JP2016011842A

JP2016011842A - 昇温脱離分析装置、該装置に用いられる試料台および昇温脱離分析方法

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Publication number: JP2016011842A
Application number: JP2014132229A
Authority: JP
Inventors: 隆次大熊; Ryuji Okuma
Original assignee: Sumika Chemical Analysis Service Ltd
Current assignee: Sumika Chemical Analysis Service Ltd
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2034-06-27
Also published as: JP6357032B2

Abstract

【課題】昇華する金属と低分子量ガスを含む材料の昇温脱離分析において、検出器の感度が低下せず、該ガス含有量の定量的分析、該ガスのトラップサイトの識別が昇温脱離分析装置、試料台および分析方法を提供する。
【解決手段】真空チャンバー、検出器、試料ステージ、加熱器および一対の箱と蓋からなり、蓋の内側に金薄膜を有する試料台とからなる昇温脱離分析装置、
また、真空チャンバー、検出器、該検出器の前に設置され内部に金薄膜を有する金属板を含むフィルター、試料ステージ、加熱器および箱からなる試料台とからなる昇温脱離分析装置、
また、前記昇温脱離分析装置を用いて、昇華する金属と低分子量ガスを含む材料から脱離した該ガスのイオン強度を検出し、昇華する金属蒸気を金薄膜でトラップし、同時に該ガスの昇温脱離スペクトルを得ることによって、該ガスの含有量およびトラップサイトを分析する昇温脱離分析方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、昇温脱離分析装置、該装置に用いられる試料台および昇温脱離分析方法に関するものである。詳細には、昇華する金属と低分子量ガスを含む材料の昇温脱離分析において、昇華する金属によって検出器の感度が低下することなく、前記材料に含まれる低分子量ガスの含有量を定量的に分析し、前記材料中における低分子量ガスのトラップサイトを識別することができる昇温脱離分析装置、該装置に用いられる試料台および昇温脱離分析方法に関するものである。

亜鉛めっきは防食に有効なめっき手法として利用されている。しかし、亜鉛は水素拡散係数が小さく、水素が拡散しにくいため、亜鉛めっき下の鋼中に水素が残留し、亜鉛めっき鋼は水素脆化の影響を受けやすいと言われている。水素脆化評価として、水素分析は重要な評価の一つであり、従来から、亜鉛めっき鋼の水素脆化評価法として、亜鉛めっき鋼に含まれる水素の分析装置や分析方法が知られている。

例えば、非特許文献１には、亜鉛をトラップする石英試料台を用いる亜鉛めっき鋼に含まれる水素の分析方法が記載されている。

ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ「水素脆化研究の基盤構築」シンポジウム（２００９．９．１６）水素吸蔵した亜鉛めっき鋼の昇温脱離分析（株式会社住化分析センター大熊隆次堀川崇史藤原豊）

しかしながら、前記非特許文献１に記載の水素分析方法においても、亜鉛は約１００℃付近から昇華し、昇華した亜鉛が検出器に達すると、検出器の感度が低下し、更には装置の故障にたる恐れがあるため、亜鉛が昇華する約１００℃までで、測定を中止しなければならなかった。

かかる状況の下、本発明の目的は、昇華する金属と低分子量ガスを含む材料の昇温脱離分析において、昇華する金属によって検出器の感度が低下することなく、前記材料に含まれる低分子量ガスの含有量を定量的に分析し、前記材料中における低分子量ガスのトラップサイトを識別することができる昇温脱離分析装置、該装置に用いられる試料台および昇温脱離分析方法を提供することにある

本発明者は、本発明が上記の課題を解決することができることを見出した。
すなわち、本発明は、
〔１〕真空チャンバーと、
真空チャンバー内に設置される検出器と、
真空チャンバー内に設置される試料ステージと、
試料ステージを加熱する加熱器と、
一対の箱と蓋からなり、蓋の内側に金薄膜を有し、試料ステージに載置される試料台とからなる昇温脱離分析装置に係るものである。

また、本発明は、
〔２〕真空チャンバーと、
真空チャンバー内に設置される検出器と、
該検出器の前に設置され、内部に金薄膜を有する金属板を含むフィルターと、
真空チャンバー内に設置される試料ステージと、
試料ステージを加熱する加熱器と、
箱からなり、試料ステージに載置される試料台と
からなる昇温脱離分析装置に係るものである。

