(57)【要約】  不純物の吸着によってガスを精製するための吸着剤の耐用寿命を延長する方法が提供される。該方法は、ガス内に放電を発生させて不純物の濃度を表すスペクトル放射を得る段階を含む。該方法は、スペクトル放射に従って不純物の濃度を監視する段階をさらに含む。該方法は、吸着剤に対して不純物より高い親和性を有する二次不純物へと不純物の少なくとも一部を変換することによって不純物の濃度を低下させる段階をさらに含む。該方法は、不純物の濃度を汚染濃度と比較し、比較に従って吸着剤上でのガスの吸着を管理する段階をさらに含む。
2018508354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物の吸着によってガスを精製するための吸着剤の耐用寿命を延長する方法であって、
前記ガス内に放電を発生させて不純物の濃度Ｃｉを表すスペクトル放射を得る段階と、
前記スペクトル放射に従って前記不純物の濃度Ｃｉを監視する段階と、
前記吸着剤に対して前記不純物よりも高い親和性を有する二次不純物へと前記不純物の少なくとも一部を変換することによって、前記不純物の濃度Ｃｉを低下させる段階と、
Ｃｉを汚染濃度Ｃｐと比較し、比較に従って不純物の吸着を管理する段階であって、
Ｃｉ＜Ｃｐの場合、前記吸着剤上での不純物の吸着を許可して精製ガスを得る段階、および
Ｃｉ≧Ｃｐの場合、前記吸着剤上での不純物の吸着を停止する段階、を含む、段階と、
を含む、方法。
【請求項２】
前記吸着剤上での不純物の吸着を許可する段階が、ガスを前記吸着剤に接触させる段階を含み、
前記吸着剤上での不純物の吸着を停止する段階が、ガスが前記吸着剤に接触するのを防止する段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記吸着剤上での不純物の吸着を許可する段階が、前記吸着剤に電源投入する段階を含み、
前記吸着剤上での不純物の吸着を停止する段階が、前記吸着剤に供給される電力を遮断する段階を含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
Ｃｉ≧Ｃｐであれば、前記不純物の濃度Ｃｉをさらに低下させる段階をさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記ガスにドープ剤を添加する段階をさらに含み、前記不純物と前記ドープ剤との反応によって前記不純物の変換が行われ、前記反応が放電によって引き起こされる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記ドープ剤が水およびＯ２の少なくとも１つを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ドープ剤が水を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記ドープ剤を１０ｐｐｍから２００ｐｐｍの間の濃度で添加する、請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記ガスを前記吸着剤に接触させる前に、前記ガスから前記ドープ剤を除去する段階をさらに含む、請求項５から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記吸着剤の温度Ｔｓを監視する段階と、
Ｔｓを臨界温度Ｔｃと比較し、Ｔｓ≧Ｔｃの場合に、前記吸着剤上での前記不純物の吸着を停止する段階と、をさらに含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
精製ガス内で放電を発生させて前記精製ガス中の不純物の残留濃度Ｃｆを表す第２のスペクトル放射を得る段階と、
前記第２のスペクトル放射に従って前記不純物の残留濃度Ｃｆを監視する段階と、
Ｃｆを標準濃度ＣＲｅｆと比較し、Ｃｆ≧ＣＲｅｆの場合に、前記吸着剤上での不純物の吸着を停止し、かつ／またはユーザに警告信号を送信する段階と、をさらに含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記ガスが希ガスを含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記希ガスが、ヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン、またはそれらの混合物を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記吸着剤が、ゲッタ合金、分子ふるい、触媒吸着剤、および活性炭の少なくとも１つを含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記吸着剤がゲッタ合金を含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記ゲッタ合金がジルコニウム系である、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記不純物が、Ｈ２Ｏ、Ｎ２、ＣＨ４、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、および非メタン炭化水素（ＮＨＭＣ）の少なくとも１つを含む、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記放電が、誘電バリア放電、パルス放電、ＤＣ電圧放電、およびコロナ型放電の少なくとも１つを含む、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記放電が多段階化される、請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
吸着剤上での不純物の吸着によってガスを精製する方法であって、
前記ガス内に放電を発生させて不純物の濃度Ｃｉを表すスペクトル放射を得る段階と、
前記スペクトル放射に従って前記不純物の濃度Ｃｉを監視する段階と、
前記吸着剤に対して前記不純物よりも高い親和性を有する二次不純物へと前記不純物の少なくとも一部を変換することによって、前記不純物の濃度Ｃｉを低下させて前処理ガスを得る段階と、
Ｃｉが汚染濃度Ｃｐ未満に低下された場合、前記吸着剤上で不純物を吸着するために前記前処理ガスを前記吸着剤に接触させる段階と、を含む、方法。
【請求項２１】
前記ガスにドープ剤を添加する段階をさらに含み、前記不純物と前記ドープ剤との反応によって前記不純物の変換が行われ、前記反応が放電によって引き起こされる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ドープ剤が水およびＯ２の少なくとも１つを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ドープ剤が水を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記ドープ剤を１０ｐｐｍから２００ｐｐｍの間の濃度で添加する、請求項２０から２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記前処理ガスを前記吸着剤に接触させる前に、前記ガスから前記ドープ剤を除去する段階をさらに含む、請求項２０から２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記ガスが希ガスを含む、請求項２０から２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記希ガスが、ヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン、またはそれらの混合物を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記吸着剤が、ゲッタ合金、分子ふるい、触媒吸着剤、および活性炭の少なくとも１つを含む、請求項２０から２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記吸着剤がゲッタ合金を含む、請求項２０から２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記ゲッタ合金がジルコニウム系である、請求項２８または２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記不純物が、Ｈ２Ｏ、Ｎ２、ＣＨ４、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、および非メタン炭化水素（ＮＨＭＣ）の少なくとも１つを含む、請求項２０から３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
前記放電が、誘電バリア放電、パルス放電、ＤＣ電圧放電、およびコロナ型放電の少なくとも１つを含む、請求項２０から３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
前記放電が多段階化される、請求項２０から３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
前記不純物の実質的に全てが前記二次不純物へと変換される、請求項２０から３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
