DE3779480T2

DE3779480T2 - Verfahren zur reinigung eines kontinuierlichen helium- und/oder neongasstromes.

Info

Publication number: DE3779480T2
Application number: DE8787301339T
Authority: DE
Inventors: James Ephraim Loveloc Lovelock
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1986-04-16
Filing date: 1987-02-17
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2007-02-18
Also published as: GB2189165A; GB8609325D0; JPS62244421A; EP0242028A3; JPH07110331B2; US4919690A; EP0242028B1; HK116193A; EP0242028A2; DE3779480D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reinigen eines ununterbrochenen Stromes von Helium- und/oder Neongas; Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, befaßt sich die Erfindung mit der kontinuierlichen Herstellung von hochreinem Helium oder Neon (oder einer Mischung dieser Gase), wobei "hochrein" bedeutet, daß eine Verschmutzung mit irgendeinem Verunreinigungsgas oder Verunreinigungsgasen geringer ist als ein Teil in zehn Millionen bezogen auf das Volumen. Helium- und Neon-Gase dieser Reinheit haben vielfältige Anwendungen, die auch die Verwendung als Probenträgergase in modernen analytischen Techniken, als Füllgase für Entladeröhren und Laser und als Reinigungsgase in der Halbleiterindustire umfassen.
Viele Verfahren zum Reinigen eines ununterbrochenen Stromes von Gasen sind bekannt. US-Patent Nr. 4,313,739 (Douglas- Hamilton) beschreibt ein Verfahren, das auf der bevorzugten Ionisation von kontaminierenden Molekülen basiert, und die Schritte des Hindurchführens eines Stromes des zu reinigenden Gases längs eines vorbestimmten Flußweges; das Ionisieren der Verunreinigungen in dem Gas; und das Entfernen der positiven Verunreinigungsionen aus dem Hauptgasstrom umfaßt. Bei diesem Verfahren werden die Verunreinigungen unter Verwendung einer Koronaentladung ionisiert und erzeugen Ionen und Elektronen in dem Gas, die dann Ladung mit den Verunreinigungsmolekülen austauschen. Selbstverständlich arbeitet dieses Verfahren nur dann, wenn die Verunreinigigungsmoleküle ein niedrigeres Ionisationspotential als die Moleküle des zu reinigenden Gases haben.
Ferner ist der Wirkungsgrad des gesamten Prozesses niedrig, nicht zuletzt deswegen, weil die Ionen und Elektronen, die zum Ionisieren der Verunreinigung benötigt werden, ständig aus dem Gasfluß durch das Polarisierungsfeld entfernt werden.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Produktion von hochreinen Helium- und Neon- Gasen auf einer kontinuierlichen Basis und in einer einfach zu verwirklichenden Weise zu schaffen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Reinigen eines kontinuierlichen Stromes von Helium- oder Neon-Gas oder einer Mischung dieser Gase geschaffen, wobei das Verfahren die Operationen des Leitens eines zu reinigenden Gasstromes längs eines vorbestiminten Strömungsweges, des Ionisierens der Verunreinigungen in dem Gas und des Entfernens der positiven Verunreinigungs-Ionen aus dem Hauptgasstrom durch Erzeugen eines polarisierenden Feldes quer zu dem Strom umfaßt, um eine Wanderung der Verunreinigungs-Ionen aus dem Hauptgasstrom zu verursachen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisation der Verunreinigungen bewirkt wird, in dem der Gasstrom mit einer derartigen elektrischen Entladung erregt wird, daß metastabile Edelgasatome erzeugt werden, welche zum Ionisieren der Verunreinigungen durch Verlieren von Energie an diese dienen, wobei die metastabilen Atome den überwiegenden Verunreinigungs- Ionisationsprozeß schaffen.
Die Wirksamkeit dieses Reinigungsverfahrens beruht auf den hohen Erregungspotentialen von metastabilen Elementen der Edelgase. Insbesondere ist das metabstabile Erregungspotential von Helium oder Neon größer als die Ionisationspotentiale jeglicher Verunreinigungen. Darüberhinaus werden diese metastabilen Elemente, die neutral sind, nicht durch das polarisierende Feld von dem Gasstrom entfernt. Ferner verlieren die metastabilen Edelgaselemente auf einfache Weise ihre gespeicherte Energie an Verunreinigungsmoleküle, auf die sie durch Kollision treffen, wodurch das Edelgas als ungeladene, unerregte Atome übrig bleibt. Der Ionisationseffekt der Edelgas-"metastabilen"-Atome ist selbstverständlich ein an sich bekannter Effekt (siehe UK-Patentbeschreibung Nr. 882,997), obwohl dieser Effekt nicht vorher bei der Reinigung von Edelgasen verwendet worden ist.
