(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する多種プラズマの中で負イオンと正イオンを分離するためのプラズマフィルタであって、
縦軸を定めるチャンバを取り囲む円筒形の壁と、
前記縦軸と実質的に平行にそろえられた磁界を前記チャンバ内に発生するための手段と、
前記磁界と実質的に垂直な内向きの電界を発生することにより交差する電界と磁界を作成するための交差電界−磁界生成手段であって、前記内向きの電界は前記縦軸上で負電位をそなえ、前記壁上で実質的に零の電位をそなえる、前記交差電界−磁界生成手段と、
前記の回転する多種プラズマを前記チャンバ内に注入して、前記の交差する電界と磁界と相互作用させることにより、前記負イオンを前記壁内に射出し、前記正イオンを前記チャンバ通過中に前記チャンバに閉じ込め、これにより前記負イオンと前記正イオンを分離する、多種プラズマ注入手段と
を具備する前記プラズマフィルタ。
【請求項２】
請求項１のプラズマフィルタであって、前記壁は前記縦軸２２から距離ａにあり、前記磁界は前記縦軸に沿った方向に大きさＢzをそなえ、前記縦軸上の前記負電位はＶctrの値をそなえ、前記壁は実質的に零の電位をそなえ、前記負イオンはＭc／ｅ＝ａ2（Ｂz）2／８Ｖctrで表されるＭc／ｅより大きい質量対電荷比をそなえる、前記プラズマフィルタ。
【請求項３】
多種プラズマの中で正イオンと負イオンを分離するための方法であって、
縦軸を定めるチャンバを円筒形の壁で取り囲むステップと、
前記縦軸と実質的に平行にそろえられた磁界を前記チャンバ内に発生し、そして前記磁界と実質的に垂直な内向きの電界を発生することにより交差する電界と磁界を生成する交差電界−磁界生成ステップであって、前記内向きの電界は前記縦軸上で負電位をそなえ、前記壁上で実質的に零の電位をそなえる、前記交差電界−磁界生成ステップと、
前記多種プラズマを前記チャンバ内に注入して、前記の交差する電界と磁界と相互作用させることにより、前記負イオンを前記壁内に射出し、前記正イオンを前記チャンバ通過中に前記チャンバに閉じ込め、これにより前記負イオンと前記正イオンを分離する、注入ステップと
を含む前記分離方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、化合物の元素を相互に分離するための装置と方法に関するものである。更に詳しくは本発明は、化合物の元素から多種プラズマ(multi-species plasma)を作成した後、それらの質量とそれらの電荷に応じて多種プラズマのイオンを分離する装置と方法に関するものである。本発明は特に、正イオンと負イオンがともに同じ多種プラズマの中にあるときに負イオンと正イオンを分離するための装置と方法として有用であるが、これらに限定されるものではない。
【０００２】
【従来の技術】
ある材料を使用して多種プラズマを発生するときは常に、結果として得られるプラズマは正イオンと負イオンの両方を含むことが起こり得る。この結果が特に起こり得るのは、電離されつつある材料がハロゲン元素、もしくは酸素または硫黄のような元素を含む化合物であるときである。周知のように、これらの元素はすべて相対的に高い電子親和力をそなえているので、これらの元素の中性原子は自由電子と極めて容易に結合して負イオンを発生する。一方、これらの同じ元素は相対的に高い電離電位もそなえているので、中性原子から電子が分離されて正イオンを発生することは生じにくい。
【０００３】
構成元素（酸素、硫黄をも含む）の一つとしてハロゲンを含む化合物からプラズマを発生する用途の場合、正イオンと負イオンの両方を含む多種プラズマを発生することは全くありうることである。詳しく述べると、この結果が生じ得るのは、ハロゲン（または酸素、硫黄）の電離電位より低い電離電位を使用してプラズマを発生するときである。その場合にも、化合物の中の他の元素から正イオンを発生することはまだできるが、ハロゲン（酸素、硫黄）元素の場合はそうではない。その代わりに、ハロゲン（酸素、硫黄）元素は中性のままであるか、またはその後に負イオンに変換される。
【０００４】
