WO2022198251A1 - Verfahren und vorrichtung zur bereitstellung elementarer stoffe - Google Patents

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WO2022198251A1
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field
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Manfred Hettmer
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Manfred Hettmer
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Definitions

  • the invention relates to a method for providing elementary substances, comprising at least the following steps:
  • a plasma chamber in particular a plasma tube
  • the invention also relates to a device for preparing elementary substances, comprising:
  • a plasma generator for providing plasma, wherein the plasma has at least one molecular component
  • a device for generating a magnetic secondary field in the plasma chamber which has the opposite polarity to the primary field and oscillates so that the primary field is periodically de-formed.
  • a device having a primary field deformed by an oscillating secondary field is known as a magnetic field oscillating amplified thruster
  • MOA metal-oxide-semiconductor
  • the method mentioned at the outset includes the step of providing a plasma limit anchor, which prevents ions from the plasma from escaping from the plasma chamber (or from an area in which the plasma is confined in the magnetic fields), whose kinetic energy corresponds to a temperature lower than is the decomposition temperature of the molecular component.
  • the device mentioned at the outset comprises a plasma limit anchor to prevent plasma ions from escaping from the plasma chamber, the kinetic energy of which corresponds to a temperature which is lower than a decomposition temperature of the molecular component.
  • the plasma is heated to the decomposition temperature of at least the molecular component, so that the molecular components at least partially decompose into elementary ions (ie ions consisting of only one atom).
  • the plasma limit anchor ensures that only the elementary ions can leave the plasma chamber, since ions that fall below a certain kinetic energy are retained. In this way, elementary components can be obtained from the plasma in a simple manner.
  • the heating takes place in particular before passing the plasma limiter.
  • the plasma limit anchor is preferably not used to accelerate the ions.
  • any ionizable gas can be accelerated as a plasma and thus heated. This means that elemental raw material can be obtained from any raw material.
  • the plasma is preferably fed into the magnetic fields as a molecular gas.
  • the primary field and/or secondary field each have a magnetic flux density of preferably more than 20 mT, particularly preferably more than 100 mT, even more preferably more than 500 mT or more than 1 T at at least one point.
  • the primary field and/or the secondary field are each generated with a field coil, with the magnetic flux density at a distance of 1 cm from an inner ring cross-section of the respective field coil preferably being more than 20 mT, particularly preferably more than 100 mT, even more preferably more than 500mT.
  • the plasma in the plasma chamber preferably has a plasma density analogous to the pressure of ICR 3 mbar. In particular, the plasma is compressed by the action of the magnetic fields.
  • the plasma is compressed by the primary and secondary fields preferably within less than 1CV 2 s, more preferably less than 1CV 4 s, even more preferably less than 1CV 5 or 1CV 6 s.
  • the plasma is heated to preferably at least 10 5 Kelvin, particularly preferably at least 4*10 5 Kelvin, even more preferably at least 10 6 Kelvin.
  • the plasma is enclosed by the magnetic fields in particular by a confinement.
  • the plasma can contain partially or fully ionized matter. In the area of the primary field and the secondary field, the enclosed plasma is compressed so that it is heated.
  • the plasma limit anchor fixes the plasma potential.
  • At least one electrode can be provided as the plasma limit anchor.
  • the plasma limit anchor prevents the exit from the plasma chamber of preferably at least 90% of the ions of the plasma whose kinetic energy corresponds to a temperature which is lower than the decomposition temperature of the molecular component.
  • the plasma limit anchor is arranged adjacent to an outlet of the plasma chamber or to an entry area of the plasma caused by the magnetic fields.
  • the plasma limit armature is arranged inside the device for generating the primary magnetic field or the device for generating the secondary magnetic field.
  • Alfven waves are magneto-hydro-dynamic waves. Alfven waves are low-frequency waves in electrically conductive liquids or magnetized plasmas that are caused by changes in the strength or geometry of a magnetic field. Alfven waves propagate at a finite speed, the so-called Alfven speed. An Alfven wave is the wave-like propagation of a perturbation in the magnetic field. In a vacuum, an Alfven wave propagates at the speed of light in a vacuum. When the magnetic field interacts with an ionizable matter, such as a plasma, the Alfven velocity is determined by the mass or charge density of the dielectric medium. Through the interaction of matter with the magnetic field, Alfven waves can transport mass and thus also energy and momentum.
  • Alfven limit plays a role, within which the field strength must be greater than the kinetic energy of the matter to be transported.
  • a use of Alfven waves shows, for example, the US 4661 304.
  • the US 4412 967 A describes a particle accelerator using the principle of Alfven waves.
  • Alfven waves are formed, which propagate at a speed (V A) that depends on the mass density of the matter passing through the magnetic field and the field strength of the magnetic field depends, preferably the field strength of the magnetic net field is greater than the kinetic energy of the matter in the magnetic field, so that mass is transported by the Alfven waves.
  • the Alfven velocity (V A ) is preferably less than or equal to the speed of sound of the matter in the magnetic field. It is preferred if the Alfven velocity (V A ) is greater than the speed of sound of the matter in the magnetic field. It is preferred if the primary magnetic field is essentially constant.
  • the primary magnetic field is switched off periodically. It is preferred if the oscillating secondary magnetic field is also turned off during the turn-off periods of the primary field. It is preferred if the magnetic field is focused in the axial and/or radial direction. It is preferred if the field strength of the primary magnetic field is changed during the switched-on magnetic secondary field. It is preferred if the Alfven waves are delayed in phase.
  • the plasma (or the source material from which the plasma is generated) can have more than one molecular component.
  • the molecular components can have different decomposition temperatures. Depending on the strength of the magnetic fields and the plasma boundary anchor, only one, several or all of the molecular components can be heated sufficiently to break them down into their elemental/atomic components.
  • the decomposition temperature is understood to mean in particular the decomposition temperature, i.e. the temperature at which the molecular component is broken down into smaller molecules and/or elements.
  • the plasma is guided in the plasma chamber in such a way that a predefined plasma density is achieved, at which the decomposition temperature of at least one molecular component is present.
  • the plasma is heated (in particular at the predefined plasma density) at least until the decomposition temperature of at least the at least one molecular component is reached.
  • the plasma is substantially adiabatically compressed. This means that there is preferably essentially no heat exchange with the environment.
  • the plasma is confined within the magnetic fields. This means that the plasma is enclosed in such a way that the plasma particles cannot leave the magnetic confinement area.
  • the plasma is confined with a magnetic bottle, ie, a magnetic mirror machine.
  • the magnetic field strengths of the primary and secondary fields are preferably so high that magnetic wall forces are formed which enclose the plasma when it is heated.
  • the Lamor frequency of the ions is high enough to transfer at least first-order isotropic kinetic energy (thermal particle velocity) into the system during the compression phase by a sufficiently high number of scatterings.
  • the density of charged particles at the gradient of the magnetic field is preferably such that non-ionised particles are also reflected inwards. Essentially adiabatic is understood to mean that essentially only radiation losses occur (ie radiation losses make up at least 90% of the total energy output). Some of the photons can also be reflected inwards if the distance between the charge carriers on the gradient is smaller than the wavelength of the photons.
  • the photons traverse the confinement volume in about lCü 9 seconds, for example, while the compression itself lasts for example lCü 6 seconds or scattered) thermal feedback into the plasma no longer occurs and so there is no thermal sink per se, the process is still adiabatic. Because the plasma is compressed adiabatically, energy losses are minimized and the plasma is heated particularly effectively.
  • the provision of a plasma limit anchor includes at least the provision of a positive electrical potential which prevents ions of the plasma from escaping from the plasma chamber, the kinetic energy of which corresponds to a temperature which is lower than the decomposition temperature of the molecular lar component.
  • At least the positive electrical potential is preferably provided as the plasma limit anchor. The kinetic energy required to overcome this positive potential corresponds to the required minimum kinetic energy and thus to the temperature of the (elementary) ions to be selected for emission. This ensures that only ions that have at least reached the decomposition temperature of the molecular bond are released from the plasma chamber or the confinement area.
  • the positive electrical potential is preferably at least 0.5 kV, particularly preferably at least 1 kV, even more preferably at least 1.5 kV or 4 kV.
  • the plasma limit anchor prevents ions of the plasma from escaping from the plasma chamber, the kinetic energy of which per particle is preferably less than 10 18 J, particularly preferably less than 10 17 J, even more preferably less than 10 16 J, and/or their kine tables Energy corresponds to a temperature which is preferably less than 10 4 K, more preferably less than 5*10 4 K, even more preferably less than 10 5 K.
  • the ions themselves assume a potential of 20 to 30 V (depending on the charge carrier density), which effectively weakens the electric field accordingly.
  • the method preferably has the step of: heating a substrate to a temperature corresponding to the vapor pressure point (particularly due to the environment) so that the substrate changes to a gaseous state, with the plasma being generated from the heated substrate.
  • the substrate sublimates in particular.
  • the substrate represents the starting raw material from which an elementary raw material is obtained.