Die Erregung des Gasstromes wird allgemein gleichfalls zu einer direkten Herstellung von Verunreinigungs-Ionen und gleichzeitig zur Erzeugung von Edelgas-Ionen führen, welche ihrerseits die Ionisation von Verunreinigungen bewirken. Jedoch sind die letztgenannten Prozesse erheblich geringer wirksam bezüglich der Ionisation von Verunreinigungen als durch die Erzeugung von metastabilen Elementen.
Ein Helium/Neon-Gas-Reiniger, der die Erfindung verkörpert, wird nachfolgend im Wege eines nichtbeschränkenden Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden diagrammartigen Zeichnungen beschrieben, deren einzige Figur eine Längsschnittdarstellung durch den Reiniger ist.
Obwohl der zu beschreibende Reiniger zum Reinigen von Helium- oder Neon-Gasen einzeln oder in einer Mischung geeignet ist, wird aus Gründen der Einfachheit in der nachfolgenden Beschreibung lediglich auf die Reinigung eines Helium- Gasstromes allein Bezug genommen.
Wie in der Zeichnung dargestellt ist, umfaßt der Reiniger ein röhrenförmiges Teil 10, welches einen Hauptgasstromweg zwischen einem Einlaß 11 für unreines Helium und einem Auslaß für gereinigtes Helium festlegt. Das röhrenförmige Teil 10 ist aus einem porösen, leitfähigen Material, wie beispielsweise aus gesintertem Metall oder einem gesinterten, metallisierten Glas oder Quarz gebildet. Das röhrenförmige Teil 10 bildet eine Kathode des Reinigers, wobei die komplimentäre Anode 13 durch eine Metallstange gebildet wird, die koaxial in der röhrenförmigen Kathode durch isolierende Enddichtungen 14 gehalten wird.
Ein polarisierendes Feld wird zwischen der Anode 13 und der Kathode 10 mittels einer Gleichstrom-Polarisationsquelle 15 aufgebaut. Diese Quelle 15 legt ein Potential zwischen der Anode und der Kathode an, das erheblich geringer ist als ein solches, das zur Erzeugung eines Bogens oder einer Entladung in dem Helium bei dem Druck führen würde, der in dem Reiniger während des Betriebes existiert (allgemein geringfügig oberhalb des atmosphärischen Druckes); wobei jedoch das angelegte Potential ausreicht, um eine schnelle Wanderung von sämtlichen positiven Ionen zu bewirken, die bei der Kathode 10 anwesend sind.
Um die Verunreinigungen in dem Gasfluß durch die Kathode 10 zu ionisieren, ist eine Pulsquelle 16 zum Erzeugen von Pulsen hoher Frequenz (100 kHz bis 50 MHz), von hohem Potential und kurzer Dauer (weniger als eine Mikrosekunde) zwischen der Anode und der Kathode vorgesehen, wodurch eine ionisierende Korona-Entladung zwischen den Elektroden aufgebaut wird. Eine derartige Anordnung ist in der UK-Patentbeschreibung Nr. 1,597,623 geoffenbart und wird aus diesem Grunde in der vorliegenden Beschreibung nicht näher erläutert mit Ausnahme der Anmerkung, daß es aufgrund der Tatsache, daß zum Beginn der Korona-Entladung wenigstens ein Ion oder Elektron anwesend sein muß, erforderlich ist, eine Einrichtung zu schaffen, um das benötigte Ion oder Elektron zu erzeugen (obwohl man sich auf die Hintergrundstrahlung verlassen könnte). Demgemäß könnte die polarisierende Quelle einstellbar gemacht werden, um eine anfängliche Entladung zu bewirken, bevor diese auf ihr normales Betriebspotential rückgesetzt wird.
Ein zylindrischer Mantel 17 umgibt die röhrenförmige Kathode 10 zum Aufnehmen von Gas, das während des Betriebes durch die poröse Kathode 10 radial nach außen strömt. Dieser Mantel 17 hat ein Auslaßtor 18 nahe des Einlaßendes des Hauptgasflußweges, welcher durch die Kathode 10 festgelegt ist.
Ein Diffusor 19 ist in dem Hauptgasstromweg nahe des Einlasses 11 vorgesehen, um einen strömungsmäßigen Fluß nach unten zu dem inneren der Kathode 10 zu bilden.
Während des Betriebes wird unreines Helium (typischerweise ein ppm Verunreinigung) zu dem Einlaß 11 mit einem geringfügigen Überdruck bezüglich der Umgebungsatmosphäre zugeführt, um einen stromlinienförmigen Hauptgasstrom koaxial nach unten innerhalb der Kathode 10 in Richtung des Pfeiles A zu dem Auslaß 12 zu bilden. Aufgrund der porösen Natur der Kathode 10 wird ein kleiner Nebengasstrom aufgebaut, der nach außen radial durch die Kathode und dann in Richtung des Pfeiles B zu dem Auslaßtor 18 läuft.