前記前処理ガスを前記吸着剤に接触させる前に、前記ガスを予備吸着剤に接触させる段階をさらに含む、請求項２０から３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
前記予備吸着剤が、予備ゲッタ合金、分子ふるい、触媒吸着剤、および活性炭の少なくとも１つを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記予備吸着剤が予備ゲッタ合金を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記予備ゲッタ合金がニッケル系である、請求項３６または３７に記載の方法。
【請求項３９】
吸着剤上での不純物の吸着によってガスを精製するシステムであって、
前記ガス内に放電を発生させて不純物の濃度Ｃｉを表すスペクトル放射を得るための放電リアクタと、
前記放電リアクタに動作可能に接続されており、前記スペクトル放射に従って前記不純物の濃度Ｃｉを監視するための監視ユニットと、
前記放電リアクタと流体連結されており、前記吸着剤に対して前記不純物よりも高い親和性を有する二次不純物へと前記不純物の少なくとも一部を変換することによって、前記不純物の濃度Ｃｉを低下させるための反応チャンバと、
前記反応チャンバからのガスを収容し、吸着によって前記ガスを精製して精製ガスが得られるように構成された、前記吸着剤を含む精製ユニットと、
前記監視ユニットおよび前記精製ユニットと動作可能に接続されており、Ｃｉを汚染濃度Ｃｐと比較するように構成された制御ユニットであって、
Ｃｉ＜Ｃｐの場合、前記制御ユニットが前記吸着剤上での前記ガスの吸着を許可し、
Ｃｉ≧Ｃｐの場合、前記制御ユニットが前記吸着剤上での前記ガスの吸着を停止する、制御ユニットと、
を備える、システム。
【請求項４０】
前記制御ユニットが前記吸着剤の温度Ｔｓを臨界温度Ｔｃと比較するようにさらに構成され、Ｔｓ≧Ｔｃの場合に、前記制御ユニットが前記吸着剤上での前記ガスの吸着を停止する、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
前記反応チャンバと前記精製ユニットとの間にフロー制御装置をさらに備え、前記フロー制御装置が前記制御ユニットと動作可能に接続されており、
前記制御ユニットが、前記放電リアクタと前記精製ユニットとの間の流体連結を可能にするように前記フロー制御装置に命令することによって前記吸着剤上での前記ガスの吸着を可能にし、
前記制御ユニットが、前記放電リアクタと前記精製ユニットとの間の流体連結を停止するように前記フロー制御装置に命令することによって前記吸着剤上での前記ガスの吸着を停止する、請求項３９または４０に記載のシステム。
【請求項４２】
前記放電リアクタと前記精製ユニットとの間の流体連結が停止された場合に、前記フロー制御装置が前記放電リアクタの上流に前記ガスの経路を変更するように構成された、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
前記フロー制御装置が三方弁を備える、請求項４１または４２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記制御ユニットが、前記精製ユニットの電源投入を許可することによって前記吸着剤上での前記ガスの吸着を可能にし、
前記制御ユニットが、前記精製ユニットに供給される電力を遮断することによって前記吸着剤上での前記ガスの吸着を停止する、請求項３９から４３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４５】
前記放電リアクタの上流に、前記ガスにドープ剤を添加するためのドープ剤ディスペンサをさらに備え、前記不純物と前記ドープ剤との反応によって前記不純物の変換が行われ、前記反応チャンバが前記放電リアクタの一部であり、前記反応が放電によって引き起こされる、請求項３９から４４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４６】
前記ドープ剤が水およびＯ２の少なくとも１つを含む、請求項４５に記載のシステム。
【請求項４７】
前記ドープ剤が水を含む、請求項４５に記載のシステム。
【請求項４８】
前記ドープ剤を１０ｐｐｍから２００ｐｐｍの間の濃度で添加する、請求項４５から４７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４９】
前記ガスを前記吸着剤に接触させる前に、前記ガスから前記ドープ剤を除去するためのトラップを前記反応チャンバの下流にさらに備える、請求項４５から４８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５０】
前記精製ユニットの下流に配置されており、前記精製ガス内に放電を発生させて前記精製ガス中の不純物の最終濃度Ｃｆを表す第２のスペクトル放射を得るための第２の放電リアクタと、
前記第２の放電リアクタと前記制御ユニットとに動作可能に接続されており、前記第２のスペクトル放射に従って前記不純物の最終濃度Ｃｆを監視するための第２の監視ユニットと、をさらに備え、
前記制御ユニットが、Ｃｆを標準濃度ＣＲｅｆと比較して、Ｃｆ≧ＣＲｅｆの場合に、前記吸着剤上での前記ガスの吸着を停止するように構成された、請求項３９から４９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５１】
前記ガスが希ガスを含む、請求項３９から５０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５２】
前記希ガスが、ヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン、またはそれらの混合物を含む、請求項５１に記載のシステム。
【請求項５３】
前記吸着剤が、ゲッタ合金、分子ふるい、触媒吸着剤、および活性炭の少なくとも１つを含む、請求項３９から５２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５４】
前記吸着剤がゲッタ合金を含む、請求項３９から５２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５５】
前記ゲッタ合金がジルコニウム系である、請求項５２から５４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５６】
前記不純物が、Ｈ２Ｏ、Ｎ２、ＣＨ４、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、および非メタン炭化水素（ＮＨＭＣ）の少なくとも１つを含む、請求項３９から５５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５７】
前記放電リアクタが、誘電バリア放電リアクタ、パルス放電リアクタ、ＤＣ電圧放電リアクタ、およびコロナ型放電リアクタの少なくとも１つを含む、請求項３９から５６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５８】
前記放電リアクタが多段階放電リアクタである、請求項３９から５７のいずれか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に表面吸着によるガスの精製に関し、より具体的には、スペクトル放射を利用してガス精製を管理する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
非蒸発性ゲッタ合金などの触媒吸着剤の活性表面上での吸着によって、ガスからの不純物の除去が実施され得る。例えば、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、またはキセノンなどの希ガスを、加熱したジルコニウム系吸着剤、例えばジルコニウム合金に通気することによって精製することが知られている。ジルコニウム合金は、粉末またはペレット形態で提供され得、断熱かつ加熱可能なステンレス鋼容器に収容され得る。ジルコニウム合金は、Ｈ２Ｏ、Ｎ２、ＣＨ４、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、およびＮＭＨＣ（非メタン炭化水素）などの不純物をガスから除去するゲッタ合金として作用する。
【０００３】
多くの吸着剤と同様にゲッタ合金は失活するため、無限に吸着活性を維持することはできない。吸着剤の失活は、例えば経時変化、すなわち表面結晶組織の変化によって、活性低下、すなわち合金の活性サイトへの物質の不可逆的堆積によって、または汚染、すなわち吸着剤表面への炭素質材料の堆積によって生じ得る。上述の不純物のなかで、一般的に、ゲッタ合金が使用寿命の終わりに達すると、Ｎ２およびＣＨ４が初めに吸着されなくなる。
【０００４】
典型的に、下流の分析システムが汚染されてガス精製運転が停止したときに、ユーザには初めて吸着剤の寿命の終わりが通知される。さらに、高濃度の不純物の導入による吸着剤の汚染は、例えば合金の溶融によって吸着剤を損傷する発熱反応を発生させる可能性があり、それにより作業環境に火災および負傷のリスクを生じさせる。
【０００５】
