(57)【要約】      （修正有）【課題】チャンバ内で多種プラズマを効果的に発生かつ維持し、プラズマ内のイオンを分離する使用が容易で実施が簡単な装置を得る。【解決手段】物質分離装置が、チャンバと電極を含み、チャンバ内に半径方向に配向した電界をつくる。コイルがチャンバ内に磁界を発生させるために備えられる。分離装置は、更に、高周波数電磁波をチャンバ内に放射し、物質を多種プラズマに変換する。交差した電界と磁界の作用により、多種プラズマの質量の小さいイオンは小さな軌道を描いて、チャンバの端部を通って排出される。他方、質量の大きな軌道を描き、チャンバの壁の位置で捕捉される。【選択図】図２
2004273458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に円筒形の囲壁を有し、長手方向軸線を規定するチャンバと、
前記チャンバに軸線方向の磁界を発生させる手段と、
前記チャンバに前記磁界と交差する電界を発生させる手段と、
前記チャンバに電離帯域を設けるために前記チャンバへ電磁波を放射する手段と、
前記電磁波による加熱により、質量の相対的に大きいイオンと質量の相対的に小さいイオンとを有する多種プラズマを発生させるために、前記電離帯域へ材料を供給する手段と、
前記チャンバ内の交差する前記電界と前記磁界により前記多種プラズマから放出される質量の相対的に大きいイオンを捕集するため、前記囲壁に配置された捕集器とを含むプラズマ・マス・フィルタ。
【請求項２】
前記チャンバが、第１の端部と第２の端部との間に延在し、
前記磁界が、前記第１の端部では磁界の大きさＢ１を有し、前記チャンバの前記第１の端部と前記第２の端部との間では、磁界の大きさＢ０を有しており、Ｂ１はＢ０より大であり、
前記放射する手段が、前記チャンバの第１の端部に配置されており、
前記電磁波が周波数ωを有し、ω＝ｅＢ０／ｍであり、ｅ／ｍが電子の電荷／質量比である請求項１に記載されたプラズマ・マス・フィルタ。
【請求項３】
化学混合物を加熱および電離して多種プラズマ生成するための、かつ、該多種プラズマを、電荷に対する質量の比の相対的に大きいイオンと、電荷に対する質量の比の相対的に小さいイオンとに分離するためのプラズマ・マス・フィルタにおいて、
体積部分を取囲み、該体積部分を通る長手方向軸線を規定し、第１の端部および第２の端部を有する囲壁と、
前記体積部分に磁界を発生させる手段であって、該磁界が、前記囲壁の第１の端部では磁界の大きさＢ１を、前記体積部分の、前記第１の端部と前記第２の端部との間の位置では磁界の大きさＢ０を有し、Ｂ１はＢ０より大であり、前記囲壁の第２の端部では磁界の大きさＢ２を有し、Ｂ２はＢ０より大である、体積部分に磁界を発生させる手段と、
前記体積部分に電離帯域を発生させるため、該体積部分に円偏波を放射する手段であって、該円偏波が周波数ωを有し、ω＝ｅＢ０／ｍであり、ｅ／ｍが電子の電荷／質量比である、円偏波を放射する手段と、
チャンバに電界を発生させる手段であって、該電界が、前記磁界と交差しており、それによって電荷に対する質量の比の相対的に大きいイオンが、前記囲壁へ向かう軌跡に位置させられ、前記囲壁で捕集され、電荷に対する質量の比の相対的に小さいイオンが、前記第２の端部へ向かう軌跡に位置させられ前記第２の端部で捕集される、電界を発生させる手段とを含むプラズマ・マス・フィルタ。
【請求項４】
化学混合物を成分に分離する方法において、
第１と第２の端部の間に延在する実質的に円筒形の囲壁を有し、長手方向軸線を有するチャンバを得る段階と、
前記チャンバ内へガスを導入する段階と、
前記チャンバ内に磁界を発生させる段階であって、該磁界が、前記軸線方向を向いており、前記第１の端部での磁界の大きさＢ１から、前記第１と第２の端部の間での磁界の大きさＢ０へ発散し、前記磁界の大きさＢ０から前記第２の端部での磁界の大きさＢ２へと集束し、Ｂ１はＢ０より大であり、Ｂ２はＢ０より大である、磁界を発生させる段階と、
前記チャンバ内に電離帯域を設けるために、前記チャンバ内へ円偏波を放射する段階であって、該円偏波が周波数ωを有し、ω＝ｅＢ０／ｍであり、ｅ／ｍが電子の電荷／質量比である、円偏波を放射する段階と、
該化学混合物を前記該円偏波によって加熱および電離することにより、質量の相対的に大きいイオンと質量の相対的に小さいイオンとを有する多種プラズマを生成するために、前記電離帯域内へ化学混合物を供給する段階と、
