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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auffangen und zum Abtransport
von insbesondere großvolumigen
und/oder salzhaltigen Flüssigkeitstargets
sowie ein Verfahren zu deren Anwendung, beispielsweise zum Entfernen
von bei der Plasmaerzeugung für
die Emittierung elektromagnetischer Strahlung unverbrauchten Flüssigkeitstargets
aus einer evakuierten Wechselwirkungskammer.
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Strahlungsquellen,
insbesondere im extrem ultravioletten Spektralbereich (EUV), lassen
sich durch Wechselwirkung intensiver Laserstrahlung mit Materie
realisieren. Dieser Prozess erfordert eine hohe Laserintensität, weshalb
bei der praktischen Durchführung
grundsätzlich
intensive Laserimpulse zur Anwendung kommen. Verfahren zur Erzeugung von
EUV-Strahlung mit lasergetriebenen Plasmen sind hinreichend bekannt
(z. B.
US 6.002.744 ,
US 5.577.092 ,
US 5.577.091 ,
US 5.459.771 ).
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Trifft
ein solcher Laserimpuls in einer sog. Wechselwirkungskammer auf
ein festes, flüssiges oder
gasförmiges
Material (Target), so entsteht ein Plasma, das bei geeigneter Wahl
der Laserimpuls- und Targetparameter elektromagnetische Strahlung u.
a. im besagten EUV-Bereich emittiert. Um die Absorption der entstandenen
EUV-Strahlung am umgebenden Material (z. B. Luft) zu verhindern,
muss die Wechselwirkungskammer evakuiert sein. Werden Flüssigkeiten
oder Gase als Targetmaterial verwendet, ist deshalb eine Entfernung
verbrauchten oder ungenutzten Targetmaterials zwingend erforderlich.
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Es
ist bereits bekannt (
US 5.577.091 und
US 5.459.771 ), unverbrauchtes
und zu Eiskristallen gefrorenes Targetmaterial nach erfolgter Laseranregung
mittels eines Kollektors im Vakuum zu sammeln und anschließend für eine Entsorgung
bzw. Wiederverwendung thermisch zu verflüssigen oder zu verdampfen.
Doch auch unverbrauchte Flüssigtargets, die
entfernt werden müssen,
gefrieren in der evakuierten Wechselwirkungskammer bei ihrem Auftreffen auf
jede feste Oberfläche
eines Targetkollektors. Das bereitet wiederum Probleme, die Auffangöffnung eisfrei
und damit im aufnahmefähigen
Zustand zu halten.
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Eine
Lösung
dafür ist
in der Offenlegungsschrift
DE
101 47 454 A1 dargestellt. Der Targetkollektor besitzt
im Bereich seiner Kollektoröffnung
mindestens ein Heizelement, welches ein Gefrieren von auf eine feste
Oberfläche,
wie den Rand der Kollektoröffnung,
auftreffenden Flüssigkeitstargets
verhindert. Damit wird die Gefahr des Zusetzens der Kollektoröffnung durch
sich bildende Eiskristalle der aufzufangenden Flüssigkeitstargets verringert.
Der Durchmesser der Kollektoröffnung
ist dabei vorzugsweise nur unwesentlich größer als der Durchmesser der aufzufangenden
Targets.
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Sind
allerdings großvolumige
Flüssigkeitstargets
bzw. Targets in hoher zeitlicher Folge aufzufangen und abzutransportieren,
so ergeben sich bei zu geringen Kollektoröffnungen wiederum erhöhte Gefahren
des Vereisens. In einem solchen Fall müssten der Anwendungsbetrieb
des Targetkollektors unterbrochen und die Vorrichtung extra enteist werden.
Solche Unterbrechungen wirken aber einem kontinuierlichen Einsatz
des Targetkollektors an sich (ohne erforderliche Wartungs- und Instandsetzungszeiten)
und somit einem Dauereinsatz bei der Plasmaerzeugung entgegen. so
dass eine Verwendung des Targetkollektors in diesem Fall mehr als
in Frage gestellt ist.
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Eine
Vergrösserung
der Auffängeröffnung erfordert
andererseits einen wesentlich erhöhten vakuumtechnischen Aufwand.
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Diese
Probleme rücken
um so mehr in den Vordergrund, je großvolumiger die aufzufangenden und
abzutransportierenden Flüssigkeitstargets
sind.