吸着プロセスを通して不純物の濃度を認識することは課題であり得る。したがって、不純物濃度をより高度に管理する方法およびシステムが依然として求められている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
表面吸着によるガス精製に関する方法およびシステムが提供される。本開示の方法およびシステムは、吸着段階の上流および／または下流で、ガス内の放電（またはプラズマ放電）に続くスペクトル放射を利用する。
【０００７】
１つの態様において、吸着剤の耐用寿命を延長する方法が提供される。吸着剤は、不純物の吸着によってガスを精製するためのものである。該方法は、
ガス内に放電を発生させて不純物の濃度Ｃｉを表すスペクトル放射を得る段階と、
スペクトル放射に従って不純物の濃度Ｃｉを監視する段階と、
吸着剤に対して不純物よりも高い親和性を有する二次不純物へと不純物の少なくとも一部を変換することによって、不純物の濃度Ｃｉを低下させる段階と、
Ｃｉを汚染濃度Ｃｐと比較する段階であって、
Ｃｉ＜Ｃｐの場合、吸着剤上での不純物の吸着を許可して精製ガスを得る段階、および
Ｃｉ≧Ｃｐの場合、吸着剤上での不純物の吸着を停止する段階、を含む、比較する段階と、
を含む。
【０００８】
いくつかの実施形態では、吸着剤上での不純物の吸着を許可する段階は、ガスを吸着剤に接触させる段階を含み、吸着剤上での不純物の吸着を停止する段階は、ガスが吸着剤に接触するのを防止する段階を含む。
【０００９】
いくつかの実施形態では、吸着剤上での不純物の吸着を許可する段階は、吸着剤に電源投入する段階を含み、吸着剤上での不純物の吸着を停止する段階は、吸着剤に供給される電力を遮断する段階を含む。
【００１０】
いくつかの実施形態では、Ｃｉ≧Ｃｐであれば、不純物の濃度Ｃｉをさらに低下させる段階をさらに含む。
【００１１】
いくつかの実施形態では、該方法は、ガスにドープ剤を添加する段階をさらに含み、不純物とドープ剤との反応によって不純物の変換が行われ、反応が放電によって引き起こされる。
【００１２】
いくつかの実施形態では、ドープ剤は水およびＯ２の少なくとも１つを含む。
【００１３】
いくつかの実施形態では、ドープ剤は水を含む。
【００１４】
いくつかの実施形態では、ドープ剤は１０ｐｐｍから２００ｐｐｍの間の濃度で添加される。
【００１５】
いくつかの実施形態では、該方法は、ガスを吸着剤に接触させる前に、ガスからドープ剤を除去する段階をさらに含む。
【００１６】
いくつかの実施形態では、該方法は、
吸着剤の温度Ｔｓを監視する段階と、
Ｔｓを臨界温度Ｔｃと比較し、Ｔｓ≧Ｔｃの場合に、吸着剤上での不純物の吸着を停止する段階と、をさらに含む。
【００１７】
いくつかの実施形態では、該方法は、
吸着剤の温度Ｔｓを監視する段階と、
Ｔｓを臨界温度Ｔｃを比較する段階であって、
Ｔｓ＜Ｔｃの場合に、吸着剤上での不純物の吸着を許可する段階、および
Ｔｓ≧Ｔｃの場合に、吸着剤上での不純物の吸着を停止する段階、を含む、比較する段階と、
をさらに含む。
【００１８】
いくつかの実施形態では、該方法は、
精製ガス内で放電を発生させて精製ガス中の不純物の残留濃度Ｃｆを表す第２のスペクトル放射を得る段階と、
第２のスペクトル放射に従って不純物の残留濃度Ｃｆを監視する段階と、
Ｃｆを標準濃度ＣＲｅｆと比較し、Ｃｆ≧ＣＲｅｆの場合に、吸着剤上での不純物の吸着を停止し、かつ／またはユーザに警告信号を送信する段階と、をさらに含む。
【００１９】
いくつかの実施形態では、ガスは希ガスを含む。
【００２０】
いくつかの実施形態では、希ガスは、ヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン、またはそれらの混合物を含む。
【００２１】
いくつかの実施形態では、吸着剤は、ゲッタ合金、分子ふるい、触媒吸着剤、および活性炭の少なくとも１つを含む。
【００２２】
いくつかの実施形態では、吸着剤はゲッタ合金を含む。
【００２３】
いくつかの実施形態では、ゲッタ合金はジルコニウム系である。
【００２４】
いくつかの実施形態では、不純物は、Ｈ２Ｏ、Ｎ２、ＣＨ４、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、および非メタン炭化水素（ＮＨＭＣ）の少なくとも１つを含む。
【００２５】
いくつかの実施形態では、放電は、誘電バリア放電、パルス放電、ＤＣ電圧放電、およびコロナ型放電の少なくとも１つを含む。
【００２６】
いくつかの実施形態では、放電は多段階化される。
【００２７】
別の態様では、吸着剤上での不純物の吸着によってガスを精製する方法が提供される。該方法は、
ガス内に放電を発生させて不純物の濃度Ｃｉを表すスペクトル放射を得る段階と、
スペクトル放射に従って不純物の濃度Ｃｉを監視する段階と、
吸着剤に対して不純物よりも高い親和性を有する二次不純物へと不純物の少なくとも一部を変換することによって、不純物の濃度Ｃｉを汚染濃度Ｃｐ未満に低下させて前処理ガスを得る段階と、
吸着剤上で不純物を吸着するために前処理ガスを吸着剤に接触させる段階と、を含む
【００２８】
いくつかの実施形態では、該方法は、ガスにドープ剤を添加する段階をさらに含み、不純物とドープ剤との反応によって不純物の変換が行われ、反応が放電によって引き起こされる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、ドープ剤は水およびＯ２の少なくとも１つを含む。
【００３０】
いくつかの実施形態では、ドープ剤は水を含む。
【００３１】
いくつかの実施形態では、ドープ剤を１０ｐｐｍから２００ｐｐｍの間の濃度で添加する。
【００３２】
いくつかの実施形態では、該方法は、前処理ガスを吸着剤に接触させる前に、ガスからドープ剤を除去する段階をさらに含む。
【００３３】
いくつかの実施形態では、ガスは希ガスを含む。
【００３４】
いくつかの実施形態では、希ガスはヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン、またはそれらの混合物を含む。
【００３５】
いくつかの実施形態では、吸着剤は、ゲッタ合金、分子ふるい、触媒吸着剤、および活性炭の少なくとも１つを含む。
【００３６】
いくつかの実施形態では、吸着剤はゲッタ合金を含む。
【００３７】
いくつかの実施形態では、ゲッタ合金はジルコニウム系である。
【００３８】
いくつかの実施形態では、不純物は、Ｈ２Ｏ、Ｎ２、ＣＨ４、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、および非メタン炭化水素（ＮＨＭＣ）の少なくとも１つを含む。
【００３９】
いくつかの実施形態では、放電は、誘電バリア放電、パルス放電、ＤＣ電圧放電、およびコロナ型放電の少なくとも１つを含む。
【００４０】
いくつかの実施形態では、放電は多段階化される。
【００４１】
いくつかの実施形態では、不純物の実質的にすべてが二次不純物へと変換される。
【００４２】
いくつかの実施形態では、該方法は、前処理ガスを吸着剤に接触させる前に、ガスを予備吸着剤に接触させる段階をさらに含む。
【００４３】
いくつかの実施形態では、予備吸着剤は、予備ゲッタ合金、分子ふるい、触媒吸着剤、および活性炭の少なくとも１つを含む。
【００４４】
いくつかの実施形態では、予備吸着剤は予備ゲッタ合金を含む。
【００４５】
いくつかの実施形態では、予備吸着剤はニッケル系である。
【００４６】
さらに別の態様では、吸着剤上での不純物の吸着によってガスを精製するシステムが提供される。該システムは、
ガス内に放電を発生させて不純物の濃度Ｃｉを表すスペクトル放射を得るための放電リアクタと、
放電リアクタに動作可能に接続されており、スペクトル放射に従って不純物の濃度Ｃｉを監視するための監視ユニットと、
放電リアクタと流体連結されており、吸着剤に対して不純物よりも高い親和性を有する二次不純物へと不純物の少なくとも一部を変換することによって、不純物の濃度Ｃｉを低下させるための反応チャンバと、
反応チャンバからのガスを収容し、吸着によってガスを精製して精製ガスが得られるように構成された、吸着剤を含む精製ユニットと、
監視ユニットおよび精製ユニットと動作可能に接続されており、Ｃｉを汚染濃度Ｃｐと比較するように構成された制御ユニットであって、
Ｃｉ＜Ｃｐの場合、制御ユニットが吸着剤上での前記ガスの吸着を許可し、
Ｃｉ≧Ｃｐの場合、制御ユニットが吸着剤上での前記ガスの吸着を停止する、制御ユニットと、
を備える。
【００４７】
いくつかの実施形態では、制御ユニットは吸着剤の温度Ｔｓを臨界温度Ｔｃと比較するようにさらに構成され、Ｔｓ≧Ｔｃの場合に、制御ユニットは吸着剤上でのガスの吸着を停止する。
【００４８】
いくつかの実施形態では、制御ユニットは吸着剤の温度Ｔｓを臨界温度Ｔｃと比較するようにさらに構成され、
Ｔｓ＜Ｔｃの場合に、制御ユニットは吸着剤上での不純物の吸着を許可し、
Ｔｓ≧Ｔｃの場合に、制御ユニットは吸着剤上での不純物の吸着を停止する。
【００４９】
いくつかの実施形態では、該システムは、反応チャンバと精製ユニットとの間にフロー制御装置をさらに備え、フロー制御装置が制御ユニットと動作可能に接続されており、
制御ユニットは、放電リアクタと精製ユニットとの間の流体連結を可能にするようにフロー制御装置に命令することによって吸着剤上でのガスの吸着を可能にし、
制御ユニットは、放電リアクタと精製ユニットとの間の流体連結を停止するようにフロー制御装置に命令することによって吸着剤上でのガスの吸着を停止する。
