JPH09268976A - メンブレンポンプおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 メンブレンポンプは極めて効率の高い水素の
排気システムの構築が期待されるものであるが、現在は
その原理を利用した開発の段階にあり、実用方法が確立
されておらず、十分な性能を発揮するには至っていない
などの課題があった。 【解決手段】 メンブレン１の材料にＶ族金属を使用し
て厚さを０．１ｍｍ〜１ｍｍにし、表面にＯ，Ｃ，Ｓ，
Ｓｅ，Ｔｅ等に代表される元素のうちから選択した表面
不純物層を形成し、下流側表面より上流側表面の再結合
係数を低くし、メンブレン１をパイプ状に形成し、パイ
プ状のメンブレン１０の外側の水素を内側に排気するよ
うにし、パイプ長手方向に通電してジュール加熱により
前記メンブレン１を昇温させる通電手段１１を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、特に核融合装置
からの水素の排気などにおいて有用な、超透過性金属膜
を利用して水素排気を行うメンブレンポンプおよびその
運転方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】希薄な気体を排気するためのポンプとし
ては、ターボモレキュラーポンプやクライオポンプなど
が従来用いられている。しかし、ターボモレキュラーポ
ンプは排気コンダクタンスの小さな場所では実効排気速
度が小さくなるという問題点があり、クライオポンプは
連続的な排気ができず、また極低温クライオパネルに対
して熱シールドが必要になるため、応用例によっては実
効排気速度が大幅に小さくなるという問題点がある。従
って、希薄な気体を効率的に排気するためのポンプが求
められており、近年、核融合等の分野においては、超透
過性金属膜（以下、メンブレンという）を利用した水素
排気ポンプであるメンブレンポンプが着目されている。

【０００３】超透過性を有するメンブレンを利用する
と、入射水素原子はほぼ１００％メンブレンを通過して
下流側へ水素分子として出て行くため、その逆流が防が
れ、数桁以上の圧縮比（下流水素分子密度／上流水素分
子密度）が期待でき、下流側において普通のポンプで排
気するだけでも極めて効率の高い排気システムとするこ
とが可能である。現在メンブレンポンプはその原理を利
用した開発の段階にあるため実用方法は確立されておら
ず、実用化が待たれている。

【０００４】以下、メンブレンポンプに用いられるメン
ブレンの超透過性について説明する。メンブレンを構成
する金属膜の表面に非金属の表面不純物層が形成される
と、メンブレン表面にポテンシャル障壁（以下、障壁と
いう）が形成される。この障壁は低エネルギーの水素分
子の入射に対しては反射壁となるが、水素原子が入射し
た場合には運動エネルギーの如何に関わらず水素原子は
容易にこの障壁を越えて金属膜中に吸収される。

【０００５】そして、吸収された水素原子は金属格子中
ですぐに冷やされるために障壁を越えて元に戻ることが
難しくなり、大部分は拡散運動により反対側（下流側）
の金属膜表面に達する。しかしながら下流側にも表面不
純物層の障壁が存在するために、水素原子は金属膜中に
一時的に閉じ込められることになる。

【０００６】ここで、下流側の障壁が上流側の障壁より
も小さい場合には、閉じ込められた水素原子は最終的に
大部分が下流側の障壁を乗り越えて下流側金属膜外に出
ることになる。ここで障壁を乗り越えて金属膜より外に
出るということは、物理的には金属膜表面で水素原子が
他の水素原子と再結合して、水素分子になって表面から
離れて飛び出すということである。下流側に飛び出した
水素は、水素分子の状態で飛び出しているため、たとえ
金属膜と衝突しても障壁のために金属膜内に戻ることは
ない。より正確には１０^-5程度の極めて小さい確率でし
か金属膜内に戻ることはなく、以上のようにして、メン
ブレンの上流側の障壁に入射した水素原子は下流側の障
壁より水素分子として出ていき、水素の超透過が起こ
る。メンブレンポンプは、上記のような超透過性金属膜
の性質を利用して水素の排気を行うものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のメンブレンポン
プは以上のように構成されているので、極めて効率の高
い水素の排気システムの構築が期待できるものである
が、現在はその原理を利用した開発の段階にあり、実用
方法が確立されておらず、十分な性能を発揮するには至
っていないなどの課題があった。

【０００８】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、希薄な水素気体やその同位体ガス
の排気に際して効率的な排気を行うことが可能であり、
実用化が可能なメンブレンポンプおよびその運転方法を
得ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
るメンブレンポンプは、メンブレンの材料として、Ｖ，
Ｎｂ，Ｔａ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｐｄのうちから選択される金
属を使用し、かつ、前記メンブレンの表面に、Ｏ，Ｃ，
Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ等に代表される元素のうちから選択され
る元素からなる表面不純物層を形成したものである。

【００１０】請求項２記載の発明に係るメンブレンポン
プは、メンブレンの材料として、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａのうち
から選択される金属を使用したものである。

【００１１】請求項３記載の発明に係るメンブレンポン
プは、メンブレンの厚さを０．１ｍｍ〜１ｍｍの間の厚
さにしたものである。

【００１２】請求項４記載の発明に係るメンブレンポン
プは、メンブレンの上流側表面の再結合係数を下流側表
面の再結合係数より低くしたものである。

【００１３】請求項５記載の発明に係るメンブレンポン
プは、メンブレンの上流側と下流側に異なる金属を用い
たものである。

【００１４】請求項６記載の発明に係るメンブレンポン
プは、メンブレンの上流側にＴａ、下流側にＮｂを用い
たものである。

【００１５】請求項７記載の発明に係るメンブレンポン
プは、メンブレンの上流側にＮｂ、下流側にＰｄを用い
たものである。

【００１６】請求項８記載の発明に係るメンブレンポン
プは、メンブレンの上流側表面と下流側表面に異なる不
純物による表面不純物層を形成したものである。

【００１７】請求項９記載の発明に係るメンブレンポン
プは、メンブレンの下流側表面の表面積を上流側表面の
表面積より大きくしたものである。

【００１８】請求項１０記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、メンブレンの下流側表面を上流側表面より粗く
形成したものである。

【００１９】請求項１１記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、メンブレンの上流側に、前記メンブレンに到達
する過剰の不純物吸着用のブラインド状の遮蔽部材を設
けたものである。

【００２０】請求項１２記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、２０００℃程度に温度上昇する金属フィラメン
トよりなりメンブレンの上流に配置されて前記メンブレ
ンに入射する水素を原子化するアトマイザーとして、
Ｖ，Ｎｂ，Ｔａのうちのいずれかにより形成したアトマ
イザーを備えたものである。

【００２１】請求項１３記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、アトマイザーの金属フィラメントに用いる金属
とメンブレンの上流側に用いる金属とを同一の金属とし
たものである。

【００２２】請求項１４記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、メンブレンの下流側に用いる金属上に、これと
異なる金属により形成したアトマイザーの金属フィラメ
ントより蒸発した金属を蒸着することにより前記メンブ
レンの上流側に用いる金属を形成したものである。

【００２３】請求項１５記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、アトマイザーの金属フィラメントに炭素を含有
させたものである。

【００２４】請求項１６記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、アトマイザーの金属フィラメントを１０^-4Ｔｏ
ｒｒ程度の圧力のＣＨ₄ ガス中に１９００℃程度の温度
に保って１０時間程度放置して炭素を注入したものであ
る。

【００２５】請求項１７記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、アトマイザーの金属フィラメントを５族の金属
の炭化物により形成したものである。

【００２６】請求項１８記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、アトマイザーの電気抵抗率を測定することによ
りアトマイザー中に残留する炭素濃度を検知する炭素濃
度検知手段を備えたものである。

【００２７】請求項１９記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、ＲＦ電場，グロー放電，アーク放電等の方法に
よりプラズマを発生するプラズマ発生装置におけるプラ
ズマを利用して、メンブレンの上流における水素の原子
化を行うものである。

【００２８】請求項２０記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、核融合装置におけるプラズマを利用して、メン
ブレンの上流における水素の原子化を行い、前記核融合
装置からの水素排気を行うものである。

【００２９】請求項２１記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、ガラス，セラミック等の水素原子を再分子化さ
せにくい物質をコーティングした水素粒子反射板をメン
ブレン上流に配置して、高速水素粒子を前記水素粒子反
射板により反射させてエネルギーを減衰させた後前記メ
ンブレンに入射させるようにしたものである。

【００３０】請求項２２記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、水素分子をメンブレン上流において振動励起状
態にする振動励起手段を備えたものである。

【００３１】請求項２３記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、アトマイザーより低い温度に温度設定されメン
ブレンに入射する水素分子を振動励起状態に励起する、
前記メンブレンの上流側金属と同一の金属よりなる振動
励起用フィラメントを前記メンブレンの上流に配置した
ものである。