  • the method can produce C (and, if desired, 0) from CO2, Si (and 0) from S1O2, Mg (and 0) from MgO, Ti (and 0) from T1O2, and Li, C (and 0) from L12CO3 be won.
  • the substrate is preferably mineral, in particular silicate.
  • the substrate is preferably supplied in granulated form as a solid and heated to the vapor pressure.
  • the substrate is preferably heated with a laser, for example an adapted cutting laser.
  • the method includes ejecting elemental ions from the plasma chamber.
  • the method comprises the step: separating the ejected elementary ions of the plasma according to their mass, in particular the ejected ions being mass-specifically directed (i.e. according to the mass of the individual ions) onto different paths.
  • This can be done with a mass spectrometer, for example.
  • a speed filter Wien filter
  • the ejected elemental ions are thus sorted by element, so that a raw material of a single element can be obtained.
  • a proportion of the separated elementary ions are directed onto a seed crystal, so that a monocrystalline substrate is produced.
  • a proportion of a specific mass, ie a specific element is directed onto the seed crystal.
  • the ejected elemental ions is collected on at least one collector plate.
  • the ejected elementary ions are mass-specifically divided into different beams and then accumulated on several (different) collector plates according to their angle of incidence determined by the path deflection (during the division).
  • different types of elemental ions (particularly different elements) ejected are collected on different collector plates.
  • the collector plate has a metal and/or the collector plate has a non-metallic coating.
  • the coating prevents chemical or adhesive bonding of the accumulated and stored material to the collector plate, which also prevents contamination of the material obtained, so that the condensed material can be removed after its recombination and solidification without any significant mechanical effort.
  • a negative electrical potential is preferably applied to the collector plate.
  • Electrical neutralization of the emitted elementary ions preferably takes place.
  • the recombination of the ejected elementary ions can be supported by a neutralizer, for example in the form of a hollow cathode, which can be arranged laterally transverse to the beam of ejected elementary ions.
  • At least the ejection of the elementary ions is carried out under a gas pressure of less than 1 Pa, preferably less than 0.1 Pa, particularly preferably less than 0.01 Pa.
  • the method is preferably carried out essentially in a vacuum, for example on an extraterrestrial body.
  • the plasma limit anchor has at least one anode. At least one anode is preferably provided as the plasma limit anchor.
  • the plasma limit anchor has at least one cathode, the cathode being arranged in relation to the anode in an ejection direction in which elementary ions are ejected from the plasma chamber. That is, the cathode is located behind the anode in the ejection direction.
  • the cathode forms a negative counter-potential to the anode and prevents thermal return of ions after they have passed the anode.
  • an electrode is arranged between the anode and the cathode, which forms the ground for the anode and the cathode.
  • the electrode can also be arranged in front of or behind the anode (in the ejection direction).
  • the electrode represents ground with 0 volts. This means that the voltage to be applied to the anode and cathode can be modulated independently of one another.
  • the anode is arranged at least partially within the device for generating the primary magnetic field, the device for generating the primary magnetic field preferably having a field coil and the anode being arranged at least partially within the field coil.
  • the plasma limit anchor is preferably arranged in the cross-sectional area of the field coil.
  • the plasma limit anchor has at least one electrical lens (in particular ion optics). With this, the focusing of the beam of elementary ions to be ejected can be achieved.
  • the plasma limit anchor has at least two, in particular annular, electrical lenses, one of the lenses preferably being formed by an anode and one of the lenses being formed by a cathode (or forming the anode or the cathode).
  • one of the lenses preferably being formed by an anode and one of the lenses being formed by a cathode (or forming the anode or the cathode).
  • only one (relatively large) hole is available as an emission channel.
  • the essentially conical shape of the bore of these lenses determines the shape of the electric fields and is intended to help focus the ion beam.
  • the plasma limit anchor (7) has at least one perforated grid electrode, preferably two perforated grid electrodes (one of which is the cathode and one of which is the anode).
  • perforated grid electrodes preferably two perforated grid electrodes (one of which is the cathode and one of which is the anode).
  • several (small re; eg at least ten) holes are available as emission channels.
  • the bores can also be designed conically.
  • the perforated grid electrodes can have thinner walls than the ring-shaped lenses mentioned above. The advantage of the perforated grid electrodes lies in the better focussing of the beam.
  • the plasma chamber has a bulge (cusp) which is provided at least partially between the device for generating the primary magnetic field and the device for generating the secondary magnetic field.
  • the device for generating the primary magnetic field and the device for generating the secondary magnetic field are preferably each field coils.
  • the plasma chamber In the area of the bulge, the plasma chamber has a larger cross-sectional area or a larger diameter. In the area between the two devices, there is compression and thus heating of the plasma. Therefore, this volume of magnetic confinement should not be interrupted by a mechanical barrier (as in the case of a plasma chamber without a bulge). Although heating also takes place within a continuous plasma chamber, the ions collide with the wall of the plasma chamber and thus release energy.
  • the plasma chamber can be a quartz glass tube, for example. A thermal break of the plasma chamber can be prevented by the bulge.
  • the plasma generator has a high-frequency plasma source.
  • a heating device is provided with which a (in particular granulated) substrate can be heated to a temperature corresponding to the vapor pressure point, so that the substrate changes into a gaseous state, the plasma generator for generating plasma from the heated substrate is set up.
  • the heating device has a laser.
  • An analyzer is advantageously provided for (mass-specific) separation of elementary ions ejected from the plasma chamber.
  • a mass spectrometer can be provided.
  • At least one collector plate is advantageously provided for collecting elementary ions ejected from the plasma chamber.
  • the collector plate has a metal and/or has a non-metallic coating.
  • a neutralizer in particular a hollow cathode, is advantageously provided for electrically neutralizing the ejected elementary ions. A recombination of the elementary ions can thus be supported.
  • the neutralizer is preferably positioned to the side of the elemental ion beam ejected from the plasma chamber.
  • the invention further relates to the use of a plasma limit anchor (in any embodiment described in this disclosure) in a device for providing elemental substances for preventing ions of a plasma from escaping from a plasma chamber, the kinetic energy of which corresponds to a temperature lower than one decomposition temperature of the molecular component.
  • the device for providing elementary substances is designed according to any embodiment described in this disclosure.
  • the device for preparing elementary substances has the features of one or more of the device claims.
  • FIG. 1 schematically shows a device for preparing elemental substances in a preferred embodiment.
  • Fig. 2 shows schematically a first embodiment of a plasma limit anchor in an exploded view.
  • FIG. 3 schematically shows a perforated grid electrode.
  • Fig. 4 shows schematically the first embodiment of the plasma limit anchor in a side view.
  • Fig. 5 shows schematically a second embodiment of a plasma limit anchor in a side view.
  • Fig. 6 shows schematically a third embodiment of a plasma limit anchor in a side view.
  • Fig. 7 shows schematically a fourth embodiment of a plasma limit anchor in a side view.
  • Fig. 8 shows schematically a fifth embodiment of a plasma limit anchor in a side view.
  • FIG. 9 schematically shows a sixth embodiment of a plasma limit anchor in a side view.
  • Fig. 1 shows schematically a device 1 for preparing elementary substances in a preferred embodiment.
  • the device 1 for providing elementary substances has a heating device 16 with which a substrate can be heated to a temperature corresponding to the vapor pressure point, so that the substrate changes into a gaseous state.
  • the heated substrate is fed to a plasma generator 2 in the form of a high-frequency plasma source 14 for providing plasma from the heated substrate, the plasma having at least one molecular component.
  • the device 1 also has a device 3 for generating Alfven waves in the plasma and for heating the plasma, the plasma being fed from the plasma generator 2 to the device 3 .
  • the plasma generator 2 is separated from the device 3 by a shielding plate 15 .
  • the device 3 for generating Alfven waves in the plasma and for heating the plasma has:
  • the device 5 for generating the primary magnetic field and the device 6 for generating the secondary magnetic field are each designed as field coils.
  • the plasma chamber 4 has a bulge 13 which is provided at least partially between the device 5 for generating the primary magnetic field and the device 6 for generating the secondary magnetic field.
  • the device 1 has a plasma limit anchor 7 for preventing ions of the plasma from escaping from the plasma chamber 4, the kinetic energy of which corresponds to a temperature which is lower than a decomposition temperature of the molecular component.
  • the plasma limit anchor 7 has an anode 8 and a cathode 9, the cathode 9 being arranged in relation to the anode 8 in an ejection direction 10 in which elementary ions are ejected from the plasma chamber 4.
  • An electrode 11 is arranged between the anode 8 and the cathode 9 and forms the ground for the anode 8 and the cathode 9 .
  • the anode 8 and in this embodiment also the electrode 11 and the cathode 9 are arranged within the device 5 for generating the magnetic primary field.
  • the anode 8, the cathode 9 and the electrode 11 can be designed as perforated grid electrodes, for example.
  • a potential of +1000 V, for example, can be applied to the anode 8 , a potential of -3 kV to the cathode 9 and a potential of 0 V to the electrode 11 .
