bei vorzeitigem Versagen der Membran kann es zu einem unbeabsichtigten Fluten des UHV-Rezipienten kommen. Zudem muß zum Austausch der Membran das Vakuumsystem stets geflutet und anschließend wieder abgepumpt werden.

Eine neue Technologie nutzt das so genannte Plasmafenster. Bei einem Plasmafenster wird innerhalb eines zylinderförmigen Durchgangssegments zwischen einem UHV-Rezipienten und einem Gasballast-Rezipienten entlang der Strömungsrichtung des Gases eine Bogenent- ladung gezündet. Die resultierende Temperaturerhöhung bewirkt eine Verringerung der Gasdichte in dem Durchgangssegment. Da der Gasfluß proportional zur Dichte des Mediums ist, wird der damit verbundene Gasdurchsatz im Segment um einige Größenordnungen reduziert. Der Gasdurchfluß ist desweiteren abhängig von der Temperatur des Plasmas im korrespondierenden Durchgangssegment und kann entsprechend durch Justage der Temperatur geregelt werden. Eine vollständige Unterbindung des Gasflusses ist hierbei jedoch nicht möglich, weswegen man stets auf ein UHV-Pumpsystem angewiesen bleibt. Im Gegensatz zum diffe- renziellen Pumpen kann man sich allerdings mit wesentlich kleineren Pumpsystemen begnügen.

Aus der WO 00/00741 ist eine Vorrichtung in Form einer Plasmapumpe bekannt, bei der das elektrisch geladene Plasma mit Hilfe eines elektrischen Feldes von einer ersten Kammer durch Öffnungen in eine zweite Kammer befördert wird, wobei das Plasma entlang der Feldlinien eines magnetischen Hexopolfeldes durch die Öffnungen geleitet wird. Ziel der Plasma- pumpe ist es, in der ersten Kammer einen außerordentlich niedrigen Gasdruck zu erreichen, und nicht einen inhärenten Gasfluß zu steuern.

Aus der DE 198 10 922 Al ist ein Gastargetfenster zur Trennung eines Strahlrohres von einer Targetkammer bekannt. Die Trennung erfolgt mit Folien, die einen Gasstrom zwischen dem Strahlrohr und der Targetkammer verhindern sollen, dabei aber für einen Strahl aus dem Strahlrohr möglichst durchlässig sind. Nachteilig ist hieran, daß der Strahl an der Folie gestreut wird und diese wegen der Materialbelastung durch den Strahl in regelmäßigen Abständen gewechselt werden muß.

Die US 2003/0122492 Al offenbart eine Plasma- Vakuum-Pumpe, die ein Gas von einem Niederdruckbereich in einen Überdruckbereich pumpen soll. Im Durchgangsbereich der Plasma- Vakuum-Pumpe ist ein Magnetfeld in Form eines magnetischen Fluß-Kanals, der durch einen Permanentmagneten erzeugt wird, ausgeformt. Das Magnetfeld hat Gradienten zum Führen und Begrenzen eines Plasmas, das mit Mikrowellenstrahlung im Durchgangsbereich erzeugt wird. Der Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß der Gasstrom im Durchgangsbereich nicht steuerbar ist. Zudem werden das Magnetfeld und das Plasma im Durchgangsbereich durch die Mikrowellen beeinflußt, so daß dort nicht mit einem konstanten Gasstrom zu rechnen ist.

Die US 3,241,490 offenbart ein Verfahren zum Pumpen eines Gases durch eine Antriebszone mit Hilfe eines permanenten elektrischen und eines permanenten magnetischen Felds, die im rechten Winkel zueinander und im rechten Winkel zum Vortrieb des zum Antrieb verwendeten Gases stehen. Bei dem Verfahren werden periodisch Lichtbögen erzeugt, die sich mit dem strömenden Gas durch die Antriebszone bewegen und dort abreißen. Das beschriebene Antriebsverfahren ist nicht zur Trennung zweier Rezipienten vorgesehen und auch nicht dazu geeignet, einen Gasstrom zu bremsen oder aufzuhalten, sondern diesen zu beschleunigen. Die dort beschriebenen Felder und somit der Gasstrom sind zudem nicht steuerbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zur Grunde, eine Vorrichtung zur Steuerung eines Gasflusses zwischen zumindest zwei voneinander getrennten Rezipienten zu liefern, bei denen der Gasfluß zwischen den beiden Rezipienten bei möglichst kurzer Reaktionszeit steuerbar oder regelbar ist, dabei aber stets für Teilchenstrahlen grundsätzlich durchlässig bleibt.