【００３２】請求項２４記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、水素の同位体よりなる水素分子のうち重い水素
分子の振動励起に必要な最小限の励起エネルギーを与え
るように振動励起手段を設定したものである。

【００３３】請求項２５記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、メンブレンが受ける熱負荷が０．５Ｗ／ｃｍ²
〜５Ｗ／ｃｍ² になる位置にメンブレンを配置したもの
である。

【００３４】請求項２６記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、メンブレンの下流側表面を上流側表面より粗く
形成し、前記下流側表面に対面して低温に保たれる壁を
設けたものである。

【００３５】請求項２７記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、メンブレンの上流側表面付近に前記メンブレン
が受ける熱放射を遮蔽する熱放射遮蔽部材を設けたもの
である。

【００３６】請求項２８記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、メンブレンをパイプ状に形成し、該パイプ状の
メンブレンの外側の水素を内側に排気するようにしたも
のである。

【００３７】請求項２９記載の発明に係るメンブレンポ
ンプは、パイプ状のメンブレンのパイプ長手方向に通電
してジュール加熱により前記メンブレンを昇温させる通
電手段を備えたものである。

【００３８】請求項３０記載の発明に係るメンブレンポ
ンプの運転方法は、メンブレンの温度を３００℃〜１２
００℃に保って運転するものである。

【００３９】請求項３１記載の発明に係るメンブレンポ
ンプの運転方法は、運転中のメンブレンの温度を５５０
℃〜１２００℃に保つものである。

【００４０】請求項３２記載の発明に係るメンブレンポ
ンプの運転方法は、メンブレンに表面不純物層を形成し
うるＯ₂ ，Ｈ₂ Ｏ，ＣＯ，Ｃ₂ Ｈ₂ ，Ｈ₂ Ｓ等に代表さ
れる化合物のうちから選択される化学的活性ガスを、前
記メンブレンに入射する水素により表面不純物層がスパ
ッタされて破壊されるスパッタレートに応じた圧力で前
記メンブレンの上流側に導入して前記メンブレンの上流
側表面に表面不純物層を逐次形成させることにより、運
転中の前記上流側表面の単原子層の表面不純物層を維持
するものである。

【００４１】請求項３３記載の発明に係るメンブレンポ
ンプの運転方法は、運転前にメンブレンの下流側表面を
超高真空下での加熱等により清浄にし、運転中は前記メ
ンブレンの下流側を１０^-9Ｔｏｒｒ以下の圧力に保つも
のである。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。 実施の形態１．メンブレンポンプは、従来の技術におい
てその概略を説明したように、水素に対して超透過性を
示す金属膜（以下、メンブレンという。）を利用した水
素排気ポンプである。現在メンブレンポンプはその原理
を利用した開発の段階にあり、実用方法を模索中の段階
であるが、発明者等は、メンブレンポンプに関する数多
くの実験を行った中で、実用化が可能な程度にメンブレ
ンポンプの構成およびその運転方法を開発することがで
きた。以下の各実施の形態においては、発明者等が開発
した具体的なメンブレンポンプの構成およびその運転方
法について、項目毎に分けて説明を行う。

【００４３】この実施の形態１においては、まず、メン
ブレンの構成およびメンブレンポンプの運転の際のメン
ブレンの保持温度について説明する。

【００４４】メンブレンに用いる金属膜の材料として
は、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｆｅ，Ｐｄ，およびＮｉを用いる
ことが可能である。５族の金属であるＶ，Ｎｂ，Ｔａ
は、金属中の水素原子の拡散係数および水素原子の溶解
度が特に大きく、超透過性金属膜を形成するのに最も適
している。また、メンブレンに用いる金属は後に述べる
ようにアトマイザーにも使用するが、これらの５族の金
属はアトマイザーに要求される高融点の要求を満たして
いる。Ｆｅ，Ｐｄ，Ｎｉも金属中の水素原子の拡散係数
および水素原子の溶解度が大きく、超透過性金属膜を形
成するのに適している。

【００４５】また、メンブレンの温度は３００℃から１
２００℃の範囲に保持すると超透過性を発揮しやすく、
メンブレンポンプの運転においては、この温度範囲に保
持して運転するとよい。これは、３００℃未満において
はメンブレン金属中の水素原子の拡散係数が小さくなり
水素原子が下流側の表面に到達しにくくなり、１２００
℃以上においては水素原子のエネルギーが高くなり、上
流側表面から入射した水素原子が従来例において説明し
た障壁を再度超えて上流側表面から出ていくことが容易
となり、メンブレンを透過する結果とならないためであ
る。

【００４６】また、メンブレンの厚さは、最大で１ｍｍ
程度まで、代表的には０．１ｍｍ程度にするのがよい。
これは、メンブレンの厚さが１ｍｍ以上になると、上流
側表面よりメンブレンに入りランダムウォーク的に拡散
する水素原子が下流側表面に到達して下流側表面から水
素分子になって出て行くより、上流側表面から再び出て
行く確率が高くなり、メンブレンポンプとして機能させ
ることが困難となるためである。

【００４７】図１は、メンブレンにおける水素の透過に
関する各量を示す説明図であり、図において、Φはメン
ブレンに入射する水素原子のフラックス、Φ_r はメンブ
レン内から上流側に出て行く水素原子のフラックス、Φ
_p はメンブレン内から下流側に出て行く水素原子のフラ
ックス、Ｌはメンブレンの厚さ、ｎはメンブレンの上流
側表面付近における水素原子密度、（１−ε）ｎはメン
ブレンの下流側表面付近における水素原子密度であり、
εは減少分（０≦ε≦１）である。ｋ₁ は上流側の再結
合係数、ｋ₂ は下流側の再結合係数である。再結合係数
は、原子の状態となってメンブレン内に入った水素がメ
ンブレン表面の前記障壁を乗り越えて表面に出て水素分
子に再結合して出ていく度合を示す係数であり、図中に
山型で示した障壁とは逆数的な関係にある。なおここ
で、Φ，ｋ₁ ，ｋ₂ ，Ｌはメンブレンの条件により決ま
る決定量、ｎ，εは水素原子に関する未知量である。

【００４８】メンブレン内から下流側に出る水素原子
は、メンブレン表面において水素分子となって出て行く
が、これらが再度障壁を超えてメンブレン内に戻る確率
は前述のように１０^-5程度と極めて低いため、下流側に
水素原子の発生源がない状況における定常状態では、メ
ンブレンに入射する水素原子のフラックスは、上流側に
出て行く水素原子のフラックスと下流側に出て行く水素
原子のフラックスとの和に等しく、 Φ ＝ Φ_r ＋ Φ_p ＝ｋ₁ ｎ² ＋ｋ₂ （１−ε）² ｎ² ・・・（１） が成り立つ。下流側に出て行く水素原子のフラックスに
ついて、拡散係数をＤとすれば、 −Ｄ▽ｎ＝Ｄεｎ／Ｌ＝ｋ₂ （１−ε）² ｎ² ・・・（２） が成り立つ。

【００４９】ここで、メンブレンにおける超透過の条件
をΦ_r ／Φ_p 《１とすれば、これより、 ｋ₁ ／ｋ₂ 《（１−ε）² ・・・（３） が要求される。式（３）は、ε《１であれば容易に成立
させることができるが、εが１に近い場合は、ｋ₁ ／ｋ
₂ 《（１−ε）² 《１となり、ｋ₁ ／ｋ₂ 《１を前提と
しても、それ以上にｋ₁ ／ｋ₂ が極めて小さいこと（上
流側障壁高さ／下流側障壁高さが極めて大きいこと）が
要求され、これを満たす障壁の非対称性を作り出すこと
は困難となる。従って、εは０に近い必要があり、以
下、ε《１を前提とすると、式（２）より、 ε〜ｋ₂ ｎＬ／Ｄ ・・・（４） が成り立ち、ｋ₁ ／ｋ₂ 《１，ε《１が前提であるた
め、式（１）より、 Φ〜Φ_p 〜ｋ₂ ｎ² ・・・（５） が成り立つ。従って、ΦおよびΦ_p を大きくしてポンプ
排気量を大きくするためにはｎが大きくなければならな
い。しかし、式（４）のεを小さく保つためにはＬが小
さいことが必要となる。

【００５０】ここで、ε＝０．１を超透過の限界として
ε＜０．１とし、メンブレンに用いるＮｂ膜の拡散係数
Ｄを１×１０^-4ｃｍ² ｓ^-1、ｋ₂ を代表的測定値の１×
１０^-24ｃｍ⁴ｓ^-1とすると、式（４）より、ｎ〜１×１
０¹⁹／Ｌとなり、これより、 Ｌ＝１ｍｍで ｎ＜１×１０²⁰ｃｍ^-3 Φ＜１×１０¹⁶ｃｍ^-2ｓ^-1 Ｌ＝０．３ｍｍで ｎ＜３．３×１０²⁰ｃｍ^-3 Φ＜１×１０¹⁷ｃｍ^-2ｓ^-1 Ｌ＝０．１ｍｍで ｎ＜１×１０²¹ｃｍ^-3 Φ＜１×１０¹⁸ｃｍ^-2ｓ^-1と なる。以上のように、メンブレンの厚さが厚くなるにつ
れて、可能な水素原子密度ｎおよびポンプ排気量に関す
るΦが小さくなる。