前記チャンバ内に半径方向に配向された電界を発生させる段階であって、該電界及び前記磁界が、前記多種プラズマと相互作用することにより、前記囲壁内へ質量の大きい粒子を放出し、前記チャンバを通過中、該チャンバ内に質量の小さい粒子を閉じ込めることにより前記質量の小さいイオンを前記質量の大きいイオンから分離する、電界を発生させる段階とを含む、化学混合物を成分に分離する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは、多成分材料の成分を分離及び分別する装置と方法とに係り、より詳しく言えば、本発明は、チャンバ内で多種プラズマを効率的に発生、維持し、次いで電荷に対する質量の比（質量／電荷比）に応じて多種プラズマ内のイオンを分離する装置に関するものである。本発明は、とりわけ、プラズマ内の質量の小さい粒子から質量の大きい粒子を分離するフィルタとして有用だが、その用途に限定されない。
【背景技術】
【０００２】
混合された材料の分離又は分別が望ましことには多くの理由がある。混合材料の分離が望ましい１つの用途は、危険な廃棄物の処理および廃棄の場合である。例えば、周知のことだが、核廃棄物全量のうちに少量の放射性核種が含まれているだけで、廃棄物は放射性になる。したがって、核廃棄物の非放射性成分から放射性核種を何らかの方法で分別することができれば、放射性成分の処理及び廃棄が著しく簡単になり、かつコスト低減に結びつく。
実際、混合材料を分離するためには、種々の物理現象に依拠した種々の多くの装置が提案されてきた。例えば、重力に依存して浮遊粒子を溶液から除去して、粒子を分別する沈降タンクは周知であり、多くの用途で広く使用されている。別の例としては、遠心力に依拠して、異なる密度の物質を分離する遠心機も周知であり、広く使用されている。材料を互いに分離するこれらの広く知られた方法及び装置に加えて、特定材料を処理するように特別に設計された装置も存在する。そうした装置の一例がプラズマ遠心機である。
【０００３】
周知のように、プラズマ遠心機は、プラズマ内の荷電粒子を互いに分離する遠心力を発生させる装置である。プラズマ遠心機は、操作時に、必ず中心軸を中心としてプラズマに回転運動が生じさせる。プラズマ遠心機もまた、プラズマ内の荷電粒子（イオン）が、回転中に衝突し合うことに依存している。これらの衝突の結果、プラズマ内の比較的大きい質量のイオンは、遠心機周縁部に集まる傾向がある。他方、これらの衝突によって、小さい質量のイオンは、遠心機周縁領域から概して排除される。しかし、プラズマ遠心機作動時に結果として得られる、相対的に小さい質量のイオンからの大きい質量のイオンの分離は、効果の点で望ましいほど、または求められるほど完全なものではない。
【０００４】
遠心機による作業とは別に、よく知られているのは、磁界内、又は交差した電界と磁界内での荷電粒子（イオン）の軌道運動が、各質量／電荷比に応じて互いに異なることである。したがって、イオン衝突の確率が著しく減少すれば、軌道の力学による粒子分離の改善の可能性が増大する。例えば、２０００年８月１日付でオーカワに交付され、本発明と同じ譲受人に譲渡された「プラズマ・マス・フィルタ」と称する米国特許第６０９６２２０号に開示された装置では、チャンバ内の交差した電界と磁界内での荷電粒子の種々の予測可能な軌道運動によって、荷電粒子が互いに分離される。オーカワの前記特許に開示されたフィルタでは、磁界が軸線方向に配向され、電界が軸線から外向きに半径方向に配向されており、磁界と電界の双方とも、方位角によっても軸線方向についても実質的に一様である。更にオーカワの前記特許に開示されているように、この電界と磁界の配置により、相対的に小さな質量／電荷比を有するイオンが、チャンバ通過時にチャンバ内に閉じ込められる。他方、相対的に大きな質量／電荷比を有するイオンは、閉じ込められず、これらのより大きい質量のイオンは、チャンバ通過を終える前にチャンバ内で捕集される。大きな質量のイオンと小さな質量のイオンとを区分するのは、カット・オフ質量Ｍｃであり、該質量Ｍｃは、磁界強度の大きさＢと、長手方向軸線に沿った正電圧Ｖｃｔｒと、円筒形チャンバの半径ａとを設定することによって得られる。Ｍｃは、式Ｍｃ＝ｅａ２（Ｂ）２／８Ｖｃｔｒにより決定される。
【０００５】
大部分のプラズマ関連用途の場合、エネルギーは、概して、プラズマの発生と維持に消費される。プラズマの発生と維持に要するエネルギーを最小化するためには、多くの努力がなされてきた。これまでに、プラズマによる被着用に電子サイクロトロン加熱（ＥＣＨ）処理が開発されたが、この処理では、電磁波が、プラズマを発生し維持するためにプラズマ・チャンバ内に放射される（例えばリーバーマン著「プラズマ放電及び材料処理の原理」ウイリィ・インタサイエンス、第４１２頁〜第４１５頁参照）。
