(57)【要約】      （修正有）【課題】放射プラズマ源の回転コンポーネントにおいて、液体金属の冷却回路内の汚染及び容器壁の浸食を極小化させる。【解決手段】容器２２内の液体金属２１のリザーバ２２１と、金属２１の溶融点より適度に高くなるよう温度を調節する調節装置２４と、循環状態において液体金属２１を移動させるポンプユニット２３とを有し、供給配管３と、高度に加熱された金属２１をソースモジュール１からリザーバ２２１内に戻るようにガイドする戻り配管４とを介して、分離されたソースモジュール１内に金属２１を搬送するために、リザーバ２２１及びポンプユニット２３を収容する取扱いユニット２が設けられ、戻り配管４は重力の作用によって実質的に層流として加熱された金属２１を戻るようにガイドするべく、リザーバ２２１に対してわずかに傾斜したまっすぐな配管として形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマに基づいた放射源の回転コンポーネントを冷却する液体金属を取り扱う構成であって、
液体金属を提供する容器が、放射線放射プラズマを生成するソースモジュールと、このソースモジュールを通る循環にて前記金属をガイドする２つの配管を介して、連通しており、
前記容器は、前記金属によって部分的に充填され、前記ソースモジュール内にて消費された金属を置換するために液体金属のリザーバが形成されていて、前記金属用の調節ユニットが、前記容器の温度を前記金属の溶融点を適度に上回る温度範囲に調節するために設けられている、構成において、
前記液体金属（２１）を循環状態で移動させるために、ポンプユニット（２３）が設けられており、前記金属（２１）の搬送は、前記リザーバ（２２１）や前記ポンプユニット（２３）を収容する前記金属（２１）用の取扱いユニット（２）から、供給配管（３）を介して、前記ソースモジュール（１）に提供され、且つ、高温に加熱された金属（２１）を前記ソースモジュール（１）から前記リザーバ（２２１）を有する前記取扱いユニット（２）に戻るようにガイドするために、戻り配管（４）が設けられており、
前記ソースモジュール（１）から前記リザーバ（２２１）への前記戻り配管（４）は、重力の作用により、実質的に層流として前記加熱された金属（２１）を前記リザーバ（２２１）にガイドするために、前記リザーバ（２２１）に対して所定の勾配にてまっすぐな傾斜配管として形成されていることを特徴とする構成。
【請求項２】
前記ソースモジュール（１）内にて加熱される前記金属（２１）が、前記容器（２２）の壁に流れの力が衝突することなく、前記リザーバ（２２１）内に導かれる程度にまで、前記戻り配管（４）は、前記リザーバ（２２１）を有する容器（２２）内に延在していることを特徴とする請求項１に記載の構成。
【請求項３】
前記リザーバ（２２１）内に直接的に浸漬するように、前記戻り配管（４）が構成されていることを特徴とする請求項２に記載の構成。
【請求項４】
前記戻り配管（４）は、前記リザーバ（２２１）内にて前記金属（２１）によって形成された液体表面（Ｓ）の上方に配管端部を有しており、前記加熱された金属（２１）を前記リザーバ（２２１）内に導くために、侵食及び腐食に対して高い抵抗力を有すると共に前記配管端部の下流側に配置された偏向要素（４１）が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の構成。
【請求項５】
侵食及び腐食に対して高い抵抗力を有するキャッチング要素（４２）が、重力の方向で前記偏向要素（４１）と反対側に位置しており、前記キャッチング要素（４２）は、前記リザーバ（２２１）の前記表面（Ｓ）に対して浅い角度で浸漬するように、構成されていることを特徴とする請求項４に記載の構成。
【請求項６】
侵食及び腐食に対して高い抵抗力を有する内側被覆が少なくとも前記戻り配管（４）の内側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の構成。
【請求項７】
配管部品（４３、４４、４７）の交換を許容するように前記液体金属（２１）を取り扱うべく、少なくとも前記ソースモジュール（１）と前記容器（２２）の間の前記戻り配管（４）内に配管接続部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の構成。
【請求項８】
少なくとも前記戻り配管（４）の端部領域内に、侵食及び腐食に対して高い抵抗力を有する別個の内側配管（４７）が配置されており、この内側配管（４７）は、前記配管接続部のために容易に交換可能であることを特徴とする請求項７に記載の構成。
【請求項９】
前記配管部品（４３、４４）とオーバーラップするリング（４５）の形態をした前記配管接続部は、前記配管部品（４３、４４）よりも小さな熱膨張係数を有する抵抗性材料から形成されていることを特徴とする請求項７に記載の構成。
【請求項１０】
前記オーバーラップするリング（４５）は、前記配管部品（４３、４４）よりも小さな熱膨張係数を有するチタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、ルテニウム、オスミウム、及びイリジウムを含む元素の群からの金属又は合金から製造されていることを特徴とする請求項９に記載の構成。
【請求項１１】
前記配管接続部は、前記配管部品（４３、４４）とオーバーラップするＴ字輪郭のリング（４５）の形態で構築されていることを特徴とする請求項９に記載の構成。
【請求項１２】
前記配管接続部は、前記配管部品（４３、４４）よりも小さな熱膨張係数を有する抵抗性材料のオーバーラップリング（４５）として前記内側配管（４７）と直接的に一体の状態にて形成されていることを特徴とする請求項８に記載の構成。
【請求項１３】