【００５１】なお、Ｎｂのメンブレンにおいて最大可能
なΦは、ｎをＮｂ原子密度の５％の２．７５×１０²¹ｃ
ｍ^-3として式（５）より、７．６×１０¹⁸ｃｍ^-2ｓ^-1と
なり、これが可能なＬは、超透過の条件（ε＜０．１）
下で、０．０３６ｍｍとなる。しかし、メンブレンの厚
さを０．１ｍｍ未満に薄くすると、構造上および強度上
の問題が発生しやすく、また、メンブレンの溶接が困難
となるため、代表的には０．１ｍｍ程度にするとよい。

【００５２】また、ＮｂのメンブレンにおいてｎをＮｂ
の原子密度の１％程度の５．５×１０²⁰ｃｍ^-3程度とし
て十分な量（Φ〜Φ_p 〜３．０×１０¹⁷ｃｍ^-2ｓ^-1）の
排気を行おうとした場合、式（４）においてＬ＝１ｍｍ
の場合にはε〜０．５５となり、ε＜０．１より大きく
ずれ、超透過の前提条件が成立しなくなる。従って以上
に示したように、メンブレンポンプにより十分な排気を
行うためには、メンブレンの厚さを０．１ｍｍ〜１ｍｍ
の間の厚さ、代表的には０．１ｍｍ程度にするとよい。

【００５３】実施の形態２．メンブレンが超透過性を発
揮するためには、メンブレン表面に障壁を形成する適切
な表面不純物層が形成されている必要がある。発明者等
が行った実験によれば、メンブレンに用いる金属と表面
不純物層の組合せは以下の組み合わせが好適である。金
属膜がＶ，Ｎｂ，Ｔａのうちのいずれかである場合は、
表面不純物層にはＯ，Ｃ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅのうちのいず
れかを用いるのがよく、金属膜がＰｄである場合は、表
面不純物層にはＳ，Ｓｅ，Ｔｅのうちのいずれかを用い
るのがよい。

【００５４】実施の形態３．メンブレン表面の表面不純
物層の形成方法としては、以下の方法が適切である。

【００５５】Ｏ，Ｃ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ等に代表される元
素のうちから選択される元素を含んだ圧力１０^-5Ｔｏｒ
ｒ程度以下の化学的活性ガスにメンブレンをさらすと、
メンブレン表面に多原子層の表面不純物層ができる。こ
の状態からメンブレンの温度を５５０℃以上にすると、
過剰な不純物が金属中に溶けて単原子層の表面不純物層
が形成される。

【００５６】高速でメンブレン表面に入射した粒子によ
りスパッタリングを受けるなどして、不純物が外部に失
われた場合には、金属中に溶けていた不純物がそれを補
って単原子層を維持するように作用する。従って、表面
不純物層として酸素を使用する場合、メンブレン温度を
５５０℃以上に保持すると、自動的に単原子層の表面不
純物層が維持される。

【００５７】但し、金属中の不純物濃度が一定レベル以
上になると金属が脆くなり寿命が低下するため一定レベ
ル以下に保つことが必要であり、例えばＮｂのメンブレ
ンの表面不純物層にＯを用いる場合には２％が限界であ
る。

【００５８】実施の形態４．メンブレンに入射する粒子
が低エネルギーの熱的水素原子の場合には、表面不純物
層がスパッタリングされることがないので、単原子層の
表面不純物層が破壊されることはないが、入射粒子が高
エネルギー（１０ｅＶ以上）の場合には、水素原子のス
パッタリングにより上流側の表面不純物層が破壊される
ため、以下の方法で修復させて表面不純物層の維持を行
う方がよい。

【００５９】（ａ）メンブレン上流側に不純物ガスを導
入して厚い表面不純物層を形成する 例えば入射水素原子フラックスが、１０¹⁵／ｃｍ² ｓ程
度の場合には、Ｏ₂ ，Ｈ₂ Ｏ，ＣＯ，Ｃ₂ Ｈ₂ ，Ｈ₂ Ｓ
等の化学的活性ガスを１０^-6〜１０^-5Ｔｏｒｒ程度に導
入するとよい。なお、このような環境は真空容器の中で
容易に形成することができるものである。

【００６０】図２は、この発明の実施の形態４によるメ
ンブレンポンプの概略構成を示す説明図であり、図にお
いて１は厚さ０．１ｍｍのＮｂ膜によるメンブレン、２
は気体をメンブレン１上流に供給するバルブ、３はメン
ブレン１の上流側において排気を行う真空ポンプ、４は
メンブレン１の下流側において排気を行う真空ポンプ、
５はメンブレン１の上流側に設けられた真空計、６はメ
ンブレン１の下流側に設けられた真空計である。

【００６１】メンブレン１に対しては６７ｅＶ（水素イ
オン換算）の速度のＨ₃ ⁺粒子が、２．５×１０¹⁵／ｃｍ
² ｓのフラックス量（水素イオン換算）で入射してい
る。バルブ２からの供給と真空ポンプ３の排気により、
メンブレン１上流側は所定の圧力の気体雰囲気に置かれ
る。

【００６２】図３は、この発明の実施の形態４によるメ
ンブレンポンプの一運転例を示すグラフ図であり、横軸
は時間を、縦軸は図３（ａ）において再放出率Ｒ（＝Φ
_r ／Φ）を、図３（ｂ）において透過率χ（＝Φ_p ／
Φ）を示している。この再放出率Ｒ（＝Φ_r ／Φ）およ
び透過率χ（＝Φ_p ／Φ）は、バルブ２の供給量、真空
ポンプ３，４の効率、および真空計５，６の指示値を基
に各々計算される。なお、この例においては、５６０℃
に保たれたＮｂメンブレンの上流側にＯ₂ を一定期間
（Ｈ₃ ⁺粒子入射開始から４０分後〜７５分の間）１．２
×１０^-6Ｔｏｒｒで供給し、その後供給を遮断してい
る。

【００６３】図３において、Ｏ₂ を供給する前の期間に
おいては、再放出分が多く透過率χがほぼ０のままであ
るが、Ｏ₂ の供給が始まると再放出率Ｒは急減して透過
率χが上昇している。Ｏ₂ の供給を遮断すると、再放出
率Ｒは上昇して透過率χが急減している。

【００６４】また、図４は、この発明の実施の形態４に
よるメンブレンポンプの他の運転例を示すグラフ図であ
り、この例においては、６２０℃に保たれたＮｂメンブ
レンの上流側にＣ₂Ｈ₂（アセチレン）を一定期間１×１
０^-6Ｔｏｒｒで供給し、その後一定期間９×１０^-6Ｔｏ
ｒｒで供給し、その後供給を遮断している。

【００６５】図４において、Ｃ₂Ｈ₂を供給する前の期間
においては、再放出分が多く透過率χがほぼ０のままで
あるが、１×１０^-6ＴｏｒｒのＣ₂Ｈ₂の供給を始めると
再放出率Ｒは急減して透過率χが上昇し、９×１０^-6Ｔ
ｏｒｒのＣ₂Ｈ₂の供給を始めると再放出率Ｒはさらに減
少して透過率χがさらに上昇し、Ｃ₂Ｈ₂の供給を遮断す
ると、再放出率Ｒは上昇して透過率χが急減している。
なお、発明者等は、Ｈ₂ Ｏ，Ｈ₂ Ｓ，ＣＯ等を供給して
同様の運転を行い、同様の結果が得られた。

【００６６】以上のように、上述の入射水素粒子のエネ
ルギーおよびフラックス量の場合は、Ｏ₂ ，Ｈ₂ Ｏ，Ｃ
₂ Ｈ₂ ，Ｈ₂ Ｓ，ＣＯ等を１０^-6〜１０^-5Ｔｏｒｒ程度
に上流側に導入することにより、高エネルギー粒子のス
パッタリングにより破壊される上流側の表面不純物層を
修復させ、表面不純物層の維持を行うことができる。な
お、導入する圧力は、入射水素粒子のフラックス量等が
増せば表面不純物層のスパッタレートが増すため、これ
に応じて適宜増加させればよい。

