WO2008125078A2 - Verfahren und vorrichtung zur kühlung eines gases - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for cooling, in particular for liquefaction, of a gas.
  • a plasma can be generated by bombardment with intense laser light.
  • a plasma emits, among other things, X-radiation as well as extreme ultraviolet (EUV) light. It can also accelerate charged particles, such as electrons or protons.
  • EUV extreme ultraviolet
  • the irradiated material is locally destroyed at the location of the irradiation.
  • a source is needed that provides a continuous supply of unconsumed target material.
  • a method for cooling a gas has been developed.
  • the gas is passed in a first cooling step through a conduit which is in thermal contact with a first cooling medium.
  • a cooling medium is in principle any medium suitable which has a lower temperature than the gas, wherein the temperature is preferably both spatially homogeneous over the medium and time constant.
  • it may be a cooled solid through which the conduit passes. It can also be a bath of liquid through which the pipe passes. This liquid can in particular a liquefied cryogenic gas.
  • a liquefied cryogenic gas which is able to exchange steam with the environment, selected as the first cooling medium. Since with the escaping vapor and the vaporization received during its formation is released to the environment, the temperature of the liquefied cryogenic gas does not rise above its boiling point, as it is not completely evaporated.
  • the gas is passed through a condenser which is in thermal contact with a second cooling medium.
  • the second cooling medium is usually colder than the first. However, it may also have the same temperature as the first cooling medium and in particular be identical to this.
  • the gas is cooled in the second cooling step by not more than twice, preferably not more than 1.5 times, and most preferably not more than 1 times the temperature difference between its melting and boiling points.
  • the temperature difference between the melting and boiling points is a material property inherent in the gas. It is for example for H 2 6 K, for N 2 14 K and for Ar, Kr and Xe 4 K. This measure has the effect that the flow of the gas in and behind the condenser is particularly homogeneous and particularly laminar.
  • the quality of the liquefied gas is best when there is a constant amount of this gas in the condenser.
  • This can advantageously be achieved by supplying the gas to the condenser exclusively in the gas phase.
  • the gas must not be cooled so much before the condenser, that here the temperature falls below the boiling point.
  • the gas is supplied to the condenser with a temperature just above its boiling point, so that its temperature in the condenser must be changed only by a small amount.
  • the liquefier then substantially absorbs the energy difference between the gas phase and the liquid phase of the gas.
  • the gas should not freeze in the condenser, as this may otherwise clog.
  • the condenser may be, for example, a cooled solid in which a conduit for the gas is introduced.
  • the second cooling medium is passed through the condenser. This transfers less vibration to the gas than, for example, cooling the condenser with a chiller. It has been recognized that vibrations transmitted through the condenser affect homogeneity and laminarity of the gas flow in the condenser and therefore have to be prevented.
  • the condenser and thus the gas passed through it can be cooled particularly low vibration when a gaseous second cooling medium is selected.
  • a single gas particle will not have enough momentum to cause a measurable deflection of the massive condenser.
  • the momentum transfers through the entirety of the particles are statistically distributed so that they almost completely cancel each other out and the condenser is not measurably deflected.
  • gaseous second cooling medium for example, the vapor phase over a liquefied cryogas is suitable.
  • the steam dissipates heat of vaporization.
  • the evaporation rate and thus the temperature of both the remaining liquefied gas supply and the vapor phase is almost constant.
  • the pressure in the reservoir the evaporation rate and thus the temperature of the vapor phase of the second cooling medium can be roughly regulated.
  • the pressure determines the flow of the second cooling medium, which is decisive for the cooling capacity in the condenser and thus for the amount of gas that can be cooled per unit of time.
  • the gas and the second cooling medium are guided in opposite directions through the condenser. This limits the maximum occurring temperature difference between the two flows, which can cause turbulence in the flow of the gas, especially if it is liquefied in the second cooling step.
  • the gas is brought into thermal contact with the emerging from the condenser second cooling medium in an intercooler before entering the condenser, for example by a heat exchanger. This reduces the temperature difference which is still to be bridged in the second cooling step in the condenser. At the same time, the residual cold of the second cooling medium emerging from the condenser is utilized, so that less of this cooling medium is consumed.
  • the gas is heated between the first cooling step and the intercooler, for example with an electric heater.
  • the inlet temperature of the gas into the condenser can be regulated particularly sensitively and also quickly.
  • the temperature of the gas immediately after the first cooling step is only comparatively slow to change, because this would require the entire stock of the first cooling medium heated or cooled.
  • the cooling effected in the intercooler depends on the outlet temperature of the second cooling medium from the condenser and therefore can not be directly influenced without simultaneously changing the temperature conditions in the condenser.
  • the temperature of the second cooling medium can be roughly regulated by the pressure in the Reservoir of this cryogenic gas, which in turn determines its evaporation rate.
  • the second cooling medium is heated before entering the condenser, for example with an electric heater. This heating can be carried out both sensitively and faster than an indirect temperature change by changing the pressure in the reservoir.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides for it to be passed through a vibrating nozzle in the liquefied state.
  • This nozzle preferably vibrates parallel to the direction of flow of the liquefied gas, and preferably with an amplitude between 100 and 1000 nm.
  • the velocity of the effluent liquefied gas is determined by the pressure at which the gas is supplied to the first cooling step and can be regulated by varying this pressure.
  • vibration-free cooling avoids such disturbances and thus allows the production of drops in not only higher, but also consistent quality (especially size) than was possible in the prior art.
  • a plasma can be generated by bombardment with intense laser pulses, which emits X-rays and / or extreme ultraviolet (EUV) light.
  • intense laser pulses which emits X-rays and / or extreme ultraviolet (EUV) light.
  • EUV extreme ultraviolet
  • the liquefied gas is transferred in a particularly advantageous embodiment of the invention from the vibrating nozzle in a vacuum. It is particularly advantageous to consolidate the liquefied gas divided by the vibration of the nozzle into drops of uniform shape and size. This is done by surface evaporation, which causes additional cooling to below freezing. The result is a homogeneous stream of solid pellets, which can be transported in a vacuum over longer distances. This is particularly advantageous for bombardment with intense laser pulses. Since the plasma generated in this process has considerable emit energy and high-energy radiation, the bombardment should take place at a distance from the source of the pellets, so as not to damage this source.
  • the transfer into the vacuum takes place at a distance from the vibrating nozzle; in particular, the liquefied gas may be transferred to the vacuum through a chamber in which the same gas is in a gaseous state, the gas in the chamber preferably being in the vicinity of the triple point.
  • This is to be understood in particular as the combination of a pressure between 0.2 times and 3 times the triple point pressure with a temperature between 1 times and 1.2 times the triple point temperature. In this way, the homogeneity and direction of flow of the stream of liquefied gas or of the resulting droplets upon passage into the vacuum are maintained as far as possible.
  • the inner diameter of the nozzle when entering the gas by a factor of at most 10, preferably by a factor between 3 and 4, should be greater than on the vacuum side. Then, the velocities of the liquid droplets or pellets are distributed homogeneously, and the pellet stream is collimated closely around the target flight direction.
