JPS62207931A - ガス放出量絶対測定装置とそれを用いた材料の評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分舒〕 この発明は、固体試料（土、岩石、鉱物２金属。

セラミクス等）に含まれているガスを等時昇温によって
真空中に放出させ、そのガスの量の絶対値とガス放出率
温度特性を測定することができるようにしたガス放出量
絶対測定装置と、この装置を用いた材料の評価方法に関
するものである。

〔従来の技術〕

従来から質量分析器によってガス分子の質量や、ガス量
の相対値の測定が行われている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、ガス量の絶対値を校正する乙とは非常に困難と
されていた。その理由は、質量分析器の絶対値を校正す
るためには、超高真空領域で容積が明らかな真空槽内に
、ガラスのキャピラリーを醍用した市販の標準ガスリー
クを使用して、一定量のガスを導入することが必要であ
るが、ガラスの熱膨張係数が大きく、ガスリーク量が温
度に大きく依存するため、絶対値の校正に不向きである
からである。

また真空計を使用して絶対値の校正きすることもできる
が、超高真空領域で使用される真空計（Ｂ、Ａ、型真空
計）は、ガスの種類によって感度が異なるので、一定量
のガスを測定するとき、あらかじめそのガス特有の真空
計の感度を測定しておく必要があり、この測定は誤差が
大きく　（〜２０％）、再現性に問題があって精度の良
い絶対値校正が困難である。

一方、材料の表面の評価は従来高速および低速電子を利
用した反射電子回折法や走査電子顕微鏡法、高速および
低速イオンを利用したイオン散乱法によって行われてい
るが、これらの方法は表面状態の観察に限定され、材料
表層および内部の欠陥や粒界の状態の測定には適さない
。また透過電子顕微鏡法は材料中の欠陥観察に利用され
ているが、装置が高価であること、セラミクス等の薄膜
試料の作成が困難などの欠点がある。また金属やセラミ
クスの場合は引っ張り試験や強度測定から疲労度を判定
することができるが装置が大規模な上、破壊試験である
ことなどの難点がある。

この発明の第１の発明は、上記の問題点を解決するため
になされたもので、質量分析器の絶対校正が容易なガス
放出量絶対測定装置を提供することを目的とする。

またこの発明の第２の発明は、第１の発明を用いて材料
の疲労、欠陥の評価を容易に行うことができる材料の評
価方法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明にかかるガス放出量絶対測定装置は、主真空槽
、試料温度制御装置、質量分析器、主排気ポンプ、副排
気ポンプ、副真空槽および隔膜型真空計とからなる。

またこの発明にかかる材料の評価方法は、上記のガス放
出ｉ絶対測定装置を用い、その試料温度制御装置によっ
てあらかじめ既知量の希ガス原子をイオンビームで打ち
込んだ試料を昇温し、希ガスを放出させ、その絶対量を
測定して試料の評価を行うものである。

〔作用〕

この発明のガス放出量絶対測定装置は、主真空槽内に試
料を入れて主排気ポンプで真空にし、試料温度制御装置
で試料を所定温度に上げてはその時のガス放出量を測定
し、その間副排気ポンプは発生した測定対象以外のガス
のみの選択排気を行い、測定後、試料温度制御装置で試
料の温度を下げ、主排気ポンプで主真空槽の排気を行う
。次に再び試料を昇渇し、その時のガス放出量を測定す
る動作を繰り返し、ガス量の絶対値と再放出率温度特性
を得る。

またこの発明の材料の評価方法は、試料にあらかじめ既
知量の希ガス原子をイオンビームにより打ち込んでおき
、この試料を上記ガス放出量絶対測定装置を用いて測定
することによりその試料の疲労、欠陥等の評価を行う。

〔実施例〕

第１図はこの発明によるガス放出量絶対測定装置の一実
施例を示すものである。１は主真空槽で、これに副真空
槽２がバルブ３を介して連設されている。主真空槽１に
は質量分析器４が接続されている。５は試料温度制御装
置で、リード線６の端部に電子銃の作用をするフィラメ
ント７が取り付けられ、試料Ｍの載置台８にリード線９
が接続され、両す−ド線６，９間に高電圧が印加されろ
。