【００６７】（ｂ）下流側の金属面を上流側よりもクリ
ーンにする メンブレン上流側表面にスパッタのために完全な単原子
層の表面不純物層が形成されていない場合、下流側表面
を上流側表面よりクリーンにすることにより、後述する
ように障壁に非対称性が生じ、超透過性を維持すること
が可能である。このためには、下流側の表面を例えば超
高真空下で加熱を行うなどして定期的にクリーニング
し、また下流側の表面に対する化学的活性ガス（Ｏ₂ ，
Ｈ₂ Ｏ，ＣＯ，Ｃ₂ Ｈ₂ ，Ｈ₂ Ｓ）の圧力を１０^-9Ｔｏ
ｒｒ以下に保つようにするとよい。

【００６８】なお上記の（ａ）および（ｂ）の場合、メ
ンブレンの保持温度は、３００℃＜Ｔ＜１２００℃での
運転が可能である。

【００６９】（ｃ）金属中の不純物の偏析による上流側
の表面不純物層の維持 ５５０℃＜Ｔ＜１２００℃の温度範囲にメンブレンを保
持すると、不純物はメンブレン表面から金属中に溶け込
むことができ、水素原子によるスパッタリング等により
メンブレン表面から不純物が失われた場合には、不純物
が上流側の表面に達して偏析し、スパッタリングで失わ
れた表面不純物層が修復される。この場合酸素を下流側
からも供給できる。従って表面不純物層として酸素を使
用する場合、５５０℃＜Ｔ＜１２００℃の温度範囲にメ
ンブレンを保持することにより、表面不純物層の自然修
復による維持を行うことができる。

【００７０】実施の形態５．メンブレン上流から入射し
た水素原子はメンブレン中に入った後、一時的に上流側
表面の障壁と下流側表面の障壁との間に閉じ込められる
が、最終的には下流側に水素分子として飛び出すように
させる必要がある。そのためにはメンブレン表面の不純
物層による障壁に、上流側が下流側よりも高い非対称性
を維持する必要がある。換言すれば、上流側表面の再結
合係数が下流側表面の再結合係数より低い非対称性を維
持する必要があり、以下の方法で非対称性を維持するの
がよい。

【００７１】ａ）異なる金属を上流側と下流側に使用す
る 超透過の性質を有する異なる金属をメンブレンの上流側
と下流側に使用すると、メンブレンの上流側表面の障壁
と下流側表面の障壁に非対称性が発生する。例えば、発
明者等は上流側にＴａ，下流側にＮｂ、上流側にＮｂ，
下流側にＰｄ等を用いることにより、上流側表面の障壁
を下流側表面の障壁より高くして超透過性を持たせてい
る。なお、二層のメンブレンを形成するには、単一金属
膜に他の金属を蒸着する方法を用いることが可能であ
り、単一金属膜に対して後述のアトマイザーを作動さ
せ、アトマイザーの金属フィラメントから蒸発した金属
を前記単一金属膜の上流側表面に蒸着する方法も可能で
ある。

【００７２】ｂ）下流側の表面積を上流側の表面積より
も大きくする メンブレンに単一金属を使用した場合には、下流側の表
面積を上流側の表面積よりも大きくすれば、メンブレン
中に閉じ込められた水素は表面積比に応じて上流側また
は下流側からＨ₂ になって飛び出すため、下流側表面よ
り多くのＨ₂ が出て行くようにすることができる。表面
積を変える方法としては、例えば、下流側表面を粗く
し、上流側表面を平滑にするなどの方法を用いることが
できる。

【００７３】ｃ）上流側表面と下流側表面に異なった不
純物の表面不純物層を形成する メンブレン表面の不純物層の不純物の種類を上流側表面
と下流側表面とで変えることにより、障壁の非対称性を
設けることができる。発明者等は、Ｎｂ，Ｐｄ，および
Ｆｅによるメンブレンにおいて、不純物としてのＯ，
Ｓ，Ｓｅ，Ｃが異なる再結合係数および障壁を形成し、
上記方法が可能であることを確認した。

【００７４】実施の形態６．メンブレンポンプにおい
て、水素がメンブレン上流よりメンブレンに入るように
して排気を行うためには、まず、メンブレン上流に存在
する水素分子を水素原子に原子化する必要があり、以下
の方法でアトマイゼーション（原子化）を行うのがよ
い。一般的には、２０００℃程度に白熱した金属フィラ
メントをアトマイザーとしてメンブレン上流に配置す
る。

【００７５】（ａ）アトマイザーの金属フィラメントに
超透過を示す金属を用いる アトマイザーの金属フィラメントにＶ，Ｎｂ，Ｔａとい
った超透過を示す金属を用いるのがよい。これは、高温
に白熱したアトマイザーから蒸発した金属はメンブレン
上流側表面に蒸着されるため、他の金属を用いると超透
過性を失うことになるためである。この場合、メンブレ
ン上流側表面の障壁が下流側表面の障壁より大きくなる
ようにアトマイザーの金属の種類を選択することも重要
である。また、メンブレンの上流側表面に、超透過性で
あっても異なる金属が蒸着されると障壁の高さに変化を
生じるため、フィラメントの金属とメンブレンの上流側
に配置される金属とを同一の金属とするのが好ましい。
前述のように、下流側の金属としての単一金属膜に対し
てアトマイザーを作動させ、アトマイザーの金属フィラ
メントから蒸発した金属を前記単一金属膜の上流側表面
に蒸着して、これを上流側金属とすれば、自動的に上記
条件は満たされる。なお、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａの各金属は高
融点でありアトマイザーとしての使用が可能であるが、
Ｖは融点が若干低いため温度を余り高く上げずに使用す
るのがよい。

【００７６】（ｂ）アトマイザーの金属フィラメントに
予めＣ（炭素）を注入しておく アトマイザーとして５族の金属を用いる場合には、Ｈ₂
Ｏ等により金属にＯが多く溶解されると、アトマイザー
としての性能が失われる。従って、Ｃを予めアトマイザ
ーに注入しておくと、金属中のＯは炭化されＣＯになっ
て金属中から取り除くことができる。ＮｂやＴａにＣを
注入する方法としては、例えば１０^-4ＴｏｒｒのＣＨ₄
ガス中に約１９００℃の金属を１０時間入れる方法が可
能である。また、アトマイザーにＴａＣ（タンタルカー
バイド）等の炭化物を用いれば、多量のＣが含まれてい
るためＣを補給する必要はほとんどない。

【００７７】（ｃ）アトマイザーの金属フィラメントの
抵抗率を測定 アトマイザーの金属フィラメント中のＣの濃度によって
金属フィラメントの電気抵抗率が変化する。従って、メ
ンブレンポンプの運転中に金属フィラメントの電気抵抗
率を測定して炭素濃度をモニタする炭素濃度検知手段を
設け、特定の電気抵抗率をもって炭素濃度の限界値到達
を判定するようにすれば、酸素除去効果を有する炭素の
濃度低下を容易に検知することができ、（ｂ）に記載の
炭素を含有したアトマイザーの性能低下を容易に予測し
て対処することが可能となる。

【００７８】実施の形態７．核融合装置中のダイバータ
板やリミタ板の近くの領域では、水素プラズマイオンが
ダイバータ板、リミタ板で衝突して中性化するため、中
性水素原子が多量に発生する。従って、これらの水素原
子をプラズマ真空容器近傍に設置したメンブレンにより
直接排気することが可能であり、メンブレンポンプを核
融合装置の水素排気に有効に適用することが可能であ
る。この場合には、周辺プラズマの運転状態によってメ
ンブレンの設置場所、設計を適宜調節して用いる。以下
に、核融合装置へのメンブレンポンプの適用についての
説明を行う。

【００７９】（ａ）核融合装置中のプラズマによる大量
の水素原子の発生状況 ダイバータ板やリミタ板がタングステン，モリブデン等
の金属製の場合には、プラズマ水素イオンは中性水素原
子となってダイバータ板やリミタ板から反射する可能性
が高い。また、ダイバータ板やリミタ板がカーボン材に
よりできている場合、カーボン材の表面が約１０００℃
以上になると大部分が熱的水素原子となって飛び出すよ
うになる。

【００８０】このようにしてダイバータ板やリミタ板よ
り飛び出した中性水素原子は、プラズマ中に入るとプラ
ズマ中の運動エネルギーを持った水素イオンと荷電交換
を起こし、水素イオンは高い運動エネルギーを持ったま
ま中性水素原子となり、プラズマ中よりランダムな方向
に飛び出す。このようにして、中性水素原子の存在領域
は、ダイバータ板やリミタ板付近からプラズマ真空容器
の壁に沿って広がる。

【００８１】また、荷電交換により発生した高い運動エ
ネルギーを持った中性水素原子により、壁に存在する水
素も水素分子や中性水素原子として叩き出され、叩き出
された水素分子がプラズマ中に入り、中性水素原子が生
成される反応が起こる。

【００８２】中性水素原子はプラズマ中の電子によりイ
オン化されてプラズマ粒子にもなるが、荷電交換の確率
はイオン化の確率より高く、大量の中性水素原子が生成
されることとなる。これはプラズマ温度が１０ｅＶ以下
になるとイオン化の確率が下がるため特に顕著になる。