Die zwischen der Anode 13 und der Kathode 12 durch die Pulsquelle 16 hervorgerufene Korona-Entladung bewirkt eine Ionisation jeglicher Verunreinigungsatome oder Moleküle innerhalb des Hauptgasstromes entweder direkt oder dadurch, daß zunächst metastabile Helium-Atome und Helium-Ionen erzeugt werden, die anschließend mit Verunreinigungen kollidieren und diese ionisieren. Von den Übergängen der Helium-Ionen und der metastabilen Elemente emittierte ultraviolette Strahlung wird gleichfalls eine Ionisation der Verunreinigungen durch Photo-Ionisation bewirken. Der überwiegende Verunreinigungs-Ionisationsprozeß wird im allgemeinen derjenige aufgrund der Kollision von metastabilen Helium-Elementen mit Verunreinigungs-Atomen und Verunreinigungs-Molekülen sein.
Das polarisierende Feld, das zwischen der Anode 13 und der Kathode 11 durch die polarisierende Quelle 15 aufgebaut wird, bewirkt eine Wanderung positiver Verunreinigungs-Ionen zu der Kathode, wo sie aus dem Hauptgasstrom durch die poröse Kathode 11 als Teil des Nebengasstromes austreten. Das gereinigte Helium, das typischerweise einen Verunreinigungspegel von weniger als einem Teil pro zehn Millionen Teile hat, tritt aus dem Reiniger durch den Auslaß 12 aus, während die Verunreinigungen durch das Auslaßtor 18 abgegeben werden.
Die tatsächlichen Abmessungen des Reinigers hängen von der gewünschten Heliumflußrate und dem gewünschten Reinigungsgrad ab. Typische Dimensionen sind eine Röhre mit 10 mm Innendurchmesser bei einer Länge von 0,3 m.
Ein Ionisationsstrom von 4,3 Mikroampere würde benötigt, um sämtliche Verunreinigungen bei einem Verunreinigungsgrad von einem Teil pro Million Verunreinigungen in Helium zu beseitigen, welches mit einem Milliliter pro Sekunde bei Normal- Temperatur- und Normal-Druck fließt. Diese Annahme besteht darin, daß der gesamte Ionenstrom durch Verunreinigungs- Ionen getragen wird und daß die Verunreinigungen vollständig aus dem Hauptheliumfluß entfernt werden, nachdem die Verunreinigungs-Ionen der Elektrode begegnen. In der Praxis sind Ionisationswirkungsgrade von 1 bis 10 % üblicher.
Der Reiniger kann als Analogon zu einer Destillationssäule betrachtet werden, bei der Gasdiffusionsprozesse dazu neigen, die problemlose Betriebsweise bei der Trennung zu behindern. Für eine Kathode mit 10 mm Innendurchmesser und einer Anode mit 2 mm Durchmesser und bei der Flußrate und dem Verunreinigungsniveau, welche in dem vorhergehenden Absatz genannt sind, entspricht jeder 5- bis 10 mm-Abschnitt des Reinigers einer Platte einer Destillationssäule, wobei 67 % der Verunreinigung in jedem dieser Abschnitte entfernt wird. Daher sollten theoretisch fünf Abschnitte ungefähr 99 % der Verunreinigung entfernen. Ein typischer Reiniger hat tatsächlich eine Länge von 0,3 m oder mehr, um den Reinigungsbereich und die maximale Flußrate auszudehnen.
Die baulichen und elektrischen Charakteristika des Reinigers sind vorzugsweise derart, daß eine Entwicklung von Ionendichten in dem Reiniger in dem Plasma-Bereich vermieden wird. Im Plasma sind Ionen und Elektronen eng in einer gasförmigen Wolke benachbart, wobei die Ionen nicht ohne weiteres von den Elektroden durch Anlegen des polarisierenden Feldes entfernt werden können. Für einen 10 mm-Abschnitt des Reinigers bei einer Kathode mit einem Innendurchmesser von 10 mm sollte der polarisierende Feldstrom nicht ein Mikroampere übersteigen, wenn Plasmabedingungen vermieden werden sollen.
Obwohl die Verwendung einer porösen Kathode ein besonders angenehmer und wirksamer Weg der Entfernung von Verunreinigungsatomen und -molekülen darstellt, ist es möglich, einen nicht-poröse Kathode zu verwenden und dann von dem Hauptgasstrom den Gasstrom abzuteilen, der direkt oberhalb der Kathode entlang läuft und innerhalb dessen die neutralisierten Verunreinigungen konzentriert werden.

Claims

1. Ein Verfahren zum Reinigen eines ununterbrochenen Stromes von Helium- oder Neon-Gas oder einer Mischung dieser Gase, wobei das Verfahren die Operationen des Leitens eines zu reinigenden Gasstromes längs eines vorbestimmten Strömungsweges, des Ionisierens der Verunreinigungen in dem Gas und des Entfernens der positiven Verunreinigungsionen aus dem Hauptgasstrom durch Erzeugen eines polarisierten Feldes quer zu dem Strom umfaßt, um eine Wanderung der Verunreinigungsionen aus dem Hauptgasstrom zu verursachen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisation der Verunreinigungen bewirkt wird, indem der Gasstrom mit einer derartigen elektrischen Entladung erregt wird, daß metastabile Edelgasatome erzeugt werden, welche zum Ionisieren der Verunreinigungen durch Verlieren von Energie an diese dienen, wobei die metastabilen Atome den überwiegenden Verunreinigungsionisationsprozeß schaffen.