  • This homogeneity and collimation become maximal when the pressure gradient along the nozzle becomes minimal. This can be achieved if the diameter of the nozzle decreases exponentially along its length and the nozzle is also advantageously at least ten times longer than its exit diameter.
  • the gas is transferred to the vacuum in at least two stages.
  • a pressure of 10 "5 mbar or more, preferably 10 -4 mbar or more so that the shape of the gas drops during freezing is retained into pellets.
  • the pellets which are each connected to one another by openings or nozzles passable by the pellets, are arranged one behind the other in the direction of flight of the pellets. difference between the chambers can be used. If a triple point chamber is present, the transition from the triple point chamber into the first vacuum chamber gives the pellets a much greater acceleration than the transitions between the remaining chambers. If the chambers are arranged one below the other, however, the gravitational field of the earth can also be used as a further propulsion force, whereby this effect is comparatively small (about 15 m / s speed increase to 10 m fall distance).
  • the pellets After being transferred to the vacuum, the pellets advantageously have a speed of at least 50 m / s, preferably of at least 100 m / s.
  • the pellets When plasma is generated from the pellets by means of laser bombardment, the pellets are vaporized and thus used up. The speed of the pellet flow and the distances between the pellets in the pellet stream determine the possible repetition rate.
  • He, N 2 , Ar, Kr and Xe in gaseous and liquid form are suitable as coolants.
  • liquid droplets and solid pellets of H 2 , N 2 , Ar, Kr and Xe can be produced.
  • a device for cooling a gas has also been developed, which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
  • This device is characterized by a condenser, comprising at least two of the gas and a main cooling medium in opposite directions through which are in thermal contact with each other.
  • This measure has the effect that during operation of the condenser on the entire length of the two lines, a small temperature difference between these two lines is adjustable. If the gas is in its warmest or coldest state, it is also the second cooling medium. As a result, a small temperature gradient across the cross section of the first conduit can be achieved, which improves the homogeneity and laminarity of the flow in this first conduit.
  • the condenser is preceded by a pre-cooling medium, which can be brought into thermal contact with the gas.
  • a pre-cooling medium which can be brought into thermal contact with the gas.
  • the pre-cooling medium is arranged in a container through which a line through which the gas can flow extends. Such an arrangement maximizes thermal contact between the gas and the pre-cooling medium.
  • the container advantageously has a ring shape.
  • a ring shape is understood as meaning any closed shape 2 x 1 which delimits an area in its interior. This area does not have to be circular, but may also have an oval or even angular shape; it is protected from heat radiation from the environment by the pre-cooling medium.
  • the supply of the main cooling medium is arranged in this bounded area. Then it is avoided that it heats up excessively fast.
  • the pre-cooling medium may be inexpensive liquid nitrogen and the main cooling medium may be the much more expensive liquid helium. Heat radiation from the environment consumes additional nitrogen in such an arrangement, but not additional helium.
  • the device comprises a condenser downstream nozzle, which has means for generating a vibration.
  • means for generating the vibration in particular piezoelectric means are suitable.
  • a laminar flow of liquefied gas generated in the liquefier can be broken up into droplets by means of this nozzle, with a suitable choice of the vibration amplitude.
  • the device includes at least one nozzle downstream vacuum chamber. Then, drops of liquefied gas emerging from the nozzle can freeze to form pellets when they pass into the vacuum chamber. It has been recognized that solid pellets can travel a longer distance between the place of their production and the place of their use than drops of liquefied gas. The pellets can then form a pellet target, for example, which interacts with radiation from a radiation source in a defined interaction zone. Such a pellet target has the advantage that the target material replenishes continuously into the interaction zone can be.
  • a plurality of vacuum chambers can be arranged with stepped pressures one behind the other.
  • the vacuum chamber is spatially spaced from the nozzle, such as by a triple point chamber in which conditions are close to the triple point of the gas. Then the liquid droplets, after exiting the die, have the opportunity to stabilize before solidifying 2x1 pellets.
  • the inlet into the vacuum chamber is designed as a further nozzle whose inner diameter decreases steadily towards the vacuum.
  • the inner diameter of the other nozzle on the inlet side should be greater by a factor of at most 10 than on the negative pressure side.
  • a plasma source was found. This contains a directed to an interaction zone radiation source and the inventive device for cooling a gas. The device is arranged to emit cooled gas into the interaction zone.
  • a radiation source in particular a laser is suitable.
  • the gas as target material which is consumed when bombarded with the beam from the radiation source, can be supplied continuously, regardless of its state of aggregation. If it is emitted by the device in the form of pellets, the device may advantageously be arranged at a great distance (order of magnitude 1 m and more) from the interaction zone. Then it is not damaged by the heat and radioactive radiation of the plasma.
  • the plasma source comprises a cold trap which receives the portion of the gas which does not interact with the beam from the radiation source.
  • the cold trap is preferably arranged in the flow direction of the gas or in the direction of flight of the solid pellets behind the zone in which the gas or the pellets interact with the jet. Capture excess residual gas and unused pellets in the cold trap. It reduces the vacuum in the plasma source and reduces the pump power required to maintain this vacuum.
  • the plasma generated by the plasma source can produce X-ray and extreme ultraviolet (EUV) radiation.
  • EUV extreme ultraviolet
  • the plasma source may serve as a source of EUV radiation. But it can also be used for example in a particle accelerator.
  • the zone in which the cooled gas (preferably in the form of pellets) and the accelerator beam interact is then extremely compact to build.
  • FIG. 2 Hydrogen drops produced by the process according to the invention.
  • FIG. 3 Local distribution of hydrogen pellets with a diameter of 20 ⁇ m at a distance of about 1.2 m from the triple point chamber.
  • Figure 4 exemplary embodiment of the device according to the invention with a plurality of vacuum chambers.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the device according to the invention and of the method according to the invention in sectional drawing.
  • a container 1 for the liquid pre-cooling medium (first cooling medium) 2 a coiled line 3, in which the gas to be cooled 4 is cooled in a first cooling step.
  • a container 1 for the liquid pre-cooling medium (first cooling medium) 2 a coiled line 3, in which the gas to be cooled 4 is cooled in a first cooling step.
  • second cooling medium main cooling medium
  • the gas 4 can optionally be heated by a heater 7 before it is in thermal contact with the main cooling system leaving the condenser 9 through a heat exchanger 8. medium 6 is brought. Subsequently, the gas enters the condenser 9. From the main cooling medium 6, the vapor phase is fed via a line 10 to the condenser. The condenser 9 converts the gas 4 into a liquid stream which is broken up into droplets by a vibrating nozzle 11. These drops can then be solidified by surface evaporation upon passage into vacuum.
  • hydrogen is used as the gas 4.
  • the pre-cooling medium 2 is liquid nitrogen
  • the main cooling medium 6 is liquid helium.
  • the hydrogen is cooled down from room temperature (293 K) to 81 K in the first cooling step.
  • the heater 7 is not used in this embodiment.
  • the vapor phase of the helium has a temperature of 4.5 K at the outlet from the reservoir of liquid helium and a temperature of 5.05 K. when it enters the condenser 9.
  • it When it enters the heat exchanger 8, it is 16.2 K and cools the incoming hydrogen to 21 K, before it is cooled in the condenser to 16.9 K and thus liquefied.