【０００６】
プラズマ内を伝搬する電磁波の一般的な分散関係式は、次のように書くことができる。    
【０００７】
Ｔａｎ２θ＝−Ｋ‖(Ｎ２−Ｋｒ)(Ｎ２−Ｋｌ)／((Ｎ２−Ｋ‖)(Ｋ⊥Ｎ２−ＫｌＫｒ))    ［１］
この式において、θは磁界Ｂに対する電磁波の伝搬角度、Ｎは屈折率（すなわちＮ＝ｃｋ／ω）であり、ここで、ｃは光速、ｋは波動ベクトル、ｎｅは電子密度、ｅは電子荷、ωは周波数である。イオン・サイクロトロン及びイオン・プラズマの周波数より大きい周波数の場合は、次式で表される。
【０００８】
Ｋｒ＝１−ωｐ２／（ω（ω―ωｃ））
Ｋｌ＝１−ωｐ２／（ω（ω＋ωｃ））
Ｋ⊥＝１−ωｐ２／（ω２―ωｃ２）
Ｋ‖＝１−ωｐ２／ω２
この式において、ωｃ＝ｅＢ／ｍｃ＝１．８×１０１１Ｂと、ωｐ２＝ｎｅ２／（ε０ｍｃ）＝５７ｎ１／２は、電子サイクロトロン周波数および電子プラズマの周波数である。
【０００９】
磁界に沿った伝搬θ＝０の場合、方程式［１］の分子は必ずゼロになり、伝搬θ＝π／２の場合は、分母が必ずゼロとなる。これらの解で主波が与えられる。右旋だ円偏波は、ω＝ωｃｅが共鳴共鳴エネルギー吸収を生じさせる場合、電子と同期して回転する。また、衝突吸収が働くこともあり、該吸収はω＝ω＋ｉνと置き換えることで評価できる。高周波の伝搬及び吸収の物理学では、プラズマ・マス・フィルタを電子サイクロトロン波で加熱する２つの手法が導かれる。第１の手法は共鳴波を利用するもので、その場合、該共鳴波は、磁界に沿って放射され、磁界は放射装置から離れるにつれて減少するように選択され、共鳴磁界は、加熱が求められる箇所では軸線方向に位置する。第２の手法は、磁界に直角の空洞内で半径方向に伝搬する電磁波θ＝π／２を利用するものである。この手法では、電子プラズマ周波数を超える高周波が要求され、衝突吸収に依存する。θ＝０の場合、電子と同期する電磁波を選択することにより、方程式［１］は、次のように書くことができる。
ｋ２／ｋ０２＝１−ωｐ２／（ω（ω−ωｃ））        ［２］
この式において、ｋ０＝ω／ｃであり、直角の伝搬θ＝π／２の場合、分散関係式は、次のように書くことができる。
【００１０】
ω＞ωｃに対して、
ｋ２／ｋｏ２＝Ｋ１Ｋｒ／Ｋ⊥〜（１−ωｐ２／ω２）      ［３］
放射装置の一端から磁界に沿って放射される電磁波の場合、θ＝０である。前記分散関係式は、ω＜ωｃの領域の場合、円偏波が、どのようなプラズマ密度でも伝搬し、ω＝ωｃの領域の場合、円偏波が著しく減衰することを示している。ω＝ωｃの領域の場合、共鳴帯域が発生し、かつガス／プラズマの電離及び加熱が生じる。更に、チャンバ内の共鳴帯域の位置は、チャンバ内の磁界の適正な分布によって制御できる。
【００１１】
例えば、磁界がＢ１のチャンバの第１端部から、磁界がＢ０のチャンバ中央まで発散する磁界を有するチャンバを考え、Ｂ１＞Ｂ２であるとする。周波数ωを有する円偏波
ω＝ｅＢ０／ｍ                                        ［４］
が、チャンバの第１端部からチャンバ中央へ放射される場合、円偏波は、共鳴帯域へ伝搬される。これは、Ｂ＞Ｂ０の領域ではω＜ωｃだからである。更に、円偏波は、Ｂ＝Ｂ０及びω＝ωｃの共鳴帯域で大幅に吸収される。共鳴帯域でプラズマの加熱及び電離が生じるのは、円偏波の回転電界がプラズマ電子の回転軌道に合致するからである。このため、電子は、実質的に静電界を印加され、該静電界が電子を著しく加速させる。加速された電子と他の電子とイオンとの衝突が発熱を生じさせる。
周波数２．４５ＧＨｚの円偏波（すなわちマイクロ波スペクトルの電磁波）の例では、共鳴帯域は約Ｂ０＝０．０８５Ｔである。プラズマ密度ｎが１０１８ｍ−３の場合、プラズマ周波数はωｐ＝５．７×１０１０／ｓである。
【００１２】
磁界に対して直角に放射される電磁波θ＝π／２の場合、周波数は、電磁波の伝搬が保証される十分に大きい値が選択され、吸収は共鳴ではなく、衝突による。衝突吸収は、当面の条件では概して大きくないので、重要なことは、効率的な加熱を得るには、大きなＱ値の空洞内に浸漬されたプラズマを得ることである。目標作用点での電子プラズマ周波数を僅かに超える周波数を選択するのが良い選択である。１ｅＶの電子の場合の電子衝突周波数は、ν〜２．９×１０−１１ｎ、又は１０１８ｍ−３の密度ｎの場合には約２．９×１０７であり、ν／ωｐ〜５×１０−４の比が得られる。ω＞ωｐ＞ωｃの場合の電磁波ベクトルの虚数部から減衰長さを評価すると、次式が得られる。
【００１３】