  • the plasma limit anchor 7 results in only those ions that have been heated to the decomposition temperature, and thus only elementary ions, being ejected from the device 3 .
  • the elementary ions ejected are fed to an analyzer 17 for mass-specific separation of the elementary ions ejected from the plasma chamber 4 . Beams are formed that only have elements of one type.
  • At least one collector plate 18 for collecting elementary ions ejected from the plasma chamber 4 is provided.
  • the embodiments of the plasma limit anchor 7 described below can be used, for example, as a plasma limit anchor 7 in the device shown in FIG. Fig. 2 shows schematically a first embodiment of a plasma limit anchor 7, which is designed as a 3-grid system, in egg ner exploded view.
  • Fig. 4 shows the first embodiment of the plasma limit anchor 7 in a side view.
  • the plasma limit anchor 7 has an anode 8, a cathode 9 and an electrode 11, which represents the ground.
  • the anode 8 has, for example, molybdenum and/or invar.
  • the anode 8 has a diameter of 25 mm and/or a thickness of 1 mm, for example.
  • the cathode 9 has carbon and/or graphite, for example.
  • the cathode 9 has a diameter of 25 mm and/or a thickness of 3 mm, for example.
  • the electrode 11 has molybdenum and/or invar, for example.
  • the electrode 11 has a diameter of 25 mm and/or a thickness of 1 mm, for example.
  • insulator rings 19 which can have aluminum oxide ceramics, for example.
  • a mounting ring 20 which is electrically connected to the ground electrode 11 is provided.
  • the parts are held together in particular by clamping screws that pass through the inner ring of holes in the mounting ring 20 .
  • the plasma chamber connects mechanically to the insulator ring outside of the anode 8 half.
  • the system is preferably operated in a vacuum and the plasma is guided by electromagnetic fields, so it does not necessarily have to be gas-tight.
  • FIG. 3 schematically shows a perforated grid electrode or a drilling plan for a perforated grid electrode, it being possible in particular for the anode 8, cathode 9 and/or electrode 11 of FIG. 2 to be designed according to FIG.
  • the diameter of the drilling circle is 15 mm, for example.
  • the holes can also be arranged asymmetrically to increase the number of holes.
  • Fig. 5 shows schematically a second embodiment of a plasma limit anchor 7 in a side view.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in that that the electrode 11 is arranged between the anode 8 and the cathode 9 and is designed as a ring electrode.
  • the ground-carrying 0-volt electrode 11 is usually on the outside, since it would otherwise shield the potentials of the anode 8 and cathode 9 . If the electrode 11 is arranged in the middle, it is therefore advantageous if the electrode 11 is designed in the form of a ring electrode open on the inside.
  • Fig. 6 shows schematically a third embodiment of a plasma limit anchor 7 in a side view.
  • This embodiment is a 2-grid system in which the grounded 0-volt electrode is omitted.
  • the plasma limit anchor 7 has an anode 8 and a cathode 9 .
  • the ground can be connected to positive or negative potential.
  • the cathode 9 also serves as a mounting ring 20.
  • a lens system can be constructed with the same circuitry, for example with two or three ring electrodes.
  • the anode 8, cathode 9 and ground electrode 11 are preferably made of annular electric lenses with essentially the same function.
  • the holes in the cathode can be 920 mm and in the electrode 11, for example, 25 mm.
  • the hole in the anode 8 should also not be larger than 10 mm, so that the field in the cross-section of the ring remains (sufficiently) strong.
  • the thickness of the ring of the anode 8 can be 10 mm here, for example, and/or the bore is preferably designed conically.
  • a conical bore in a (possibly thicker) lens of the cathode 9 can optionally be used. It is advantageous if the ion beam is sufficiently focused as a result of the course of the electric fields.
  • Fig. 7 shows schematically a fourth embodiment of the plasma limit anchor 7 in a side view.
  • the ground-carrying 0-volt electrode is omitted in this embodiment.
  • the plasma limit anchor 7 thus has an anode 8 , a cathode 9 and insulator rings 19 .
  • the cathode 9 also serves as a mounting ring 20.
  • Fig. 8 shows schematically a fifth embodiment of the plasma limit anchor 7 in a side view.
  • This embodiment is a 3-lens system with the anode 8, the cathode 9 and the electrode 11.
  • the externally arranged mass-leading O-volt electrode 11 is the same Bore cross-section as the anode 8 has, so that the discharge current conducted by the ion current between the anode 8 and the electrode 11 is not disturbed by the cathode 9.
  • the bore cross-section of the cathode 9 can optionally also be smaller, just as in the case of the grid electrodes discussed above.
  • Fig. 9 shows schematically a sixth embodiment of the plasma boundary anchor 7 in a side view.
  • This embodiment is a 3-lens system with an electrode 11 arranged between the anode 8 and the cathode 9.
  • the positive potential of the anode 8 can be independent of the negative potential of the (extraction) cathode by the grounded 0 volt electrode 11 9 can be adjusted. Since the cathode 9 is arranged on the outside, the non-neutralized ion beam can be slowed down, thereby shortening the path lengths to the mass spectrometer and collector units, which may allow the overall configuration to be more compact. Ring electrodes are also cheaper to produce.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung elementarer Stoffe, aufweisend zumindest die Schritte: - Erzeugen eines Plasmas, wobei das Plasma zumindest einen molekularen Bestandteil aufweist; - Führen des Plasmas in einer Plasmakammer (4); - Vorsehen eines Magnetfeldes in der Plasmakammer (4) zur Bildung von Alfven-Wellen im Plasma und zur Erhitzung des Plasmas, wobei das Magnetfeld von einem magnetischen Primärfeld und einem magnetischen Sekundärfeld gebildet wird, wobei das Sekundärfeld dem Primärfeld entgegengesetzt gepolt ist und oszilliert, sodass das Primärfeld periodisch deformiert wird; - Vorsehen eines Plasmagrenzankers (7), der einen Austritt von Ionen des Plasmas aus der Plasmakammer (4) verhindert, deren kinetische Energie einer Temperatur entspricht, die niedriger als die Zerfallstemperatur des molekularen Bestandteils ist. Weiters betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung (1).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung elementarer Stoffe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung elemen tarer Stoffe, aufweisend zumindest die Schritte:
- Erzeugen eines Plasmas, wobei das Plasma zumindest einen mole kularen Bestandteil aufweist;
- Führen des Plasmas in einer Plasmakammer (insbesondere einem Plasmarohr);
- Vorsehen eines Magnetfeldes in der Plasmakammer zur Bildung von Alfven-Wellen im Plasma und zur Erhitzung des Plasmas, wobei das Magnetfeld von einem magnetischen Primärfeld und einem mag netischen Sekundärfeld gebildet wird, wobei das Sekundärfeld dem Primärfeld entgegengesetzt gepolt ist und oszilliert, sodass das Primärfeld periodisch deformiert wird.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bereitstel lung elementarer Stoffe, aufweisend:
- einen Plasmagenerator zur Bereitstellung von Plasma, wobei das Plasma zumindest einen molekularen Bestandteil aufweist;
- eine Vorrichtung zur Erzeugung von Alfven-Wellen im Plasma und zur Erhitzung des Plasmas aufweisend:
- eine Plasmakammer;
- eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Primärfelds in der Plasmakammer;
- eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Sekundär felds in der Plasmakammer, das dem Primärfeld entgegengesetzt gepolt ist und oszilliert, sodass das Primärfeld periodisch de formiert wird.
Es wurden bisher verschiedene Methoden zur Rohstoffgewinnung diskutiert, insbesondere auch zur Rohstoffgewinnung auf extra terrestrischen Körpern (Mond, Mars, Asteroiden, etc.). Als för derwürdige Rohstoffe gelten üblicherweise teure Rohstoffe wie beispielsweise Gold, Silber, Platin und seltene Erden oder auch Helium-3 zum Betrieb möglicher Kernfusionsreaktoren. Die Gewin nung elementarer Rohstoffe ist mit den derzeit verfügbaren Tech nologien jedoch teuer oder aufwändig. Außerdem ist der Rein heitsgrad der gewonnenen Stoffe oft begrenzt. Beispielsweise ist die Gewinnung von hochreinem Silizium aus Si liziumoxid mit den derzeit verfügbaren Möglichkeiten aufwändig und nur unter Verwendung großer Mengen umweltschädlicher Chemi kalien möglich. Durch die damit verbundenen Produktionskosten ist auch der Preis vergleichbar mit dem von Edelmetallen und seltenen Elementen.
