(57)【要約】【課題】気体に含まれる分離対象分子群を効率よくイオン化して気体から分離対象分子群を確実に分離することができるイオン化分離装置を提供する。【解決手段】イオン化分離装置１０は、分離対象分子群を含む気体をチャンバ１１のイオン化分離領域４０にその周方向から流入させ、気体を領域４０でスパイラル状に流動させる。領域４０では、軟Ｘ照射装置３５を介して分離対象分子群をイオン化するとともに、領域４０に対向は位置された第１および第２平行板電極３８，３９を介して分離対象分子群を静電分離する。装置１０では、低濃度の分離対象分子群を含む第１気体が排気ノズル１８から装置１０の外側に流出し、高濃度の分離対象分子群を含む第２気体が排気ノズル１５から装置１０の外側に流出する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離対象分子群を含む気体が流入する流入口と、前記流入口から流入した前記気体が流通するチャンバと、前記チャンバに設置されて前記分離対象分子群をイオン化するイオン源と、前記チャンバに対向配置されて所定の電界を発生させる第１および第２平行板電極と、低濃度の前記分離対象分子群を含む第１気体が流出する第１流出口と、高濃度の前記分離対象分子群を含む第２気体が流出する第２流出口とを有し、前記第１および第２平行板電極の間に生ずる電界を介して前記分離対象分子群を前記気体から静電分離するイオン化分離装置において、
前記チャンバが、前記第１および第２平行板電極の間に形成されて前記分離対象分子群をイオン化しつつ静電分離するイオン化分離領域と、前記第１平行板電極を挟んで前記イオン化分離領域の反対側に形成されて前記第１流出口につながる第１気体流動領域と、前記第２平行板電極を挟んで前記イオン化分離領域の反対側に形成されて前記第２流出口につながる第２気体流動領域とに区画され、
前記第１平行板電極が、それを厚み方向へ貫通して前記第１気体が通過する多数の貫通孔を有し、前記第２平行板電極が、それを厚み方向へ貫通して前記第２気体が通過する多数の貫通孔を有し、前記イオン源が、前記第１気体流動領域と前記第２気体流動領域との少なくとも一方に配置されて前記イオン化分離領域に対向し、前記装置が、前記気体を前記イオン化分離領域に導きつつ該イオン化分離領域の周縁部から中心部に向かってスパイラル状に流動させる強制渦発生機構を有することを特徴とするイオン化分離装置。
【請求項２】
前記強制渦発生機構が、前記チャンバの径方向外方に位置して該チャンバの周方向へ延びる円環状の第１スペースと、前記イオン化分離領域と前記第１スペースとの間に位置して前記チャンバの周方向へ延びていて前記気体を該第１スペースから該イオン化分離領域に流入させる円環状の第１オリフィスとから形成され、前記流入口が、前記第１スペースの接線方向に形成され、前記第１オリフィスが、前記第１スペースの内周縁部と前記イオン化分離領域の周縁部とにつながり、
前記気体が、前記流入口を通って前記第１スペースの接線方向から該第１スペースに流入するとともに、前記第１スペースを環流しつつ前記第１オリフィスを通って前記イオン化分離領域にその周方向から流入する請求項１記載のイオン化分離装置。
【請求項３】
前記イオン化分離領域の側に位置する前記第１オリフィスの内周縁部が、前記イオン化分離領域に向かって凸となる曲面で形成され、かつ、前記イオン化分離領域の周縁部に向かって末広がりに形成されている請求項２記載のイオン化分離装置。
【請求項４】
前記装置が、前記チャンバの径方向外方に位置して該チャンバの周方向へ延びる円環状の第２スペースと、前記第２気体流動領域と前記第２スペースとの間に位置して該第２気体流動領域の周方向へ延びる円環状の第２オリフィスとを有し、前記第２流出口が、前記第２スペースに形成され、前記第２オリフィスが、前記第２気体流動領域の周縁部と前記第２スペースの内周縁部とにつながり、
前記第２気体が、前記第２気体流動領域から前記第２オリフィスを通って前記第２スペースに流入し、前記第２流出口から流出する請求項１ないし請求項３いずれかに記載のイオン化分離装置。
【請求項５】
前記チャンバと前記第１および第２スペースと前記第１および第２オリフィスとを形成する面が、鏡面加工されている請求項４記載のイオン化分離装置。
【請求項６】
前記装置が、該装置を加熱するヒータを有し、前記ヒータを介して加熱された前記装置の温度が、８０〜３００℃の範囲にある請求項１ないし請求項５いずれかに記載のイオン化分離装置。
【請求項７】
前記チャンバが、円筒状を呈し、前記第１および第２平行板電極が、円盤状を呈する請求項１ないし請求項６いずれかに記載のイオン化分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体に含まれる分離対象分子群をイオン化しつつ、分離対象分子群を気体から静電分離するイオン化分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一方向へ所定寸法離間対向する一対の円盤状平行板電極と、それら電極の間に形成された一方向へ長い円筒状チャンバと、有機系ガスを含む空気をチャンバ内に流入させる流入口と、チャンバ内の有機系ガスをイオン化する放射線源とを有し、それら電極に空気の流出口が形成されたイオン化分離装置がある（特許文献１参照）。流入口は、チャンバの法線方向へ延びている。放射線源は、チャンバの内周面に固定され、流入口に対向している。この装置は、空気を流入口からチャンバ内に流入させ、放射線源を介して有機系ガスをイオン化するとともに、それら電極の間に生ずる電界を介して有機系ガスを空気から静電分離する。装置では、高濃度の有機系ガスを含む空気が一方の電極の流出口から装置の外部に流出し、低濃度の有機系ガスを含む空気が他方の電極の流出口から装置の外部に流出する。
【０００３】
