JP2011021976A - 固体材料の水素分析方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 固体材料表面の測定部位に不活性ガスを供給するガス供給工程と、前記測定部位に向かってレーザーを照射することで前記測定部位にプラズマを発生させるレーザー照射工程と、レーザー照射中においてプラズマから発せられる光を測定して、測定された水素の発光波長の発光強度に基づいて前記固体材料に含まれる水素濃度を分析する分析工程とを有し、前記ガス供給工程では、少なくともプラズマが発生した領域における前記不活性ガスの圧力が、前記測定部位の周囲の圧力よりも高圧になるように、前記不活性ガスを供給する水素分析方法である。
【選択図】 図2
Description
また、本願の発明者らは、大気圧ヘリウム雰囲気中においてジルカロイの表面にTEACO2レーザー及びYAGレーザーを照射してレーザープラズマ分光分析を行い、水素プラズマ発光強度とジルカロイ中の水素濃度との間に相関関係があることを確認しており、大気圧下のヘリウム雰囲気中での二重パルスレーザー照射プラズマ分光分析法による水素濃度の定量分析手法を報告している(非特許文献1から3参照)。
図8は、上記した従来の水素分析装置を用いた場合において、固体材料に含まれる水素濃度(ppm)とHα発光強度との関係を示すグラフである。このグラフからは、固体材料に含まれる水素濃度が0になってもHα発光強度が0にはならないことがわかる。このことは、従来の水分除去作業では、残留水分を0にすることは困難であることを示している。
本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、固体材料に含まれる水素以外の水素の影響をほぼ完全に除去して、当該固体材料に含まれる水素濃度の定量分析を正確に行うことができる水素分析方法及びその装置の提供を目的とする。
そのため、本発明の発明者は、図9に示すような実験装置を作製して実験を行った。
この実験装置で、密閉容器100内に配置した金属材料Sの先端に、金属材料Sの軸線と同方向から、レンズ200で集光したレーザー光を照射する。これにより金属材料Sの先端にプラズマが発生し(プラズマが発生した領域を符号Pで示す)、このプラズマを図示しない分光分析器で分析して水素濃度を測定した。
この方法によれば、プラズマ化する領域の圧力が測定部位の周囲の圧力よりも高いので、水分が前記領域に浸入しにくくなる。
この方法では、プラズマ化する領域がチャンバによって周囲の雰囲気から隔離されているので、前記雰囲気中の水分が前記領域に浸入することはない。また、チャンバの容量が小さいので、たとえチャンバの加熱と真空引きによっても水分が完全に除去できなくても、残留する水分の絶対量がきわめて微量であるため、固体材料の水素濃度分析に与える影響をきわめて小さくすることができる。
なお、請求項1,2に記載の方法はそれぞれ単独で実施しても効果が得られるが、請求項2に記載の発明に請求項1に記載の発明を組み合わせすることで、より高精度に水素濃度分析を行うことができる。
この構成によれば、プラズマ化する領域の圧力が測定部位の周囲の圧力よりも高いので、水分が前記領域に浸入しにくくなる。
この場合、前記ガス供給手段から前記測定部位に前記不活性ガスを供給するガス供給口は、請求項4に記載するように、前記ガス供給手段から前記測定部位に前記不活性ガスを供給するガス供給口を、前記測定部位を中心とする円周上に複数配置するとよい。また、請求項5に記載するように、前記ガス供給手段から前記測定部位に前記不活性ガスを供給するガス供給口に対向して遮蔽部材を設けてもよい。
このようにすることで、プラズマ化する領域の不活性ガスの圧力を容易に高めることができる。
前記チャンバは、プラズマが発生する領域よりも大きい範囲内で可能な限り小さい容量であるのが好ましい。
この構成によれば、プラズマが発生した領域がチャンバによって周囲の雰囲気から隔離され、かつ、チャンバの内容積が十分に小さいので、残留することのある水分の絶対量も微量である。そのため、プラズマが発生した領域に前記雰囲気中の水分由来の水素が侵入することがない。
図1は、本発明の第一の実施形態にかかる水素分析装置の概略図、図2は、レーザー照射時における測定部位の拡大図である。
