JP4820996B2

JP4820996B2 - 希ガスの固定化装置及び固定化方法

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Publication number: JP4820996B2
Application number: JP2006036661A
Authority: JP
Inventors: 慶彦廣岡; 雅弘西川
Original assignee: Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Current assignee: Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-02-14
Also published as: JP2007009896A

Description

本発明は、例えば希ガスを含むか或いは化学反応等により連続的に希ガスを発生するような真空系で適用され、その真空系のガスから希ガス、特にヘリウムを効果的に固定化するための希ガスの固定化装置及び固定化方法に関するものである。

従来、ヘリウム等の希ガスの排気は、クライオポンプやターボ分子ポンプ又は３極式スパッターイオンポンプを用いて行われてきた。特に、ヘリウムは希ガスのみならず永久気体中その沸点が最も低い−４．２Ｋのため、通常８０Ｋの冷凍パネルを持つクライオポンプを用いても蒸気圧が高く、活性炭等の吸着材を併用して排気することが多い。ターボ分子ポンプの場合にも圧縮比が気体質量の平方根に比例するため、小質量原子であるヘリウムは、窒素等に比べて実効排気流量の面で極端に不利である。

そのため、ターボの回転翼段数を増やして圧縮比を上げるか、大型の排圧側ポンプを用いてヘリウムや水素等の排気に対応しているのが現状である。また、スパッターイオンポンプの場合にもヘリウムは電子衝撃イオン化断面積が小さいため、排気速度は水素の約３０分の１程度である。従って、これら従来の真空技術を用いて希ガスを排気する場合、大型ポンプを用いることでその目的を達成しているのが現状である。一方、希ガスの貯蔵、運搬に関しては、従来高圧ガスボンベに貯蔵し、運搬することが広く行われている。

上記のように従来の真空技術では、大型ポンプに頼ることで小質量気体の排気に対応してきた。従って、真空設備に関してコスト高になりがちであった。また、希ガス排気対策としてクライオポンプのパネルに補助的に取り付けられるモレキュラーシーブのような吸着剤には本質的に飽和点があり、ヘリウムの連続的排気が必要となるような真空装置には不適当である。また、スパッターイオンポンプの作動範囲は、通常、１０^−５Torr以下であるため、動作開始までにターボ分子ポンプ等による荒引きが必要である。但し、ターボ分子ポンプも何らかの工学的理由（例えば、超伝導マグネットのクライオスタット）で分厚い壁を通す排気ダクトを用いる場合、コンダクタンスロスのため十分な排気速度を確保するのは困難である。希ガスの貯蔵、運搬に関しても、高圧ガス取り扱いに関する取扱性、ボンベ貯蔵スペース及び運搬重量に問題があった。

そこで、本発明者らは先に、チタンやリチウムの蒸着膜が連続的に形成される回転機構をもつターゲットと、水素ガスを導入する水素ガス導入部と、該水素ガス導入部から導入された水素ガスのプラズマ柱を生成するためのプラズマ発生装置とを備えた水素固定化装置を提案した（例えば、非特許文献１を参照）。すなわち、水素ガス導入部から導入された水素ガスをプラズマ発生装置により水素のプラズマ柱を生成し、そのプラズマ柱をターゲットの蒸着膜に照射し、水素ガスを蒸着膜中に固定化する装置である。
Fusion Sci.＆ Technol.45巻、60〜65頁（2004）