この装置では、チャンバ内に放射線源からα線が照射され、空気を構成する窒素や酸素、有機系ガスの分子群の一部が電離して基底状態からイオンとなる。窒素や酸素の分子群は、電子を放出して陽イオンになるものと、放出された電子を獲得して陰イオンになるものとがある。第１イオン化エネルギーが小さい有機系ガスの分子群は、電子を放出して陽イオンになる。ただし、窒素や酸素、有機系ガスの分子群の全てがイオン化することはなく、チャンバ内にそれら分子群のうちのイオン化されない中性分子が存在する。チャンバ内では、イオンや中性分子の運動により、イオンどうしが衝突したり、イオンと中性分子とが衝突する。有機系ガスの分子は窒素や酸素の分子よりもイオン化ポテンシャルが低く、有機系ガスの中性分子が窒素や酸素の陽イオンと衝突すると、窒素や酸素の陽イオンが有機系ガスの中性分子から電子を奪い、陽イオンから中性分子へ電荷移動が起こり、陽イオンと中性分子との間で電荷交換が行われる。陽イオンと中性分子との間で電荷交換が行われると、窒素や酸素の陽イオンが中性分子に戻り、有機系ガスの中性分子がイオン化して陽イオンとなる。チャンバ内では、α線の照射によって有機系ガスの分子群が陽イオンになることに加え、有機系ガスの中性分子と窒素や酸素の陽イオンとの間の電荷交換により、有機系ガスの中性分子のイオン化が促進される。有機系ガスの陽イオンは、電極のうちの陰極に引き付けられ、窒素や酸素とともに陰極の平行板電極の流出口から装置の外部に流出する。
【特許文献１】特開２００１−７０７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記公報に開示のイオン化分離装置では、空気が流入口から円筒状チャンバの法線方向へ流入するので、空気がチャンバ内で乱流となって流動し、チャンバ内で流動する空気の速度変動が大きく、チャンバ内に空気の流速が速い部分と遅い部分とが生じるとともに、空気の停滞する部分が生じる。チャンバ内にそのような部分が生じると、放射線源を介して窒素や酸素、有機系ガスの分子群を満遍なく一様にイオン化することができず、分子群のイオン化に偏りが生じ、分子群のイオン化率が低下する場合がある。また、チャンバ内の空気が停滞する部分では、イオンと中性分子との衝突が少なく、陽イオンと有機系ガスの中性分子との間で電荷交換が円滑に行われず、有機系ガスの中性分子のイオン化を促進することができない。さらに、チャンバ内で空気が停滞すると、所定時間の経過にともなってイオン化された有機系ガスの分子群がイオン再結合によって中性分子に戻る場合があり、有機系ガスの分子群のイオン化が低下し、有機系ガスの分子群を陰極に引きつけることができず、有機系ガスの多くを陰極に集めることができない。
【０００５】
本発明の目的は、チャンバ内で流動する気体の速度変動が少なく、かつ、チャンバ内における気体の停滞を防ぐことができ、気体に含まれる分離対象分子群を効率よくイオン化して気体から分離対象分子群を確実に分離することができるイオン化分離装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための本発明の前提は、分離対象分子群を含む気体が流入する流入口と、流入口から流入した気体が流通するチャンバと、チャンバに設置されて分離対象分子群をイオン化するイオン源と、チャンバに対向配置されて所定の電界を発生させる第１および第２平行板電極と、低濃度の分離対象分子群を含む第１気体が流出する第１流出口と、高濃度の分離対象分子群を含む第２気体が流出する第２流出口とを有し、第１および第２平行板電極の間に生ずる電界を介して分離対象分子群を気体から静電分離するイオン化分離装置である。
【０００７】
前記前提における本発明の特徴は、チャンバが、第１および第２平行板電極の間に形成されて分離対象分子群をイオン化しつつ静電分離するイオン化分離領域と、第１平行板電極を挟んでイオン化分離領域の反対側に形成されて第１流出口につながる第１気体流動領域と、第２平行板電極を挟んでイオン化分離領域の反対側に形成されて第２流出口につながる第２気体流動領域とに区画され、第１平行板電極が、それを厚み方向へ貫通して第１気体が通過する多数の貫通孔を有し、第２平行板電極が、それを厚み方向へ貫通して第２気体が通過する多数の貫通孔を有し、イオン源が、第１気体流動領域と第２気体流動領域との少なくとも一方に配置されてイオン化分離領域に対向し、装置が、気体をイオン化分離領域に導きつつ該イオン化分離領域の周縁部から中心部に向かってスパイラル状に流動させる強制渦発生機構を有することにある。
【０００８】
本発明の実施態様の一例としては、強制渦発生機構が、チャンバの径方向外方に位置してチャンバの周方向へ延びる円環状の第１スペースと、イオン化分離領域と第１スペースとの間に位置してチャンバの周方向へ延びていて気体を該第１スペースから該イオン化分離領域に流入させる円環状の第１オリフィスとから形成され、流入口が、第１スペースの接線方向に形成され、第１オリフィスが、第１スペースの内周縁部とイオン化分離領域の周縁部とにつながっている。気体は、流入口を通って第１スペースの接線方向から該第１スペースに流入するとともに、第１スペースを環流しつつ第１オリフィスを通ってイオン化分離領域にその周方向から流入する。
【０００９】
本発明の実施態様の他の一例としては、イオン化分離領域の側に位置する第１オリフィスの内周縁部が、イオン化分離領域に向かって凸となる曲面で形成され、かつ、イオン化分離領域の周縁部に向かって末広がりに形成されている。
【００１０】
本発明の実施態様の他の一例としては、装置が、チャンバの径方向外方に位置してチャンバの周方向へ延びる円環状の第２スペースと、第２気体流動領域と第２スペースとの間に位置して該第２気体流動領域の周方向へ延びる円環状の第２オリフィスとを有し、第２流出口が、第２スペースに形成され、第２オリフィスが、第２気体流動領域の周縁部と第２スペースの内周縁部とにつながっている。第２気体は、第２気体流動領域から第２オリフィスを通って第２スペースに流入し、第２流出口から流出する。
【００１１】
本発明の実施態様の他の一例としては、チャンバと第１および第２スペースと第１および第２オリフィスとを形成する面が鏡面加工されている。
【００１２】
本発明の実施態様の他の一例としては、装置が該装置を加熱するヒータを有し、ヒータを介して加熱された装置の温度が８０〜３００℃の範囲にある。
【００１３】
