特許 6180797 試料中の水素含有量測定のためのシステム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6180797

(24)【登録日】2017年7月28日

(45)【発行日】2017年8月16日

(54)【発明の名称】試料中の水素含有量測定のためのシステム及び方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 1/22 20060101AFI20170807BHJP

   G01N 33/20 20060101ALN20170807BHJP

【ＦＩ】

   G01N1/22 R

   !G01N33/20 L

【請求項の数】9

【外国語出願】

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-116707(P2013-116707)

(22)【出願日】2013年6月3日

(65)【公開番号】特開2013-253970(P2013-253970A)

(43)【公開日】2013年12月19日

【審査請求日】2016年6月1日

(31)【優先権主張番号】13/487,481

(32)【優先日】2012年6月4日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500520743

【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100109726

【弁理士】

【氏名又は名称】園田 吉隆

(74)【代理人】

【識別番号】100101199

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 義教

(72)【発明者】

【氏名】クリスティ， カールトン エヌ．

【審査官】 土岐 和雅

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−３０６１８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１９２７８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０９４５０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１２７９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Masako Mizuno et al.，Determination of Hydrogen Concentration in Austenitic Stainless Steel by Thermal Desorption Spectroscopy，Materials Transactions ，１９９４年，Vol.35 No.10，703-707

【文献】 広畑優子，昇温脱離法(ＴＤＳ)による水素の定量分析，J. Vac.Soc.Jpn，１９９９年 ７月 ３日，Vol.42 No.10，5-11

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ１／００〜１／４４、１７／００〜１９／００、２５／００〜２５／７２、２７／６０〜２７／９２、３０／００〜３０／９６、３１／００〜３１／２２、３３／００〜３３／４６

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

加熱脱着チャンバ（３０２）を提供するステップと
前記加熱脱着チャンバ（３０２）で真空引きするステップと、
前記加熱脱着チャンバ（３０２）内に試料プローブ（３１２）であって、内部穴（３１９）を画定し、前記試料プローブ（３１２）の外の前記加熱脱着チャンバ（３０２）から前記内部穴（３１９）が流体的に隔離されている、前記試料プローブ（３１２）を配置するステップと、
前記試料プローブ（３１２）から標的核種を脱着するために前記試料プローブ（３１２）を加熱するステップと、
前記試料プローブ（３１２）の外の前記加熱脱着チャンバ（３０２）の中へ第１流体ライン（３４０）を通ってキャリアガスであって、前記加熱脱着チャンバ（３０２）内の脱着された標的核種と混合して第１混合物を形成する前記キャリアガスを送るステップと、
前記内部穴（３１９）の中へ第２流体ライン（３４２）を通って前記キャリアガスであって、前記内部穴（３１９）内の脱着された標的核種と混合して第２混合物を形成する前記キャリアガスを送るステップと、
前記第１混合物と前記第２混合物とを検出器（３０４）に通すステップと、
前記第１混合物と前記第２混合物とを分析するステップと
を備える測定方法。

【請求項2】

前記加熱脱着チャンバ（３０２）を紫外線に曝露するステップをさらに備え、前記曝露するステップは前記真空引きするステップの間に実施される、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記真空引きするステップは、前記配置するステップの後に実施される、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記配置するステップは、前記試料プローブ（３１２）を試料導入チャンバ（１４）から前記加熱脱着チャンバ（３０２）へ移動することを含み、真空引きは前記移動ステップに先立って前記試料導入チャンバ（１４）で行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記標的核種は、水素及び拡散性水素のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記キャリアガスはアルゴンを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記分析するステップは、
質量分析器により前記第１混合物及び前記第２混合物内の前記標的核種を定量することと、
前記第１混合物及び前記第２混合物内の前記標的核種の濃度を決定することと
のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