Eine Vorrichtung mit einem Primärfeld, das von einem oszillie renden Sekundärfeld deformiert wird, ist als Magnetfeldoszilla tionsantrieb (magnetic field oscillating amplified thruster,
MOA) bekannt. Der MOA ist beispielsweise in AT 502984 Al be schrieben. Jedoch wurde die Verwendung eines solchen Geräts zur Gewinnung von elementaren Rohstoffen bisher nicht in Betracht gezogen und das Triebwerk erzeugt höchstens einen geringen Teil an elementaren Rohstoffen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zumindest einen der Nachteile des Stands der Technik zu lindern oder zu vermei den. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Vor richtung und ein Verfahren vorzuschlagen, mit der auf einfache Weise elementare Rohstoffe bereitgestellt werden können, d.h. vorzugsweise kostengünstiger, mit weniger Aufwand, ohne den Ein satz umweltschädlicher Stoffe, von höherer Reinheit und/oder im Vakuum, bspw. auf einem extraterrestrischen Körper, anwendbar.
Dies wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 14.
Erfindungsgemäß umfasst das eingangs angeführte Verfahren den Schritt: Vorsehen eines Plasmagrenzankers, der einen Austritt von Ionen des Plasmas aus der Plasmakammer (bzw. aus einem Ein schlussgebiet des Plasmas in den Magnetfeldern) verhindert, de ren kinetische Energie einer Temperatur entspricht, die niedri ger als die Zerfallstemperatur des molekularen Bestandteils ist. Erfindungsgemäß umfasst die eingangs angeführte Vorrichtung ei nen Plasmagrenzanker zur Verhinderung eines Austritts von Ionen des Plasmas aus der Plasmakammer, deren kinetische Energie einer Temperatur entspricht, die niedriger als eine Zerfallstemperatur des molekularen Bestandteils ist. Im Primär- und Sekundärfeld in der Plasmakammer wird das Plasma auf die Zerfallstemperatur zumindest des molekularen Bestand teils erhitzt, sodass die molekularen Bestandteile zumindest teilweise in elementare Ionen (d.h. nur aus einem Atom bestehen de Ionen) zerfallen. Mit dem Plasmagrenzanker wird sicherge stellt, dass nur die elementaren Ionen die Plasmakammer verlas sen können, da Ionen, die eine bestimmte kinetische Energie un terschreiten, zurückgehalten werden. Somit werden auf einfache Weise aus dem Plasma elementare Bestandteile gewonnen. Die Er hitzung erfolgt insbesondere vor dem Passieren des Plasmag renzankers. Der Plasmagrenzanker dient vorzugsweise insbesondere nicht der Beschleunigung der Ionen. Vorteilhafterweise kann mit dem beschriebenen System jedes ionisierbare Gas als Plasma be schleunigt und damit geheizt werden. Damit kann elementarer Roh stoff aus beliebigen Rohstoffen gewonnen werden. Das Plasma wird in die Magnetfelder vorzugsweise als molekulares Gas zugeführt.
Das Primärfeld und/oder Sekundärfeld weisen an jeweils zumindest einer Stelle eine magnetische Flussdichte von bevorzugt mehr als 20 mT, besonders bevorzugt mehr als 100 mT, noch mehr bevorzugt mehr als 500 mT oder mehr als 1 T, auf. Vorzugsweise werden das Primärfeld und/oder das Sekundärfeld jeweils mit einer Feldspule erzeugt, wobei die magnetische Flussdichte in einem Abstand von 1 cm von einem inneren Ringquerschnitt der jeweiligen Feldspule bevorzugt mehr als 20 mT, besonders bevorzugt mehr als 100 mT, noch mehr bevorzugt mehr als 500 mT, beträgt. Vorzugsweise weist das Plasma in der Plasmakammer eine Plasmadichte analog zum Druck von ICR3 mbar auf. Insbesondere erfolgt eine Kompression des Plasmas durch die Einwirkung der Magnetfelder. Das Plasma wird vom Primär- und Sekundärfeld bevorzugt innerhalb von weni ger als 1CV2 s, besonders bevorzugt weniger als 1CV4 s, noch mehr bevorzugt weniger als 1CV5 oder 1CV6 s, komprimiert. Das Plasma wird auf bevorzugt zumindest 105 Kelvin, besonders bevorzugt zu mindest 4*105 Kelvin, noch mehr bevorzugt zumindest 106 Kelvin, erhitzt. Das Plasma wird von den Magnetfeldern insbesondere durch ein Confinement eingeschlossen. Das Plasma kann teilweise oder vollständig ionisierte Materie enthalten. Im Bereich des Primärfelds und des Sekundärfelds wird das eingeschlossene Plas ma komprimiert, sodass es aufgeheizt wird. Der Plasmagrenzanker fixiert insbesondere das Plasmapotential.
Als Plasmagrenzanker kann zumindest eine Elektrode vorgesehen sein. Der Plasmagrenzanker verhindert den Austritt von bevorzugt zumindest 90% der Ionen des Plasmas aus der Plasmakammer, deren kinetische Energie einer Temperatur entspricht, die niedriger als die Zerfallstemperatur des molekularen Bestandteils ist. Insbesondere ist der Plasmagrenzanker an einem Ausgang der Plas makammer oder an einem von den Magnetfeldern bewirkten Ein schlussbereich des Plasmas angrenzend angeordnet. Insbesondere ist der Plasmagrenzanker innerhalb der Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Primärfelds oder der Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Sekundärfelds angeordnet.
Alfven-Wellen sind magneto-hydro-dynamische Wellen. Bei den Alfven-Wellen handelt es sich um niederfrequente Wellen in elektrisch leitenden Flüssigkeiten oder magnetisierten Plasmen, welche durch die Änderung der Stärke oder Geometrie eines magne tischen Feldes hervorgerufen werden. Die Ausbreitung der Alfven- Wellen erfolgt mit endlicher Geschwindigkeit, der so genannten Alfven-Geschwindigkeit. Eine Alfven-Welle ist die wellenförmige Ausbreitung einer Störung im Magnetfeld. Im Vakuum breitet sich eine Alfven-Welle mit Vakuumlichtgeschwindigkeit aus. Wenn das Magnetfeld mit einer ionisierbaren Materie, beispielsweise einem Plasma, interagiert, wird die Alfven-Geschwindigkeit von der Massen- bzw. Ladungsdichte des dielektrischen Mediums bestimmt. Durch die Interaktion von Materie mit dem Magnetfeld können Alfven-Wellen Masse und damit auch Energie und Impuls transpor tieren. Für einen solchen Massentransport spielt die so genannte Alfven-Grenze eine Rolle, innerhalb der die Feldstärke größer sein muss als die kinetische Energie der zu transportierenden Materie. Eine Verwendung von Alfven-Wellen zeigt beispielsweise die US 4661 304. Die US 4412 967 A beschreibt einen Teilchen beschleuniger unter Anwendung des Prinzips der Alfven-Wellen.
Insbesondere werden in der im Magnetfeld (das sich aus Primär feld und Sekundärfeld zusammensetzt) befindlichen ionisierbaren Materie des Plasmas Alfven-Wellen gebildet, welche sich mit ei ner Geschwindigkeit (VA) ausbreiten, die von der Massendichte der das Magnetfeld durchlaufenden Materie und der Feldstärke des Magnetfeldes abhängt, wobei vorzugsweise die Feldstärke des Mag- netfelds größer als die kinetische Energie der im Magnetfeld be findlichen Materie ist, so dass durch die Alfven-Wellen Masse transportiert wird. Vorzugsweise ist die Alfven-Geschwindigkeit (VA) kleiner oder gleich der Schallgeschwindigkeit der im Magnet feld befindlichen Materie. Es ist bevorzugt, wenn die Alfven- Geschwindigkeit (VA) größer der Schallgeschwindigkeit der im Mag netfeld befindlichen Materie ist. Es ist bevorzugt, wenn das magnetische Primärfeld im Wesentlichen konstant ist. Es ist be vorzugt, wenn das magnetische Primärfeld periodisch abgeschaltet wird. Es ist bevorzugt, wenn das oszillierende magnetische Se kundärfeld während der Abschaltperioden des Primärfeldes eben falls abgeschaltet wird. Es ist bevorzugt, wenn das Magnetfeld in axialer und/oder radialer Richtung fokussiert wird. Es ist bevorzugt, wenn das magnetische Primärfeld während des einge schalteten magnetischen Sekundärfeldes in seiner Feldstärke ver ändert wird. Es ist bevorzugt, wenn die Alfven-Wellen phasenver zögert werden.
Das Plasma (bzw. der Ausgangsstoff, aus dem das Plasma erzeugt wird), kann mehr als einen molekularen Bestandteil aufweisen.
Die molekularen Bestandteile können unterschiedliche Zerfalls temperaturen aufweisen. Je nach Stärke der Magnetfelder und des Plasmagrenzankers kann nur einer, oder können mehrere oder alle der molekularen Bestandteile ausreichend erhitzt werden, sodass diese in die elementaren/atomaren Bestandteile zerfallen.
Unter der Zerfallstemperatur wird insbesondere die Zersetzungs temperatur, d.h. die Temperatur, bei der der molekulare Bestand teil in kleinere Moleküle und/oder Elemente zerlegt wird, ver standen.