しかしながら、非特許文献１に記載の水素ガス固定化装置では、固定化される対象ガスが水素ガスであり、蒸着膜材料との反応性を有している。そのため、プラズマ化された水素ガスは、蒸着膜を形成するチタンやリチウムと反応してチタン又はリチウムの水素化物を生成し、蒸着膜中に固定化される。ところが、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの場合には、それらのガスが不活性ガスであることから、チタンやリチウムと反応することはなく、蒸着膜中への固定化は全く期待することができない。特に、ヘリウムは希ガスの中でも最も蒸気圧が高く、固定化が困難なガスである（図３を参照）。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、希ガスを効果的に固定化することができる希ガスの固定化装置及び固定化方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の希ガスの固定化装置は、表面にリチウムの皮膜が形成されるターゲットと、希ガスを含むガスを導入するガス導入部と、該ガス導入部から導入されたガスのプラズマ柱を生成するためのプラズマ発生装置とを備え、ガス導入部から導入されたガスを用いてプラズマ発生装置により希ガスのプラズマ柱を生成し、そのプラズマ柱をターゲット表面の皮膜に照射し、希ガスを皮膜中に固定化することを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明の希ガスの固定化装置は、請求項１に係る発明において、前記ターゲット表面の皮膜を常温に維持するための冷却部を備えていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明の希ガスの固定化装置は、請求項１又は請求項２に係る発明において、前記希ガスはヘリウムであることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明の希ガスの固定化装置は、請求項１から請求項３のいずれかに係る発明において、前記リチウムの皮膜中に固定化された希ガスを、前記皮膜を昇温させることにより皮膜から脱離、気化させて回収する再気化機構を備えていることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明の希ガスの固定化方法は、請求項１に記載の希ガスの固定化装置を用い、ガス導入部から導入されたガスを用いてプラズマ発生装置により希ガスのプラズマ柱を生成し、そのプラズマ柱をターゲット表面のリチウムの皮膜に照射し、希ガスを皮膜中に固定化することを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明の希ガスの固定化方法は、請求項５に係る発明において、前記ターゲットを回転させ、希ガスをリチウムの皮膜中に連続的に固定化することを特徴とするものである。

本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
請求項１に記載の発明の希ガスの固定化装置では、表面にリチウムの皮膜が形成されたターゲットと、希ガスを含むガスを導入するガス導入部と、該ガス導入部から導入されたガスのプラズマ柱を生成するためのプラズマ発生装置とを備えている。そして、ガス導入部から導入されたガスを用いてプラズマ発生装置により希ガスのプラズマ柱を生成し、そのプラズマ柱をターゲット表面の皮膜に照射することにより、希ガスが皮膜中に固定化される。すなわち、リチウムの皮膜中にはリチウム原子が層をなして存在し、それらリチウム原子間に希ガスの原子が捕捉（埋積又は物理的共堆積）され、その状態が主として立体的（３次元的）原子間ポテンシャルにより保持されるものと考えられる。例えば、ヘリウムがリチウムの体心立法格子位置に捕獲された場合、ヘリウムが立体的原子間ポテンシャルによりリチウム原子間に保持される（図４及び図５を参照）。従って、希ガスをリチウム皮膜中に効果的に固定化することができる。

請求項２に記載の発明の希ガスの固定化装置では、前記ターゲット表面の皮膜を常温に維持するための冷却部を備えていることから、請求項１に係る発明の効果に加え、リチウム皮膜中に固定化された希ガスの揮散を抑制することができる。

請求項３に記載の発明の希ガスの固定化装置では、希ガスはヘリウムであることから、希ガスの中で最も蒸気圧が高く、固定化しにくいにもかかわらず、請求項１又は請求項２に係る発明の効果を発揮することができる。

請求項４に記載の発明の希ガスの固定化装置では、前記リチウムの皮膜中に固定化された希ガスを、前記皮膜を昇温させることにより皮膜から脱離、気化させて回収する再気化機構を備えていることから、請求項１から請求項３のいずれかに係る発明の効果に加え、リチウムの皮膜中に固定化された希ガスを容易に回収することができる。

請求項５に記載の発明の希ガスの固定化方法では、請求項１に記載の希ガスの固定化装置を用い、ガス導入部から導入されたガスを用いてプラズマ発生装置により希ガスのプラズマ柱を生成し、そのプラズマ柱をターゲット表面のリチウムの皮膜に照射し、希ガスを皮膜中に固定化するものである。このため、希ガスをリチウムの皮膜中に効果的に、かつ容易に固定化することができる。