【００５０】
いくつかの実施形態では、放電リアクタと精製ユニットとの間の流体連結が停止された場合に、フロー制御装置は放電リアクタの上流にガスの経路を変更するように構成される。
【００５１】
いくつかの実施形態では、フロー制御装置は三方弁を備える。
【００５２】
いくつかの実施形態では、制御ユニットは、精製ユニットの電源投入を許可することによって吸着剤上でのガスの吸着を可能にし、制御ユニットは、精製ユニットに供給される電力を遮断することによって吸着剤上でのガスの吸着を停止する。
【００５３】
いくつかの実施形態では、該システムは、放電リアクタの上流に、ガスにドープ剤を添加するためのドープ剤ディスペンサをさらに備え、不純物とドープ剤との反応によって不純物の変換が行われ、反応チャンバは放電リアクタの一部であり、反応は放電によって引き起こされる。
【００５４】
いくつかの実施形態では、ドープ剤は水およびＯ２の少なくとも１つを含む。
【００５５】
いくつかの実施形態では、ドープ剤は水を含む。
【００５６】
いくつかの実施形態では、ドープ剤を１０ｐｐｍから２００ｐｐｍの間の濃度で添加する。
【００５７】
いくつかの実施形態では、該システムは、ガスを吸着剤に接触させる前に、ガスからドープ剤を除去するためのトラップを反応チャンバの下流にさらに備える。
【００５８】
いくつかの実施形態では、該システムは、
精製ユニットの下流に配置されており、精製ガス内に放電を発生させて精製ガス中の不純物の最終濃度Ｃｆを表す第２のスペクトル放射を得るための第２の放電リアクタと、
第２の放電リアクタと制御ユニットとに動作可能に接続されており、第２のスペクトル放射に従って不純物の最終濃度Ｃｆを監視するための第２の監視ユニットと、をさらに備え、
制御ユニットは、Ｃｆを標準濃度ＣＲｅｆと比較して、Ｃｆ≧ＣＲｅｆの場合に、吸着剤上でのガスの吸着を停止するように構成される。
【００５９】
いくつかの実施形態では、ガスは希ガスを含む。
【００６０】
いくつかの実施形態では、希ガスは、ヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン、またはそれらの混合物を含む。
【００６１】
いくつかの実施形態では、吸着剤は、ゲッタ合金、分子ふるい、触媒吸着剤、および活性炭の少なくとも１つを含む。
【００６２】
いくつかの実施形態では、吸着剤はゲッタ合金を含む。
【００６３】
いくつかの実施形態では、ゲッタ合金はジルコニウム系である。
【００６４】
いくつかの実施形態では、不純物は、Ｈ２Ｏ、Ｎ２、ＣＨ４、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、および非メタン炭化水素（ＮＨＭＣ）の少なくとも１つを含む。
【００６５】
いくつかの実施形態では、放電リアクタは、誘電バリア放電リアクタ、パルス放電リアクタ、ＤＣ電圧放電リアクタ、およびコロナ型放電リアクタの少なくとも１つを含む。
【００６６】
いくつかの実施形態では、放電リアクタは多段階放電リアクタである。
【００６７】
１つの態様では、ゲッタ合金などの吸着剤上でガスを精製する前に、前記ガス中の不純物の汚染濃度を特定する方法が提供される。吸着前のガス中の不純物の初期濃度の情報により、吸着剤の汚染を防止または低減することができる。いくつかの実施形態では、該方法は、ガス中にある濃度を有する不純物を含むガスを提供する段階と、吸着剤と接触させる前に、ガス内に放電を発生させて、ガス中の不純物の濃度を表すスペクトル放射をガスから得る段階と、不純物の濃度の指標であるスペクトル放射を監視する段階と、不純物の濃度を既知の汚染濃度と比較する段階と、を含む。
【００６８】
いくつかの実施形態では、不純物の濃度が汚染濃度未満である場合、該方法は、吸着剤上で少なくとも１つの不純物を吸着してガスを精製するようにガスを吸着剤と接触させる段階を含み得る。
【００６９】
いくつかの実施形態では、不純物の濃度が汚染濃度であるかまたはそれを超える場合、該方法は、ガスと吸着剤の接触を停止する段階を含み得る。
【００７０】
いくつかの実施形態では、濃度が汚染濃度であるかまたはそれを超える場合、該方法は、不純物の濃度を汚染濃度未満に低下させるためにガスをさらに処理する段階を含み得る。
【００７１】
いくつかの実施形態では、ガスは、複数の不純物を含み得、不純物の各々は、本明細書に記載される方法に従って監視される対応濃度、および基準として機能する対応汚染濃度を有する。
【００７２】
別の態様では、吸着剤上での吸着による精製の前に、ガスを前処理する方法が提供される。吸着剤への所与の不純物の吸着傾向（または親和性）は不純物の性質に依存し得るため、結果として全体的なガス精製効率に影響を及ぼす。いくつかの実施形態では、前処理方法は、吸着剤に対して低い吸着性を有する不純物を含むガスを提供する段階と、ガス内に放電を発生させて、吸着剤に対して不純物よりも高い親和性を有する少なくとも１つの二次不純物へと不純物の少なくとも一部を変換する段階と、を含み得る。
【００７３】
いくつかの実施形態では、該方法は、触媒の使用によって、少なくとも１つの二次不純物への不純物の変換を触媒する段階を含み得る。いくつかの実施形態では、反応は放電によって引き起こされる。
【００７４】
いくつかの実施形態では、該方法は、吸着剤上での吸着によるガスの精製の前に、化学トラップを使用してガスから少なくとも１つの二次不純物を化学的に捕捉する段階を含み得る。
【００７５】
別の態様では、吸着剤上での吸着によるガスの精製の後に、ガス中の不純物の最終濃度を特性評価する方法が提供される。いわゆる精製ガス中の不純物の最終濃度の情報を使用して、吸着段階の効率および実用性を評価することができる。例えば、不純物の最終濃度の情報を使用して、吸着剤の寿命の終了を検出することができる。いくつかの実施形態では、該方法は、吸着剤上での吸着によって精製された、不純物の最終濃度を有するガスのサンプルを提供する段階と、ガス内での放電によって発生し、不純物の最終濃度を表すスペクトル放射を監視する段階と、を含む。
【００７６】
いくつかの実施形態では、該方法は、吸着剤の効率を評価するために、監視した最終濃度を標準濃度と比較する段階を含み得る。各不純物の標準濃度は、放電を受けるガスの標準サンプルから得られ、放電は、各不純物の標準濃度の指標となる標準放射プロファイルとして監視されるスペクトル放射を生成する。
【００７７】
いくつかの実施形態では、該方法は、吸着剤の実用性を評価するために、監視された最終濃度を標準濃度の既知の最大閾値と比較する段階を含み得る。
【００７８】
別の態様では、ガスからの不純物の吸着を強化したガス精製システムが提供される。該システムは、ガスから不純物を吸着して精製ガスを生成するために選択された吸着剤を含む少なくとも１つの精製ユニットを含む。該システムは、予備精製ユニット、精製後ユニット、またはそれらの組み合わせをさらに含み得る。予備精製ユニットおよび精製後ユニットは、その中を流れるガス内で放電を発生させるように構成される。
【００７９】
いくつかの実施形態では、予備精製ユニットは、不純物の濃度を表し、放電によって発生する、ガスからのスペクトル放射を監視するための監視装置を含み得る。
【００８０】
いくつかの実施形態では、予備精製ユニットは、吸着剤に対してより高い親和性を有する二次不純物へと不純物の少なくとも一部が変換される反応チャンバを含み得、変換は反応チャンバ内での放電によって引き起こされる。したがって、前処理されたガスが反応チャンバから放出され得る。
【００８１】
いくつかの実施形態では、予備精製ユニットは、精製ユニットの上流に取り付けるための接続パイプを含み得、接続パイプは反応チャンバを生成ユニットの入口と流体連結する。
【００８２】
いくつかの実施形態では、予備精製ユニットは、精製装置に前処理ガスを供給する前に、二次不純物を捕捉する化学トラップを含み得る。化学トラップは、接続パイプの中に設置され得る。
【００８３】
いくつかの実施形態では、精製後ユニットは、各不純物の最終濃度の指標である、精製ガスのサンプルからのスペクトル放射を監視するための監視装置を含み得、スペクトル放射は放電によって形成される。
【００８４】
いくつかの実施形態では、精製後ユニットは、精製装置の出口に取り付けられたバイパスパイプを含み得、バイパスパイプは精製ユニットから放出された精製ガスを採取するように構成される。
【００８５】
いくつかの実施形態では、ガスは複数の不純物を含み得、各不純物は、対応する濃度および基準として機能する対応する汚染濃度を有する。各不純物の濃度は、放電を発生させ、不純物の濃度を表す、ガスからのスペクトル放射を監視することによって、監視され得る。放電によって発生したスペクトル放射は、いくつかの不純物の濃度を得るために関しされ得る。
【００８６】
本明細書は、例示的実施形態を説明するものであり、特許請求の範囲を実施形態に限定することを意図するものではないことを理解すべきである。本明細書において定義されたような含まれ得る全ての代替、修正、および等価物を包含することが意図される。本発明の目的、利点、およびその他の特徴は、添付の図面を参照して、以下の非限定的な説明を読むことでより明らかとなり、深く理解されるであろう。
【００８７】
以下の図面に方法およびシステムの実施について示されており、図面とあわせてさらに理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】図１は、実施形態による、ガス精製の上流での少なくとも１つの不純物の初期濃度の監視を含むガス精製方法の概念図である。
