JPH07110331B2 - ヘリウムガスおよび／またはネオンガスの精製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、連続流のヘリウム及び／またはネオンガスの
精製方法に関するものである。特に、本発明は超高純度
ヘリウムおよびネオン（またはその混合物）の連続的な
生成に関連するものであるが、それに限定されるもので
はない。ここで、「超高純度」とは、一種または複数種
の不純物ガスによる汚染が体積で１千万分の１（1/10pp
m）以下であることを意味する。このような純度を有す
るヘリウムやネオンガスは、最新の分析技術における試
料のキャリアガス、放電管およびレーザ用充填ガス、半
導体産業におけるバージガス等をはじめ、多くの用途が
ある。

〔従来技術とその問題点〕

ガスの連続流を精製する多くのプロセスが従来より周知
である。例えば、米国特許第4,313,739号では、汚染分
子の選択的なイオン化に基づくプロセスが開示されてお
り、精製対象のガス流を予め決められた流路を通過させ
てガス中の不純物をイオン化し、正の不純物イオンをガ
ス流から取り除くものである。このプロセスでは、コロ
ナ放電を用いて不純物のイオン化をおこなう。このコロ
ナ放電は、ガス中にイオンと電子を生成し、そして、不
純物分子と電荷を交換する。もちろん、この方法は、不
純物分子が精製対象のガス分子よりも弱いイオン化ポテ
ンシャルを有している場合のみ有効である。

さらに、プロセス全体の効率は極めて低く、不純物をイ
オン化する際に必要なイオンおよび電子が分極電界（po
larizing field）によってガス流から継続的に取り除か
れる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、超高純度ヘリウムガスおよびネオンガ
スを連続的に生成し、かつこれを比較的簡易な方法で実
現することにある。

〔発明の概要〕

本発明の一局面では、ヘリウムガスまたはネオンガスま
たはそれらの混合物の連続流を精製する方法が提供され
る。この方法は、精製対象のガス流を所定の流路へ通過
させ、ガス中の不純物をイオン化し、主ガス流から正の
不純物イオンを除去するため、ガス流に対して電界を与
えて不純物イオンをガスの流れから外れるように移動さ
せるものである。不純物のイオン化は、電気的放電によ
ってガス流を励起させ、すなわち、エネルギを失うこと
により不純物をイオン化させる希ガスの準安定原子を生
成することによっておこない、準安定原子は優位な不純
物イオン化プロセスを提供するものである。

本発明に係る精製方法の有効性は、希ガスの準安定原子
の高い励起ポテンシャルに基づいている。特に、ヘリウ
ムまたはネオンの準安定励起ポテンシャルはどの不純物
のイオン化ポテンシャルよりも高い。加えて、これら準
安定原子は中性で、電界（分極電界）下においてガス流
より取り除かれるものではない。さらに、希ガスの準安
定原子は、蓄積していたエネルギを衝突によって出会う
不純物分子に対して失いやすく、希ガスは励起せずに、
帯電していない原子として残る。希ガスの「準安定」原
子のイオン化効果はもちろん周知の効果であるが（例え
ば、英国特許明細書第882977号には高感度検出装置に用
いられている）、上述のように、希ガスの精製には用い
られてはいなかった。

ガス流の励起または不純物イオンの生成による直接的な
結果としても生じ、また、希ガスイオンの生成によって
も生じ、そして、不純物のイオン化が起こる。しかしな
がら、これら後者のプロセスでは、不純物のイオン化の
方が準安定原子の生成よりも効率が低い。