前記容器（２２）は、高さが低い円筒として成形されると共に水平に配置されており、前記円筒は、前記液体金属（２１）のリザーバ（２２１）によって８０％未満が占められている供給容積（２２２）を有することを特徴とする請求項１に記載の構成。
【請求項１４】
前記容器（２２）は、前記円筒の横方向表面内で、前記液体金属（２１）のリザーバ（２２１）の上方にて、戻り配管（４）と供給配管（３）によって貫通されていることを特徴とする請求項１３に記載の構成。
【請求項１５】
前記容器（２２）は、前記円筒のカバー表面を形成する着脱自在のカバーを有することを特徴とする請求項１３に記載の構成。
【請求項１６】
前記容器（２２）内にスラグセパレータ（２２６）が設けられており、このスラグセパレータ（２２６）は、プレート形状に形成されていると共に、前記リザーバ（２２１）の上部領域内の汚染され又は酸化された金属（２１）のスラグ（２１２）が前記ポンプユニット（２３）の前記接続配管（２２５）の接続場所に達することを防止するために、所定量の穿孔（２２７）を設けていることを特徴とする請求項１３に記載の構成。
【請求項１７】
リチウム、ガリウム、スズ、ガドリニウム及びテルビウムを含む群からの少なくとも１つの元素、又は１つの元素を伴う合金が液体金属（２１）として使用されていることを特徴とする請求項１に記載の構成。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線放射プラズマに基づいた放射源の回転コンポーネントを冷却する液体金属を取り扱う構成を対象としている。本発明は、好ましくは、Ｘ線範囲の短波長の放射による、特に、極紫外線（Extreme UltraViolet：ＥＵＶ）放射による、半導体チップのリソグラフ製造用の放射源に適用される。
【背景技術】
【０００２】
高性能回路、核反応炉、又はＸ線範囲の放射源の冷却などの様々な用途において、溶融形態の金属を冷媒として使用する特殊な冷却システムが既知である。液体金属は、非常に良好な熱導電性の利点を有し、且つ、更には、冷媒の流れの生成に必要なポンプを小型化できると共に可動部品を伴うことなしに且つ冷媒の外部において実装できるような電磁特性を有する。
【０００３】
特許文献１は、金属が高圧に保持されると共にプラズマ生成用の電子ビームによる衝突の対象となる液滴の形態のエミッタ材料として供給されるＸ線放射源用の液体金属の循環について開示している。但し、この場合には、この金属は、冷媒として使用されていない。
【０００４】
例えば、極紫外線（ＥＵＶ）放射源などの短波長放射の放射源においては、プラズマ生成によって非常に高い温度に加熱されるプラズマの生成に使用されるコンポーネントは、液体金属によって冷却されている。
【０００５】
例えば、特許文献２に記述されている放射源においては、冷却回路内において、回転ディスク電極に液体金属が供給されており、且つ、液体金属は、電極との接触の後に冷却装置内にポンピングされている。但し、除去対象である膨大な量の熱と維持対象である温度勾配のいずれも、本文献に開示されている小型の構造において十分に考慮されていない。
【０００６】
この種の更なる放射源が、特許文献３に開示されている。この放射源は、２つの電極の間において生成されると共に（１３．５ｎｍの範囲の）ＥＵＶ放射を放出する放電プラズマに基づいて動作する。このケースにおいては、プラズマ生成の際に高温に加熱されるコンポーネントは、放電プラズマの生成用の放電領域が電極の周方向の面の間の最短距離の場所において電極の間に形成されるように互いに対向した状態で配置された２つの回転ディスク電極である。回転の際に、電極は、それぞれの回転において液体スズの溶融物槽内に部分的に浸漬されており、スズは、いくつかの機能を果たすが、その最も重要な機能は、電気接触の形成と、電極の冷却と、である。但し、同時に、特許文献３におけるスズは、ＥＵＶ放射の生成用のエミッタ材料でもあり、回転によって溶融物槽から出てきた際に電極に塗布されているスズは、レーザーにより、放電領域において蒸発し、且つ、蒸発したスズは、電気放電によって放射線放射プラズマに変換される。放電プラズマの生成に必要とされる非常に大きな電気出力は、主に、電極によって吸収されると共に溶融物槽内における浸漬によって放散される廃熱に変換されている。但し、（特許文献３）は、必要とされる加熱されたスズ槽の冷却の実施方法については、記述していない。
【０００７】
これに関連して、特許文献４は、液体金属を第１冷媒として冷却システムに統合することによるスズ槽の拡張について開示している。冷却システムは、１つの熱交換機を有しており、（第１冷媒としての）金属溶融物は、これを通じて、金属のリザーバを収容する別の容器部分内のチャネル又は配管の接続要素を介して、電極を直接的に包み込む電極ハウジングの外部において、冷却循環路内を流れている。高速回転する電極に起因し、液体金属は、電極ハウジングのスリット形状の浸漬槽における接続要素の下部供給チャネルから接続要素の上部戻りチャネルまで上方に駆動され、且つ、隣接するリザーバを通じて循環状態において搬送される。過剰な量の金属が、ワイパにおいて蓄積し、且つ、好ましくはフィルタ又は酸化物堆積チャンバを介して、液体金属を戻りチャネルを通じてリザーバ内に強制的に戻す圧力を結果的に生成している。電極による加熱の後の高温で攻撃性の金属液体の問題点については、言及されておらず、且つ、考慮されてもいない。
【０００８】
製造に関係する、且つ、経済性を目的とした、技術的な理由から、通常、ステンレス鋼が冷却容器システムの材料として使用されているが、ステンレス鋼は、金属溶融物（例えば、リチウムやスズなど）の電気化学的な腐食及び加熱された金属の機械的な侵食に対する十分な抵抗力を有していない。
【０００９】
