Способ определения водорода в металлах и устройство для его реализации

Изобретение относится к области физического материаловедения и может быть использовано для определения содержания водорода в металлах. В способе определения водорода в металлах, включающем выделение водорода в газовую фазу путем воздействия излучения импульсного лазера на исследуемый образец или образец сравнения с известным содержанием водорода, регистрацию выделившегося водорода химическим сенсором, дополнительно поверхность исследуемого образца предварительно импульсно облучают расфокусированным лучом лазера, интенсивность которого меньше необходимой для расплавления металла, интенсивность лазерного излучения измеряют при каждом лазерном импульсе, в качестве химического сенсора используют сенсор на основе МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) структуры, содержание водорода в металле определяют по соотношению величин производных сигналов МДП-сенсора по времени в начальный момент формирования сигналов, нормированных на соответствующую величину интенсивности лазерного излучения. В устройстве для определения водорода в металлах, содержащем импульсный лазер, систему фокусирования и наведения луча на исследуемый образец или образец сравнения с известным содержанием водорода, размещенные с возможностью перемещения относительно рабочей камеры с оптическим окном, установленной на поверхности или исследуемого образца, или образца сравнения, и внутренней полостью, открытой к этой поверхности, соединенной газовым каналом с измерительной камерой с расположенным в ней химическим сенсором на водород, блок транспорта выделившегося из металла водорода к сенсору и блок регистрации электрического сигнала сенсора, дополнительно установлено светоделительное зеркало, отводящее часть излучения лазера на детектор измерения интенсивности излучения, соединенный электрическим кабелем с блоком регистрации. Сенсор выполнен на основе МДП структуры, а газочувствительный элемент сенсора установлен на входе канала в измерительную камеру. Объем и линейные размеры рабочей камеры и канала удовлетворяют соотношениям для параметров газового потока. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей, уменьшение времени анализа и повышение точности измерений. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области физического материаловедения и может быть использовано для определения содержания водорода в металлах.

Известно устройство и способ для определения водорода в металлах, в котором высокотемпературную экстракцию растворенного в металле водорода осуществляют с помощью плавления металла в вакууме. Устройство снабжено блоком загрузки образца, экстракционной камерой, газовым анализатором, вакуумным насосом для перекачки газов в газовый анализатор и высоковакуумной аппаратурой (см. Шаповалов В.И. и др. Флокены и контроль водорода в сплавах. М.: Металлургия, 1987, с.67).

Недостатком устройства является сложность технологических операций при проведении анализа, низкая чувствительность и малая экспрессность анализа.

Известно устройство и способ определения водорода в металлах, основанное на лазерном масс-спектрометрическом методе (см. Журнал аналитической химии, т.34, вып.9. 1979, с.1714-1719). Устройство содержит рабочую камеру с оптическим окном, испарительный лазер, установленный напротив окна камеры, вакуумную аппаратуру. Система определения количества водорода, выделившегося из исследуемого образца, содержит измерительную камеру, соединенную через вакуумный вентиль с рабочей камерой, и систему регистрации - времяпролетный масс-спектрометр. Исследуемый образец металла помещают в рабочую камеру напротив оптического окна, 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, который переносится в измерительную камеру через трубопровод заданного расхода. В измерительной камере масс-спектрометра определяют количество выделившегося водорода.

Недостатком устройства является его сложность, обусловленная необходимостью создания и поддержания в системе высокого вакуума (что увеличивает время измерений), а также низкая чувствительность, обусловленная наличием фонового сигнала, возникающего в камере масс-спектрометра из-за разложения водородсодержащих соединений при ионной бомбардировке.

Известен способ локального определения концентрации водорода в твердых материалах и устройство для его осуществления, в которых извлечение водорода в газовую фазу осуществляют импульсным воздействием на образец сфокусированным лазерным излучением (см. А.С. №1261445, G 01 N 27/46, 1987). Объем образующегося в образце кратера определяют, измеряя с помощью микроскопа его глубину и диаметр. Выделившийся из образца водород отделяют от других газовых примесей с помощью хроматографической колонки, а его количество измеряют газоанализатором на основе твердоэлектролитной ячейки, в которой происходит кулонометрическое титрование водорода кислородом, который поступает из атмосферы.