  • the jet of liquid hydrogen is broken up into drops 12 of the same size, which are introduced into a triple-point chamber (70 mbar, 14 K) filled with gaseous hydrogen.
  • Two different types of vibrating nozzles were used: brass nozzles with inside diameters between 12 and 40 ⁇ m and stainless steel nozzles with inside diameters between 16 and 40 ⁇ m.
  • Glass nozzles have smoother inner surfaces and, being transparent, allow optical control of their function during operation.
  • Stainless steel nozzles are more reproducible to make and their exit ports have a better (i.e., smaller) length to diameter ratio. Thus, a lower pressure is needed to drive liquefied gas through stainless steel nozzles.
  • FIG. 2 shows the hydrogen droplets emerging from the vibrating nozzle 11 into the triple point chamber.
  • These pass from the chamber through a further nozzle with 600 ⁇ m vaku- um chandelieren inner diameter in a first vacuum of 10 '2 mbar and thereby freeze to pellets.
  • the droplets or pellets are accelerated by the gas flow from the triple point chamber in the direction of vacuum.
  • the pellets pass into a second vacuum of 10 "4 mbar and from there through a tube of 2 cm diameter into an interaction zone where they are bombarded with laser light, which can be several meters from the triple point chamber could of constant quality with diameters between 18 and 60 ⁇ m at a distance of 1.2 m from the triple tube chamber.
  • the pellet diameter corresponds essentially to the final diameter of the vibrating nozzle 11 between condenser and triple-point chamber.
  • pellets of 30 ⁇ m size After passing into the first vacuum, pellets of 30 ⁇ m size have an average velocity of about 70 m / s. Over a period of a few seconds, the size of the pellets is stable down to 1%, over a period of several hours up to 10%.
  • ⁇ is a free rejuvenation parameter and R 1 and R 2 depend on the radius R max on the inlet side and on the vacuum side radius R m j n as follows:
  • FIG. 3 shows the local distribution of 20 ⁇ m diameter hydrogen pellets in a plane perpendicular to the direction of flight approximately 1.2 m from the triple tube chamber. Plotted is the relative abundance n in arbitrary units over the deviation ⁇ x of the pellets from the main flight direction.
  • the pellet jet is very well collimated; by far the majority of pellets deviate by less than 200 ⁇ m from the main flight direction. This is due to the fact that the liquid hydrogen jet is broken up into drops very regularly. The reason for this in turn is that the vibrating nozzle 11 is supplied with such a homogeneous and laminar hydrogen flow. Currently, about 30% of all pellets produced at the vibrating nozzle 11 reach the interaction zone.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of the device according to the invention.
  • the nozzle 11 opens into a Tripelpunlcthunt 20.
  • the temperature is between 1 times and 1.2 times the triple point temperature.
  • vacuum chambers 21, 22 and 23 are arranged, through which the drops 12 can be gradually transferred into the vacuum.
  • the drops 12 in the triple point chamber 20 are still liquid and freeze upon passage into the chamber 21.
  • the chambers 21, 22 and 23 are separated from one another and from the triple point chamber 20 by nozzles 24 which are permeable to the pellets.
  • In the first chamber 21 during operation there is a pressure of the order of 10 "4 mbar, in the last chamber 23, a pressure of the order of 10 -7 mbar.
  • the device comprises a laser (not shown) whose beam 25 interacts with the droplets 12 frozen in pellets in an interaction zone. Unused pellets are collected in a cold trap 27.

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Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur vibrationsfreien Kühlung eines Gases zur Verfügung. Das Gas wird in einem ersten Kühlschritt mit einem ersten Kühlmedium in thermischen Kontakt gebracht. Anschließend durchströmt es in einem zweiten Kühlschritt einen Verflüssiger, der in thermischem Kontakt mit einem zweiten Kühlmedium steht, und wird dabei um nicht mehr als 10 K abgekühlt. Dieser geringe Temperaturgradient ist maßgeblich dafür verantwortlich, dass der den Verflüssiger verlassende gasförmige oder flüssige Gasstrom sehr homogen und laminar ist. Er eignet sich daher für die Weiterverarbeitung zu einem Strom aus festen Pellets gleich bleibender Größe. Diese Pellets lassen sich über mehrere Meter im Vakuum transportieren und eignen sich somit als Targetmaterial für die Erzeugung eines Plasmas durch intensive Laserbestrahlung.

Description

B e s c h r e i b u n g Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung eines Gases
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung, insbesondere zur Verflüssigung, eines Gases.
Stand der Technik
Aus vielen Materialien lässt sich durch Beschuss mit intensivem Laserlicht ein Plasma erzeugen. Ein solches Plasma strahlt unter Anderem Röntgenstrahlung sowie extrem ultraviolettes (EUV) Licht ab. Es kann aber auch geladene Teilchen, wie beispielsweise Elektronen oder Protonen, beschleunigen.
Da zur Erzeugung eines Plasmas eine sehr hohe Laserintensität notwendig ist, wird das bestrahlte Material (Target) am Ort der Bestrahlung lokal zerstört. Zur dauerhaften Erzeugung eines Plasmas wird daher eine Quelle benötigt, die einen kontinuierlichen Nachschub an unverbrauchtem Targetmaterial liefert.
Aus (Ö. Nordhage, „On a Hydrogen Pellet Target for Antiproton Physics with PANDA", Dissertation Universität Uppsala, ISBN 91-554-6649-4) ist es bekannt, Wasserstoff zunächst zu verflüssigen, den Flüssigkeitsstrom mit einer vibrierenden Düse in Tropfen aufzuteilen und diese Tropfen anschließend durch weitere Abkühlung zu Pellets zu verfestigen. Diese Pellets werden als Targets für die Untersuchung von Wechselwirkungen mit schnellen Protonen an einem Synchrotron benutzt und könnte auch prinzipiell zur Erzeugung von Plasmen durch Laserbeschuss verwendet werden.
Nachteilig sind die so erzeugten Pellets, und somit auch die daraus erzeugten Plasmen, von stark schwankender Qualität.
Aufgabe und Lösung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung eines Gases bereitzustellen, deren Endprodukt geringere Qualitätsschwankungen aufweist und somit als Rohstoff für die Herstellung von Pellet-Targets für den Laserbeschuss besser geeignet ist als das nach dem Stand der Technik gekühlte Gas. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch sowie eine Vorrichtung gemäß Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen. Eine auf der Vorrichtung basierende Plasmaquelle sowie vorteilhafte Verwendungen derselben sind Gegenstände weiterer Nebenansprüche.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zur Kühlung eines Gases entwickelt. Dabei wird das Gas in einem ersten Kühlschritt durch eine Leitung geführt, die in thermischem Kontakt mit einem ersten Kühlmedium steht.
Als Kühlmedium ist prinzipiell jedes Medium geeignet, das eine geringere Temperatur aufweist als das Gas, wobei die Temperatur vorzugsweise sowohl räumlich über das Medium homogen als auch zeitlich konstant ist. Es kann beispielsweise ein gekühlter Festkörper sein, durch den die Leitung verläuft. Es kann auch ein Bad aus einer Flüssigkeit sein, durch das die Leitung verläuft. Diese Flüssigkeit kann insbesondere ein verflüssigtes Kryogas ein.