【００８３】（ｂ）発生した水素原子が低エネルギーの
場合 例えば、ダイバータにおいて多量のプラズマ水素イオン
をリサイクルさせる低温高リサイクルダイバータ運転に
おいては、個々のプラズマ水素イオンのエネルギーは低
くなり、ダイバータ板近くの領域のプラズマ温度は１０
ｅＶ以下と低い。中性水素原子のエネルギーも同様に１
０ｅＶ以下であるので、メンブレンポンプを配置した場
合にメンブレン表面の不純物層をスパッタされる心配は
ない。

【００８４】（ｃ）発生した水素原子のエネルギーが大
きい場合（１０ｅＶ以上） 発生した水素原子のエネルギーが１０ｅＶ以上に大きい
場合には、スパッタリングによりメンブレン表面の不純
物層が破壊されるため、実施の形態４で述べたような表
面不純物層の維持を行うとよい。あるいは、ガラス，セ
ラミック等、水素原子の再結合を防ぐ物質をコーティン
グした例えばブラインド状の水素粒子反射板をメンブレ
ンの上流側に配置し、この水素粒子反射板に何度か衝突
させることにより水素原子のエネルギーを減衰させた後
にメンブレンに入射させるようにする方法も可能であ
る。

【００８５】（ｄ）メンブレンの温度維持 プラズマからの放射熱等によるメンブレンヘの熱負荷が
大きくなるとメンブレンの温度が過剰に上昇する問題が
発生する。メンブレンの運転に適した５５０℃〜１２０
０℃程度の温度は高温でありかつメンブレンの膜厚は薄
いため熱伝導分は無視できる程度に少なく、メンブレン
の温度は外部からの熱負荷とメンブレン自身からの熱放
射量により決まる。

【００８６】従って、メンブレンが受ける熱負荷が５Ｗ
／ｃｍ² 以下であれば問題ないが、それ以上では適正運
転温度を保つために冷却が必要となる。また、この熱負
荷が小さすぎると、例えば０．５Ｗ／ｃｍ² 以下である
とメンブレンに要求される最低温度の維持が困難になる
ため、熱絶縁に工夫をしたり、ヒータで加熱したりする
必要がある。従って、メンブレンが受ける熱負荷が０．
５Ｗ／ｃｍ² 以上５Ｗ／ｃｍ² 以下となる位置にメンブ
レンを配置するようにすると特段の温度維持のための手
段を講ずる必要なく運転に適したメンブレン温度に維持
することができる。

【００８７】（ｅ）メンブレン表面への多量の不純物堆
積の防止 メンブレン表面の表面不純物層は単原子層で形成される
のがよく、メンブレン表面に多量の不要な不純物が堆積
することを防止するために、例えば図５に示すようなブ
ラインド状の遮蔽部材をメンブレン上流側に配置しても
よい。図において、７はブラインド状の遮蔽部材であ
り、前出のものと同様の部分については同一符号を付し
て重複説明を省略する。図５において、ブラインド状の
遮蔽部材７に過剰なＣが付着することにより過剰なＣの
メンブレン１表面への堆積が有効に防止されている。

【００８８】実施の形態８．磁場閉じ込め核融合装置は
最も大規模なプラズマ発生装置であり、大量な水素原子
が生成され、メンブレンポンプによる排気に適している
が、メンブレンポンプによる水素排気のために水素原子
を生成するためには、他の種々のプラズマ発生装置やプ
ラズマ発生方法を利用することが可能であり、例えば、
マイクロ波によるプラズマ発生，ＲＦ（ＡＣ）プラズマ
発生，グロー放電，電子エミッションを利用したアーク
放電等により水素原子を生成して、メンブレンポンプを
用いて排気することが可能である。なお、メンブレンポ
ンプによる排気を行うためには、発生したプラズマのエ
ネルギーが１０ｅＶ程度であることが表面不純物層の維
持の観点から望ましい。

【００８９】実施の形態９．これまでは水素分子は表面
不純物層に反射されるため、メンブレンの上流側におい
て水素原子化すること（アトマイゼーション）が必要と
してきたが、分子の状態を保ったままでも、分子を振動
励起分子にすれば、分子が高いエネルギー状態であるた
め、単原子層の障壁を乗り越えさせてメンブレンに入射
させることが可能である。

【００９０】水素分子を振動励起状態にする振動励起手
段としては、アトマイザーと類似の金属フィラメントや
レーザー等が利用可能であり、アトマイザーと類似の金
属フィラメントをアトマイザーより低温の状態に保って
振動励起用フィラメントとしてメンブレンの上流側に配
置する方法や、レーザーにより共鳴吸収させる方法等が
可能である。これによれば、以下のような利点が得られ
る。

【００９１】（ａ）メンブレンポンプの省電力化 水素分子を振動励起状態にすることは容易であり、分子
を振動励起状態にするために必要なエネルギーは低いた
め、アトマイゼーションと比較して、より低いエネルギ
ー供給により水素を超透過させることができ、ポンプに
必要な電力を減少させることができる。

【００９２】（ｂ）Ｈ₂ ，Ｄ₂ ，Ｔ₂ の分離への利用 水素の分子振動の振動数およびエネルギーは、質量数の
平方根に反比例するため、重い水素の方がより容易に振
動励起することができる。従って、Ｈ₂ ，Ｄ₂，Ｔ₂ の
うち重い分子のみが振動励起される最小限の励起エネル
ギーを与えるように振動励起手段を設定すれば、重い水
素分子を選択的に振動励起状態に励起して、重い水素分
子の選択的排気および分離を行うことが可能である。

【００９３】実施の形態１０．例えばメンブレンポンプ
を核融合装置に設置する場合には、プラズマからの放射
熱、高温ダイバータ板からの放射熱、アトマイザーを使
用した時のアトマイザーからの放射熱、また排気する粒
子のフラックスが十分に大きい場合の加熱等の自然熱源
が存在する。メンブレンポンプを設置する場所により、
メンブレンの置かれる熱的状況は異なる。

【００９４】メンブレンが受ける熱フラックスが適切な
場合は、メンブレンを５５０℃＜Ｔ＜１２００℃の適温
に保つための加熱冷却が不要であるが、適切でない場合
には、以下のようにして対応することが可能である。

【００９５】（ａ）熱負荷が大きすぎる場合 熱負荷が大きすぎる場合には、例えば図６に示すよう
に、メンブレン１の下流側の表面を粗く形成し面積を大
きくして熱放射量を多くし、これに壁８を対面させてこ
の壁８を低温に保つようにすれば、下流側より熱を放散
してメンブレン１を適温に保つことができる。

【００９６】また、図７は、メンブレン１を扁平な円環
状に設けて円環状のメンブレン１の円環内周部から円環
内に排気するようにした例を示す断面図であるが、円環
状のメンブレン１の内周部に、例えば図示のようなブラ
インド形状の熱シールド９（熱放射遮蔽部材）を配置す
る構成が有効である。またこの熱シールド９自体を冷却
するようにするとより有効になる。また、円環状のメン
ブレン１の対向面の一部をオープンにして放射を外に出
すようにするとさらに有効になる。

【００９７】（ｂ）熱負荷が不充分または存在しない場
合 熱負荷が少し足りない場合はメンブレンの熱絶縁を良く
して温度を高めればよい。

【００９８】加熱が必要となる場合には、例えば図８に
示すように、メンブレン１をパイプ状に形成してメンブ
レンパイプ１０（パイプ状のメンブレン）とし、このメ
ンブレンパイプ１０の外部から内部に排気するようにす
る構成が有効である。図８においては、メンブレン１に
より排気された水素をメンブレンパイプ１０の両端から
真空ポンプ４により排出しており、また、直流電源１１
（通電手段）によりメンブレンパイプ１０に長手方向の
通電を行っている。これにより、メンブレンパイプ１０
はジュール加熱され、温度低下が防止される。この場
合、メンブレンパイプ１０におけるメンブレン１の厚み
は０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度であるので充分に強度があ
り、しかも電気抵抗の大きなものとなるので、有効に加
熱が行われ、メンブレン１の温度を適温に上昇させて維
持することができる。また、メンブレンパイプ１０は任
意な形状にして取り回すことが容易であり、メンブレン
ポンプ設置の際の自由度を大きく取ることが可能であ
る。なお、通電手段としては温度を検知して通電のＯＮ
・ＯＦＦを行うものを設置することもでき、また、電流
は直流に限らず、交流で通電させるものとしてもよい。