Diese Aufgabe wird erfmdungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Steuerung eines Gasflusses zwischen zumindest zwei voneinander getrennten Rezipienten, umfassend ein Rezi- pienten-Verbindungselement mit mindestens einer Öffnung für den Gasfluß zwischen den beiden Rezipienten, eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes, umfassend zwei sich gegenüberliegende Elektroden, wobei die an die Elektroden zum Erzeugen des elektrischen Feldes anzulegende Spannung, vorzugsweise über eine erste Steuer- oder Regeleinheit, steuerbar oder regelbar ist, und eine Einrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Feldes, wobei die Einrichtungen so ausgestaltet sind, daß das elektrische Feld sowie das magnetische Feld in der Öffnung erzeugbar sind, in der Öffnung die Bewegungsrichtung des Gasflusses, das elektrische Feld und das magnetische Feld jeweils senkrecht zueinander stehen, und in der Öffnung geladene Teilchen eines über das elektrische Feld gezündeten Plasmas in dem magnetischen Feld mit einer Lorenzkraft zur Beschleunigung parallel sowie entgegengesetzt der Bewegungsrichtung des Gasflusses zur Regulierung desselben beaufschlagbar sind.

Dabei kann vorgesehen sein, daß der eine Rezipient einen Gasballast und der andere Rezi- pient ein Ultrahochvakuum (UHV) beherbergt.

Erfindungsgemäß kann dabei wiederum vorgesehen sein, daß in dem Gasballast-Rezipienten zumindest ein Target für mindestens einen Teilchenstrahl, der über den UHV-Rezipienten und das Rezipienten- Verbindungselement in den Gasballast-Rezipienten gelangt, anordbar ist.

Dabei kann vorgesehen sein, daß die Elektroden zur Begrenzung der Öffnung des Rezipienten- Verbindungselements angeordnet sind, wobei die Elektroden vorzugsweise über den Bereich der Öffnung in den Gasballast-Rezipienten hineinreichen und dort einen Zündbereich bilden.

Ausführungsform der Erfindung sind ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des magnetischen Feldes zumindest einen Permantmagneten mit zwei einander gegenüberliegenden Polen und/oder zumindest einen Elektromagneten umfaßt, wobei der Elektromagnet vorzugsweise wenigstens eine elektrische Spule umfaßt, insbesondere in Kooperation mit einem sich durch das Innere der Spule erstreckenden magnetisierbaren Joch mit zwei einander gegenüberliegenden Polen.

Dabei kann vorgesehen sein, daß die Stromstärke durch die Spule zur Erzeugung des magnetischen Feldes über eine zweite, insbesondere mit der ersten Steuer- oder Regeleinheit ausgeführte, Steuer- oder Regeleinheit steuerbar oder regelbar ist, wobei das Magnetfeld vorzugsweise zumindest bereichsweise, insbesondere in der Umgebung des geometrischen Zentrums der Öffnung, im wesentlichen homogen ausbildbar ist.

Mit der Erfindung werden dabei wiederum vorgeschlagen, zwei getrennte Steuer- oder regelbare Spannungsversorgungen, eine für die Elektroden und eine für die Elektromagnete.

Alternativ kann vorgesehen sein eine einzige Spannungsversorgung in Wirkverbindung mit den Elektroden sowie den Elektromagneten.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist weiterhin, daß die Pole zur Begrenzung der Öffnung des Re- zipienten- Verbindungselements angeordnet sind, senkrecht zu den Elektroden, insbesondere jeweils unter Zwischenschaltung zumindest eines Isolators.

Ausführungsformen der Erfindung können auch gekennzeichnet sein, durch zumindest einen Sensor, insbesondere zur Erfassung der Gasdichte in zumindest einem der Rezipienten, vorzugsweise in Wirkverbindung mit der ersten und/oder zweiten Steuer- oder Regeleinheit.