Besonders vorteilhaft wird ein verflüssigtes Kryogas, welches Dampf mit der Umgebung auszutauschen vermag, als erstes Kühlmedium gewählt. Da mit dem entweichenden Dampf auch die bei seiner Entstehung aufgenommene Verdampfungswäraie an die Umgebung abgegeben wird, steigt die Temperatur des verflüssigten Kryogases so lange nicht über dessen Siedepunkt, wie es nicht komplett verdampft ist.
In einem zweiten Kühlschritt wird das Gas durch einen Verflüssiger geführt, der in thermischem Kontakt mit einem zweiten Kühlmedium steht. Dabei ist das zweite Kühlmedium in der Regel kälter als das erste. Es kann aber auch die gleiche Temperatur wie das erste Kühlmedium aufweisen und insbesondere mit diesem identisch sein.
Erfindungsgemäß wird das Gas im zweiten Kühlschritt um nicht mehr als das Doppelte, vorzugsweise um nicht mehr als das 1,5-Fache und ganz besonders bevorzugt um nicht mehr als das 1 -Fache des Temperaturunterschieds zwischen seinem Schmelz- und seinem Siedepunkt abgekühlt. Der Temperaturunterschied zwischen dem Schmelz- und dem Siedepunkt ist eine dem Gas innewohnende Materialeigenschaft. Er beträgt beispielsweise für H2 6 K, für N2 14 K sowie für Ar, Kr und Xe jeweils 4 K. Diese Maßnahme hat die Wirkung, dass die Strömung des Gases im und hinter dem Verflüssiger besonders homogen und besonders laminar ist. Diese Vorteile zeigen sich insbesondere in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, in der das Gas im zweiten Kühlschritt verflüssigt wird: Dann gibt es in der Strömung des verflüssigten Gases keine Stellen, an denen dieses siedet oder gefriert. Es wurde erkannt, dass sich eine derart konditionierte Strömung verflüssigten Gases besonders gut weiter verarbeiten lässt, beispielsweise zu Tropfen definierter Größe und Form: Temperaturschwankungen des verflüssigten Gases bewirken Geschwindigkeitsschwankungen des aus dem Verflüssiger austretenden Gasstrahls. Wird dieser Gasstrahl in Tropfen aufgeteilt, vermindern diese Geschwindigkeitsschwankungen deren Qualität. Die erfmdungsgemäße Maßnahme vermindert die Temperaturschwankungen und ermöglicht es so, flüssige Gastropfen mit einer besseren Qualität herzustellen.
Erfahrungsgemäß ist die Qualität des verflüssigten Gases dann am besten, wenn eine konstante Menge dieses Gases im dem Verflüssiger vorliegt. Dies kann vorteilhaft dadurch erzielt werden, dass das Gas dem Verflüssiger ausschließlich in der Gasphase zugeführt wird. Hierfür darf das Gas nicht schon vor dem Verflüssiger so stark gekühlt werden, dass hier die Temperatur unter den Siedepunkt fallt. Optimalerweise wird das Gas dem Verflüssiger mit einer nur wenig über seinem Siedepunkt liegenden Temperatur zugeführt, so dass seine Temperatur im Verflüssiger nur noch um einen geringen Betrag geändert werden muss. Der Verflüssiger nimmt dann im Wesentlichen den Energieunterschied zwischen der Gasphase und der flüssigen Phase des Gases auf. Das Gas sollte im Verflüssiger nicht gefrieren, da dieser ansonsten verstopfen kann.
Der Verflüssiger kann beispielsweise ein gekühlter Festkörper sein, in den eine Leitung für das Gas eingebracht ist. Besonders vorteilhaft wird das zweite Kühlmedium durch den Verflüssiger geführt. Dies überträgt weniger Vibrationen auf das Gas als beispielsweise eine Kühlung des Verflüssigers mit einer Kältemaschine. Es wurde erkannt, dass durch den Verflüssiger übertragene Vibrationen Homogenität und Laminarität der Gasströmung im Verflüssiger beeinträchtigen und daher zu unterbinden sind.
Der Verflüssiger und damit das durch ihn durchgeleitete Gas lässt sich besonders vibrationsarm kühlen, wenn ein gasförmiges zweites Kühlmedium gewählt wird. Ein einzelnes Gasteilchen hat dann keinen ausreichenden Impuls, um eine messbare Auslenkung des massiven Verflüssigers hervorzurufen. Die Impulsüberträge durch die Gesamtheit der Teilchen sind statistisch so verteilt, dass sie sich fast völlig aufheben und der Verflüssiger insgesamt nicht messbar ausgelenkt wird.
Als gasförmiges zweites Kühlmedium ist beispielsweise die Dampfphase über einem verflüssigten Kryogas geeignet. Mit dem Dampf wird Verdampfungswärme abgeführt. Bei konstantem Druck im Vorratsbehälter des zweiten Kühlmediums ist daher die Verdampfungsrate und somit die Temperatur sowohl des verbleibenden verflüssigten Gasvorrats als auch der Dampfphase nahezu konstant. Über den Druck im Vorratsbehälter kann die Verdampfungsrate und somit auch die Temperatur der Dampfphase des zweiten Kühlmediums grob reguliert werden. Der Druck bestimmt zugleich den Fluss des zweiten Kühlmediums, der maßgeblich für die Kühlleistung im Verflüssiger und somit für die Menge an pro Zeiteinheit kühlbarem Gas ist.
Vorteilhaft werden das Gas und das zweite Kühlmedium gegenläufig durch den Verflüssiger geführt. Dies begrenzt die maximal auftretende Temperaturdifferenz zwischen den beiden Strömungen, die eine Turbulenz in der Strömung des Gases hervorrufen kann, insbesondere wenn dieses im zweiten Kühlschritt verflüssigt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Gas vor dem Eintritt in den Verflüssiger mit dem aus dem Verflüssiger austretenden zweiten Kühlmedium in einem Zwischenkühler in thermischen Kontakt gebracht, beispielsweise durch einen Wärmetauscher. Dies vermindert die Temperaturdifferenz, die im zweiten Kühlschritt im Verflüssiger noch zu überbrücken ist. Zugleich wird die Restkälte des aus dem Verflüssiger austretenden zweiten Kühlmediums ausgenutzt, so dass weniger von diesem Kühlmedium verbraucht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Gas zwischen dem ersten Kühlschritt und dem Zwischenkühler erwärmt, beispielsweise mit einer elektrischen Heizung. Dadurch kann die Eintrittstemperatur des Gases in den Verflüssiger besonders feinfühlig und auch schnell reguliert werden. Die Temperatur des Gases unmittelbar nach dem ersten Kühlschritt ist nur vergleichsweise träge zu ändern, weil hierzu der komplette Vorrat des ersten Kühlmediums erwärmt oder abgekühlt werden müsste. Die im Zwischenkühler bewirkte Abkühlung hängt von der Austrittstemperatur des zweiten Kühlmediums aus dem Verflüssiger ab und kann daher nicht direkt beeinflusst werden, ohne zugleich die Temperaturverhältnisse im Verflüssiger zu ändern.