加熱脱着チャンバ（３０２）と、
前記加熱脱着チャンバ（３０２）に囲まれた試料プローブ（３１２）であって、内部穴（３１９）を画定する中空管状体（３１８）を含み、前記内部穴（３１９）は第１端部（３２０）及び第２端部（３２２）で封じられている、前記試料プローブ（３１２）と、
前記加熱脱着チャンバ（３０２）と選択的に流体連通している真空ポンプ（３０６）と、
前記加熱脱着チャンバ（３０２）内に封入され、前記試料プローブ（３１２）を加熱し前記試料プローブ（３１２）からの水素を脱着するよう構成された１以上の加熱素子（３１０）と、
前記加熱脱着チャンバ（３０２）と選択的に流体連通しているキャリアガス源（３０８）と、
前記試料プローブ（３１２）の外の前記加熱脱着チャンバ（３０２）の中へキャリアガスを供給し、キャリアガスが前記試料プローブ（３１２）の外へ脱着された水素と混合し、第１混合物を形成するよう構成された第１流体ライン（３４０）と、
前記内部穴（３１９）の中へ前記キャリアガスを供給し、キャリアガスが前記試料プローブ（３１２）の前記内部穴（３１９）中へ脱着された水素と混合し、第２混合物を形成するよう構成された第２流体ライン（３４２）と、
前記加熱脱着チャンバ（３０２）と選択的に流体連通している検出器（３０４）であって、前記第１混合物と前記第２混合物を分析するよう構成された前記検出器（３０４）と
を備える測定システム（３００）。

【請求項9】

前記検出器（３０４）は質量分析器を含む、請求項８に記載のシステム（３００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は試料中の特定の核種の含有量の測定に関し、より具体的には、水素脆化電位を評価するため、高強度鋼及びチタン合金などの高強度構造材料の水素含有量の測定に関する。

【背景技術】

【0002】

着陸装置などの航空機構造コンポーネントは、使用中に大きな応力にさらされる。そのため、航空機構造コンポーネントは典型的に、高強度鋼及びチタン合金などの高強度構造材料によって構築される。環境腐食を防止するため、高強度鋼は典型的に耐食性被覆でメッキされる。典型的な耐食性被覆はチタン‐カドミウム被覆及び亜鉛ニッケル被覆を含む。

【0003】

水素は高強度構造材料に拡散し、その結果水素脆化（すなわち、水素が誘起する延性の低下で、これにより材料は水素に曝露されていない材料と比較してより脆化する）を引き起こすことが昔から知られている。高強度構造材料を耐食性被覆でメッキする工程は、メッキ用カソードで起こる水素の発生によって水素脆化に大きな影響を及ぼすことが知られている。

【0004】

したがって、導入に先立って、高強度構造材料は典型的に水素脆化に対する評価が行われる。例えば、ＡＳＴＭ（米国材料試験協会）Ｆ３２６は、カドミウム電気メッキ工程に起因する水素脆化電位を電子計測するための標準的な試験方法である。しかしながら、ＡＳＴＭ Ｆ３２６の標準的な試験方法は、亜鉛ニッケル電気メッキ工程に起因する水素脆化電位の測定には適していない。別の実施例として、ＡＳＴＭ Ｆ５１９は、種々の電気メッキ工程に起因する水素脆化電位を機械計測するための標準的な試験方法である。しかしながら、ＡＳＴＭ Ｆ５１９の標準的な試験方法は、２００時間以上を必要とするため、全体の製造時間を大幅に増加させる。

【0005】

そのため、当業者は、水素検出の分野において研究開発の努力を続けている。

【発明の概要】

【0006】

本開示の一態様によれば、（１）チャンバを提供するステップ、（２）チャンバを真空引きするステップ、（３）チャンバ内に試料を配置するステップ、（４）試料を加熱して試料から標的核種を脱着するステップ、（５）チャンバにキャリアガスを流し、キャリアガスと脱着された標的ガスを混ぜて混合ガスを形成するステップ、及び（６）混合ガスを分析するステップを含みうる、測定方法が提供される。

【0007】

有利にはチャンバはアルミニウムで形成される。有利には真空は最大でも１０^−３トールの圧力である。有利には真空は最大でも１０^−６トールの圧力である。有利には方法はチャンバを紫外線に曝露するステップを含む。好ましくは曝露するステップは真空引きのステップの間に実施される。有利には真空引きのステップはメッキのステップの後に実施される。有利にはメッキのステップは試料導入チャンバからチャンバへ試料を移動することを含み、真空引きは移動ステップに先立って試料導入チャンバで行われる。有利には加熱ステップは試料を少なくとも７０℃の温度まで加熱することを含む。有利には標的核種は水素である。有利には標的核種は拡散性の水素である。有利にはキャリアガスはアルゴンを含む。有利には流入ステップは少なくとも１０^−２トールの圧力で実施される。有利には分析ステップは質量分析器による混合ガス中の標的核種の定量を含む。有利には分析ステップは混合ガス中の標的核種の濃度の測定を含む。

