RU2148815C1 - Device detecting hydrogen in metals - Google Patents
Device detecting hydrogen in metals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2148815C1 RU2148815C1 RU98115364A RU98115364A RU2148815C1 RU 2148815 C1 RU2148815 C1 RU 2148815C1 RU 98115364 A RU98115364 A RU 98115364A RU 98115364 A RU98115364 A RU 98115364A RU 2148815 C1 RU2148815 C1 RU 2148815C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- working
- hydrogen
- buffer gas
- chamber
- laser
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к анализу материалов путем выделения из них газа с помощью нагрева, в частности для определения содержания водорода в металлах. The invention relates to the analysis of materials by gas evolution from them by heating, in particular for determining the hydrogen content in metals.
Известны устройства для определения водорода в металлах, основанные на лазерном масс-спектрометрическом методе. Они содержат рабочую камеру с оптическим окном, испарительный лазер, установленный напротив окна камеры, вакуумную аппаратуру и систему определения количества водорода, состоящую из измерительной камеры, соединенной через вакуумный вентиль с рабочей камерой, и системы регистрации - времяпролетного масс-спектрометра [1]. Испытуемый образец металла помещают в рабочую камеру, после чего в системе создают высокий вакуум. Далее с помощью импульсного лазера испаряют часть металла с поверхности образца, в результате чего в рабочей камере выделяется водород, количество которого определяется масс-спектрометром. Known devices for the determination of hydrogen in metals based on laser mass spectrometric method. They contain a working chamber with an optical window, an evaporation laser mounted opposite the chamber window, vacuum equipment and a hydrogen amount determination system consisting of a measuring chamber connected through a vacuum valve to the working chamber, and a recording system — a time-of-flight mass spectrometer [1]. The test metal sample is placed in a working chamber, after which a high vacuum is created in the system. Then, using a pulsed laser, a part of the metal is evaporated from the surface of the sample, as a result of which hydrogen is generated in the working chamber, the amount of which is determined by a mass spectrometer.
Недостатком этого устройства является сложность создания и поддержания высокого вакуума, что увеличивает время проведения измерений, а также низкая чувствительность, обусловленная наличием фонового сигнала в рабочей камере из-за разложения водородсодержащих соединений при ионной бомбардировке. The disadvantage of this device is the difficulty of creating and maintaining a high vacuum, which increases the measurement time, as well as low sensitivity due to the presence of a background signal in the working chamber due to the decomposition of hydrogen-containing compounds during ion bombardment.
Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство, основанное на методе нелинейной лазерной спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС) [2]. Оно содержит рабочую камеру с тремя оптическими окнами, испарительный лазер, установленный напротив одного из окон камеры, форвакуумный насос, а система определения количества водорода выполнена в виде лазерного источника бигармонической накачки и системы определения интенсивности антистоксовой компоненты рассеянного света, установленных напротив двух других окон, расположенных напротив друг друга на противоположных стенках камеры. После помещения испытуемого образца металла в рабочую камеру и создания в ней низкого вакуума излучением импульсного лазера воздействуют на локальный участок образца. При этом в рабочей камере выделяется водород, количество которого определяется методом КАРС. Closest to the invention, the technical solution is a device based on the method of nonlinear laser spectroscopy of coherent anti-Stokes light scattering (CARS) [2]. It contains a working chamber with three optical windows, an evaporation laser mounted in front of one of the camera windows, a foreline pump, and the hydrogen amount determination system is made in the form of a biharmonic pump laser source and an intensity anti-Stokes component for scattered light installed opposite two other windows located opposite each other on opposite walls of the chamber. After placing the test metal sample in the working chamber and creating a low vacuum in it, the radiation of a pulsed laser affects the local area of the sample. In this case, hydrogen is released in the working chamber, the amount of which is determined by the CARS method.