Die Temperatur des zweiten Kühlmediums lässt sich grob regulieren durch den Druck im Vorratsbehälter dieses Kryogases, der wiederum dessen Verdampfungsrate bestimmt. Vorteilhaft wird das zweite Kühlmedium vor dem Eintritt in den Verflüssiger erwärmt, beispielsweise mit einer elektrischen Heizung. Diese Erwärmung kann sowohl feinfühliger als auch schneller durchgeführt werden als eine indirekte Temperaturänderung durch Änderung des Drucks im Vorratsbehälter.
Wird das Gas mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verflüssigt, so sieht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, es im verflüssigten Zustand durch eine vibrierende Düse zu leiten. Diese Düse vibriert vorzugsweise parallel zur Strömungsrichtung des verflüssigten Gases und vorzugsweise mit einer Amplitude zwischen 100 und 1000 nm. Auf diese Weise kann das verflüssigte Gas in einen Strom aus Tropfen gleich bleibender Form und Größe umgewandelt werden. Die Geschwindigkeit des ausströmenden verflüssigten Gases wird durch den Druck bestimmt, mit dem das Gas dem ersten Kühlschritt zugeführt wird, und kann durch Variation dieses Drucks reguliert werden.
Es wurde erkannt, dass unerwünschte Vibrationen bei der Kühlung des Gases nach dem Stand der Technik der begrenzende Faktor für die Qualität der Tropfen und für die Konstanz dieser Qualität waren. Solche Vibrationen wurden beispielsweise durch die Verwendung von Kühlköpfen in das Gas und in die Apparatur eingebracht. Die erfmdungsgemäß vibrationsfreie Kühlung vermeidet derartige Störungen und ermöglicht so die Herstellung von Tropfen in nicht nur höherer, sondern auch gleich bleibender Qualität (insbesondere Größe) als dies nach dem Stand der Technik möglich war.
Aus an der vibrierenden Düse gebildeten Tropfen kann beispielsweise durch Beschuss mit intensiven Laserpulsen ein Plasma erzeugt werden, welches Röntgenstrahlen und/oder extrem ultraviolettes (EUV) Licht abstrahlt.
Für solche und andere Anwendungen, die in einem Vakuum ablaufen, wird das verflüssigte Gas in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung aus der vibrierenden Düse in ein Vakuum überfuhrt. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, das durch die Vibration der Düse in Tropfen gleich bleibender Form und Größe zerteilte verflüssigte Gas zu verfestigen. Dies geschieht durch Oberflächenverdampfung, die eine zusätzliche Kühlung bis unter den Gefrierpunkt bewirkt. Es entsteht dann ein homogener Strom aus festen Pellets, die im Vakuum auch über längere Strecken transportiert werden können. Dies ist insbesondere vorteilhaft für den Beschuss mit intensiven Laserpulsen. Da das dabei erzeugte Plasma erhebliche War- memengen und energiereiche Strahlung abgibt, sollte der Beschuss in einem räumlichen Abstand zur Quelle der Pellets stattfinden, um diese Quelle nicht zu beschädigen.
Vorteilhaft erfolgt die Überführung in das Vakuum von der vibrierenden Düse beabstandet; insbesondere kann das verflüssigte Gas durch eine Kammer, in der das gleiche Gas in gasförmigem Zustand vorliegt, in das Vakuum überführt werden, wobei sich das Gas in der Kammer bevorzugt in der Nähe des Tripelpunkts befindet. Hierunter ist insbesondere die Kombination aus einem Druck zwischen dem 0,2-Fachen und dem 3 -Fachen des Tripelpunktdrucks mit einer Temperatur zwischen dem 1 -Fachen und dem 1,2-Fachen der Tripelpunkttemperatur zu verstehen. Auf diese Weise werden die Homogenität und Flugrichtung des Stroms an verflüssigtem Gas beziehungsweise an den daraus entstandenen Tropfen beim Übertritt in das Vakuum so weit wie möglich gewahrt.
Aus dem gleichen Grund ist es vorteilhaft, das verflüssigte Gas durch eine Düse in das Vakuum zu überführen, deren Innendurchmesser zum Vakuum hin stetig abnimmt. Dabei sollte der Innendurchmesser der Düse beim Eintritt des Gases um einen Faktor von höchstens 10, bevorzugt um einen Faktor zwischen 3 und 4, größer sein als auf der Vakuumseite. Dann sind auch die Geschwindigkeiten der Flüssigkeitstropfen beziehungsweise Pellets homogen verteilt, und der Pelletstrom ist eng um die Sollflugrichtung kollimiert.
Diese Homogenität und Kollimation werden dann maximal, wenn der Druckgradient entlang der Düse minimal wird. Dies kann erzielt werden, wenn der Durchmesser der Düse entlang ihrer Länge exponentiell abnimmt und die Düse zudem vorteilhaft mindestens zehnmal länger ist als ihr Austrittsdurchmesser.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Gas in mindestens zwei Stufen ins Vakuum überführt. Vorteilhaft herrscht dabei in der ersten Stufe ein Druck von 10"5 mbar oder mehr, vorzugsweise 10'4 mbar oder mehr, so dass die Form der Gastropfen beim Gefrieren zu Pellets erhalten bleibt. Vorteilhaft herrscht in der letzten Stufe ein Druck von 10"6 mbar oder weniger, vorzugsweise 10"7 mbar oder weniger; da dies typische Basisdrücke von Beschleunigeranlagen und Anlagen zur Erzeugung von EUV-Licht sind, können die Pellets dann direkt in diese Anlagen überfuhrt werden. Zur Realisierung der Stufen können beispielsweise mehrere Vakuumkammern mit abgestuften Drücken, die jeweils durch von den Pellets passierbare Öffnungen oder Düsen miteinander verbunden sind, in Flugrichtung der Pellets hintereinander angeordnet werden. Als Vortriebskraft für die Pellets kann der Druck- unterschied zwischen den Kammern genutzt werden. Ist eine Tripelpunktkammer vorhanden, erteilt der Übergang aus der Tripelpunktkammer in die erste Vakuumkammer den Pellets eine weitaus größere Beschleunigung als die Übergänge zwischen den übrigen Kammern. Sind die Kammern untereinander angeordnet, kann aber auch das Schwerefeld der Erde als weitere Vortriebskraft genutzt werden, wobei dieser Effekt vergleichsweise gering ist (etwa 15 m/s Geschwindigkeitssteigerung auf 10 m Fallstrecke).
Die Pellets haben nach dem Überführen in das Vakuum vorteilhaft eine Geschwindigkeit von mindestens 50 m/s, bevorzugt von mindestens 100 m/s. Bei der Erzeugung von Plasma aus den Pellets mittels Laserbeschuss werden die Pellets verdampft und damit verbraucht. Die Geschwindigkeit des Pelletstroms und die Abstände zwischen den Pellets im Pelletstrom bestimmen über die mögliche Repetitionsrate.
Als Kühlmittel sind insbesondere He, N2, Ar, Kr und Xe in gasförmiger und flüssiger Form geeignet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind beispielsweise Flüssigkeitstropfen und feste Pellets aus H2, N2, Ar, Kr und Xe herstellbar.
