Filtro (10) para plasma de banda prohibida que permite el paso selectivo de unos iones (28) de una primera relación de masa / carga (m1) a través de aquél,

en el que m1 es inferior a una masa límite, Mc, comprendiendo dicho filtro: un medio para introducir un plasma, que incluye dichos iones m1, dentro de una cámara hueca, de forma sustancialmente cilíndrica (14), definiendo dicha cámara un eje geométrico (16) y que está rodeada por una pared (12); un medio magnético (18) para establecer un campo magnético sustancialmente uniforme (B) estando orientado dicho campo magnético a lo largo de dicho eje geométrico dentro de dicha cámara; un medio (20) para crear un campo eléctrico (E), en el que dicho campo eléctrico está orientado en una dirección sustancialmente radial con respecto a dicho eje geométrico para cruzar dicho campo magnético (E x B), y en el que dicho campo eléctrico presenta un componente de voltaje de c.c. (VΦ0) ; y un medio para fijar (22) dicho componente de voltaje de c.c. (VΦ0) para combinar dichos iones m1 para su paso a través de dicha cámara y posterior salida de ella; caracterizado porque dicho campo eléctrico presenta, así mismo, un componente de voltaje de a.c. (VΦ1) (E = V (Φ0 + Φ1)); porque el medio para fijar dicho componente de voltaje de c.c. confina con dichos iones para su paso a través de la cámara y su posterior salida de ella cuando dicho componente de voltaje de a.c. (VΦ1) es sustancialmente cero; y porque el filtro de plasma comprende así mismo: un medio para sintonizar (22) dicho componente de voltaje de c.a. (VΦ1) para expulsar dichos iones m1 de dicha cámara y para hacerlos entrar en colisión con dicha pared de aquélla para impedir el paso de dichos iones m1 a través de dicha cámara, en el que dicho medio de sintonización selecciona una radiofrecuencia ω, para dicho componente de voltaje de corriente (VΦ1), de acuerdo con los valores de α y ß en el que: α = [Ω 2 / 4 - λo] / ω 2 ß = λ1 / [4ω2 ] y λ = 2eV (t) / ma 2 con λ= λ0 + λ1cosωt, en la que "e" es la carga elemental, V(t) es el voltaje aplicado, Φ0 + Φ1, como función de tiempo, "a" es la distancia entre el eje geométrico y la pared de la cámara y Ω es la frecuencia de cilotrón de los iones m1

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere, en general, al campo de los dispositivos y procedimientos para procesar plasmas multiespecie. Más en concreto, la presente invención se refiere al campo de los dispositivos y procedimientos para el control de las órbitas de los iones concretos existentes en un plasma mediante la manipulación de los campos eléctricos y magnéticos cruzados (E x B). La presente invención tiene especialmente, aunque no de manera exclusiva, utilidad para sintonizar un componente de tensión de c.a. del campo eléctrico en unos campos eléctricos y magnéticos cruzados; controlar las órbitas de los iones que presentan una relación masa / carga concreta; y, de esta forma, separar estos iones de un plasma multiespecie de una forma predecible.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Un filtro de masa para plasma para separar iones de un plasma multiespecie ha sido divulgado y reivindicado en la Patente estadounidense No. 6,096,220, concedida a Ohkawa (en lo sucesivo la patente Ohkawa), y que está transferida al mismo cesionario de la presente invención. En resumen, la Patente Ohkawa divulga un filtro de masa para plasma el cual incluye una cámara cilíndrica que está configurada con unos campos eléctricos y magnéticos cruzados (E x B), orientados en sentido axial. Más concretamente, el campo eléctrico, E, tiene un valor positivo siendo el voltaje en el centro (Vctr) es positivo y disminuye hasta cero e la pared de la cámara. Así mismo, el campo eléctrico (E) tiene una distribución de voltaje parabólica en sentido radial y el campo magnético (B) es axialmente constante. De esta manera, E y B se establecen para fijar una masa de corte, Mc, la cual se define como:

Mc = zea 2 (B)2 / 8Vctr

donde “a” es la distancia entre el eje geométrico de la pared de la cámara y “e” es la carga elemental y “z” es el número de cargas del ión.

