Устройство для измерения коэффициентов диффузии водорода в металлах и способ его применения



Устройство для измерения коэффициентов диффузии водорода в металлах и способ его применения
Устройство для измерения коэффициентов диффузии водорода в металлах и способ его применения
Устройство для измерения коэффициентов диффузии водорода в металлах и способ его применения

 

H01J37/00 - Разрядные приборы с устройствами для ввода объектов или материалов, подлежащих воздействию разряда, например с целью их исследования или обработки (H01J 33/00,H01J 40/00,H01J 41/00,H01J 47/00,H01J 49/00 имеют преимущество; исследование или анализ поверхностных структур на атомном уровне с использованием техники сканирующего зонда G01N 13/10, например растровая туннельная микроскопия G01N 13/12; бесконтактные испытания электронных схем с использованием электронных пучков G01R 31/305; детали устройств, использующих метод сканирующего зонда вообще G12B 21/00)

Владельцы патента RU 2562178:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения коэффициентов диффузии водорода в различных конструкционных материалах, используемых в космической и атомной технике, в изделиях, подвергаемых наводороживанию и облучению в процессе эксплуатации. Для управления электронным пучком в вакуумной камере расположены отклоняющие пластины, проходя которые, электронный пучок облучает с определенной частотой различные места поверхности металлической мембраны-образца. одна сторона которого, находящаяся в электролитической ячейке, насыщается водородом, диффундирующим к противоположной стороне образца-мембраны, встроенной герметично в торец вакуумной камеры и одновременно облучаемой отклоняемым пучком электронов от электронной пушки. Технический результат - повышение точности измерения. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения коэффициентов диффузии водорода в различных конструкционных материалах, используемых в космической и атомной технике, в изделиях, подвергаемых наводороживанию и облучению в процессе эксплуатации.

Известны следующие устройства и способы измерения коэффициентов диффузии водорода в металлах.

Для исследования диффузионных процессов готовят образцы, содержащие водород, либо прессованием, либо напылением на подложку исследуемого материала в вакууме. По прошествии определенного времени проводят послойный анализ образца. Слои образца распыляют пучком ионов, а состав распыленных слоев образца анализируют на содержание водорода на масс-спектрометре, измеряя количество водорода (вещества) в каждом слое. Затем по формуле зависимости концентрации измеряемого вещества от времени вычисляют коэффициент диффузии (Клоцман С.М. Диффузия в нанокристаллических материалах // ФММ. 1993. - Т.75. - №5. - С.5-18.). Коэффициенты диффузии измеряют тайм-лаг-методом по установлению стационарного потока через металлическую мембрану после прекращения доступа водорода к ее входной поверхности по формуле Бэррера (1) D=h2/6t3, где t3 - время установления стационарного потока водорода через металлическую мембрану, h - толщина металлической мембраны, D - коэффициент диффузии (Гельд П.В., Рябов Р.А., Кодес Е.С. Водород и несовершенства структуры металла. - М., Металлургия, 1979. - С.85-88; Баранов В.П. Определение эффективных коэффициентов диффузии водорода в деформированных высокопрочных сталях // Современные проблемы науки и образования. - 2007. - №1. - С.37-39).

Коэффициент диффузии водорода определяют при его распространении в металлической пластине, которая поворачивается вокруг своей оси. По мере распространения по пластине водорода происходит смещение центра тяжести пластины, в которой водород диффундирует. Пластина поворачивается и по измерению угла ее поворота судят о коэффициенте диффузии водорода в образце-пластине (Авторское свидетельство СССР №1636729).

Эти устройства и способы не позволяют проводить измерения коэффициента диффузии водорода в металлах, подвергаемых внешнему воздействию заряженными частицами, γ- квантами и рентгеновскими лучами.

В качестве прототипа выбраны устройство и способ, описанные в работе (Тюрин Ю.И., Чернов И.П. Аккумулирующие свойства водорода в твердом теле. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - С.41 88 (рис.5.1).

Устройство состоит из вакуумной камеры, соединенной с масс-спектрометром. В вакуумной камере расположена электронная пушка и образец, предварительно насыщенный водородом. Образец имеет форму прямоугольной мембраны.