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Mit
sehr hohem energetischen Aufwand bezüglich der Heizung der Kollektoröffnung sowie
der Vakuumtechnik könnten
so selbst größervolumige Targets
aufgefangen werden.
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Das
mit Vergrößerung der
Kollektoröffnung gleichzeitig
verbundene extrem starke Anwachsen der anfallenden und abzutransportierenden
Masseströme
an Targetflüssigkeit
bereiten zusätzlich
das Problem des Gefrierens von unverbrauchtem Targetmaterial innerhalb
des Kollektors, so dass sowohl das gesamte Auffanggefäß als auch
die Vakuumanschlüsse
auf Grund der Verdunstungskälte
vereisen bzw. zu dessen Vermeidung sehr aufwendige Heizungen erforderlich
wären.
Dieser Fall tritt typischerweise bei Kollektoröffnungen > 40 μm
auf.
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Infolge
der Vereisung wird die Kollektoröffnung
von innen zugesetzt.
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Das
Absaugen des gefrierenden Targetmaterials aus dem Kollektor wird
somit unmöglich.
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Ein
unterbrechungsfreier Dauerbetrieb der Vorrichtung und eine kontinuierliche
Wiederverwendung der aufgefangenen Targets für die Plasmaerzeugung sind
wiederum nicht möglich.
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Werden
darüber
hinaus Targets mit in Flüssigkeiten
gelösten
Stoffen verwendet, z. B. salzhaltige wässrige Targets, ist dieses
Auffängerkonzept gänzlich ungeeignet,
da sich insbesondere an der beheizten Stellen des Targetkollektors
Salzkristalle ablagern und den Abtransport behindern würden. Diese ständigen Ablagerungen
müssten
für den
Abtransport des Targetmaterials wiederum extra beseitigt werden.
Ein Dauerbetrieb bei der Plasmaerzeugung kann, wie vorbeschrieben,
erst recht nicht gewährleistet
werden. Außerdem
würde sich
die Kollektoröffnung
sehr schnell nicht nur von außen,
sondern auch von innen durch die Ablagerungen zusetzen. Damit fällt der
Targetkollektor nicht nur für
einen kontinuierlichen Betrieb, sondern vollständig aus.
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Bei
Verwendung von verflüssigten
Gasen als Targetmaterial, wie ein Xenon-Target, werden beispielsweise
Kryopumpen als Kollektoren für
unverbrauchtes Targetmaterial verwendet. Diese Pumpen müssen nach
einer bestimmten Anzahl von Betriebsstunden regeneriert werden,
da das Saugvermögen nachlässt. Auch
dabei muss der Plasma-Erzeugungsprozess
unterbrochen werden. Ein Dauerbetrieb ist nicht möglich.
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Zusammenfassend
ist festzustellen, dass nicht nur ein Zusetzen der Kollektoröffnung insbesondere
für großvolumige
und salzhaltige Flüssigkeitstargets
problematisch ist, sondern dass durch das extrem hohe Potential
an Verdunstdungskälte
innerhalb der Vorrichtung zusätzlich
das Problem des Gefrierens des aufgefangenem Targetmaterials, wie auch
der Ablagerungen auftritt. Um aber nicht zuletzt für den Abtransport
ein solches Gefrieren im Targetkollektor, einschließlich des
Zusetzens der Kollektoröffnung
aus dem Innern der Vorrichtung heraus zu vermeiden, wären höchst aufwendige
Heizeinrichtungen für
den gesamten Targetkollektor mit unvertretbarem Energieverbrauch
sowie ein sehr hoher technisch-konstruktiver Aufwand erforderlich.
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Derartige
Heizeinrichtungen wiederum wären
aber nicht nur aus Aufwandsgründen
nachteilig, sondern in Hinsicht auf die beschriebenen Ablagerungen
ebenfalls für
Flüssigkeitstargets
mit gelösten Stoffen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, insbesondere für großvolumige
Flüssigkeitstargets den
Aufwand für
das Auffangen und Abtransportieren zu verringern bzw. einen Einsatz
für salzhaltige
Flüssigkeitstargets überhaupt
zu ermöglichen
sowie einen Dauerbetrieb des Targetkollektors ohne erforderliche
Wartungs- und Standzeiten und somit eine kontinuierliche Plasmaerzeugung
zu erreichen.
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Darüber hinaus
sollen auch für
diese Flüssigkeitstargets
ein definierter Abfluss und ggf. eine kontinuierliche Rückführung und
Wiederverwendbarkeit des von der Vorrichtung aufgefangenen Targetmaterials
für die
Plasmaerzeugung ermöglicht
werden.
