JP2008506936A - ガスセンサ及びゲッタポンプの運転法 - Google Patents

Abstract

ガスセンサは検出室（１１）を有しており、この検出室はゲッタポンプ（３０）と絞り通路（２０）を介して接続されている。検出室（１１）は、水素に関してのみ選択的に透過性の壁（１２，１３）によって閉鎖されている。ゲッタポンプ（３０）は検出室（１１）から水素を吸い出す。前記壁（１２，１３）を通って水素が検出室（１１）内へ拡散されると、このことは高感度の圧力センサ（１４）によって検出される。このガスセンサは簡単な構成であり、質量分析計は不要である。

Description

本発明は、検知ガスの存在を検知するためのガスセンサ及び高真空を形成するために水素を吸い出すためのゲッタポンプの運転法に関する。

漏れ探知器において、その他の箇所は閉鎖されたケーシングの１漏れ箇所から流出する検知ガスの発生を検出することは公知である。一般に、検知ガスとしてはヘリウム又は水素が使用される。両方の場合において、検知ガスの存在の証明は質量分析計を使用することにより行われる。質量分析計は極めて手間がかかり且つ高価である。更に、質量分析計はＤ_２とヘリウムとを区別する手段は提供しない。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００３１８８２号明細書（Ｌｅｙｂｏｌｄ Ｖａｋｕｕｍ ＧｍｂＨ）に記載のヘリウム又は水素用センサは真空密なケーシングを有しており、このケーシングは、検出しようとするガスに関して選択的に働く通流部を有している。当該ケーシングはガラス製であり、選択的に働く通流部はケイ素材料製の膜である。この膜には破断部の設けられたケイ素板及びヒータが配置されている。ケーシング内にはガス圧力センサが位置しており、このガス圧力センサはケーシングに侵入するガスの全圧に反応する。このようにして、比較的簡単なガス圧力センサを質量分析計の代わりに使用することができる。

ヨーロッパ特許第０８３１９６４号明細書（Ｌｅｙｂｏｌｄ Ｖａｋｕｕｍ ＧｍｂＨ）には、漏れ探知器の試験ガス検出部用の、選択的に働く通流膜の製作が記載されている。通流部はケイ素から成る板を有しており、この板は多数のガス通流面を形成している。当該通流部は、真空装置と接続された真空室に通じている。

本発明の課題は、構成が簡単で、検知ガスに関して高度の感度及び選択度を供与する、検知ガスの存在を検知するためのガスセンサを提供することである。

本発明によるガスセンサは請求項１により規定されている。即ち、本発明によるガスセンサは、検知ガスに関して選択的に透過性の壁を有する検出室と、検知ガスを吸収するゲッタポンプを内蔵するポンプ室とを有している。検出室は、絞り通路を介してポンプ室と接続されている。検出室内に内蔵された圧力センサが、検知ガスの侵入により惹起される圧力上昇を検出する。

本発明では、ゲッタポンプにより検出室内に高真空を形成する。但し、このゲッタポンプは検出室外のポンプ室に内蔵されている。選択的に検知ガスに関してのみ透過性の壁を介して検知ガスが検出室に流入すると、直ちに圧力が増大する。この圧力増大は、絞り通路の流れ阻止作用に基づいて、ゲッタポンプによりすぐに減圧することはできない。当該の圧力増大は、圧力センサによって検出され且つ検知ガスの検知に関する兆候として評価することができる。検出室内の増大した圧力は、絞り通路によって惹起される時定数を考慮して遅れて低下され、これにより、ガスセンサは引き続き再機能準備状態となる。

有利には、ガスセンサは水素の存在を検出するように形成されている。検出室に内蔵された圧力センサは、ガス圧力に関連した電流を供給する。圧力センサとしては、ペニング放電の原理に従って作動するセンサが適しており、このセンサはガス圧力に関連した電流を供給する。ペニング圧力センサは２枚の電極板を陰極として有しており且つこれらの電極板の間に配置された１つの陽極リングを有している。陽極と陰極との間の空間にガスイオンが位置している場合に、これらの陽極と陰極とは検出可能な電流を生ぜしめる。このようにして、１０^−１２ｍｂａｒ未満の極めて低いガス圧力が測定可能であり、この場合、１０^−１３Ａのオーダの極小測定電流が発生する。このようにして、検知ガス検知の高感度が実現され得る。ペニングセンサは、会社Ｉｎｆｉｃｏｎにおいて「ペニングゲージＰＥＧ１００」という名称で入手可能である。