Insbesondere erfolgt das Führen des Plasmas in der Plasmakammer derart, dass eine vordefinierte Plasmadichte erreicht wird, bei welcher die ZersetZungstemperatur zumindest eines molekularen Bestandteils vorliegt. Insbesondere erfolgt die Erhitzung des Plasmas (insbesondere bei der vordefinierten Plasmadichte) zu mindest bis zum Erreichen der ZersetZungstemperatur zumindest des zumindest einen molekularen Bestandteils. Es ist bevorzugt, wenn das Plasma im Wesentlichen adiabatisch komprimiert wird. D.h. vorzugsweise findet im Wesentlichen kein Wärmeaustausch mit der Umgebung statt. Vorzugsweise ist das Plasma von den Magnetfeldern eingeschlossen. D.h. das Plasma ist derart eingeschlossen, dass die Teilchen des Plasmas den magne tischen Einschlussbereich nicht verlassen können. Vorzugsweise wird das Plasma mit einer magnetischen Flasche, d.h. einer Spie gelmaschine (magnetic mirror), eingeschlossen. Vorzugsweise sind die magnetischen Feldstärke des Primär- und Sekundärfelds derart hoch, dass magnetische Wandkräfte ausgebildet werden, die das Plasma beim Erhitzten einschließen. Vorzugsweise ist die La- morfrequenz der Ionen hoch genug, um während der Kompressions phase durch eine ausreichend hohe Anzahl von Streuungen zumin dest erster Ordnung isotrope kinetische Energie (thermische Teilchengeschwindigkeit) in das System zu übertragen. Vorzugs weise ist die Dichte geladener Teilchen am Gradienten des Mag netfelds so, dass auch nicht ionisierte Teilchen nach Innen re flektiert werden. Unter im Wesentlichen adiabatisch wird ver standen, dass im Wesentlichen lediglich Radiationsverluste auf- treten (d.h. Radiationsverluste zumindest 90% der Gesamtenergie abgabe ausmachen). Ein Teil der Photonen kann auch nach Innen reflektiert werden, wenn der Abstand der Ladungsträger am Gradi enten kleiner ist, als die Wellenlänge der Photonen. Da die Lichtgeschwindigkeit im Plasma gegenüber der Vakuumlichtge schwindigkeit nur unwesentlich kleiner ist, durchqueren die Pho tonen das Einschlussvolumen beispielsweise in etwa lCü9 Sekunden, während die Kompression selbst beispielsweise lCü6 Sekunden dau ert. Da aber durch die abgestrahlten Photonen (wo immer diese dann absorbiert oder gestreut werden) keine thermische Rückkopp lung in das Plasma mehr auftritt und damit keine thermische Sen ke per se existiert, ist der Prozess dennoch adiabatisch. Dadurch, dass das Plasma adiabatisch komprimiert wird, werden Energieverluste minimiert und die Erhitzung des Plasmas erfolgt besonders effektiv.
Es ist bevorzugt, wenn das Vorsehen eines Plasmagrenzankers zu mindest das Vorsehen eines positiven elektrischen Potentials um fasst, das einen Austritt von Ionen des Plasmas aus der Plas makammer verhindert, deren kinetische Energie einer Temperatur entspricht, die niedriger als die Zerfallstemperatur des moleku- laren Bestandteils ist. Vorzugsweise ist als Plasmagrenzanker zumindest das positive elektrische Potential vorgesehen. Die zur Überwindung dieses positiven Potentials notwendige kinetische Energie entspricht der geforderten kinetischen Mindestenergie und damit der Temperatur der zur Emission zu selektierenden (elementaren) Ionen. Damit wird sichergestellt, dass nur Ionen, welche die Zerfallstemperatur der molekularen Bindung zumindest erreicht haben, aus der Plasmakammer bzw. dem Einschlussbereich entlassen werden. Das positive elektrische Potential beträgt be vorzugt zumindest 0,5 kV, besonders bevorzugt zumindest 1 kV, noch mehr bevorzugt zumindest 1,5 kV oder 4 kV. Der Plasmagrenz anker verhindert einen Austritt von Ionen des Plasmas aus der Plasmakammer, deren kinetische Energie pro Teilchen bevorzugt weniger als 1018 J, besonders bevorzugt weniger als 1017 J, noch mehr bevorzugt weniger als 1016 J, beträgt und/oder deren kine tische Energie einer Temperatur entspricht, die bevorzugt weni ger als 104 K, besonders bevorzugt weniger als 5*104 K, noch mehr bevorzugt weniger als 105 K, entspricht. Insbesondere nehmen die Ionen selbst ein Potential von 20 bis 30 V an (abhängig von der Ladungsträgerdichte) , womit das elektrische Feld entsprechend effektiv schwächer wird. Beim Betrieb mit höheren Plasmadrücken (102 mbar bis 103 mbar) und damit Ladungsträgerdichten kann es vorteilhaft sein, das positive Potential auf bis zu 5 kV zu mo dulieren .
Vorzugsweise weist das Verfahren den Schritt auf: Heizen eines Substrats auf eine dem (insbesondere umgebungsbedingten) Dampf druckpunkt entsprechende Temperatur, sodass das Substrat in ei nen gasförmigen Zustand übergeht, wobei das Erzeugen des Plasmas aus dem geheizten Substrat erfolgt. Das Substrat sublimiert da bei insbesondere. Das Substrat stellt insbesondere den Ausgangs rohstoff dar, aus dem ein elementarer Rohstoff gewonnen wird.
Mit dem Verfahren kann beispielsweise C (und, wenn gewünscht, 0) aus CO2, Si (und 0) aus S1O2, Mg (und 0) aus MgO, Ti (und 0) aus T1O2 und Li, C (und 0) aus L12CO3 gewonnen werden. Das Substrat ist vorzugsweise mineralisch, insbesondere silikatisch.
Vorzugsweise wird das Substrat in granulierter Form als Festkör per zugeführt und auf den Dampfdruck geheizt. Vorzugsweise erfolgt das Heizen des Substrats mit einem Laser, beispielsweise einem adaptierten Schneidlaser.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Ausstoß von elementaren Ionen aus der Plasmakammer.
Es ist bevorzugt, wenn das Verfahren den Schritt aufweist: Tren nen der ausgestoßenen elementaren Ionen des Plasmas nach ihrer Masse, wobei insbesondere die ausgestoßenen Ionen masse spezifisch (d.h. nach Masse der einzelnen Ionen) auf unter schiedliche Bahnen gelenkt werden. Dies kann beispielsweise mit einem Massenspektrometer erfolgen. Vorzugsweise ist ein Ge schwindigkeitsfilter (Wienfilter) vorgesehen. Die ausgestoßenen elementaren Ionen werden somit nach Elementen sortiert, sodass ein Rohstoff eines einzelnen Elements gewonnen werden kann.
Es ist vorteilhaft, wenn zumindest ein Anteil der getrennten elementaren Ionen auf einen Impfkristall gelenkt wird, sodass ein monokristallines Substrat erzeugt wird. Insbesondere wird ein Anteil einer bestimmten Masse, also eines bestimmten Ele ments, auf den Impfkristall gelenkt.
Vorzugsweise wird zumindest ein Teil der ausgestoßenen elementa ren Ionen auf zumindest einer Kollektorplatte gesammelt. Insbe sondere werden die ausgestoßenen elementaren Ionen masse spezifisch in verschiedene Strahlen aufgeteilt und anschließend entsprechend ihres von der Bahnumlenkung (bei der Aufteilung) bestimmten Einfallswinkels auf mehrere (verschiedene) Kollektor platten akkumuliert. Vorzugsweise werden verschiedene Arten von ausgestoßenen elementaren Ionen (insbesondere verschiedene Ele mente) auf verschiedenen Kollektorplatten gesammelt.
Es ist bevorzugt, wenn die Kollektorplatte ein Metall aufweist und/oder die Kollektorplatte eine nichtmetallische Beschichtung aufweist. Die Beschichtung verhindert, dass eine chemische oder adhäsive Bindung des akkumulierten und aufgelagerten Materials mit der Kollektorplatte entsteht, wodurch auch eine Verunreini gung des gewonnenen Materials verhindert wird, sodass das aus kondensierte Material nach seiner Rekombination und Erstarrung ohne wesentlichen mechanischen Aufwand entnommen werden kann. Vorzugsweise wird an die Kollektorplatte ein negatives elektri sches Potential angelegt.
Bevorzugt erfolgt ein elektrisches Neutralisieren der ausgesto ßenen elementaren Ionen. Die Rekombination der ausgestoßenen elementaren Ionen kann durch einen Neutralisator, beispielsweise in Form einer Hohlkathode unterstützt werden, welche seitlich quer zum Strahl der ausgestoßenen elementaren Ionen angeordnet sein kann.
Es ist bevorzugt, wenn zumindest der Ausstoß der elementaren Io nen unter einem Gasdruck von weniger als 1 Pa, bevorzugt von we niger als 0,1 Pa, besonders bevorzugt von weniger als 0,01 Pa, durchgeführt wird. Vorzugsweise erfolgt die Durchführung des Verfahrens im Wesentlichen in einem Vakuum, beispielsweise auf einem extraterrestrischen Körper.