一般的な建設的解決策について、即ち、動的な金属溶融物による容器壁の機械的応力を低減することができる方式については、例えば、特許文献５、特許文献６、又は特許文献７において見出すことができる。
【００１０】
ＥＵＶ放射源において液体スズを通じた腐食を抑制又は防止するためのステップが、特許文献８において既知であり、この場合には、その表面が液体スズとの直接的な接触状態となるＥＵＶ放射源の構造的コンポーネント部品が、抵抗性被覆により、腐食から保護されている。構造的コンポーネント部品の腐食抑制被覆の結果としての表面の寿命の延長に加えて、金属溶融物の純度も、相対的に長い時間にわたって保持されることになり、その理由は、金属溶融物が腐食の廃棄物によって汚染されないからである。
【００１１】
但し、内側容器表面の腐食は、実際に、ＴｉＮ又は特許文献８によって知られているその他の化合物を有する被覆によって抑制することができるが、この解決策は、循環する金属溶融物を有する冷却回路内において、例えば、配管のエルボなどの、流れの方向において傾斜又は湾曲していると共に高温に加熱された金属溶融物が機械的に衝突する容器壁が、被覆にも拘らず、深刻な浸食に曝されるという欠点を依然として有している。被覆は、これらの場所において十分な保護を提供せず、その結果、配管の破裂と金属溶融物の汚染のリスクが、一時的には防止されるものの、結局は、発生することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／００５７６８０Ａ１号明細書
【特許文献２】欧州特許第２１９８６７４Ｂ１号明細書
【特許文献３】米国特許第７，４２７，７６６Ｂ１号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１０２００５０２３０６０Ａ１号明細書
【特許文献５】独国特許第１８００９５９Ｃ号明細書
【特許文献６】独国特許出願公開第１９２９０２５Ａ号明細書
【特許文献７】欧州特許第１８５４５７１Ｂ１号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２０１１／０１０１２５１Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
腐食、侵食、及び汚染によって液体金属の冷却回路において生じる金属の特性の劣化を極小化すると共に熱及び流れによって応力が印加された配管及び容器壁の表面の浸食を極小化するプラズマに基づいた放射源の回転コンポーネントを冷却する液体金属を取り扱う可能性を見出すことが、本発明の目的である。
【００１４】
本発明の更なる目的は、保守を低減することによって冷却システム全体の寿命を延長させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明によれば、プラズマに基づいた放射源の回転コンポーネントを冷却する液体金属を取り扱う構成であって、液体金属を供給するための容器が、ソースモジュールを通じて循環状態において金属をガイドする２つの配管を介して、放射線放射プラズマが生成されるソースモジュールと連通しており、容器は、ソースモジュール内において消費された金属を置換するために液体金属のリザーバが形成されるように、金属によって部分的に充填されており、且つ、金属用の調節ユニットが、容器の温度を金属の溶融点を適度に上回る温度範囲に調節するべく設けられている、構成における上述の目的は、ポンプユニットが、液体金属を循環状態においてソースモジュールに移動させるために設けられており、金属の搬送は、リザーバ及びポンプユニットを収容する金属用の取扱いユニットから、供給配管を介して、分離されたソースモジュール内に、提供され、且つ、ソースモジュールから液体金属のリザーバを有する取扱いユニット内に戻るように、高度に加熱された金属をガイドするべく戻り配管が設けられており、ソースモジュールからリザーバへの戻り配管は、重力の作用によって加熱された金属を実質的に層流としてリザーバ内にガイドするために、リザーバに対して所定の勾配を有するまっすぐな傾斜配管として形成されているという点によって充足される。
【００１６】
戻り配管は、好ましくは、ソースモジュール内において加熱された金属が、流れの力が容器の壁に衝突することを伴うことなしに、リザーバ内に伝達される程度にまで、リザーバを有する容器内に延在している。この目的のために、３つの実施形態が適している。
【００１７】
特に単純且つ好ましい一変形形態においては、戻り配管は、リザーバ内に直接的に浸漬するように構成されている。
【００１８】
第２変形形態においては、戻り配管は、リザーバの液体表面の上方に配管端部を有しており、侵食及び腐食に対して高い抵抗力を有すると共に配管端部の下流に配置された偏向要素が、リザーバ内に加熱された金属を伝達するべく、設けられている。
【００１９】
第３変形形態においては、侵食及び腐食に対して高い抵抗力を有するキャッチング要素が、重力の方向において偏向要素とは反対側において位置決めされており、キャッチング要素は、リザーバの表面に対して浅い角度で浸漬するように構成されている。
【００２０】
この目的のために、侵食及び腐食に対して高い抵抗力を有する内側被覆が、少なくとも戻り配管の内側に設けられている。
【００２１】
保守を円滑に実施するために、配管接続部が、配管部品の交換を許容するように液体金属を取り扱うべく、少なくともソースモジュールと容器の間の戻り配管内に設けられている。
【００２２】
更なる好適な構成においては、侵食及び腐食に対して高い抵抗力を有する別個の内側配管が、少なくとも戻り配管の端部領域内に構成されており、内側配管は、配管接続部に起因して、容易に交換可能である。
【００２３】