請求項６に記載の発明の希ガスの固定化方法では、ターゲットを回転させ、希ガスをリチウムの皮膜中に連続的に固定化することから、請求項５に係る発明の効果に加えて、希ガスの固定化操作を連続的に行うことができ、希ガスの固定化効率を一層高めることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態の希ガスの固定化装置は、希ガスを含むか或いは化学反応等により希ガスを連続的に発生するような真空系に適用され、その真空系のガスから希ガス、特にヘリウム（Ｈｅ）を効果的に固定化するための装置である。そのような真空系の例として、希ガススパッタリング装置、プラズマＣＶＤ装置、反応エッチング装置等の小型装置や、重水素−三重水素反応を利用しヘリウム灰が発生する定常運転核融合炉等の大型装置が挙げられる。

図１は、本実施形態の希ガスの固定化装置１０を模式的に示す説明図である。同図に示すように、四角箱状をなすステンレス鋼製の真空チャンバー１１にはターボ分子ポンプ１２が連通管１３を介して接続され、真空チャンバー１１内が1０^−７Torr（１０^−５Ｐａ）台まで真空に排気されるようになっている。真空チャンバー１１内の中心には円筒状をなす銅製のターゲットとしての回転ターゲット１４が配設され、一定の回転速度で回転されるように構成されている。回転ターゲット１４の中心には冷却部としての水冷却管１５が設けられ、回転ターゲット１４の表面が常温（１５〜２５℃）になるように冷却する。この場合、水冷却管１５を流れる水は常温の水道水でよいが、１５℃未満の冷却水を用いれば回転ターゲット１４表面の温度を下げることができる。さらに、液体窒素等の冷媒を用いれば、回転ターゲット１４表面の温度を一層下げることができる。回転ターゲット１４は例えば直径１０ｃｍに形成され、真空チャンバー１１とは電気的に絶縁されている。

真空チャンバー１１内の回転ターゲット１４の下方位置には融点１８５℃の低融点金属であるリチウム（Ｌｉ）の蒸発源１６が配置されるとともに、その蒸発源１６を囲むように蒸気導入管１７がその開口部を上方に向けて設けられている。リチウムは前記のように低融点であることから、蒸着のためのエネルギーを節約することができる。そして、蒸発源１６から蒸発されたリチウムの蒸気が蒸気導入管１７から回転ターゲット１４に向けて放出され、回転ターゲット１４の表面に皮膜としての蒸着膜１８を形成する。前記真空チャンバー１１の底面は支持台１９で支持され、その中心には前記蒸発源１６の位置を上下させる上下位置調節装置２０が上下動可能に設けられている。

希ガスとしては、ヘリウムのほか、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）及びキセノン（Ｘｅ）が挙げられる。図３は各希ガスの温度と蒸気圧との関係を示すグラフであり、同図に示すようにヘリウムが最も蒸気圧が高く、ネオン、アルゴン、クリプトンの順に蒸気圧が低下し、キセノンが最も蒸気圧が低い。つまり、最も蒸気圧の高いヘリウムはリチウムの蒸着膜に埋積されにくくて最も固定化が困難であり、最も蒸気圧の低いキセノンはリチウムの蒸着膜１８に埋積されやすくて最も固定化が容易である。従って、ヘリウムの固定化ができるということは、それ以外の希ガスも容易に固定化できることを意味している。また、前述の原子間ポテンシャルの計算結果も同様の傾向を示している（図は省略）。

真空チャンバー１１の側方位置（図１では左方位置）には、電子サイクロトロン共鳴型（ＥＣＲ）のプラズマ発生装置２１が連結パイプ２２を介して配設され、プラズマ発生装置２１によって発生されるプラズマを回転ターゲット１４表面に照射するように構成されている。このときの照射粒子束は、プラズマ発生装置２１の出力によって決定される。連結パイプ２２のプラズマ発生装置２１側下部にはガス導入部としてのガス導入パイプ２３が接続され、ヘリウム等の希ガスを含有するガスを連結パイプ２２内に導入し、プラズマ発生装置２１によって発生するプラズマにより希ガスのプラズマ柱２４を生成する。希ガスのプラズマ柱の圧力は、ヘリウムの場合には１０^−２〜１０^−４Torrである。