Недостатком устройства для реализации метода является необходимость размещения образца в камере, что ограничивает размеры анализируемого образца и не позволяет осуществлять контроль за изменением содержания водорода в материалах изделий непосредственно на месте их функционирования. Инертный газ для транспорта водорода требует глубокой очистки. Необходимость применения хроматографической колонки усложняют установку и процедуру проведения анализа.

Наиболее близким техническим решением является устройство для определения локального содержания водорода в твердых материалах (см. RU №26133, П.М. G 01 N 27/00, 2002.05.20). Извлечение водорода в газовую фазу осуществляют импульсным воздействием на образец сфокусированным лазерным излучением. Рабочая камера с оптическим окном имеет открытую с одной стороны полость и герметично закреплена или на поверхности исследуемого образца, или образца сравнения с известным содержанием водорода. Выделившийся под действием лазерного импульса из образца водород переносят транспортным газом-гелием к системе его измерения на основе химического сенсора на водород. По соотношению сигналов химического сенсора, соответствующих воздействию лазерного облучения на поверхность исследуемого образца и образца сравнения, с учетом известного содержания водорода в образце сравнения определяют локальное содержание водорода в образце.

Недостаток известных способа и устройства состоит в отсутствии необходимой быстроты измерений при проведении анализов на образцах, загрязненных после различных технологических операций, достаточной точности при отборе пробы и ее измерении.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей, уменьшение времени анализа и повышение точности измерений.

Технический результат достигается тем, что в способе определения водорода в металлах, включающем выделение водорода в газовую фазу путем воздействия излучения импульсного лазера на исследуемый образец или образец сравнения с известным содержанием водорода, регистрацию выделившегося водорода химическим сенсором, поверхность исследуемого образца предварительно импульсно облучают расфокусированным лучом лазера, интенсивность которого меньше необходимой для расплавления поверхности металла, а интенсивность лазерного излучения измеряют при каждом лазерном импульсе, в качестве химического сенсора используют сенсор на основе МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) структуры, содержание водорода в металле определяют по соотношению величин производных сигналов МДП-сенсора по времени в начальный момент формирования сигналов, нормированных на соответствующую величину интенсивности лазерного излучения; в устройстве для определения водорода в металлах, содержащем импульсный лазер, систему фокусирования и наведения луча на исследуемый образец или образец сравнения с известным содержанием водорода, размещенные с возможностью перемещения относительно рабочей камеры с оптическим окном, установленной на поверхности или исследуемого образца, или образца сравнения, и внутренней полостью, открытой к этой поверхности, соединенной газовым каналом с измерительной камерой с расположенным в ней химическим сенсором на водород, блок транспорта выделившегося из металла водорода к сенсору и блок регистрации электрического сигнала сенсора, причем в устройстве дополнительно установлено свето-делительное зеркало, отводящее часть излучения лазера на детектор измерения интенсивности излучения, соединенный электрической связью с блоком регистрации.

Дополнительно в устройстве сенсор выполнен на основе МДП структуры.

Кроме того, в устройстве газочувствительный элемент сенсора установлен на входе канала в измерительную камеру. Рабочая камера с каналом выполнена с заданными размерами, которые удовлетворяют соотношениям:

L_k≤2 (1).

V_k/q>1 (2)

Lг²/D_Н=(20÷500)Vг/q (3),

где:

L_k - линейные размеры рабочей камеры (см);

V_k - объем рабочей камеры (см³);

q - расход транспортного газового потока (см³/с);

L_г - длина канала (см);

V_г - объем канала(см³);

D_H - коэффициент диффузии водорода в транспортном газе (см²/с).

