Es ist bekannt, dass bei einer Reihe von Anwendungen in die Vakuumkammer einer Vakuumeinrichtung für mess-oder verfah- renstechnische Zwecke ein kontinuierlicher oder tropfenförmi- ger Strahl einer flüssigen Substanz eingeführt wird. Bei- spielsweise wird zur Massenspektrometrie empfindlicher Molekü- le eine Lösung der Moleküle in Wasser in die Vakuumkammer des Massenspektrometers eingeführt und dort einer Laser-gestützten Desorption des Lösungsmittels unterzogen, um dann allein die gelösten Moleküle massenspektrometrisch zu analysieren. Ein weiteres Beispiel stellen Röntgen-oder UV-Quellen dar, bei denen unter Vakuumbedingungen durch hochenergetische Bestrah- lung (z. B. Laser-Bestrahlung) ein flüssiges Targetmaterial in einen Plasmazustand versetzt wird, in dem materialspezifisch Röntgenfluoreszenzstrahlung emittiert wird. (siehe z. B. EP 186 491, US 5 459 771, L. Rymell et al. in"Rev. Sci. In- strum. "Band 66,1995, Seite 4916-4920, WO 97/40650, US 6 377 651, US 6 324 255, L. Malmqvist et al. in"Appl. Phys. Lett." Band 68,1996, Seite 2627-2629, DE 100 47 779).

Ein generelles Problem bei der Einführung einer Flüssigkeit in ein Vakuum besteht in der Flüchtigkeit der Flüssigkeit oder etwaiger Reaktionsprodukte. Typischerweise besitzen die ver- wendeten Flüssigkeiten einen Dampfdruck von einigen Millibar bei Temperaturen oberhalb des jeweiligen Tripelpunktes. Der Dampf der Flüssigkeit kann das Vakuum entscheidend verschlech- tern oder zu störenden Niederschlägen in der Vakuumeinrichtung führen. Im einzelnen ergeben sich die folgenden drei Probleme.

Erstens müssen bisher zur Kompensation der Erzeugung störenden Dampfes besonders leistungsfähige Hochvakuumpumpen eingesetzt werden. Selbst bei einem geringen Durchmesser eines Flüssig- keitsstrahls von z. B. 10 um bis 30 um werden Pumpen mit Sauggeschwindigkeiten der Größenordnung 1000 l s-1 benötigt.

Zweitens sind zum Auffangen von Flüssigkeiten Sammeleinrich- tungen (oder : Flüssigkeitsfallen) erforderlich. Eine herkömm- liche Flüssigkeitsfalle 10'ist beispielhaft schematisch in Figur 5 gezeigt (siehe zum Beispiel US 5 577 091, US 5 459 771, S. Düsterer et al. in"Spektrum der Wissenschaft", Sep- tember 2001, S. 78 ff. ). Die Flüssigkeitsfalle 10'umfasst ei- nen von der Vakuumkammer getrennten, zusätzlichen Fallenbehäl- ter 11'mit einem Innenraum 12', in den die Flüssigkeit, die aufgefangen werden soll, durch ein Eintrittselement 13'gelei- tet wird. Das Eintrittselement 13'besteht aus einem Trichter 13a'und einer Kapillare 13b', die mit einer bestimmten Länge an einer Wand 14'in den Fallenbehälter 11'mündet.

Herkömmliche Flüssigkeitsfallen mit einem kapillar-oder rohr- förmigen Eintrittselement besitzen zahlreiche Nachteile. Die Kapillare bildet zwar ein Strömungshindernis für den Dampf der aufgefangenen Flüssigkeit im Fallenbehälter. Dennoch kommt es zu einem Rückstrom des Dampfes durch das Eintrittselement zu- rück in die Vakuumkammer. Dabei kann beim Übergang vom Ein- trittselement in den Außenraum eine Überschall-Expansion des ausströmenden Dampfes auftreten. Durch diesen Gegenstrom kommt es zu Turbulenzen, die den eintreffenden Flüssigkeitsstrahl stören und ggf. sogar ein Auffangen weiterer Flüssigkeit ver- hindern. Des weiteren kommt es zu einer Behinderung der ein- fallenden Flüssigkeit im Eintrittselement. Schließlich wird durch den rückströmenden Dampf das Vakuum in der Vakuumkammer verschlechtert. Um diesen Nachteilen zu begegnen, wurde bisher vorgeschlagen, die Flüssigkeitsfalle mit einer Kühleinrichtung auf der Basis von flüssigem Stickstoff auszustatten, mit der die aufgefangene Flüssigkeit gefroren wird (siehe M. Faubel et al. in"Z. Phys. D", Band 10,1988, Seite 269 ; H. Morgner et al. in"J. Electron Spectroscopy Related Phenomena", Bd. 61, 1993, Seite 183 ; L. Malmqvist et al. in"Appl. Phys. Lett." Band 68,1996, Seite 2627-2629). Eine Alternative stellt der Anschluss einer weiteren Vakuumpumpe an die Kühlfalle dar (siehe S. Düsterer et. al in"Appl. Phys. B", Bd. 73,2001, S.