１０はリード線で、リード線９この間に熱電対１１が接
続されている。１２Ａはロータリポンプ、１２Ｂは超高
真空の排気を行うためのターボ分子ポンプであり、両者
で主排気ポンプ１３が構成される。１４はバルブであり
、１５は隔膜型真空計で、感度が総てのガスに一定なも
のである。１６は副排気ポンプで、例えば、非蒸発ゲッ
タポンプが用いられる。１７は較正用のヘリウムガスボ
ンベ、１８はバルブを示す。

次に、−例としてヘリウムガス再放出の場合について説
明する。

核融合炉のＤ−Ｔ反応を利用する炉ではヘリウム原子核
（アルファ粒子）と中性子（ｎ）が発生するが、そのヘ
リウム原子核および中性子は、炉壁内部に侵入し・＼リ
ウムガス原子となる。この反応が続くことによって炉壁
の内部に・＼リウムガスが溜る結果となり、炉壁ははく
離によって薄くなっていく。このようにヘリウム原子の
蓄積は材料の寿命に大きな影響を及ぼす。したがって、
ヘリウムガスの再放出絶対量と再放出率温度特性を測定
することにより、・＼リウムの脱離エネルギーや格子間
移動エネルギーを推測でき、ヘリウム原子の炉壁材料中
でのブリスターの抑制因子やヘリウムガス再放出の促進
因子を究明できる。

このような目的のため、この発明では試料Ｍを主真空槽
１内に入れ、主排気ポンプ１３、すなわちロークリポン
プ１２Ａとターボ分子ポンプ１２Ｂによって超高真空領
域まで排気を行う。次に、バルブ１４を閉じ試料温度制
御装置５によってフィラメント７から試料Ｍに向けて電
子ビームを照射し熱電対１１で温度測定をしながら試料
Ｍを昇温させ、設定温度に達した後、一定時間試料Ｍか
ら放出されるガス量を質量分析器４によって測定する。

一つの測定が終わるとバルブ１４を開け、主排気ポンプ
１３で次の測定に支障がない真空領域まで主真空槽１の
排気を行った後、バルブ１４を閉め次の設定温度で同様
に測定を開始する。

この繰り返し測定を試料Ｍの融点付近まで行う。

測定時に主排気ポンプ１３による排気は行わないので、
昇温によって試料Ｍから種々のガスが放出され真空度が
低下するので、副排気ポンプ１６によってｌ＼リウムガ
ス以外のガスのみ選択排気を行う。

このようにして、主真空槽１内は超高真空に保たれ、質
量分析器４は安定に動作し、試料Ｍから再放出したヘリ
ウムガスの測定を行うことができる。

上記の実施例において、試料Ｍとフィラメント７この間
に高電圧を印加；ノミ子を加速しているので、導電性の
ある試料Ｍではそのまま昇温できるが、石やセラミクス
等の絶縁物ではチャージアップのために電子の加速が困
難なので、金属製のかごに試料Ｍを入れて、そのかごに
高電圧を印加して昇温するようにする。

上記の測定に先立ってヘリウムガスボンベ１７、から内
容積の明らかな副真空槽２に既知量のヘリウムガスを入
れ、隔膜型真空計１５により計量を行うことにより質量
分析器４の絶対値の校正を行っておくものとする。

上記のようにして試料Ｍから再放出されたヘリウムガス
量は、各設定温度でのガス量と主真空槽１と副真空槽２
の内容積の比と、測定繰９返しにより精密な再放出率温
度特性が求められ、測定繰り返しの数の和から絶対値を
求めることができる。

なお、第１図ではフィラメント７が電子銃となって試料
Ｍに電子を照射するので、昇温は速やかに行われる。ま
た試料Ｍは小さく熱容量が小さいので冷却も急速に行わ
れるので、精密な等時界温を行うことができる。