Изобретение иллюстрируют чертежом, где на фиг.1 изображена функциональная схема устройства, на фиг.2 схематично показаны рабочая и измерительная камеры устройства, на фиг.3 изображены гистограммы исследованных образцов.

Устройство для реализации способа выполнено следующим образом.

Устройство определения водорода в металлах содержит (см. фиг.1) импульсный лазер 1, мощность которого в импульсе достаточна для расплавления металла исследуемого образца, светоделительное полупрозрачное зеркало 2, детектор 3 для измерения интенсивности лазерного излучения, систему наведения и фокусировки лазерного излучения 4, рабочую камеру 5, которую располагают или на поверхности исследуемого образца 6, или на поверхности образца сравнения 7. В рабочей камере 5 установлено оптическое окно 8, прозрачное для лазерного луча. Монтажный столик 9 выполнен с возможностью перемещения исследуемого образца 6 и образца сравнения 7 в горизонтальной плоскости (помечено ↔) и по вертикали. Блок транспортировки водорода, выделившегося из исследуемого образца. содержит баллон 10 высокого давления с инертным газом, например, с гелием, стабилизатор давления 11 и стабилизатор расхода 12 газа. Рабочая камера 5 соединена газовым каналом 13 с измерительной камерой 14 с расположенным в ней сенсором 15 на водород. Выход газа из измерительной камеры 14 показан стрелкой. Блок регистрации 16, содержит (на чертеже не показаны) C-V характериограф для измерения изменения напряжения смещения на затворе МДП структуры химического сенсора при фиксированной электрической емкости, интерфейсное устройство и компьютер, с помощью которого находят величину производной сигнала сенсора по времени, нормированную на интенсивность лазерного излучения, при различных значениях времени, компьютер соединен электрической связью 17 с детектором 3 интенсивности. Рабочую камеру 5 (см. фиг.2) с окном 8 и внутренней полостью 18 в форме усеченного конуса объемом V_k уплотняют прокладкой 19. Рабочая камера выполнена с размерами L₁, L₂ диаметр и высота соответственно, в общем виде L_k на поверхности исследуемого образца 6 или образца сравнения 7. Объем (см³) и линейные размеры (см) рабочей камеры удовлетворяют соотношениям: L_k≤2 (1), V_k/q>1 (2), где q - расход газового потока (см³/с). Газовый канал 13 длиной L_г и объемом V_г соединяет рабочую камеру 5 с входной трубкой 20 и измерительную камеру 14 с выходной трубкой 21. Объем (см³) и линейные размеры (см) газового канала удовлетворяют соотношениям: L_г ²/D_Н=(20÷500)V_г/q (3), где L_г - длина канала (см); V_г - объем канала(см³); D_Н - коэффициент диффузии водорода в транспортном газе (см²/с), для водорода в гелии D_Н=1,3 см²/c. На входе газового канала 13 в измерительную камеру 14 установлен газочувствительный элемент 22 сенсора 15. Направление движения газа показано на чертеже стрелками.

Устройство работает следующим образом.