Недостатком устройства является низкая чувствительность, обусловленная снижением интенсивности антистоксовой компоненты рассеянного света из-за доплеровского уширения линии комбинационно-активного перехода молекул водорода при малых концентрациях определяемого газа. The disadvantage of this device is its low sensitivity, due to a decrease in the intensity of the anti-Stokes component of the scattered light due to the Doppler broadening of the line of the Raman-active transition of hydrogen molecules at low concentrations of the gas being detected.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение чувствительности. The present invention is aimed at increasing sensitivity.
Для этого в устройстве, содержащем камеру с тремя оптическими окнами, испарительный лазер, форвакуумный насос, систему определения количества водорода, выполненную в виде лазерного источника бигармонической накачки и системы определения интенсивности антистоксовой компоненты рассеяния света, камера выполнена в виде рабочей и измерительной полостей, сообщающихся с помощью вентиля, причем первые два оптических окна расположены в измерительной полости, а третье - в рабочей полости, кроме того, рабочая полость с помощью трехходового вентиля соединена с форвакуумным насосом и с баллоном, заполненным буферным газом, при этом объемы рабочей и измерительной полостей соответственно имеют различное соотношение в зависимости от используемого буферного газа. To this end, in a device containing a camera with three optical windows, an evaporation laser, a foreline pump, a hydrogen amount determination system made in the form of a biharmonic pump laser source and an anti-Stokes light scattering component intensity determination system, the camera is made in the form of working and measuring cavities communicating with using a valve, the first two optical windows located in the measuring cavity, and the third in the working cavity, in addition, the working cavity using a three-way vent A backing pump is connected to the balloon and filled with a buffer gas, with the volume of the working and measurement of cavities respectively have different ratio depending on the buffer gas.
Объемы рабочей и измерительной полостей камеры имеют соотношение 1:1 при использовании в качестве буферного газа аргона. The volumes of the working and measuring chamber cavities have a 1: 1 ratio when using argon as a buffer gas.
Внутренние стенки рабочей полости выполнены из фторопласта, а на внешних стенках имеются окна. The inner walls of the working cavity are made of fluoroplastic, and there are windows on the outer walls.
На чертежах изображено:
Фиг. 1 - схематичное изображение устройства для определения водорода в металлах.The drawings show:
FIG. 1 is a schematic illustration of a device for determining hydrogen in metals.
Фиг. 2 - конструкция кюветы для измерений. FIG. 2 - design of a cell for measurements.
Фиг. 3 - график, иллюстрирующий изменение интенсивности антистоксовой компоненты рассеяния в K раз в зависимости от давления P буферного газа (аргона), где значение K принято за единицу при P = 0. FIG. 3 is a graph illustrating a change in the intensity of the anti-Stokes scattering component by a factor of K depending on the pressure P of the buffer gas (argon), where the value of K is taken as unity at P = 0.
Устройство для определения водорода в металлах (фиг. 1), имеет камеру 1 с рабочей полостью 2 и оптическим окном 3, со стороны которого установлен испарительный лазер 4, трехходовый вентиль 5 для сообщения полости 2 либо с форвакуумным насосом 6, либо с баллоном 7 для буферного газа. С помощью вентиля 8 рабочая полость 2 может сообщаться с измерительной полостью 9, напротив окон 10 и 11 которой установлены лазерный источник 12 бигармонической накачки и система 13 определения интенсивности антистоксовой компоненты рассеяния света. Между испарительным лазером 4, источником 12, системой 13 и соответствующими оптическими окнами 3, 10, 11 камеры 1 расположены оптические элементы - фокусирующие линзы 14, 15 и коллимирующая линза 16. A device for determining hydrogen in metals (Fig. 1) has a