Bezugnehmend auf die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es vor teilhaft, wenn der Plasmagrenzanker zumindest eine Anode auf weist. Als Plasmagrenzanker ist vorzugsweise zumindest eine Ano de vorgesehen.
Es ist bevorzugt, wenn der Plasmagrenzanker zumindest eine Ka thode aufweist, wobei die Kathode in Bezug auf die Anode in eine Ausstoßrichtung, in die elementare Ionen aus der Plasmakammer ausgestoßen werden, angeordnet ist. D.h., die Kathode ist hinter der Anode in Ausstoßrichtung angeordnet. Die Kathode bildet ein negatives Gegenpotential zur Anode und verhindert einen thermi schen Rücklauf von Ionen, nachdem diese die Anode passiert ha ben.
Es ist vorteilhaft, wenn zwischen der Anode und der Kathode eine Elektrode angeordnet ist, die die Masse für die Anode und die Kathode bildet. Alternativ kann die Elektrode auch vor oder hin ter der Anode (in Ausstoßrichtung) angeordnet sein. Die Elektro de stellt mit 0 Volt die Masse dar. Damit ist die an die Anode und Kathode anzulegende Spannung unabhängig voneinander modu lierbar . Es ist vorteilhaft, wenn die Anode zumindest teilweise innerhalb der Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Primärfelds ange ordnet ist, wobei vorzugsweise die Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Primärfelds eine Feldspule aufweist und die Anode zumindest teilweise innerhalb der Feldspule angeordnet ist. Der Plasmagrenzanker ist vorzugsweise im Querschnittsbereich der Feldspule angeordnet. Dort strömen die zu emittierenden elemen taren Ionen aus dem Cusp, dem magnetischen Einschlussbereich zwischen der Einrichtung zur Erzeugung des Primärfelds und der Einrichtung zur Erzeugung des Sekundärfeld (die jeweils vorzugs weise eine Feldspule aufweisen bzw. als Feldspule ausgebildet sind).
Es ist bevorzugt, wenn der Plasmagrenzanker zumindest eine elektrische Linse (insbesondere eine Ionenoptik) aufweist. Damit kann die Fokussierung des Strahls auszustoßender elementarer Io nen erreicht werden.
Es ist vorteilhaft, wenn der Plasmagrenzanker zumindest zwei insbesondere ringförmige elektrische Linsen aufweist, wobei vor zugsweise eine der Linsen von einer Anode und eine der Linsen von einer Kathode gebildet ist (bzw. die Anode bzw. die Kathode bildet). Bei Verwendung der genannten ringförmigen elektrischen Linsen steht nur eine (relativ große) Bohrung als Emissionskanal zur Verfügung. Die im Wesentlichen konische Ausformung der Boh rung dieser Linsen bestimmt die Form der elektrischen Felder und soll zur Fokussierung des Ionenstrahls beitragen.
Es ist bevorzugt, wenn der Plasmagrenzanker (7) zumindest eine Lochgitter-Elektrode, vorzugsweise zwei Lochgitter-Elektroden (von denen eine die Kathode und eine die Anode ist), aufweist. Bei Verwendung eines Lochgitter-Systems stehen mehrere (kleine re; z.B. zumindest zehn) Bohrungen als Emissionskanäle zur Ver fügung. Dabei können zumindest im der Emissionsrichtung entgegen gesetzt angeordneten Gitter, an welchem das positive Potential anliegt, die Bohrungen auch konisch ausgeführt sein. Die Loch- gitter-Elektroden können dabei dünnwandiger sein, als die zuvor genannten ringförmigen Linsen. Der Vorteil der Lochgitter- Elektroden liegt in der besseren Strahlfokussierung. Es ist vorteilhaft, wenn die Plasmakammer eine Ausbuchtung (Cusp) aufweist, die zumindest teilweise zwischen der Einrich tung zur Erzeugung des magnetischen Primärfelds und der Einrich tung zur Erzeugung des magnetischen Sekundärfelds vorgesehen ist. Die Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Primärfelds und die Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Sekundärfelds sind dabei vorzugsweise jeweils Feldspulen. Im Bereich der Aus buchtung weist die Plasmakammer eine größere Querschnittsfläche bzw. einen größeren Durchmesser auf. Im Bereich zwischen den beiden Einrichtungen erfolgt eine Kompression und damit eine Aufheizung des Plasmas. Daher sollte dieses Volumen des magneti schen Einschlusses nicht durch eine mechanische Abgrenzung (wie im Fall einer Plasmakammer ohne Ausbuchtung) unterbrochen wer den. Zwar findet auch innerhalb einer durchgehenden Plasmakammer eine Aufheizung statt, jedoch stoßen die Ionen an die Wand der Plasmakammer und geben damit Energie ab. Beim Betrieb mit durch gehenden Glasröhren als Plasmakammer wurde deren Innenseite mit dem jeweiligen Betriebsmittel (den Stoffen des Plasmas) unbeab sichtigt beschichtet. Die Plasmakammer kann beispielsweise ein Quarzglasrohr sein. Ein thermischer Bruch der Plasmakammer kann durch die Ausbuchtung verhindert werden.
Es ist vorteilhaft, wenn der Plasmagenerator eine Hochfrequenz plasmaquelle aufweist.
Es ist bevorzugt, wenn eine Heizvorrichtung vorgesehen ist, mit der ein (insbesondere granuliertes) Substrat auf eine dem Dampf druckpunkt entsprechende Temperatur beheizt werden kann, sodass das Substrat in einen gasförmigen Zustand übergeht, wobei der Plasmagenerator zum Erzeugen von Plasma aus dem ge heizten Substrat eingerichtet ist.
Es ist vorteilhaft, wenn die Heizvorrichtung einen Laser auf weist.
Vorteilhafterweise ist ein Analysator zum (masse-spezifischen) Trennen von, aus der Plasmakammer ausgestoßenen, elementaren Io nen vorgesehen. Insbesondere kann ein Massenspektrometer vorge sehen sein. Vorteilhafterweise ist zumindest eine Kollektorplatte zum Sam meln von aus der Plasmakammer ausgestoßenen elementaren Ionen vorgesehen .
Es ist bevorzugt, wenn die Kollektorplatte ein Metall aufweist und/oder eine nichtmetallische Beschichtung aufweist.
Vorteilhafterweise ist ein Neutralisator, insbesondere eine Hohlkathode, zum elektrischen Neutralisieren der ausgestoßenen elementaren Ionen vorgesehen. Damit kann eine Rekombination der elementaren Ionen unterstützt werden. Der Neutralisator ist vor zugsweise seitlich des aus der Plasmakammer ausgestoßenen Strahls elementarer Ionen angeordnet.
Die Erfindung betrifft weiters die Verwendung eines Plasmag renzankers (in einer beliebigen in dieser Offenbarung beschrie benen Ausführungsform) in einer Vorrichtung zur Bereitstellung elementarer Stoffe zur Verhinderung eines Austritts von Ionen eines Plasmas aus einer Plasmakammer, deren kinetische Energie einer Temperatur entspricht, die niedriger als eine Zerfallstem peratur des molekularen Bestandteils ist. Die Vorrichtung zur Bereitstellung elementarer Stoffe ist dabei nach einer beliebi gen in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsform ausge führt. Insbesondere weist die Vorrichtung zur Bereitstellung elementarer Stoffe die Merkmale eines oder mehrerer der Vorrich tungsansprüche auf.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten, in den Figuren dargestellten, Ausführungsformen beschrieben. Die Erfin dung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Bereitstellung elementarer Stoffe in einer bevorzugten Ausführungsform.
Fig. 2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines Plas magrenzankers in einer Explosionsdarstellung.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Lochgitter-Elektrode. Fig. 4 zeigt schematisch die erste Ausführungsform des Plasmag renzankers in einer Seitenansicht.
Fig. 5 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines Plas magrenzankers in einer Seitenansicht.
Fig. 6 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform eines Plas magrenzankers in einer Seitenansicht.
Fig. 7 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsform eines Plas magrenzankers in einer Seitenansicht.
Fig. 8 zeigt schematisch eine fünfte Ausführungsform eines Plas magrenzankers in einer Seitenansicht.