Рабочую камеру 5 с оптическим окном 8 герметично закрепляют на поверхности исследуемого металлического образца 6, уплотняя открытый к поверхности образца 6 участок камеры 5 резиновой прокладкой 19. Через камеру 5 из баллона 10 пропускают транспортный газ (гелий). Формирование стабильного расхода транспортного газа достигается применением стабилизатора давления 11 и стабилизатора расхода 12 газа. С помощью системы линз 4 выбранный участок на поверхности образца импульсно облучают расфокусированным лучом лазера 1 с размером светового пятна на поверхности образца таким, при котором плавление и испарение металла не происходит. Затем лазерный луч фокусируют и повторно импульсно облучают облученный расфокусированным лучом микроучасток поверхности образца 6. Интенсивность лазерного излучения в импульсе измеряют по сигналу детектора 3, на который попадает луч, прошедший через светоделительное зеркало 2. Этот сигнал по электрической связи 17 обрабатывают блоком регистрации 16. Выделившийся из образца 6 водород потоком транспортного газа, например гелия, по каналу 13 переносят в измерительную камеру 14. Непосредственно напротив входа канала 13 в измерительную камеру 14 расположен чувствительный элемент 22 химического МДП-сенсора 15. Производную возникающего электрического сигнала МДП-сенсора 15 по времени в начальный момент времени формирования сигнала измеряют с помощью блока регистрации 16. Затем рабочую камеру 5 с оптическим окном 8 и прокладкой 19 закрепляют и уплотняют на поверхности образца сравнения 7 и с помощью монтажного столика 9 перемещают в горизонтальной плоскости образец сравнения 7 с укрепленной на нем камерой 5 под лазерный луч. Импульсно облучают (сфокусированным лучом) образец сравнения 7 и снова измеряют производную возникающего при этом электрического сигнала МДП-сенсора 15 по времени в начальный момент времени формирования сигнала, а также интенсивность излучения в лазерном импульсе. Значения производных сигналов МДП-сенсора 15 по времени, соответствующих воздействию сфокусированного лазерного излучения на поверхность исследуемого образца 6 и образца сравнения 7, нормируют на интенсивность лазерного излучения в блоке регистрации 16. По соотношению этих величин с учетом известного содержания водорода в образце сравнения определяют локальное содержание водорода в образце 6.

Предварительное облучение исследуемого образца расфокусированным лучом лазера проводят для очистки его поверхности от загрязнений, в состав которых может входить в том числе водород в свободном или связанном состоянии. Традиционные методы очистки связаны с травлением и промывкой образца в различных растворах или с ультразвуковой очисткой его поверхности в ванной, заполненной тем или иным химическим раствором. Это, как правило, длительная процедура, требующая большой тщательности и аккуратности. Поверхностные загрязнения удаляют при их импульсном испарении, при этом плотность энергии излучения лазера выбирают такой, при которой плавление и испарения металла не происходит. Выделение водорода из металла вследствие диффузии при малой длительности лазерного импульса ˜1 мс пренебрежимо мало. Результаты измерений локальной концентрации водорода в двух партиях идентичных металлических образцов, в одной из которых предварительная очистка поверхности образцов осуществлялась традиционно с помощью их промывки и обработки в ультразвуковой ванне с химическими растворами (NaOH, Na₂СО₃, Na₃PO₄) и в дистиллированной воде, а в другой - с помощью предложенной обработки импульсным лазерным излучением - совпадают друг с другом с точностью ˜5%.

При воздействии сфокусированного излучения лазера на образец в нем формируют кратер, объем которого пропорционален энергии лазерного излучения в широком диапазоне значений энергии большой мощности на металлы. Количество выделяющегося водорода пропорционально объему кратера и, вследствие этого, энергии лазерого импульса. Энергию лазерного излучения в способе определения водорода из металлов измеряют при каждом лазерном импульсе. Разброс в массах выделившегося водорода, обусловленный разбросом энергии лазерного излучения при каждом импульсе, учитывают при определении локальной концентрации водорода в предлагаемом исследуемом образце.

Определение концентрации водорода в транспортном потоке газа при воздействии сфокусированного лазерного излучения на образец осуществляют химическим сенсором на основе МДП структуры. Химический сенсор на основе МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) структуры с каталитически активным палладиевым электродом Pd-SiO₂-Si обладает большой чувствительностью, минимальная концентрация водорода в воздухе с его помощью может быть определена на уровне 10^-5% объемных и селективностью к водороду. Сигналом сенсора на изменение содержания водорода в заданном объеме является изменение напряжении смещения на затворе МДП структуры при фиксированной емкости структуры. Если изменение концентрации водорода в камере с сенсором происходит за малое время так называемым "ступенчатым" образом по сравнению с характерным временем отклика сенсора при малых концентрациях водорода, это время составляет несколько минут, то величиной, соотносимой с изменением концентрации водорода, может служить начальная скорость изменения напряжения смещения на сенсоре.