Конструкция камеры для измерений представлена на фиг. 2. Камера 1 состоит из двух герметичных полостей, рабочей полости 2 и измерительной полости 9, сообщающихся с помощью вентиля 8. Внутренние стенки полости 2 выполнены из фторопластовой трубы 17, пропускающей свет, что в сочетании с окнами 18 на корпусе камеры 1 дает возможность получить герметичную полость 2 с достаточным освещением образца 19 для процедуры фокусировки излучения испарительного лазера на поверхность образца. В результате экспериментов было также установлено, что фторопласт под действием испарительного лазера не выделяет водород и, следовательно, не создает фоновый сигнал, снижающий чувствительность всего устройства. К входу 20 подключен трехходовый вентиль 5, дающий возможность соединять полость 2 с форвакуумным насосом или баллоном, заполненным буферным газом. Оптическое окно 10 со стороны лазерного источника бигармонической накачки выполнено в виде фокусирующей линзы, а окно 11 - в виде коллимирующей линзы. Фокусные расстояния линз одинаковы, а расстояние L между ними равно удвоенному фокусному расстоянию. Внутренние размеры полостей 2 и 9 выполняются минимально возможными, с учетом диаметров лучей испарительного лазера и источника бигармонической накачки (контуры лучей показаны пунктиром). Причем соотношение объемов полости 2 (V1) и полости 9 (V2) определяется следующим образом: V1/V2 = m. При использовании аргона в качестве буферного газа m = 1.The design of the measurement chamber is shown in FIG. 2. The
Интенсивность излучения антистоксовой волны Ia на частоте ωa определяется следующим соотношением [3]:
Ia ~ n2•I
где n - концентрация молекул водорода, Il, Is - интенсивности излучения лазерной бигармонической накачки на частотах ωl, ωs соответственно, удовлетворяющих следующему условию резонанса на частоте Ω комбинационно-активного перехода Q01(1) молекулярного водорода:
ωl-ωs = Ω.
Коэффициент K, определяется следующим выражением:
K = (Δν2+Δω2)-1, (2)
где Δν - ширина линии комбинационно-активного перехода Q01(1) молекул водорода, Δω - смещение линии комбинационно-активного перехода Q01(1) в область низких частот при увеличении давления газа. Величина Δω вводится в коэффициент K в связи с тем, что в лазерном источнике бигармонической накачки используется кювета с водородом при давлении 2.5 атм [2], а в измерительной полости камеры давление выделившегося из образца водорода, близко к нулю. Разница резонансных частот Ω в кювете и измерительной камере определяется величиной Δω. Очевидно, что при низкой концентрации водорода в измерительной полости введение в нее буферного газа приводит к изменению Δω, а значит, и сигнала Ia. С другой стороны известно, что в чистом водороде величина Δν сложным образом зависит от давления газа P. Она имеет минимальное значение при P = 2.5 атм (сужение Дикке) [3]. В результате наших экспериментов было установлено, что при низких плотностях водорода (менее 0.01 амага) в смеси "водород-буферный газ", ширина линии Δν имеет минимум при более низком давлении (0,2 - 0,6 атм). Эти два фактора приводят к тому, что коэффициент K в формуле (2) приобретает свое максимальное значение при некотором оптимальном давлении буферного газа (Pопт) (см. фиг. 3). Следовательно, в соответствии с формулой (1) при P = Pопт измеряемый сигнал на антистоксовой частоте принимает максимальное значение.The radiation intensity of the anti-Stokes wave I a at a frequency ω a is determined by the following relation [3]:
I a ~ n 2 • I
where n is the concentration of hydrogen molecules, I l , I s are the laser biharmonic pump radiation intensities at frequencies ω l , ω s, respectively, satisfying the following resonance condition at the frequency Ω of the Raman-active transition Q 01 (1) of molecular hydrogen:
ω l -ω s = Ω.