En el funcionamiento del filtro de masa para plasma divulgado en la Patente Ohkawa, los campos eléctricos y magnéticos cruzados (E x B) sitúan los iones en órbitas o bien “no confinadas” o bien “confinadas”, dependiendo de los valores relativos de la relación masa / carga del ión “m” y la masa de corte Mc, tal como se establece para el filtro. Concretamente, cuando “m” es mayor que “Mc”, el ión estará situado sobre una órbita no confinada. El resultado entonces es que el ión pesado (esto es, m > Mc), es expulsado del eje geométrico sobre su órbita no confinada y en colisión con la pared de la cámara. Por otro lado, en estos campos eléctricos y magnéticos cruzados, cuando un ión presenta una relación de masa / carga “m” inferior a Mc, el filtro de masa para plasma provoca que el ión ligero (esto es m < Mc) tenga una órbita confinada. En este último caso, el resultado es que el ión ligero saldrá de la cámara sobre su órbita confinada. La situación cambia, sin embargo, si el campo eléctrico tiene un componente de voltaje de c.a.

Considérense unos campos eléctricos y magnéticos cruzados (E x B) en los que el campo eléctrico tenga tanto un voltaje de c.c. (VΦo) y un componente de voltaje de c.a. (VΦ1). Una partícula cargada con una relación de carga / masa “m” (esto es, un ión) tendrá una frecuencia de cilotrón en estos campos eléctricos y magnéticos cruzados la cual se expresará como º = zeB / m, en la que “e” es la carga elemental de un electrón y “z” es el número de cargas. Así mismo, una derivación de las ecuaciones del movimiento de los iones en un campo eléctrico y magnético cruzado, sin colisiones, proporciona una expresión bajo la forma de la ecuación de Hill; a saber

D2 /dt2 s+[º /4-λ] s = 0.

En este caso:

λ = 2eV (t) / ma2

en la que V(t) es el voltaje aplicado, como una función del tiempo, y “a” es la distancia existente entre el eje geométrico y la pared de la cámara. Si λ es sinusoidal, con una frecuencia ω a saber

λ = λ0+ λ1 cosωt

la ecuación de Hill mostrada anteriormente se transforma en la ecuación de Mathieu, a saber

[1/4] dt 2 s=[α -4βcos2τ]s=0

en la que

τ = ωt/2

α =[º2/4-λ0] / ω2

β = λt /[4ω2].

Para pequeños valores de β las siguientes expresiones definirán los límites diferenciadores entre los regímenes operativos para las órbitas combinadas y no combinadas. Estas expresiones son:

4α0= -25 β2+ 257β4

4α1=1±8β -8β2

4α2 =4+ 80/3 β2.

La consecuencia de lo expuesto es que, cuando el campo eléctrico, E, de los campos eléctricos y magnéticos cruzados, está provisto de un componente de voltaje de c.a. (VΦ1) el componente de voltaje de c.a. puede sintonizarse para situar los iones seleccionados sobre una órbita no confinada. Esto será así, aun cuando los iones hubieran pasado de cualquier manera a través de la cámara sobre las órbitas confinadas en ausencia de un componente de voltaje de c.a. Así mismo, debido a la dependencia de la masa de las ecuaciones referidas, los iones de una relación de masa / carga determinada “m” pueden ser elegidos como objetivos de manera selectiva para el cambio de órbitas confinadas a órbitas no confinadas.

Un ejemplo de una secuencia deseable que puede derivarse del fenómeno anteriormente divulgado se proporciona mediante el elemento Estroncio (Sr). Sucede que la especie de iones doblemente ionizados de este elemento, Sr++90 , tiene un número de masa equivalente a 45 (esto es, m = 45). Teniendo esto presente, considérese un filtro de masa para plasma que haya sido configurado con unos campos magnéticos y eléctricos cruzados (E x B) que tengan una masa de corte establecida, Mc = 75, pero sin un componente de voltaje de c.a. (VΦ1) para el campo eléctrico. En estas circunstancias (esto es, m < Mc), el Sr++90 (con m = 45) será colocado sobre órbitas confinadas y podrá salir del filtro. Esto, sin embargo, puede ser un resultado no deseable. De esta manera, de acuerdo con los cálculos matemáticos analizados anteriormente, un componente de voltaje de c.a. (VΦ1) que se produzca en el campo eléctrico puede ser sintonizado para extraer el Sr++90 mediante la colocación de estos iones con órbitas no confinadas. En este ejemplo concreto, puede matemáticamente mostrarse que el Sr++ 90 será extraído del plasma (esto es, será expulsado hacia el interior de la pared de la cámara de plasma). Si el voltaje de c.a. (VΦ1) está sintonizado con una frecuencia de r.f. ω = 0,63. º.