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Für ein sicheres
Auffangen von insbesondere großvolumigen
und/oder salzhaltigen Flüssigkeitstargets
zu gewährleisten
wird die Kollektoröffnung
hinreichend weit gestaltet, um zu vermeiden, dass die aus der evakuierten
Wechselwirkungskammer aufzufangenden Tropfen den Rand der Kollektoröffnung bzw.
den Auffangkanal berühren
und damit den Kollektorkopf durch Anfrieren bzw. durch Salzablagerung
zusetzen. Selbst wenn der Kollektor einen großen Innenraum aufweist, besteht
die Gefahr, dass durch die große
Masse des aufgefangenen Targetmaterials infolge Gefrierens und Salzablagerung
in kürzester
Zeit aufwächst
und damit die Kollektoröffnung
bzw. den Auffangkanal von innen zusetzt. Eine große Masse
an aufgefangenem Targetmaterial lässt dessen Abtransport und
möglichst
kontinuierliche Wiederverwendung zur Plasmaerzeugung mittels Laserstrahlung
in der besagten evakuierten Wechselwirkungskammer problematisch
erscheinen.
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Erfindungsgemäß sind deshalb
im Innenraum des Targetkollektors vor der Kollektoröffnung bzw.
dem Auffangkanal Mittel zur Zerkleinerung der Flüssigkeitstargets vorgesehen,
beispielsweise eine Abschlageinrichtung zur mechanischen Zerkleinerung,
welche u. a. durch ein oder mehrere rotierende Messer realisiert
werden kann.
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Diese
Mittel zur Zerkleinerung lassen die aufzufangenden Flüssigkeitstargets
durch bzw. zerteilen diese ggf. noch in kleinere Flüssigkeitsportionen,
die sich besser im Kollektorinnenraum verteilen. Das im Inneren
des Targetkollektors auffrierende Targetmaterial, welches die Kollektoröffnung bzw.
dem Auffangkanal schnell blockieren könnte, wird durch dieselben
Mittel zerkleinert bzw. losgebrochen und so von der Auffangzone
des Targetkollektors ferngehalten.
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Die
besagten Mittel zur Zerkleinerung können vorzugsweise erwärmbar sein,
so dass das mit ihnen in Verbindung kommende Targetmaterial nicht daran
festfriert.
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Des
weiteren sind im Bereich des Kanals für den Abtransport des aufgefangenen
Targetmaterials Mittel zur Verflüssigung
desselben vorgesehen. Diese Mittel, beispielsweise Wärmeelemente
im Boden und/oder in der Wandung des Targetkollektors oder beheizbare
rostartige Elemente, sind vorzugsweise steuerbar und können einen
kontinuierlichen Abtransport des Targetmaterials vor dem Aufwachsen im
Targetkollektor und für
eine kontinuierliche Wiederverwendung bewirken. Zu diesem Zweck
werden die Wärmeelemente
vorteilhaft in Abhängigkeit
der Füllmenge
an aufgefangenem Targetmaterial im Kollektor angesteuert. Dies könnte durch
entsprechende Sensoren im Targetkollektor in Verbindung mit einer oder
mehreren Steuer-, Regel- bzw. und Überwachungseinrichtungen realisiert
werden.
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Die
Erfindung ermöglicht
es, ein Minimum an Temperierung einzusetzen, welche die eingangs
genannten Nachteile nicht auftreten lässt bzw. in solchen Grenzen
hält, welche
eine kontinuierliche Anwendung und einen Dauerbetrieb für die Plasmaerzeugung
in der evakuierten Wechselwirkungskammer gestatten.
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Das
Wesen der Erfindung besteht auch darin, dass das unverbrauchte Targetmaterial
im flüssigen
Zustand aufgefangen und im Targetkollektor bewusst in die feste
Phase überführt wird.
Das in dieser Form vorliegende Targetmaterial verschließt somit die Übergangsöffnung zur
Absaugeinrichtung mit dem Kanal zu dessen Abtransport. Dadurch wird
der vakuumtechnische Aufwand des Targetkollektors in der Evakuierungskammer
zur Plasmaerzeugung relativ gering gehalten.