検出室が、選択的に検知ガスに関してのみ透過性の壁によって仕切られていることにより、検知ガスは専ら外部から検出室に流入可能である。検出室内における圧力変化の発生は検知ガスの流入を検知するために役立ち、本発明によるガスセンサは、最少量の検知ガスを検知するために適している。なぜならば、ゲッタポンプにより１０^−１２ｍｂａｒのオーダの高真空が形成可能であるからである。ガス圧力の検出に使用される圧力センサは、質量分析計よりも著しく簡単である。当該圧力センサは、特定のガスに選択的に反応する必要はない。むしろ、検出室内の全圧を求めれば十分である。この場合、絶対値を求めることも不要であり、圧力変化を検出することで十分である。

本発明の有利な改良では、検知ガスに関しては選択的に透過性であるが、他のガスに関しては抑止する壁が、例えばケイ素製の支持体に配置された膜から成っている。有利には、この選択的に透過性の壁は、透過性を向上させるために加熱可能である。このためには、例えば膜自体を加熱用抵抗として使用することができる。

本発明は、簡単に構成されたガスセンサを提供する。このガスセンサは、検知ガスの最小部分圧力でさえも、簡単な手段で検出可能である。当該のガスセンサは、特に漏れ探知において使用するために適しており、この場合、容器からの検知ガスの流出を検出する。

本発明は更に、請求項７に記載の水素を吸い出すためのゲッタポンプの運転法に関する。この方法では、水素に関して選択的に透過性の壁を有する排気可能な容器内の、水素を吸着するゲッタ材料を再生するために加熱し、これにより、ゲッタ材料から前記壁を介して水素を大気中へ漏出させる。

この方法では、ゲッタ材料が再生可能な水素ポンプを形成する。当該方法は、ゲッタの加熱時に、先に吸着されていた水素がゲッタ材料の表面に向かって移動し、これにより水素が外部に放出されるという状況を利用する。これに対してその他のガスは、加熱時にゲッタ材料内へ拡散する。ゲッタ材料内では、Ｈ_２分子の吸収と放出との間で平衡が生じる。吸収は外部圧力（部分圧力）に関連している。放出は温度に関連している。ゲッタ材料の加熱時に、水素はこの材料から放出されて容器の空間を満たす。これにより、容器内の水素の部分圧力は周辺大気中の部分圧力を越えて高まる。つまり、水素は容器から大気中へ流出する。このことは、このようにして水素が除去されたゲッタ材料の再生を意味する。この場合、このゲッタ材料は排気されるべき新たな水素に関して吸収可能である。

以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１には、全圧とは無関係の水素部分圧測定用のガスセンサが示されている。このガスセンサはガラス製の閉鎖されたケーシング１０を有しており、このケーシング１０は検出室１１を有している。ケーシングの壁１２は、このケーシングのガラスと結合された多孔質のケイ素から成る支持体をも有している。この支持体は、パラジウムから成る薄膜１３によって被覆されている。パラジウムは、水素及び水素の同位元素（Ｈ_２，Ｄ_２，Ｔ_２，ＨＤ，ＨＴ，ＤＴ）についてのみ透過性であるという作用を有している。その他の全ての元素については、透過性は無視し得るほど小さい。

検出室１１内には、ペニング圧力センサの形の圧力センサ１４が位置している。この圧力センサ１４は２枚の平行な陰極板１５を有しており、これらの陰極板１５は互いに間隔をおいて配置されており、図１では一方の陰極板しか見えていない。陰極板１５の間には、軸線が陰極板平面に対して直交して延びる陽極リング１６が位置している。電圧源１７は直流電圧を供給し、この直流電圧は陰極板と陽極リングとの間に印加される。電流回路には、陰極電流又は陽極電流を測定するための電流測定装置１８が位置している。ペニング放電のために必要な磁界は、閉鎖されたケーシング１０の外側に取り付けられた永久磁石によって形成される。

圧力センサ１４の陰極板１５は、水素に関して最小限の吸込み作用を有する材料、例えばアルミニウムから製作されている。つまり、運転中陰極表面には水素が蓄積されないということが保証されている。これにより、ほとんど専らゲッタポンプ３０によって規定される吸込み特性の不変性が供与されている。