【００９９】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、メンブレンの材料として、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｆ
ｅ，Ｎｉ，Ｐｄのうちから選択される金属を使用し、か
つ、前記メンブレンの表面に、Ｏ，Ｃ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ
等に代表される元素のうちから選択される元素からなる
表面不純物層を形成するように構成したので、メンブレ
ン中の水素原子の拡散係数および溶解度を大きくして水
素原子を容易に下流側に到達させることができるととも
に、メンブレン表面に適度な障壁を良好に形成すること
ができ、これらを組み合わせた結果良好な超透過性を発
揮させることが可能となり、希薄な水素気体やその同位
体ガスの排気に際して効率的な排気を行うことが可能な
メンブレンポンプを得ることができ、金属の基本的な性
質を利用した安価な排気システムを構築することが可能
となる効果がある。

【０１００】請求項２記載の発明によれば、メンブレン
の材料として、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａのうちから選択される金
属を使用するように構成したので、メンブレン中の水素
原子の拡散係数および溶解度を特に大きくして特に良好
な超透過性を発揮させることが可能となる効果がある。
また、これらの金属は高融点であるため同一金属をアト
マイザーとしても使用することができ、この場合アトマ
イザーの金属がメンブレン上流側表面に蒸着しても上流
側表面の障壁を変化させず安定して超透過性を持続する
ことができる効果がある。

【０１０１】請求項３記載の発明によれば、メンブレン
の厚さを０．１ｍｍ〜１ｍｍの間の厚さにするように構
成したので、メンブレン中の水素原子密度を大きくして
十分な排気量の水素排気を行うことができる効果があ
る。

【０１０２】請求項４記載の発明によれば、メンブレン
の上流側表面の再結合係数を下流側表面の再結合係数よ
り低くするように構成したので、メンブレン上流から入
射してメンブレン中に閉じ込められた水素原子が最終的
に下流側より水素分子として飛び出す確率を上流側より
水素分子として飛び出す確率より高くして、メンブレン
に超透過性を持たせることができる効果がある。

【０１０３】請求項５記載の発明によれば、メンブレン
の上流側と下流側に異なる金属を用いるように構成した
ので、メンブレンの上流側表面と下流側表面との障壁お
よび再結合係数の非対称性を持たせることができ、メン
ブレンに超透過性を持たせることが可能となる効果があ
る。

【０１０４】請求項６記載の発明によれば、メンブレン
の上流側にＴａ、下流側にＮｂを用いるように構成した
ので、メンブレンの上流側表面を下流側表面と比較して
高障壁，低再結合係数とすることができ、メンブレンに
超透過性を持たせることができる効果がある。

【０１０５】請求項７記載の発明によれば、メンブレン
の上流側にＮｂ、下流側にＰｄを用いるように構成した
ので、メンブレンの上流側表面を下流側表面と比較して
高障壁，低再結合係数とすることができ、メンブレンに
超透過性を持たせることができる効果がある。

【０１０６】請求項８記載の発明によれば、メンブレン
の上流側表面と下流側表面に異なる不純物による表面不
純物層を形成するように構成したので、メンブレンの上
流側表面と下流側表面との障壁および再結合係数の非対
称性を持たせることができ、メンブレンに超透過性を持
たせることが可能となる効果がある。

【０１０７】請求項９記載の発明によれば、メンブレン
の下流側表面の表面積が上流側表面の表面積より大きく
なるように構成したので、メンブレン中に閉じ込められ
た水素を表面積の大きい下流側から放出されやすくし
て、メンブレンに超透過性を持たせることができる効果
がある。

【０１０８】請求項１０記載の発明によれば、メンブレ
ンの下流側表面を上流側表面より粗く形成するように構
成したので、メンブレンの下流側表面の表面積を上流側
表面の表面積よりも大きくすることができ、メンブレン
中に閉じ込められた水素を表面積の大きい下流側から放
出されやすくしてメンブレンに超透過性を持たせること
ができる効果がある。

【０１０９】請求項１１記載の発明によれば、メンブレ
ンの上流側に、前記メンブレンに到達する過剰の不純物
吸着用のブラインド状の遮蔽部材を設けるように構成し
たので、メンブレンの上流側表面の過剰な不純物堆積に
よる上流側表面における障壁の異常や水素入射の阻害等
を防止して、超透過を有効に維持することができる効果
がある。

【０１１０】請求項１２記載の発明によれば、２０００
℃程度に温度上昇する金属フィラメントよりなりメンブ
レンの上流に配置されて前記メンブレンに入射する水素
を原子化するアトマイザーとして、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａのう
ちのいずれかにより形成したアトマイザーを備えるよう
に構成したので、融点の高いＶ，Ｎｂ，Ｔａのうちのい
ずれかにより形成したアトマイザーによりメンブレン上
流において水素を原子化してメンブレンに入射させて超
透過による排気を行うことができるとともに、高温のア
トマイザーから蒸発した金属がメンブレン表面に蒸着さ
れた場合にメンブレンが超透過性を失わないようにする
ことができる効果がある。

【０１１１】請求項１３記載の発明によれば、アトマイ
ザーの金属フィラメントに用いる金属とメンブレンの上
流側に用いる金属とを同一の金属とするように構成した
ので、高温のアトマイザーから蒸発した金属がメンブレ
ン表面に蒸着された場合に、メンブレンが超透過性を失
わないようにすることができるとともに、上流側表面の
障壁を変化させずほぼ一定に保つことができる効果があ
る。

【０１１２】請求項１４記載の発明によれば、メンブレ
ンの下流側に用いる金属上に、これと異なる金属により
形成したアトマイザーの金属フィラメントより蒸発した
金属を蒸着することにより前記メンブレンの上流側に用
いる金属を形成するように構成したので、容易に二層の
メンブレンを形成してメンブレンの上流側表面と下流側
表面との障壁および再結合係数の非対称性を持たせるこ
とができ、メンブレンに超透過性を持たせることが可能
となるとともに、自動的にアトマイザーの金属とメンブ
レン上流側の金属とが同一の金属となるため、運転中に
高温のアトマイザーから蒸発した金属がメンブレン表面
に蒸着されても上流側表面の障壁を変化させずほぼ一定
に保つことができる効果がある。

【０１１３】請求項１５記載の発明によれば、アトマイ
ザーの金属フィラメントに炭素を含有させるように構成
したので、メンブレンの表面不純物層として酸素を使用
した場合等に、金属フィラメントに大量に溶け込むとア
トマイザーとしての性能を低下させる酸素を炭化してＣ
Ｏとして放出させて金属中から取り除き、アトマイザー
を長寿命化することができる効果がある。

【０１１４】請求項１６記載の発明によれば、アトマイ
ザーの金属フィラメントを１０^-4Ｔｏｒｒ程度の圧力の
ＣＨ₄ ガス中に１９００℃程度の温度に保って１０時間
程度放置して炭素を注入するように構成したので、アト
マイザーの金属フィラメントに炭素を十分な量含有させ
ることができ、酸素の蓄積を防止してアトマイザーを長
寿命化することができる効果がある。

【０１１５】請求項１７記載の発明によれば、アトマイ
ザーの金属フィラメントを５族の金属の炭化物により形
成するように構成したので、特に金属フィラメントに炭
素を注入する処理を必要とせずに金属フィラメント中に
十分に含まれる炭素により酸素の蓄積を防止してアトマ
イザーを長寿命化することができる効果がある。

【０１１６】請求項１８記載の発明によれば、アトマイ
ザーの電気抵抗率を測定することによりアトマイザー中
に残留する炭素濃度を検知する炭素濃度検知手段を備え
るように構成したので、電気抵抗率の測定により酸素除
去効果を有する炭素の濃度低下を容易に検知して、アト
マイザーの性能低下を容易に予測して対処することが可
能となる効果がある。

【０１１７】請求項１９記載の発明によれば、ＲＦ電
場，グロー放電，アーク放電等の方法によりプラズマを
発生するプラズマ発生装置におけるプラズマを利用し
て、メンブレンの上流における水素の原子化を行うよう
に構成したので、特にアトマイザーを必要とせずにプラ
ズマの存在により原子化された水素を、メンブレンに入
射させて超透過による排気を行うことができる効果があ
る。

【０１１８】請求項２０記載の発明によれば、核融合装
置におけるプラズマを利用して、メンブレンの上流にお
ける水素の原子化を行い、前記核融合装置からの水素排
気を行うように構成したので、核融合装置中のプラズマ
により原子化された水素を、特にアトマイザーを必要と
せずにそのままメンブレンに入射させることができ、核
融合装置中の水素を超透過により有効に排気することが
できる効果がある。

【０１１９】請求項２１記載の発明によれば、ガラス，
セラミック等の水素原子を再分子化させにくい物質をコ
ーティングした水素粒子反射板をメンブレン上流に配置
して、高速水素粒子を前記水素粒子反射板により反射さ
せてエネルギーを減衰させた後前記メンブレンに入射さ
せるように構成したので、高速水素粒子のスパッタリン
グによるメンブレンの表面不純物層の破壊を抑えて表面
不純物層を維持し、超透過を長期間継続させることがで
きる効果がある。