本発明の実施態様の他の一例としては、チャンバが円筒状を呈し、第１および第２平行板電極が円盤状を呈する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るイオン化分離装置によれば、強制渦発生機構によって気体をイオン化分離領域の周縁部から中心部に向かってスパイラル状に流動させることができるとともに、イオン化分離領域での気体の速度変動が少なく、イオン化分離領域で気体を一様に流動させることができるので、イオン化分離領域における気体の停滞を防ぐことができる。装置は、イオン化分離領域に気体の停滞する部分が生じることはないので、イオン源を介して分離対象分子群を満遍なく一様にイオン化することができ、さらに、イオン化分離領域においてイオンと分離対象分子群の中性分子との間の電荷交換が円滑に行われるから、気体に含まれる分離対象分子群を高い効率でイオン化することができる。この装置は、分離対象分子群の大部分がイオン化分離領域でイオン化され、イオン化された分離対象分子群が一方の平行板電極に引き付けられるので、気体から分離対象分子群を確実に分離することができ、気体に含まれる余分な分離対象分子群を除去して高純度の気体を作ることができる。
【００１５】
強制渦発生機構が円環状の第１スペースと円環状の第１オリフィスとから形成され、第１オリフィスが第１スペースの内周縁部とイオン化分離領域の周縁部とにつながる装置は、気体が第１スペースの接線方向から該第１スペースに流入し、気体が第１スペースを環流しつつ第１オリフィスを通ってイオン化分離領域にその周方向から流入するので、気体をイオン化分離領域の周縁部から中心部に向かってスパイラル状に流動させることができる。装置は、第１スペースを環流する気体が第１オリフィスを通って徐々にイオン化分離領域に流入するので、スパイラル状に流動する気体の状態がイオン化分離領域で一定時間維持されるとともに、イオン化分離領域における気流の乱れを防ぐことができる。この装置は、イオン源を介して分離対象分子群を満遍なく一様にイオン化することができ、イオン化分離領域においてイオンと分離対象分子群の中性分子との間の電荷交換が円滑に行われるので、気体に含まれる分離対象分子群を高い効率でイオン化することができ、気体から分離対象分子群を確実に分離することができる。
【００１６】
イオン化分離領域の側に位置する第１オリフィスの内周縁部が曲面かつ末広がりに形成された装置は、気体が第１オリフィスからイオン化分離領域に流入するときに、気体がイオン化分離領域の周縁部で伴流となることはなく、イオン化分離領域における気流の乱れを防ぐことができ、気体をイオン化分離領域の周縁部から中心部に向かってスパイラル状に流動させることができる。
【００１７】
円環状の第２スペースと円環状の第２オリフィスとを有し、第２オリフィスが第２気体流動領域の周縁部と第２スペースの内周縁部とにつながる装置は、第２気体流動領域を流動する第２気体が第２オリフィスを通って徐々に第２スペースに流入するので、スパイラル状に流動する気体の状態がイオン化分離領域で一定時間維持されるとともに、イオン化分離領域や第２気体流動領域での気流の乱れを確実に防ぐことができる。
【００１８】
チャンバと第１および第２スペースと第１および第２オリフィスとを形成する面が鏡面加工された装置は、該面での抵抗が低下し、気体の剥離による乱流の発生を防ぐことができ、イオン化分離領域において気体を確実にスパイラル状に流動させることができる。この装置は、鏡面加工された面に分離対象分子が付着し難く、分離対象分子によるチャンバや第１および第２スペース、第１および第２オリフィスの汚れを防ぐことができる。
【００１９】
ヒータを有する装置は、ヒータを介して装置が８０〜３００℃に加熱されることで、チャンバや第１および第２スペース、第１および第２オリフィスに付着した水分を蒸発させることができる。この装置は、イオン化分離領域を流動する気体を加熱することができるので、イオン化分離領域でのイオンや中性分子の運動が活発になり、イオンと中性分子との衝突する割合が増加し、イオン化分離領域においてイオンと中性分子との間の電荷交換を促進させることができる。
【００２０】
チャンバが円筒状を呈し、第１および第２平行板電極が円盤状を呈する装置は、イオン化分離領域で気流の乱れを防ぐことができ、イオン化分離領域において気体を確実にスパイラル状に流動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
添付の図面を参照し、本発明に係るイオン化分離装置の詳細を説明すると、以下のとおりである。
【００２２】
図１，２は、一例として示すイオン化分離装置１０の斜視図であり、図３，４は、コネクタ３１や軟Ｘ線照射装置３５を切断せずに示す図１の３−３線断面図と、図３の４−４線矢視断面図とである。図５，６は、図３の５−５線断面図と、図３の６−６線断面図とであり、図７は、第１および第２平行板電極３８，３９の平面図である。図１は装置１０を正面側から示し、図２は装置１０を背面側から示す。図３では、軸方向を矢印Ｌで示す。図４〜６では、径方向を矢印Ｍ、周方向を矢印Ｎで示し、接線方向を矢印Ｏ（図４のみ）で示す。この装置１０は、気体に含まれる微量の分離対象分子群をイオン化しつつ、イオン化した分離対象分子群を静電分離によって気体から分離する。
【００２３】
装置１０は、チャンバ１１と、給気ノズル１２（流入口）が取り付けられた第１スペース１３（強制渦発生機構）と、スペース１３につながる第１オリフィス１４（強制渦発生機構）と、排気ノズル１５（第２流出口）が取り付けられた第２スペース１６と、スペース１６につながる第２オリフィス１７と、排気ノズル１８（第１流出口）が取り付けられた第３オリフィス１９とを有する。
【００２４】