上記のように、ハロゲン（酸素、硫黄）の中性元素は相対的に高い電子親和力をそなえている。したがって、相対的に低い電子親和力をそなえた元素に比べて、これらの元素はずっと負イオンに変換されやすい。別の元素の正イオンからハロゲン（酸素、硫黄）元素を分離することを目的とする用途の場合、この変換されやすさはかなり重大である。詳しく述べると、プラズマ内で中性原子（非荷電粒子）は正原子（荷電粒子）から比較的容易に分離することはできるが、中性原子自体が負イオン（荷電粒子）になるときは状況は非常に異なる。これが起きるとき、正イオンと負イオンを分離することはそれほど容易でない。それにもかかわらず、同じ多種プラズマに正イオンと負イオンの両方が存在し得る場合があり、それらを相互に分離して、再結合しないようにすることは非常に望ましい。
【０００５】
１９９８年１１月１６日に出願され、本発明と同じ譲り受け人に譲渡されたオーカワによる米国特許出願番号０９／１９２，９４５、「プラズマ質量フィルタ」（Ｐｌａｓｍａ  Ｍａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）には、多種プラズマの中の荷電粒子はそれぞれの質量に応じて相互に分離することができる。特に、フィルタチャンバ内に明確に構成された交差する電界と磁界（ＥｘＢ）を使用することにより、チャンバの通過中、相対的に小さい質量対電荷比の正イオンをチャンバの内側に閉じ込めることができるということが示された。これに反して、相対的に大きい質量対電荷比の正イオンをこのように閉じ込められない。その代わりに、これらの、より大きい質量のイオンはチャンバの通過を完了する前に、チャンバの内側で収集される。
【０００６】
異なる質量の正イオンを分離するための、前記オーカワの発明で開示された同じ全体的な原理を使用して、本発明では、フィルタチャンバの中の交差する電界と磁界（ＥｘＢ）を適当に変形することにより、負イオンと正イオンを相互に分離することができる。更に詳しく述べると、この場合、フィルタチャンバの通過中、多種プラズマの中の正イオンをプラズマフィルタチャンバの内側に閉じ込めることができ、プラズマの中の負イオンをフィルタチャンバの壁の中に排出される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のことにかんがみて、本発明の一つの目的は、同じ多種プラズマの中に両方の型のイオンが存在するときに、正イオンと負イオンを分離することができるプラズマフィルタとそれを使用するための方法とを提供することである。本発明のもう一つの目的は、同じ多種プラズマの中に両方の型のイオンが存在するときに、正イオンが負イオンと再結合するのを効果的に防止することができるプラズマフィルタとそれを使用するための方法とを提供することである。本発明の更にもう一つの目的は、プラズマ質量フィルタのテクノロジーの原理をプラズマの中に正イオンと負イオンをそなえる多種プラズマに拡張するプラズマフィルタとそれを使用するための方法とを提供することである。本発明の更にもう一つの目的は、比較的製造が容易で、使用が簡単で、比較的コスト効率がよいプラズマフィルタを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
回転する多種プラズマの中で負イオンと正イオンを分離するためのプラズマフィルタは円筒形の壁を含み、この円筒形の壁はチャンバを取り囲み、縦軸を定める。複数の磁気コイルがチャンバの外側を取り囲み、縦軸に実質的に平行にそろえられた軸方向を向く磁界をチャンバの内側に発生する。複数のリング電極、またはその代わりに、らせん電極が設けられて、軸方向の磁界に実質的に垂直である放射状の電界をフィルタチャンバ内に発生する。重要なことであるが、電界は縦軸に沿って負電位であり、チャンバの壁では実質的に零電位である。このようにして、チャンバ内に交差する電界と磁界が形成される。
【０００９】
チャンバ内に多種プラズマを注入して、チャンバ内の交差する電界と磁界と相互作用させるためにプラズマ注入器が設けられる。フィルタチャンバの壁が縦軸から距離ａにあり、磁界の大きさが縦軸に沿った方向でＢzであり、縦軸に沿った電界の負電位の値がＶctrで、壁では実質的に零電位である特定の状況では、イオン電荷をｅとしたときカットオフ質量ＭcはＭc／ｅ＝ａ2（Ｂz）2／８Ｖctrのように計算することができるということが前に示された。Ｍcの意味は、Ｍc／ｅより大きい質量Ｍ1(-)／ｅをそなえた負イオンは壁に射出され、後で収集されるということである。これに反して、すべての正イオンはチャンバを通過する間にチャンバの内側に閉じ込められ、チャンバを通過した後に収集することができる。このようにして、同じ多種プラズマ内に両方の型のイオンが作成されたとき、正イオンＭ2(+)は負イオンＭ1(-)から効果的に分離することができる。