水素分析装置1は、分析する固体材料である金属材料Sを載置する載置台3と、この載置台3に載置された金属材料Sの測定部位にレーザーを照射するレーザー照射手段2と、金属材料Sの前記測定部位に向けてからヘリウムや窒素,アルゴン等の不活性ガスを供給するガス供給手段4と、レーザー照射により発生したプラズマの光を受光して水素濃度の分析を行う分析手段5とを有している。
本発明に用いることのできる金属材料Sは、表面の所定の測定部位がレーザー照射手段2から出力されるレーザー光の光軸に一致するように位置決めされている。金属材料Sとしては、水素を内蔵する金属材料であれば、分析対象とすることができる。特に、水素による脆化が問題となるジルカロイ等のジルコニウム系材料、チタン系材料、鉄鋼等の鉄系材料といった金属材料を分析する場合に好適である。
[レーザー照射手段] レーザー照射手段2は、パルス発生器22からのパルス信号に生成されたパルス状のレーザー光を、出力部21から金属材料Sの測定部位に向けて出力する。 出力されるレーザー光は、金属材料S表面にアブレーションを生じない程度で表面近傍にプラズマを発生させるエネルギ密度を有するものである。例えば、炭酸ガスレーザーを用いる場合には、パワー密度108〜5×109W/cm2でパルス幅50〜500ナノ秒のレーザー照射装置を用いればよい。なお、こうしたレーザー光を照射することが可能であれば、炭酸ガスレーザー以外のレーザー、例えばYAG (イットリウム・アルミニウム・ガーネット)レーザーを用いることができる。なお、炭酸ガスレーザーを用いて不活性ガス中の前記測定部位にレーザー光を照射することで前記測定部位近傍の不活性ガスがプラズマ化し、YAGレーザーを用いてレーザー光を照射することで前記測定部位の金属材料Sがプラズマ化する。
供給管41の先端のガス噴射口41aは、図2に示すように、レーザー光が照射される測定部位(図2において黒塗りの部分)の近傍に配置される。測定部位の中心とガス噴射口41aとの間の距離Lは、レーザー光の照射によってプラズマ化される領域Pの不活性ガスの圧力が、領域Pの外側の雰囲気の圧力よりも高くなるようにする。このように領域Pの圧力をこれより外側の雰囲気の圧力より高くすることで、雰囲気中の水分の領域P内への侵入を阻止することができる。
距離Lは、発生するプラズマの大きさ、噴射される不活性ガスの単位時間当たりの供給量及びガス噴射口41aの口径、測定部位の周囲に設置するガス噴射口41aの数等の条件によって決定されが、水素濃度の分析に支障を与えない範囲内で前記測定部位に可能な限り近いものであるのが好ましい。具体的には、少なくとも照射されるレーザー光の半径よりも僅かに大きい程度(レーザー光の直径が1.0mmの場合は、0.5mm〜1mm程度)とするのがよい。 ガス噴射口41aの数は、領域Pの圧力をこれより外側の雰囲気の圧力より高くすることができるのであれば、一つであってもよいし、複数であってもよい。 ガス噴射口41aを複数設ける場合は、一つのガス供給手段4から前記複数のガス噴射口41aに不活性ガスが分配・供給されるようにしてもよいし、図示の例のように、複数のガス供給手段4から複数のガス噴射口41aに不活性ガスが供給されるようにしてもよい。
図3(a)〜(d)は、ガス噴射口41aの配置例を示す概略平面図である。中央の黒い点は測定部位、つまりレーザー光が照射される部位を表している。 ガス噴射口41aを複数設ける場合は、ガス噴射口41aの口径及び単位時間当たりのガス供給量を同じにするとともに、図3(a),(b)に示すように、前記測定部位を中心とする半径L(Lについては図2参照)の同一の円周R上に配置するのが好ましい。なお、複数のガス噴射口41aの間隔は、図示の例のように均等間隔としてもよいが、領域Pの圧力をこれより外側の雰囲気の圧力より高くすることができるのであれば、領域Pの圧力をこれより外側の雰囲気の圧力より高くすることができるのであれば、不均等であってもよい。 図3(a)に示す例では、二つのガス供給管41の二つのガス噴射口41aを対向して配置し、図3(b)に示す例では、四つのガス供給管41のガス噴射口41aを対向して配置している。
[分析手段] 分析手段5は、金属材料Sの測定部位の近傍に生じるプラズマの発光状態を測定するための光ファイバ51と、この光ファイバ51に入射した光が入力され、入力された光を分析する分析器52と、この分析器52による分析結果を送信して表示する表示部53とを有している。