The coefficient K is determined by the following expression:
K = (Δν 2 + Δω 2 ) -1 , (2)
where Δν is the width of the Raman-active transition line Q 01 (1) of hydrogen molecules, Δω is the shift of the Raman-active transition line Q 01 (1) to the low frequency region with increasing gas pressure. The value Δω is introduced into the coefficient K due to the fact that a cuvette with hydrogen at a pressure of 2.5 atm is used in the laser source of biharmonic pumping [2], and the pressure of hydrogen released from the sample in the measuring chamber cavity is close to zero. The difference in the resonance frequencies Ω in the cell and the measuring chamber is determined by Δω. Obviously, at a low concentration of hydrogen in the measuring cavity, the introduction of a buffer gas into it leads to a change in Δω, and hence the signal I a . On the other hand, it is known that in pure hydrogen the quantity Δν depends in a complex way on the gas pressure P. It has a minimum value at P = 2.5 atm (Dicke narrowing) [3]. As a result of our experiments, it was found that at low hydrogen densities (less than 0.01 amag) in the "hydrogen-buffer gas" mixture, the line width Δν has a minimum at a lower pressure (0.2 - 0.6 atm). These two factors lead to the fact that the coefficient K in the formula (2) acquires its maximum value at a certain optimal pressure of the buffer gas (P opt ) (see Fig. 3). Therefore, in accordance with formula (1) at P = P opt, the measured signal at the anti-Stokes frequency takes the maximum value.
Оптимальное давление Pопт буферного газа в камере выбирается по максимальному сигналу антистоксовой волны в соответствии с формулой (1). Эксперименты показали, что для различных буферных газов величина Pопт имеет разное значение. В частности, для инертного газа аргона Pопт = 0.5 атм.The optimal pressure P opt buffer gas in the chamber is selected according to the maximum anti-Stokes wave signal in accordance with formula (1). The experiments showed that for various buffer gases the value of P opt has a different value. In particular, for an inert argon gas P opt = 0.5 atm.
Получение Pопт в измерительной полости достигается следующим образом. После создания вакуума в полостях 2 и 9 при закрытом вентиле 8 рабочая полость 2 заполняется буферным газом при давлении 1 атм. После воздействия на образец 19 испарительным лазером открывается вентиль 8. При этом водород, выделившийся из образца под действием лазерного излучения, перераспределяется в рабочей и измерительных полостях, кроме того в общем объеме двух полостей 2 и 9 создается оптимальное давление буферного газа, при котором интенсивность антистоксовой компоненты рассеяния света максимальна. Так, при использовании в качестве буферного газа аргона объемы полостей 2 и 9 относятся как 1:1, что соответствует получению давления газовой смеси 0.5 атм и максимуму чувствительности (фиг. 3).Obtaining P opt in the measuring cavity is achieved as follows. After creating a vacuum in the
Устройство работает следующим образом. Исследуемый образец 19 помещается в рабочую полость 2 напротив оптического окна 3, камеру герметизируют и с помощью форвакуумного насоса 6 через вакуумный вентиль 5 при открытом вентиле 8 создают в объеме камеры вакуум с давлением не более 20 Па, после чего закрывают вентиль 8 и с помощью вентиля 5 вместо форвакуумного насоса подключают баллон 7 с буферным газом, заполняют рабочую полость 2 камеры 1 буферным газом при атмосферном давлении. Далее, перекрыв вентиль 5, с помощью испарительного лазера 4 через окно камеры 3 воздействуют на локальный участок образца. При этом часть металла испаряется с выходом водорода в рабочую полость камеры. Открыв вентиль 8, соединяют полости рабочую и измерительную. В результате вышеуказанного соотношения объемов полостей камеры газовая смесь водорода с буферным газом распределится в общем объеме соединенных полостей при оптимальном давлении. После этого импульсное излучение лазерного источника бигармонической накачки 12 на частотах ωl и ωs подается в измерительную полость 2 через оптическое окно 10 и производится измерение концентрации водорода в газовой среде методом КАРС с помощью системы 7 в соответствии с [2].The device operates as follows. The
Описанное устройство при использовании в качестве буферного газа инертного газа аргона повышает чувствительность измерений в два раза. The described device, when inert argon gas is used as a buffer gas, doubles the measurement sensitivity.
Источники информации
1. Шаповалов В.И. и др. Флокены и контроль водорода в сплавах. М.: Металлургия, 1987, с. 67.Sources of information
1. Shapovalov V.I. et al. Flocken and hydrogen control in alloys. M .: Metallurgy, 1987, p. 67.
2. Патент Российской Федерации N 2027165, кл. 6 G 01 N 21/61, Бюл. N 2, 20.01.95 (прототип). 2. Patent of the Russian Federation N 2027165, cl. 6 G 01 N 21/61, Bull.