連結パイプ２２内には一定の開口直径を有するドーナツリミター２５がプラズマ柱２４と直交するように配置され、その開口直径によってプラズマ柱２４の直径が設定される。プラズマ発生装置２１、連結パイプ２２、真空チャンバー１１及びターボ分子ポンプ１２の周囲には、円環状をなす３台の電磁石２６が一定間隔をおいて配置され、プラズマ発生装置２１によって発生したプラズマが回転ターゲット１４へ誘導されるようにしている。連結パイプ２２の中央上部には温度測定用筒体２７が配設され、その中にはラングミュア型のプラズマ探針２８が上下動可能に支持されている。このプラズマ探針２８の先端は前記プラズマ柱２４に達するように支持され、プラズマ柱２４の密度と電子温度（電子ボルト、ｅＶ）とが測定される。その結果から前記の照射粒子束が計算される。

真空チャンバー１１におけるプラズマ発生装置２１側の側面の上下位置には、赤外温度計で回転ターゲット１４表面の温度を測定するために斜め上方に延びる第１筒体２９及び電子衝撃励起光強度を測定するために斜め下方へ延びる第２筒体３０が固定されている。そして、赤外温度計を用いて第１筒体２９から回転ターゲット１４表面の温度が測定されるとともに、第２筒体３０を利用し、分光器によって中性ヘリウムの電子衝撃励起光強度が測定され、回転ターゲット１４上のリチウムの蒸着膜１８中に埋積固定された希ガスの量が測定される。

回転ターゲット１４上に希ガスを固定化するためには、例えば希ガスがヘリウムである場合、回転ターゲット１４を照射するヘリウムのイオン粒子束に対するリチウムの粒子束の比は、１０以上であることが望ましい。具体的には、ヘリウムのイオン粒子束が３×１０¹⁵He-ions/cm²/secであるとき、リチウムの粒子束は３×１０¹⁶Li-atoms/cm²/sec以上であることが望ましい。この比が１０未満の場合には、リチウムの蒸着膜１８中へのヘリウムの固定化率が低下して好ましくない。

次に、再気化機構３１について説明する。この再気化機構３１は、リチウムの蒸着膜１８中に固定化された希ガスを、蒸着膜１８の昇温により蒸着膜１８から脱離、気化させて回収する機構であり、リチウムの蒸着膜１８中に固定化された希ガスを容易に回収することができる。再気化機構３１は、前記水冷却管１５を利用して減圧下に回転ターゲット１４を加熱する機構を採用したり、赤外線ランプで回転ターゲット１４の表面を加熱する機構を採用したり、或いは回転ターゲット１４表面のリチウム膜を剥がして別の加熱装置で加熱する機構を採用したりすることができる。

次に、前記希ガスの固定化装置１０を用いた希ガスの固定化方法について説明する。
まず、回転ターゲット１４の外周速度が所定値になるように、回転ターゲット１４を図１中の矢印で示す時計方向に回転させる。続いて、リチウムの蒸発源１６を加熱するとともに、上下位置調節装置２０によりリチウムの蒸発源１６を上下動させ、蒸発源１６の温度及び蒸発源１６と回転ターゲット１４との距離の調整を行う。その間、ターボ分子ポンプ１２を動作させ、真空チャンバー１１内及び連結パイプ２２内を真空に維持する。そして、リチウムの蒸発源１６からリチウム蒸気を蒸発させ、回転ターゲット１４上に所定の速度でリチウムの蒸着膜１８を蒸着させる。

この場合、蒸着速度とリチウムの蒸発源１６の温度、上下位置との関係は、予め別の真空チャンバーを利用して測定しておく。リチウムの蒸着膜１８の回転ターゲット１４上における幅は、蒸気導入管１７の直径により決定される。この間、回転ターゲット１４は、水冷却管１５を流れる水によって冷却され、プラズマ照射及びリチウム蒸着中もほぼ常温に維持される。