Это дает возможность определения концентрации водорода в газовом потоке при его быстром прохождении через камеру с сенсором, когда за время пребывания водорода в камере, амплитудное значение сигнала сенсора не успевает достигнуть стационарного значения. Конструктивное выполнение устройства, размеры его основных компонент и расход газового потока выбраны такими, при которых реализуется ступенчатое изменение концентрации водорода в газовом потоке, попадающем на МДП-сенсор. Рабочая камера устройства, расположенная на поверхности образца, имеет линейные размеры L₁, L₂ удовлетворяющие условию (I): L_k≤2 см. При плотности мощности излучения лазера, составляющей 10⁴-10⁹ Вт/см², что является типичным значением для используемых в устройстве лазеров с энергией в импульсе ˜5 Дж при длительности 1 мс, испарение металлов происходит за время лазерного импульса. Взрывной характер испарения может приводить к запылению оптического окна металлом. На основании анализа результатов выполненных экспериментов, в которых варьировались линейные размеры камеры, в том числе и расстояние от оптического окна камеры до поверхности образца, были сделаны оценки оптимальных линейных размеров (L_k≤2 см) рабочей камеры, обеспечивающие установление однородной концентрации водорода в атмосфере рабочей камеры после лазерного импульса.

С течением времени вследствие непрерывного поступления транспортного газа в рабочую камеру концентрация водорода в ней уменьшается. За время V_k/q происходит полная замена газа в объеме камеры. Это происходит достаточно медленно в случае, если выполняется выбранное условие (2): V_k/q>1. Концентрация водорода в транспортном потоке при выполнении условия (2) за время нескольких десятков миллисекунд (время полной замены газа в объеме камеры согласно сделанной выше оценке составляет более одной секунды), соответствующее начальному участку переднего фронта сигнала МДП-сенсора, меняется незначительно и ее можно считать постоянной.

Изменение концентрации водорода в транспортном газе, обусловленное диффузией водорода в газовых коммуникациях протяженностью L_г и объемом V_г, пренебрежимо мало, поскольку транспортное время V_г/q газового потока конструкцией канала выбирается много меньшим времени L_г ²/D_н (D_н -коэффициент диффузии водорода в транспортном газе) диффузии водорода в газовом канале устройства, так что выполняется условие (3):

_Lг ²/D_Н=(20÷500)V_г/q.

Конструкция измерительной камеры обеспечивает попадание газового потока непосредственно на газочувствительный элемент (Pd-SiO₂-Si структуру) химического сенсора, поэтому объем и размеры измерительной камеры при измерении содержания водорода в потоке не играют роли.

Выполнение соотношений (1), (2), (3) в предложенном устройстве обуславливают ступенчатое изменение концентрации водорода в газовом потоке, попадающем на сенсор, что позволяет проводить измерения содержания выделившегося из металла водорода химическим сенсором на основе МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) структуры по величине производной его сигнала по времени в начальный момент времени возрастания сигнала.

Определение водорода в металлах осуществляют следующим образом.