3. Ахманов С.А., Коротеев Н.И. Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеянного света. - М.: Наука, 1981, - 544 с. 3. Akhmanov S.A., Koroteev N.I. Methods of nonlinear optics in scattered light spectroscopy. - M .: Nauka, 1981, - 544 p.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98115364A RU2148815C1 (en) | 1998-08-07 | 1998-08-07 | Device detecting hydrogen in metals |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98115364A RU2148815C1 (en) | 1998-08-07 | 1998-08-07 | Device detecting hydrogen in metals |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2148815C1 true RU2148815C1 (en) | 2000-05-10 |
Family
ID=20209507
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU98115364A RU2148815C1 (en) | 1998-08-07 | 1998-08-07 | Device detecting hydrogen in metals |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2148815C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2531081C1 (en) * | 2013-07-18 | 2014-10-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) | Method of measurement for control of hydrogen in solid-state material |
-
1998
- 1998-08-07 RU RU98115364A patent/RU2148815C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ШАПОВАЛОВ В.И. и др. Флокены и контроль водорода в сплавах. - М.: Металлургия, 1987, с.67. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2531081C1 (en) * | 2013-07-18 | 2014-10-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) | Method of measurement for control of hydrogen in solid-state material |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5621522A (en) | Fiber optic probe for determination of trace levels of organic pollutants using Raman spectroscopy | |
JPH0464023B2 (en) | ||
Moissette et al. | Calibration strategies for the elemental analysis of individual aqueous fluid inclusions by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry | |
AU3944900A (en) | Method of ir-optically determining the concentration of at least one analyte in a liquid sample | |
JPH10148629A (en) | Spectrometer and device therefor | |
KR20010110748A (en) | Analysis apparatus | |
Long et al. | Pulsed infrared laser thermal lens spectrophotometric determination of trace-level gas-phase analytes: quantitation of parts per billion dichlorodifluoromethane | |
Schappe et al. | Measurements of cross sections for electron-impact excitation into the metastable levels of argon and number densities of metastable argon atoms | |
US20110026020A1 (en) | Atomic absorption mercury analyser | |
US7184143B2 (en) | Method for remote sensing of pollutant molecules in a transparent medium using ultra-short intense lasers | |
US3659452A (en) | Laser excited spectrophone | |
Soper et al. | Error analysis of simple algorithms for determining fluorescence lifetimes in ultradilute dye solutions | |
Goforth et al. | Laser-excited atomic fluorescence of atoms produced in a graphite furnace | |
Grassam et al. | Application of the inverse Zeeman effect to background correction in electrothermal atomic-absorption analysis | |
RU2148815C1 (en) | Device detecting hydrogen in metals | |
EP1068515B1 (en) | Method and apparatus for analysis of gas compositions | |
WO2000043742A1 (en) | Sensitive laser spectroscopic detection based on three-dimensional nonlinear four-wave mixing | |
Ganeyev et al. | New Zeeman atomic absorption spectroscopy approach for mercury isotope analysis | |
Haarsma et al. | Investigations on light sources and on scattering in analytical atomic fluorescence spectrometry | |
Bolshov et al. | Determination of trace amounts of cadmium by laser excited atomic fluorescence spectrometry | |
Symes et al. | An investigation of the factors influencing the detection sensitivity of cavity enhanced Raman scattering for probing aqueous binary aerosol droplets | |
Human et al. | Analysis of metals using a glow-discharge source with a fluorescent atomic vapour as spectral-line isolator | |
EP0756168A3 (en) | Method of measuring amadori compound by light scattering | |
RU2207564C2 (en) | Procedure determining concentration of alcohol and facility for its implementation | |
CN109342344B (en) | Calibration-free device of mercury analyzer and determination method thereof |