Im Rahmen der Erfindung wurde auch eine Vorrichtung zur Kühlung eines Gases entwickelt, die insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Diese Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Verflüssiger, umfassend mindestens zwei von dem Gas und einem Hauptkühlmedium gegenläufig durchströmbare Leitungen, die in thermischem Kontakt miteinander stehen.
Diese Maßnahme hat die Wirkung, dass im Betrieb des Verflüssigers auf der ganzen Länge der beiden Leitungen ein geringer Temperaturunterschied zwischen diesen beiden Leitungen einstellbar ist. Ist das Gas in seinem wärmsten beziehungsweise kältesten Zustand, ist es auch das zweite Kühlmedium. Dadurch kann ein geringer Temperaturgradient über den Querschnitt der ersten Leitung erzielt werden, was die Homogenität und Laminarität der Strömung in dieser ersten Leitung verbessert.
Dieser Effekt wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung noch dadurch verstärkt, dass die beiden Leitungen parallel oder konzentrisch zueinander angeordnet sind.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem Verflüssiger ein Vor- kühlmedium vorgeschaltet, das in thermischen Kontakt mit dem Gas gebracht werden kann. Diese Maßnahme hat die Wirkung, dass das Gas den größten Teil der Temperaturdifferenz zwischen seiner Ursprungstemperatur und der gewünschten Zieltemperatur bereits im thermischen Kontakt mit dem Vorkühlmedium zurücklegen kann. Ist neben der Ursprungstemperatur des Gases seine maximale Temperaturabsenkung im Verflüssiger vorgegeben, ist eine tiefere Endtemperatur erreichbar.
Vorteilhaft ist das Vorkühlmedium in einem Behältnis angeordnet, durch das eine von dem Gas durchströmbare Leitung verläuft. Eine derartige Anordnung maximiert den Wärmekontakt zwischen dem Gas und dem Vorkühlmedium.
Das Behältnis weist vorteilhaft eine Ringform auf. Unter einer Ringform ist in diesem Zusammenhang jede geschlossene Form 2x1 verstehen, die einen Bereich in ihrem Inneren eingrenzt. Dieser Bereich muss nicht kreisrund sein, sondern kann auch eine ovale oder auch eckige Form haben; er ist durch das Vorkühlmedium vor Wärmeeinstrahlung aus der Umgebung geschützt.
Vorteilhaft ist der Vorrat des Hauptkühlmediums in diesem umgrenzten Bereich angeordnet. Dann wird vermieden, dass sich dieser übermäßig schnell erwärmt. Beispielsweise kann das Vorkühlmedium preiswerter flüssiger Stickstoff und das Hauptkühlmedium das sehr viel teurere flüssige Helium sein. Wärmeeinstrahlung aus der Umgebung verbraucht in einer solchen Anordnung zusätzlichen Stickstoff, nicht aber zusätzliches Helium.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die Vorrichtung eine dem Verflüssiger nachgeschaltete Düse, welche Mittel zur Erzeugung einer Vibration aufweist. Als Mittel zur Erzeugung der Vibration sind insbesondere piezoelektrische Mittel geeignet. Ein im Verflüssiger erzeugter laminarer Strom verflüssigten Gases kann durch diese Düse bei geeigneter Wahl der Vibrationsamplitude definiert in Tropfen aufgebrochen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die Vorrichtung mindestens eine der Düse nachgeschaltete Unterdruckkammer. Dann können aus der Düse austretende Tropfen verflüssigten Gases beim Übergang in die Unterdruckkammer zu Pellets gefrieren. Es wurde erkannt, dass feste Pellets eine längere Strecke zwischen dem Ort ihrer Erzeugung und dem Ort ihrer Verwendung zurücklegen können als Tropfen verflüssigten Gases. Die Pellets können dann beispielsweise ein Pellettarget bilden, das in einer definierten Wechselwirkungszone mit Strahlung aus einer Strahlungsquelle wechselwirkt. Ein solches Pellettarget hat den Vorteil, dass das Targetmaterial kontinuierlich in die Wechselwirkungszone nachgeliefert werden kann.
Um die Form der Tropfen beim Gefrieren zu erhalten, können vorteilhaft mehrere Unterdruckkammern mit abgestuften Drücken hintereinander angeordnet sein.
Vorteilhaft ist die Unterdruckkammer räumlich von der Düse beabstandet, wie beispielsweise durch eine Tripelpunktkammer, in der Bedingungen nahe am Tripelpunkt des Gases vorliegen. Dann erhalten die Flüssigkeitstropfen nach dem Austritt aus der Düse die Gelegenheit, sich zu stabilisieren, bevor sie 2x1 Pellets verfestigt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Eintritt in die Unterdruckkammer als eine weitere Düse ausgestaltet, deren Innendurchmesser zum Vakuum hin stetig abnimmt. Dabei sollte der Innendurchmesser der weiteren Düse auf der Einlassseite um einen Faktor von höchstens 10 größer sein als auf der Unterdruckseite. Dann sind auch die Geschwindigkeiten der in die Unterdruckkammer eintretenden Flüssigkeitstropfen beziehungsweise Pellets homogen verteilt, und der Pelletstrom ist eng um die Sollflugrichtung kollimiert.
Im Rahmen der Erfindung wurde eine Plasmaquelle gefunden. Diese enthält eine auf eine Wechselwirkungszone gerichtete Strahlungsquelle sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung eines Gases. Die Vorrichtung ist derart angeordnet, dass sie gekühltes Gas in die Wechselwirkungszone zu emittieren vermag. Als Strahlungsquelle ist insbesondere ein Laser geeignet.
Es wurde erkannt, dass eine solche Plasmaquelle kontinuierlich betrieben werden kann und zugleich langlebiger ist als Plasmaquellen nach dem Stand der Technik. Das Gas als Targetmaterial, welches bei Beschuss mit dem Strahl aus der Strahlungsquelle verbraucht wird, kann unabhängig von seinem Aggregatzustand kontinuierlich nachgeliefert werden. Wird es von der Vorrichtung in Form von Pellets emittiert, kann die Vorrichtung vorteilhaft in einem großen Abstand (Größenordnung 1 m und mehr) von der Wechselwirkungszone angeordnet sein. Dann wird sie nicht durch die Hitze und radioaktive Strahlung des Plasmas beschädigt.
Vorteilhaft umfasst die Plasmaquelle eine Kühlfalle, die den Anteil des Gases aufnimmt, der nicht mit dem Strahl aus der Strahlungsquelle wechselwirkt. Die Kühlfalle ist bevorzugt in Strömungsrichtung des Gases beziehungsweise in Flugrichtung der festen Pellets hinter der Zone angeordnet, in der das Gas beziehungsweise die Pellets mit dem Strahl wechselwirken. Das Einfangen überschüssiger Gasreste sowie nicht benutzter Pellets in der Kühlfalle verbes- sert das Vakuum in der Plasmaquelle und vermindert die zur Aufrechterhaltung dieses Vakuums erforderliche Pumpleistung.