また、本発明は、
〔３〕昇華する金属と低分子量ガスを含む材料に含まれる
低分子量ガスの含有量、および、
前記材料中における低分子量ガスのトラップサイトを分析する
前記〔１〕または〔２〕に記載の昇温脱離分析装置に係るものである。

また、本発明は、
〔４〕前記〔１〕に記載の昇温脱離分析装置に用いられる
一対の箱と蓋からなり、蓋の内側に金薄膜を有する試料台に係るものである。

また、本発明は、
〔５〕前記〔１〕または〔２〕に記載の昇温脱離分析装置を用いて、
試料台内に昇華する金属と低分子量ガスを含む材料を載置し、
加熱器によって試料台内の前記材料を室温から所定の温度まで加熱し、
前記材料から脱離した低分子量ガスのイオン強度を検出器で検出し、
昇華する金属蒸気を、金薄膜でトラップし、
同時に低分子量ガスの昇温脱離スペクトルを得ることによって、
前記材料に含まれる低分子量ガスの含有量、および、
前記材料中における低分子量ガスのトラップサイトを分析する
昇温脱離分析方法に係るものである。

本発明の昇温脱離分析装置、該装置に用いられる試料台および昇温脱離分析方法によって、昇華する金属と低分子量ガスを含む材料の昇温脱離分析において、昇華する金属によって検出器の感度が低下することなく、前記材料に含まれる低分子量ガスの含有量を定量的に分析し、前記材料中における低分子量ガスのトラップサイトを識別することができる。

昇温脱離分析装置の概略図である。昇温脱離分離装置の試料台の概略図である。昇温脱離分析装置の試料台の断面図である。昇温脱離分析装置の概略図である。昇温脱離分析装置のフィルターの概略図である。電気亜鉛めっき鋼ＳＣＭ４３５の昇温脱離スペクトル（水素）である。アルミニウム合金Ａ５０５２の昇温脱離スペクトル（水素）である。

〔昇温脱離分析装置１〕
本発明の一つである昇温脱離分析装置１の概略図を図１に示す。
昇温脱離分析装置１は、
真空チャンバー２と、
真空チャンバー内に設置される検出器３と、
真空チャンバー内に設置される試料ステージ４と、
試料ステージを加熱する加熱器５と、
一対の箱７と蓋８からなり、蓋８の内側に金薄膜１１を有し、試料ステージに載置される試料台６と
からなる昇温脱離分析装置である。

分析試料９は、試料台６の箱７の内部に載置され、分析試料９が加熱される。分析試料９が昇華する金属と低分子量ガスを含む材料である場合、昇華する金属は昇華して分析試料９から脱離し、低分子量ガスは脱離ガス１０として分析試料９から脱離する。

〔真空チャンバー〕
昇温脱離分析装置１の真空チャンバー２は、金属製の箱体であって、
その内部を超高真空もしくは高真空の状態で保持することができる。超高真空の状態とは、圧力が１０^-5Ｐａ以下の状態であり、高真空の状態とは１０^―5Pa以上から１０^―1Pa以下の状態である。真空チャンバー２内の圧力は、試料からの脱離ガスの量に応じて変化するが、１０^-8Ｐａ以上１０^-3Ｐａ以下で保持することができる。

〔検出器〕
昇温脱離分析装置１の検出器３は、質量分析計であって、
分析試料９から脱離する低分子量ガスである脱離ガス１０のイオン強度を測定することができ、検出器３によって、低分子量ガスの昇温脱離スペクトルが得られる。

〔試料ステージ〕
昇温脱離分析装置１の試料ステージ４は、試料台６が載置されるステージであって、加熱器５の熱が、試料ステージ４を通じて試料台６およびその箱７の内部に載置される分析試料９に伝わる。

〔加熱器〕
昇温脱離分析装置１の加熱器５は、赤外線加熱器であって、
加熱器５の熱が、試料ステージ４を通じて試料台６およびその箱７の内部に載置される分析試料９に伝わり、分析試料９が加熱される。

〔試料台〕
昇温脱離分析装置１の試料台６の概略図を、図２および図３に示す。
試料台６は、図２のとおり、一対の箱７と蓋８からなり、図３のとおり、蓋８の内側に金薄膜１１を有する。そして、分析試料９が、箱７の内部に載置される。

分析試料９が、昇華する金属と低分子量ガスを含む材料である場合、
箱７の内部に載置された分析試料９が加熱されると、
昇華する金属は昇華して分析試料９から脱離し、
蓋８の内側の金薄膜１１にトラップされる。
低分子量ガスは脱離ガス１０として分析試料９から脱離して、金薄膜１１にトラップされず、試料台６の内側から外側へ拡散し、検出器３によって脱離ガスのイオン強度が測定される。