【００１０】
本発明の新規な特徴、および本発明自体の構造とその動作は、付図を参照した説明により、最も良く理解される。付図で同様の符号は同様の部品を表す。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明によるプラズマ質量フィルタを含むシステムが示され、全体が１０として表されている。図示されているように、システム１０は全体的に三つの部分またはステージに分割することができる。この分割は機能的に行われ、プラズマ発生部１２、中性放出部１４、およびプラズマフィルタ１６をそなえたシステム１０が得られる。
【００１２】
詳しく述べると、プラズマ発生部１２はプラズマ注入器１８を含む。プラズマ注入器１８は誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）トーチのような関連技術で周知の任意の型とすることができる。更に、現在周知のように、無線周波数（ｒ．ｆ．：ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電力またはマイクロ波電力を使用して数個の異なる方法のどれでもプラズマを発生することができる。本発明の目的に対して適当などのプラズマ発生器を使用してもよいが、プラズマ注入器１８が発生する電子の温度は確定でき、制御できるということが本発明の重要な側面である。
【００１３】
図示するように、システム１０は複数の磁気コイル２０を含む。コイル２０ａ−ｄは磁気コイル２０の例を示しているに過ぎない。詳しく述べると、縦軸２２にほぼ平行な方向を向いた磁界を発生するように、これらの磁気コイル２０ａ−ｄがシステム１０内に配置される。更に、磁気コイル２０ａ−ｄが軸２２の上に、所定の大きさＢzをそなえるような磁界を発生する。磁力線が注入器１８から中性放出部１４とプラズマフィルタ１６の両方を介して伸びるということもシステム１０に対する重要な配慮である。
【００１４】
図示するように、システム１０のプラズマフィルタ１６は実質的に円筒形の壁２４を含む。この壁２４はシステム１０の縦軸２２を実質的に定め、チャンバ２６を取り囲む。図示するように、壁２４は縦軸２２から距離ａのところにある。また、図からわかるように、プラズマフィルタ１６は電極を含み、この電極がチャンバ２６の中に放射状電界を発生する。この目的のため、複数の電極リング２８ａ−ｃが示されているが、これらは例を示しているに過ぎない。らせん電極のような他の任意の電極を使用して、本発明の目的のために必要な電界Ｅを発生することができる。詳しく述べると、電界Ｅは負であり、軸上の電位Ｖctrは負で、軸２２に沿ってチャンバ２６を通して延在している。更に、壁２４は実質的に零電位である。その結果、プラズマフィルタ１６のチャンバ２６の中に交差する電界と磁界（ＥｘＢ）が形成される。熟練した技術者には明らかなように、Ｖctrの値は必要に応じて変えることができる。
【００１５】
システム１０の動作で、化合物材料３０は気体、液体、または固体の状態で与えられる。本発明の目的のために、化合物３０は少なくとも一つの元素３２ともう一つの元素３４とを含み、システム１０の動作中にこれらを相互に分離しなければならない。本発明の目的のため、元素３２は好ましくは、ハロゲンもしくは酸素または硫黄のような元素である。重要なことは、元素３２は元素３４の電離電位よりも充分に上の電離電位をそなえるべきであるということである。換言すれば、元素３２は元素３４ほど容易には電離できない。したがって、元素３２を電離することなく、プラズマ注入器１８内で元素３４を分離して電離することができる。これに反して、これらの状況下では、元素３２が相対的に高い電子親和力をそなえることが最も起こりやすいことである。確実に、元素３２の電子親和力は元素３４の電子親和力より高くなる。これらの特定の特性をそなえる化合物３０の例は六フッ化ウラン（ＵＦ6）である。この例では、元素３２はハロゲンフッ素（Ｆ）であり、元素３４は減損ウラン（Ｕ238）である。
【００１６】