Узкий пучок электронов из электронной пушки направляют на образец. Под действием пучка электронов водород выходит из образца и попадает в масс-спектрометр. С помощью масс-спектрометра определяют количество водорода, вышедшего из образца за время облучения, и по нему судят о процессе диффузии водорода в образце.

Недостатком прототипа-устройства является невозможность направить пучок электронов в разные места по всей поверхности металлического образца-мембраны.

Недостаток прототипа-способа - невозможность измерить коэффициент диффузии водорода в условиях одновременного наводороживания и облучения электронами изделий, находящихся в промышленных условиях. При этом в изделиях из металла образуются дефекты, в которых скапливается водород, который диффундирует по образцу. В прототипе диффузию водорода исследуют при облучении электронами уже наводороженного образца. Это уменьшает точность и искажает процесс диффузии водорода в конструкционных материалах.

Задача - создать устройство и способ измерения коэффициента диффузии в металлах при одновременном облучении образца металла пучком электронов и наводороживании образца металла.

Устройство для измерения коэффициентов диффузии водорода в металлах содержит вакуумную камеру, соединенную с масс-спектрометром, электронную пушку, микроамперметр, измеряющий ток пучка, образец-мембрану. На пути электронного пучка по оси вакуумной камеры расположены металлические пластины. Они соединены с генератором развертки электронного пучка для отклонения его на поверхность образца-мембраны - катода, расположенного совместно с анодом в электролитической ячейке.

Способ измерения коэффициентов диффузии водорода в металлах, содержащих водород и облучаемых электронным пучком, состоит в том, что на поверхности образца-мембраны, находящегося в электролитической ячейке, при электролизе скапливается водород. Он диффундирует через образец-мембрану на поверхность образца-мембраны, находящуюся в вакуумной камере и одновременно облучаемую электронным пучком, отклоняемым от прямолинейной траектории с помощью генератора его развертки. Сканируют электронным лучом поверхность образца-мембраны, выбирая частоту генератора развертки электронного луча. Измеряют время начала выхода водорода из образца-мембраны под облучением. Фиксируют время выхода водорода из мембраны на максимальный режим, находят разность этих величин и по формуле Бэррера рассчитывают коэффициент диффузии водорода через образец-мембрану в условиях ее облучения электронами.

На фиг.1 приведена схема устройства.

Устройство содержит вакуумную камеру 1, соединенную с масс-спектрометром 2. В левом торце по оси вакуумной камеры 1 расположена электронная пушка 3. Металлические пластины 4 соединены с генератором развертки 7 электронного пучка и расположены по оси вакуумной камеры 1 между электронной пушкой и правым торцом вакуумной камеры 1. Образец-мембрана 6 является частью стенки электролитической ячейки 5, герметически пристыкованной к правому торцу вакуумной камеры 1. Электролитическая ячейка 5, находящаяся напротив электронной пушки 3, содержит электролит 8, в котором расположены соединенные с источником питания 9 анод 10 и образец-мембрана 6 - катод, нижняя часть которого соединена с микроамперметром 11.

На фиг.2 показано расположение в вакуумной камере 1 четырех металлических пластин 4, отклоняющих электронный пучок для сканирования всей поверхности образца-мембраны 6, напряжение на которые подают от генератора развертки 7.

На фиг.3 приведено изменение содержания водорода H2 в вакуумной камере 1 в зависимости от времени электролиза и облучения электронами.

Для решения поставленной задачи в вакуумной камере 1 на пути электронного пучка по оси вакуумной камеры закреплены четыре пластины 4 (фиг.2). Для отклонения электронного пучка от прямолинейной траектории на пластины подают напряжение от генератора развертки 7. Благодаря этому электроны пучка попадают в различные места по всей поверхности наводороживаемого металлического образца-мембраны 6. Водород, выходящий из металлического образца-мембраны 6 - катода в вакуумную камеру 1, попадает из нее в масс-спектрометр 2 для измерения концентрации водорода.