Mit der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, daß das Rezipienten- Verbindungselement beidseits seiner Öffnung mit einem Rezipienten, insbesondere jeweils über einen anschraubbaren Flansch, vorzugsweise in Form eines Conflat (CF)-Flansches, verbindbar ist. Auch kann vorgesehen sein, daß ein Teilchenstrahl durch einen UHV-Rezipienten und ein Rezipienten-Verbindungselement in einen Gasballast-Rezipienten, vorzugsweise auf zumindest ein Target in dem Gasballast-Rezipienten, richtbar ist.

Des weiteren wird vorgeschlagen, daß zwei Rezipienten-Verbindungselemente zwischen drei Rezipienten angeordnet sind.

Dabei kann vorgesehen sein, daß ein Teilchenstrahl durch einen UHV-Rezipienten unter Aufteilung des Teilchenstrahls in zwei Rezipienten- Verbindungselemente und zwei Gasballast- Rezipienten, vorzugsweise jeweils auf zumindest ein Target in einem Gasballast-Rezipienten, richtbar ist.

Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Vorrichtung ein Plasmaventil, eine Einkoppelvorrichtung, eine Anregungsvorrichtung und/oder ein Durchgangsfenster für einen hochenergetischen Teilchenstrahl darbietet.

Die Erfindung liefert des weiteren ein Verfahren zur Steuerung eines Gasflusses mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; das seinerseits weitere Kennzeichen ist, daß aufgrund einer Druckdifferenz zwischen zwei Rezipienten Gas von dem einen Rezipienten zu dem anderen Rezipienten über ein dazwischen angeordnetes Rezipienten-Verbindungselement längs einer Gasströmungsrichtung I strömt, zwischen zwei Elektroden des Rezipienten- Verbindungselements ein Plasma erzeugt wird, die positiv geladenen Teilchen des Plasmas sich zur Kathode und die negativ geladenen Teilchen des Plasmas sich zur Anode bewegen, so daß ein Strom J von der Anode zur Kathode fließt, während der Bewegung der geladenen Teilchen dieselben durch ein senkrecht auf die Stromrichtung J stehendes Magnetfeld B mit einer Lorenzkraft F beaufschlagt wurden, die der Gasströmungsrichtung I entgegenwirkt, und die durch die Lorenzkraft F beschleunigten geladenen Teilchen des Plasmas in Wechselwirkung mit dem Gasfluß durch Stöße kommen, wodurch der Gasfluß reguliert wird. Dabei kann vorgesehen sein, daß über die Variation des Magnetfelds B der Gasfluß von dem einen Rezipienten zu dem anderen Rezipienten eingestellt wird ist, selbst die beiden Rezipien- ten ohne materielle Wand voneinander getrennt werden können.

Des weiteren wird mit der Erfindung auch vorgeschlagen, daß das Magnetfeld B in Abhängigkeit von Meßdaten, insbesondere der in zumindest einen der beiden Rezipienten erfaßten Gasdichte, vorzugsweise bei Verwendung eines Elektromagneten zum Erzeugen des Magnetfeldes B durch Variation der an diesen angelegten Stromstärken, geregelt wird.