本願発明に用いられる精製装置は、精製対象のガスの入
口と精製されたガスの出口と、入口と出口の間に延在す
るガス流路を形成する手段と、ガス流路を通過する主ガ
ス流から副ガス流を採流する排出手段と、該流路を通過
するガス中の不純物をイオン化させるように作動するイ
オン化手段（前記イオン化手段は、不純物を直接イオン
化させるかまたはガス中の不純物を引き続きイオン化す
る希ガスイオンと準安定原子を生成するように希ガス原
子を励起させることによって容易に達成することができ
る）と、ガス流路にわたって電界を提供し、正の不純物
イオンを主ガス流から取り出し、排出手段を介して除去
するために副ガス流を導くよう作動する電界手段とより
成る。電界手段には、筒状の陰極により同軸上に囲ま
れ、入口と出口の間のガス流路を画成する手段としても
用いられる中心に延在する陽極を設けることが望まし
い。筒状の陰極は、多孔性で、さらに排出手段として機
能し、陰極を介して外側へ流れるガスは副ガス流より成
り、加えて、分極電界により陰極に引き付けられる不純
物が含まれている。イオン化手段はコロナ放電装置の形
態をとることが有益である。該コロナ放電装置は、分極
電界の陽極と陰極より構成し、そして、陽極と陰極の間
に接続し、高電位で短いパルスを供給するパルス源を含
むものである。他の形態のイオン化手段として、放射能
源、紫外線源、外部Ｘ線またはガンマ線源を用いること
も可能である。

〔発明の実施例〕

本発明に好適に用いられる精製装置は、ヘリウムガスま
たはネオンガスあるいは両者の混合ガスの精製に適して
いるが、説明を簡単にするため、ヘリウムガス流の精製
についてのみ詳述する。

第１図に本発明に用いられる精製装置の一例を示す。精
製装置は、不純物を含むヘリウムの入口11と精製された
ヘリウムの出口12の間に主ガス流路を画成する筒状部材
10を有している。筒状部材10は、焼結金属、焼結金属化
ガラス、石英等の多孔性導電材料より成る。筒状部材10
は精製装置の陰極を構成し、対応する陽極13は絶縁終端
シールにより筒状陰極10内に同軸に配設された金属ロッ
ドより成る。

電界は、直流分極電源15により陽極13と陰極10の間に設
定される。この直流電源15は作動中の精製装置内に存在
する圧力下で（通常、大気圧より少し高い）、ヘリウム
中でアークまたは放電を発生させるよりは実質的に低い
電位を陽極と陰極間に印加する。ただし、印加される電
位は、存在する全ての正イオンを陰極へ速く移動させる
には十分な電位である。

陰極10を流れるガス中の不純物をイオン化するために、
パルス発生源16を設け、陽極と陰極との間に高周波（10
0kHzから50MHz）、高電位で短いパルス（１マイクロ秒
以下）を電極間に供給し、イオン化を誘発するコロナ放
電（ionizing coronadischarge）を生成する。このよう
な構成は英国特許明細書番号第1597623号に開示されて
おり、したがって、ここではさらに詳しく説明しない
が、コロナ放電を開始するには、少なくとも１つのイオ
ンまたは電子が存在しなければならないので、所要のイ
オンまたは電子を生成する手段を設けることが好ましい
ことを特記しておく。（バックグランド放射に頼っても
よい。）したがって、電源はその通常作動電位に戻る前
に初期放電を生じるように調整することができる。

筒状陰極10を取り囲んで円筒状のジャケット17があり、
作動中の多孔性陰極10を外側放射状に通過するガスを回
収する。ジャケット17は、陰極10により画成された主ガ
ス流路の入口端付近に排出口18を有する。

主ガス流路の入口11付近にはディフューザ（diffuser）
が設けられ、陰極10の内側での流れを形成する。

典型的には、100万分の１（1ppm）の不純度の不純物を
含むヘリウムを、周囲大気に対してやや高い圧力下で入
口11に供給し、陰極10の内側で同軸に矢印Ａの方向に出
口12へ向かう流れの主ガス流を形成する。陰極が多孔正
であるため、小さい副ガス流が生じ、陰極を放射状に外
側に向かって通過し、そして、矢印Ｂの方向で排出口18
へ向かう。

パルス電源16により陽極13と陰極10間に形成されたコロ
ナ放電は、不純物原子または分子を直接イオン化し、ま
たは、ヘリウム準安定原子を最初に生成し、実質的に衝
突するヘリウムイオンを生成し、不純物をイオン化する
ことにより、主ガス流中の全ての不純物原子または分子
をイオン化させる。ヘリウムイオンとその準安定原子の
遷移から放出される紫外線放射もまた光イオン化により
不純物をイオン化させる。支配的な不純物イオン化プロ
セスは、一般に、準安定状態のヘリウムと不純物原子お
よび分子との衝突によるものである。