好ましくは配管部品とオーバーラップしたリングの形態を有する配管接続部が、配管部品よりも小さな熱膨張係数を有する抵抗性材料から形成されている。オーバーラップリングは、有利には、配管部品よりも小さな熱膨張係数を有するチタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、ルテニウム、オスミウム、及びイリジウムを含む元素の群からの金属又は合金から製造されている。
【００２４】
この目的のために、配管接続部は、配管部品とオーバーラップしたＴ字輪郭のリングの形態で構築されている。
【００２５】
内側配管が使用されているケースにおいては、配管接続部は、配管部品よりも小さな熱膨張係数を有する抵抗性材料のオーバーラップリングとして内側配管と直接的に一体化された状態で形成することができる。
【００２６】
リザーバを受け入れる容器は、好ましくは、高さが低い円筒として形成されていると共に水平に配置されており、円筒は、液体金属のリザーバによって８０％未満だけ充填される内部空間を有する。
【００２７】
容器が、円筒の横方向表面内において、液体金属のリザーバの上方において、戻り配管及び供給配管によって貫通されていることが更に有利である。
【００２８】
この目的のために、容器は、円筒のカバー表面を形成する着脱自在のカバーを有する。
【００２９】
本発明の更なる構成においては、スラグセパレータが容器内に設けられており、このスラグセパレータは、プレート形状に形成され、且つ、このスラグセパレータには、リザーバの上部領域内の汚染又は酸化した金属のスラグがポンプユニットの接続配管の接続場所に到達することを防止するために、所定量の穿孔が設けられている。
【００３０】
リチウム、ガリウム、スズ、ガドリニウム、及びテルビウムを含む群からの少なくとも１つの元素又は１つの元素を伴う合金が、有利には、液体金属として使用される。
【００３１】
本発明は、金属冷媒の腐食及び侵食特性を更に考慮するには、冷媒が金属であると共に放射源の領域内の冷却回路において部分的に消費される冷却システムにおいて特殊な対策を施さなければならないという基本的な考え方を前提としている。第１ステップは、わずかであるが無意味ではない、金属の消費を補償するための金属冷媒用のリザーバの形成である。放射源のソースモジュールから戻ってくる高温に加熱された金属は、リザーバ内における混合を通じた即時の冷却を実現するべく、このリザーバに直接的に流入する。第２ステップにおいては、配管壁及び容器壁における浸食を極小化するために、リザーバに向ってわずかに傾斜した配管内において、重力の作用により、可能な限り層流として、高温の金属をリザーバに導入する必要がある。この目的のために、戻り配管は、好ましくは、まっすぐなラインとして延在しており、リザーバの表面に対して浅い進入角度を有しており、且つ、高温の金属が容器の壁に対して直接的に衝突又はスパッタリングすることを防止する減速手段が設けられている。
【００３２】
金属は、負圧下において、ソースモジュールを通じてガイドされるが、電気放電及び付随するプロセス（例えば、プラズマ形成、熱生成、スパッタリングなど）によって発生する加熱は、特に、金属冷媒の化学的活性化、酸化、及び汚染と関連している。結果的に得られる金属中の不純物は、液体金属のリザーバの表面上に所定の種類のスラグとして凝集し、且つ、従って、循環のための液体金属がポンプユニットによってリザーバの下部部分から吸引されると共にソースモジュールの供給配管に対してポンピングされる第３ステップにより、金属の更なる循環から排除することができる。循環の過程において、金属は、一方において、ソースモジュールが動作の準備完了状態にある際に循環が常に液体金属の溶融温度より高く維持され、且つ、他方においては、金属冷媒がパルス放電（通常は、３〜２０ｋＨｚの範囲である）によって高温に加熱された際に特に強力に金属冷媒から熱を抽出し、且つ、ソースモジュールが受動的なフェーズにある際に（例えば、露光の間のアイドル時間）、その冷却パワーが劇的に低減されることを保証する調節ユニットを通じて流動する。
【００３３】
本発明による構成によれば、液体金属の冷却回路内における腐食、侵食、及び汚染によって生じる金属の特性の劣化を極小化すると共に熱及び流れに曝された配管及び容器壁の表面の浸食を極小化しつつ、プラズマに基づいた放射源の回転コンポーネントを冷却する液体金属を取り扱うことができる。更には、保守に関する支出の低減により、冷却システム全体の寿命の顕著な延長が得られる。
【００３４】
以下、実施形態の例を参照し、本発明について更に十分に説明することとする。添付図面は、以下のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】プラズマに基づいた放射源内の回転コンポーネントを冷却する液体金属を取り扱う構成を示す概略図である。
【図２】ソースモジュール（熱源）、取扱いユニットの供給容積、及び取扱いユニットの冷却容積（熱シンク）の間におけるポンプ動作による循環を伴う本発明による構成の例示用の構成であり、この場合に、一点鎖線によって取り囲まれたセクションは、ソースモジュールから到来する戻り配管の入口領域を示しており、その実施形態は、以下の図３ａ〜図３ｃに更に詳細に示されている。
【図３ａ】配管端部に対向するように配置された偏向要素（バッフル）と、リザーバの表面内に浸漬するように配管端部の下方において傾斜したキャッチング要素と、が設けられている取扱いユニット内における戻り配管の入口領域の腐食軽減実施形態であり、偏向要素とキャッチング要素は、いずれも、腐食抵抗性及び侵食抵抗性の材料から製造されている。
【図３ｂ】相互に上下に配置され、同一の方式によって成形され、且つ、浅い傾斜角度でリザーバの表面の下方を貫通する偏向要素及びキャッチング要素を有する戻り配管の出口領域の図３ａの代替構造である。