A la luz de lo expuesto, constituye un objetivo de la presente invención proporcionar un filtro para plasma de banda prohibida que pueda modificar de manera eficaz la órbita característica de los iones seleccionados y proporcionar un filtro para plasma de banda prohibida con unos campos eléctricos y magnéticos cruzados que sitúen los iones seleccionados de un plasma multiespecie en órbitas no confinadas, mientras que los iones con relaciones de masa / carga más altos o más bajos puedan ser situados en órbitas confinadas. Otro objetivo de la presente invención consiste en proporcionar un filtro para plasma de banda prohibida que sea fácil de fabricar, sencillo de utilizar y rentable.

SUMARIO DE LAS FORMAS DE REALIZACIÓN PREFERENTES

La presente invención se refiere a un filtro para plasma de banda prohibida y a un procedimiento para establecer de manera selectiva las órbitas predeterminadas de acuerdo con lo definido en las reivindicaciones adjuntas.

Un filtro para plasma de banda prohibida para controlar de manera selectiva los iones de un plasma multiespecie que ofrezca una relación masa / carga predeterminada incluye una cámara para el plasma y un medio para generar unos campos eléctricos y magnéticos cruzados (E x B) en la cámara. Más concretamente, la cámara misma es hueca y tiene una forma sustancialmente cilíndrica. La cámara propiamente dicha delimita un eje geométrico y está rodeada por una pared.

Con el fin de generar los campos eléctricos y magnéticos cruzados (E x B) en la cámara, unas bobinas magnéticas están montadas sobre la pared de la cámara, y unos electrodos están situados en el (los) extremo(s) de la cámara. Concretamente,...

1. Filtro (10) para plasma de banda prohibida que permite el paso selectivo de unos iones (28) de una primera relación de masa / carga (m1) a través de aquél, en el que m1 es inferior a una masa límite, Mc, comprendiendo dicho filtro:

un medio para introducir un plasma, que incluye dichos iones m1, dentro de una cámara hueca, de forma sustancialmente cilíndrica (14), definiendo dicha cámara un eje geométrico (16) y que está rodeada por una pared (12); un medio magnético (18) para establecer un campo magnético sustancialmente uniforme (B) estando orientado dicho campo magnético a lo largo de dicho eje geométrico dentro de dicha cámara; un medio (20) para crear un campo eléctrico (E), en el que dicho campo eléctrico está orientado en una dirección sustancialmente radial con respecto a dicho eje geométrico para cruzar dicho campo magnético (E x B), y en el que dicho campo eléctrico presenta un componente de voltaje de c.c. (VΦ0) ; y un medio para fijar (22) dicho componente de voltaje de c.c. (VΦ0) para combinar dichos iones m1 para su paso a través de dicha cámara y posterior salida de ella;

caracterizado porque dicho campo eléctrico presenta, así mismo, un componente de voltaje de a.c. (VΦ1) (E =V (Φ0+ Φ1)); porque el medio para fijar dicho componente de voltaje de c.c. confina con dichos iones para su paso a través de la cámara y su posterior salida de ella cuando dicho componente de voltaje de a.c. (VΦ1) es sustancialmente cero; y porque el filtro de plasma comprende así mismo:

un medio para sintonizar (22) dicho componente de voltaje de c.a. (VΦ1) para expulsar dichos iones m1 de dicha cámara y para hacerlos entrar en colisión con dicha pared de aquélla para impedir el paso de dichos iones m1 a través de dicha cámara, en el que dicho medio de sintonización selecciona una radiofrecuencia ω, para dicho componente de voltaje de corriente (VΦ1), de acuerdo con los valores de α y β en el que:

α =[º2/4-λo] / ω2

β = λ1 /[4ω2]

y

λ = 2eV (t) / ma2

con λ= λ0+ λ1cosωt, en la que “e” es la carga elemental, V(t) es el voltaje aplicado, Φ0+ Φ1, como función de tiempo, “a” es la distancia entre el eje geométrico y la pared de la cámara y º es la frecuencia de cilotrón de los iones m1.

2. Un filtro de acuerdo con lo expuesto en la reivindicación 1, en el que dicho plasma es un plasma multiespecie (26) e incluye unos iones (30) de una segunda relación de masa / carga (m2).

3. Un filtro de acuerdo con lo expuesto en la reivindicación 2, en el que dicha primera relación de masa / carga (m1) es mayor que dicha segunda relación de masa / carga (m2).

4. Un filtro de acuerdo con lo expuesto en la reivindicación 2, en el que dicha primera relación de masa / carga (m1) es menor que dicha segunda relación de masa /carga (m2).

5. Un filtro de acuerdo con lo expuesto en la reivindicación 1, en el que dicha masa límite, Mc, se determina por la expresión:

Mc = zea 2 (B)2 / 8Vctr

En la que “e” es la carga elemental, “z” es el número de cargas, “a” es la distancia entre el eje geométrico y la pared de la cámara, y el voltaje tiene un valor positivo (Vctr) a lo largo del eje geométrico, el cual decrece de manera parabólica a cero en la pared de la cámara.