【0008】

本開示のさらなる一態様によれば、（１）チャンバを提供するステップ、（２）チャンバを真空引きするステップ、（３）チャンバ内に試料を配置するステップ、（４）試料を加熱して試料から水素を脱着するステップ、（５）チャンバにキャリアガスを流し、キャリアガスと水素を混ぜて混合ガスを形成するステップ、及び（６）混合ガスを分析するステップを含みうる、測定方法が提供される。有利には金属試料の少なくとも一部は、メッキされたもの及び化学処理されたもののうちの１つである。

【0009】

本開示のまたさらなる一態様によれば、（１）加熱脱着チャンバ、（２）加熱脱着チャンバと選択的に流体連通している真空ポンプ、（３）加熱素子、（４）加熱脱着チャンバに受け入れられる加熱素子、（４）加熱脱着チャンバと選択的に流体連通しているキャリアガス源、及び（５）加熱脱着チャンバと選択的に流体連通している検出器を含みうる、測定システムが提供される。

【0010】

有利には検出器は質量分析器を含む。有利にはシステムは加熱脱着チャンバ内に試料を含み、加熱素子は試料を加熱して試料から水素を脱着するように構成されており、キャリアガス源はキャリアガスを供給して脱着した水素と混ぜて混合ガスを形成するように構成されており、さらに検出器は混合ガスを分析するように構成されている。

【0011】

試料の水素含有量（又は試料の他の標的核種の含有量）を検出するための本開示のシステムおよび方法の他の実施形態は、後述の詳細な説明、添付図面及び添付されている請求の範囲から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】試料の水素含有量を検出するための本開示システムの一実施形態を示す概略図である。

【図2】試料の水素含有量を検出するための本開示方法の一実施形態を示すフロー図である。

【図3】試料の水素含有量を検出するための本開示システムの代替的な実施形態を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

試料の水素含有量を検出するためのシステム及び方法が開示されている。試料は高強度鋼又はチタン合金などの構造材料の試料であってもよい。任意選択により、試料は化学的に処理されていてもよく、或いは例えば電気メッキ工程を利用して、チタン‐カドミウム被覆又は亜鉛ニッケル被覆などの耐食性被覆材料でメッキされていてもよい。そのため、試料内部の拡散性水素などの水素量を知り、これによって試料の水素脆化電位を知ることが好ましい。

【0014】

本明細書では試料の水素含有量の検出について言及しているが、本開示のシステム及び方法は試料中の他の核種の存在及び／又は濃度を検出するために使用しうることも考慮されている。さらに、本明細書では水素脆化電位について言及しているが、本開示のシステム及び方法は、様々な理由により、水素脆化電位の決定のためだけでなく、水素（又は他の核種）含有量の検出に使用しうる。

【0015】

図１を参照するに、試料中の水素含有量を検出するための本開示システムの一実施形態は、概して１０で指定されているが、加熱脱着チャンバ１２、試料導入チャンバ１４、検出器１６、第１真空ポンプ１８、第２真空ポンプ２０及びキャリアガス源２２を含みうる。任意選択のプロセッサ２４は、システム１０を動作させ、温度及び圧力を監視し、検出器１６からデータを受信して処理するために提供されることもある。

【0016】

したがって、試料を加熱して試料から水素を脱着することができるよう、例えば試料導入チャンバ１４を経由して、試料は加熱脱着チャンバ１２に導入されてもよい。キャリアガス源２２はキャリアガスを加熱脱着チャンバ１２に供給して、脱着された水素を検出器１６に運ぶことができ、脱着された水素はそこで測定される。バックグラウンド水素は、検出器１６で行われる測定を損なう可能性があるが、加熱脱着チャンバ１２に試料を導入する前にポンプ１８、２０を使用して、加熱脱着チャンバ１２及び試料導入チャンバ１４を評価することによって、最小化することができる。