Schließlich wird mit der Erfindung auch vorgeschlagen, daß das Plasma in einem Zündbereich außerhalb der Öffnung zwischen der Anode und der Kathode gezündet wird, wobei der Zündbereich vorzugsweise nicht zwischen den magnetischen Polen, insbesondere außerhalb des Magnetfelds B, liegt.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zur Grunde, daß in einer Gasströmung durch Anlegen eines elektrischen Feldes ein Plasma zündbar ist, dessen geladene Bestandteile über ein zum elektrischen Feld senkrecht stehendes magnetisches Feld und die dadurch wirkende Lorenzkraft beschleunigbar ist, und zwar in die der intrinsischen Gasströmung entgegen gesetzten Richtung. Demnach wird zunächst, wie bei einem Plasmafenster, in einer Öffnung eines Gasrezipienten- Verbindungselements zwischen zwei Rezipienten mit unterschiedlichen Gasdrücken durch eine elektrische Entladung zwischen zwei Elektroden ein Plasma erzeugt. Sowohl den positiv geladenen Ionen als auch den Elektronen dieses sich bewegenden Plasmas werden dann durch ein geeignet orientiertes magnetisches Feld über die Lorenzkraft ein Impuls gegeben, der senkrecht sowohl zum elektrischen Feld als auch zum magnetischen Feld orientiert ist. So gelingt es, die Ionen sowie Elektronen des Plasmas entgegen der durch die Druckdifferenz in den beiden Rezipienten entstehenden Strömung zu beschleunigen. Der Impuls des so beschleunigten Plasmas überträgt sich durch Stöße der Ionen des Plasmas auf die strömenden Gasteilchen und kann so der Strömung entgegenwirken, selbst die Rezipienten gänzlich voneinander trennen, ohne materielle Wände. Somit stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Plasmaventil (Magneto-Hydrodynamisches-Plasmaventil) dar, das auch als Eirikopplungsvorrichtung fungieren kann. Zudem erfüllt es die Funktion eines Durchgangsfensters für hochenergetische Teilchenstrahlen. Wird das magnetische Feld in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Hilfe einer Spule und eines Eisenkerns erzeugt, kann die Magnetfeldstärke durch Variationen des Spulenstroms eingestellt werden. Das Verstärken des Magnetfelds bewirkt eine Verstärkung der auf das Plasma wirkenden Lorenzkraft und damit eine Erhöhung des Impulses des Plasmas parallel, aber entgegengesetzt zum eigentlichen Gasfluß durch die Vorrichtung. Die Regelung der Gasströmung erfolgt also über elektrische und magnetische Felder, was eine hohe Regelungs- schnelligkeit der Steuerung sicherstellt, da die Reaktionszeit auf externe Steuersignale sehr kurz ist, selbst im Bereich von μs liegt. Ist das Magnetfeld ausreichend stark und die Strömung der Gasteilchen ausreichend schwach, gelingt es bei geeigneter Feldstärke sogar, die Strömung völlig zu unterbinden. Dies gelingt nämlich genau dann, wenn die durch das Magnetfeld auf das Plasma übertragene Energie genauso groß ist wie die kinetische Energie der Gasteilchen. Damit sind die beiden Rezipienten mit unterschiedlichen Druckbereichen ohne materielle Wände voneinander getrennt, wie bereits erwähnt.

Die Erfindungsgemäße Vorrichtung kann demnach in der Hochvakuumtechnik, insbesondere zur Trennung von Rezipienten unterschiedlicher Gasdrücke, als schnell schaltbares Ventilsystem beispielsweise für den Beschleunigerbereich, als Koppelfenster insbesondere für hochenergetische Teilchenstrahlen, zum Anregen von Excimer-Lasern oder zur Anregung von VUV-Emittern (Vakuum-Ultraviolett-Emittern) genutzt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen im Einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:

Figur 1 eine Teillängsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Figur 2 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung von Figur 1;

Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Vorrichtung von Figur 1 ; Figur 4 eine Explosionsdarstellung des Teils von Figur 3;

Figur 5 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Vorrichtung von Figur 1 ;

Figur 6 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung von Figur 1, angeschlossen an zwei Rezipienten;

Figur 7 eine Explosionsansicht zweier erfindungsgemäßer Vorrichtungen von Figur 1 und drei damit verbindbare Rezipienten;

Figur 8 eine Verschattung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung von Figur 1 mit

Gleichspannungsversorgung; und

Figur 9 eine Verschaltung einer erfϊndungsgemäßen Vorrichtung von Figur 1 mit

Wechselspannungsversorgung.

Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Form eines Gasrezi- pienten- Verbindungselements 1. Das Gasrezipienten- Verbindungselement 1 verbindet zwei Rezipienten 2 und 3 über Flansche 4 mit Hilfe von Schrauben 5 und Muttern 6. Mittels einer Anode 7 und einer Kathode 8 ist im Inneren des Gasrezipienten- Verbindungselements 1 bei Strömung eines Gases (nicht gezeigt) durch eine Gasentladung ein Plasma 9 zündbar. Eine stromdurchflossene Spule 10 dient dem Erzeugen eines Magnetfelds, das mit Hilfe eines Eisenjochs 11 über zwei magnetische Pole 12, in Figur 1 in der Bildebene vor- und hinter dem Plasma 9, übertragen wird. Der Raum zwischen den Elektroden 7, 8, den magnetischen Polen 12 und den Flanschen 4 fungiert als Transferelement 13, in dem das Plasma brennt. Ein Isolator 14 dient dazu, die Anode 7 und die Kathode 8 von einem Verbindungselement 19 zu trennen, das die beiden Flansche 4 verbindet, zur mechanischen Stabilisierung des Aufbaus dient und selbst ebenfalls elektrisch isolierend sein kann. Die Anode 7 und die Kathode 8 ragen aus dem Bereich des Transferelements heraus, indem die Anode 7 und die Kathode 8 über den Flansch 4, der den Rezipient 3 mit dem Transferelement 13 verbindet, hinaus reichen. Dadurch wird erreicht, daß das Plasma 9 in einem Bereich außerhalb des Magnetfelds gezündet werden kann.