【０１２０】請求項２２記載の発明によれば、水素分子
をメンブレン上流において振動励起状態にする振動励起
手段を備えるように構成したので、水素を分子状態のま
ま、高いエネルギー状態の振動励起分子としてメンブレ
ン表面の障壁を乗り越えさせてメンブレンに入射させる
ことが可能となり、アトマイゼーションと比較してより
低エネルギーの供給により水素を超透過させることがで
き、ポンプに必要な電力を減少させることができる効果
がある。また、水素の分子振動の振動数およびエネルギ
ーは質量数の平方根に反比例し、重い水素分子の方がよ
り容易に振動励起することができるため、水素同位体の
分子の中から重い分子を選択的に振動励起状態に励起し
て重い水素分子の選択的排気を行うことができる効果が
ある。

【０１２１】請求項２３記載の発明によれば、アトマイ
ザーより低い温度に温度設定されメンブレンに入射する
水素分子を振動励起状態に励起する、前記メンブレンの
上流側金属と同一の金属よりなる振動励起用フィラメン
トを前記メンブレンの上流に配置するように構成したの
で、振動励起用フィラメントを設置する単純な構成によ
り水素分子を振動励起状態に励起して超透過による排気
を行うことが可能となるとともに、振動励起用フィラメ
ントからの蒸発物によるメンブレンの超透過性の低下や
障壁の変化を防止することができる効果がある。

【０１２２】請求項２４記載の発明によれば、水素の同
位体よりなる水素分子のうち重い水素分子の振動励起に
必要な最小限の励起エネルギーを与えるように振動励起
手段を設定するように構成したので、水素の同位体より
なる水素分子のうち、重い水素分子のみを選択的に振動
励起状態に励起して排気・分離することができ、例え
ば、核融合装置からの排気において、核融合装置内から
除去したいＴ₂ のみを排気して除去する等のことが可能
となる効果がある。

【０１２３】請求項２５記載の発明によれば、メンブレ
ンが受ける熱負荷が０．５Ｗ／ｃｍ² 〜５Ｗ／ｃｍ² に
なる位置にメンブレンを配置するように構成したので、
特段の温度維持のための手段を講ずる必要なく運転に適
した温度にメンブレンを維持することができる効果があ
る。

【０１２４】請求項２６記載の発明によれば、メンブレ
ンの下流側表面を上流側表面より粗く形成し、前記下流
側表面に対面して低温に保たれる壁を設けるように構成
したので、メンブレンが受ける熱負荷が大きい場合にメ
ンブレンの下流側表面からの熱放射を多くしてメンブレ
ンの過剰な温度上昇を防止し、運転に適した温度にメン
ブレンを維持することができる効果がある。

【０１２５】請求項２７記載の発明によれば、メンブレ
ンの上流側表面付近に前記メンブレンが受ける熱放射を
遮蔽する熱放射遮蔽部材を設けるように構成したので、
メンブレンが吸収する熱放射を熱放射遮蔽部材により制
限してメンブレンの過剰な温度上昇を防止し、運転に適
した温度にメンブレンを維持することができる効果があ
る。

【０１２６】請求項２８記載の発明によれば、メンブレ
ンをパイプ状に形成し、該パイプ状のメンブレンの外側
の水素を内側に排気するように構成したので、パイプ状
のメンブレンの末端に通常の真空ポンプを接続して水素
を排出するような簡単な構成により水素を有効に排気す
ることができるとともに、メンブレンポンプの設置場所
の状況に応じてパイプ状のメンブレンを容易に任意な形
状にして取り回すことが可能であり、メンブレンポンプ
設置の際の自由度を大きく取ることができる効果があ
る。

【０１２７】請求項２９記載の発明によれば、パイプ状
のメンブレンのパイプ長手方向に通電してジュール加熱
により前記メンブレンを昇温させる通電手段を備えるよ
うに構成したので、メンブレンが受ける熱負荷が小さい
場合にメンブレンの温度を通電手段による通電により適
宜上昇させることができ、メンブレンを容易に運転に適
した温度に維持することができる効果がある。

【０１２８】請求項３０記載の発明によれば、メンブレ
ンの温度を３００℃〜１２００℃に保って運転するよう
に構成したので、メンブレン中の水素原子の拡散係数を
大きく保って水素原子の下流側表面への到達を容易に
し、かつ、上流側表面から入射した水素原子の上流側表
面からの再放出を抑制することができ、これによりメン
ブレンに良好な超透過性を発揮させ、メンブレンポンプ
による有効な排気を行うことができる効果がある。

【０１２９】請求項３１記載の発明によれば、表面不純
物層として酸素を使用する場合、運転中のメンブレンの
温度を５５０℃〜１２００℃に保つように構成したの
で、メンブレン表面の過剰な不純物をメンブレン金属中
に溶解させてメンブレン表面を単原子層の表面不純物層
が形成された状態にすることができ、高速粒子によるス
パッタリング等により単原子層の表面不純物層が破壊さ
れた場合も溶解不純物の表面偏析により自動的に補修が
行われるようにして単原子層の表面不純物層を維持する
ことができる。これによりメンブレン表面に適切な障壁
を維持してメンブレンに良好な超透過性を発揮させ、メ
ンブレンポンプによる有効な排気を行うことができる効
果がある。

【０１３０】請求項３２記載の発明によれば、メンブレ
ンに表面不純物層を形成しうるＯ₂，Ｈ₂ Ｏ，ＣＯ，Ｃ₂
Ｈ₂ ，Ｈ₂ Ｓ等に代表される化合物のうちから選択さ
れる化学的活性ガスを、前記メンブレンに入射する水素
により表面不純物層がスパッタされて破壊されるスパッ
タレートに応じた圧力で前記メンブレンの上流側に導入
して前記メンブレンの上流側表面に表面不純物層を逐次
形成させることにより、運転中の前記上流側表面の単原
子層の表面不純物層を維持するように構成したので、高
エネルギー水素粒子が高いフラックス量で入射する場所
に設置されるメンブレンポンプの場合においてもメンブ
レン表面に適切な障壁を維持することができ、メンブレ
ンに良好な超透過性を持続的に発揮させ、メンブレンポ
ンプによる有効な排気を連続して行うことができる効果
がある。

【０１３１】請求項３３記載の発明によれば、運転前に
メンブレンの下流側表面を超高真空下での加熱等により
清浄にし、運転中は前記メンブレンの下流側を１０^-9Ｔ
ｏｒｒ以下の圧力に保つように構成したので、メンブレ
ン下流側表面の障壁が上流側表面の障壁より低い非対称
性を維持することができ、例えば、高速水素粒子のスパ
ッタリング等により上流側の不純物層による障壁の高さ
の維持が困難な場合においても超透過を維持することが
できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 メンブレンにおける水素の透過に関する各量
を示す説明図である。

【図２】 この発明の実施の形態４によるメンブレンポ
ンプの概略構成を示す説明図である。

【図３】 この発明の実施の形態４によるメンブレンポ
ンプの一運転例を示すグラフ図である。

【図４】 この発明の実施の形態４によるメンブレンポ
ンプの他の運転例を示すグラフ図である。

【図５】 この発明の実施の形態７によるメンブレンポ
ンプの概略構成を示す説明図である。

【図６】 この発明の実施の形態１０によるメンブレン
ポンプの概略構成を示す説明図である。

【図７】 この発明の実施の形態１０による熱放射遮蔽
部材を備えたメンブレンポンプの概略構成を示す説明図
である。

【図８】 この発明の実施の形態１０による通電手段を
備えたメンブレンポンプの概略構成を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１ メンブレン、７ 遮蔽部材、８ 壁、９ 熱シール
ド（熱放射遮蔽部材）、１０ メンブレンパイプ（パイ
プ状のメンブレン）、１１ 直流電源（通電手段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本島 修 岐阜県多治見市広小路３−58−１ カーネ ギー多治見1001 (72)発明者 アレキサンダ・リブシッツ ロシア連邦共和国 サンクトペテルスブル グ 195426 アパートメント 391 ブロ ック１・８・カザンスカヤ (72)発明者 ミハイル・ノトキン ロシア連邦共和国 サンクトペテルスブル グ 196142 アパートメント 86 レンソ ヴェタ・ストリート 20 (72)発明者 アンドレ・サマルチェフ ロシア連邦共和国 サンクトペテルスブル グ 199053 アパートメント 37 シィヤ ドブスカヤ・ライン ７ (72)発明者 アンドレ・ブスニューク ロシア連邦共和国 サンクトペテルスブル グ 193131 アパートメント 25 クラス ヌク・ゾリ・ブルバード 11