693-698). Beide Lösungen besitzen jedoch den Nachteil eines vergrößerten apparativen Aufwandes. Des Weiteren wird bei die- sen Verfahren zwar die Gasbelastung der Vakuumkammer durch ei- ne Dampfrückströmung aus der Falle bedeutend verringert. Den- noch kann eine Destabilisierung des eintreffenden Flüssig- keitsstrahls durch den austretenden Gasstrom auftreten. Die Destabilisierung kann lediglich durch eine kühlungsbedingte Verminderung des Dampfdrucks erreicht werden. Dies führt bei volatilen Flüssigkeiten zwangsläufig zur Eisbildung in der Falle und ggf. zur Verstopfung des Eintrittselements.

Die Vorteile eines Flüssigkeitsrecyclings, wie sie z. B. von H. Morgner et al. (siehe oben) demonstriert wurden, waren auf bestimmte Flüssigkeiten, wie z. B. auf Formamid und andere Flüssigkeiten mit sehr niedrigem Dampfdruck beschränkt. Eine Anwendung auf Wasser oder Strahlen verflüssigter Edelgase war mit diesen Techniken ausgeschlossen.

Das bisher verwendete Eintrittselement besitzt des weiteren den Nachteil einer erhöhten mechanischen Empfindlichkeit. Bei einer geringen Belastung, z. B. bei einer Belüftung der Vaku- umeinrichtung kommt es zu einer Dejustierung der Kapillare.

Drittens stellen die Flüssigkeiten in der Vakuumkammer unter Hochvakuum in der Regel unterkühlte Flüssigkeiten dar, die leicht bei Kontakt mit Oberflächen gefrieren. Es besteht die Gefahr, dass das Eintrittselement der Kühlfalle durch gefrore- ne Niederschläge geschlossen wird. Um diesem Problem zu begeg- nen, wird das Eintrittselement bisher laufend während des Auf- fangens auf einige hundert Grad geheizt (siehe z. B. US 5 577 091). Dabei ist jedoch von Nachteil, dass durch das Heizen neuer Dampf erzeugt wird, der das Vakuum verschlechtert. Au- ßerdem entstehen Temperaturgradienten, die für die Vakuumein- richtung und die flüssigen Proben schädlich sein können.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Flüssig- keitsfalle zum Auffangen von Flüssigkeiten in einer Vakuumein- richtung bereitzustellen, mit der die Nachteile herkömmlicher Flüssigkeitsfallen überwunden werden. Die Flüssigkeitsfalle soll insbesondere einen vereinfachten Aufbau besitzen, den Be- trieb der Vakuumeinrichtung vereinfachen, die beschriebenen Probleme durch rückströmenden Dampf vermeiden und zum Auffan- gen von Flüssigkeiten sogar mit relativ hohem Dampfdruck ge- eignet sein. Die Flüssigkeitsfalle soll insbesondere zum Auf- fangen von Flüssigkeiten mit einem Dampfdruck von mehreren 100 mbar, wie z. B. von flüssigen Edelgasen Ar, Kr oder Xe geeig- net sein. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein ver- bessertes Verfahren zum Auffangen von Flüssigkeiten in einer Vakuumeinrichtung bereitzustellen, mit dem die Nachteile der herkömmlichen Techniken überwunden werden. Schließlich ist es auch eine Aufgabe der Erfindung, verbesserte Anwendungen der Flüssigkeitsfalle bereitzustellen.

Diese Aufgaben werden durch Flüssigkeitsfallen, Vakuumeinrich- tungen und Verfahren mit den Merkmalen gemäß den Patentansprü- chen 1, 12 und 16 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen An- sprüchen.

Eine Grundidee der Erfindung ist es, eine Flüssigkeitsfalle bereitzustellen, die einen Fallenbehälter mit einem Innenraum und einem Eintrittselement aufweist, durch das Flüssigkeit oder gefrorene Partikel aus einem evakuierten Außenraum der Flüssigkeitsfalle in den Fallenbehälter eintreten kann und Dampf aus dem Fallenbehälter in den Außenraum strömen können, wobei das Eintrittselement abweichend von herkömmlichen Tech- niken nicht durch ein aufgesetztes Strömungshindernis z. B. in Form einer Kapillare, sondern als Eintrittskanal in einer Wand des Fallenbehälters gebildet wird, der vorbestimmte geometri- sche Dimensionen (insbesondere Durchmesser, Länge) besitzt, die in Bezug auf die Wechselwirkung der eintretenden Flüssig- keit mit austretendem Dampf derart optimiert sind, dass der austretende (rückströmende) Dampfstrom bis zu Atmosphärendruck wirksam unterdrückt werden kann. Der Eintrittskanal bildet ei- ne Öffnung (Apertur), an die auf der einen Wandseite der In- nenraum und auf der entgegengesetzten Wandseite der Außenraum unmittelbar angrenzen.

Erfindungsgemäß gelten für den inneren Durchmesser D und die innere Länge L des Eintrittskanals Dimensionen gemäß D < 2 mm und L < 4 mm. Das Auffangen der Flüssigkeit durch die Apertur in der Wand des Fallenbehälters besitzt eine Reihe von Vortei- len, die sowohl die Gestaltung der Falle als auch deren Funk- tion betreffen. Erstens wird der Aufbau der Flüssigkeitsfalle erheblich vereinfacht. Das Eintrittselement kann mit geringen Ausmaßen an einer gewünschten Position in der Wand des Fallen- behälters angebracht werden. Zweitens wird die Funktion der Falle verbessert. Die Erfinder haben festgestellt, dass eine Apertur als Eintrittselement überraschenderweise strömungs- technisch einem kanalförmigen Eintrittselement weit überlegen ist. Im Bereich der Öffnung der Wand des Fallenbehälters wird eine Behinderung von einfallender Flüssigkeit vermieden. Der Weg der Flüssigkeit durch das Eintrittselement wird verkürzt.

