Способ масс-спектрального количественного определения водорода в твердых материалах Советский патент 1992 года по МПК H01J49/26 G01N33/10 

Ю

о

Изобретение относится к физико-химическому анализу и может быть использовано для контроля технологии в металлургии, сварке, химической промышленности. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения раздельного определения диффузионно-подвижного и остаточного водорода. Способ заключается в том, что образец помещают в вакуумную камеру, бомбардируют его поверхность пучком атомов или ионов, маес-спектрометрически измеряют ток вторичных положительных и отрицательных ионов, и отличается тем, что для раздельного одновременного или последовательного количественного определения диффузионнб-подвижного и остаточного водорода, повышения чувствительности анализа и упрощения способа для анализа используют вторичные ионы водорода обоих знаков, а именно для анализа диффузионно-подвижного водорода - эмиссию отрицательных ионов Н, а остаточного - положительных ионов Н+. При выполнении количественных определений сначала измеряют зависимость от времени тангенса угла наклона линейной части кривой Вт fOneps), затем интегрируют эту зависимость, по полученной интегральной величине судят о количестве диффузионно-подвижного водорода. 2 з.п.ф-лы. s , Ъ

Изобретение относится к физико-химическому анализу и может быть использовано в научных исследованиях, а также для контроля технологии в металлургии и сварке, в химической промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечений раздельного определения

диффузионно-подвижного и остаточного водорода.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Из того же материала, что и анализируемый образец, изготавливают образец-копию и насыщают последний водородом, используя, например, электролитический способ. Затем определяют независимым методом (например, хроматографическим)

изменение со временем скорости выделения диффузионно-подвижного водорода и устанавливают аналитическое выражение полученной зависимости, позволяющее рассчитывать содержание диффузионно- подвижного водорода в образце в любой момент времени и определить общее содержание его в образце. Образец-копию помещают в камеру вторично-ионного масс-спектрометра, очищают поверхность ионной бомбардировкой и измеряют зависимость JUT fQnepe) для вторичных ионов Н. Количество выбиваемых вторичных ионов данной массы N может быть представлено известной зависимостью Ар No

N

+ СЈпМоГ(0),

В + Ср + D No где р - давление газа;

А, В, С, D - постоянные;

No - количество первичных ионов;

п - объемная концентрация частиц примеси в твердом теле, из которых выбиваются ионы данной массы;

а- вероятность выбивания ионов; у ( 0 ) - коэффициент, учитывающий экранирующее действие частиц, находящихся на поверхности образца.

При достаточно больших значениях No первое слагаемое в приведенной выше формуле стремится к постоянному значению Ap/D. во втором слагаемом величина у- 1 , а зависимость N от N0 представляет собой прямую линию, тангенс угла наклона которой пропорционален обьемной концентрации частиц примеси в образце. Практически определение зависимости N от N0 означает измерение зависимости плотности тока вторичных ионов JBT от плотности тока первичного пучка jnepe. Измеряя в разные моменты времени тангенс угла наклона линейной части этой кривой для ионов Н , определяют зависимость величины тангенса от времени, интегрируют полученную зависимость, а затем интегральную величину сопоставляют с содержанием , определяемым с помощью вышеупомянутого аналитического выражения зависимости скорости выделения водорода от времени. Выполнив такие измерения для образцов с различным содержанием , строят гра- дуировочную зависимость, которую затем используют при анализе образцов с неизвестным содержанием . Этот анализ выполняют с той же последовательностью операций, как и в случае образца-копии: поверхность анализируемого образца очищают ионной бомбардировкой, определяют зависимость тангенса угла наклона кривой JBT fQnepu) для ионов Н. интегрируют полученную зависимость, а затем по градуиро- вочной зависимости определяют содержание .

Анализ остаточного водорода выполняют с использованием стандартных образцов. Для этого после очистки поверхности образца ионной бомбардировкой измеряют в одинаковых условиях тангенсы угла наклона линейной части зависимости JBT fOnepe)

для вторичных ионов Н на стандартном и анализируемом образцах. Сопоставляя полученные величины, по известному содержанию остаточного водорода в стандартном образце определяют в

анализируемом образце.

Конкретный пример реализации предлагаемого способа.

Анализы выполнялись на установке LAS-2000 фирмы Рибер. Образцы 8 мм

и высотой 1,5 мм, изготовленные из стали Ст.З, насыщали водородом электролитически в 5%-ном растворе серной кислоты с добавлением тиосульфата натрия. Содержание водорода контролировали методом хроматографии и вакуум-плавления. Измеряя хроматографическим методом изменение скорости выделения диффузионно-подвижного водорода от времени, установили аналитическое выражение полученной

зависимости, которое позволяет рассчитать содержание диффузионно-подвижного водорода в данном образце в любой момент времени и определить его общее содержание:

Q 2,763e a°15t,

где Q - содержание диффузионно-подвижного водорода в образце в см3/100 г; t - время процесса десорбции в мин. Наводороженный образец помещали в

камеру установки LAS-2000 и удаляли загрязнения с поверхности интенсивной ионной .бомбардировкой. Степень очистки контролировали по спектрам вторичных ионов. Наблюдения с помощью растрового

электронного микроскопа показали, что в результате ионной бомбардировки образуется рельеф, свидетельствующий о распылении поверхности на глубину нескольких десятых долей микрометра, что гарантировало полное удаление поверхностных загрязнений. Для получения вторичных ионов использовали первичный пучок ионов аргона. В разные моменты времени измеряли зависимости плотности тока вторичных

ионов Н от плотности тока первичного пучка и определяли тангенс угла наклона линейной части этих кривых. Полученную временную зависимость интегрировали графически и сопоставляли интегральную величину с количеством диффузионно-подвижного водорода,

определяемого с помощью приведенной выше аналитической зависимости. По данным, полученным для образцов с разным содержанием , строили градуировоч- ную зависимость, которую затем использовали при анализе образцов стали Ст.З с неизвестным содержанием . Нижний предел измерения содержания предложенным способом оказался равным для использовавшейся аппаратуры 5.10 %.

Методом вакуум-плавления определяли количество остаточного водорода и сопоставляли эту величину с тангенсом угла наклона ЗавИСИМОСТИ JBT Юперв) ДЛЯ ИОНОВ Н+.

Нижний предел1 измерения содержания HJocr оказался равным 5..

Предлагаемый способ обеспечивает возможность раздельного, одновре- менного или последовательного определения диффузионного и остаточного водорода с помощью одного и того же прибора, не требует образцов различного размера и формы. Чувствитель- ность анализа выше, чем при использовании известных способов определения диффузионно-подвижного водорода. Для реализации предлагаемого способа нет необходимости использо- вать сверхвысоковакуумную аппаратуру, что значительно упрощает и удешевляет анализ.

0

5

0 5 0

Формула из обретения

3.Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что при определении диффузионно- подвижного водорода по зависимости тока вторичных отрицательных ионов JBT от тока первичного пучка jnepe измеряют.тангенс угла наклона линейной части кривой |ёт f(jnepu), затем интегрируют зависимость тангенса угла наклона линейной части этой кривой от времени и по полученной интегральной величине судят о количестве диффузионно-подвижного водорода.