Измерение коэффициента диффузии осуществляют по следующему алгоритму: включают масс-спектрометр 2 и измеряют возможное (после откачки вакуумной камеры 1) количество остаточных газов в вакуумной камере 1. Включают электронную пушку 3 и генератор развертки 7 электронного пучка. По показаниям микроамперметра 11 устанавливают напряжение на отклоняющих пластинах 4 с помощью генератора развертки 7, отклоняя электронный пучок по осям на величину y и x, и не выходя пучком за пределы металлического образца-мембраны 6. Напряжение на пластинах 4 для отклонения пучка на величину y или x определяют по формуле

U = y ( 2 d E 0 e l L ) , ( 2 )

где d - расстояние между отклоняющими пластинами 4, l - длина пластин 4, L - расстояние от пластин 4 до образца-мембраны 6, E0 - энергия пучка электронов, e - заряд электрона. Далее в электролитическую ячейку 5 заливают раствор 0.1 М серной кислоты, включают источник питания электролитической ячейки 9. Устанавливают плотность тока электролиза, равную 1A·см-2. В металлический образец-мембрану 6, являющийся катодом, в результате электролиза входит водород, который диффундирует через образец-мембрану 6 и попадает в вакуумную камеру 1, соединенную с масс-спектрометром 2. Постоянно измеряют во времени изменение интенсивности линий водорода на масс-спектрометре 2. Фиксируют момент времени t1, когда масс-спектрометр 2 показывает постоянную интенсивность линии водорода H2 в вакуумной камере 1 устройства. В этот момент времени t1 включают электронную пушку 3 и генератор развертки 7, на котором заранее установлено напряжение на пластинах 4. Частоту генератора развертки 7 выбирают такой, чтобы пучок электронов облучал поверхность мембраны в одной и той же точке в течение 0.5-1.0 мин. Записывают время t2 выхода в процессе облучения интенсивности линий H2 на максимальный режим (фиг.3).

На фиг. 3 представлена зависимость содержания водорода в относительных единицах в вакуумной камере 1 от времени электролиза и черточками указаны моменты времени. Находят разность t2-t1=t3 и рассчитывают коэффициент диффузии D водорода по формуле Бэррера (1) D=h2/6t3, где t3 - время установления стационарного потока водорода через металлический образец-мембрану 6, h - толщина металлического образца-мембраны 4.

Конкретный пример выполнения устройства для определения коэффициента диффузии водорода в металлах и способ его применения.

Устройство содержит вакуумную камеру 1, соединенную с масс-спектрометром 2. В торце вакуумной камеры 1 расположена электронная пушка 3. Вакуумная камера 1 представляет собой металлическую цилиндрическую трубку с внутренним диаметром от 25 мм до 35 мм и длиной примерно 40 см, в торец которой по оси вакуумной камеры 1 вмонтирована электронная пушка 3, электронный пучок которой, проходя через металлические пластины 4, попадает на поверхность образца-мембраны 6, являющейся частью стенки электролитической ячейки 5. Электролитическая ячейка 5 расположена напротив электронной пушки 3, содержит электролит 8, в котором находятся соединенные с источником питания 9 анод 10 и образец-мембрана 6 - катод, нижняя часть которого соединена с микроамперметром 11.

Образец-мембрана 6 - катод выполнен из нержавеющей стали 12Х18Н12Т толщиной 50 мкм, диаметром 25 мм.

В электролитическую ячейку 5 заливают 0,1 М раствор серной кислоты. По формуле (2) строят градуировочный график зависимости величины напряжения U на отклоняющих пластинах 4 от величины y и x отклонения электронного пучка от центра образца-мембраны 6. Для построения графика используют следующие размеры устройства. Расстояние от края отклоняющих пучок пластин L=20 мм; длина пластин l=200 мм, расстояние между пластинами d=10 мм; диаметр мембраны 25 мм; энергия пучка электронов E0=30 кэВ; заряд электрона e=1.6·10-19 Кл. Например, для отклонения электронного пучка на величину y=2 см подают напряжение U=150 В. Чтобы пучок не попал за пределы образца-мембраны, наблюдают за показаниями микроамперметра 11. При отклонении пучка за границу образца-мембраны 6, микроамперметр 11 показывает нулевое значение. Включают масс-спектрометр 2 в режиме анализа линии водорода (H2) и фиксируют спектр масс остаточных газов в вакуумной камере 1. На анод 10 и образец-мембрану 6 подают постоянное напряжение от источника питания 9 DC SUPPLY HY 3002 и устанавливают плотность тока 1A·см-2. На поверхности образца-мембраны, находящегося в электролитической ячейке, при электролизе скапливается водород, который диффундирует через образец-мембрану на его поверхность, находящуюся в вакуумной камере.