Die Niederschlags-und Verstopfungsgefahr wird vermindert. Au- ßerdem kann der Durchmesser der Öffnung vermindert werden, was sich vorteilhaft auf eine Verminderung des Rückstroms aus- wirkt. Die Belastung des Vakuums in der Vakuumeinrichtungen kann vermindert werden.

Die genannte Länge (L) ist insbesondere kleiner als oder gleich einer vorbestimmten Staulänge (L*), oberhalb derer aus- strömender Dampf im Eintrittskanal einen Gegendruck bilden würde, der ein gegenüber dem Eintrittskanal berührungsloses Eintreten der Flüssigkeit behindern würde. Der Durchmesser (Querschnittsdimension), ist insbesondere kleiner als oder gleich einem vorbestimmten Staudurchmesser (D*), oberhalb des- sen ausströmender Dampf ein Eintreten der Flüssigkeit in den Eintrittskanal behindern würde. Die Erfinder haben festge- stellt, dass durch eine Verminderung des Durchmessers des Ein- trittselements mehrere Vorteile gleichzeitig erzielt werden können. Ersten wird die Menge des ausströmenden Dampfes ver- mindert. Zweitens kann die oben genannte Überschall-Expansion des ausströmenden Dampfes vermindert oder ausgeschlossen wer- den. Die Flüssigkeit kann behinderungsfrei eintreten. Schließ- lich kann das Loch im Fallenbehälter durch die eintretende Flüssigkeit dynamisch verschlossen werden. Durch eine Optimie- rung der Eigenschaften der Flüssigkeit, die einen kontinuier- lichen Strahl oder eine Tropfenfolge bildet, und des Durchmes- sers des Eintrittskanals wird während des Auffangens der Frei- raum für einen Rückstrom vermindert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt das Eintrittselement der Flüssigkeitsfalle eine konisch ge- formte Außenwand, die sich verjüngend von der Wand des Fallen- behälters in einen Außenraum, z. B. eine Vakuumkammer ragt.

Die konische Form besitzt den besonderen Vorteil, dass eine Reflexion der auf die Flüssigkeitsfalle zuströmenden Gasatmo- sphäre vermindert wird und damit die Stabilität des Betriebs beim Auffangen insbesondere von Flüssigkeiten mit hohen Dampf- drucken (z. B. Edelgasen) verbessert wird. Ein weiterer Vor- teil besteht in der Erhöhung der Stabilität des Eintrittsele- ments durch den Konusaufbau.

Besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn das Eintritts- element eine geneigte Außenwand besitzt. Die Außenwand bildet relativ zur Ausrichtung des Eintrittskanals einen Winkel, der auch als Außen-oder Neigungswinkel bezeichnet wird. Der Nei- gungswinkel ist allgemein größer als 0° und kleiner als 90° gewählt. Vorzugsweise liegt der Neigungswinkel im Bereich von 30° bis 70°, insbesondere von 45° bis 70°.

Der Durchmesser (D) besitzt vorzugsweise einen Wert im Bereich von 1 um bis 1 mm, insbesondere von 5 um bis 100 um. Vorteil- hafterweise können für eine Vielzahl der in der Praxis inte- ressierenden Flüssigkeiten ähnliche Durchmesser des Eintritts- kanals gewählt werden.

Strömungsdynamische Überlegungen der Erfinder haben ergeben, dass sich Vorteile für ein störungsfreies Auffangen der Flüssigkeit ergeben können, wenn die Länge (L) kleiner als der doppelte Durchmesser (D) und größer als 1 um ist.

Gemäß weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist die Flüssigkeitsfalle mit einer Heizeinrichtung, mit der das Eintrittselement temperierbar ist, einer ersten Stellein- richtung, mit der der Durchmesser des Eintrittskanals ein- stellbar ist, und/oder einer zweiten Stelleinrichtung ausges- tattet, mit der die Position der Flüssigkeitsfalle im Außen- raum einstellbar ist. Die Heizeinrichtung kann Vorteile bei Beginn des Fallenbetriebs besitzen, falls die Apertur des Ein- trittskanals noch nicht exakt auf die Bewegungsrichtung der eintretenden Flüssigkeit ausgerichtet ist. Mit der Heizein- richtung kann ein Ausfrieren von Flüssigkeiten bei Kontakt mit der Fallenoberfläche vermieden werden. Wenn noch keine oder wenig Flüssigkeit in der Falle aufgefangen wurde, kommt es noch nicht zu einem Rückstrom, der ein Kontakt der Flüssigkeit mit der Wand des Eintrittskanals verhindert. Ein Frieren der Flüssigkeit an der Wand wird mit der Heizeinrichtung unterbun- den. Die Heizeinrichtung kann jedoch kleiner als die herkömm- lichen Kapillarheizer dimensioniert sein und nach einer be- stimmten Anlaufzeit abgeschaltet werden. Mit der ersten Stell- einrichtung und einer verstellbaren Öffnung im Fallenbehälter kann die Falle vorteilhafterweise an Flüssigkeiten mit ver- schiedenen strömungstechnischen Eigenschaften angepasst wer- den. Die Bereitstellung der zweiten Stelleinrichtung kann vor- teilhaft sein, um die Flüssigkeitsfalle unter den konkreten Bedingungen in einer Vakuumeinrichtung optimal zu positionie- ren. Auf die zweite Stelleinrichtung kann in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung verzichtet werden, wenn eine Verstell- barkeit der Flüssigkeitsfalle nicht erforderlich ist und/oder eine Flüssigkeitsquelle in der Vakuumeinrichtung mit einer ei- genen Stelleinrichtung ausgestattet ist.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vakuumeinrich- tung (z. B. Röntgen-oder UV-Quelle, massenspektrometrische Untersuchungseinrichtung oder eine Einrichtung zur molekularen Destillation) mit einer Vakuumkammer, einer Flüssigkeitsquel- le, mit der Flüssigkeit in die Vakuumkammer förderbar ist, und der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsfalle. Die Vakuumeinrichtung hat den Vorteil, dass an die Vakuumpumpen geringere Anforde- rungen gestellt werden können als bei herkömmlichen Vakuumein- richtungen, in denen Flüssigkeiten auftreten.