ｋｉ＝（ν／２Ｃ）（ωｐ２／ω２）／（１−ωｐ２／ω２）１／２
〜（ν／２Ｃ）（ωｐ２／ω２）
〜５×１０−２０ｎ（ωｐ２／ω２）ｍ−１                      ［５］
したがって、減衰長さは１００ｍ程度であるから、適切な減衰を保証するには１０３程度の電磁波の走行が可能な十分に大きいＱ値の空洞を有することが望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前記に照らして、本発明の目的は、チャンバ内で多種プラズマを効果的に発生かつ維持し、次いで各質量／電荷比に応じて多種プラズマ内のイオンを分離するために適当な装置および方法を得ることにある。本発明の別の目的は、有効加熱帯域のプラズマ内での位置を、フィルタ内の磁界分布を変えることによって調節し得るプラズマ・マス・フィルタ用の加熱源を得ることにある。本発明の更に別の目的は、低真空状態で破壊を受けるプラズマ・チャンバ内の高電圧部品を要しないプラズマ・マス・フィルタ用加熱源を得ることにある。本発明の更に別の目的は、使用が容易で、比較的実施が簡単な、比較的費用効果のよい、多成分材料の成分を分離する装置と方法を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
概観すると、本発明は、多成分材料の成分を分離かつ分別する装置および方法に関するものである。特に本発明の使用時には、多種プラズマは、まず最初に高周波加熱を利用して多成分材料から作られる。多種プラズマが作られると、交差した電界と磁界を利用してプラズマ内の質量／電荷比の相対的に小さいイオンが、プラズマ内の質量／電荷比の相対的に大きいイオンから分離される。
【００１６】
より詳しく言えば、本発明による装置は、実質的に円筒形の囲壁を有するチャンバを含み、該囲壁がチャンバ第１端部とチャンバ第２端部との間に延在している。該円筒形囲壁は、長手方向軸線を中心としている。チャンバ囲壁の外側には、磁気コイルが選択的に配置され、チャンバ内に、実質的に長手方向軸線に沿った方向の磁界が発生するように起動される。第１の態様では、チャンバ内に発生する磁界は、チャンバ第１端部での大きさＢ１から、チャンバの第１端部と第２端部間の帯域での大きさＢ０へ発散するが、この場合、Ｂ１はＢ０より大である（Ｂ１＞Ｂ０）。磁界は、大きさがほぼＢ０の帯域から、大きさＢ２を有する第２端部へ向かって集束する。Ｂ２はＢ０より大であり（Ｂ２＞Ｂ０）、したがってＢ１＞Ｂ０＜Ｂ２である。一具体例では、磁界は、チャンバの第１、第２双方の端部で大きさが実質的に等しい（Ｂ１＝Ｂ２）。構成の協働により、磁界は、チャンバ第１端部から前記帯域へ向かって大きさが減少する一方、チャンバ第２端部から前記帯域へ向かっても大きさが減少する。この態様で重要な点は、大きさＢ０の磁界強度を有する帯域が、チャンバ内の第１と第２の端部間に作り出される点である。
【００１７】
第１態様の説明を続けると、１つ以上の放射装置がチャンバの一端又は両端に備えられ、これにより、円偏波が長手方向軸線と実質的に平行方向にチャンバ内へ放射される。本発明の場合、円偏波は、周波数ωを有するように発生せしめられ、その場合、ω＝ｅＢ０／ｍであり、ｅ／ｍは、電子の電荷／質量比（ｅ／ｍ＝１．８×１０１１Ｃ／ｋｇ）である。更に、各円偏波のＥベクトルの回転方向は、磁界の電子軌道の回転方向と合致するように選択される。前記の分散関係式にしたがって、周波数ωの円偏波は、チャンバ端部から、磁界がほぼＢ０の帯域へ伝搬できる。
【００１８】
供給物は、大小の質量の成分を有するどのような混合物でもよく、該供給物がチャンバに導入されると、ＥＣＨを受ける。特に磁界がほぼＢ０の帯域（すなわち共鳴帯域）では、該帯域内の電子が、円偏波によって加速される。加速された電子は、供給物からの中性粒子、イオン、その他の電子と衝突し、衝突の結果、中性粒子の電離と電子の加熱が生じる。共鳴帯域での電離及び加熱により、チャンバ内に相対的に大きい質量／電荷比（Ｍ１）のイオンと、相対的に小さい質量／電荷比（Ｍ２）のイオンとを有する多種プラズマが発生し維持される。
【００１９】
本発明の装置は、更にチャンバ内に半径方向に配向された電界を生じさせる１つ以上の電極を含んでいる。特に、該電極は、長手方向軸線に沿って正の電圧（Ｖｃｔｒ）を発生させ、チャンバ囲壁の位置で実質的にゼロ電位となる。交差した電界と磁界により、共鳴帯域に発生するイオンで、相対的に小さい質量／電荷比（Ｍ２）を有するイオンは、チャンバ内に閉じ込められた状態でチャンバを通過し、チャンバの一端から放出される。他方、共鳴帯域に発生するイオンで、相対的に大きい質量／電荷比（Ｍ１）を有するイオンは、そのようには閉じ込められた状態にはならない。その代わり、より大きい質量の該イオンは、チャンバ通過を完了する前に、共鳴帯域近くの囲壁内側に取付けた高質量イオン捕集器に衝突する。特に、長手方向軸線からの距離ａｃに位置する高質量イオン捕集器の場合、カット・オフ質量Ｍｃより大きい質量Ｍ１を有するイオンが共鳴帯域近くの囲壁の位置で捕集されるが（Ｍ１＞Ｍｃ）、その場合、