Масс-спектрометром 2 продолжают измерение интенсивности линий водорода в вакуумной камере 1, и когда интенсивность линий водорода в масс-спектрометре становится постоянной (не изменяется со временем), включают электронную пушку 3 и генератор развертки 7, фиксируют момент времени их включения t1=120 мин и записывают в таблицу. Пучок электронов диаметром d=2 мм с помощью генератора развертки 7 С1-49 электронного луча направляют последовательно в различные места поверхности облучаемого образца-мембраны 6 (режим сканирования) и измеряют зависимость интенсивности выхода водорода от времени. Фиксируют момент времени, когда поток выходящего из металла водорода становится постоянным t2=140 мин, и вновь записывают в таблицу изменения интенсивности линий водорода I о.е. в зависимости от времени t. Как правило, если продолжать облучение, то интенсивность линий водорода в камере несколько уменьшается. Это свидетельствует о том, что увеличение диффузионного потока прекращается, например, за счет изменения плотности дефектов структуры металла или других факторов. Разность значений t2-t1=t3 подставляют в формулу (1). t3=t2-t1=20 мин. D = h 2 6 t 3 = 37.7 10 14 м2с-1. Для сравнения коэффициент диффузии без облучения электронами равен D=3.81·10-14 м2с-1. Погрешность определения коэффициента диффузии зависит от точности фиксации времени выхода интенсивности линий водорода на стационарный режим.

Без отклоняющих пластин в условиях расширенного с помощью магнитной системы пушки электронного пучка до d=20 мм, который стационарно облучает всю поверхность образца-мембраны 6, максимальное значение интенсивности линий водорода меньше на 40%, а время t3 увеличивается до 25 мин и более. Применение узкого пучка электронов в стационарном режиме, т.е. без сканирования поверхности мембраны, также увеличивает время выхода t3. При этом максимум линий интенсивности снижается на 10-12%. Физической причиной этого является перераспределение зарядовой плотности в наводороживаемом металле под действием электронного пучка.

Измерение коэффициентов диффузии водорода в металлах при одновременном облучении и наводороживании приобретает особое значение для технологий вновь создаваемых материалов для атомной и аэрокосмической промышленности.

1. Устройство для измерения коэффициентов диффузии водорода в металлах, содержащее вакуумную камеру, соединенную с масс-спектрометром, электронную пушку, микроамперметр, измеряющий ток пучка, образец-мембрану, отличающееся тем, что на пути электронного пучка по оси вакуумной камеры расположены металлические пластины, соединенные с генератором развертки электронного пучка для отклонения пучка на поверхность образца-мембраны - катода, расположенного совместно с анодом в электролитической ячейке.

2. Способ измерения коэффициентов диффузии водорода в металлах, содержащих водород и облучаемых электронным пучком, отличающийся тем, что на поверхности образца-мембраны, находящегося в электролитической ячейке, при электролизе скапливается водород, который диффундирует через образец-мембрану на его поверхность, находящуюся в вакуумной камере и одновременно облучаемую электронным пучком, отклоняемым от прямолинейной траектории с помощью генератора его развертки, выбирают частоту генератора развертки, сканируя электронным лучом поверхность образца-мембраны, измеряют время начала выхода водорода из образца-мембраны под облучением, фиксируют время выхода водорода из мембраны на максимальный режим, находят разность этих величин и по формуле Бэррера рассчитывают коэффициент диффузии водорода через образец-мембрану в условиях ее облучения электронами.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к дефектоскопии и может быть использовано для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов, например пор, раковин, трещин, волосовин, закатов, непроплава и т.д.

Изобретение относится к приборам для измерения содержания летучих веществ в воздухе, в частности к фотоионизационным газоанализаторам. Фотоионизационный газоанализатор содержит ионизационную камеру (1), лампу вакуумного ультрафиолетового излучения (4) с окном (5) для вывода излучения в ионизационную камеру, две газовые линии (8) и (9), одна из которых служит для подвода анализируемого газа, а вторая - для подвода агента, используемого для очистки ионизационной камеры от загрязнений, и электронный блок (10), служащий для настройки газоанализатора, измерения сигнала ионизационной камеры и формирования управляющих воздействий.