Fig. 9 zeigt schematisch eine sechste Ausführungsform eines Plasmagrenzankers in einer Seitenansicht.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zur Bereitstellung elementarer Stoffe in einer bevorzugten Ausführungsform. Die Vorrichtung 1 zur Bereitstellung elementarer Stoffe weist eine Heizvorrichtung 16 auf, mit der ein Substrat auf eine dem Dampf druckpunkt entsprechende Temperatur geheizt werden kann, sodass das Substrat in einen gasförmigen Zustand übergeht. Das geheizte Substrat wird einem Plasmagenerator 2 in Form einer Hochfre quenzplasmaquelle 14 zur Bereitstellung von Plasma aus dem ge heizten Substrat zugeführt, wobei das Plasma zumindest einen mo lekularen Bestandteil aufweist. Die Vorrichtung 1 weist weiter eine Vorrichtung 3 zur Erzeugung von Alfven-Wellen im Plasma und zur Erhitzung des Plasmas auf, wobei das Plasma vom Plasmagene rator 2 zur Vorrichtung 3 geführt wird. Der Plasmagenerator 2 ist durch eine Abschirmplatte 15 von der Vorrichtung 3 getrennt. Die Vorrichtung 3 zur Erzeugung von Alfven-Wellen im Plasma und zur Erhitzung des Plasmas weist auf:
- eine Plasmakammer 4;
- eine Einrichtung 5 zur Erzeugung eines magnetischen Primär felds in der Plasmakammer 4;
- eine Einrichtung 6 zur Erzeugung eines magnetischen Sekundär felds in der Plasmakammer 4, das dem Primärfeld entgegengesetzt gepolt ist und oszilliert, sodass das Primärfeld periodisch de- formiert wird. Die Einrichtung 5 zur Erzeugung des magnetischen Primärfelds und die Einrichtung 6 zur Erzeugung des magnetischen Sekundärfelds sind dabei jeweils als Feldspulen ausgeführt. Die Plasmakammer 4 weist eine Ausbuchtung 13 auf, die zumindest teilweise zwischen der Einrichtung 5 zur Erzeugung des magneti schen Primärfelds und der Einrichtung 6 zur Erzeugung des magne tischen Sekundärfelds vorgesehen ist.
Die Vorrichtung 1 weist einen Plasmagrenzanker 7 zur Verhinde rung eines Austritts von Ionen des Plasmas aus der Plasmakammer 4, deren kinetische Energie einer Temperatur entspricht, die niedriger als eine Zerfallstemperatur des molekularen Bestand teils ist, auf. Der Plasmagrenzanker 7 weist eine Anode 8 und eine Kathode 9 auf, wobei die Kathode 9 in Bezug auf die Anode 8 in eine Ausstoßrichtung 10, in die elementare Ionen aus der Plasmakammer 4 ausgestoßen werden, angeordnet ist. Zwischen der Anode 8 und der Kathode 9 ist eine Elektrode 11 angeordnet, die die Masse für die Anode 8 und die Kathode 9 bildet. Die Anode 8 und in dieser Ausführungsform auch die Elektrode 11 und die Ka thode 9 sind innerhalb der Einrichtung 5 zur Erzeugung des mag netischen Primärfelds angeordnet. In dieser Ausführungsform kön nen die Anode 8, die Kathode 9 und die Elektrode 11 beispiels weise als Lochgittern-Elektroden ausgeführt sein. An die Anode 8 kann beispielsweise ein Potential von +1000 V, an die Kathode 9 ein Potential von -3 kV und an die Elektrode 11 ein Potential von 0 V angelegt sein.
Der Plasmagrenzanker 7 führt dazu, dass nur jene Ionen, die auf die Zerfallstemperatur erhitzt wurden, und somit nur elementare Ionen aus der Vorrichtung 3 ausgestoßen werden. Die ausgestoße nen elementaren Ionen werden einem Analysator 17 zum masse spezifischen Trennen von den aus der Plasmakammer 4 ausgestoße nen elementaren Ionen zugeführt. Dabei werden Strahlen gebildet, die jeweils nur Elemente einer Sorte aufweisen. Es ist zumindest eine Kollektorplatte 18 zum Sammeln von aus der Plasmakammer 4 ausgestoßenen elementaren Ionen vorgesehen.
Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen des Plasmag renzankers 7 können beispielsweise als Plasmagrenzanker 7 bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung verwendet werden. Fig. 2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines Plas magrenzankers 7, der als 3-Gitter-System ausgeführt ist, in ei ner Explosionsdarstellung. Fig. 4 zeigt die erste Ausführungs form des Plasmagrenzankers 7 in einer Seitenansicht. Der Plasma grenzanker 7 weist eine Anode 8, eine Kathode 9 und eine Elekt rode 11, die die Masse darstellt, auf. Die Anode 8 weist bei spielsweise Molybdän und/oder Invar auf. Die Anode 8 hat bei spielsweise einen Durchmesser von 25 mm und/oder eine Dicke von 1 mm. Die Kathode 9 weist beispielsweise Carbon und/oder Graphit auf. Die Kathode 9 hat beispielsweise einen Durchmesser von 25 mm und/oder eine Dicke von 3 mm. Die Elektrode 11 weist bei spielsweise Molybdän und/oder Invar auf. Die Elektrode 11 hat beispielsweise einen Durchmesser von 25 mm und/oder eine Dicke von 1 mm.
Es sind vier Isolatorringe 19 vorgesehen, die beispielsweise Aluminiumoxidkeramik aufweisen können. Außerdem ist ein Montage ring 20 vorgesehen, der elektrisch mit der Masse-Elektrode 11 verbunden ist.
Die Teile werden insbesondere durch Spannschrauben, die durch den inneren Lochkranz des Montagerings 20 führen, zusammengehal ten. Die ganze Einheit wird durch den äußeren Lochkranz des Mon tagerings 20 insbesondere mit der Plasmakammer 4 verschraubt.
Die Plasmakammer schließt mechanisch an den Isolator-Ring außer halb der Anode 8 an. Vorzugsweise wird das System im Vakuum be trieben und das Plasma durch elektromagnetische Felder geführt, daher muss es nicht notwendigerweise gasdicht sein.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Lochgitter-Elektrode bzw. einen Bohrplan für eine Lochgitter-Elektrode, wobei insbesondere die Anode 8, Kathode 9 und/oder Elektrode 11 der Fig. 2 gemäß der Fig. 3 ausgeführt sein können. Der Durchmesser des Bohrkreises beträgt beispielsweise 15 mm. Die Bohrungen können auch asymmet risch angeordnet sein, um die Lochzahl zu erhöhen.
Fig. 5 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines Plas magrenzankers 7 in einer Seitenansicht. Die zweite Ausführungs form unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass die Elektrode 11 zwischen der Anode 8 und der Kathode 9 an geordnet ist und als Ringelektrode ausgeführt ist.
Bei einem 3-Gitter-System mit Lochgittern ist die masseführende O-Volt-Elektrode 11 üblicherweise auf der Außenseite, da diese sonst die Potentiale der Anode 8 und Kathode 9 abschirmen würde. Wird die Elektrode 11 in der Mitte angeordnet, so ist es daher vorteilhaft, wenn die Elektrode 11 in Form einer innen offenen Ringelektrode ausgeführt ist.
Fig. 6 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform eines Plas magrenzankers 7 in einer Seitenansicht. Diese Ausführungsform ist ein 2-Gitter-System, bei dem die masseführende O-Volt- Elektrode entfällt. Der Plasmagrenzanker 7 weist eine Anode 8 und eine Kathode 9 auf. Die Masse kann systemabhängig am positi ven oder negativen Potential geführt werden. In dieser Ausfüh rungsform dient die Kathode 9 gleichzeitig als Montagering 20.
Die Fig. 7 bis 9 zeigen jeweils eine weitere Ausführungsform ei nes Plasmagrenzankers 7, wobei in diesen Ausführungsformen der Plasmagrenzanker 7 als Linsensystem ausgeführt ist. Ein Linsen- System kann im gleichen schaltungstechnischen Aufbau beispiels weise mit zwei oder mit drei Ring-Elektroden aufgebaut sein. An stelle von Gitter-Elektroden sind die Anode 8, Kathode 9 und Masse-Elektrode 11 hierbei vorzugsweise aus ringförmigen elektrischen Linsen mit im Wesentlichen gleicher Funktion.
Bei einer Dimensionierung mit einem Referenz-Querschnitt von 15 mm können die Bohrungen von der Kathode 920mm und von Elektrode 11 beispielsweise 25 mm betragen. Auch die Bohrung der Anode 8 sollten dabei nicht größer als 10 mm sein, damit das Feld im Ringquerschnitt (ausreichend) stark bleibt. Die Dicke des Rings der Anode 8 kann hier beispielsweise 10 mm betragen und/oder die Bohrung ist vorzugsweise konisch ausgeführt. Auch eine konische Bohrung in einer (gegebenenfalls dickeren) Linse der Kathode 9 kann optional verwendet werden. Es ist vorteilhaft, wenn durch den Verlauf der elektrischen Felder eine Fokussierung des Ionen strahls ausreichend erhalten bleibt. Fig. 7 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsform des Plas magrenzankers 7 in einer Seitenansicht. Ähnlich zum 2-Gitter- System der Fig. 6 entfällt in dieser Ausführungsform die masse führende O-Volt Elektrode. Der Plasmagrenzanker 7 weist somit eine Anode 8, eine Kathode 9 und Isolatorringe 19 auf. Die Ka thode 9 dient in dieser Ausführungsform zugleich als Montagering 20.