【図３ｃ】配管端部が、その出口領域がリザーバ表面の下方に完全に位置するところまで、延長されている戻り配管の出口領域の図３ａ及び図３ｂの別の代替実施形態である。
【図４ａ】オーバーラップリングの形態の配管接続部を使用する交換可能な出口領域を有する戻り配管の断面図における戻り配管の出口領域の別の構成である。
【図４ｂ】低温状態（例えば、室温）におけるＴ字輪郭のオーバーラップリングを有する配管接続部の拡大断面図である。
【図４ｃ】加熱された動作状態（液体金属の溶融温度超）におけるオーバーラップリングを有する配管接続部の拡大断面図である。
【図５ａ】交換可能な内側配管を有する戻り配管の断面図における配管接続部の一実施形態であり、オーバーラップリングの輪郭体は、交換可能な内側配管と直接的に一体的に形成されている。
【図５ｂ】冷温状態（例えば、固化した金属冷媒を有する）における内側配管を有する配管接続部の拡大断面図である。
【図５ｃ】加熱された動作状態（金属冷媒の溶融温度超）における内側配管を有する配管接続部の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
その基本構造との関連において、図１による構成は、ソースモジュール１が供給配管３及び戻り配管４を介して取扱いユニット２と連通している冷却回路を含む。短波長の放射線１１を放射するプラズマを生成するソースモジュール１は、液体金属２１の槽内に浸漬する少なくとも１つの回転コンポーネント１３を有し、この金属２１は、主には、冷媒として機能している。又、一般性を制限することなしに、金属２１の溶融物槽１４を通じた回転コンポーネント１３の回転運動の結果として塗布される被覆１５が、レーザー１６の合焦ビーム（又は、その他のエネルギービーム）によって定義された位置においてイオン化された新鮮なエミッタ材料を常に供給するように、放射される放射線１１用のエミッタ材料として、金属２１を更に選択することもできる。この観点において、２つの変形形態が可能である。一方においては、レーザー１６により、このイオン化を、放射線１１を放射するプラズマ１２に直接的に変換することができる（レーザー生成プラズマ（Laser Produced Plasma：ＬＬＰ））。その一方で、破線として示されている要素によって完成する図１の概略図に示されているように、回転コンポーネント１３は、対向するコンパニオン要素１３’と、その間に電気放電を生成するパルス化高電圧源１７と、を有することもできる。このケースにおいては、蒸発したエミッタ材料は、被覆１５上のスポットがレーザー１６によって蒸発した後にのみ、放電電流により、放射線１１を放射する高温プラズマ１２に変換される。
【００３７】
取扱いユニット２は、液体金属２１のリザーバ２２１を有する容器２２と、ポンプユニット２３と、調節装置２４と、を含む。この取扱いユニット２内においては、主に、以下の問題点を解決する必要があり、第１に、ソースモジュール１内において槽１４を充填するために常に十分な液体金属２１が存在しており、且つ、第２に、この液体金属２１の品質が十分なものである（酸化生成物又は汚染物を伴わない純粋な金属又は合金である）ことを保証しなければならない。第３に、高温の液体金属２１は、周囲に対して十分な断熱をも有していなければならない。これらは、いずれも、ソースモジュール１内におけるプラズマ生成プロセスにおいて保証されてはおらず、その理由は、ソースモジュール１内の回路が封止されておらず、且つ、その内部において、金属２１が常に消費されているからである。これは、最大で８０％にまで容器２２内の供給容積２２２を充填すると共に定義された期間にわたって金属２１の消費をオフセットすることができる液体金属２１の十分に大きなリザーバ２２１を維持することにより、考慮され、且つ、酸化物及び不純物（以下、スラグ２１２と呼ぶ）は、金属２１の純度が完全な状態に留まるように、その表面から掬い取ることができる。この目的のために、容器２２内の最も低い地点が、リザーバ２２１から金属２１を除去するべく選択されており、接続配管２２５は、ポンプユニット２３を介して供給配管３の方向に液体金属２１を移動させるために、容器２２の最も低い地点に配置されている。最後に、容器２２は、周囲に対して高温の液体金属２１を断熱するために、負圧状態において配置されている。
【００３８】
更には、スラグセパレータ２２６をリザーバ２２１の内部に設けることが可能であり、このスラグセパレータ２２６は、孔２２７を有する中間壁として、ポンプユニット２３に対して傾斜した状態で、接続配管２２５の上方に配置されている。この結果、金属２１が、既に分離されているスラグ２１２の上部領域とリザーバ２２１内において望ましくない方式で混合することが防止される。
【００３９】
ソースモジュール１を冷却するための回路内の適切な冷媒（液体金属２１）として、リチウム（Ｌｉ）、スズ（Ｓｂ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、及びガリウム（Ｇａ）を含む群からの金属又は合金を使用することができる。通常、この目的に適した（Ｌｉ、Ｓｎ、Ｇｄ、Ｔｂのような）ＥＵＶエミッタが選択されるが、（例えば、米国特許第７，４７６，８８４Ｂ２号明細書、米国特許第７，５３１，８２０Ｂ２号明細書、又は米国特許第７，８００，０８６Ｂ２号明細書において知られているように）エミッタ材料がソースモジュール１に別個に注入される場合には、必ずしも、これらのＥＵＶエミッタを適用する必要はない。
【００４０】