Die Vakuumeinrichtung kann einen Modulaufbau besitzen, bei dem die Flüssigkeitsfalle vorteilhafterweise als Modul in eine Wand der Vakuumkammer einsetzbar und austauschbar ist. Ein Teil der Wand der Vakuumkammer kann insbesondere die Wand des Fallenbehälters bilden und mit dem Eintrittselement ausgestat- tet sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vakuumeinrichtung mit einer Justiereinrichtung ausgestattet, mit der die Flüssigkeitsquelle und die Flüssigkeitsfalle rela- tiv zueinander ausgerichtet werden können. Die Justiereinrich- tung umfasst beispielsweise eine optische Justiereinrichtung mit einem Laser und einem Streulichtdetektor.

Ein Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Auf- fangen (oder : Abscheiden, Entfernen) einer Flüssigkeit in ei- ner Vakuumeinrichtung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsfalle. Es werden vorzugsweise Tropfen, Strahlen oder gefrorene Partikel mit Durchmessern im Bereich von 1 um bis 100 um und Dampfdrucken im Bereich von 10 mbar bis 1000 mbar aufgefangen. Verfahrensbezogen besitzt die Erfindung ins- besondere den Vorteil, dass zum Auffangen keine besonderen Va- kuum-oder Kühleinrichtungen betätigt oder gesteuert werden müssen. Die Flüssigkeitsfalle kann bei Raumtemperatur kühlmit- telfrei und ohne eine zusätzliche Kühleinrichtung betrieben werden.

Die Erfindung besitzt die folgenden weiteren Vorteile. Es kön- nen verschiedenartige Flüssigkeiten (z. B. Wasser, organische Lösungsmittel, anorganische Flüssigkeiten) nicht nur mit einem niedrigen Dampfdruck, sondern auch mit einem erhöhten Dampf- druck, z. B. im Bereich von 10 bis 100 mbar oder darüber kühl- mittelfrei aufgefangen werden. Das Auffangen ist sogar mit Ar- gon oder Xenon möglich, die in Vakuumeinrichtungen wegen des hohen Dampfdruckes schwierig handhabbare Flüssigkeiten sind.

Des weiteren wird die Wiedergewinnung der Flüssigkeit (recyc- ling) erheblich vereinfacht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Fol- genden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrie- ben. Es zeigen : Fign. 1 und 2 : schematische Schnittansichten verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer Flüssig- keitsfallen, Fig. 3 : eine schematische Schnittansicht einer Aus- führungsform einer erfindungsgemäßen Vakuum- einrichtung, Fig. 4 : eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Va- kuumeinrichtung, und Fig. 5 : eine schematische Schnittansicht einer her- kömmlichen Flüssigkeitsfalle.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf Ausführungs- beispiele und strömungstheoretischen Modellüberlegungen be- schrieben. Es wird betont, dass die Umsetzung der Erfindung nicht auf die Dimensionierung der Flüssigkeitsfalle entspre- chend den theoretischen Überlegungen oder auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr ist es dem Fach- mann möglich, die Gestaltung einer Flüssigkeitsfalle z. B. durch einfache Versuche an die jeweilige Anwendung anzupassen, wobei insbesondere die Auswahl, Zusammensetzung oder geometri- schen Eigenschaften der Flüssigkeit und/oder die geometrischen Dimensionen des Eintrittskanals variiert werden können. Des Weiteren wird betont, dass die erfindungsgemäße Flüssigkeits- falle auch zum Auffangen von festen Partikeln, z. B. Eiskris- tallen geeignet ist. Die Beschreibung der Ausführungsformen gilt für das Auffangen gefrorener Flüssigkeitspartikel ent- sprechend.

Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flüssig- keitsfalle 10 ist in Figur 1 schematisch illustriert. Die Flüssigkeitsfalle 10 umfasst einen Fallenbehälter 11 mit einem Innenraum 12, der von der Umgebung (Außenraum) durch eine Wand 14 abgegrenzt ist. Die Umgebung ist zumindest an einer Seite des Fallenbehälters angrenzend ein evakuierter Raum, z. B. die Vakuumkammer einer Vakuumeinrichtung (siehe unten). Der Fal- lenbehälter 11 besitzt eine Form und Größe, die je nach Anwen- dung gewählt sind, z. B. die Form eines zylindrischen Bechers oder einer Flasche mit einem Innenraumvolumen von z. B. 50 bis 1000 cm3. Die Wand 14 besteht beispielsweise aus Stahl oder einem anderen, für die jeweilige Anwendung inerten Material, mit einer Dicke von z. B. 1 bis 10 mm. An einer Unterseite des Fallenbehälters kann ein Ablauf 16 vorgesehen sein, durch den Flüssigkeit, ggf. nach Erreichen einer Mindestmenge auf dem Behälterboden und Übertreten einer Barriere vor dem Ablauf 16 in ein angeschlossenes Auffangsystem abfließen kann. Der Ab- lauf 16 stellt jedoch kein zwingendes Merkmal der Erfindung dar.

Der Fallenbehälter kann mit einer Temperierungseinrichtung (nicht dargestellt) ausgestattet sein, insbesondere um den Druck des Dampfes in der Falle einzustellen. Die Temperie- rungseinrichtung kann eine Kühleinrichtung oder eine Heizein- richtung umfassen. Die Heizeinrichtung kann insbesondere beim Auffangen gefrorener Flüssigkeitspartikel vorgesehen sein, um die Flüssigkeit zu schmelzen. Damit kann ein Herauswachsen von Flüssigkeitskristallen, z. B. Eisnadeln aus der Falle in die Vakuumkammer verhindert werden. Die Bereitstellung der Tempe- rierungseinrichtung ist jedoch für einen stabilen Abschei- dungsbetrieb insbesondere bei Flüssigkeiten wie Wasser oder Ethanol nicht zwingend erforderlich. Die Temperierungseinrich- tung ist vorzugsweise beim Auffangen von verflüssigten Gasen vorgesehen.

Des Weiteren kann die Flüssigkeitsfalle gemäß einer abgewan- delten Ausführungsform mit einer Recycling-Einrichtung verbun- den sein, die eine kontinuierliche Rückgewinnung der aufgefan- genen Flüssigkeit während des Betriebes der Vakuumeinrichtung erlaubt. Bei herkömmlichen Fallen ist eine kontinuierliche Rückgewinnung nicht möglich, da diese mit einer Belüftung oder einer Vollabschaltung der Vakuumeinrichtung verbunden wäre.

Dies würde zu mehrstündigen Standzeiten führen. Dieser Nach- teil kann mit der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsfalle überwun- den werden, da selbst die Ausbildung von Atmosphärendruck wäh- rend des Auffangens im Fallenbehälter 11 keine Einschränkung für das Auffangen der Flüssigkeit oder die Qualität des Vaku- ums in der angrenzenden Vakuumkammer darstellt.

Das erfindungsgemäß vorgesehene Eintrittselement 13 umfasst eine durchgehende Öffnung (Loch), die an der Oberseite des Fallenbehälters 11 in der Wand 14 gebildet ist. Durch die Öff- nung wird ein Eintrittskanal 15 geformt. Der Eintrittskanal 15 erstreckt sich mit einem bestimmten Durchmesser D über eine bestimmte Länge L und wird beidseitig der Wand unmittelbar durch den Innenraum 11 und den Außenraum begrenzt. Die Wand 14 kann an der Oberseite des Fallenbehälters 11 einstückig mit der übrigen Wand oder auch als eigenständiges Wandelement ge- bildet sein, das mit der übrigen Wand vakuumdicht verbunden ist. Das Wandelement kann zum Beispiel aus einem Konusaufbau bestehen (siehe Figur 2).

Die Länge des Eintrittskanals 15 ist gleich der Dicke der an das Loch angrenzenden Wand, insbesondere der Stirnseite der angrenzenden Wand. Die Wand kann sich hin. zum Eintrittskanal 15 verjüngen (siehe Figur 2).

Die Komponenten 30,40 und 50 sind fakultativ einzeln oder in Kombination vorgesehen. Das Eintrittselement 13 kann mit der Heizeinrichtung 30 temperiert werden. Es ist beispielsweise eine Widerstandsheizung zur zumindest zeitweiligen Einstellung einer Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur der auf- zufangenden Flüssigkeit unter Vakuumbedingungen vorgesehen.

Des weiteren kann, wenn die Wand einen Lamellenaufbau besitzt, der Querschnitt des Eintrittskanals 15 mit der ersten Stell- einrichtung 40 verändert werden. Wenn die Flüssigkeitsfalle in einer Vakuumkammer positioniert werden soll, so kann dies mit der zweiten Stelleinrichtung 50 erfolgen. Die ersten und zwei- ten Stelleinrichtungen 40,50 können beispielsweise durch pie- zoelektrische Antriebe gebildet werden.

Das Auffangen einer Flüssigkeit (Tropfen oder Strahl) mit der Flüssigkeitsfalle 10, die in einer Vakuumeinrichtung mit einer Vakuumkammer angeordnet ist, umfasst die folgenden Schritte.