【0017】

加熱脱着チャンバ１２は、真空（すなわち、実質的に気密な）を維持できる硬い耐熱性の筐体であってもよい。例えば、加熱脱着チャンバ１２は１０^−８トール以下の内圧に耐えるように構築された容器であってもよい。しかしながら、本開示の範囲を逸脱することなく、より高い圧力（例えば、１０^−７トール、１０^−６トール、１０^−５トール、１０^−４トール、１０^−３トール、１０^−２トール又はさらに高い圧力）で動作するように構成された加熱脱着チャンバ１２が使用されることがある。

【0018】

加熱脱着チャンバ１２の大きさは、とりわけ、本開示のシステム１０を使用して評価されるよう意図されている最大試料サイズによって決定される。例えば、加熱脱着チャンバ１２は、ＡＳＴＭ Ｆ５１９試験方法で要求されている同一試料を受け入れられるだけ十分に大きくてもよい。その結果、同一試料を使用して、ＡＳＴＭ Ｆ５１９試験方法の結果と本開示システム１０を使用して得られる測定値との間の相関関係が決定されうる。

【0019】

加熱脱着チャンバ１２は、耐熱性があり、真空圧に耐えることができる十分に硬い材料で構築されてもよい。加熱脱着チャンバ１２の構築に好適な材料の例には、鋼鉄（例えば、軟鋼又はステンレス鋼）、真鍮及びアルミニウムなどの金属、セラミック材料、複合材料及び高分子材料などの非金属が含まれる。

【0020】

アルミニウムはステンレス鋼と比べて水素含有量がおおよそ７桁小さいことに留意すべきである。したがって、いかなる特定の理論にも限定されることなく、低水素アルミニウムで加熱脱着チャンバ１２を構築することは、バックグラウンド水素の低減に寄与し、その結果として、本開示システム１０の全体性能を改善すると考えられている。好適なアルミニウム加熱脱着チャンバ１２、又はそのコンポーネントは、ワシントン州ポートタウンゼントのＡｔｌａｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社から入手することができる。

【0021】

加熱素子２６は、試料から水素を脱着するため、加熱脱着チャンバ１２（又は少なくとも加熱脱着チャンバ１２内に配置される試料）を加熱するために提供される。例えば、加熱素子２６は一又は複数の加熱ランプ（例えば、ハロゲン加熱ランプ）を含んでもよく、加熱ランプは電力線２８を経由して電気エネルギーが供給される。加熱ランプの使用は具縦的に開示されているが、当業者は、本開示の範囲を逸脱することなく、加熱脱着チャンバ１２内の試料を加熱するために、様々な加熱素子２６（例えば、加熱カートリッジ）が使用されることを理解されたい。

【0022】

例えば熱電対などの温度センサ３０は、加熱脱着チャンバ１２内で生成される熱を検出するために提供される。温度センサ３０は、通信線３２を経由してプロセッサ２４と通信してもよい。したがって、プロセッサ２４は、温度センサ３０から受信した温度信号に基づいて、加熱脱着チャンバ１２内の試料を所望の温度（例えば、少なくとも１５０℃）まで加熱するため加熱素子２６を制御してもよい。

【0023】

任意選択により、紫外線ランプ３４は加熱脱着チャンバ１２内に提供されうる。紫外線ランプ３４は電力線３６を経由して電気エネルギーが供給され、約２００〜４００ナノメートルの範囲の波長を有する光を発することができる。

【0024】

いかなる特定の理論にも限定されるものではないが、紫外線は水分子（バックグラウンド水素源）を励起し、これにより水分子が加熱脱着チャンバ１２の壁に結合することを防止するものと考えられている。そのため、紫外線ランプ３４は、本明細書でさらに詳細に説明されているように、バックグラウンド水素を最小化するために加熱脱着チャンバ１２が浄化されているときに、作動されてもよい。

【0025】

真空ゲージ３８、４０は、加熱脱着チャンバ１２内の圧力を監視するため、加熱脱着チャンバ１２に結合されることがある。例えば、真空ゲージ３８は１０^−４トール〜１０^−１０トールの圧力を測定するように構成されたイオンゲージであってもよく、真空ゲージ４０は約１アトム〜１０^−４トールの圧力を測定するように構成された熱電対ゲージであってもよい。プロセッサ２４が加熱脱着チャンバ１２内の圧力を制御できるように、真空ゲージ３８、４０は任意選択によりプロセッサ２４と通信を行ってもよい。