Изобретение относится к устройствам СВЧ плазменной обработки материалов и может быть использовано при создании твердотельных приборов микро- и наноэлектроники, мощных дискретных твердотельных электронных приборов, в производстве подложек для электронных приборов, работающих в экстремальных условиях.

Устройство для ионной обработки внутренних поверхностей изделий миллиметрового диапазона предназначено для нанесения внутреннего электропроводящего покрытия из дорогостоящих материалов с малым удельным сопротивлением, в котором толщина скин-слоя должна быть 3…4 мкм.

Изобретение относится к технике испытаний и может быть использовано при наземной экспериментальной отработке радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов в диапазоне давлений окружающей среды от атмосферного до соответствующего глубокому вакууму.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для обработки материалов в среде низкотемпературной плазмы газового разряда, а именно к индукционным генераторам плазмы, размещаемым внутри технологического объема (рабочей камеры).

Изобретение относится к устройствам подачи порошкообразного материала в плазму и может быть использовано для подачи порошковых проб при спектральном анализе. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройству подготовки поверхности образца и камеры для последующих воздействий и анализа, и может быть использовано в высоко- и сверхвысоковакуумных установках для анализа или исследования твердых тел.
Изобретение относится к металлургии высокочистых металлов, конкретно - к производству распыляемых металлических мишеней для микроэлектроники. .
Изобретение относится к области производства распыляемых металлических мишеней для микроэлектроники. .

Использование: для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота. Сущность изобретения заключается в том, что датчик состоит из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора (InSb)0,94(CdTe)0,06, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора.

Изобретение относится к аналитической химии, а может быть использовано для оценки безопасности изделий из фенолформальдегидных пластмасс. Для этого используют многоканальный анализатор газов (МАГ-8) с 8-мью пьезокварцевыми резонаторами, электроды которых модифицируют нанесением растворов полидиэтиленгликольсукцината, полиэтиленгликольсебацината, полиэтиленгликольфталата, полифенилового эфира, триоктилфосфиноксида, пчелиного клея, пчелиного воска и комбинированного сорбента - пчелиного клея с хлоридом железа (III).

Использование: для регистрации и измерения содержания оксида углерода. Сущность изобретения заключается в том, что полупроводниковый газоанализатор угарного газа содержит полупроводниковое основание, нанесенное на непроводящую подложку, при этом полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки твердого раствора (ZnTe)0,26(CdSe)0,74.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания кислорода. Газовый датчик согласно изобретению содержит диэлектрическую подложку с нанесенным слоем полупроводникового материала толщиной от 0,07 мкм до 0.2 мкм.
Использование: для определения содержания паров воды в воздушной среде. Сущность изобретения заключается в том, что при формировании пленок для определения содержания паров воды в воздушной среде выполняют последовательное нанесение на поверхность оксидного стекла поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорида аэрозольным распылением и гексацианоферрата(III) калия ультразвуковым распылением в соотношении 3:1 с образованием поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианидной пленки, селективной по отношению к парам воды.
Изобретение относится к области нанотехнологии сенсорных материалов и может быть использовано для создания полупроводниковых газовых сенсоров, селективных к содержанию в воздухе сероводорода и его производных.

Изобретение относится к изготовлению газовых сенсоров, предназначенных для детектирования различных газов. Предложен способ изготовления газового сенсора, в котором образуют гетероструктуру из различных материалов, в ней формируют газочувствительный слой, после чего ее закрепляют в корпусе сенсора, а контактные площадки соединяют с выводами корпуса при помощи контактных проводников.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака.

Изобретение относится к газовому анализу и может быть использовано для контроля токсичных и взрывоопасных газов и в тех областях науки и техники, где необходим анализ газовых сред.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания оксида углерода. Датчик состоит из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора (ZnTe)0,68(CdSe)0,32, и непроводящей подложки. Датчик согласно изобретению при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание оксида углерода с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. 3 ил.
Наверх