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Danach
erfolgt nur die Erwärmung
einer Grenzschicht mittels der besagten Wärmeelemente, um mit der Verflüssigung
einen definiert steuerbaren Masseabtrag zur Entfernung des unverbrauchten Targetmaterials
aus der Plasmaerzeugungskammer zu bewirken. Dieser Abtransport des
gezielt verflüssigten
Targetmaterials kann nun vorteilhaft entsprechend der Materialzusammensetzung
des für
die Laserplasmaerzeugung verwendeten Ausgangsmaterials erfolgen.
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Gefrorenes
gasförmiges
Targetmaterial kann nach erfolgter (Wieder-)Verflüssigung
in die Gasphase rücküberführt und
abgeleitet werden.
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Gefrorenes
flüssiges
Material kann sowohl in der Flüssigphase
als auch mittels Vakuum in der gasförmigen Phase entsorgt werden.
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Die
Unteransprüche
enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung,
beispielsweise eine Positioniereinrichtung, um über eine Lageregelung eine
optimale Position zum Auffangen der Flüssigkeitstargets einzunehmen.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines schematisch in der Zeichnung
dargestellten Targetkollektors als Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
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Der
Targetkollektor besteht konstruktiv aus einem Auffängerkopf 1 mit
einer Kollektoröffnung 2 zum
Auffangen von Flüssigkeitstargets 3,
aus einer Verflüssigungseinheit 4 für aufgefangenes
Targetmaterial 5 sowie aus einer Absaug- und Transporteinheit 6 mit
einem Absaugkanal 7. Die Vorrichtung ist in einer evakuierten
und aus Übersichtsgründen nicht dargestellten
Wechselwirkungskammer angeordnet, in welcher die Targets für eine Plasmaerzeugung
zur Emittierung einer Strahlung im extrem ultravioletten Spektralbereich
(EUV) durch den Strahlenbereich eines Lasers geleitet werden. Trifft
der Strahl des Lasers auf ein solches Target, so entsteht unter
Verdampfen das besagte Plasma zur Emission der EUV-Strahlung (ebenfalls
in der Zeichnung nicht dargestellt). In der Figur sind bei einer
solchen Plasmaerzeugung unverbrauchte Flüssigkeitstargets 3 dargestellt,
die beispielsweise vom Laserstrahl nicht getroffen wurden und nunmehr
durch den Targetkollektor aufzufangen und aus der Wechselwirkungskammer
abzutransportieren sind. Diese gelangen durch die Kollektoröffnung 2 in
den Innenraum des gezeigten Targetkollektors. Dort beginnt es durch
die Verdunstdungskälte
sofort aufzufrieren und aufzuwachsen bis sich die Kollektoröffnung 2 von
innen zusetzen und damit verschließen würde.
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Um
das zu verhindern, sind im Auffängerkopf 1 ein
oder mehrere rotierende Messer als Abschlageinrichtung 8 vorgesehen,
welche die von oben aus der nicht dargestellten Wechselwirkungskammer über die
Kollektoröffnung 2 aufgefangenen
Flüssigkeitstargets 3 durchlässt bzw.
noch vorteilhaft in kleinere Flüssigkeitsportionen
zerteilen. Diese verteilen sich dann noch besser im Kollektorinnenraum.
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Vom
Boden des Auffängerkopfes 1 durch Gefrieren
aufwachsendes Targetmaterial 5 würde durch das oder die rotierenden
Messer der Abschlageinrichtung 8 zerkleinert, so dass es
nicht bis zum Zusetzen der Kollektoröffnung 2 anfrieren
kann, sondern in Form von Abbruchpartikeln wiederum im Innenraum
des Auffängerkopfes 1 verteilt
wird und auf den Boden zurückfällt.
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Zur
Vermeidung des Anfrierens von Flüssigkeitstargets 3 und/oder
von aufwachsendem Targetmaterial 5 an dem oder den rotierenden
Messern der Abschlageinrichtung 8 ist diese mit Wärmeelementen 9 versehen.
Ein nicht explizit dargestellter Überzug der Abschlageinrichtung 8 mit
einer geeigneten Oberflächenbeschichtung
könnte
diesen Effekt der Vermeidung des Anfrierens ebenfalls bewirken bzw. noch
unterstützen.
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Darüber hinaus
ist der Bereich des Auffängerkopfes 1,
in dem sich die Abschlageinrichtung 8 befindet, zwecks
Verbesserung des Vakuums in der besagten Wechselwirkungskammer und
damit zur Verringerung des vakuumtechnischen Aufwandes zusätzlich gekühlt. Dazu
wird Kühlflüssigkeit,
beispielsweise flüssiger
Stickstoff, durch ein in der Wandung des Auffängerkopfes 1 befindliches
Kühlsystem 10 geleitet.