Ｍｃ＝ｅａｃ２（Ｂｃ）２／８Ｖｃｔｒ
であり、この式において、ｅはイオン電荷、Ｂｃは高質量イオン捕集器の端部での磁界である。
【００２０】
本発明の別の態様では、半径方向の電界が、前記のチャンバ内に発生せしめられる。また、軸線方向に整合された一様な磁界を発生させるために、コイルが備えられ、該磁界が、チャンバ内で磁界強度Ｂ０を有している。この態様では、高周波の電磁偏波が、実質的に半径方向の経路に沿ってチャンバ内へ放射され、衝突吸収を介してチャンバ内にプラズマが発生かつ維持される。
間隔をおいた１対の反射器がプラズマの周囲に配置され、反射器間に大きいＱ値の空洞が形成される。このように協働する構成により、チャンバ内へ放射された電磁波は、反射器間を往復走行することができる。電磁波が、反射器間を走行するたびにプラズマと相互作用し、衝突吸収を介してプラズマを加熱する。プラズマが発生すると、前記のように交差した電界と磁界内で分離される。
【実施例１】
【００２１】
本発明の新規性ある特徴及び本発明自体は、その構成及び操作双方について、以下で、添付図面を参照して説明することにより最もよく理解されるであろう。図において、類似の部材には、類似の符号が付されている。
【００２２】
まず図１を見ると、多成分材料の成分を分離かつ分別するプラズマ・マス・フィルタが示され、全体を符号１０で示されている。図示のように、フィルタ１０は囲壁１２を含み、該囲壁が第１端部１６から第２端部１８まで延在している。更に、図示のように、囲壁１２は、共通の軸線２４を中心とした３つの円筒部分２０，２１，２２から成るのが好ましい。図１と図２を相互参照すると、囲壁１２がチャンバ２５を取囲んでいることが分かる。本発明によれば、材料２６は、フィルタ１０のチャンバ２５内へ、多種プラズマへの転換用の装入機２８を用いて、（矢印方向に）半径方向に導入される。本発明の場合、考えられる材料２６は、広範囲の種々の混合物、例えば、化学混合物、アイソトープ混合物、高い放射能を有する物質を含有する混合物、その他分離の必要のある混合物等、どのような混合物でもよい。
【００２３】
図１と図２の相互参照を続けると、チャンバ２５内に磁界を発生させるために、コイル３０ａ〜３０ｄが、囲壁１２の外側に配置されている。例示した磁界線３４は、チャンバ２５内に実質的に長手方向軸線２４に沿った方向に生じる磁界を示している。フィルタ１０内で利用するため、磁界は、チャンバ２５内に作られ、該磁界が、チャンバ２５の第１端部１６での大きさＢ１から、チャンバ２５の第１端部１６と第２端部１８との間の帯域３６での大きさＢ０へ発散するが、その場合、Ｂ１はＢ０より大である（Ｂ１＞Ｂ０）。磁界の大きさがほぼＢ０の帯域３６から、磁界は、磁界の大きさがＢ２のチャンバ第２端部１８へ向かって集束するが、その場合、Ｂ２はＢ０より大である（Ｂ２＞Ｂ０）。フィルタ１０の一実施形式では、磁界が、チャンバ２５の第一端部１６と第２端部１８とで実質的に等しい大きさを有している（Ｂ１＝Ｂ２）。構成のこのような協働により、磁界は、チャンバ第１端部１６から帯域３６へ向かって大きさが減少し、他方、チャンバ第２端部１８から帯域３６へ向かっても大きさが減少する。重要な点は、帯域３６が、大きさＢ０の磁界強度を有する点である。例示したコイル３０ａ〜ｄは、図２に示した前記の磁界分布を生じさせるためのものだが、磁界の集束と発散を生じさせる適当な公知の装置及び方法を、本発明で使用できることが理解されよう。
【００２４】
更に図１及び図２を参照すると、フィルタ１０が、第１端部１６に配置された放射器３８ａと第２端部１８に配置された放射器３８ｂとを含むことが分かる。フィルタ１０で使用するため、各放射器３８ａ，ｂは、長手方向軸線２４と実質的に平行方向にチャンバ２５内へ円偏波を放射するように構成されている。円偏波は、アンテナ、導波管、その他適当な形式の公知技術のいずれかを使用することで発生させることができる。重要な点は、フィルタ１０で使用する場合、円偏波は、周波数ωを有するように発生させる点であり、その場合、ω＝ｅＢ０／ｍであり、ｅ／ｍは電子の荷電／質量比である。更に、円偏波のＥベクトルの回転方向は、磁界内での電子軌道の回転方向と合致するように選択される。背景技術の項目で既に説明した分散関係式にしたがって、周波数ωの円偏波は、磁界強度がＢ０を超えるチャンバ２５の帯域を通って伝搬できる。したがって、放射器３８ａが発生させる周波数ωの円偏波は、第１端部１６と帯域３６との間での磁界強度がＢ０を超えるため、磁界がほぼＢ０の帯域３６へ伝搬できる。同じように、第２端部１８と帯域３６との間では磁界強度がＢ０を超えるので、放射器３８ｂが発生させる周波数ωの円偏波は、磁界がほぼＢ０の帯域３６へ伝搬できる。