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超透過性金属膜よりなるメンブレンを用
   いて前記メンブレン上流の水素の前記メンブレン下流へ
   の排気を行うメンブレンポンプにおいて、前記メンブレ
   ンの材料として、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｐｄの
   うちから選択される金属を使用し、かつ、前記メンブレ
   ンの表面に、Ｏ，Ｃ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ等に代表される元
   素のうちから選択される元素からなる表面不純物層を形
   成したことを特徴とするメンブレンポンプ。
2. 【請求項２】 メンブレンの材料として、Ｖ，Ｎｂ，Ｔ
   ａのうちから選択される金属を使用したことを特徴とす
   る請求項１記載のメンブレンポンプ。
3. 【請求項３】 メンブレンの厚さを０．１ｍｍ〜１ｍｍ
   の間の厚さにしたことを特徴とする請求項１または請求
   項２記載のメンブレンポンプ。
4. 【請求項４】 メンブレンの上流側表面の再結合係数を
   下流側表面の再結合係数より低くしたことを特徴とする
   請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のメン
   ブレンポンプ。
5. 【請求項５】 メンブレンの上流側と下流側に異なる金
   属を用いたことを特徴とする請求項４記載のメンブレン
   ポンプ。
6. 【請求項６】 上流側にＴａ、下流側にＮｂを用いたこ
   とを特徴とする請求項５記載のメンブレンポンプ。
7. 【請求項７】 上流側にＮｂ、下流側にＰｄを用いたこ
   とを特徴とする請求項６記載のメンブレンポンプ。
8. 【請求項８】 メンブレンの上流側表面と下流側表面に
   異なる不純物による表面不純物層を形成したことを特徴
   とする請求項４記載のメンブレンポンプ。
9. 【請求項９】 メンブレンの下流側表面の表面積を上流
   側表面の表面積より大きくしたことを特徴とする請求項
   １から請求項８のうちのいずれか１項記載のメンブレン
   ポンプ。
10. 【請求項１０】 メンブレンの下流側表面を上流側表面
    より粗く形成したことを特徴とする請求項９記載のメン
    ブレンポンプ。
11. 【請求項１１】 メンブレンの上流側に、前記メンブレ
    ンに到達する過剰の不純物を吸着するブラインド状の遮
    蔽部材を設けたことを特徴とする請求項１から請求項１
    ０のうちのいずれか１項記載のメンブレンポンプ。
12. 【請求項１２】 ２０００℃程度に温度上昇する金属フ
    ィラメントよりなりメンブレンの上流に配置されて前記
    メンブレンに入射する水素を原子化するアトマイザーと
    して、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａのうちのいずれかにより形成した
    アトマイザーを備えたことを特徴とする請求項１から請
    求項１１のうちのいずれか１項記載のメンブレンポン
    プ。
13. 【請求項１３】 アトマイザーの金属フィラメントに用
    いる金属とメンブレンの上流側に用いる金属とを同一の
    金属としたことを特徴とする請求項１２記載のメンブレ
    ンポンプ。
14. 【請求項１４】 メンブレンの下流側に用いる金属上
    に、これと異なる金属により形成したアトマイザーの金
    属フィラメントより蒸発した金属を蒸着することにより
    前記メンブレンの上流側に用いる金属を形成したことを
    特徴とする請求項１３記載のメンブレンポンプ。
15. 【請求項１５】 アトマイザーの金属フィラメントに炭
    素を含有させたことを特徴とする請求項１２から請求項
    １４のうちのいずれか１項記載のメンブレンポンプ。
16. 【請求項１６】 アトマイザーの金属フィラメントを１
    ０^-4Ｔｏｒｒ程度の圧力のＣＨ₄ ガス中に１９００℃程
    度の温度に保って１０時間程度放置して炭素を注入した
    ことを特徴とする請求項１５記載のメンブレンポンプ。
17. 【請求項１７】 アトマイザーの金属フィラメントを５
    族の金属の炭化物により形成したことを特徴とする請求
    項１５記載のメンブレンポンプ。
18. 【請求項１８】 アトマイザーの電気抵抗率を測定する
    ことによりアトマイザー中に残留する炭素濃度を検知す
    る炭素濃度検知手段を備えたことを特徴とする請求項１
    ５または請求項１６記載のメンブレンポンプ。
19. 【請求項１９】 ＲＦ電場，グロー放電，アーク放電等
    の方法によりプラズマを発生するプラズマ発生装置にお
    けるプラズマを利用して、メンブレンの上流における水
    素の原子化を行うことを特徴とする請求項１から請求項
    １１のうちのいずれか１項記載のメンブレンポンプ。
20. 【請求項２０】 核融合装置におけるプラズマを利用し
    て、メンブレンの上流における水素の原子化を行い、前
    記核融合装置からの水素排気を行うことを特徴とする請
    求項１９記載のメンブレンポンプ。
21. 【請求項２１】 ガラス，セラミック等の水素原子を再
    分子化させにくい物質をコーティングした水素粒子反射
    板をメンブレン上流に配置して、高速水素粒子を前記水
    素粒子反射板により反射させてエネルギーを減衰させた
    後前記メンブレンに入射させるようにしたことを特徴と
    する請求項１９記載のメンブレンポンプ。
22. 【請求項２２】 水素分子をメンブレン上流において振
    動励起状態にする振動励起手段を備えたことを特徴とす
    る請求項１から請求項１１のうちのいずれか１項記載の
    メンブレンポンプ。
23. 【請求項２３】 アトマイザーより低い温度に温度設定
    されメンブレンに入射する水素分子を振動励起状態に励
    起する、前記メンブレンの上流側金属と同一の金属より
    なる振動励起用フィラメントを前記メンブレンの上流に
    配置したことを特徴とする請求項２２記載のメンブレン
    ポンプ。
24. 【請求項２４】 水素の同位体よりなる水素分子のうち
    重い水素分子の振動励起に必要な最小限の励起エネルギ
    ーを与えるように振動励起手段を設定したことを特徴と
    する請求項２２または請求項２３記載のメンブレンポン
    プ。
25. 【請求項２５】 メンブレンが受ける熱負荷が０．５Ｗ
    ／ｃｍ² 〜５Ｗ／ｃｍ² になる位置にメンブレンを配置
    したことを特徴とする請求項１から請求項２４のうちの
    いずれか１項記載のメンブレンポンプ。
26. 【請求項２６】 メンブレンの下流側表面を上流側表面
    より粗く形成し、前記下流側表面に対面して低温に保た
    れる壁を設けたことを特徴とする請求項１から請求項２
    ４のうちのいずれか１項記載のメンブレンポンプ。
27. 【請求項２７】 メンブレンの上流側表面付近に前記メ
    ンブレンが受ける熱放射を遮蔽する熱放射遮蔽部材を設
    けたことを特徴とする請求項１から請求項２４または請
    求項２６のうちのいずれか１項記載のメンブレンポン
    プ。
28. 【請求項２８】 メンブレンをパイプ状に形成し、該パ
    イプ状のメンブレンの外側の水素を内側に排気するよう
    にしたことを特徴とする請求項１から請求項２５または
    請求項２７のうちのいずれか１項記載のメンブレンポン
    プ。
29. 【請求項２９】 パイプ状のメンブレンのパイプ長手方
    向に通電してジュール加熱により前記メンブレンを昇温
    させる通電手段を備えたことを特徴とする請求項２８記
    載のメンブレンポンプ。
30. 【請求項３０】 超透過性金属膜よりなるメンブレンを
    用いて前記メンブレン上流の水素の前記メンブレン下流
    への排気を行うメンブレンポンプの運転方法において、
    メンブレンの温度を３００℃〜１２００℃に保って運転
    することを特徴とするメンブレンポンプの運転方法。
31. 【請求項３１】 表面不純物層として酸素を使用する場
    合、運転中のメンブレンの温度を５５０℃〜１２００℃
    に保つことを特徴とする請求項３０記載のメンブレンポ
    ンプの運転方法。
32. 【請求項３２】 メンブレンに表面不純物層を形成しう
    るＯ₂ ，Ｈ₂ Ｏ，ＣＯ，Ｃ₂ Ｈ₂ ，Ｈ₂ Ｓ等に代表され
    る化合物のうちから選択される化学的活性ガスを、前記
    メンブレンに入射する水素により表面不純物層がスパッ
    タされて破壊されるスパッタレートに応じた圧力で前記
    メンブレンの上流側に導入して前記メンブレンの上流側
    表面に表面不純物層を逐次形成させることにより、運転
    中の前記上流側表面の単原子層の表面不純物層を維持す
    ることを特徴とする請求項３１記載のメンブレンポンプ
    の運転方法。
33. 【請求項３３】 運転前にメンブレンの下流側表面を超
    高真空下での加熱等により清浄にし、運転中は前記メン
    ブレンの下流側を１０^-9Ｔｏｒｒ以下の圧力に保つこと
    を特徴とする請求項３１記載のメンブレンポンプの運転
    方法。