一方、プラズマ発生装置２１によってプラズマを生成させるとともに、ガス導入パイプ２３から希ガスを連結パイプ２２内に導入し、希ガスのプラズマ柱２４を形成する。そのプラズマ柱２４を３台の電磁石２６の線型磁場によって回転ターゲット１４へ誘導する。リチウムの蒸着膜１８中にプラズマ柱２４から飛来する希ガスイオン（又は希ガスの中性原子）が埋積固定される。このときの浮遊電位は、一般にプラズマ柱２４の電子温度で決まり、この電位に従って希ガスイオンがリチウムの蒸着膜１８表面を衝撃する。この浮遊電位は、直接希ガスの排気効率に影響を与えるので、直流電源を以って回転ドラムに電圧を印加して調整してもよいが、この印加電圧が高すぎるとリチウムの蒸着による損耗が起こるので、印加電圧の決定には注意を要する。

回転ターゲット１４の表面温度は、赤外温度計によって測定される。このとき、分光器によって中性ヘリウムの電子衝撃励起光強度が図１に示される角度で測定される。上記の操作中、一般に電子温度は変わらないと仮定できるので、分光測定強度はプラズマ柱２４内の希ガスの原子数密度に比例し、これから回転ターゲット１４上のリチウムの蒸着膜１８中に連続的に埋積固定されたヘリウムの量を算定することができる。

本実施形態では、希ガスをプラズマ化しそれに直接接触するように設置された浮遊電位の回転ターゲット１４にリチウム原子を蒸着させ、連続的に回転ターゲット１４上に薄膜（蒸着膜１８）を生成し、プラズマから飛来する希ガスイオン又は希ガスの中性原子を薄膜中に埋積することで連続的に固定化される。この方法では連続的に蒸着膜１８が生成されるのでモレキュラーシーブ等の吸着剤に見られるような飽和点がない。

図４及び図５は、ヘリウム原子がリチウム原子間に捕捉された状態を示す説明図である。すなわち、リチウム原子３２間には結合手３３があり、立方晶構造を有している。その体心立方位置にはヘリウム原子３４が捕捉され、リチウム原子３２との間の立体的原子間ポテンシャルによって保持されている。図５において、リチウム原子３２の周囲とヘリウム原子３４の周囲にはほぼ一定の間隔で広がる原子間ポテンシャル（静電ポテンシャル）の等高線３５が形成されている。この等高線３５の間隔はリチウム原子３２に近いほど密になり、リチウム原子３２から離れるほど粗になっている。

以上詳述した本実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
・本実施形態における希ガスの固定化装置１０では、表面にリチウムの蒸着膜１８が形成された回転ターゲット１４と、希ガスを含むガスを導入するガス導入パイプ２３と、該ガス導入パイプ２３から導入されたガスのプラズマ柱２４を生成するためのプラズマ発生装置２１とを備えている。そして、ガス導入パイプ２３から導入されたガスを用いてプラズマ発生装置２１により希ガスのプラズマ柱２４を生成し、そのプラズマ柱２４を回転ターゲット１４表面の蒸着膜１８に照射することにより、希ガスが蒸着膜１８中に固定化される。すなわち、リチウムの蒸着膜１８中にはリチウム原子が層をなして存在し、それらリチウム原子間に希ガスの原子が埋積され、その状態が図４及び図５に示した原子間力により保持される。従って、希ガスをリチウムの蒸着膜１８中に効果的に固定化することができる。

・また、前記回転ターゲット１４表面の蒸着膜１８を常温に維持するための水冷却管１５を備えていることから、リチウムの蒸着膜１８中に固定化された希ガスの揮散を抑制することができる。

・前記希ガスがヘリウムであることにより、ヘリウムは希ガスの中で最も蒸気圧が高く、固定化しにくいにもかかわらず、容易に固定化することができる。
・さらに、前記リチウムの蒸着膜１８中に固定化された希ガスを、前記蒸着膜１８を昇温させることにより蒸着膜１８から脱離、気化させて回収する再気化機構３１を備えることにより、リチウムの蒸着膜１８中に固定化された希ガスを容易に回収することができる。