【００２５】
磁界がほぼＢ０の帯域３６（すなわち共鳴帯域）では、円偏波は、自由電子と相互作用し、自由電子を加速させる。加速された電子は、中性粒子、イオン、その他の電子と衝突し、この衝突の結果、中性粒子が電離し、電子が加熱される。帯域３６でのこの電離及び加熱により、チャンバ２５内でのプラズマの発生と維持が可能になる。したがって、チャンバ２５の帯域３６へ供給される材料２６は、相対的に大きい質量／電荷比Ｍ１のイオンと、相対的に小さい質量／電荷比Ｍ２のイオンとを有する多種プラズマに転換される。
【００２６】
材料２６が多種プラズマに転換されると、相対的に大きい質量／電荷比Ｍ１のイオンが、相対的に小さい質量／電荷比Ｍ２のイオンから分離かつ分別される。イオンの分離のため、フィルタ１０は、電界Ｅｒを発生させる電極４０ａ，ｂを含み、該電界は、チャンバ２５内で半径方向に配向される。図示のように、電極４０ａ，ｂは、複数の円環から成り、該円環は、長手方向軸線２４を中心として同心的に、第１端部１６に配置されている。フィルタ１０で使用される場合、電極４０ａ，ｂは、長手方向軸線２４に沿って正電圧Ｖｃｔｒを加え、囲壁１２では実質的に電位はゼロとなる。
【００２７】
プラズマ・マス・フィルタ１０の操作時には、チャンバ２５は、先ず真空に排気される。幾つかの用途では、先ず放電ガスがチャンバ２５に導入され、コイル３０ａ〜ｄ及び放射器３８ａを作動させて、プラズマ放電を発生させる。他の用途では、材料２６が直接チャンバ２５内へ導入され、コイル３０ａ〜ｄ及び放射器３８ａ，ｂを作動させることで、プラズマ放電を発生させる。いずれの場合も、プラズマ放電が発生すると、材料２６が、装入機２８を使用してチャンバ２５内へ半径方向に導入される。好ましくは、材料２６は、帯域３６内へ半径方向に装入され、イオンに転換される。フィルタ１０の場合、材料２６がチャンバ２５内へ連続的に、又はバッチで供給可能となるように考えられている。一旦、チャンバ２５の内部へ導入されれば、材料２６は、放射器３８ａ，ｂが発生させる円偏波で加熱される電子を介して多種プラズマに転換される。
【００２８】
チャンバ２５内の交差した電界と磁界に応じて、相対的に小さい質量／電荷比を有する多種プラズマ内のイオン（すなわち低質量イオン４２）は、長手方向軸線２４を中心とする小半径の螺旋軌道上を移動する。低質量イオン４２自体は、チャンバ２５内部に閉じ込められた状態でチャンバ２５を通過し、図示のように、チャンバ２５の両端から放出される。他方、相対的に大きい質量／電荷比を有するイオン（高質量イオン４４）は、長手方向軸線２４を中心とする大半径の螺旋軌道上を移動するため、閉じ込められた状態とはならない。これらの高質量イオン４４は、チャンバ２５を通過し終る前に、囲壁１２の内側に取付けた高質量イオン捕集器４６により捕集される。
【００２９】
特に、長手方向軸線２４から距離ａｃにある高質量イオン捕集器４６の場合、カット・オフ質量Ｍｃより大きい質量Ｍ１（Ｍ１＞Ｍｃ）を有する、帯域３６で発生するイオンは、高質量イオン捕集器４６で捕集され、その場合、
Ｍｃ＝ｅａｃ２（Ｂｃ）２／８Ｖｃｔｒ
であり、この式において、ｅはイオン電荷、Ｂｃは高質量イオン捕集器４６の端部４８での磁界である。帯域３６内に発生しカット・オフ質量Ｍｃより小さい質量Ｍ２（Ｍ２＜Ｍｃ）を有するイオンは、チャンバ２５を通過して、チャンバ２５の両端１６，１８から放出される。チャンバ２５内での多種プラズマの分離中、追加材料２６をチャンバ２５内へ供給して、分離することができる。前記のように、円偏波は、電子を加熱することによってチャンバ２５内でプラズマを維持する。
【００３０】
円偏波によりプラズマが発生、維持された後、円偏波は止められ、ヘリコン波をチャンバ２５内へ放射して、プラズマを維持することができる。ヘリコン波の使用により、幾つかの用途で必要とされるより高密度のプラズマを得ることができる。本発明と共に使用するためのヘリコン波を発生させる適当な装置及び方法は、フリーマン他により２０００年８月８日付で出願された出願番号第０９／６３４９６２号の「プラズマ産生を起動する装置と方法」と称する出願に開示されており、該出願は、本発明と同じ譲受人に譲渡されたものである。ヘリコン波を円偏波の代わりに使用すると、発散／集束磁界は不要になる。コイル３０ａ〜ｄ自体を調節して、軸線方向かつ方位角方向双方に一様な磁界を発生させることができる。