装置１０は、軸方向へ並ぶ第１〜第３ケーシング２０，２１，２２によってその外形が形作られている。装置１０では、第１および第２ケーシング２０，２１が周方向へ並ぶ複数個のボルト２３を介して連結され、第２および第３ケーシング２１，２２が周方向へ並ぶ複数個のボルト２４を介して連結されている。それらボルト２３，２４には、ナットが嵌め込まれている。第１および第２ケーシング２０，２１の間には、軸方向へ長い円筒状の第４ケーシング２５が介在している。第４ケーシング２５は、周方向へ並ぶ複数個のボルト２６を介して第１ケーシング２０に連結されている。第１ケーシング２０と第４ケーシング２５との間には、セラミックから作られた円環状の絶縁体２７が介在している。絶縁体２７は、ゴムや合成樹脂で作られていてもよい。それらケーシング２０，２１，２２，２５は、所定の電導率を有する金属から作られている。それらケーシング２０，２１，２２，２５には、切削加工が施されている。装置１０では、重なり合うそれらケーシング２０，２１，２２，２５がチャンバ１１や第１および第２スペース１３，１６、第１〜第３オリフィス１４，１７，１９を画成している。切削加工部分は、チャンバ１１と第１および第２スペース１３，１６と第１〜第３オリフィス１４，１７，１９とを形成する面となる。切削加工部分は、電界研磨されることで鏡面加工されている。
【００２５】
第１ケーシング２０には、軸方向前方へ延出するアダプタ２８が取り付けられている。アダプタ２８は、ボルト２９を介してケーシング２０に固定されている。アダプタ２８の内部には、針状電極３０が取り付けられている。電極３０は、絶縁体２７を貫通し、第４ケーシング２５に達している。アダプタ２８には、直流安定化電源（図示せず）に接続されたコネクタ３１が嵌脱可能に嵌め込まれている。第２ケーシング２１の外周面には、ケーシング２１の周方向へ延びる電熱線３２（ヒータ）が巻き付けられている。第３ケーシング２２には、その中央部から軸方向後方へ延出するスリーブ状のソケット３３が取り付けられている。第３ケーシング２２は、アース線３４を介してグラウンドに接地されている。ソケット３３の内部には、軟Ｘ線照射装置３５（イオン源）が挿入されている。軟Ｘ線照射装置３５は、その先端部が第３ケーシング２２に溶接固定され、チャンバ１１内に進入している。軟Ｘ線照射装置３５には、軸方向後方へ延びる配線３７を介して所定の電力が供給される。
【００２６】
チャンバ１１は、装置１０の中央に形成され、軸方向へ長い円筒状を呈する。チャンバ１１には、その平面形状が円盤状を呈する第１平行板電極３８と第２平行板電極３９とが取り付けられている。チャンバ１１は、それら平行板電極３８，３９の間に形成された円筒状のイオン化分離領域４０と、第１平行板電極３８を挟んで領域４０の反対側に形成された円筒状の第１気体流動領域４１と、第２平行板電極３９を挟んで領域４０の反対側に形成された円筒状の第２気体流動領域４２とに区画されている。それら領域４０，４１，４２は、その直径が同一である。軟Ｘ線照射装置３５は、第２気体流動領域４２に配置され、その照射部（図示せず）がイオン化分離領域４０に対向している。
【００２７】
第１平行板電極３８と第２平行板電極３９とは、軸方向へ所定寸法離間し、チャンバ１１に対向配置されている。それら電極３８，３９は、その周縁４３（図７参照）がチャンバ１１の周縁部４４（図６参照）に固定されている。第１および第２平行板電極３８，３９の全域には、それら電極３８，３９を厚み方向へ貫通する多数の貫通孔４５が形成されている。第１平行板電極３８は、第４ケーシング２５に電気的に接続されている。第２平行板電極３９は、第２ケーシング２１に電気的に接続されている。直流安定化電源から針状電極３０と第３ケーシング２２とに所定の電圧が印加されると、それら電極３８，３９の一方の電位が上昇し、第１平行板電極３８と第２平行板電極３９との間に電位差が生じる。それら電極３８，３９に電位差が生じると、イオン化分離領域４０に所定強さの電界が発生する。それら平行板電極３８，３９どうしの離間寸法は、電極３８，３９に印加する電圧値や分離すべき分離対象分子群の種類によって適宜決定することができる。
【００２８】
第１スペース１３は、イオン化分離領域４０と第１気体流動領域４１との径方向外方に位置し、チャンバ１１の周方向へ延びている。スペース１３は、軸方向へ長い空洞であり、径方向の断面形状が円環状を呈する。スペース１３は、外周縁部４６と、外周縁部４６の軸方向後方に位置する内周縁部４７とを有し、気体が通過する流路を形成する。スペース１３の内周縁部４７は、軸方向後方へ向かって凸となるように曲面で形成されている。給気ノズル１２は、スペース１３の外周縁部４６に配置されてスペース１３の接線方向へ延びている。なお、給気ノズル１２には、気体の流量と流速とを調節する弁装置（図示せず）が取り付けられている。
【００２９】
第１オリフィス１４は、その径がスペース１３のそれよりも小さく、スペース１３とイオン化分離領域４０との間に位置し、チャンバ１１の径方向へ延びている。オリフィス１４は、径方向へ長い空洞であり、径方向の断面形状が円環状を呈する。オリフィス１４は、スペース１３の側に位置する外周縁部４８と、イオン化分離領域４０の側に位置する内周縁部４９とを有し、気体が通過可能であってスペース１３よりも狭い流路を形成する。オリフィス１４は、その外周縁部４８がスペース１３の内周縁部４７につながり、その内周縁部４９がイオン化分離領域４０の周縁部５０につながっている。オリフィス１４の内周縁部４９は、イオン化分離領域４０に向かって凸となる曲面で形成されているとともに、イオン化分離領域４０の周縁部５０に向かって末広がりに形成されている。
【００３０】
第２スペース１６は、第２気体流動領域４２の径方向外方に位置し、チャンバ１１の周方向へ延びている。スペース１６は、軸方向へ長い空洞であり、径方向の断面形状が円環状を呈する。スペース１６は、外周縁部５１と、外周縁部５１の軸方向前方に位置する内周縁部５２とを有し、気体が通過する流路を形成する。排気ノズル１５は、スペース１６の内周縁部５２に配置されてスペース１６の接線方向へ延びている。排気ノズル１５には、気体の流量と流速とを調節する弁装置（図示せず）が取り付けられている。
【００３１】