第２図はこの発明のガス放出量絶対測定装置の他の実施
例を示すもので、第１図の実施例と相違するのは、試料
温度制御装置５の加熱部分である。すなわち、この実施
例では第１図の場合のように電子統式でなく、赤外線ラ
ンプ２ｏを用いた反射集光式にしている。１９は石英ガ
ラス管で、主真空槽１と連通している。試料Ｍは石英ガ
ラスｇ１９内に収容し加熱され、放出ガス量の測定が行
われる。測定操作は第１図の実施例と同様なので、その
詳細は省略する。

次に上述したガス放出量絶対測定装置を用いた材料の評
価方法について説明する。

金属、セラミクス等の材料の表層は、粒界や転位などの
欠陥を多く含んでいる。これらの欠陥は、実際の材料の
利用にあたって材料の脆男性となってあられれる。金属
疲労はその典型である。またセラミクスは粒子の焼結体
であり、粒度とその結合状態によって強度、硬度、耐摩
耗性、寿命が異なり、より粒子が小さく粒界の少ないも
のが利用に適する。希ガス、例えば・＼リウム原子は他
の原子この化学的結合効果がなく、また原子半径が小さ
いために欠陥のない理想結晶中では速やかに拡散して表
面から再放出されるが、点欠陥やその集合体、転位や粒
界が存在する場合は、それに捕捉□され、欠陥特有のヘ
リウム原子の束縛エネルギーと拡散エネルギーに依存し
た再放出特性を示す。

したがって材料表層中にイオンビーム等の方法で注入し
たヘリウム原子の再放出率温度特性とガス再放出絶対量
を測定すれば、材料表層の欠陥の状態や種類、密度を推
定することができ、金属疲労の予知や、セラミクス材料
の評価をすることができろ。

この発明の材料の評価方法は、上記の原理に基づくもの
で、試料Ｍにあらかじめエネルギーが一定の希ガスのイ
オンビームを一定量打ち込む。この試料を第１図、ある
いは第２図に示すガス放出量絶対測定装置を用い前述し
た操作により再放出される希ガスの絶対−１し再放出率
温度特性をυ１定する。これによって試料Ｍの材料固有
の希ガスの原子と材料中の欠陥この結合状態を推測する
ことができ、金属疲労の予知や、セラミクス材料等の材
料破壊の抑制因子を究明することができろ。

第３図、第４図はこの発明を用いて表面コーティングし
た金属のヘリウムガス再放出量の測定結果を示すスペク
トル図である。

試料Ｍとして単結晶Ｖの基板上に製作したＴｉＮに、２
５０　ｋｅＶのヘリウムイオンビーム（ＩＸ　１０　”
個／　ｃｍ２）を室温照射し、ヘリウムガスの再放出量
を測定した。

・＼リウムガス再放出絶対量の測定は、第１図に示す装
置を用い１Ｏ−９Ｔｏｒｒ、以下の真空度で排気系を閉
じ、照射後５０　Ｋ　／　ｍｉｎの速度で等時昇温し、
あらかじめ校正した質量分析器により行った。

第３図に、ＴｉＮ／Ｖ試料がらのヘリウムガス再放出ス
ペクトルを示し、第４図に■試料からの同じくヘリウム
ガス再放出スペクトルを示す。

第３図のスペクトルは第４図Ｑスペクトルと明らかな差
を有し、この差から第３図に示す曲線ＡはＴｉＮからの
再放出ガスのスペクトルを示すものと考えられる。また
曲Ｍ４Ｂでは９００℃までの昇温での再放出は重複し測
定しているが、曲線Ａのような大きなスペクトルは見ら
れない。したがって２回、目の昇温でＴｉＮ層に残留し
たｌ＼リウムガスはほと／しど検出されていないが、曲
、％ｌＢのスペクトルと第４図の単結晶Ｖのスペクトル
の差から曲ｗ、Ｂの８５０〜１０００℃付近の再放出は
、わずかにＴｉＮＨに残留しているヘリウムガスと′思
われる。