С помощью устройства для определения водорода в металлах проведены исследования однородности распределения содержания водорода в партии образцов (50 штук) мартенситно-стареющей стали. Образцы представляют собой прямоугольные пластинки размерами 40×10×0,1 мм. Концентрацию водорода в каждом образце измеряют в нескольких (пяти) произвольно выбранных областях на поверхности образца, расположенных вдоль всей длины образца на одинаковом расстоянии друг от друга. В качестве образца сравнения служит образец из той же стали. Распределение содержания водорода в объеме образца сравнения, согласно паспортным данным, однородно. Концентрация водорода в образце сравнения всюду практически одинакова и составляет (3±0,05)×10^-4 масс.%. В качестве источника излучения используют твердотельный лазер на иттрий-алюминиевом гранате, допированном неодимом, работающий в режиме свободной генерации. Максимальная энергия в импульсе 5 Дж при длительности 1 мс, длина волны генерации 1,06 мкм. В качестве химического сенсора используют сенсор на основе МДП структуры Pd-SiO₂-Si, изготовленный в РНЦ "Курчатовский Институт" с типичными размерами ˜1×1×0,2 мм. При малом значении концентрации водорода ˜10^-5% в потоке транспортного газа время достижения амплитудного значения сигнала сенсора составляет несколько минут. Параметры устройства для определения содержания водорода в металлических пластинках удовлетворяют условиям (1), (2) и (3). Линейные размеры L_k рабочей камеры 5 не превышают 2 см, ее объем V_k≈5 см³, длина газового канала 13-L_k≈7 см, его объем V_г≈0,4 см³, расход газового потока q=1 см³/с. В качестве транспортного газа используют, например, гелий из баллона высокого давления (коэффициент диффузии водорода в гелии D_H=1,3 см²/с). В измерительной камере 14 газовый поток попадает непосредственно на газочувствительный элемент 22 (Pd-SiO₂-Si структуру) химического сенсора 15, который установлен на входе канала 13 в измерительную камеру 14. Рабочую камеру 5 с оптическим окном 8 прижимают к поверхности образца 6 и уплотняют прокладкой 19, этот участок одновременно служит торцовой стенкой камеры 5. Лазерный луч попадает на поверхность образца 6 через прозрачное стеклянное окно 8 камеры 5. Нацеливание лазерного луча на выбранный участок образца 6 осуществляют с помощью оптической линзы 4. Сначала образец 6 импульсно облучают расфокусированным лазерным лучом с размером светового пятна на поверхности образца, не приводящим к плавлению и испарению металла. Отсутствие плавления и испарения металла проверяют при исследовании одного из образцов партии с помощью измерения его толщины профилометром. Затем после фокусировки лазерного луча предварительно облученный (расфокусированным лучом) микроучасток поверхности образца 6 импульсно облучают повторно. Интенсивность лазерного излучения в лазерном импульсе измеряют по сигналу детектора 3, на который попадает луч, прошедший через полупрозрачное светоделительное зеркало 2. При импульсном сфокусированном лазерном облучении образца водород, выделившийся из него, потоком гелия переносится через газовый канал 13 в измерительную камеру 14. Возникающий электрический сигнал изменения напряжения смещения на затворе МДП структуры (при фиксированной емкости) измеряется с помощью C-V характериографа блока регистрации 16. С C-V характериографа через интерфейсное устройство сигнал подается в компьютер, с помощью которого определяют производную сигнала сенсора по времени в начальный момент времени формирования сигнала, нормированную на интенсивность лазерного излучения. После этого рабочую камеру 5 укрепляют на поверхности образца сравнения 7, расположенного рядом с анализируемым образцом. Образец сравнения 7 с укрепленной на нем камерой 5 с помощью монтажного столика 9 перемещают под лазерный луч. При импульсном облучении образца сравнения 7 сфокусированным лазерным лучом находят производную по времени возникающего электрического сигнала МДП-сенсора 15 в начальный момент времени, а также измеряют интенсивность излучения в лазерном импульсе. С помощью компьютера для образца сравнения 7 определяют величину производной по времени сигнала сенсора 15 в начальный момент времени формирования сигнала, нормированную на интенсивность лазерного излучения. Значение нормированной на интенсивность производной сигнала МДП-сенсора 15 для образца сравнения составляет 3,70 Мв/с, а для анализируемого образца 6 составляет 4,44 Мв/с. С учетом соотношения этих величин и известной концентрации водорода в образце сравнения 7, равной 3·10^-1 масс.%, концентрация водорода в выбранной точке металлического образца 6 равна 4.44/3.70×3·10^-4=3,6·10^-4 масс.%. Следует отметить, что в эксперименте значение производной определялось на начальном участке сигнала сенсора 15 при t≈10 мс, когда величина возникающего сигнала превосходит амплитуду шумов C-V характериографа. В случае определения производной сигнала сенсора при t≪10 мс возрастает погрешность измерений.