・希ガスの固定化方法では、前記希ガスの固定化装置１０を用い、ガス導入パイプ２３から導入されたガスを用いてプラズマ発生装置２１により希ガスのプラズマ柱２４を生成し、そのプラズマ柱２４を回転ターゲット１４表面のリチウムの蒸着膜１８に照射し、希ガスを蒸着膜１８中に固定化するものである。このため、希ガスをリチウムの蒸着膜１８中に効果的に、かつ容易に固定化することができる。

・前記回転ターゲット１４を回転させ、希ガスをリチウムの蒸着膜１８中に連続的に固定化することにより、希ガスの固定化操作を連続的に行うことができ、希ガスの固定化効率を一層高めることができる。

・このように、本実施形態では固体中に希ガスが貯蔵されることから、希ガスの取扱性、貯蔵スペース、運搬重量の点から優れており、水素貯蔵合金に匹敵する画期的な新技術である。

以下、実施例を挙げて前記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
図１に示す希ガスの固定化装置１０を使用し、前述した固定化方法に従って、ヘリウムの固定化を行った。プラズマ発生装置２１の出力を３００Wに設定し、ガス導入パイプ２３からヘリウムを導入し、低温ヘリウムプラズマ柱を生成し、そのときのラングミュア型のプラズマ探針２８で測定されたプラズマ密度は、４×10¹⁰ｌ/cc、電子温度は、約４eVであった。また、回転ターゲット１４の円周方向の速度を１０cm/secに設定した。このとき、浮遊電位にある回転ターゲット１４に約３０Vの負電位を与えて入射するヘリウムイオンを加速させた。これから回転ターゲット１４を照射するヘリウムのイオン粒子束は、約３×１０¹⁵He-ions/cm²/secとなる。本実施例１ではヘリウムのプラズマ柱２４の直径を３．５ｃｍに設定し、リチウムの蒸着膜１８の回転ターゲット１４上における幅も３．５ｃｍとした。

一方、リチウムの蒸着速度は、約５０Å/sec（絶対数すなわちリチウムの粒子束は、約３×１０¹⁶Li-atoms/cm²/sec）に設定し、ヘリウムのプラズマ柱２４の照射中に回転ターゲット１４上に蒸着を開始した。ヘリウムの粒子束に対するリチウムの粒子束の比は約１０であった。その結果、分光器によるヘリウム励起光強度が約２０％減少した。これらの条件から、ヘリウム原子の蒸着膜１８中への固定化率が２０％、つまりヘリウム原子固定化の絶対数で約６×１０¹⁴He-atoms/cm²/secであることが分かった。この実施例１のデータを図２に示した。図２の縦軸は励起光強度によるヘリウム検出量（％）を示す。図２に示すように、固定化の経過時間（秒）が８０〜１００秒でヘリウム検出量（％）がほぼ８０％、言い換えればヘリウムの固定化率が２０％であった。

実施例１の結果から、本発明の原理を利用した希ガスポンプを作製し、仮にヘリウムのプラズマ柱２４が回転ターゲット１４を照射する面積を３１４cm^２（直径２０cmの円）になるヘリウムの固定化装置１０の場合、固定化速度（排気速度）は約２×１０¹⁷He-atoms/secとなり、１０⁻⁵Torrの圧力で約６５０ l/secの固定化速度となる。従って、中型のターボポンプの性能に相当する効率でヘリウムを固定化できることになる。また、実験結果の解析からヘリウムの固定化効率は、リチウムの蒸着速度にほぼ比例するので、この蒸着速度を上げれば、ヘリウムの固定化速度が増大することが容易に推察される。さらに、リチウムの融点は１８５℃であるので、比較的容易に蒸発速度の上昇を図ることができる。また、この原理で固体リチウム中にヘリウムガスを固定化することができれば、貯蔵スペース、運搬重量等に有益な結果をもたらすことは明らかである。
（実施例２）
前記実施例１では、リチウムの蒸着膜１８にヘリウムプラズマが照射されたときのヘリウム励起光強度によるヘリウム検出量のデータから、リチウムの蒸着膜１８中へのヘリウムの固定効果を評価した。本実施例２では、リチウムの蒸着膜１８中にヘリウム以外の希ガスが固定されるか否かを確認するために、アルゴン（Ａｒ）プラズマの照射を行った。用いたアルゴンプラズマの密度、イオン粒子束（照射粒子束）等の特性は、実施例１のヘリウムプラズマと同様に設定した。また、リチウムの蒸着膜１８は、ヘリウムプラズマによる実施例１と同様の水冷銅製の回転ターゲット１４を用いた。そして、実施例１と同様にして、固定化の経過時間（秒）とアルゴン検出量（％）との関係を測定し、その結果を図６に示した。