金薄膜１１の厚みは、通常２００Å以上１０μｍ以下であり、金蒸着膜の場合は、好ましくは８００Å以上１２００Å以下である。

〔昇温脱離分析装置２０〕
本発明の一つである昇温脱離分析装置２０の概略図を図４に示す。
昇温脱離分析装置２０は、
真空チャンバー２と、
真空チャンバー内に設置される検出器３と、
該検出器の前に設置され、内部に金薄膜を有する金属板を含むフィルター１２と、
真空チャンバー内に設置される試料ステージ４と、
試料ステージを加熱する加熱器５と、
箱７’からなり、試料ステージに載置される試料台６’と
からなる昇温脱離分析装置である。

昇温脱離分析装置２０の真空チャンバー２、検出器３、試料ステージ４および加熱器５には、昇温脱離分析装置１の真空チャンバー２、検出器３、試料ステージ４および加熱器５と同じものが用いられる。

〔試料台〕
昇温脱離分析装置２０の試料台６’は、箱７’のみからなり、分析試料９が、箱７’の内部に載置される。

〔フィルター〕
フィルターの概略図を、図５に示す。
昇温脱離分析装置２０のフィルター１２は、
孔１６を有する金属製の外体１５と、
外体１５の内面に支持され表面に金薄膜１３を有する複数枚の金属板１４を含み、
検出器３の前に設置される。
金属板１４は外体１５の内部に設置される大きさであって、金属板１４と外体１５の内面との間には一部隙間ができるように設置される。この隙間の位置が、外体１５に対して同じ位置にならないように、金属板１４が設置される。例えば、前記隙間の位置が、外体１５に対して、交互に反対に位置するように金属板１４が設置される。

分析試料９が、昇華する金属と低分子量ガスを含む材料である場合、
箱７’の内部に載置された分析試料９が加熱されると、
昇華する金属は昇華して分析試料９から脱離し、
検出器３の前に設置されているフィルター１２の内部に入り、表面に金薄膜１３を有した金属板１４に衝突し、金薄膜１３にトラップされる。昇華する金属の一部は、トラップされずに隙間を通り抜ける可能性がある。その場合は、２枚目以降の金属板１４に衝突し、トラップされる。
低分子量ガスは脱離ガス１０として分析試料９から脱離して、フィルター１２の内部を通り、金薄膜１３にトラップされず、検出器３によって脱離ガスのイオン強度が測定される。

金薄膜１３の厚みは、通常２００Å以上１０μｍ以下であり、金蒸着膜の場合は、好ましくは８００Å以上１２００Å以下である。

〔昇温脱離分析方法〕
本発明の昇温脱離分析方法は、
前記〔１〕または〔２〕に記載の昇温脱離分析装置を用いて、
試料台内に昇華する金属と低分子量ガスを含む材料（分析試料９）を載置し、
加熱器３によって試料台６（または試料台６’）内の前記材料を室温から所定の温度まで加熱し、昇華する金属蒸気を、金薄膜でトラップし、
同時に前記材料から脱離した低分子量ガス１０のイオン強度を検出器３で検出し、
低分子量ガスの昇温脱離スペクトルを得ることによって、
前記材料に含まれる低分子量ガスの含有量、および、
前記材料中における低分子量ガスのトラップサイトを分析する
昇温脱離分析方法である。

〔昇華する金属と低分子量ガスを含む材料〕
本発明の昇温脱離分析方法で用いる分析試料９は、
金属と低分子量ガスを含む材料であって、金属（ただし、前記の昇華する金属とは異なる金属）やセラミックスなどが挙げられる。

〔昇華する金属〕
分析試料９に含まれる昇華する金属としては、金（Ａｕ）の蒸気圧曲線より低温側に蒸気圧曲線を有する金属であれば良い。例えば、Ｚｎ、Ｍｇ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕなどが挙げられる。

〔低分子量ガス〕
分析試料９に含まれる低分子量ガスとしては、質量分析計で検出される低分子量ガスであれば良い。例えば、水素分子（Ｈ₂）、水（Ｈ₂Ｏ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、酸化硫黄（ＳＯ_x）などが挙げられる。