Die Flüssigkeit bildet allgemein einen Strahl oder eine Trop- fenfolge mit einem Radius im Bereich von 1 um bis 0.5 mm. Zu- nächst ist ggf. vorgesehen, dass die Flüssigkeitsfalle 10 re- lativ zur Bewegungsbahn der Flüssigkeit in der Vakuumkammer positioniert wird. Die Bewegungsbahn kann beispielsweise eine vertikale Fallstrecke (siehe Pfeil A), eine ballistische Bahn oder ein horizontal ausgerichtete Bahn sein. Die Positionie- rung erfolgt vorzugsweise unter Verwendung einer Justierein- richtung (siehe Figur 3) und kann bei leichter Aufheizung des Eintrittskanals der Flüssigkeitsfalle erfolgen. Letzteres ver- hindert ein Einfrieren der Flüssigkeit bei Kontakt mit Ober- flächen der Flüssigkeitsfalle. Anschließend beginnt der be- stimmungsgemäße Betrieb der Vakuumeinrichtung. Die Flüssigkeit tritt durch den Eintrittskanal 15 aus der Vakuumkammer in den Fallenbehälter 11 ein. Im Zeitverlauf sammelt sich Dampf der Flüssigkeit im Fallenbehälter 11. Der durch das Druckgefälle in den Außenraum zurückströmende Dampf trifft im Eintrittska- nal 15 auf die Flüssigkeit. Der Eintrittskanal 15 kann erfin- dungsgemäß jedoch so bemessen werden, dass der Dampf die Flüs- sigkeit nicht zurücktreibt oder an die Wand drückt.

Die Länge L und der Durchmesser D werden vorzugsweise entspre- chend den folgenden Prinzipien gewählt. Der Eintrittskanal 15 wird von außen nach innen von der Flüssigkeit, die aufgefangen werden soll, und von innen nach außen durch den Rückstrom des Dampfes der aufgefangenen Flüssigkeit durchsetzt.

Die Flüssigkeit erfährt im Eintrittskanal eine Reibung gegen- über dem Rückstrom und wird dadurch abgebremst. Wenn die Länge des Eintrittskanals 15 eine bestimmte Länge (die so genannte Staulänge) überschreitet, ist ein Abbremsen auf Null theore- tisch möglich. Die Staulänge kann mit dem folgenden Konzept abgeschätzt werden.

Die Abbremskraft F, die eine Kugel (z. B. ein Flüssigkeits- tropfen) mit dem Radius R in einer entgegengesetzten laminaren Strömung erfährt, ergibt sich aus der Newton'schen Formel (1) : F = 0. 5 c Pgas (z R2) Vgas2 (1) Für den Fall einer Kugel, die sich in einer Kontinuumsströmung bewegt, nimmt die Konstante c den Wert c t 2 an. Die Größe pgas ist die Gasdichte, die aus dem Dampfdruck innerhalb der Falle abgeschätzt werden kann. Die Gasgeschwindigkeit Vgas kann aus der Energie und der Molekülmasse des Dampfes abgeschätzt wer- den.

Die Staulänge L* ergibt sich gemäß Gleichung (2) aus der Ge- schwindigkeit der einfallenden Flüssigkeit vliq und der negati- ven Beschleunigung durch die Kraft F (Pliq ist die Dichte der Flüssigkeit) : L*=Vliq2 # (4/3) # c-1 # #gas-1 # vgas-2 # #liq # R (2) Entsprechend kann die Staulänge L* aus den Eigenschaften der aufzufangenden Flüssigkeit und Verfahrensbedingungen ermittelt werden. Die Staulänge L* liegt für typische Mikroflüssigkeiten (insbesondere R t 5... 50, um) beispielsweise im Bereich von 20 um bis 2 mm bei Gasdrucken zwischen 1 kPa und 100 kPa. Ge- mäß Gleichung (2) hängt die Staulänge direkt von der Tropfen- größe R ab. Das Aufstauen der Tropfen durch eine Gasrückströ- mung aus der Flüssigkeitsfalle stellt in Vakuumanlagen insbe- sondere bei kleinen Radien der Tropfen oder des Flüssigkeits- strahls mit R < 50 um ein Problem dar. Dies wird durch die er- findungsgemäße Dimensionierung des Eintrittskanals vermieden.

Der in die Vakuumkammer rückströmende Dampf erfährt beim Verlassen aus dem Eintrittskanals 15 eine Expansion, die als eine radiale isotrope Expansion auf der Symmetrieachse des Eintrittskanals 15 beschrieben werden kann. Je geringer die Dichte des Dampfes beim Verlassen aus dem Eintrittskanals 15 ist, desto geringer ist die bei der Expansion in Turbulenzen umgewandelte kinetische Energie. Die Dichte des Dampfes vermindert sich mit dem Quadrat des Durchmessers des Eintrittskanals.

Wenn der Durchmesser des Eintrittskanals 15 einen bestimmten Wert (den so genannten Staudurchmesser D*) überschreitet, ist es einerseits schwierig, das Vakuum aufrechtzuerhalten. Ande- rerseits ist eine Störung des Eintritts der Flüssigkeit mög- lich. Der Staudurchmesser kann durch Vergleich der kinetischen Energie der eintreffenden Flüssigkeit und der bei der Expansi- on umgewandelten Energie abgeschätzt werden.