【実施例２】
【００３１】
次に図３を見ると、プラズマ・マス・フィルタの別の実施例が、全体を符号１１０で示されている。図示のとおり、この実施例では、フィルタ１１０は、囲壁１１２を有し、該囲壁が、第１端部１１６から第２端部１１８まで延在し、軸線１２４を中心として形成されている。また、囲壁１１２は、チャンバ１２５を取囲んでいることが分かる。この実施例の場合、材料１２６は、ポート１２８からチャンバ１２５内へ供給され、多種プラズマに転換される。
【００３２】
続けて図３を見ると、コイル１３０ａ，ｂが、囲壁１１２の外側に配置され、チャンバ１２５内に磁界が加えられる。例示した磁力線１３４は、結果として得られた磁界を示し、該磁界は、チャンバ１２５内で実質的に軸線１２４に沿った方向を有している。フィルタ１１０に使用する場合、チャンバ１２５内に設けられる磁界は、チャンバ１２５の第１端部１１６での大きさＢ１から、チャンバ１２５の第１端部１１６と第２端部１１８との間の帯域１３６での大きさＢ０へ向かって発散するが、その場合、Ｂ１はＢ０より大である（Ｂ１＞Ｂ０）。磁界の大きさがほぼＢ０である帯域１３６とチャンバ１２５の第２端部１１８との間で、磁界の大きさは、図示のように、実質的に一様である。重要な点は、帯域１３６が、大きさＢ０の磁界強度を有する点である。
【００３３】
更に図３を見ると、フィルタ１１０は、第１端部１１６に配置された単一の放射器１３８を含み、長手軸線１２４と実質的に平行にチャンバ１２５内へ円偏波を放射することが分かるだろう。円偏波は、周波数ωを有するように設定され、この場合、ω＝ｅＢ０／ｍであり、ｅ／ｍは電子の電荷／質量比である。更に、円偏波のＥベクトルの回転方向は、磁界内での電子軌道の回転方向と合致するように選択されている。背景技術の項で説明した分散関係式にしたがって、周波数ωの円偏波は、磁界強度がＢ０を超えるチャンバ１２５を通って伝搬できる。したがって、放射器１３８が発生させる周波数ωの円偏波は、磁界がほぼＢ０の帯域１３６へ伝搬できる。なぜなら、磁界強度は第１端部１１６と帯域１３６との間ではＢ０を超えるからである。
【００３４】
磁界がほぼＢ０の帯域１３６（すなわち共鳴帯域）では、円偏波は、自由電子と相互作用し、自由電子を加速する。加速された電子は、中性粒子、イオン、その他の電子と衝突し、衝突の結果、中性粒子が電離し、電子が加熱される。帯域１３６でのこの電離及び加熱により、チャンバ１２５内でのプラズマの発生及び維持が可能になる。これにより、チャンバ１２５内へ供給される材料１２６が、相対的に大きい質量／電荷比Ｍ１のイオンと、相対的に小さい質量／電荷比Ｍ２のイオンとを有する多種プラズマに転換される。
【００３５】
材料１２６が多種プラズマに転換されると、相対的に大きい質量／電荷比Ｍ１のイオンは、相対的に小さい質量／電荷比Ｍ２のイオンから分離かつ分別することができる。イオン分離のために、フィルタ１１０は、電界Ｅｒを設けるための電極１４０を含み、該電界は、チャンバ１２５内で半径方向に配向されている。図示のとおり、電極１４０は、複数の円環から成り、該円環が、長手方向軸線１２４を中心として同心的に、第１端部１１６に配置されている。フィルタ１１０の場合、電極１４０は、長手方向軸線１２４に沿って正電圧Ｖｃｔｒを発生させ、かつ壁部１１２で実質的に電位がゼロとなる。
【００３６】
チャンバ１２５内の交差した電界と磁界に応じて、相対的に小さい質量／電荷比を有する多種プラズマ内のイオン（すなわち低質量イオン１４２）は、長手方向軸線１２４を中心とする小半径の螺旋状軌跡を描く。低質量イオン１４２自体は、チャンバ１２５を通過中はチャンバ１２５内に閉じ込められ、図示のように、チャンバ１２５の第２端部１１８から放出される。他方、相対的に大きい質量／電荷比のイオン（すなわち高質量イオン１４４）は、長手方向軸線１２４を中心とする大半径の螺旋状軌跡を描き、したがって閉じ込められない。それらの高質量イオン１４４は、衝突し、チャンバ１２５を通過し終る前に、囲壁１１２に配置された高質量イオン捕集器１４６によって捕集される。
【実施例３】
【００３７】