【図２】図２は、別の実施形態による、ガス精製の上流での少なくとも１つの不純物の前変換を含むガス精製方法の概念図である。
【図３】図３は、別の実施形態による、ガス精製の下流での不純物の最終濃度の後検出を含むガス精製方法の概念図である。
【図４Ａ】図４Ａは、別の実施形態による、ガス精製方法の概念図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、さらに別の実施形態による、いくつかのパラメータの監視を含むガス精製方法の概念図である。
【図５】図５は、実施形態による、前精製システムおよび後精製システムを含むガス精製システムの概念図である。
【図６】図６は、別の実施形態による、インライン放電リアクタを備える前精製システムとバイパス後精製システムとを含むガス精製システムの概念図である。
【図７】図７は、別の実施形態による、インライン放電リアクタと、監視ユニットと、制御ユニットとを備えるガス精製システムの概念図である。
【図８】図８は、さらに別の実施形態による、インライン放電リアクタと精製ユニットとの間にフロー制御装置を備えるガス精製システムの概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００８９】
本発明は、吸着剤へのガスの吸着を含む精製ユニットの下流のガス中の不純物濃度を監視および／または管理する、かつ／または精製ユニットの上流のガス中の不純物濃度を監視するために、ガス内での放電に続くスペクトル放射を利用することができる方法およびシステムを提供する。本発明はさらに、吸着剤の使用寿命を延長する方法およびシステムを提供する。
【００９０】
［一般的な定義］
対象のガスが希ガスを含み得ることは容易に理解されよう。いくつかの実施形態では、精製されるガスは、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン、またはそれらの組み合わせを含み得る。しかしながら、本明細書に記載された方法およびシステムは、ガス状不純物を含むいかなるガスの精製にも使用することができることを理解すべきである。
【００９１】
当業者は、吸着とは本明細書において吸着剤とも称される固体の活性表面へのガスの可逆および／または不可逆吸着を包含することを容易に理解する。吸着とは、物理的（物理吸着）または化学的（化学吸着）であり得る。吸着剤は、Ｈ２Ｏ、Ｎ２、ＣＨ４、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２および／または非メタン炭化水素（ＮＭＨＣ）を含むガス状不純物をゲッタリングまたは捕捉するために選択されるゲッタリング合金（またはゲッタ合金）を含み得る。使用する吸着剤によって、その他のガス状不純物も吸着されることを理解すべきである。吸着剤は、ジルコニウム、バナジウム、チタン、アルミニウム、ニッケル、銅、鉄、またはそれらの組み合わせをベースとしたゲッタ合金を含み得ることもまた理解すべきである。例えば、ゲッタ合金は、７５％のジルコニウム、２０％のバナジウム、および５％の鉄から構成され得る。代替として、窒素の精製に特に適したゲッタ合金は、７５％のジルコニウムおよび２５％の鉄から構成され得る。吸着剤はゲッタ合金に限定されず、分子ふるい、触媒吸着剤、または活性炭など、他のタイプの吸着剤もまた含み得る。
【００９２】
不純物は、吸着剤上への吸着によってガスから除去することができる。吸着剤に対する不純物の吸着傾向（または親和性）は、ガスに含まれる不純物の性質に依存し得、全体的なガス精製効率に影響を及ぼし得る。例えば、ジルコニウム合金では、Ｏ２およびＨ２Ｏなどの不純物は、Ｎ２およびＣＨ４より高い親和性を有する。したがって、吸着剤の活性が低下し始めたとき、吸着剤と接触した後に、吸着剤に対してより低い親和性を有する不純物が初めにガス中での非許容濃度に到達する。例えば、ジルコニウム系ゲッタ合金を使用した精製後のガス中のＮ２およびＣＨ４濃度は上昇し、一方でＯ２およびＨ２Ｏなどのその他の不純物は依然として効率的に吸着され得る。
【００９３】
吸着剤に対する不純物の「吸着傾向」または「親和性」とは、質量保存則に由来する吸着平衡を指し、吸着剤の吸着サイトへの不純物の親和性を表すことを理解すべきである。例えば、以下の吸着反応によって不純物Ｉが吸着サイトＳに結合する場合、
Ｉ＋Ｓ⇔ＩＳ
吸着平衡定数（式１）が吸着剤に対する不純物の親和性を表し得る。
【００９４】
【数１】
2018508354.tif 000003
【００９５】
吸着剤に対して親和性Ｋ１を有する第１の不純物Ｉ１および吸着剤に対して親和性Ｋ２を有する第２の不純物Ｉ２を考慮すると、Ｋ２＞Ｋ１であれば、Ｉ２がＩ１より高い親和性を有すると考えられ得る。第２の不純物が、各々が吸着剤に対して親和性Ｋ２ｉを有する複数の不純物を含む場合、当業者に知られるように、Ｋ２は、各不純物の親和性Ｋ２ｉを考慮したグローバル親和性定数として計算され得る。
【００９６】
［方法の実施］
図１から４Ｂは、本発明による方法の実施形態を示す
【００９７】
（汚染濃度を特定する方法）
１つの態様では、吸着剤への吸着よるガスの精製の前に、ガス中の不純物の汚染濃度を特定する方法が提供される。「濃度」または「値」とともに使用される場合、「汚染」との用語は、ガスが吸着剤と接触する場合に吸着剤に悪影響を及ぼし得る不純物の量を指すことを理解すべきである。不純物の汚染濃度は、例えば不純物および吸着剤それぞれの性質に依存する。ガス中に含まれる各不純物の汚染濃度または値は、当業者に知られるかまたは実験によって決定することができる。
【００９８】
特に吸着剤に対して低い吸着傾向を有する不純物の濃度の情報は、同一の不純物の既知の汚染濃度と比較するために使用され得る。以下において、不純物の「初期濃度」とは、吸着剤と接触する前、かついかなる前処理も施される前のガス中の不純物の濃度に対応するものである。不純物の「入口濃度」との用語はまた、吸着剤と接触する前の不純物の濃度を指すが、前処理を施される前、前処理の間、または前処理後の不純物の濃度を指し得る。言い換えると、「入口濃度」は、ガスに前処理が施される前の初期濃度の値を有し得、かつガスに前処理が施された後の初期濃度より低い値に低減され得る、可変濃度である。
【００９９】
図１に示される実施形態では、不純物を含むガスの精製の方法が提供される。該方法は、ガス内に放電を発生させてそこからスペクトル放射を得る段階１０を含む。該方法はさらに、不純物の濃度を表すスペクトル放射を監視する段階１２を含む。当業者であれば、放電を発生させてスペクトル放射を得る段階およびスペクトル放射を監視する段階が同時に実施され得ることを容易に理解するであろう。不純物の濃度は、スペクトル放射を分析することによって、スペクトル放射から得ることができる。いくつかの実施形態では、該方法は、不純物の濃度Ｃｉを汚染濃度Ｃｐと比較してＣｉがＣｐ未満であるか判断する段階１４をさらに含む。同一の不純物の汚染濃度Ｃｐに対する濃度Ｃｉの値によって、ガスは精製１６のために吸着剤に接触させるように送られ得るか、または以下においてさらに詳細に説明されるように、精製の前のさらなる処理に送られ得る。任意選択的に、監視対象の不純物は、吸着剤に対して低い親和性を有し得る。さらに任意選択的に、不純物は、窒素、メタン、またはそれらの組み合わせを含み得る。
【０１００】
本明細書において使用される「濃度の監視」との表現は、監視対象の濃度を表すスペクトル放射を監視し、間接的に対応する汚染値を得るためにスペクトル放射を分析することによって（スペクトル放射はガス内に放電を発生させることによって得られる）、濃度を間接的に監視することを指す。
【０１０１】
吸着による精製の前にガス内の汚染濃度を特定する方法は、図５からわかるように、精製されるガスの全量ではなく、ガスのサンプルで実施され得る。この実施形態では、方法は、ガスの一部を抽出してガスサンプルを生成する段階を初めに含み、続いてガスサンプルにおいて放電が形成されてスペクトル放射が発生する。
【０１０２】
（吸着によって精製されるガスの前処理方法）
別の態様では、吸着剤上での精製の前にガスを前処理する方法が提供される。該方法は、汚染濃度を有する不純物が吸着剤に接触することを防ぐため、または吸着剤にガスが接触する前にガス内の不純物の濃度を低減するために使用され得る。
【０１０３】
図２を参照すると、不純物を含むガスを精製する方法が提供される。該方法は、ガスを吸着剤と接触させる段階１６の前に、ガス内に放電を発生させる段階１０を含む。いくつかの実施形態では、ガス内に当初含まれる不純物は、初期不純物よりも吸着剤に対して高い吸着傾向（または高い親和性）を有する少なくとも１つの二次不純物へと変換され得る。二次不純物とは、ガス内に含まれる初期不純物に由来する１つの成分または複数の成分を指す。いくつかの実施形態では、不純物の二次不純物への変換は、ガス内の放電によって引き起こされる物理および化学反応によって起こり得る。これらの物理および化学反応は、電子移動、電子衝撃、準安定作用、光電離などの様々な機構を含み得る。処理後の不純物は吸着剤によってより容易に吸着され得るため、吸着剤の使用寿命が延長されることが容易に理解されるであろう。
【０１０４】
例えば、窒素およびメタンを含む化学反応は、以下の式に従って放電によって引き起こされ得る。
【０１０５】
【化１】