Fig. 8 zeigt schematisch eine fünfte Ausführungsform des Plas magrenzankers 7 in einer Seitenansicht. Diese Ausführungsform ist ein 3-Linsen-System mit der Anode 8, der Kathode 9 und der Elektrode 11. Bei der Verwendung von Ring-Elektroden anstelle von Gittern ist es vorteilhaft, wenn die außen angeordnete mas seführende O-Volt-Elektrode 11 den gleichen Bohrungsquerschnitt wie die Anode 8 hat, damit der durch den Ionenstrom geleitete Entladungsstrom zwischen der Anode 8 und der Elektrode 11 nicht durch die Kathode 9 gestört wird. Der Bohrungsquerschnitt der Kathode 9 kann ebenso wie bei den zuvor diskutierten Gitter- Elektroden optional auch kleiner sein.
Fig. 9 zeigt schematisch eine sechste Ausführungsform des Plas magrenzankers 7 in einer Seitenansicht. Diese Ausführungsform ist ein 3-Linsen-System mit einer zwischen der Anode 8 und der Kathode 9 angeordneten Elektrode 11. Durch die masseführende 0- Volt-Elektrode 11 kann das positive Potential der Anode 8 unab hängig vom negativen Potential der (Extraktions-)Kathode 9 jus tiert werden. Da die Kathode 9 außen angeordnet ist, kann der nicht neutralisierte Ionenstrahl gebremst werden, wodurch die Weglängen zu Massenspektrometer und Kollektoreinheiten verkürzt werden, was gegebenenfalls einen kompakteren Aufbau der Gesamt konfiguration erlaubt. Ringelektroden sind zudem billiger herzu stellen.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Bereitstellung elementarer Stoffe, aufweisend zumindest die Schritte:
- Erzeugen eines Plasmas, wobei das Plasma zumindest einen mole kularen Bestandteil aufweist;
- Führen des Plasmas in einer Plasmakammer (4);
- Vorsehen eines Magnetfeldes in der Plasmakammer (4) zur Bil dung von Alfven-Wellen im Plasma und zur Erhitzung des Plasmas, wobei das Magnetfeld von einem magnetischen Primärfeld und einem magnetischen Sekundärfeld gebildet wird, wobei das Sekundärfeld dem Primärfeld entgegengesetzt gepolt ist und oszilliert, sodass das Primärfeld periodisch deformiert wird; gekennzeichnet durch die Schritte:
- Vorsehen eines Plasmagrenzankers (7), der einen Austritt von Ionen des Plasmas aus der Plasmakammer (4) verhindert, deren ki netische Energie einer Temperatur entspricht, die niedriger als die Zerfallstemperatur des molekularen Bestandteils ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Magnetfeld derart vor gesehen wird, dass das Plasma im Wesentlichen adiabatisch kom primiert wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vorsehen eines Plasmagrenzankers (7) zumindest das Vorsehen ei nes positiven elektrischen Potentials umfasst, das einen Aus tritt von Ionen des Plasmas aus der Plasmakammer (4) verhindert, deren kinetische Energie einer Temperatur entspricht, die nied riger als die Zerfallstemperatur des molekularen Bestandteils ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend den Schritt:
- Heizen eines Substrats auf eine dem Dampfdruckpunkt entspre chende Temperatur, sodass das Substrat in einen gasförmigen Zu stand übergeht, wobei das Erzeugen des Plasmas aus dem geheizten Substrat erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Substrat in granulier ter Form als Festkörper zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei das Hei zen des Substrats mit einem Laser erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend den Schritt:
- Ausstoß von elementaren Ionen aus der Plasmakammer (4).
8. Verfahren nach Anspruch 7, weiter aufweisend den Schritt:
- Trennen der ausgestoßenen elementaren Ionen des Plasmas nach ihrer Masse, wobei insbesondere die ausgestoßenen Ionen masse spezifisch auf unterschiedliche Bahnen gelenkt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei zumindest ein Anteil der getrennten elementaren Ionen auf einen Impfkristall gelenkt wird, sodass ein monokristallines Substrat erzeugt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, weiter umfas send den Schritt:
- Sammeln zumindest eines Teils der ausgestoßenen elementaren Ionen auf zumindest einer Kollektorplatte.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die zumindest eine Kollek torplatte ein Metall aufweist und/oder eine nichtmetallische Be schichtung aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei an die Kollektorplatte ein negatives elektrisches Potential angelegt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, weiter umfas send den Schritt:
- elektrisches Neutralisieren der ausgestoßenen elementaren Io nen.
14. Verfahren nach einem der Schritte 8 bis 13, wobei zumindest der Ausstoß der elementaren Ionen unter einem Gasdruck von weni ger als 1 Pa, bevorzugt von weniger als 0,1 Pa, besonders bevor zugt von weniger als 0,01 Pa, durchgeführt wird.
15. Vorrichtung (1) zur Bereitstellung elementarer Stoffe, auf weisend:
- einen Plasmagenerator (2) zur Bereitstellung von Plasma, wobei das Plasma zumindest einen molekularen Bestandteil aufweist;
- eine Vorrichtung (3) zur Erzeugung von Alfven-Wellen im Plasma und zur Erhitzung des Plasmas aufweisend:
- eine Plasmakammer (4);
- eine Einrichtung (5) zur Erzeugung eines magnetischen Primär felds in der Plasmakammer (4);
- eine Einrichtung (6) zur Erzeugung eines magnetischen Sekun därfelds in der Plasmakammer (4), das dem Primärfeld entgegenge setzt gepolt ist und oszilliert, sodass das Primärfeld perio disch deformiert wird; gekennzeichnet durch
- einen Plasmagrenzanker (7) zur Verhinderung eines Austritts von Ionen des Plasmas aus der Plasmakammer (4), deren kinetische Energie einer Temperatur entspricht, die niedriger als eine Zer fallstemperatur des molekularen Bestandteils ist.
16. Vorrichtung (1) nach Anspruch 15, wobei der Plasmagrenzanker (7) zumindest eine Anode (8) aufweist.
17. Vorrichtung (1) nach Anspruch 16, wobei der Plasmagrenzanker
(7) zumindest eine Kathode (9) aufweist, wobei die Kathode (9) in Bezug auf die Anode (8) in eine Ausstoßrichtung (10), in die elementare Ionen aus der Plasmakammer (4) ausgestoßen werden, angeordnet ist.
18. Vorrichtung (1) nach Anspruch 17, wobei zwischen der Anode
(8) und der Kathode (9) eine Elektrode (11) angeordnet ist, die die Masse für die Anode (8) und die Kathode (9) bildet.
19. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Anode (8) zumindest teilweise innerhalb der Einrichtung (5) zur Erzeugung des magnetischen Primärfelds angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Einrichtung (5) zur Erzeugung des magne tischen Primärfelds eine Feldspule (12) aufweist und die Anode (8) zumindest teilweise innerhalb der Feldspule (12) angeordnet ist.
20. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei der Plasmagrenzanker (7) zumindest eine elektrische Linse auf weist.
21. Vorrichtung (1) nach Anspruch 20, wobei der Plasmagrenzanker (7) zumindest zwei insbesondere ringförmige elektrische Linsen aufweist, wobei vorzugsweise eine der Linsen von einer Anode und eine der Linsen von einer Kathode gebildet ist.
22. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei der Plasmagrenzanker (7) zumindest eine Lochgitter-Elektrode, vorzugsweise zwei Lochgitter-Elektroden, aufweist.
23. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei die Plasmakammer (4) eine Ausbuchtung (13) aufweist, die zumin dest teilweise zwischen der Einrichtung (5) zur Erzeugung des magnetischen Primärfelds und der Einrichtung (6) zur Erzeugung des magnetischen Sekundärfelds vorgesehen ist.
24. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 23, wobei der Plasmagenerator (2) eine Hochfrequenzplasmaquelle (14) auf weist.
25. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 24, wobei eine Heizvorrichtung (16) vorgesehen ist, mit der ein Substrat auf eine dem Dampfdruckpunkt entsprechende Temperatur geheizt werden kann, sodass das Substrat in einen gasförmigen Zustand übergeht, wobei der Plasmagenerator (2) zum Erzeugen von Plasma aus dem geheizten Substrat eingerichtet ist.
26. Vorrichtung (1) nach Anspruch 25, wobei die Heizvorrichtung (16) einen Laser aufweist.
27. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 26, wobei ein Analysator (17) zum masse-spezifischen Trennen von aus der Plasmakammer (4) ausgestoßenen elementaren Ionen vorgesehen ist.
28. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 27, wobei zumindest eine Kollektorplatte (18) zum Sammeln von aus der Plasmakammer (4) ausgestoßenen elementaren Ionen vorgesehen ist.
29. Vorrichtung (1) nach Anspruch 28, wobei die Kollektorplatte (18) ein Metall aufweist und/oder eine nichtmetallische Be schichtung aufweist.
30. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 29, wobei ein Neutralisator, insbesondere eine Hohlkathode, zum elektri schen Neutralisieren der ausgestoßenen elementaren Ionen vorge sehen ist.
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