Локальная концентрация водорода была измерена в 30 произвольно выбранных точках пяти произвольно выбранных областей на поверхности анализируемого образца 6, расположенных вдоль всей его длины на одинаковом расстоянии друг от друга. В каждой из пяти областей образца 6 по результатам измерений на фиг.3 построены гистограммы 1-5 (номер области в верхнем правом углу), в которых по оси Х отложены интервалы измеренной локальной концентрации водорода в образце, а по оси Y - частота событий (импульсов), отвечающих данному интервалу локальной концентрации водорода. Как видно из Фиг.3, все гистограммы анализируемого образца идентичны друг другу. Распределение концентрации водорода в каждой из пяти областей образца подчиняется нормальному закону распределения вероятности с центром распределения, равному локальной концентрации водорода в образце 6. Для области 1 С_н2=3,7·10^-4% и дисперсия - σ/n^0,5=0,08, для области 2 С_н2=3,6·10^-4%, σ/n^0,5=0,08, для области 3 С_н2=3,6·10^-4%, σ/n^0,5=0,08, для области 4 С_н2=3,65·10^-4%, σ/n^0,5=0,08, для области 5 С_н2=3,7·10^-4%, σ/n^0,5=0,09.

Полученные результаты позволяют сделать заключение о практически однородном с точностью ˜3·0,08/3,65=6,5% распределении водорода в исследуемом образце мартенситно-стареющей стали. То есть концентрации водорода в исследованном образце равна (3,6±0,1)·10^-4%. Аналогичные измерения были проделаны на всех остальных образцах партии. Способ определения водорода в металлах и устройство для его реализации позволяют провести исследования пространственного распределения водорода в 50 образцах стали за несколько часов. При этом не требуется никаких предварительных операций, связанных с подготовкой поверхности образца для проведения анализа. Способ и устройство для его реализации позволяют расширить функциональные возможности исследования при уменьшении времени проведения анализа и повышении точности определения водорода в металлах.

1. Способ определения водорода в металлах, включающий выделение водорода в газовую фазу путем воздействия излучения импульсного лазера на исследуемый образец или образец сравнения с известным содержанием водорода, регистрацию выделившегося водорода химическим сенсором, отличающийся тем, что поверхность исследуемого образца предварительно импульсно облучают расфокусированным лучом лазера, интенсивность которого меньше необходимой для расплавления металла, интенсивность лазерного излучения измеряют при каждом лазерном импульсе, в качестве химического сенсора используют сенсор на основе МДП(металл-диэлектрик-полупроводник)-структуры, содержание водорода в металле определяют по соотношению величин производных сигналов МДП-сенсора по времени в начальный момент формирования сигналов, нормированных на соответствующую величину интенсивности лазерного излучения.

2. Устройство для определения водорода в металлах, содержащее импульсный лазер, систему фокусирования и наведения луча на исследуемый образец или образец сравнения с известным содержанием водорода, размещенные с возможностью перемещения относительно рабочей камеры с оптическим окном, установленной на поверхности или исследуемого образца, или образца сравнения, и внутренней полостью, открытой к этой поверхности, соединенной газовым каналом с измерительной камерой с расположенным в ней химическим сенсором на водород, выполненным на основе МДП-структуры, блок транспорта выделившегося из металла водорода к сенсору и блок регистрации электрического сигнала сенсора, отличающееся тем, что в устройстве дополнительно установлено полупрозрачное светоделительное зеркало, отводящее часть излучения лазера на детектор измерения интенсивности излучения, соединенный электрической связью с блоком регистрации, при этом газочувствительный элемент сенсора установлен на входе газового канала в измерительную камеру, а объем и линейные размеры рабочей камеры и газового канала удовлетворяют соотношениям

L_к≤2 (1),

V_к/q>1 (2),

L_г ²/D_Н=(20÷500) V_r/q,

где L_к - линейные размеры рабочей камеры (см);

V_к - объем рабочей камеры (см³);

q - расход транспортного газового потока (см³/с);

L_г - длина канала (см);

V_г - объем канала (см³);

D_H - коэффициент диффузии водорода в транспортном газе (см²/с).