第２オリフィス１７は、その径がスペース１６のそれよりも小さく、スペース１６と第２気体流動領域４２との間に位置し、その大部分がチャンバ１１の径方向へ延びている。オリフィス１７は、径方向へ長い空洞であり、径方向の断面形状が円環状を呈する。オリフィス１７は、スペース１６の側に位置して径方向へ延びる外周縁部５３と、第２気体流動領域４２の側に位置して軸方向へ延びる内周縁部５４とを有し、気体が通過可能であってスペース１６よりも狭い流路を形成する。オリフィス１７は、その外周縁部５４がスペース１６の外周縁部５１につながり、その内周縁部５４が第２気体流動領域４２の周縁部５５につながっている。オリフィス１７の内周縁部５４は、軸方向後方へ向かって凸となる曲面で形成されているとともに、第２気体流動領域４２に向かって末広がりに形成されている。
【００３２】
第３オリフィス１９は、第１気体流動領域４１の軸方向前方に位置し、その径が軸方向前方に向かうにつれて次第に小さくなる先細りを呈する。オリフィス１９は、気体が通過する流路を形成する。排気ノズル１８は、オリフィス１９に取り付けられ、オリフィス１９から軸方向前方へ延出している。排気ノズル１８には、気体の流量と流速とを調節する弁装置（図示せず）が取り付けられている。
【００３３】
この装置１０における気体の流れと分離対象分子群を気体から分離する原理とを説明すると、以下のとおりである。なお、装置１０では、軟Ｘ線照射装置３５が起動し、直流安定化電源から所定の電圧が印加され、電熱線３２を介して装置１０が所定温度に加熱されているものとする。分離対象分子群を含む気体は、給気ノズル１２から第１スペース１３に流入する。給気ノズル１２がスペース１３の外周縁部４６に位置してスペース１３の接線方向へ延びているから、気体がスペース１３にその接線方向から流入する。ここで、気体の流量と流速とは、給気ノズル１２や排気ノズル１５，１８に設置された図示しない弁装置を介して調節されている。第１スペース１３に流入した気体は、図４に矢印Ｐ１で示すように、スペース１３を環流しつつ、スペース１３の外周縁部４６から内周縁部４７に向かって流動し、内周縁部４７から第１オリフィス１４の外周縁部４８に徐々に流入する。オリフィス１４に流入した気体は、図５に矢印Ｐ２で示すように、オリフィス１４を環流しつつ、オリフィス１４の外周縁部４８から内周縁部４９に向かって流動し、内周縁部４９からイオン化分離領域４０に徐々に流入する。気体は、イオン化分離領域４０にその周方向から流入し、図５に矢印Ｐ３で示すように、領域４０の周縁部５０から中央部５６に向かってスパイラル状に流動する。
【００３４】
径が第１スペース１３のそれよりも小さい第１オリフィス１４では、気体の流速がスペース１３における気体のそれよりも上昇するが、気体の圧力がスペース１３における気体のそれよりも低くなる。イオン化分離領域４０では、気体が所定の流速を保持した状態でオリフィス１４から領域４０に徐々に流入するから、気体が一様に流動し、気体が停滞することはなく、気体のスパイラル状の流動が崩れることはない。さらに、気体がオリフィス１４から領域４０に徐々に流入するから、スパイラル状に流動する気体の状態が領域４０で一定時間維持される。なお、第１オリフィス１４の内周縁部４９が曲面かつ末広がりに形成されているから、イオン化分離領域４０の周縁部５０で気体が伴流を形成することはなく、領域４０において気体の流れに乱れが生じることはない。
【００３５】
装置１０では、軟Ｘ線照射装置３５の照射部から軟Ｘ線が照射されている。軟Ｘ線は、第２平行板電極３９の貫通孔４５を通ってイオン化分離領域４０に達する。イオン化分離領域４０では、気体が領域４０の周縁部５０から中心部５６に向かってスパイラル状に流動し、スパイラル状に流動する気体の状態が領域４０で一定時間維持されるから、領域４０を流動する気体に満遍なく軟Ｘ線が照射される。領域４０では、軟Ｘ線によって気体に含まれる分離対象分子群と分離対象分子群を除く残余の気体の非分離対象分子群とが電離されて基底状態からイオンとなるが、分離対象分子群や非分離対象分子群の全てがイオン化することはなく、領域４０にそれら分子群のイオン化されない中性分子が存在する。領域４０では、イオンやイオン化されない中性分子の運動により、イオンどうしが衝突したり、イオンと中性分子とが衝突する。なお、装置１０が電熱線３２によって所定温度に加熱されているから、領域４０の温度が上昇して領域４０を流動するイオンと中性分子とが加熱され、イオンと中性分子との運動が活発となり、領域４０においてイオンと中性分子との衝突する割合が増加する。
【００３６】
以下、イオン化分離領域４０において分離対象分子群が陽イオン化される場合を説明する。分離対象分子群は、その第１イオン化エネルギーが低いと、陽イオンになり易く、軟Ｘ線によって電離されて電子を放出し、陽イオンになる。非分離対象分子群は、軟Ｘ線によって電離され、電子を放出して陽イオンなるものと、分離対象分子群や非分離対象分子群から放出された電子を獲得して陰イオンになるものとがある。ただし、イオン化分離領域４０を流動する分離対象分子群や非分離対象分子群の全てが軟Ｘ線の照射でイオン化することはなく、領域４０に分離対象分子群や非分離対象分子群のうちのイオン化されない中性分子が存在する。なお、イオン化分離領域４０では、イオンと中性分子とが頻繁に衝突している。ここで、分離対象分子群のイオン化ポテンシャルが非分離対象分子群のそれよりも低いと、非分離対象分子群の陰イオンと分離対象分子群の中性分子との衝突により、非分離対象分子群の陽イオンが分離対象分子群の中性分子から電子を奪い、陽イオンから中性分子へ電荷移動が起こり、非分離対象分子群の陽イオンと分離対象分子群の中性分子との間で電荷交換が行われる。陽イオンと中性分子との間で電荷交換が行われると、非分離対象分子群の陽イオンが中性分子に戻り、分離対象分子群の中性分子が陽イオン化する。イオン化分離領域４０では、軟Ｘ線の照射に加え、イオンと中性分子との衝突により、分離対象分子群の中性分子の陽イオン化が促進され、分離対象分子群の大部分が陽イオンになる。
【００３７】
