Metal foil pumps (MFPs) are the leading technology for direct internal recycling (DIR) of hydrogen isotopes from the plasma exhaust in future fusion plants. MFPs rely on the concept of superpermeation, where superthermal H atoms directly absorb into the metal foil, rapidly diffuse, and desorb downstream. To date, studies of superpermeation have predominantly employed either pure hydrogen or in some cases trace levels of impurities. The plasma exhaust is expected to contain just ∼1% helium, but in DIR the source gas would be enriched in helium as hydrogen isotopes are extracted. In this work, we explore the impact of helium on hydrogen superpermeation at low temperature (75 °C–200 °C) using Pd-based foils. To first order, the flux scaled linearly with the hydrogen mole fraction. Stable permeation was observed until the helium fraction reached ∼80%, where the flux began to decline slowly with time. In addition, short term (1–5 min) exposure to pure helium plasma significantly attenuated subsequent hydrogen plasma permeation, and the degree was more dramatic at elevated temperature. This attenuation was correlated with He retention in the foils, which was detected by time-of-flight secondary ion mass spectrometry at low levels (<0.1 at. %) and limited to the near surface (<10 nm). Similar trends were observed among all alloys (Pd, PdAg, PdCu), and the foils were restored to full performance with an Ar+ sputter clean. The potential for helium plasma exposure to impact MFP performance under these conditions has not been previously reported, and these findings have significant implications to the design and implementation of practical DIR systems.
金属箔ポンプ（MFP）は、将来の核融合炉においてプラズマ排気から水素同位体を直接内部リサイクル（DIR）するための主要技術である。MFPはスーパー透過の概念に依存しており、超熱H原子が金属箔に直接吸収され、急速に拡散し、下流で脱着する。これまで、スーパー透過の研究は、主に純水素か、場合によっては微量レベルの不純物を用いて行われてきた。プラズマ排気にはわずか∼1%のヘリウムしか含まれないと予想されるが、DIRでは水素同位体が抽出されるにつれて、供給ガスはヘリウムに富むようになる。本研究では、Pd系箔を用いて、低温（75 °C–200 °C）での水素スーパー透過に対するヘリウムの影響を調査する。一次近似として、フラックスは水素モル分率に線形に比例した。ヘリウム分率が∼80%に達するまで安定した透過が観察され、そこでフラックスは時間とともにゆっくりと低下し始めた。さらに、純ヘリウムプラズマへの短期間（1–5 min）の曝露により、その後の水素プラズマ透過が著しく減衰し、その程度は高温でより顕著であった。この減衰は、飛行時間型二次イオン質量分析法によって低レベル（<0.1 at. %）で検出され、表面近傍（<10 nm）に限られた、箔中のHe保持と相関していた。同様の傾向がすべての合金（Pd、PdAg、PdCu）で観察され、箔はAr+スパッタ洗浄によって完全な性能に回復した。これらの条件下でヘリウムプラズマ曝露がMFP性能に影響を与える可能性はこれまで報告されておらず、これらの発見は実用的なDIRシステムの設計と実装に重要な意味を持つ。