【0026】

試料導入チャンバ１４は、加熱脱着チャンバ１２に選択的に結合された負荷ロックチャンバであってもよい。したがって、試料導入チャンバ１４は真空（例えば、１０^−４トール以下）を維持できる硬い筐体であり、試料を受け入れられる大きさ及び形状となることがある。

【0027】

真空ゲージ１５は、試料導入チャンバ１４内の圧力を監視するため、試料導入チャンバ１４に結合されることがある。例えば、真空ゲージ１５は約１アトム〜１０^−４トールの圧力を測定するように構成された熱電対ゲージであってもよい。プロセッサ２４が試料導入チャンバ１４内の圧力を制御できるように、真空ゲージ１５は任意選択によりプロセッサ２４と通信を行ってもよい。

【0028】

試料導入チャンバ１４が使用される場合、試料は最初に試料導入チャンバ１４に導入され、試料導入チャンバ１４上で真空引きが行われてもよい。次に、試料は加熱脱着チャンバ１２に移送されるように、試料導入チャンバ１４は加熱脱着チャンバ１２（例えば、バルブ４２によって）に流体結合されてもよい。例えば、試料導入チャンバ１４が加熱脱着チャンバ１２に流体結合されると、プッシュロッド（図示せず）又は同種のものが使用可能となり、試料を試料導入チャンバ１４から加熱脱着チャンバ１２まで移送することができる。

【0029】

そのため、試料を加熱脱着チャンバ１２に導入するため試料導入チャンバ１４を使用すると、試料を加熱脱着チャンバ１２に直接導入する場合よりも、加熱脱着チャンバ１２への試料導入時に、加熱脱着チャンバ１２に導入される外気（バックグラウンド水素源）の量を最小化することができる。

【0030】

第１真空ポンプ１８は、バルブ４４，４６によって、加熱脱着チャンバ１２及び試料導入チャンバ１４の双方に選択的に結合されることがある。したがって、バルブ４４，４６を選択的に開放及び閉鎖することにより、第１真空ポンプ１８を作動させて、加熱脱着チャンバ１２又は試料導入チャンバ１４のいずれかを真空引きすることができる。

【0031】

第１真空ポンプ１８は低真空ポンプであって、加熱脱着チャンバ１２及び試料導入チャンバ１４の初期の真空引きに使用されてもよい。１つの具体的な実装では、第１真空ポンプ１８は、加熱脱着チャンバ１２及び試料導入チャンバ１４の双方で少なくとも約１０^−３トールの真空引きを行うことができる。

【0032】

一実施例として、第１真空ポンプ１８は機械的に作動する容積移送式ポンプであってもよい。オイルはバックグラウンド水素源となりうるため、第１真空ポンプ１８は任意選択により、隔膜ポンプ、蠕動ポンプ又はスクロールポンプなどの、オイルを使用しないポンプとなることがある。

【0033】

第１真空ポンプ１８によって作り出される真空を監視するため、真空ゲージ４８は、第１真空ポンプ１８を試料導入チャンバ１４及び加熱脱着チャンバ１２に結合する流体ライン５０上に装着されることがある。例えば、真空ゲージ４８は約１アトム〜１０^−４トールの圧力を測定するように構成された熱電対ゲージであってもよい。プロセッサ２４が第１真空ポンプ１８によって生成される真空を制御できるように、真空ゲージ４８は任意選択によりプロセッサ２４と通信を行ってもよい。

【0034】

第２真空ポンプ２０はバルブ５２によって加熱脱着チャンバ１２に選択的に結合可能で、第１真空ポンプ１８と加熱脱着チャンバ１２との間に直列に連結されてもよい。バルブ５４は第２真空ポンプ２０と第１真空ポンプ１８との間に配置されうる。したがって、バルブ５２、５４により、第２真空ポンプ２０は単独で、あるいは第１真空ポンプ１８と組み合わせて加熱脱着チャンバ１２の真空引きを行うように作動されうる。

【0035】

第２真空ポンプ２０は高真空ポンプであってもよく、加熱脱着チャンバ１２内の真空引きに使用されてもよい。１つの具体的な実装では、第２真空ポンプ２０は、加熱脱着チャンバ１２で少なくとも約１０^−９トールの真空引きを行うことができる。