装置１０では、直流安定化電源から第１および第２平行板電極３８，３９に所定の電圧が印加されており、第１平行板電極３８の電位が上昇して電極３８が陽極となるとともに、第２平行板電極３９が陰極となり、電極３８から電極３９に向かって所定強さの電界が発生している。分離対象分子群の陽イオンは、第２平行板電極３９に引き寄せられ、非分離対象分子群とともに第２平行板電極３９の貫通孔４５を通過して第２気体流動領域４２に流入する。高濃度の分離対象分子群を含む気体（第２気体）は、第２気体流動領域４２に流入するとともに、領域４２から第２オリフィス１７を通って第２スペース１６に流入し、さらに、排気ノズル１５から装置１０の外側に流出する。装置１０では、イオン化されないわずかな分離対象分子群が非分離対象分子群とともに第１平行板電極３８の貫通孔４５を通過して第１気体流動領域４１に流入する。低濃度の分離対象分子群を含む気体（第１気体）は、第１気体流動領域４１に流入するとともに、領域４１から第３オリフィス１９を通って排気ノズル１８から装置１０の外側に流出する。
【００３８】
なお、装置１０では、第２平行板電極３９の電位を第１平行板電極３８のそれよりも高くすることで、第２平行板電極３９を陽極とし、第１平行板電極３８を陰極とすることもできる。この場合、分離対象分子群の陽イオンは、第１平行板電極３８に引き寄せられ、非分離対象分子群とともに第１平行板電極３８の貫通孔４５を通過して第１気体流動領域４１に流入する。高濃度の分離対象分子群を含む気体（第２気体）は、第１気体流動領域４１に流入するとともに、領域４１から第３オリフィス１９を通って排気ノズル１８から装置１０の外側に流出する。イオン化されないわずかな分離対象分子群は、非分離対象分子群とともに第２平行板電極３９の貫通孔４５を通過して第２気体流動領域４２に流入する。低濃度の分離対象分子群を含む気体（第１気体）は、第２気体流動領域４２に流入するとともに、領域４２から第２オリフィス１７を通って第２スペース１６に流入し、さらに、排気ノズル１５から装置１０の外側に流出する。
【００３９】
次に、イオン化分離領域４０において分離対象分子群が陰イオン化される場合を説明する。分離対象分子群は、その電子親和力が大きいと、陰イオンになり易く、軟Ｘ線によって電離されて電子を獲得し、陰イオンになる。非分離対象分子群は、軟Ｘ線によって電離され、電子を放出して陽イオンになるものと、分離対象分子群や非分離対象分子群から放出された電子を獲得して陰イオンになるものとがある。ただし、イオン化分離領域４０を流動する分離対象分子群や非分離対象分子群の全てが軟Ｘ線の照射でイオン化することはなく、領域４０に分離対象分子群や非分離対象分子群のうちのイオン化されない中性分子が存在する。イオン化分離領域４０では、イオンと中性分子とが頻繁に衝突している。ここで、分離対象分子群の電子親和力が非分離対象分子群のそれよりも大きいと、非分離対象分子群の陽イオンと分離対象分子群の中性分子との衝突により、分離対象分子群の中性分子が非分離対象分子群の陰イオンから電子を奪い、陰イオンから中性分子へ電荷移動が起こり、非分離対象分子群の陰イオンと分離対象分子群の中性分子との間で電荷交換が行われる。陰イオンと中性分子との間で電荷交換が行われると、非分離対象分子群の陰イオンが中性分子に戻り、分離対象分子群の中性分子が陰イオン化する。イオン化分離領域４０では、軟Ｘ線の照射に加え、イオンと中性分子との衝突により、分離対象分子群の中性分子の陰イオン化が促進され、分離対象分子群の大部分が陰イオンになる。
【００４０】
装置１０では、直流電源から第１および第２平行板電極３８，３９に所定の電圧が印加されており、第２平行板電極３９の電位が上昇して電極３９が陽極となるとともに、第１平行板電極３８が陰極となり、電極３９から電極３８に向かって所定強さの電界が発生している。分離対象分子群の陰イオンは、第２平行板電極３９に引き寄せられ、非分離対象分子群とともに電極３９の貫通孔４５を通過して第２気体流動領域４２に流入する。高濃度の分離対象分子群を含む気体（第２気体）は、第２気体流動領域４２に流入するとともに、領域４２から第２オリフィス１７を通って第２スペース１６に流入し、さらに、排気ノズル１５から装置１０の外側に流出する。装置１０では、イオン化されないわずかな分離対象分子群が非分離対象分子群とともに第１平行板電極３８の貫通孔４５を通過して第１気体流動領域４１に流入する。低濃度の分離対象分子群を含む気体（第１気体）は、第１気体流動領域４１に流入するとともに、領域４１から第３オリフィス１９を通って排気ノズル１８から装置１０の外側に流出する。
【００４１】
なお、装置１０では、第１平行板電極３８の電位を第２平行板電極３９のそれよりも高くすることで、第１平行板電極３８を陽極とし、第２平行板電極３９を陰極とすることもできる。この場合、分離対象分子群の陰イオンは、第１平行板電極３８に引き寄せられ、非分離対象分子群とともに第１平行板電極３８の貫通孔４５を通過して第１気体流動領域４１に流入する。高濃度の分離対象分子群を含む気体（第２気体）は、第１気体流動領域４１に流入するとともに、領域４１から第３オリフィス１９を通って排気ノズル１８から装置１０の外側に流出する。イオン化されないわずかな分離対象分子群は、非分離対象分子群とともに第２平行板電極３９の貫通孔４５を通過して第２気体流動領域４２に流入する。低濃度の分離対象分子群を含む気体（第１気体）は、第２気体流動領域４２に流入するとともに、領域４２から第２オリフィス１７を通って第２スペース１６に流入し、さらに、排気ノズル１５から装置１０の外側に流出する。
【００４２】
装置１０は、気体をイオン化分離領域４０の周縁部５０から中心部５６に向かってスパイラル状に流動させることができるとともに、領域４０での気体の速度変動が少なく、領域４０で気体を一様に流動させることができるので、領域４０における気体の停滞を防ぐことができる。装置１０は、イオン化分離領域４０に気体の停滞する部分が生じることはないので、軟Ｘ線照射装置３５を介して分離対象分子群を満遍なく一様にイオン化することができ、さらに、イオン化分離領域４０においてイオンと分離対象分子群の中性分子との間の電荷移動が円滑に行われるから、気体に含まれる分離対象分子群を高い効率でイオン化することができる。装置１０は、分離対象分子群の大部分がイオン化分離領域４０でイオン化され、イオン化された分離対象分子群が第１および第２平行板電極３８，３９のうちのいずれか一方に引き付けられるので、気体から分離対象分子群を確実に分離することができ、気体に含まれる余分な分離対象分子群を除去して高純度の気体を作ることができる。