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Im
Bodenbereich des Auffängerkopfes 1 sind in
der Wandung Wärmeelemente 11 integriert,
mit welchen das aufgefangene Targetmaterial 5, vorzugsweise
nach einem vorteilhaften Wärmeregime oder
durch eine Regelung in Abhängigkeit
des Targetmaterials 5 selbst beispielsweise abhängig von dessen
Füllmenge
oder Füllstandshöhe, zu dessen Abtransport über den
Boden und den Absaugkanal 7 definiert verflüssigt wird.
Sensoren (aus Übersichtsgründen nicht
in der Zeichnung dargestellt), die im Innenraum des Auffängerkopfes 1 angeordnet
sind oder in diesen hineinragen, könnten diese Füllmenge bzw.
Füllstandshöhe überwachen
und über
eine ebenfalls nicht dargestellte Regeleinrichtung die Wärmeelemente 11 steuern.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann auch ein beheizbarer Bodenrost 12 vorgesehen sein, über welchen
das Targetmaterial 5 verflüssigt wird und in den Absaugkanal 7 der
unter Vakuum stehenden Absaug- und Transporteinheit 6 gelangt.
Aus dieser wird das Targetmaterial 5 beispielsweise in
(nicht dargestellten) Sammel- bzw. Rückgewinnungsgefäßen aufgefangen,
welche sich typischerweise außerhalb der
Wechselwirkungskammer befinden.
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Bei
der Verflüssigung
sollte immer hinreichend Targetmaterial 5 geschmolzen werden,
so dass im Auffängerkopf 1 ein
gefrierendes Aufwachsen zur Abschlageinrichtung 8 verhindert
wird. Andererseits sollte die Abflussöffnung der Verflüssigungseinrichtung
mit gefrorenem Material verschlossen bleiben, womit auch zur Verbesserung
des Vakuums in der Wechselwirkungskammer beigetragen wird.
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Aus
energetischen Gründen
ist im Auffängerkopf 1 zur
Trennung des oberen gekühlten
Bereiches vom unteren erwärmbaren
Bereich in der Wandung eine thermische Isolation 13 vorgesehen.
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Der
Targetkollektor mit seinem Auffängerkopf 1,
mit der Verflüssigungseinheit 4 sowie
mit der Absaug- und Transporteinheit 6 ist in der besagten Wechselwirkungskammer
für ein
sicheres Einfangen der Flüssigkeitstargets 3 in
der Kollektoröffnung 2 auf einer Lagepositioniereinrichtung 14 angeordnet.
Damit kann die gesamte Vorrichtung in drei Koordinatenrichtungen
zum Strom der aufzusammelnden Flüssigkeitstargets 3 positioniert
werden.
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An
geeigneten Stellen des Targetkollektors, insbesondere im oder am
Auffängerkopf 1 sowie
in oder an der Verflüssigungseinrichtung,
können
(nicht dargestellte) Temperatursensoren angeordnet sein, mit welchen
der für
die Funktionsweise vorteilhafte Temperaturverlauf in der Vorrichtung überwacht
und das Wärme-
bzw. Kühlregime
der Wärmeelemente 9, 11 sowie
des Kühlsystems 10 gesteuert
bzw. geregelt werden kann. Eine solche Regelung ist auch über die bereits
erwähnten
(ebenfalls nicht gezeigten) Sensoren zur Erfassung der Füllmenge
oder -höhe
an aufgesammeltem Targetmaterial 5 möglich.
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Für alle Aufgaben
zur Überwachung,
Steuerung bzw. Regelung, ist eine in der Figur allgemein dargestellte
Kontroll- und Steuereinrichtung 15 vorgesehen.
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- 1
- Auffängerkopf
- 2
- Kollektoröffnung
- 3
- Flüssigkeitstarget
- 4
- Verflüssigungseinheit
- 5
- Targetmaterial
- 6
- Absaug-
und Transporteinheit
- 7
- Absaugkanal
- 8
- Abschlageinrichtung
- 9,
11
- Wärmeelemente
- 10
- Kühlsystem
- 12
- Bodenrost
- 13
- thermische
Isolation
- 14
- Lagepositioniereinrichtung
- 15
- Kontroll-
und Steuereinrichtung