次に図４と図５とを相互参照すると、プラズマ・マス・フィルタの別の実施例が、全体を符号２１０で示されている。図示のとおり、この実施例では、フィルタ２１０は囲壁２１２を含み、該囲壁が、第１端部２１６から第２端部２１８まで延在し、軸線２２４を中心として形成されている。また囲壁２１２がチャンバ２２５を取囲んでいることが分かる。この実施例では、装入機２２８が備えられ、半径方向の経路に沿って材料２２６がチャンバ２２５内へ供給され、多種プラズマに転換される。
図４及び図５について続けると、コイル２３０ａ〜ｄが囲壁２１２の外側に配置され、チャンバ２２５内に磁界を発生させていることが分かる。フィルタ２１０内で使用する場合、軸線方向に整合された磁界は、実質的に一様な磁界強度Ｂ０を有するように、チャンバ２２５内に設けることができる。図から分かるように、フィルタ２１０は放射器２３８を含み、該放射器が、第１端部２１６と第２端部２１８との中間に配置され、実質的に半径方向経路に沿って、高周波の円偏波４９をチャンバ２２５内へ放射する。一実施形式では、チャンバ２２５内へ放射される円偏波４９は、目標の作用箇所での電子プラズマ周波数より僅かに高い周波数を有している。
【００３８】
更に図示のとおり、フィルタ２１０は、距離をおいた１対の反射器５０ａ，ｂ（例えばミラー）を含み、該反射器が、プラズマを囲むように配置され、かつ反射器間に大きいＱ値の空洞５２を形成する。このように協働する構成により、円偏波４９は、チャンバ２２５内へ放射され、反射器５０ａ，ｂ間を前進および後進できる。円偏波４９が反射器５０ａ，ｂ間を走行する度に、空洞５２内の材料２２６及びプラズマと相互作用し、衝突吸収を介して材料２２６及びプラズマを加熱する。この熱が、またチャンバ２２５内でのプラズマの発生及び維持に利用できる。
【００３９】
こうして、チャンバ２２５内へ供給される材料２２６は、相対的に大きい質量／電荷比Ｍ１のイオンと、相対的に小さい質量／電荷比Ｍ２のイオンとを有する多種プラズマに転換される。材料２２６が多種プラズマに転換されると、相対的に大きい質量／電荷比Ｍ１のイオンが、相対的に小さい質量／電荷比Ｍ２のイオンから分離かつ分別される。イオン分離のために、フィルタ２１０は、電界Ｅｒを印加するための電極２４０ａ，ｂ（図４参照）を含み、該電界は、チャンバ２２５内で半径方向に配向されている。図示のとおり、電極２４０は、複数の円環から成り、該円環が、長手方向軸線２２４を中心として同心的に、第１端部２１６に配置されている。フィルタ２１０の場合、電極２４０は、長手方向軸線２２４に沿って正電圧Ｖｃｔｒを印加し、かつ囲壁２１２では実質的に電位がゼロとなる。
【００４０】
チャンバ２２５内の交差した電界と磁界に応じて、相対的に小さい質量／電荷比を有する多種プラズマ内のイオン（すなわち低質量イオン２４２）は、長手方向軸線２２４を中心として小半径の螺旋状軌跡を描く。低質量イオン２４２自体は、チャンバ２２５を通過中にチャンバ２２５内に閉じ込められ、図示のとおり、第１端部２１６及び第２端部２１８から放出される。他方、相対的に大きい質量／電荷比のイオン（高質量イオン２４４）は、長手方向軸線２２４を中心として大半径の螺旋状軌跡を描き、したがってチャンバ２２５内に閉じ込められない。これら高質量イオン２４４は、衝突し、チャンバ２２５の通過を終える前に、囲壁２１２の内側に取付けた高質量イオン捕集器２４６ａ〜ｄにより捕集される。
【００４１】
本発明の目的は、ここに図示し、かつ詳細に説明した、特に高周波の加熱式プラズマ・マス・フィルタにより完全に達成可能であり、かつ前記の利点を得ることができるが、該フィルタは、本発明の現時点で好適な実施例を示すものに過ぎず、ここに示した詳細な構成及び設計に限定されるものではなく、本発明は、特許請求の範囲の記載にのみ規定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】電子サイクロトロン加熱を利用してプラズマを発生、維持するプラズマ・マス・フィルタの略示斜視図。
【図２】図１の２−２線に沿って切断したプラズマ・マス・フィルタの断面図。
【図３】電子サイクロトロン加熱を利用してプラズマを発生、維持するプラズマ・マス・フィルタの別の実施例の、図２同様の断面図。
【図４】プラズマを高周波を利用した衝突吸収により発生させ維持するプラズマ・マス・フィルタの別の実施例の、図２同様の断面図。
【図５】図４の５−５線に沿って切断した、図４のプラズマ・マス・フィルタの断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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