分析器52は、入力された光を分光して波長毎の発光強度を測定し、後述するように、水素の発光波長(Hα;656.2nm)及び酸素の発光波長(777.1nm)の発光強度に基づいて測定部位に含まれる水素を定量的に分析する。 なお、光ファイバ51の代わりに所定範囲の光波長のみを通過させる光学フィルタを装着した光電増倍管を設けて、水素及び酸素の発光波長を含む範囲の波長の光のみを光電増倍管に入射させて測定し、分析するようにしてもよい。
[作用の説明] 上記構成の水素分析装置1の作用を、本発明の水素分析方法の一実施形態とともに説明する。 レーザー光を金属材料S表面の測定部位に照射するに先立ち、載置台3,金属材料S及びガス供給管41等を加熱し、水分を除去する。また、前記測定部位にレーザーの予備照射を行い、前記測定部位に残存している可能性のある微量の水分を飛ばす。 次いで、弁43を開いて、ガス供給管41のガス噴射口41aから測定部位に向けて不活性ガスを噴射させる。不活性ガスの供給量が規定値に達したら、レーザー光を金属材料S表面の測定部位に照射する。これにより、測定部位の近傍にプラズマが発生する。
図4は本発明の水素分析装置の第二の実施形態である。なお、先の実施形態と同一部位,同一部材には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。 この実施形態の水素分析装置1′では、密閉可能な密閉容器8内に載置台3を設け、密閉容器8の上部にレーザー光が通過する窓部81を設けている。ガス供給管41の先端が密閉容器8の内部に導入され、先の実施形態と同様に、載置台3に載置された金属材料Sの測定部位の近傍に配置される。 密閉容器8内の圧力を一定に保つために、密閉容器8には排気管83が接続され、密閉容器8の外部に配置された吸気ポンプ85に弁84を介して接続されている。
この実施形態においても、測定部位の近傍に配置したガス噴射口から不活性ガスを噴射して少なくとも不活性ガスが、プラズマが発生する領域Pの圧力を密閉容器8内の他の部分の圧力よりも高くする。
この実施形態では、密閉された密閉容器8を水素含有量が0の不活性ガスで満たすことができるので、密閉容器8内の雰囲気中の水素がプラズマ中に侵入する可能性をより小さくすることができる。
図5に本発明の第三の実施形態を示す。図5では、測定部位の近傍を拡大図で示している。
先の実施形態では、測定部位の近傍にガス供給管41のガス噴射口41aを配置し、ガス噴射口41aから噴射される不活性ガスにより、少なくともプラズマが発生する領域Pの圧力を、その周囲の雰囲気の圧力より高くすることで、前記雰囲気中の水素がプラズマ中に侵入しないようにしていた。
チャンバ9の形状は立方形状でも半球状でよい。また、チャンバ9の大きさは、レーザーの種類及び出力、金属材料Sの種類、不活性ガスの種類及び測定部位周辺の不活性ガスの圧力等の条件によって異なるが、例えば、出力500mJの炭酸ガスレーザーを用いて大気圧と同程度のHe雰囲気中でジルコニア(Zr)にレーザー光を照射した場合のプラズマの平均直径が1cm程度であることから、1cmを目安に可能な限り小さいチャンバ9を準備するとよい。
チャンバ9は、第二の実施形態の密閉容器8と同様に密閉できるのが好ましく、レーザー光が通過する窓91と、チャンバ9内の圧力を一定に保つための排気管93とが設けられている。
なお、この実施形態においては、先の実施形態と同様にガス噴射口41aを前記測定部位の近傍に配置し、プラズマ化する領域Pの圧力をチャンバ9内の雰囲気の圧力よりも高くすることで、前記雰囲気中からプラズマ中への水素の侵入をさらに抑制することができる。
第二の実施形態の水素分析装置1′を使って、本発明の実証実験を行った。設定した条件は以下のとおりである。
なお、金属材料としては、含有水素濃度0ppmのジルコニア(Zr)を用いた。また、密閉容器8内の雰囲気の圧力は大気圧より僅かに高いものとした。
(1)ガス噴射口
口径 1.5mm
数 1個
測定部位の中心からの距離L L=0.5mm
ガスの種類 He
ガスの流量 7リットル/分
(2)レーザー
レーザーの種類 YAGレーザー
パルス幅 8ns
エネルギ 100mJ
(3) 分光器
多チャンネル型分光器(ATAGO Macs−320)
ガスの流量を2リットル/分とした以外は上記と同じ条件とした。この程度の流量では、プラズマ化する領域Pは周囲の雰囲気の圧力とほぼ同じ状態であると考えられる。