6. Un procedimiento para establecer de manera selectiva unas órbitas predeterminadas (32, 34) para unos iones (28) de una primera relación de masa / carga (m1) con respecto a un eje geométrico (16), en el que m1 es menor que una masa límite predeterminada, Mc, el cual comprende las etapas de:

el cruce de un campo eléctrico (E) con un campo magnético sustancialmente uniforme (B), en el que dicho campo magnético está orientado a lo largo del eje geométrico (16) y su campo eléctrico está orientado en una dirección sustancialmente radial con respecto a dicho eje geométrico, y en el que, así mismo, dicho campo eléctrico presenta un componente de voltaje de c.c. (VΦ0); la introducción de los iones (28) m1 dentro de dichos campos magnéticos y eléctricos cruzados; la fijación de dicho componente de voltaje de c.c. (VΦ0) para situar dichos iones m1 en órbitas confinadas (32) alrededor del eje geométrico;

caracterizado porque dicho campo eléctrico presenta, así mismo, un componente de voltaje de a.c. (VΦ1) (E = V(Φ0+ Φ1)); porque la etapa de fijación del componente de voltaje de c.c. comprende la fijación de dicho componente de voltaje de c.c. (VΦ0) para situar dichos iones m1 en órbitas confinadas (32) alrededor de dicho eje geométrico, cuando dicho componente de voltaje a.c. (VΦ1) es sustancialmente cero; y así mismo, caracterizado por:

la sintonización selectiva de dicho componente de voltaje de a.c. (VΦ1) para establecer órbitas no confinadas (34) para la eyección de los iones m1 lejos de dicho eje geométrico cuando dicho componente de voltaje de a.c. (VΦ1) tiene un valor predeterminado, en el que dicha etapa de sintonización incluye las etapas de:

la determinación de una frecuencia de de cilotrón para los iones m1; y la selección de una radiofrecuencia, ω, para dicho componente de voltaje

c.a. (VΦ1) de acuerdo con los valores de α y β, en el que:

α =[º2/4-λ0] / ω2

β = λ1 /[4ω2]

y

λ = 2eV (t) / ma2

con λ = λ0+ λ1 cosωt, en la que “e” es la carga elemental, V(t) es el voltaje aplicado, Φ0+ Φ1 en función del tiempo, “a” es la distancia entre el eje geométrico y la pared de la cámara y º es la frecuencia de de cilotrón de los iones m1.

7. Un procedimiento de acuerdo con lo expuesto en la reivindicación 6, en el que los iones (m1) están incluidos en un plasma multiespecie (26) con iones de una segunda relación de masa / carga (m2), en el que la primera relación de masa / carga (m1) es mayor que la segunda relación de masa / carga (m2), y en el que dicho componente de voltaje de c.c. (VΦ0) sitúa las iones en m1 y los iones m2 en unas órbitas confinadas (32) alrededor de dicho eje geométrico cuando dicho componente de voltaje c.c. (VΦ1) es sustancialmente cero y mantiene dichos iones m2 en órbitas confinadas (32) cuando dicho componente de voltaje de c.c. (VΦ1) está sintonizado con dicho valor predeterminado.

8. Un procedimiento de acuerdo con lo expuesto en la reivindicación 6, en el que los iones m1 están incluidos en un plasma multiespecie con iones de una segunda relación de masa / carga (m2), en el que la primera relación de masa / carga (m1) es menor que la segunda relación de masa / carga (m2), y en el que dicho componente de voltaje de c.c. (VΦ0) sitúa los iones m1 y los iones m2 en unas órbitas confinadas alrededor de dicho eje geométrico cuando dicho componente de voltaje de c.c. (VΦ1) es sustancialmente cero y mantiene dichos iones m2 en órbitas confinadas cuando dicho componente de voltaje c.c. (VΦ1) está sintonizado con dicho valor predeterminado.

9. Un procedimiento de acuerdo con lo expuesto en la reivindicación 6, en el que dichos campos eléctricos y magnéticos cruzados se establecen dentro de una cámara sustancialmente cilíndrica de forma hueca (14), definiendo dicha cámara dicho eje geométrico y estando rodeada por una pared.

10. Un procedimiento de acuerdo con lo expuesto en la reivindicación 9, en el que los iones m1 pasan a través de dicha cámara cuando están sobre órbitas confinadas (32), y son expulsados al interior de dicha pared de dicha cámara cuando están sobre órbitas no confinadas (34).