検出室１１には絞り通路２０を介してゲッタポンプ３０が接続されており、このゲッタポンプ３０は検出室１１内に高真空を生ぜしめる。ゲッタポンプ３０は、ガラス製の密な容器３１内にゲッタ材料３３を有する室３２を有している。ゲッタ材料は、例えばメーカＳＥＡＳ−ＧｅｔｔｒｅｒｓのゲッタＳＴ７０７製である。このゲッタ材料は水素に対して多大な吸着作用を有している。従って、水素は検出室から絞り通路２０を介して排気される。

ガスセンサの作動に際して、まず最初に検出室１１を吸込み管片３５を介して排気してから閉鎖するので、検出室内は例えば１０^−８〜１０^−７ｍｂａｒの真空が支配している。次いで、ゲッタポンプ３０のゲッタ材料を例えば５００℃の活性温度に加熱し、これにより、ゲッタポンプ３０は検出室１１から水素を吸い込んで、水素部分圧力を１０^−１２ｍｂａｒ未満の圧力に低下させる。次いで、水素を選択的に透過させる加熱された壁１２を通って大気から検出室１１に水素が流入すると、検出室１１内の圧力が高まる。なぜならば、水素は絞り通路２０を通して遅れを伴ってしか吸い出すことができないからである。前記の圧力増大は、圧力センサ１４によって検知され且つ水素の侵入として評価される。

総面積１ｃｍ^２で厚さ１０μｍのパラジウム製の薄膜１３により、３００℃の温度において水素に関してはＬ_Ｈ２＝１．３×１０^−１ｌ／ｓの、薄膜を介したコンダクタンスが得られる。ゲッタポンプ３０の吸込み特性は、絞り通路２０によってＳ_Ｈ２＝０．２ｌ／ｓに制限される。センサ周辺、つまり大気中の水素圧力のｐ＝^１０−６ｍｂａｒへの増大は、センサ内にｔ＝１００ｍｓのセンサ時定数で、３×１０^−１０Ａの放電電流の増大を生ぜしめる。この場合、冷陰極放電に関してＩ＝１Ａ／ｍｂａｒの典型的な感度及び２０ｃｍ^３のセンサ体積を採用した。

図２に示したゲッタポンプ５０は、原則として図１に示したゲッタポンプ３０と同じ形式で形成されている。ガラス製の閉鎖された容器５０内には、格子によって保持された多数のゲッタピル５３の形のゲッタ材料５２が位置している。このゲッタ材料は、蒸発不可能なＮＥＧ材料（ｎｏｎ ｅｖａｐｏｒａｔａｂｌｅ ｇｅｔｔｅｒ）である。これらの材料のポンプ作用は加熱によって開始される。ガスはゲッタ表面に付着して、加熱中に個々のゲッタ粒子内部へ拡散するので、ゲッタ粒子の反応表面は引き続き更なる分子を吸収することができる。この過程は、固体材料が飽和限界に達するまで反復可能である。不活性ガス及び水素に関してのみ、当該過程は異なる。不活性ガスの化学作用を起こさない特性に基づき、ＮＥＧ材料は不活性ガスについてはポンプ作用を示さない。

水素はゲッタと他の反応ガスよりも弱く結びつけられる。水素に関しては、ゲッタ温度及びゲッタにより吸収された水素量に関連した、周辺環境に対する平衡圧力が存在する。大量の水素を吸収した後は、加熱中に放出水素が導出されない限り、吸込み作用を加熱によって再生することはできない。

この場合、ゲッタ材料としてはメーカＳＥＡＳ−ＧｅｔｔｒｅｒｓのゲッタＳＴ７０７が使用される。別のＮＥＧ材料も使用可能である。

図２では、容器５１の１側面が、パラジウム製の加熱可能な薄膜５４によって閉鎖されている。パラジウムは、専ら水素及び水素の同位元素に関して高い透過性を有している。ゲッタポンプ５０は、薄膜５４を透過する水素に関して作用する。