2018508354.tif 000004
【０１０６】
上の式は例示であり、複数の他の化学反応および上述の他の機構によって二次不純物が形成され得ることは当業者に容易に理解される。
【０１０７】
いくつかの実施形態では、本明細書における放電は、誘電バリア放電、パルス放電、ＤＣ電圧放電、およびコロナ型放電の少なくとも１つを含む。当業者であれば、放電が発生してガスがイオン化され、人工プラズマ媒質または放電が形成されることを容易に理解する。原子の電子は、電場によって生成された衝突によって励起され、より高いエネルギー状態をもたらす。これらの電子が元の状態に戻ると、光子が放出され、ガスからのスペクトル放射がもたらされる。したがって、「プラズマ放電」および「放電」との表現は、本明細書において互換的に使用され得る。
【０１０８】
さらに図２を参照して、いくつかの実施形態では、該方法は、ガスが放電にさらされる滞留時間を増加させる段階をさらに含み得る。任意選択的に、ガス圧を例えば３０ｐｓｉｇから１５０ｐｓｉｇの間に制御することによって、放電の発生１０の間のガス速度が低下し、滞留時間が増加され得る。当業者であれば、様々な公知の手段を使用して、特定の反応が引き起こされ、吸着剤に対してより高い吸着傾向を有する特定の二次不純物が形成されるように放電の発生１０を適合できることを容易に理解する。例えば、光子放出（ＵＶ）または準安定作用を使用して不純物を含む特定の反応を引き起こすことができる。
【０１０９】
いくつかの実施形態では、放電を発生させる段階１０は、精製段階１６に送られる前に、同一のガスフローが複数の放電を受け得るように多段階化され得る。多段階技法を使用することによって不純物がより完全に二次不純物へと変換され得ることが見出された。
【０１１０】
引き続き図２を参照して、該方法は、段階１０においてガスを放電にさらす前に、ガスにドープ剤を添加する段階１８をさらに含み得る。いくつかの実施形態では、ドープ剤は水蒸気であり得る（この場合、ドーピングは水蒸気ドーピングと称され得る）。水蒸気ドーピングは、ガスに水分子を提供し、水と対象の不純物、例えば窒素および／またはメタンとの間の反応を可能にする。任意選択的に、ガス中の水蒸気レベルは、１０ｐｐｍから２００ｐｐｍの間であってよい。ドープ剤を添加する段階１８は、Ｏ２および水の少なくとも１つを含むドープ剤を添加する段階を含み得ることを理解すべきである。
【０１１１】
放電の発生１０は、不純物の少なくとも一部を少なくとも１つの二次不純物へと変換する誘因となり得る。任意選択的に、ガス中に当初含まれる全ての不純物がより容易に吸着される二次不純物へと変換され得る。
【０１１２】
いくつかの実施形態では、該方法は、放電の発生１０の間に得られるスペクトル放射に従って不純物の濃度を監視する段階を含み得、スペクトル放射は二次不純物の濃度を表す。任意選択的に、二次不純物の濃度の情報は、前処理方法の効率を評価するために使用され得る。
【０１１３】
引き続き図２を参照して、該方法は、任意選択的に、吸着による生成１６の前にガスから残留するドープ剤を除去する段階２０を含み得る。例えば、水蒸気ドープの場合、残留する水蒸気は、吸着による精製１６の前に分子ふるい２０によって除去することができる。いくつかの実施形態では、その目的のために分子ふるい１３Ｘが使用され得る。ドープ剤を捕捉するために他の適切な材料を使用してよいことが理解される。
【０１１４】
いくつかの実施形態では、ガスを前処理する方法は、予備吸着剤（予備ゲッタ合金など）にガスを接触させることによって不純物のレベルを事前に低減させる段階をさらに含み得、それにより主吸着剤の寿命が延長される。いくつかの実施形態では、予備吸着剤は、主吸着剤より安価であり得る。例えば、前処理したガスを主ジルコニア系合金に接触させる前に、Ｏ２、Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２、およびＮＭＨＣを含む不純物の初期濃度を低減するためにニッケル系合金を使用することができる。
【０１１５】
（精製後のガス中の不純物の最終濃度を特性評価する方法）
別の態様では、吸着剤上での吸着によるガスの精製後のガス中の不純物の最終濃度を特性評価する方法が提供される。吸着剤の汚染を検出し、不可逆的損傷を避けるために、これらの最終濃度の高感度特性評価が必要とされ得る。したがって、特性評価方法は、早期段階で吸着剤の失活を検出することを可能にする。任意選択的に、特性評価方法は、本発明の範囲を逸脱することなく、精製ガスのインラインフロー上、または任意選択的に精製ガスのサンプル上で実施され得る。
【０１１６】
図３を参照して、いくつかの実施形態では、方法は、吸着剤上でガスを精製して精製ガスを生成する段階１６を含み、精製ガス内に放電を発生させてそこからスペクトル放射を得る段階２２をさらに含み、スペクトル放射は精製ガス中の不純物の最終濃度を表す。任意選択的に、方法は、精製ガスの標準サンプル内に放電を発生させる段階をさらに含み得、それによりそこから標準サンプル内の少なくとも１つの不純物の標準濃度ＣＲｅｆの指標である標準スペクトル放射が発生する。代替的に、標準スペクトル放射または標準濃度は当業者に与えられるかまたは知られ得る。
【０１１７】
いくつかの実施形態では、方法は、スペクトル放射を監視する段階２４を含む。任意選択的に、放電の発生２２は、スペクトル放射を監視する段階２４と同時に実施され得る。監視されるスペクトル放射は、精製ガス中の不純物の最終濃度Ｃｆを表し、最終濃度は、スペクトル放射を分析することによって間接的に得ることができる。最終濃度Ｃｆおよび／または標準濃度ＣＲｅｆはゼロであり得ることを理解すべきである。
【０１１８】
引き続き図３を参照して、いくつかの実施形態では、方法は、例えば精製の効率を評価するために、最終濃度Ｃｆを標準濃度ＣＲｅｆと比較する段階２６をさらに含み得る。最終濃度Ｃｆが標準濃度より高い場合、吸着剤が汚染され始め、すなわち少なくとも１つの不純物を捕捉するために吸着剤上に使用可能な活性サイトが減少したことが示唆され得る。任意選択的に、最終濃度Ｃｆが標準濃度ＣＲｅｆより高い場合、該方法は、吸着剤が効率的に機能しないことをユーザに警告する段階２８を含み得る。
【０１１９】
いくつかの実施形態では、方法は、最終濃度Ｃｆを最大閾値と比較する段階をさらに含み得、最大閾値は吸着剤の主要汚染の指標となるように選択され、知られている。したがって、最終濃度が最大閾値に到達した場合、該方法は、吸着剤が汚染されていること、および／または吸着剤もしくは下流の検出器および分析システムのさらなる損傷を避けるために介入が必要であることをユーザに警告する段階を任意選択的にさらに含み得る。
【０１２０】
本明細書に記載された方法の複数の実施形態において含まれる不純物の濃度を監視する段階が、特定の不純物または二次不純物に反応する波長に対応するスペクトル放射の特定の領域を分析する段階を含み得ることを当業者は容易に理解する。例えば、複数の波長を監視するために、異なる干渉バンドパス光フィルタを使用して必要な波長をフィルタリングすることができる。
【０１２１】
（統合方法）
上述の方法の実施形態は、図４Ａおよび４Ｂに図示されるような精製プロセスの間に不純物の様々な濃度を監視する統合方法へと組み合わせることができる。
【０１２２】
図４Ａを参照して、いくつかの実施形態では、精製前にガスをさらに処理する必要性を決定するために、精製前のガスから形成されたスペクトル放射は、不純物の入口濃度を特性評価して既知の汚染濃度と比較するために監視され得る。図４Ａを参照して、方法は、図１に示された上述の段階１０および１２に従って不純物の入口濃度Ｃｉを監視する予備精製段階３０を含む。先に説明したように、入口濃度の監視３２とは、入口濃度を間接的に監視することを指すことは容易に理解される。いくつかの実施形態では、監視されたスペクトル放射が精製後のガスの入口品質を反映するように、監視されたスペクトル放射は、複数の不純物の入口濃度を間接的に監視するために分析され得る。
【０１２３】
引き続き図４Ａを参照して、方法は、ガスの組成が吸着剤および／または下流の装置を損傷し得るか否か判断するために、監視された入口濃度Ｃｉを既知の汚染濃度Ｃｐと比較する段階１４を含み得る。この比較１４に基づいて、入口濃度が汚染濃度と同等またはそれより高い場合に、不純物の少なくとも一部は吸着剤に対してより高い親和性を有する二次不純物へと変換され得る。この変換段階は、不純物の入口濃度の低下３４と称され得、不純物は、形成される二次不純物より吸着剤に対して低い親和性を有する。代替として、比較１４に基づいて、入口濃度Ｃｉが不純物の汚染濃度Ｃｐより低い場合、ガスは、吸着による精製１６へと直接送られ得る。例えば、監視されたスペクトル放射が精製対象の希ガス中に高レベル（または汚染濃度）の空気を示唆する場合、ガスは空気含有量を低減するためのさらなる処理へと送られ得るかまたは、吸着温度に達するためにゲッタ合金に供給される電力が遮断され得る。
【０１２４】
先に説明したように、監視段階３２はガスサンプル上で実施され得る一方で、濃度Ｃｉを低下させる段階３４が好ましくはガスのインラインフローで実施される。
【０１２５】
いくつかの実施形態では、監視されるスペクトル放射がガスの精製１６の前の入口濃度の低下を反映するように、不純物の入口濃度の監視３２および入口濃度の低下３４は同時に実施され得る。
【０１２６】