Die Erfinder haben den Staudurchmesser gemäß Gleichung (3) abgeschätzt : D*=2 # vliq2 # #liq # R # #gas-1 # vgas-2 (3) Wiederum zeigt sich, dass der Staudurchmesser D* aus den Ver- fahrensbedingungen, z. B. dem Radius der Flüssigkeitstropfen oder des Flüssigkeitsstrahls ermittelt werden kann. Der Stau- durchmesser D* liegt beispielsweise im Bereich von 1 um bis 1 mm, vorzugsweise im Bereich von 5 um bis 100 um. Aus den Glei- chungen (2) und (3) ergibt sich der Zusammenhang D* = 5.3 L*.

Der Staudurchmesser D* kann insbesondere kleiner als der 20- fache Radius der einfallenden Flüssigkeitstropfen oder eines Strahls sein. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Stau- länge L* vorzugsweise kleiner als der doppelte Staudurchmesser D* ist.

Ausgehend von D* gemäß Gleichung (3), der den theoretischen Staudurchmesser darstellt, wird der reale Durchmesser des Ein- trittskanals vorzugsweise größer als der Radius R des Flüssig- keitsstrahls (oder der Tropfen) und kleiner als der Staudurch- messer (R < D < D*) und die Länge L des Eintrittskanals größer als 1 um und kleiner als der doppelte Durchmesser (1 um < L < 2D) gewählt. Diese Bedingungen werden vorzugsweise mit D* < 1 mm und 1 um < R < 500 um gewählt.

Es hat sich beispielsweise gezeigt, dass beim Auffangen von Ethanol-Tropfen mit einer Geschwindigkeit von 100 m/s und ei- nem Durchmesser von 10 um mit einer Falle mit den Kanaldimen- sionen L = 100 um und D = 100 um das Hochvakuum in der Vakuum- kammer vollständig aufrecht erhalten werden kann. Für Xenon- oder Wasserdampf haben sich kleinere Kanaldimensionen im Be- reich von einigen 10 um als vorteilhaft erwiesen.

Ein modular verwendbares Eintrittselement 13 ist beispielhaft in Figur 2 gezeigt. Die Wand 14 ist konusförmig mit einer hin zum Eintrittskanal 15 sich verringernden Dicke gebildet. Eine derartige Geometrie mit einem Außenwinkel von weniger als 70°, vorzugsweise jedoch größer als 45° trägt zur Stabilität des Fallenbetriebs bei, da Wandreflexionen von der Gasatmosphäre verhindert werden, die die einströmende Flüssigkeit umgibt.

Der Eintrittskanal 15 besitzt einen Durchmesser von rd. 100 um und eine Länge von rd. 100 um. Der Durchmesser des sich zu- nächst unterhalb des Eintrittskanals 15 anschließenden Innen- raumes 12 beträgt z. B. 10 mm. Der Innenwinkel des Eintritts- elements 13 ist so gewählt, dass die Länge L des Eintrittska- nals 15 geringer als der doppelte Durchmesser des Eintrittska- nals 13 ist.

Alternativ kann die obere Wand 14 der Flüssigkeitsfalle 10 durch eine dünne Platte oder Folie mit dem Eintrittselement 13 gebildet werden. Die Platte oder Folie besitzt die Dicke gleich der gewünschten Länge des Eintrittskanals.

Das Eintrittselement gemäß Figur 2 kann vorteilhafterweise als ein von der Flüssigkeitsfalle trennbares Bauteil bereitge- stellt werden. Das Eintrittselement 13 ist bspw. auf eine Flüssigkeitsfalle aufschraubbar. Damit kann eine gegebene Flüssigkeitsfalle je nach der verwendeten Flüssigkeit mit ei- nem angepassten, austauschbaren Eintrittselement ausgestattet werden.

Die erfindungsgemäße Kombination der Flüssigkeitsfalle mit ei- ner Vakuumeinrichtung ist in Figur 3 am Beispiel einer Plasma- basierten Röntgenquelle 60 schematisch illustriert.

Die Röntgenquelle 60 umfasst eine Target-oder Flüssigkeits- quelle 61, die mit einer Vakuumkammer 62 verbunden ist und als Sammeleinrichtung eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsfalle 63.

Die Flüssigkeitsfalle 63 ist vollständig oder (wie darge- stellt) nur teilweise in der Vakuumkammer 62 angeordnet, so dass zumindest das Eintrittselement 13 in die Vakuumkammer ragt. Das Bezugszeichen 64 bezieht sich auf eine Bestrahlungs- einrichtung. Die Flüssigkeitsquelle 61 umfasst ein Reservoir für das Targetmaterial, eine Zufuhrleitung und eine Düse (o- der : eine Tröpfchenkanone). Mit einer (nicht dargestellten) Betätigungseinrichtung, die bspw. eine Pumpe oder eine piezo- elektrische Fördereinrichtung umfasst, wird flüssiges Target- material zur Düse oder Tröpfchenkanone geführt und von dieser in Form eines Flüssigkeitsstrahls oder in Form von Tropfen 65 abgegeben und in die Vakuumkammer 62 injiziert.

Die Bestrahlungseinrichtung 64 umfasst eine Strahlungsquelle (bspw. ein Laser oder eine andere Quelle hochenergetischer Strahlung, wie z. B. eine Quelle für Röntgenstrahlung oder Partikelstrahlung) und eine Bestrahlungsoptik, mit der Strah- lung von der Strahlungsquelle auf das Targetmaterial 65 fokus- sierbar sind. Alternativ kann eine Ionen-oder Elektronenquel- le in der Kammer 62 vorgesehen sein.