図６に示した結果より、固定化の経過時間が４０秒前後で、アルゴン検出量が約８７％、言い換えればアルゴンの固定化率が約１３％であった。アルゴンの固定化率は、実施例１でヘリウムの固定化率が約２０％であったのに比べて約７％低いことが明らかとなった。両希ガスがリチウムの蒸着膜１８中における格子欠陥に捕獲される点は同じであると考えられるが、固定化率の差はアルゴンがヘリウムに比べて大型の原子であるためと推測される。

なお、前記実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
・リチウムの皮膜として、スパッタリング法による皮膜、ＣＶＤ（化学蒸着）法による皮膜等を用いることができる。

・前記ターゲットを平板等により固定した構造とすることができる。
・前記冷却部に水以外のエチレングリコール等の冷却媒体を使用することもできる。
・水冷却管１５を回転ターゲット１４の周囲に沿うように複数本配置し、回転ターゲット１４表面の冷却効率を高めるように構成することもできる。

次に、前記実施形態から把握できる技術的思想について以下に記載する。
・前記希ガスがヘリウムであり、ヘリウムのプラズマ柱の粒子束に対するリチウムの粒子束が１０倍以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の希ガスの固定化装置。このように構成した場合、ヘリウムをリチウムの皮膜中に効率良く固定化することができる。

・前記希ガスがヘリウムであり、ヘリウムのプラズマ柱の圧力は１０^−２〜１０^−４Torrであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の希ガスの固定化装置。このように構成した場合、ヘリウムのプラズマ化を容易に行うことができる。

希ガスの固定化装置を示す概略説明図。経過時間とヘリウム検出量との関係を示すグラフ。希ガスについて、温度と蒸気圧との関係を示す蒸気圧曲線。ヘリウム原子がリチウム原子間に捕捉された状態を示す説明図。ヘリウム原子がリチウム原子間に捕捉された状態における原子間ポテンシャルの等高線を示す説明図。経過時間とアルゴン検出量との関係を示すグラフ。

符号の説明

１０…希ガスの固定化装置、１４…回転ターゲット、１５…冷却部としての水冷却管、１８…皮膜としての蒸着膜、２１…プラズマ発生装置、２３…ガス導入部としてのガス導入パイプ、２４…プラズマ柱、３１…再気化機構。

Claims

表面にリチウムの皮膜が形成されるターゲットと、希ガスを含むガスを導入するガス導入部と、該ガス導入部から導入されたガスのプラズマ柱を生成するためのプラズマ発生装置とを備え、ガス導入部から導入されたガスを用いてプラズマ発生装置により希ガスのプラズマ柱を生成し、そのプラズマ柱をターゲット表面の皮膜に照射し、希ガスを皮膜中に固定化することを特徴とする希ガスの固定化装置。
前記ターゲット表面の皮膜を常温に維持するための冷却部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の希ガスの固定化装置。
前記希ガスはヘリウムであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の希ガスの固定化装置。
前記リチウムの皮膜中に固定化された希ガスを、前記皮膜を昇温させることにより皮膜から脱離、気化させて回収する再気化機構を備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の希ガスの固定化装置。
請求項１に記載の希ガスの固定化装置を用い、ガス導入部から導入されたガスを用いてプラズマ発生装置により希ガスのプラズマ柱を生成し、そのプラズマ柱をターゲット表面のリチウムの皮膜に照射し、希ガスを皮膜中に固定化することを特徴とする希ガスの固定化方法。
前記ターゲットを回転させ、希ガスをリチウムの皮膜中に連続的に固定化することを特徴とする請求項５に記載の希ガスの固定化方法。