Figur 2 zeigt das Gasrezipienten-Verbindungselement 1 in einer räumlichen Darstellung zur Verdeutlichung der Position der beiden magnetischen Pole 12, wobei die beiden Rezipienten 2 und 3 nicht dargestellt sind. Die der Anode 7 gegenüberliegende Kathode 8 ist in dieser Figur ebenso nicht zu sehen, läßt sich jedoch als Bodenfläche einer Öffnung 13 im Flansch 4 erahnen. Die Elektroden darstellende Anode 7 und Kathode 8 sind jeweils über einen elektrischen Isolator 14 mechanisch mit einem magnetischen Pol 12 verbunden, aber galvanisch von den magnetischen Polen 12 derart getrennt, daß nur die Öffnung 13 zwischen den beiden Rezipienten 2 und 3 verbleibt. Zudem sind elektrische Anschlüsse 15 zu der Spule 10 auf dem Eisenjoch 11 vorgesehen. Die Anode 7 und die Kathode 8 ragen über den hinteren Flansch 4 hinaus, um ein Zünden des Plasmas außerhalb des Magnetfelds zu ermöglichen.

In Figur 3 ist das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Plasmaventil 1 veranschaulicht. Figur 4 verdeutlicht als Explosionszeichnung von Figur 3 hierbei lediglich die Anordnung der Anode 7, der Kathode 8, der magnetischen Pole 12 und der Isolationsschicht 14, wobei die Elektroden 7, 8 parallel zueinander und senkrecht zu den Polen 12 verlaufen. Figur 5 zeigt in einer Seitenansicht die Positionen der Elektroden 7, 8 und der magnetischen Pole 12 relativ zueinander. Das Plasma 9 wird danach beim Durchströmen der Öffnung 13 von einem Gas aus einem Rezipienten 2 in den anderen Rezipienten 3 durch eine Gasentladung zwischen den zwei Elektroden 7 und 8 in einem Zündbereich 20 außerhalb des Magnetfelds B gezündet. Das Plasma 9 brennt anschließend im gesamten Bereich zwischen der Anode 7 und der Kathode 8, also auch im Bereich zwischen den magnetischen Polen 12. Die positiv geladenen Ionen (nicht gezeigt) des Plasmas 9 werden dabei von der Kathode 8 angezogen, während die Elektronen (nicht gezeigt) von der Anode 7 angezogen werden, und sowohl die Ionen als auch die Elektronen bewegen sich dabei im Magnetfeld B der Pole 12. Genauer gesagt bewegen sich die positiven Ionenrümpfe als Strom J in Richtung der Kathode 8, und das senkrecht zur Bewegungsrichtung J stehende Magnetfeld B läßt eine Kraft F auf die geladenen Teilchen wirken, nämlich die so genannte Lorenzkraft: F Jx B , mit dV als dem Differential des Volumens V des Plasmas 9.

Die Lorenzkraft F wirkt demnach senkrecht zur Bewegungsrichtung J der Ionen und senkrecht zur Richtung des Magnetfelds B.

Sind also das elektrische und magnetische Feld sowie die inhärente Strömung J des Gases durch das Plasmaventil 1 orthogonal zueinander ausgerichtet, so läßt sich bei geeigneter Polung des elektrischen und magnetischen Feldes durch die Lorenzkraft F ein Impuls auf die Ionen des Plasmas 9 übertragen, der der eigentlichen Richtung der Strömung I des Gases von dem Rezipienten mit dem höheren Druck, z.B. von dem Rezipienten 2, zu dem Rezipienten mit dem niedrigeren Druck, z.B. dem Rezipienten 3, entgegen wirkt. Ist das Magnetfeld B stark genug, so läßt sich bei geeigneter Dichte des Plasmas 9 die Strömung des Gases selbst vollständig aufhalten. Physikalisch ist dies genau dann erreicht, wenn der durch die Lorenzkraft F induzierte Impuls genauso groß ist wie der Impuls der strömenden Gasteilchen, der durch die Druckdifferenz zwischen den beiden Rezipienten 2, 3 und die Querschnittsfläche der Öffnung 13 gegeben ist.