Das mit der Plasmaquelle erzeugte Plasma kann Röntgen- und extrem ultraviolette (EUV) Strahlung erzeugen. In einem solchen Plasma ist auch die Beschleunigung von geladenen Teilchen, wie beispielsweise Elektronen und Protonen, auf Energien von mehreren 100 MeV möglich. Somit kann die Plasmaquelle beispielsweise in einer Vorrichtung zur fotolithographischen Strukturierung von Halbleitern als Quelle für EUV-Strahlung dienen. Sie kann aber auch beispielsweise in einem Teilchenbeschleuniger eingesetzt werden. Die Zone, in der das gekühlte Gas (vorzugsweise in Form von Pellets) und der Beschleunigerstrahl wechselwirken, ist dann extrem kompakt zu bauen.
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
Figur 1 : Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße erfahren
Figur 2: Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Wasserstofftropfen.
Figur 3 : Örtliche Verteilung von Wasserstoff-Pellets mit 20 μm Durchmesser in etwa 1,2 m Entfernung zur Tripelpunktkamrner.
Figur 4: Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Vakuumkammern.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie für das erfindungsgemäße Verfahren in Schnittzeichnung. Durch ein Behältnis 1 für das flüssige Vorkühlmedium (erstes Kühlmedium) 2 verläuft eine gewundene Leitung 3, in der das zu kühlende Gas 4 in einem ersten Kühlschritt gekühlt wird. Innerhalb des durch das Behältnis 1 umgrenzten Bereichs 5 befindet sich ein weiteres Behältnis mit einem Vorrat an Hauptkühl- medium (zweites Kühlmedium) 6.
Das Gas 4 kann optional durch eine Heizung 7 erwärmt werden, bevor es durch einen Wärmetauscher 8 in thermischen Kontakt mit dem aus dem Verflüssiger 9 austretenden Hauptkühl- medium 6 gebracht wird. Anschließend tritt das Gas in den Verflüssiger 9 ein. Vom Hauptkühlmedium 6 wird die Dampfphase über eine Leitung 10 dem Verflüssiger zugeführt. Der Verflüssiger 9 wandelt das Gas 4 in einen Flüssigkeitsstrom um, der durch eine vibrierende Düse 11 in Tropfen aufgebrochen wird. Diese Tropfen können anschließend beim Übertritt ins Vakuum durch Oberflächenverdampfung verfestigt werden.
In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird Wasserstoff als Gas 4 verwendet. Das Vorkühlmedium 2 ist flüssiger Stickstoff, das Hauptkühlmedium 6 ist flüssiges Helium. Der Wasserstoff wird im ersten Kühlschritt von Raumtemperatur (293 K) auf 81 K heruntergekühlt. Die Heizung 7 wird in diesem Ausführungsbeispiel nicht verwendet. Die Dampfphase des Heliums hat beim Austritt aus dem Vorratsbehälter des flüssigen Heliums eine Temperatur von 4,5 K und beim Eintritt in den Verflüssiger 9 eine Temperatur von 5,05 K. Beim Eintritt in den Wärmetauscher 8 ist es 16,2 K warm und kühlt den eintretenden Wasserstoff auf 21 K, bevor dieser im Verflüssiger auf 16,9 K gekühlt und somit verflüssigt wird.
Durch die vibrierende Düse 11 wird der Strahl aus flüssigem Wasserstoff in Tropfen 12 gleicher Größe aufgebrochen, die in eine mit gasförmigem Wasserstoff gefüllte Tripelpunktkam- mer (70 mbar, 14 K) eingeleitet werden.
Es wurden zwei verschiedene Typen von vibrierenden Düsen verwendet: in Messing einge- fasste Glasdüsen mit Innendurchmessern zwischen 12 und 40 μm sowie Edelstahldüsen mit Innendurchmessern zwischen 16 und 40 μm. Glasdüsen haben glattere innere Oberflächen und erlauben, da sie durchsichtig sind, während des Betriebs die optische Kontrolle ihrer Funktion. Edelstahldüsen sind reproduzierbarer herzustellen, und ihre Austrittsöffnungen haben ein besseres (d.h. kleineres) Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis. Somit wird ein geringerer Druck benötigt, um verflüssigtes Gas durch Edelstahldüsen zu treiben.
Figur 2 zeigt die aus der vibrierenden Düse 11 in die Tripelpunktkammer austretenden Wasserstofftropfen. Diese gelangen aus der Kammer durch eine weitere Düse mit 600 μm vaku- umseitigen Innendurchmesser in ein erstes Vakuum von 10'2 mbar über und gefrieren dabei zu Pellets. Die Tropfen beziehungsweise Pellets werden durch den Gasstrom aus der Tripelpunktkammer in Richtung Vakuum beschleunigt. Durch eine weitere Düse gelangen die Pellets in ein zweites Vakuum von 10"4 mbar und von dort durch ein Rohr von 2 cm Durchmesser in eine Wechselwirkungszone, in der sie mit Laserlicht beschossen werden. Diese Wechselwirkungszone kann mehrere Meter von der Tripelpunktkammer entfernt sein. Es konnten PeI- lets gleich bleibender Qualität mit Durchmessern zwischen 18 und 60 μm in 1,2 m Entfernung von der Tripelpunlctkammer beobachtet werden. Der Pelletdurchmesser entspricht im Wesentlichen dem Enddurchmesser der vibrierenden Düse 11 zwischen Verflüssiger und Tripel- punktkammer.
Die räumliche und die Winkelverteilung der Pellets sowie ihre Geschwindigkeiten wurden mit CCD-Kameras beobachtet. Nach dem Übertritt in das erste Vakuum haben Pellets von 30 μm Größe eine durchschnittliche Geschwindigkeit von etwa 70 m/s. Über einen Zeitraum von wenigen Sekunden ist die Größe der Pellets bis auf 1 % stabil, über einen Zeitraum von mehreren Stunden noch bis auf 10 %.
Der Radius R0 der Düse für den Übertritt in das Vakuum verjüngt sich in diesem Ausführungsbeispiel exponentiell mit der Koordinate x entlang der Düse:
Figure imgf000013_0001
-x)
worin δ ein freier Verjüngungsparameter ist und R1 sowie R2 wie folgt vom Radius Rmax auf der Einlassseite und vom Radius Rmjn auf der Vakuumseite abhängen:
R = i? min -i?maκ - eXP(-^ -0
1 1-expi-δ-l)
Figure imgf000013_0002
Figur 3 zeigt die örtliche Verteilung von Wasserstoff-Pellets mit 20 μm Durchmesser in einer Ebene senkrecht zur Flugrichtung in etwa 1,2 m Entfernung zur Tripelpunlctkammer. Aufgetragen ist die relative Häufigkeit n in willkürlichen Einheiten über der Abweichung Δx der Pellets von der Hauptflugrichtung. Der Pellet-Strahl ist sehr gut kollimiert; weitaus die meisten Pellets weichen um weniger als 200 μm von der Hauptflugrichtung ab. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der flüssige Wasserstoffstrahl sehr regelmäßig in Tropfen aufgebrochen wird. Ursache hierfür ist wiederum, dass der vibrierenden Düse 11 ein so homogener und laminarer Wasserstoffstrom zugeführt wird. Derzeit erreichen etwa 30 % aller an der vibrierenden Düse 11 produzierten Pellets die Wechselwirkungszone.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Düse 11 mündet in eine Tripelpunlctkammer 20. Im Betrieb herrscht ein Druck zwischen dem 0,2-Fachen und dem 3-Fachen des Tripelpunktdrucks. Die Temperatur liegt zwischen dem 1 -Fachen und dem 1,2-Fachen der Tripelpunkttemperatur. In Flugrichtung der Tropfen 12 hintereinander sind Vakuumkammern 21, 22 und 23 angeordnet, durch die die Tropfen 12 stufenweise in das Vakuum überführt werden können. Dabei sind die Tropfen 12 in der Tri- pelpunktkammer 20 noch flüssig und gefrieren beim Übertritt in die Kammer 21. Die Kammern 21, 22 und 23 sind untereinander sowie von der Tripelpunktkammer 20 durch für die Pellets durchlässige Düsen 24 getrennt. In der ersten Kammer 21 herrscht im Betrieb ein Druck der Größenordnung 10"4 mbar, in der letzten Kammer 23 ein Druck der Größenordnung 10'7 mbar.