引き続き図４Ａを参照して、方法は、不純物の最終濃度Ｃｆの監視３６を含む精製後段階を含み得る。最終濃度の情報は、吸着剤の効率を評価するため、または吸着剤の寿命の終わりを検出するために使用され得る。ここでも、少なくとも１つの不純物の最終濃度の監視３６とは、間接的監視を指す。監視３６は、精製ガスからの監視されたスペクトル放射が少なくとも１つの不純物の最終濃度Ｃｆの指標となるように、図３に示したような段階２２および２４を含み得る。次いで、最終濃度Ｃｆの既知の標準濃度ＣＲｅｆと、または既知の最大閾値のとの比較２６に基づいて、吸着剤の効率または使用可能期間が評価され得る。任意選択的に、方法は、ユーザが汚染を修復するために必要な段階に進むことができるように、吸着剤の汚染程度をユーザに警告する段階２８を含み得る。
【０１２７】
いくつかの実施形態では、方法は、監視される作動温度、監視される入口濃度、及び監視される最終濃度によってガス精製を制御する段階（図４Ａに図示せず）を含み得る。例えば、方法は、作動温度が所与の上限に到達したときに、たとえ監視された少なくとも１つの不純物の入口濃度が対応する汚染濃度未満であっても、少なくとも１つの不純物をより容易に吸着される二次不純物へと変換する段階を含み得る。
【０１２８】
ここで図４Ｂを参照して、いくつかの実施形態では、不純物の吸着によってガスを精製するための吸着剤の耐用寿命を延長する方法が提供される。ガスを精製する方法もまた提供される。「耐用寿命」とは、ある作動条件で吸着剤が有用であると予測される平均期間を指すことが理解される。従って、「耐用寿命を延長する」とは、同一の作動条件で吸着剤が有用であると予測される平均期間を延長することを指す。該方法は、ガス内に放電を発生させて不純物の濃度Ｃｉを表すスペクトル放射を得る段階と、スペクトル放射による不純物の濃度Ｃｉを監視する段階３２（すなわち先に説明したように不純物の濃度を間接的に監視する段階）とを含む。いくつかの実施形態では、該方法は、不純物の少なくとも一部を該不純物より吸着剤に対して高い親和性を有する二次不純物へと変換することによって、不純物の濃度Ｃｉを低下させる段階３４をさらに含む。いくつかの実施形態では、該方法は、濃度Ｃｉを汚染濃度Ｃｐと比較する段階１４と、比較によってガスの方向を決定する段階をさらに含む。いくつかの実施形態では、Ｃｉ＜Ｃｐの場合、吸着剤上で不純物を吸着するためにガスを吸着剤に接触させ１６、それにより精製ガスが得られる。いくつかの実施形態では、Ｃｉ≧Ｃｐの場合、ガスの吸着剤上での吸着が停止され３８、かつ／またはユーザに警告するためにアラームが作動する。
【０１２９】
いくつかの実施形態では、吸着剤上での不純物の吸着の停止３８は、ガスの吸着剤への接触の停止および／または吸着剤に供給される電力の遮断を含み得る。いくつかの実施形態では、Ｃｉ≧Ｃｐの場合に、方法は、不純物の濃度Ｃｉをさらに低下させる段階を含む。
【０１３０】
いくつかの実施形態では、方法は、精製１６の間に吸着剤の作動温度Ｔｓを監視する段階４０を含み得る。激しい発熱反応が引き起こされ得るために吸着剤の突然の汚染が多くの熱を発生させ得ることを当業者は認識するであろう。例えば、吸着剤を加熱するために電力を供給していないにもかかわらず作動温度の上昇が検知された場合、不純物の汚染によっては熱反応が発生した兆候であり得る。いくつかの実施形態では、方法は、吸着剤の温度Ｔｓを臨界温度Ｔｃと比較する段階４２を含み得る。いくつかの実施形態では、Ｔｓ＜Ｔｃの場合、ガスは、吸着剤上で不純物を吸着するために吸着剤との接触が許可され得る。いくつかの実施形態では、Ｔｓ≧Ｔｃの場合、ガスは、吸着剤との接触が停止され得３８、かつ／またはユーザに警告するためにアラームが作動し得２８、かつ／または吸着剤への電力が遮断され得る。
【０１３１】
いくつかの実施形態では、方法は、吸着剤を加熱するために送られた電力に関連した吸着剤の温度変化を監視する段階４０を含み得る。吸着剤を加熱するために送られた電力に関連した吸着剤の標準温度プロファイルが得られ、温度変化の読取りと比較され得る。これにより、温度変化が標準温度プロファイルと相互に関連しない場合、吸着剤の異常挙動が検出される。例えば吸着剤を加熱するための電力が０％に設定されているにもかかわらず吸着剤の温度上昇が監視された場合、不純物の汚染濃度の結果として吸着剤中で発熱反応が起こっていることが示唆され得、一般的に過負荷が示唆され得る。その場合、ユーザに警告するためにアラームが作動し得、かつ／または吸着剤上でのガスの吸着が停止され得る。標準温度プロファイルは、精製対象のガス、ガス中に存在する不純物、および／または吸着剤の種類によって異なり得る。いくつかの実施形態では、標準作動条件下で所与のガス、吸着剤、および不純物に対して標準温度プロファイルが得られ、吸着剤の温度変化の監視は、温度変化が標準温度プロファイルから特定量、例えば１０％、２０％、または３０％より大きく異なる場合にアラームを作動させるように監視され得る。いくつかの実施形態では、エラー値を計算し、吸着剤を加熱するために送られる電力を修正することによって温度を調節することができる比例・積分・微分制御装置（ＰＩＤ）によって吸着剤の温度が制御され得る。
【０１３２】
いくつかの実施形態では、方法は、精製ガス内に放電を発生させて精製ガス中の不純物の最終濃度Ｃｆを表すスペクトル放射を得る段階と、スペクトル放射による不純物の最終濃度Ｃｆを監視する段階３６とをさらに含む。該方法は、Ｃｆを標準濃度ＣＲｅｆと比較する段階をさらに含み得る。いくつかの実施形態では、Ｃｆ≧ＣＲｅｆである場合、吸着剤上での不純物の吸着が停止され３８、かつ／または警告信号２８がユーザに送信される。
【０１３３】
（精製システムの実施）
図５から８は、上述の方法を実施するように構成された実施形態を図示する。図７および８は、図６の精製システムに含まれ得る様々なユニットおよび装置をより詳細に図示する。
【０１３４】
図５を参照すると、いくつかの実施形態では、精製ユニット１０４と平行に取り付けられた予備精製ユニット１０２及び精製後ユニット１０６を備える精製システムが提供される。出口精製ガスフロー１０５を生成するために、汚染された希ガスなどの精製対象のガスの入口フロー１０１が精製ユニット１０６に提供される。精製対象のガスフローの入口サンプル１０３が予備精製ユニット１０２へと供給される。精製ガスフロー１０５の出口サンプル１０７が精製後ユニット１０６へと供給される。
【０１３５】
図６を参照すると、いくつかの実施形態では、精製ユニット１０４と同一ラインに取り付けられた予備精製ユニット１０２を備える精製システムが提供される。精製ユニット１０４へと供給される処理前ガスフロー１０９を精製するために、精製対象のガスの入口フロー１０１は予備精製ユニット１０２に直接送られる。
【０１３６】
図５および６を参照すると、予備精製ユニット１０２および精製後ユニット１０６のいずれも、ガスサンプルまたはガスのインラインフロー内に放電を発生させる放電発生装置１０８、１１０を備える。放電を発生させる目的に応じて、放電発生装置１０８、１１０は、リアクタまたは検出器として使用され得ることに留意すべきである。例えば、精製前に不純物を二次不純物へと変換する反応を引き起こすために放電を発生させる場合には、放電発生装置はリアクタに適する。代替的に、ガスからのスペクトル放射を監視して濃度を検出するために放電を発生させる場合には、放電発生装置は検出器に適する。本明細書に記載される放電は、プラズマ放電または放電を含む。したがって、放電リアクタ／検出器は、例えばプラズマ放射検出器または放電リアクタであり得る。インライン放電発生装置１０８（図６に図示するものなど）は、同時にリアクタおよび検出器として使用され得る。いくつかの実施形態では、放電発生装置がリアクタとして使用される場合、反応チャンバがそこに設けられる。不純物を二次不純物へと変換する反応は、反応チャンバにおいて実施することができ、放電によって引き起こされ得る。
【０１３７】
いくつかの実施形態では、放電リアクタ／検出器および監視ユニットは、米国仮出願第６２／１２９，２３１号および第６２／１２９，５７８号に記載されたものであってよく、これらの内容は参照により全体が本明細書に組み込まれる。いくつかの実施形態ではスペクトル放射を監視するための監視ユニット１１２、１１４は、ガスからの発光放電を監視することができる。いくつかの実施形態では、監視装置は、プラズマ発光検出器（ＰＥＤ）を含む。このタイプの装置では、分析対象のガスがプラズマチャンバに供給され、そこで励起場が印加された状態で変換される。化合物は、エネルギー電子の衝突によってイオン化および分解され、分子および原子成分は、より高いエネルギーレベルへと励起され、脱励起過程においてガス中に存在する種のスペクトル特性を表す放射を放出する。したがって、この放射を処理することによって、分析対象のガス中の種の相対濃度および性質に関する情報が提供され得る。
【０１３８】
いくつかの実施形態では、不純物を特徴づけるものとして知られる波長に監視ユニットを適合させることによって、監視されるスペクトル放射が不純物の存在を表すものとなり得、精製対象のガスからの寄与を含まないかまたは最低限しか含まないものとなる。不純物の濃度は二次不純物への変換によって徐々に低下するため、監視されるスペクトル放射からの光の検出は、経時的に監視することができ、続くガス中の不純物の濃度の変化を与え得るスペクトル放射信号を提供する。結果として、スペクトル放射信号の監視される強度は、反応チャンバ内の不純物の濃度に初めは比例する。不純物の二次不純物への変換が続くと、ガス中の不純物が減少するにつれて、スペクトル放射信号の監視される強度が減少する。