Wird der Strom durch die Spule 10, die zusammen mit dem Eisenjoch 11 und den Polen 12 einen Elektromagneten bildet, reduziert, so verringert sich in gleichem Maße die Feldstärke des Magnetfelds B, das auf das Plasma 9 einwirkt. Die Lorenzkraft F verringert sich daher und somit auch der Impuls der Ionen im Plasma 9. Ist der Impuls der Ionen im Plasma 9 kleiner als der Impuls der strömenden Gasteilchen, so verbleibt eine Strömung von dem Rezipienten 2 zu dem Rezipienten 3, die der Impulsdifferenz der strömenden Gasteilchen und der Ionen direkt proportional ist.

So gelingt es, mit Hilfe des als Plasmaventil ausgebildeten Gasrezipienten- Verbindungselements 1 den Gasfluß zwischen den beiden Rezipienten 2, 3 schnell, effizient und genau über den an die Anschlüsse 15 angelegten Strom, also den Spulenstrom, zu steuern. Um die hohe Geschwindigkeit dieser Regelung möglichst effizient zu nutzen, kann die Steuerung des Spulenstroms und der Elektrodenspannung einem Mikroprozessor (nicht gezeigt) überlassen werden. Dieser Prozessor kann aufgrund von Sensordaten (Sensor ebenfalls nicht gezeigt) den Gasfluß von dem einen Rezipienten zu dem anderen Rezipienten mit hoher Geschwindigkeit steuern.

Da ein Plasma 9 eine ähnliche Dichte wie Gas hat, kann ein hochenergetischer Ionenstrahl (nicht gezeigt) die Öffnung 13 des Plasmaventils praktisch ungehindert durchlaufen.

Die Figuren 6 und 7 zeigen in einer räumlichen Darstellung mögliche Konfigurationen zum Anschließen eines erfindungsgemäßen Gasrezipienten- Verbindungselements 1 an verschiedene Rezipienten 2 und 3.

Beispielsweise kann ein hochenergetischer Teilchenstrahl 16 durch eine Leitung 17 mit einer Beschleunigerstruktur 18 in einen UHV-Rezipienten, hier Rezipient 3, gelangen. Der Teilchenstrahl 16 kann anschließend durch ein Gasrezipienten- Verbindungselemente 1 in einen Rezipienten mit einem Gasballast, hier Rezipient 2, geleitet werden, in dem sich ein Target (nicht gezeigt) für den Teilchenstrahl 16 befindet, wie in Figur 6 dargestellt. Alternativ kann aber der Teilchenstrahl 16 auch in dem UHV-Rezipienten 3 aufgeteilt werden, so daß ein erster Teilchenstrahl zu einem ersten Gasballast-Rezipienten 2 und ein zweiter Teilchenstrahl zu einem zweiten Gasballast-Rezipienten 2 gelangt, wie Figur 7 zu entnehmen ist.

Mit Hilfe jedes als Plasmaventil ausgebildeten Gasrezipienten- V erbindungselements 1 ist es bei den Einsatzbeispielen der Figuren 7 und 7 möglich, den für das jeweilige Target notwendigen Gasdruck aufrechtzuerhalten, ohne das UHV der Beschleunigerstruktur 18 zu verschlechtern.

Die Figuren 8 und 9 zeigen jeweils eine elektronische Verschattung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit entweder Gleichspannungsversorgung (Figur 8) oder Wechselspannungsversorgung (Figur 9).

Im Fall einer Gleichspannungsversorgung nach Figur 8 werden zwei Spannungsquellen 23, 24 verwendet, von denen die eine 24 der Versorgung der Elektromagneten 21 und die andere 23 der Elektroden 7, 8 dienen, zwischen denen das Plasma 9 brennt. Mit Hilfe eines Potentiometers 22 läßt sich die an den Elektroden 7, 8 anliegende Spannung steuern.