【００４３】
装置１０は、第１オリフィス１４で気体の流速が上昇し、第１スペース１３を環流する気体がオリフィス１４を通って徐々にイオン化分離領域４０に流入するので、スパイラル状に流動する気体の状態が領域４０で一定時間維持されるとともに、領域４０における気流の乱れを防ぐことができる。装置１０は、イオン化分離領域４０の側に位置する第１オリフィス１４の内周縁部４９が曲面かつ末広がりに形成されているので、気体がオリフィス１４から領域４０に流入するときに、気体が領域４０の周縁部５０で伴流となることはなく、領域４０における気流の乱れを防ぐことができ、領域４０において気体を確実にスパイラル状に流動させることができる。
【００４４】
装置１０は、第２オリフィス１７において気体の流速が上昇し、第２気体流動領域４２を流動する気体が第２オリフィス１７を通って徐々に第２スペース１６に流入するので、スパイラル状に流動する気体の状態がイオン化分離領域４０で一定時間維持されるとともに、イオン化分離領域４０や第２気体流動領域４２での気流の乱れを確実に防ぐことができる。装置１０は、チャンバ１１と第１および第２スペース１３，１６と第１〜第３オリフィス１４，１７，１９とを形成する面が鏡面加工されているので、該面での抵抗が低下し、気体の剥離による乱流の発生を防ぐことができ、イオン化分離領域４０において気体を確実にスパイラル状に流動させることができる。装置１０は、鏡面加工された面に分離対象分子が付着し難く、分離対象分子によるチャンバ１１や第１および第２スペース１３，１６、第１〜第３オリフィス１４，１７，１９の汚れを防ぐことができる。
【００４５】
装置１０は、電熱線３２を介して加熱することができ、装置１０が加熱されることで、チャンバ１１や第１および第２スペース１３，１６、第１〜第３オリフィス１４，１７，１９に付着した水分を蒸発させることができる。装置１０は、イオン化分離領域４０を流動する気体を加熱することができるので、領域４０でのイオンや中性分子の運動が活発になり、イオンと中性分子との衝突が増加し、領域４０においてイオンから中性分子への電荷移動を促進させることができる。
【００４６】
この装置１０は、給気ノズル１２から流入する気体に含まれる分離対象分子群の濃度について特に制限はないが、０．００１〜１００ｐｐｂの分離対象分子群を気体から分離することができ、微量の分離対象分子群を気体から分離するときに特に有効である。
【００４７】
電熱線３２を介して加熱された装置１０の温度は、８０〜３００℃の範囲にある。加熱された装置１０の温度が８０℃未満では、チャンバ１１や第１および第２スペース１３，１６、第１〜第３オリフィス１４，１７，１９に付着した水分を蒸発させることができない。また、イオン化分離領域４０でのイオンや中性分子の運動を活発化させることができず、イオンと中性分子との衝突を増加させることができない。加熱された装置１０の温度が３００℃を超過すると、チャンバ１１や第１および第２スペース１３，１６、第１〜第３オリフィス１４，１７，１９に付着した分離対象分子の物性によって分離対象分子がスラッジとなってチャンバ１１や第１および第２スペース１３，１６、第１〜第３オリフィス１４，１７，１９にこびり付いてしまう場合がある。また、軟Ｘ線照射装置３５が故障してしまう場合がある。
【００４８】
第１および第２平行板電極３８，３９の面積に対する貫通孔４５の開口率は、６０〜８０％の範囲にある。開口率が６０％未満では、イオン化分離領域４０に照射される軟Ｘ線の線量が不十分となり、分離対象分子群や非分離対象分子群を十分にイオン化することができない。開口率が８０％を超過すると、それら電極３８，３９間に所定の電界を発生させるために電極３８，３９に高電圧を印加しなければならない。電極３８，３９に高電圧を印加すると、電極３８，３９に局所的な絶縁破壊が起こる場合があり、大きな電力損失を生じてしまう。
【００４９】
鏡面加工されたチャンバ１１と第１および第２スペース１３，１６と第１〜第３オリフィス１４，１７，１９とを形成する面の最大荒さは、１〜０．１μｍの範囲にある。最大荒さが１μｍを超過すると、該面における抵抗を低下させることができず、気体の剥離によって乱流が発生してしまう場合があるとともに、分離対象分子群が該面に付着し易く、分離対象分子によってチャンバ１１や第１および第２スペース１３，１６、第１〜第３オリフィス１４，１７，１９が汚れてしまう場合がある。
【００５０】
この装置１０は、給気ノズル１２から流入する気体に含まれる分離対象分子群の濃度について特に制限はないが、０．００１〜１００ｐｐｂの分離対象分子群を気体から分離することができ、微量の分離対象分子群を気体から分離するときに特に有効である。
【００５１】
図８は、この装置１０を使用して高純度アルゴンガス中の微量の水気を分離した実験結果の一例を示す特性図である。図８は、縦軸が流出濃度（排気ノズルから流出する水分濃度）／流入濃度（吸気ノズルから流入する水分濃度）を表し、横軸が電圧値（Ｖ）を表す。この特性図における実験条件としては、アルゴンガス中の水分濃度が２０．７４ｐｐｂ、吸気ノズルへのアルゴンガスの流入量が０．５リットル／ｍｉｎおよび１．０リットル／ｍｉｎ、電極間の離間寸法が２０ｍｍ、直流安定化電源から電極３８，３９に印加する電圧値が０〜１５００Ｖである。図８では、第１平行板電極３８の電位を基準とし、電極３８の電位が第２平行板電極３９のそれよりも低い場合をマイナスの電位で示し、電極３８の電位が電極３９のそれよりも高い場合をプラスの電位で示している。電圧値０を境として図８の左方では、吸気ノズルから流入する水分濃度に対して排気ノズルから流出する水分濃度が最大１．４倍になっていることが分かる。また、電圧値０を境として図８の右方では、吸気ノズルから流入する水分濃度に対して排気ノズルから流出する水分濃度が最大０．８倍になっていることが分かる。なお、排気ノズルから流出したアルゴンガス中の水分濃度は、大気圧イオン化質量分析装置１０によって測定した。図８から明らかなように、この装置１０を使用することにより、アルゴンガスに含まれる微量の水気をアルゴンガスから分離して一方の排気ノズルから取り出すことができ、高純度のアルゴンガスを作ることができる。
