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 ICR ³ 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 1CV ² s, besonders bevorzugt weniger als 1CV ⁴ s, noch mehr bevorzugt weniger als 1CV ⁵ oder 1CV ⁶ s, komprimiert. Das Plasma wird auf bevorzugt zumindest 10 ⁵ Kelvin, besonders bevorzugt zu mindest 4*10 ⁵ Kelvin, noch mehr bevorzugt zumindest 10 ⁶ 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 (V _A) 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 (V _A ) kleiner oder gleich der Schallgeschwindigkeit der im Magnet feld befindlichen Materie. Es ist bevorzugt, wenn die Alfven- Geschwindigkeit (V _A ) 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 lCü ⁹ Sekunden, während die Kompression selbst beispielsweise lCü ⁶ 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 10 ¹⁸ J, besonders bevorzugt weniger als 10 ¹⁷ J, noch mehr bevorzugt weniger als 10 ¹⁶ J, beträgt und/oder deren kine tische Energie einer Temperatur entspricht, die bevorzugt weni ger als 10 ⁴ K, besonders bevorzugt weniger als 5*10 ⁴ K, noch mehr bevorzugt weniger als 10 ⁵ 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 (10 ² mbar bis 10 ³ 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.