Die Vakuumkammer 62 umfasst einen Rezipienten mit einer Kam- merwand 67, die mindestens ein erstes Fenster, durch das das Targetmaterial 65 bestrahlbar ist, und mindestens ein zweites Fenster aufweist, durch das die generierte Röntgenstrahlung austritt. Das zweite Fenster aus einem für weiche Röntgen- strahlung transparenten Fenstermaterial, z. B. aus Beryllium ist optional vorgesehen, um die Röntgenstrahlung aus der Vaku- umkammer 62 für eine bestimmte Anwendung auszukoppeln. Die Va- kuumkammer 62 ist ferner mit einer Vakuumpumpe 66 verbunden, mit der in der Kammer 62 ein Unterdruck erzeugt wird. Dieser Unterdruck liegt vorzugsweise unterhalb von 10-5 mbar. Wenn das zweite Fenster vorgesehen ist, kann sich eine evakuierbare Bearbeitungskammer anschließen, die mit einer weiteren Vakuum- einrichtung verbunden ist (nicht dargestellt). In der Bearbei- tungskammer kann die Röntgenstrahlung zur Materialbearbeitung auf ein Objekt abgebildet werden. Es ist bspw. eine Röntgenli- thographieeinrichtung vorgesehen, mit der die Oberfläche eines Halbleitersubstrats bestrahlt wird.

Zur Generation von Röntgenstrahlung werden mit der Flüssig- keitsquelle 61 ein Strahl oder Tropfen des Targetmaterials 65 erzeugt. Der Durchmesser des Strahls oder der Tropfen beträgt bspw. 3 um bis 0.1 mm. Die Strecke, die das Targetmaterial 65 im Vakuum zurücklegt, liegt typischerweise im mm-bis cm- Bereich, z. B. 1 mm bis 10 cm, insbesondere 2 mm bis 1 cm. Es wird bspw. eine Tropfenfolge von 102 bis 105 Tropfen je Sekun- de generiert. Es sind alternativ geringere Tropfenfrequenzen einstellbar. Die Tropfen 65 werden mit der Bestrahlungsein- richtung in an sich bekannter Weise bestrahlt. Die Bestrahlung erfolgt fokussiert mit einer derartigen Intensität, dass das Targetmaterial in einen Plasmazustand überführt wird, in dem die Emission weicher Röntgenstrahlung erfolgt.

Die Düse der Flüssigkeitsquelle 61 und/oder die Falle 63 sind vorzugsweise verstellbar angeordnet, um die gegenseitige Aus- richtung zu optimieren. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Falle in die Wand 67 des Rezipienten allerdings einge- setzt (siehe Figur 4). Alternativ kann die Falle im Rezipien- ten angeordnet werden.

Zur gegenseitigen Ausrichtung der Flüssigkeitsquelle 61 und der Falle 63 kann eine Justiereinrichtung 68 vorgesehen sein.

Die Justiereinrichtung 68 basiert beispielsweise auf einer Streulichtmessung, indem ein Laserstrahl von der Düse auf das Eintrittselement 13 gerichtet und das Streulicht am Eintritts- element 13 detektiert wird. Bei Lichteinfall durch den Ein- trittskanal ist das Streulicht geringer als beim Auftreffen auf eine Kante des Eintrittselements 13. Alternativ kann die Justiereinrichtung 68 auf einem mechanisch-geometrischen Mess- prinzip basieren.

Figur 4 zeigt einen Teil einer Vakuumeinrichtung, bei der die Flüssigkeitsfalle als Modul in eine Wand 67 der Vakuumkammer 61 eingesetzt ist. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird die Wand der Flüssigkeitsfalle 63 durch die Wand 14 des Flüssigkeitsbehälters 11, einen Teil der Rezipientenwand 67 und das Eintrittselement 13 gebildet. Das Eintrittselement 13 ist beispielsweise entsprechend Figur 2 aufgebaut. Der Flüs- sigkeitsbehälter 11 ist über eine Schraubverbindung 68 vakuum- dicht mit der Rezipientenwand 67 verbunden. Alternativ kann der Flüssigkeitsbehälter 11 mit dem Eintrittselement 13 eine Flasche bilden, die in einer entsprechenden Fassung in der Re- zipientenwand vakuumdicht fixierbar ist.

Die Gestaltung gemäß Figur 4 besitzt den besonderen Vorteil, dass der Flüssigkeitsbehälter 11 sogar unter Vakuumbedingungen ausgetauscht werden kann. Bei kurzzeitiger Abnahme des Flüs- sigkeitsbehälters 11 wird wegen des geringen Durchmessers des Eintrittskanals das Vakuum in der Vakuumkammer 61 selbst bei Atmosphärendruck im Flüssigkeitsbehälter 11 kaum beeinträch- tigt. Die erfindungsgemäße Flüssigkeitsfalle ermöglicht vor- teilhafterweise eine kontinuierliche Rückgewinnung der Flüs- sigkeit aus der Vakuumkammer. Bei herkömmlichen Systemen, z.

B. Kryofallen kann die Flüssigkeit nicht ohne eine Unterbre- chung des Vakuumbetriebs zurückgewonnen werden. Mehrstündige Standzeiten, wie sie bei herkömmlichen Vakuumanlagen auftre- ten, können mit der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsfalle ver- mieden werden.