Im Fall einer Wechselspannungsversorgung nach Figur 9 werden sowohl die Elektroden 7, 8 als auch die Elektromagnete 21, zwischen denen das Plasma 9 brennt, durch eine geeignete Schaltung von einer einzigen Spannungsversorgung 25 versorgt.

Als Arbeitsgas kann zum Beispiel Argon oder Wasserstoff verwendet werden. Die dazu geeigneten Spannungen zum Betreiben der Elektromagnete 21 und der Elektroden 7, 8 liegen für diese Gase bei 100 V bis 300 V. Bei einem geeigneten Gasdruck von ca. 10 mbar und einer geeigneten magnetischen Flußdichte, nimmt eine solche Vorrichtung eine Leistung von bis zu 1 kW auf.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den anliegenden Ansprüchen sowie der zugefügten Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1 Gasrezipient-Verbindungselement / Plasmaventil

2 Rezipient mit Gasballast

3 Rezipient mit UHV

4 Flansch

5 Schraube

6 Mutter

7 Anode / Elektrode

8 Kathode / Elektrode

9 Plasma

10 Spule

11 Eisenjoch

12 magnetischer Pol

13 Öffnung / Transferelement

14 Isolator

15 elektrische Anschlüsse der Spule

16 Teilchenstrahl

17 Teilchenstrahlzuleitung

18 Beschleunigerstruktur

19 Verbindungselement

20 Zündbereich

21 Elektromagnet

22 Potentiometer

23 Spannungsversorgung

24 Spannungsversorgung des Elektromagneten

25 Wechselspannungsversorgung

B Magnetfeld

F Lorenzkraft

J Ionenstrom

I Gasstrom

Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Steuerung eines Gasflusses zwischen zumindest zwei voneinander getrennten Rezipienten (2, 3), umfassend ein Rezipienten- Verbindungselement (1) mit mindestens einer Öffnung (13) für den Gasfluß zwischen den beiden Rezipienten (2, 3), eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes, umfassend zwei sich gegenüberliegende Elektroden (7, 8), wobei die an die Elektroden (7, 8) zum Erzeugen des elektrischen Feldes anzulegende Spannung, vorzugsweise über eine erste Steueroder Regeleinheit, steuerbar oder regelbar ist, und eine Einrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Feldes, wobei die Einrichtungen so ausgestaltet sind, daß das elektrische Feld sowie das magnetische Feld in der Öffnung (13) erzeugbar sind, in der Öffnung (13) die Bewegungsrichtung des Gasflusses, das elektrische Feld und das magnetische Feld jeweils senkrecht zueinander stehen, und in der Öffnung (13) geladene Teilchen eines über das elektrische Feld gezündeten Plasmas (9) in dem magnetischen Feld mit einer Lorenzkraft zur Beschleunigung parallel sowie entgegengesetzt der Bewegungsrichtung des Gasflusses zur Regulierung desselben beaufschlagbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der eine Rezipient (2) einen Gasballast und der andere Rezipient (3) ein Ultrahochvakuum (UHV) beherbergt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gasballast-Rezipienten (2) zumindest ein Target für mindestens einen Teilchenstrahl (16), der über den UHV-Rezipienten (3) und das Rezipienten- Verbindungselement (1) in den Gasballast-Rezipienten (2) gelangt, anordbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (7, 8) zur Begrenzung der Öffnung (13) des Rezipienten- Verbindungselements (1) angeordnet sind, wobei die Elektroden (7, 8) vorzugsweise über den Bereich der Öffnung (13) in den Gasballast-Rezipienten (2) hineinreichen und dort einen Zündbereich (20) bilden.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des magnetischen Feldes B zumindest einen Permant- magneten mit zwei einander gegenüberliegenden Polen (12) und/oder zumindest einen Elektromagneten (21) umfaßt, wobei der Elektromagnet (21) vorzugsweise wenigstens eine elektrische Spule (10) umfaßt, insbesondere in Kooperation mit einem sich durch das Innere der Spule (10) erstreckenden magnetisierbaren Joch (11) mit zwei einander gegenüberliegenden Polen (12).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke durch die Spule (10) zur Erzeugung des magnetischen Feldes B über eine zweite, insbesondere mit der ersten Steuer- oder Regeleinheit ausgeführte, Steueroder Regeleinheit steuerbar oder regelbar ist, wobei das Magnetfeld B vorzugsweise zumindest bereichsweise, insbesondere in der Umgebung des geometrischen Zentrums der Öffnung (13), im wesentlichen homogen ausbildbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch zwei getrennte Steuer- oder regelbare Spannungsversorgungen (23, 24), eine für die Elektroden (7, 8) und eine für die Elektromagnete (21).