〔真空チャンバーの圧力〕
本発明の昇温脱離分析方法において、真空チャンバーの圧力は、１０^-8Ｐａ以上１０^-3Ｐａ以下の範囲の圧力であり、分析試料９に含まれる昇華する金属が昇華し、低分子量ガスが脱離する圧力であれば良い。

〔加熱温度〕
本発明の昇温脱離分析方法において、分析試料９の加熱温度は、通常、室温以上１０００℃以下の範囲であり、分析試料９に含まれる昇華する金属が昇華し、低分子量ガスが脱離する温度であれば良い。鉄鋼中の拡散性水素を見る目的では、好ましくは室温以上６００℃以下である。

〔イオン強度〕
本発明の昇温脱離分析方法において、低分子量ガスのイオン強度は、質量分析計によって測定すればよい。

〔昇温脱離スペクトル〕
本発明の昇温脱離分析方法において、分析試料９を加熱して昇温しながら、質量分析計によって低分子量ガスのイオン強度を測定することによって、脱離ガスである低分子量ガスの昇温脱離スペクトルを得ることができる。

〔低分子量ガスの含有量〕
分析試料９に含まれている低分子量ガスの含有量は、昇温脱離スペクトルの積分を温度軸に対して行い、その分析試料の積分計算値と既知濃度の標準試料の積分計算値と比較することによって、定量することができる。

〔トラップサイト〕
分析試料９に含まれている低分子量ガスの
分析試料９中におけるトラップサイトを、昇温脱離スペクトルの検出温度範囲や昇華金属の脱離挙動より識別することができる。

（実施例１）
本発明の〔昇温脱離分析装置１〕を用い、本発明の〔昇温脱離分析方法〕によって、電気亜鉛めっき鋼ＳＣＭ４３５（昇華金属として亜鉛Ｚｎを含む）を分析試料とし、含まれている低分子量ガス（水素）を測定した。得られた電気亜鉛めっき鋼ＳＣＭ４３５の昇温脱離スペクトル（水素）を図６に示した。昇華した亜鉛は、用いた試料台の内側の金薄膜にトラップされた。

（実施例２）
本発明の〔昇温脱離分析装置１〕を用い、本発明の〔昇温脱離分析方法〕によって、アルミニウム合金Ａ５０５２（昇華金属としてマグネシウムＭｇを含む）を分析試料とし、含まれている低分子量ガス（水素）を測定した。得られたアルミニウム合金Ａ５０５２の昇温脱離スペクトル（水素）を図７に示した。昇華したマグネシウムは、用いた試料台の内側の金薄膜にトラップされた。

１昇温脱離分析装置
２真空チャンバー
３検出器
４試料ステージ
５加熱器
６試料台
７箱
８蓋
９分析試料
１０脱離ガス
１１金薄膜
１２フィルター
１３金薄膜
１４金属板
１５外体
１６孔
２０昇温脱離分析装置
６’ 試料台
７’ 箱

Claims

真空チャンバーと、
真空チャンバー内に設置される検出器と、
真空チャンバー内に設置される試料ステージと、
試料ステージを加熱する加熱器と、
一対の箱と蓋からなり、蓋の内側に金薄膜を有し、試料ステージに載置される試料台と
からなる昇温脱離分析装置。
真空チャンバーと、
真空チャンバー内に設置される検出器と、
該検出器の前に設置され、内部に金薄膜を有する金属板を含むフィルターと、
フィルターが金薄膜を
真空チャンバー内に設置される試料ステージと、
試料ステージを加熱する加熱器と、
箱からなり、試料ステージに載置される試料台と
からなる昇温脱離分析装置。
昇華する金属と低分子量ガスを含む材料に含まれる
低分子量ガスの含有量、および、
前記材料中における低分子量ガスのトラップサイトを分析する
請求項１または２に記載の昇温脱離分析装置。
請求項１に記載の昇温脱離分析装置に用いられる
一対の箱と蓋からなり、蓋の内側に金薄膜を有する試料台。
請求項１または２に記載の昇温脱離分析装置を用いて、
試料台内に昇華する金属と低分子量ガスを含む材料を載置し、
加熱器によって試料台内の前記材料を室温から所定の温度まで加熱し、
昇華する金属蒸気を、金薄膜でトラップし、
同時に前記材料から脱離した低分子量ガスのイオン強度を検出器で検出し、
低分子量ガスの昇温脱離スペクトルを得ることによって、
前記材料に含まれる低分子量ガスの含有量、および、
前記材料中における低分子量ガスのトラップサイトを分析する
昇温脱離分析方法。