ポンプユニット２３は、封止された方式により、液体金属２１を、リザーバ２２１から、接続配管２２５を介して、リザーバ２２１の上方において容器２２をソースモジュール１用の供給配管３まで横断しているスルーチャネル２２３に伝達する。容器２２を通じた過程において、スルーチャネル２２３は、好ましくは、効率的な冷却（例えば、噴霧冷却又はヒートパイプ）のために大きな表面を実現するように、幅広になっている。この目的のために、容器２２内の冷却容積２２４は、リザーバ２２１の供給容積２２２から封止状態において区切られており、且つ、調節ユニット２４の循環路に含まれている。
【００４１】
図２は、取扱いユニット２の容器２２の側面図を示している。この例においては、ハウジング２２は、高さが低い水平に配置された円筒の形状を有しており、この場合に、底部表面は、ハウジング２２の内部への視界を許容するべく図２においては省略されている着脱自在のハウジングカバー（図示せず）として形成されている。ハウジング２２は、その内部に、相互に封止状態において分離された少なくとも２つのチャンバを有し、即ち、液体金属２１のリザーバ２２１用の供給容積２２２と冷却容積２２４を有する。液体金属２１用のスルーチャネル２２３は、冷却容積２２４を介して望ましい温度レベルに熱調節しなければならず、且つ、ポンプユニット２３から供給配管３を介してソースモジュール１まで延在しているこのスルーチャネル２２３は、すべての側部において冷却容積２２４によって取り囲まれるように、冷却容積２２４に埋め込むことも可能であり、或いは、図２の構造に示されているように、供給容積２２２と冷却容積２２４の間の別個のチャンバとして構成される。
【００４２】
ソースモジュール１内において、液体金属２１は、プラズマ生成によって集中的に加熱され、この場合に、回転コンポーネント１３は、プラズマ１２から放散された熱を溶融物槽１４内に伝達し、且つ、その回転運動に起因し、高温の金属流２１１を戻り配管４内に加速させる。高温の金属流２１１は、重力に起因し、戻り配管４を通じてリザーバ２２１内に自動的にガイドされるが、戻り配管４は、リザーバ２２１の表面Ｓに対して傾斜することにより、高温の金属流２１１を最小限の腐食及び侵食を伴って搬送することができるように、容器２２内に設置されている。戻り配管４は、好ましくは、完全にまっすぐな方式で延在するように、即ち、それが湾曲した配管部分を含むことのないように、構築されている。
【００４３】
戻り配管４からの高温の金属流２１１の直接的な冷却は、リザーバ２２１との混合により、容器２２の供給容積２２２内において行われる。更には、上述のソースモジュール１内において消費された金属２１を置換するためのリザーバの維持以外に、供給容積２２２は、ソースモジュール１内におけるプラズマ生成の際の液体金属２１の「開放」状態における循環に起因して生成されると共に簡潔性を目的としてスラグ２１２として参照されている汚染又は酸化された金属を分離するようにも機能している。この目的のために、供給容積２２２内には、戻り配管４に対して同一の方向に傾斜した中間壁として形成された、孔２２７を有するスラグセパレータ２２６が存在している。スラグセパレータ２２６は、スラグ２１２が凝集するリザーバ２２１の表面Ｓと供給容積２２２の下部部分に装着された接続配管２２５の間に障壁を生成しており、且つ、これにより、金属２１は、ポンプユニット２３によってリザーバ２２１から取り出され、且つ、スルーチャネル２２３及び供給配管３を介してソースモジュール１に再び戻される。
【００４４】
戻り配管４と同一の方向における傾斜が、ソースモジュール１に対する供給配管３と、供給配管３と接続されたスルーチャネル２２３と、にも選択されており、この結果、ポンプユニット２３の上流及び下流における接続配管２２５の傾斜も、これに対して適合するようなものになっている。ポンプユニット２３は、可動部品を有していないポンピング手段を収容しており、且つ、外部からの場効果（ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｅｃｔ）によってのみ、接続配管２２５内に金属２１の流れを生成する。
【００４５】
最も重要なことは、プラズマ１２がソースモジュール１内に生成された際に金属２１の十分な冷却がスルーチャネル２２３内において提供されると共に結果的に回転コンポーネント１３によって溶融物槽１４内に伝達される熱エネルギーが容器２２内に流れ戻る高温の金属流２１１を通じてリザーバ２２１に導入されるという点にある。
【００４６】
供給容積２２２内におけるリザーバ２２１内の混合を通じた直接的な冷却の後に、金属２１は、ポンプユニット２３により、接続配管２２５を通じてスルーチャネル２２３内に移動し、且つ、その内部において、使用されている金属２１の溶融温度よりも適度に（１〜５０Ｋ）高い温度レベルに調節される。
【００４７】
これを実施する際に、調節ユニット２４は、金属２１が大幅に加熱されるようにパルス化された準連続的な方式によって動作するプラズマ生成によって連続動作が実現された際に冷却が特に効率的に動作するように、冷却回路を管理しなければならない。この目的のために、図１に概略的に示されている噴霧冷却が特に適している。但し、冷却容積２２４と調節ユニット２４の間にヒートポンプの原理を実装するステップを採用することもできる。
【００４８】
そうではなく、プラズマ生成が中断される際には、調節ユニット２４は、冷却パワーを極小化するための対策を内蔵しなければならず、従って、必要に応じて、冷媒が金属２１をその溶融温度より高くに加熱するように、調節ユニット２４内において、使用されている冷媒の加熱が提供される。
【００４９】