Die Vorrichtung umfasst einen Laser (nicht eingezeichnet), dessen Strahl 25 in einer Wechselwirkungszone mit den zu Pellets gefrorenen Tropfen 12 wechselwirkt. Ungenutzte Pellets werden in einer Kühlfalle 27 aufgefangen.

Claims

T/DE2008/00055714P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Kühlung eines Gases mit den Schritten:
- das Gas wird in einem ersten Kühlschritt durch eine Leitung geführt, die in thermischem Kontakt mit einem ersten Kühhnedmm steht;
- das Gas wird in einem zweiten Kühlschritt durch einen Verflüssiger geführt, der in thermischem Kontakt mit einem zweiten Kühlmedium steht, und wird dabei um nicht mehr als das Doppelte des Temperaturunterschieds zwischen seinem Schmelz- und seinem Siedepunkt abgekühlt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im zweiten Schritt um nicht mehr als das 1,5-Fache des Temperaturunterschieds zwischen seinem Schmelz- und seinem Siedepunkt abgekühlt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kühlmedium kälter ist als das erste.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein verflüssigtes Kryogas, welches Dampf mit der Umgebung auszutauschen vermag, als erstes Kühlmedium gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kühlmedium durch den Verflüssiger geführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas und das zweite Kühlmedium gegenläufig durch den Verflüssiger geführt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein gasförmiges zweites Kühlmedium gewählt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas vor dem Eintritt in den Verflüssiger in einem Zwischenkühler mit dem aus dem Verflüssiger austretenden zweiten Kühlmedium in thermischen Kontakt gebracht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas zwischen dem ersten Kühlschritt und dem Zwischenkühler erwärmt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im zweiten Kühlschritt verflüssigt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das verflüssigte Gas durch eine vibrierende Düse geleitet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Düse parallel zur Strömungsrichtung des verflüssigten Gases vibriert.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse mit einer Amplitude zwischen 100 und 1000 nm vibriert.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das verflüssigte Gas aus der vibrierenden Düse in ein Vakuum überführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das verflüssigte Gas beim Überführen in das Vakuum verfestigt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Überführung in das Vakuum von der vibrierenden Düse beabstandet erfolgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das verflüssigte Gas durch eine Kammer, in der das gleiche Gas in gasförmigem Zustand vorliegt, in das Vakuum überführt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Gas in der Kammer in der Nähe des Tripelpunkts befindet.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das verflüssigte Gas durch eine Düse in das Vakuum überführt wird, deren Innendurchmesser zum Vakuum hin stetig abnimmt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der Düse beim Eintritt des Gases um einen Faktor von höchstens 10 größer ist als auf der Vakuumseite.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in mindestens zwei Stufen ins Vakuum überführt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Stufe ein Druck von 10-5 mbar oder mehr, vorzugsweise 10-4 mbar oder mehr, herrscht.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in der letzten Stufe ein Druck von 10-6 mbar oder weniger, vorzugsweise 10-7 mbar oder weniger, herrscht.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas nach dem Überführen in das Vakuum eine Geschwindigkeit von mindestens 50 m/s, bevorzugt von mindestens 100 m/s, hat.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gas aus der Gruppe (He, N2, Ar, Kr, Xe) als Kühlmittel gewählt wird.
26. Vorrichtung zur Kühlung eines Gases, gekennzeichnet durch einen Verflüssiger umfassend mindestens zwei von dem Gas und einem Hauptkühlrnedium gegenläufig durchströmbare Leitungen, die in thermischem Kontakt miteinander stehen.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch einen Verflüssiger umfassend zwei parallel zueinander angeordnete Leitungen.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 27, gekennzeichnet durch einen Verflüssiger umfassend zwei konzentrisch zueinander angeordnete Leitungen.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, umfassend ein dem Verflüssiger vorgeschaltetes Vorkühlmediurn, das in thermischen Kontakt mit dem Gas gebracht werden kann.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorkühlmedium in einem Behältnis angeordnet ist, durch das eine von dem Gas durchströmbare Leitung verläuft.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch ein ringförmiges Behältnis.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 31, gekennzeichnet durch einen, im vom Behältnis umgrenzten Bereich, angeordneten Vorrat des zweiten Kühlmediums.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 32, gekennzeichnet durch eine dem Verflüssiger nachgeschaltete Düse, welche Mittel zur Erzeugung einer Vibration aufweist.
34. Vorrichtung nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch piezoelektrische Mittel zur Erzeugung der Vibration.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 33 bis 34, gekennzeichnet durch mindestens eine der Düse nachgeschaltete Unterdruckkammer.
36. Vorrichtung nach Anspruch 35, gekennzeichnet durch mehrere hintereinander angeordnete Unterdruckkammern mit abgestuften Drücken.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckkammer räumlich von der Düse beabstandet ist.
38. Vorrichtung nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Tripelpunktkammer als Mittel zur Beabstandung der Unterdruckkammer von der Düse.
39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt in die Unterdruckkammer als eine weitere Düse ausgestaltet ist, deren Innendurchmesser zum Vakuum hin stetig abnimmt.
40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der weiteren Düse auf der Einlassseite um einen Faktor von höchstens 10 größer ist als auf der Unterdruckseite.
41. Plasmaquelle mit einer auf eine Wechselwirkungszone gerichteten Strahlungsquelle, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 40, welche derart angeordnet ist, dass sie gekühltes Gas in die Wechselwirkungszone zu emittieren vermag.
42. Plasmaquelle nach Anspruch 4I5 gekennzeichnet durch einen Laser als Strahlungsquelle.
43. Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 41 bis 42, gekennzeichnet durch eine Kühlfalle zur Aufnahme von Gas, das nicht mit dem Strahl aus der Strahlungsquelle wechselwirkt.
44. Vorrichtung zur fotolithographischen Strukturierung von Halbleitern, gekennzeichnet durch eine Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 41 bis 43.
45. Teilchenbeschleuniger, gekennzeichnet durch eine Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 41 bis 43.
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