図6のグラフに示すように、水素(H)の発光波長(656.2nm)においてピークがみられず、水分由来の水素が検出されていないことがわかる。 図7のグラフでは、水素(H)の発光波長(656.2nm)においてピークがみられ、水分由来の水素が検出されている。 以上の結果から、プラズマが発生する領域Pの圧力を雰囲気の圧力より高くすることで、前記雰囲気から水分由来の水素が、プラズマが発生した領域Pに侵入しないようにできることがわかる。
1,1′ 水素分析装置
2 レーザー照射手段
3 載置台
4 ガス供給手段
41 ガス供給管
41a ガス噴射口
42 ガスボンベ
5 分析手段
6 コントローラ
8 密閉容器
9 チャンバ
Claims (6)
- 固体材料表面の測定部位に不活性ガスを供給しつつレーザーを照射して前記測定部位にプラズマを発生させ、このプラズマの光から前記測定部位の水素を分析する固体材料の水素分析方法において、
前記固体材料表面の測定部位に不活性ガスを供給するガス供給工程と、
前記測定部位に向けてレーザーを照射することで前記測定部位にプラズマを発生させるレーザー照射工程と、
レーザー照射中においてプラズマから発せられる光を測定して、測定された水素の発光波長の発光強度に基づいて前記固体材料に含まれる水素濃度を分析する分析工程とを有し、
前記ガス供給工程では、少なくともプラズマが発生した領域における前記不活性ガスの圧力が、前記測定部位の周囲の圧力よりも高圧になるように、前記不活性ガスを供給すること、
を特徴とする固体材料の水素分析方法。 - 固体材料表面の測定部位に不活性ガスを供給しつつレーザーを照射して前記測定部位にプラズマを発生させ、このプラズマの光から前記測定部位の水素を分析する固体材料の水素分析方法において、
前記測定部位を収容できる大きさであって、少なくともプラズマが発生する領域よりも大きいチャンバを準備する工程と、
このチャンバ内に前記測定部位を配置する工程と、
前記チャンバ内に不活性ガスを供給するガス供給工程と、
前記測定部位に向かってレーザーを照射することで前記測定部位にプラズマを発生させるレーザー照射工程と、
レーザー照射中においてプラズマから発せられる光を測定して、測定された水素の発光波長の発光強度に基づいて前記固体材料に含まれる水素濃度を分析する分析工程とを有すること、
を特徴とする固体材料の水素分析方法。 - 固体材料表面の測定部位に不活性ガスを供給しつつレーザーを照射して前記測定部位にプラズマを発生させ、このプラズマの光から前記測定部位の水素を分析する固体材料の水素分析装置において、
固体材料表面の測定部位に不活性ガスを供給するガス供給手段と、
前記測定部位に向かってレーザーを照射することで前記測定部位にプラズマを発生させるレーザー照射手段と、
レーザー照射中においてプラズマから発せられる光を測定して、測定された水素の発光波長の発光強度に基づいて前記固体材料に含まれる水素濃度を分析する分析手段とを有し、
前記ガス供給手段は、少なくともプラズマが発生した領域における前記不活性ガスの圧力が、前記測定部位の周囲の圧力よりも高圧になるように、前記不活性ガスを供給すること、
を特徴とする固体材料の水素分析装置。 - 前記ガス供給手段から前記測定部位に前記不活性ガスを供給するガス供給口を、前記測定部位を中心とする円周上に複数配置したことを特徴とする請求項3に記載の固体材料の水素分析装置。
- 前記ガス供給手段から前記測定部位に前記不活性ガスを供給するガス供給口に対向して遮蔽部材を設けたことを特徴とする請求項3又は4に記載の固体材料の水素分析装置。
- 固体材料表面の測定部位に不活性ガスを供給しつつレーザーを照射してプラズマを発生させ、このプラズマの光から前記測定部位の水素を分析する固体材料の水素分析装置において、
前記測定部位を収容できる大きさであって、少なくともプラズマが発生する領域よりも大きいチャンバと、
前記チャンバに不活性ガスを供給するガス供給手段と、
前記チャンバに収容された前記測定部位に向かってレーザーを照射することで前記測定部位にプラズマを発生させるレーザー照射手段と、
レーザー照射中においてプラズマから発せられた光を測定して、測定された水素の発光波長の発光強度に基づいて前記固体材料に含まれる水素濃度を分析する分析手段とを有すること、
を特徴とする固体材料の水素分析装置。
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