更には、図２に示されているように、傾斜した方式でリザーバ２２１内に浸漬していると共にスルーチャネル２２３、供給配管３、接続配管２２５、スラグセパレータ２２６、及び戻り配管４などの要素の残りの部分と同一の傾斜によって容器２２内に配置された支柱２２８を提供することもできる。このケースにおいては、支柱２２８は、リザーバ２２１の表面Ｓの現在のレベルを検出するために、例えば、接触センサとして、異なる高さにおいて終端する充填レベルセンサ２２９用の固定基部として同時に使用することが可能であり、且つ、表面Ｓのレベルが最後の充填レベルセンサ２２９にもはや接触しない場合に、リザーバ２２１の再充填を起動することができる。
【００５０】
図２の一点鎖線によって取り囲まれた領域Ａｎは、高速の高温金属流２１１に起因して容器２２の戻り配管４及び供給容積２２２において生じる腐食及び侵食を軽減するための更なるステップを更に詳細に図示するために、後続する図３ａ〜図３ｃに、拡大図として再び示されている。
【００５１】
図３ａは、高温の金属流２１１に対する化学的且つ機械的な抵抗力を有する抵抗性材料の偏向要素４１が戻り配管４の出口開口部に対向するように配置されている戻り配管４の入口領域の構成Ａ１を示している。偏向要素４１は、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、レニウム、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ハフニウム、ルテニウム、オスミウム、又はイリジウム、又はＴＺＭ（チタン、ジルコニウム、及びモリブデンの合金）、炭素、二酸化シリコン、炭化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、或いは、これらに類似した材料のような様々な抵抗性金属から製造することができる。偏向要素４１は、好ましくは、平らなバッフルとして成形されており、且つ、高温の金属流２１１がリザーバ２２１内に偏向するように、戻り配管４の流れの方向に対して所定の角度を有する。戻り配管４の傾斜に起因し、偏向要素４１は、リザーバ２２１の表面Ｓに対して実質的に垂直とすることができる。このケースにおいては、スラグセパレータ２２６は、偏向要素４１を固定するべく設けられている。但し、偏向要素４１は、上部に位置する支柱２２８に対して固定することもできよう。
【００５２】
高温の金属流２１１が偏向要素４１に衝突し、且つ、これによって偏向した後に、戻り配管４の下方において、偏向されると共に既に減速されている金属流２１１が、容器２２の円筒形外側壁に対してほぼ平行にリザーバ２２１内の深いところまでガイドされ、そこで、リザーバ２２１内における金属２１との混合によって冷却されるように、容器２２の円筒形の外側壁の浸食に対する保護のためのキャッチング要素４２が配置されている。
【００５３】
図３ｂは、図３ａから変更された戻り配管４の入口領域の変形形態Ａ２を示している。このケースにおいては、偏向要素４１は、戻り配管４の傾斜に対して適合された湾曲したガイド表面を有しており、且つ、同様に成形されたキャッチング要素４２と対向するように実質的に平行に存在している。上述のように抵抗性材料から製造された偏向要素４１及びキャッチング要素４２は、いずれも、高温の金属流２１１を、リザーバ２２１の表面Ｓの上方から、このケースにおいては偏向要素４１を固定するためにも使用可能であるスラグセパレータ２２６の下方において、ガイドする。但し、偏向要素４１は、キャッチング要素４２と同様に、戻り配管４の入口領域において、又は加熱要素２２８において、容器２２に対して直接的に固定することもできる。
【００５４】
図３ｃは、ソースモジュール１から到来する戻り配管４自体がリザーバ２２１の表面Ｓの下方において高温の金属流２１１を供給容積２２２内に導入している戻り配管４の入口領域の別の好適な構成を示している。戻り配管４は、（供給容積２２２の任意の許容可能な充填レベルにおける）戻り配管４の出口開口部が、リザーバ２２１の表面Ｓの下方に位置し、且つ、好ましくは、高温の金属流２１１がスラグセパレータ２２６の下方において流れることを許容できるように（場合により、リザーバ２２１の表面Ｓに対して相対的に険しい傾斜を有するように）リザーバ２２１内に直接的に浸漬する程度にまで、延在している。このケースにおいては、抵抗性偏向要素４１及びキャッチング要素４２を省略することができる。
【００５５】
取扱いユニット２の寿命の顕著な増大を上述の３つの実施形態によって実現することが可能であり、その理由は、高温の金属流２１１によって大きな応力が印加される戻り配管４の寿命を大幅に延長することが可能であり、且つ、更には、容器２２の壁の侵食の低減も存在するからである。
【００５６】
特に（但し、排他的にではないが）後者の変形形態の場合には、図４ａに示されているように、大きな応力が印加される戻り配管４を交換可能な配管部品４３及び４４に分割することにより、侵食に対する取扱いユニット２の抵抗力の更なる改善を実施することができる。これを実施する際には、戻り配管４は、配管部品４３及び４４に分割され、配管部品４４は、ソースモジュール１と連通し、且つ、配管部品４３は、戻り配管４の端部領域及び出口領域として、相互交換可能である。配管部品４３及び４４は、配管部品４３及び４４よりも小さな熱膨張係数を有する材料から形成されたオーバーラップリング４５を通じて相互に接続される。リング４５のこの特性に起因し、配管部品４３及び４４は、高温動作状態においては（即ち、金属２１が液体凝集状態においてその溶融点より高い際には）、オーバーラップリング４５に対して内側から押圧され、且つ、低温状態においては、単純な方式によって分解可能であることが保証される。この場合にも、図４ｂ及び図４ｃは、それぞれ、拡大断面図Ｂ１及びＢ２において、一方においては、低温状態における（図４ｂ）、且つ、他方においては、高温動作状態における（図４ｃ）、配管部品４３及び４４の図４ａにおいて円によって取り囲まれている接続エリアＢｎを示している。
【００５７】