【００５２】
微量の水気を含むアルゴンガスは、給気ノズル１２を通って第１スペース１３にその接線方向から流入し、スペース１３を環流しつつ、スペース１３から第１オリフィス１４に流入する。アルゴンガスは、オリフィス１４を環流しつつ、オリフィス１４からイオン化分離領域４０にその周方向から流入し、領域４０の周縁部５０から中央部５６に向かってスパイラル状に流動する。領域４０を流動するアルゴンガスやそれに含まれる水気には、軟Ｘ線照射装置３５から照射された軟Ｘ線が入射する。
【００５３】
水気の水分子は、第１イオン化エネルギーがアルゴンガスのそれよりも低いので、陽イオンになり易く、軟Ｘ線によって電離されて電子を放出し、その多くが陽イオンになる。アルゴンガス分子は、軟Ｘ線によって電離され、電子を放出して陽イオンなるものと、水分子やアルゴンガス分子から放出された電子を獲得して陰イオンになるものとがある。ただし、水分子には、電子を獲得して陰イオンになるものがわずかに存在するとともに、イオン化されずに中性分子として存在するものもある。アルゴンガス分子には、イオン化されずに中性分子として存在するものもある。イオン化分離領域４０では、イオンや中性分子の運動により、イオンどうしが衝突したり、イオンと中性分子とが衝突する。水分子のイオン化ポテンシャルがアルゴンガス分子のそれよりも低く、アルゴンガスの陽イオンと水分子のうちのイオン化されない中性分子とが衝突すると、アルゴンガスの陽イオンが中性分子から電子を奪い、陽イオンから中性分子へ電荷移動が起こり、アルゴンガスの陽イオンと水分子の中性分子との間で電荷交換が行われる。陽イオンと中性分子との間で電荷交換が行われると、アルゴンガスの陽イオンが中性分子に戻り、水分子のうちの中性分子が陽イオン化する。イオン化分離領域４０では、水分子の大部分が陽イオンになる。
【００５４】
第１平行板電極３８の電位が第２平行板電極３９のそれよりも高く、電極３９が陰極になっている場合、水分子の陽イオンは、電極３９に引き寄せられる。高濃度の水気を含むアルゴンガスは、電極３９の貫通孔４５を通って第２気体流動領域４２に流入し、さらに、流動領域４２からオリフィス１７を通ってスペース１６に流入し、排気ノズル１５から装置１０の外側に流出する。低濃度の水気を含むアルゴンガスは、電極３８の貫通孔４５を通って第１気体流動領域４１に流入し、流動領域４１からオリフィス１９を通って排気ノズル１８から装置１０の外側に流出する。第１平行板電極３８の電位が第２平行板電極３９のそれよりも低く、電極３８が陰極になっている場合、水分子の陽イオンは、電極３８に引き寄せられる。高濃度の水気を含むアルゴンガスは、電極３８の貫通孔４５を通って第１気体流動領域４１に流入し、流動領域４１からオリフィス１９を通って排気ノズル１８から装置１０の外側に流出する。低濃度の水気を含むアルゴンガスは、電極３９の貫通孔４５を通って第２気体流動領域４２に流入し、さらに、流動領域４２からオリフィス１７を通ってスペース１６に流入し、排気ノズル１５から装置１０の外側に流出する。
【００５５】
この装置１０は、アルゴンガス中の水気を分離する場合に限らず、気体に含まれる不特定の分離対象分子群を気体から分離することができる。たとえば、窒素ガスからトルエン分子を分離したり、ヘリウムガスから二酸化炭素分子を分離することもできる。
【００５６】
この装置１０では、イオン源として軟Ｘ線照射装置３５を使用しているが、軟Ｘ線照射装置３５に代えて放射線照射装置を使用することもできる。また、軟Ｘ線照射装置３５が第２気体流動領域４２に設置されているが、装置３５が第１気体流動領域４１と第２気体流動領域４２とに設置されていてもよく、装置３５が第１気体流動領域４１のみに設置されていてもよい。装置１０では、ヒータとして電熱線３２を使用しているが、電熱線３２に代えて蒸気ジャケットやオーブンを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】一例として示すイオン化分離装置の斜視図。
【図２】一例として示すイオン化分離装置の斜視図。
【図３】図１の３−３線断面図。
【図４】図３の４−４線矢視断面図。
【図５】図３の５−５線断面図。
【図６】図３の６−６線断面図。
【図７】第１および第２平行板電極の平面図。
【図８】装置を使用して高純度アルゴンガス中の微量水分を分離した実験結果の一例を示す特性図。
【符号の説明】
【００５８】
１０          イオン化分離装置
１１          チャンバ
１２          給気ノズル（第１流入口）
１３          第１スペース
１４          第１オリフィス
１５          排気ノズル（第２流出口）
１６          第２スペース
１７          第２オリフィス
１８          排気ノズル（第１流出口）
３２          電熱線（ヒータ）
３５          軟Ｘ線照射装置（イオン源）
３８          第１平行板電極
３９          第２平行板電極
４０          イオン化分離領域
４１          第１気体流動領域
４２          第２気体流動領域
４５          貫通孔
４７          内周縁部
４８          外周縁部
４９          内周縁部
５０          周縁部
５１          外周縁部
５３          外周縁部
５４          内周縁部
５５          周縁部
５６          中央部
【図１】
2006150167.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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