容器５１は、まず最初に一度補助真空圧に排気されてから閉鎖される。この状態でゲッタは例えば５００℃に加熱され、これによりゲッタ作用が開始される。ゲッタ材料の活性状態において、あらゆる反応ガスが表面に付着する。閉鎖された容器５１には専ら水素がパラジウム薄膜５４を通って流入する。これに対応して、容器５１の周辺環境からは水素だけが水素ポンプにより排気される。このポンプは、周辺環境中の他のガスの部分圧力とは無関係に、水素にしか作用しない。

水素ポンプの製作中に、容積を一度ｐ＜１０^−１ｍｂａｒに排気してから、最終的にガラス封着により閉鎖する。次いで、ゲッタを加熱により活性化させ、これにより、閉鎖された容積内の大気ガスが排気され、水素もゲッタ材料に吸着される。この状態では、ポンプの周辺環境からは水素しか排気されない。なぜならば、水素だけがパラジウム薄膜を透過してポンプ容積に流入可能だからである。これが通常の運転状態である。

ゲッタ材料１ｇ当たり１０００Ｔｏｒｒ ｌのガス量を吸収した後には、ポンプの再生を実施することが望ましい。１０００Ｔｏｒｒ ｌ／ｇの水素量を吸収した後のＨ_２平衡圧力は、５０℃の温度で約７×１０^−９ｍｂａｒである^。この状態で材料が５００℃に加熱されると、圧力は８０ｍｂａｒへ上昇する。再生のためには、この温度で水素ガスを除去する必要がある。再生中に水素はパラジウム薄膜を透過して外部に排気される。Ｔ＝５００℃において圧力を０．５Ｔｏｒｒに低下させると、対応する残留吸収水素量は２５Ｔｏｒｒ ｌ／ｇである。未だ残留しているこの水素量の平衡圧力は、Ｔ＝５０℃においてｐ＜１０^−１２ｍｂａｒである。

図２には、ゲッタ材料の再生中の圧力比が示されている。容器５１の内部では、水素の部分圧力はＰ_Ｈ２＝８０ｍｂａｒであり、これは同時に容器内の全圧でもある。これに対して周辺大気中は１０００ｍｂａｒの大気圧が支配しており、この場合、水素の部分圧力Ｐ_Ｈ２は８０ｍｂａｒよりも著しく低い。従って、水素は薄膜５４を介して容器５１から漏出する。この容器を取り囲むガスは水素フリーであるということが保証されていなければならない。再生サイクルは任意で頻繁に反復可能である。パラジウム薄膜を介した、水素に関するおよそ１×１０^−３ ｌ／ｓの容易に実現可能なコンダクタンスにおいて、２００ｍｂａｒ ｌの水素量の処理量を得るためには約１時間が必要とされる。

検知ガスの存在を検知するためのガスセンサの概略図である。 水素を排気するための再生可能なゲッタ真空ポンプを示した図である。

Claims (8)

1. 検知ガスの存在を検知するためのガスセンサであって、検知ガスに関して選択的に透過性の壁（１２）を有する検出室（１１）と、検知ガスを吸収するゲッタポンプ（３０）を内蔵するポンプ室（３２）と、該ポンプ室（３２）と前記検出室（１１）とを接続する絞り通路（２０）とが設けられている形式のものにおいて、 検出室（１１）に内蔵された圧力センサ（１４）が、検知ガスの侵入により生ぜしめられる圧力増大を検出することを特徴とする、ガスセンサ。
2. 圧力センサ（１４）が、ペニング放電の原理に従ってガス圧力に関連した電流を供給する、請求項１記載のガスセンサ。
3. 前記の選択的に透過性の壁（１２，１３）が、水素及び水素の同位元素に関して透過性である、請求項１又は２記載のガスセンサ。
4. 壁（１２）が、パラジウムを含有する膜（１３）を有している、請求項３記載のガスセンサ。
5. 膜（１３）がケイ素製の支持体に配置されており、該支持体がガラス製の検出室と結合されている、請求項４記載のガスセンサ。
6. 選択的に透過性の壁が加熱可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載のガスセンサ。
7. 水素に関して選択的に透過性の壁（１２；５４）を有する容器（３１；５１）内の、水素を吸着するゲッタ材料（３３；５３）を再生させるために加熱し、これにより、水素をゲッタ材料から前記壁を介して大気中へ漏出させることを特徴とする、水素を吸い出すためのゲッタポンプ（３０；５０）の運転法。
8. 壁（１２，１３；５４）を加熱する、請求項７記載の運転法。

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