分極電源15により陽極13と陰極11の間に印加された電界
は、正の不純物イオンを陰極に移動させる。そこで、正
の不純物イオンは、多孔性陰極10を通過して主ガス流よ
り外れて副ガス流の一部となる。

精製されたヘリウムは典型的には１千万分の１（1/10pp
m）以下の不純物レベルである精製装置から取り出さ
れ、不純物は排出口18から排出される。

本発明に用いられる上述の精製装置の実際の寸法は、所
望のヘリウム流量と必要な純度によって違ってくるが、
通常、長さ0.3メートル、内径10mmの管を使用する。標
準状態（STP）で毎秒１ミリリットル（ml）で流れるヘ
リウムの1ppm（百万分の１）の不純物をすべて除去する
のに、4.3マイクロアンペアのイオン化電流が必要であ
る。これは、イオン化電流がすべて不純物イオンによっ
て運ばれ、不純物イオンが陰極にであった後、不純物が
主ヘリウムガス流から完全に取り除かれると仮定した場
合である。実際には、１〜10％のイオン化効率より一般
的である。

本発明に用いられる精製装置は、円滑な分離操作を妨げ
る傾向がある気体拡散プロセスを伴う蒸留搭に2mmの陽
極を使用し、前述の流量および不準物レベルとした場
合、浄化装置の５から10mmの区分が蒸留搭の１個の段に
相当し、各区分につき67％の不純物が除去される。した
がって、５つの区分で理論的には、不純物の99％が除去
されることになる。典型的な精製装置は、精製範囲と最
大流量を拡張するために、その長さは0.3mまたはそれ以
上である。

精製装置の構造および電気的特性として、できれば、精
製装置のイオン密度が上昇し、プラズマ状態となること
を避けることが好ましい。プラズマ領域では、雲状ガス
（gaseous cloud）の状態でイオンと電子が近接に連結
しており、電界をかけてもイオンの電極の方へ容易に移
動することができない。精製装置の10mm区分で、内径10
mmの陰極の場合、プラズマ状態を回避するには分極電界
電流は１マイクロアンペアを越えてはならない。

上述の精製装置には、様々な変更が可能である。コロナ
放電難のイオン源の代わりに、例えば、陰極10内に設置
された放射源、紫外千源、外部Ｘ線またはガンマ線源搭
のイオン化供給源を用いることもできる。

さらに、不純物や分子を除去するために、多孔性陰極は
特に有益で効率のより手段であるが、非多孔性陰極を用
いて、陰極の直接上を通過し、その内部で中和された不
純物が濃縮されるガス流を主ガス流から分離することも
できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、ヘリウムガス、ネオンガスの希ガ
スの準安定原子に着目し、そのガス中に存在する不純物
と衝突させることによりさらにイオン化をおこない、超
高純度の精製をおこなうことができる。また、本発明
は、第１図のように簡単な構成で容易に実施することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に用いられた精製装置の縦
断面図である。 10:筒状部材（陰極） 11:入口 12:出口 13:陽極 14:絶縁終端シール 15:直流分極電源 16:パルス発生源 18:排出口 19:ディフューザ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ヘリウムガスまたはネオンガスまたはその
   混合ガスを高純度に精製する方法において、 精製対象ガスの流れを予め決められた流路へ通し、 ガス中の不純物をイオン化し、 前記ガス流からの正の不純物イオンを除去するため、前
   記ガス流に電界を印加し、不純物イオンをガスの流れか
   ら外れるように移動させ、 電気的放電によってガス流を励起させ、精製対象の希ガ
   スの準安定原子を生成し、不純物と衝突させることによ
   ってさらに不純物をイオン化させることを特徴とするヘ
   リウムガスおよび／またはネオンガスの精製方法。
2. 【請求項２】前記電気的放電はコロナ放電であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のヘリウムガスお
   よび／またはネオンガスの精製方法。
3. 【請求項３】前記コロナ放電は10KHzから50MHzの範囲の
   高周波数で、１マイクロ秒以下のパルス幅を有するパル
   ス信号を供給することによって生成されることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載のヘリウムガスおよび／
   またはネオンガスの精製方法。