第３図の曲線Ｂの１０００℃以上のスペクトルは、第４
図のスペクトルの形とほぼ一致しているため、単結晶■
の基板から放出したと考えられる。

この両者のピーク温度には差があるが、２５０ｋｅＶの
ビームはＴｉＮ層（５８００人）を通過すると、計算値
で約３０　ｋｅＶに減衰するので、第４図の５０ｋｅｙ
のピークより低い温度でピークを形成するためと考えら
れる。これらの結果からＴｉＮ層からは７層に比べてか
なり低温で再放出されることが明確である。

照射量に対する再放出量は、第３図の曲線Ａの９００℃
までで２６％２曲線Ｂの１５００℃′までで６５％を検
出した。なおライ−ブラー（Ｚｉｅｇｌｅｒ）の阻止能
を使って計算した値は、ＴｉＮ層で２６％、７層で７４
％である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明のガス放出量絶対測定装
置は、隔膜型真空計を用いたので質量分析器の絶対値の
校正がきわめて容易となり、かつ試料温度制御装置によ
って試料を所定温度に昇温させることが可能であるため
、固体の試料から放出されるガス量の絶対値と、再放出
率温度特性を容易、かつ高精度で測定することができろ
利点がある。

また乙の発明の材料の評価方法は、試料にあらかじめ既
知量の希ガス原子をイオンビームで打ち込んでおき、こ
の試料からのガス量と再放出率温度特性を測定するよう
にしたので、試料の疲労や表面欠陥等の推定による評価
を正確に行うことができる利点がある。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明のガス放出量絶対測定装置の一実施例
を示す構成略図、第２図は同じく他の実施例を示す構成
略図、第３図、第４図はこの発明の材料の評価方法を説
明するための測定結果の一例を示すスペクトル図である
。 図中、１は主真空槽、２は副真空槽、３，１４゜１８は
バルブ、４は質量分析器、５は試料温度制御装置、６，
９，１０はリード線、７はフィラメント、８は載置台、
１１は熱電対、１２Ａはロークリポンプ、１２Ｂはター
ボ分子ポンプ、１３は主排気ポンプ、１５は隔膜型真空
計、１６は副排ｌｊ＋　’：’、”ｉ　１Ｌ、’−１−
第１図 ム 第２図 第３図 一ア°−ル５五席（°Ｃ）　　　　　　　　　　　　第
　４　図−アニール１屓（＠Ｃ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）主真空槽と、この主真空槽内で試料温度を制御す
   る試料温度制御装置と、前記試料の内部から放出させる
   ガスの絶対量を分析および定量する質量分析器と、前記
   主真空槽の主排気ポンプおよび副排気ポンプと、前記主
   真空槽にバルブを介して連通する副真空槽と、前記副真
   空槽の真空度を測定する隔膜型真空計とからなることを
   特徴とするガス放出量絶対測定装置。
2. （２）主真空槽と、この主真空槽内で試料温度を制御す
   る試料温度制御装置と、前記試料の内部から放出させる
   ガスの絶対量を分析および定量する質量分析器と、前記
   主真空槽の主排気ポンプおよび副排気ポンプと、前記主
   真空槽にバルブを介して連通する副真空槽と、この副真
   空槽の副排気ポンプと、前記副真空槽の真空度を測定す
   る隔膜型真空計とからなるガス放出量絶対測定装置を用
   い、あらかじめ既知量の希ガス原子をイオンビームで打
   ち込んだ試料を前記主真空槽内に収容し、前記主排気ポ
   ンプで排気後、前記試料温度制御装置により前記試料温
   度を制御し、前記希ガスを放出させ、その絶対量を前記
   質量分析器で測定し、前記試料の材料疲労、欠陥評価を
   行うことを特徴とするガス放出量絶対測定装置を用いた
   材料の評価方法。