システム１０の動作については、プラズマ注入器１８は元素３４を電離して正イオン３４’を形成するのに充分な電子温度とすることが必要である。しかし、この同じ電子温度が元素３２を電離するのには不充分なはずである。したがって、プラズマ注入器１８によって化合物３０がその構成部分に分解されるとき、元素３２は最初、中性原子として設定される。したがって、少なくとも最初は、元素３２の中性原子と元素３４の正イオン３４’を含むプラズマが生成される。
【００１７】
正イオン３４’からの元素３２の中性原子の分離はシステム１０の中性放出部１４で行われる。この分離が行われるのは、軸方向にそろえられた磁界により、正の荷電イオン３４’が実質的に縦軸２２を離れないからである。これに反して、元素３２の中性原子にはこのような拘束がなく、比較的容易に縦軸２２から進路を変更することができる。この進路変更は、圧力勾配のような、関連技術で知られた任意の方法で行うことができる。一旦、元素３２の中性原子がシステム１０から除去されると、元素３２の中性原子は正イオン３４’から実質的に分離され、容易に収集され得る。しかし、中性放出部１４の中の実際の状況はずっと複雑になることが起こる。元素３２の中性原子は相対的に高い電子親和力をそなえているので、これらの中性原子は自由電子を吸引して、負イオン３２’になりやすい。多数の中性原子がそうなる。したがって、中性放出部１４の中には、元素３２の中性原子（中性粒子）と、負イオン３２’（荷電粒子）と、正イオン３４’（荷電粒子）とがある。
【００１８】
図示するように負イオン３２’（荷電粒子）は、正イオン３４’（荷電粒子）と同様に、中性放出部１４を通るとき、軸方向にそろえられた磁界によって拘束される。したがって、中性放出部１４からプラズマフィルタ１６に入る多種プラズマ３６は正イオン３４’と負イオン３２’を含む。開示の目的で、より小さい質量の負イオン３２’をより大きい質量の正イオン３４’から区別するため、負イオン３２’をときにＭ1(-)と表し、正イオン３４’をときにＭ2(+)と表す。これに留意して、本発明の目的はＭ1(-)によって定められるカットオフ質量Ｍcを定めることである。電界が内向きであるので、Ｍ2(+)イオンは閉じ込められる。
【００１９】
フィルタチャンバ２６の壁２４が縦軸２２から距離ａにあり、磁界（Ｂz）と軸２２に沿った電位（Ｖctr）が所定の値である特定の状況では、カットオフ質量対電荷比Ｍc／ｅはＭc／ｅ＝ａ2（Ｂz）2／８Ｖctrのように計算することができる。このＭc／ｅの意味は、Ｍc／ｅより大きい質量Ｍ1(-)／ｅをそなえる負イオン３２’はチャンバ２６の壁２４の中に放出されて、後で壁２４から収集される。これに反して、正イオン３４’はチャンバ２６を通過する間、チャンバ２６の内側に閉じ込められ、チャンバ２６を通過した後に収集することができる。したがって、両方の型のイオンが同じ多種プラズマ３６の中に作成されるとき、正イオン３４’（Ｍ2(+)）は実質的に負イオン３２’（Ｍ1(-)）と分離される。
【００２０】
ここに図示し、詳細に開示された特定の負イオンフィルタは充分に前記した目的を達成し、利点を提供することができるが、この負イオンフィルタは本発明の好適実施例を示すものに過ぎず、特許請求の範囲に記載された以外の、ここに示された構成または設計の細部に限定されるものでないことは理解されるはずである。
【００２１】
この出願は現在出願中の、１９９８年１１月１６日出願、米国特許出願番号０９／１９２，９４５の一部継続出願である。米国特許出願番号０９／１９２，９４５の内容はここに引用することにより本明細書の一部として組み入れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマフィルタを含むシステムの概略透視図であって、システムのいくつかの部分は省略され、プラズマフィルタの部分はわかりやすくするため取りこわされた概略透視図である。
【符号の説明】
１０  プラズマ質量フィルタシステム
１８  プラズマ注入器
２０  磁気コイル
２２  縦軸
２４  壁
２６  チャンバ
２８ａ−ｃ  電極リング
３２’  負イオン
３４’  正イオン
３６  多種プラズマ
Ｂz  磁界
Ｅ  電界
ＥｘＢ  交差する電界と磁界
Ｍc  カットオフ質量
Ｖctr  軸上の電位
【図１】
0003672488.tif 000002