図４ｂにおいて観察することができるように、オーバーラップリング４５は、好ましくは、Ｔ字輪郭（プロファイル）として構築されており、且つ、配管部品４３及び４４の熱膨張を許容すると共に半径方向よりも長手方向において大きくなっている配管部品４３及び４４との関係に定義された空隙を開放状態において残している。従って、図４ｃにおいては、高温動作状態において、必要に応じて、配管部品４３及び４４の更なる長手方向の膨張のために、（相対的に小さな）空隙が依然として残されているが、半径方向の空隙は、リング４５のオーバーラップした封止表面４６において緊密に閉鎖されており、且つ、従って、オーバーラップリング４５により、液体金属２１用の配管部品４３及び４４の信頼性の高い緊密な接続が形成されている。
【００５８】
又、熱膨張係数とは別に、オーバーラップリング４５用の材料は、液体金属２１からの腐食及び侵食に対する高い抵抗力の観点においても選択される。オーバーラップリング４５に特に適した金属は、周期表の第４、第５、及び第６周期のサブグループのものであり、具体的には、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、ルテニウム、オスミウム、及びイリジウム、並びに、チタン、ジルコニウム、及びモリブデンの合金（ＴＺＭ）である。
【００５９】
図５ａは、侵食が生じやすい戻り配管４の保守を円滑に実施するための図４ａの一代替変形形態を示している。このケースにおいては、戻り配管４の端部領域は、内側配管４７が挿入される相対的に大きな直径を有する外側配管部品４３として形成されている。この内側配管４７は、配管部品４４の方向において一体的に形成されたオーバーラップリング４５を有する交換可能なまっすぐな配管として形成されている。従って、これは、配管部品４３及び４４よりも小さな熱膨張係数を有する抵抗性材料から製造されている。この実施形態の例においては、外側配管部品４３は、容器２２に対して固定状態において接続されている（例えば、溶接又ははんだ付けされている）。
【００６０】
図４ａ〜図４ｃと同様に、図５ａの円によって取り囲まれた接続領域Ｃｎは、それぞれ、一方においては、低温状態（図５ｂ）における、且つ、他方においては、高温動作状態（図５ｃ）における、拡大断面図Ｃ１及びＣ２において示されている。
【００６１】
図５ｂから観察することができるように、この例におけるソースモジュール１から到来する配管部品４４は、配管部品４３及び４４と内側配管４７の一体的に形成されたリング４５の間に外側の粗い（真空気密ではなく、従って、必ずしも、液体金属２１に対して封止状態にもない）長手方向の接触表面が存在するように、内側配管４７を挿入した際に押圧力が一体的に形成されたリング４５及び外側配管部品４３に作用できるようにするための配管カラー４８を有する。
【００６２】
高温動作状態について図５ｃに示されているように、高温の金属流２１１のための実際に信頼性の高い封止が、オーバーラップリング４５の封止表面４６の半径方向の接触押圧によって保証されている。このケースにおいては、内側配管４７と外側配管部品４４の間の半径方向の封止は、生じておらず、且つ、戻り配管４全体の傾斜の観点において不要であり、その理由は、液体金属２１が中空の円筒形の中間空間４９を通じて上昇することが重力によって防止されるからである。更には、中間空間４９内には、毛細管現象も存在しておらず、その理由は、内側配管４７及び外側配管部品４３の表面が、液体金属２１に対する湿潤性を有しておらず、且つ、中間空間４９が、高温状態において更に拡大されるからである。オーバーラップリング４５のみの先行する実施形態の例において説明したように、一体的に形成されたオーバーラップリング４５を有する内側配管４７は、十分に小さな熱膨張と、高温の液体金属２１によって生じる腐食及び侵食に対する十分な抵抗力と、を有する上述の材料のうちの１つから製造される。
【００６３】
ソースモジュール１及び取扱いユニット２の組立及び分解を促進すること以外に、図４ａ〜図４ｃ及び図５ａ〜図５ｃを参照して説明したステップは、とりわけ、損耗コンポーネントの交換の促進を通じた取扱いユニット２の寿命の延長を対象としている。
【符号の説明】
【００６４】
１  ソースモジュール
１１  放射線
１２  プラズマ
１３  回転コンポーネント
１４  溶融物槽
１５  被覆
１６  レーザー
１７  パルス化高電圧源
２  取扱いユニット
２１  液体金属
２１１  金属流
２１２  スラグ
２２  容器
２２１  リザーバ
２２２  供給容積
２２３  スルーチャネル
２２４  冷却容積
２２５  接続配管
２２６  スラグセパレータ
２２７  孔
２２８  支柱
２２９  充填レベルセンサ
２３  ポンプユニット
２４  調節ユニット
３  供給配管
４  戻り配管
４１  偏向要素
４２  キャッチング要素
４３  配管部品
４４  配管部品
４５  オーバーラップリング
４６  封止表面
４７  内側配管
４８  配管カラー
４９  中間空間
Ｓ  （リザーバの金属の）表面
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
2014225437.tif 000008
【図４ｂ】
2014225437.tif 000009
【図４ｃ】
2014225437.tif 000010
【図５ａ】
2014225437.tif 000011
【図５ｂ】
2014225437.tif 000012
【図５ｃ】
2014225437.tif 000013
【外国語明細書】
2014225437000001.pdf
2014225437000002.pdf
2014225437000003.pdf
2014225437000004.pdf