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine einzige Spannungsversorgung (25) in Wirkverbindung mit den Elektroden (7, 8) sowie den Elektromagneten (21).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole (12) zur Begrenzung der Öffnung (13) des Rezipienten- Verbindungselements (1) angeordnet sind, senkrecht zu den Elektroden (7, 8), insbesondere jeweils unter Zwischenschaltung zumindest eines Isolators (14).

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen Sensor, insbesondere zur Erfassung der Gasdichte in zumindest einem der Rezipienten (2, 3), vorzugsweise in Wirkverbindung mit der ersten und/oder zweiten Steuer- oder Regeleinheit.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rezipienten- Verbindungselement (1) beidseits seiner Öffnung (13) mit einem Re- zipienten (2, 3), insbesondere jeweils über einen anschraubbaren Flansch (4), vorzugsweise in Form eines Conflat(CF)-Flansches (4), verbindbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilchenstrahl (16) durch einen UHV-Rezipienten (3) und ein Rezipienten- Verbindungselement (1) in einen Gasballast-Rezipienten (2), vorzugsweise auf zumindest ein Target in dem Gasballast-Rezipienten (2), richtbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Rezipienten- Verbindungselemente (1) zwischen drei Rezipienten (2, 3) angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilchenstrahl (16) durch einen UHV-Rezipienten (3) unter Aufteilung des Teilchenstrahls (16) in zwei Rezipienten- Verbindungselemente (1) und zwei Gasballast- Rezipienten (2), vorzugsweise jeweils auf zumindest ein Target in einem Gasballast- Rezipienten (2), richtbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Plasmaventil (1), eine Einkoppelvorrichtung, eine Anregungsvorrichtung und/oder ein Durchgangsfenster für einen hochenergetischen Teilchenstrahl (16) darbietet.

16. Verfahren zur Steuerung eines Gasflusses mittels einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund einer Druckdifferenz zwischen zwei Rezipienten (2, 3) Gas von dem einen Rezipienten (2) zu dem anderen Rezipienten (3) über ein dazwischen angeordnetes Rezipienten- Verbindungselement (1) längs einer Gasströmungsrichtung I strömt, zwischen zwei Elektroden des Rezipienten- Verbindungselements (1) ein Plasma (9) erzeugt wird, die positiv geladenen Teilchen des Plasmas (9) sich zur Kathode (8) und die negativ geladenen Teilchen des Plasmas (9) sich zur Anode (7) bewegen, so daß ein Strom J von der Anode (7) zur Kathode (8) fließt, während der Bewegung der geladenen Teilchen dieselben durch ein senkrecht auf die Stromrichtung J stehendes Magnetfeld B mit einer Lorenzkraft F beaufschlagt wurden, die der Gasströmungsrichtung I entgegenwirkt, und die durch die Lorenzkraft F beschleunigten geladenen Teilchen des Plasmas (9) in Wechselwirkung mit dem Gasfluß durch Stöße kommen, wodurch der Gasfluß reguliert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß über die Variation des Magnetfelds B der Gasfluß von dem einen Rezipienten (2) zu dem anderen Rezipienten (3) eingestellt wird, und die beiden Rezipienten (2, 3) ohne materielle Wand voneinander getrennt werden können.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld B in Abhängigkeit von Meßdaten, insbesondere der in zumindest einen der beiden Rezipienten (2, 3) erfaßten Gasdichte, vorzugsweise bei Verwendung eines Elektromagneten (21) zum Erzeugen des Magnetfeldes B durch Variation der an diesen angelegten Stromstärken, geregelt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma (9) in einem Zündbereich (20) außerhalb der Öffnung (13) zwischen der Anode (7) und der Kathode (8) gezündet wird, wobei der Zündbereich (20) vorzugsweise nicht zwischen den magnetischen Polen (12), insbesondere außerhalb des Magnetfelds B liegt.