【０１３９】
いくつかの実施形態では、監視装置は、プラズマによって放出される光を、スペクトル放射信号を具体化する比例アナログまたはデジタル信号へと変換するフォトダイオードなどの光検出器または類似のものを含み得る。１つの変形例では、光検出器は、プラズマからの光を直接受けるように、プラズマチャンバの１つまたは複数のウィンドウで搭載され得る。別の変形例では、プラズマからの光は、検出のためにプラズマチャンバから外に光を導光する光ファイバへと収集され得る。
【０１４０】
いくつかの実施形態では、プラズマからの光の検出は波長特有であり得るため、本発明の方法によって監視されるスペクトル放射は監視対象の不純物を表す波長の光のみを含む。波長の特定は、様々な方法によって実現され得る。１つの例では、所望のスペクトル成分を有する光のみが光ダイオードに到達するようにプラズマからの光の経路にフィルタが設けられ得る。他の変形例では、例えば光エネルギーをアナログまたはデジタル情報へと変換するスペクトル分解検出器または分光器の使用など、異なる構成を使用して検出された信号からスペクトル情報が抽出される。
【０１４１】
いくつかの実施形態では、処理するガスの量に応じて（例えばサンプル対インラインフロー）、放電リアクタ／検出器のサイズが変更され得る。
【０１４２】
他の実施形態では、放電リアクタは、ガスのインラインフロー内で多段階反応を実施するためのいくつかの放電ゾーンまたはチャンバを含み得る。
【０１４３】
引き続き図５および６を参照して、いくつかの実施形態では、予備精製ユニット１０２は、精製対象のガス１０１内の放電によって形成され、不純物および／または二次不純物の入口濃度の指標であるスペクトル放射を監視するように構成された監視システム１１２を含む。精製後ユニット１０６は、精製ユニット１０４における吸収の異常挙動を検出するように構成された検出システム１１４を含む。当業者は、監視システム１１２および検出システム１１４が、不純物の入口濃度および最終濃度それぞれの指標であるサンプルガスまたはガスのインラインフローからのスペクトル放射を監視しなければならない監視システム１１２および検出システム１１４両方と類似の装置を含み得ることを容易に理解する。いくつかの実施形態では、図７に示されるように、検出システム１１４および放電発生装置１１０は、寿命終了検出器１０６と称される単一の装置に統合され得る。
【０１４４】
図５から８を参照すると、示されたシステムは、対象不純物の入口濃度および最終濃度を特定するためにガスのサンプル／入口フローおよびガスの出口サンプルからの監視されたスペクトル放射を分析するように構成され得る制御装置１１６を含む。
【０１４５】
いくつかの実施形態では、制御装置１１６は、監視されたスペクトル放射プロファイルを既知の標準スペクトル放射プロファイルと比較するようにさらに構成され得る。他の実施形態では、制御装置１１６は、入口／最終濃度を、先に定義した標準濃度および汚染濃度を含む既知の値と比較するように構成され得る。
【０１４６】
いくつかの実施形態では、制御装置１１６はまた、精製ユニット１０４または精製機モジュール１４０、１４２内部の温度に関する情報を受信するように構成され得る。
【０１４７】
いくつかの実施形態では、制御装置１１６は、作動温度、入口濃度、および最終濃度に関する情報によって、予備精製ユニット１０２および精製ユニット１０４の放電リアクタ１０８の作動条件を変更するように構成され得る。
【０１４８】
他の実施形態では、制御装置１１６は、以下の条件の少なくとも１つが満たされたときに、精製ユニットを停止するように、および／またはガスが吸着剤と接触するのを防ぐように構成され得る：作動温度が臨界温度に到達する、不純物の入口濃度が汚染濃度に到達する、および不純物の最終濃度が最大閾値（または標準濃度）に到達する。監視されたスペクトル放射におけるベースラインシフトまたはドリフト、ゴーストピークおよびネガティブピークは精製ユニット１０４の異常挙動の兆候として考えられ得ることにもまた留意すべきである。
【０１４９】
図７を参照して、いくつかの実施形態では、精製ユニット１０４は、第２の精製モジュール１４２と流体連結した第１の精製モジュール１４０を含み得る。第１の精製モジュール１４０は、ゲッタ合金が、窒素およびメタンを含む不純物の吸着温度に相当する第１の温度４５０℃に到達するように動力供給され得る。しかしながら、この温度はＨ２を放出する様々な反応を引き起こす高温と考えられる。第２の精製モジュール１４２は、中にあるゲッタ合金が、Ｈ２を含む不純物の吸着温度に相当する第２の温度１８０℃に到達するように動力供給され得る。より一般的には、精製ユニットは、第１の温度Ｔ１に加熱された第１のゲッタ合金および第２の温度Ｔ２に加熱された第２のゲッタ合金を含み得る。第１および第２の吸着剤は、各々臨界温度Ｔｃ１およびＴｃ２を有し得る。いくつかの実施形態では、Ｔ１が第１のゲッタ合金上で不純物を吸着するのに適した温度であるように、Ｔ１＞Ｔ２である。第１の吸着ステップの副生成物（例えばＨ２の放出）は、副生成物を吸着するのに適したより低温で第２のゲッタ合金上に吸着され得る。制御装置１１６は、温度Ｔ１およびＴ２の両方を監視するように構成され得る。いくつかの実施形態では、Ｔ１＜Ｔｃ１，である場合、第１の吸着剤上で不純物を吸着するために、ガスは第１の不純物と接触させることができる。いくつかの実施形態では、Ｔ２＜Ｔｃ２である場合、第２の吸着剤上で不純物を吸着するために、ガスは第２の吸着剤と接触させることができる。２つの吸着剤のいずれかの監視された温度が臨界温度を超えた場合、吸着は停止され得、かつ／またはユーザに警告信号が送信され得る。
【０１５０】
引き続き図７を参照して、いくつかの実施形態では、精製対象のガス１０１をドープ剤ディスペンサ１２２（例えば浸透管、膜または類似の器具）に通過させることによって、水分ドープが実施され得る。放電リアクタ１０８における前処理後にガス中に残留する水分は、精製の前に、下流のトラップ材１１８によって捕捉され得る。トラップ材１１８は、分子ふるい１３Ｘが充填された管であってよく、管は放電リアクタ１０８の出口に装着される。図６に図示されたトラップ材１１８は、精製の前に、様々な不純物または二次不純物の入口濃度を少なくとも低減することを可能にする任意のトラップ材であり得る。例えば、トラップ材１１８はニッケル系触媒であり得る。
【０１５１】
図８を参照して、いくつかの実施形態では、精製ユニット１０４の上流にフロー制御装置１２４が設けられる。フロー制御装置１２４は、制御ユニット１１６が、放電リアクタ１０８と精製ユニット１０４との間の流体連結を可能にするようにフロー制御装置１２４に命令するかまたは、放電発生器１０８と精製ユニット１０４との間の流体連結を防止するようにフロー制御装置に命令するように、制御ユニット１１６に動作可能に接続され得る。いくつかの実施形態では、フロー制御装置１２４は三方弁である。フロー制御装置は、例えば、図８に示すように放電発生器１０８とトラップ材１１８との間、トラップ材１１８と精製ユニット１０４との間（図８に図示せず）、またはトラップ剤１１８が存在せずプラズマ放電発生器と精製ユニット１０４との間に直接配置することができる。いくつかの実施形態では、放電発生器１０８と精製ユニット１０４との間の流体連結が防止される場合には、フロー制御装置１２４は、プラズマ放電発生器１０８の上流またはドープ剤ディスペンサ１２２の上流にガスを経路変更するように構成され得る。
【０１５２】
いくつかの実施形態では、制御装置１１６は、吸着剤の温度および／または不純物の濃度を制御するための比例・積分・微分制御装置（ＰＩＤ）を含み得る。例えば、吸着剤の温度は先に記載したように制御することができ、不純物の濃度は、放電リアクタ１０８における滞留時間を修正することによって、または放電リアクタ１０８へとガスを戻すようにフロー制御装置１２４を作動させることによって制御することができる。
【０１５３】
いくつかの実施形態では、吸着剤の寿命の初めに精製されたガスから発生したスペクトル放射が監視され、発光波長強度およびベースラインレベル値を含む標準スペクトル放射プロファイルとして記録され得る。
【０１５４】
スペクトル放射プロファイルがガス圧によって変化し得ることは当業者によって容易に理解され得る。圧力に基づくプロファイルの変動を避けるために、本発明のシステムは、放電の発生の間の圧力を生成ユニットにおける動作圧力と同一にするために、圧力変換器を備え得る。代替として、本発明の方法は、スペクトル放射強度を補正するために、圧力変化に関連した監視されるスペクトル放射のベースラインシフトを補正する段階を含み得る。
【０１５５】
本システムおよび方法の実施により、不純物の濃度をｐｐｂレベルまで低減させると同時に吸着剤の寿命を延長させる安定した安全な精製プロセスが得られる。
【符号の説明】
【０１５６】
１０２  予備精製ユニット
１０４  精製ユニット
１０６  精製後ユニット
１０８、１１０  放電発生器
１１２、１１４  監視ユニット
１１６  制御ユニット
１１８  トラップ
１２２  ドープ剤ディスペンサ
１２４  フロー制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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