【0036】

一実施例として、第２真空ポンプ２０は高真空クライオポンプ又はターボ分子ポンプであってもよく、いずれも概してバックグラウンド水素（又は水素含有化合物）を生成しない。しかしながら、他の高真空ポンプも本開示の範囲を逸脱することなく使用されうる。

【0037】

したがって、第１真空ポンプ１８は、試料が試料導入チャンバ１４に配置された後に、試料導入チャンバ１４内で真空引きを行うように作動させることが可能で、その結果、試料と共に加熱脱着チャンバ１２に導入される外気の量を最小化することができる。第１真空ポンプ１８及び第２真空ポンプ２０は、加熱脱着チャンバ１２内で高真空引きを行うように作動させることが可能で、その結果、加熱脱着チャンバ１２内のバックグラウンド水素（又は水素含有化合物）の量を著しく最小化することができる

【0038】

検出器１６は、加熱脱着チャンバ１２内の標的核種（例えば、水素）の含有量を測定することができる任意の分析装置又はシステムであってもよい。検出器１６は、加熱脱着チャンバ１２の中に延伸して、検出器１６を加熱脱着チャンバ１２に、具体的には加熱脱着チャンバ１２内のガス状流体に結びつけるサンプリングプローブ５６を含みうる。

【0039】

検出器１６は質量分析器であってもよい。標的核種（例えば、水素）はキャリアガス内の検出器１６に移送されるため、質量分析器は、例えば高温の粘性流動状態の（したがって、高真空ではない）システム条件下でサンプリングを行うことができる。

【0040】

１つの具体的な構成では、検出器１６は大気圧イオン化質量分析器（すなわち、大気圧下でサンプリングが可能な質量分析器）であってもよい。好適な大気圧イオン化質量分析器の一実施例は、英国ウォリントンのＨｉｄｅｎ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｌｔｄ．社から市販されているＨＰＲ‐２０ ＱＩＣ ＴＭＳガス分析器である。１つの変形例では、検出器１６は１０^−４トールを超える圧力下でサンプリング可能な質量分析器であってもよい。別の変形例では、検出器１６は１０^−３トールを超える圧力下でサンプリング可能な質量分析器であってもよい。さらに別の変形例では、検出器１６は１０^−２トールを超える圧力下でサンプリング可能な質量分析器であってもよい。

【0041】

キャリアガス源２２は、キャリアガス源であって、流体ライン５８によって加熱脱着チャンバ１２に流体結合されていてもよい。キャリアガス源２２から加熱脱着チャンバ１２へのキャリアガスの流れを制御するため、バルブ６０が設けられることがある。

【0042】

キャリアガスは不活性ガス又は不活性ガスの混合ガスであってもよい。例えば、キャリアガスはアルゴン又はヘリウムでよいが、本開示の範囲を逸脱することなく、キャリアガスとして使用されうる他の不活性ガスを含む、別のガスであってもよい。いかなる特定の理論にも限定されるものではないが、自由水素であろうが他の元素との水素化合物であろうが、実質的に水素を含まないキャリアガスの選択は、大幅により正確な測定結果をもたらすことができる。

【0043】

任意選択により、システム１０は流体ライン６２によって加熱脱着チャンバ１２と流体結合されている較正ガス源６０を含みうる。較正ガス源６０は、キャリアガス（例えば、アルゴン）内の標的核種（例えば、水素）の既知の濃度を有する較正ガスを含みうる。

【0044】

したがって、バルブ６４、６６、６８を選択的に開閉することによって、較正ガス源６０から加熱脱着チャンバ１２まで流体ライン６２を経由して較正ガスを通過させることができる。較正ガスは検出器１６で分析されるように、加熱脱着チャンバ１２からサンプリングプローブ５６まで通過し、これによって検出器１６の較正を容易にすることができる。

【0045】

したがって、本開示システム１０は、試料内の水素含有量を検出するように使用可能である。第１ポンプ１８及び第２ポンプ２０は紫外線ランプ３４と共に、加熱脱着チャンバ１２内のバックグラウンド水素を最小化するため使用可能である。試料導入チャンバ１４は、大量の外気（バックグラウンド水素源）を導入することなく、加熱脱着チャンバ１２への試料導入に使用可能である。加熱脱着チャンバ１２に配置される試料は、試料から水素を脱着させるため、加熱素子２６によって加熱可能である。キャリアガス源２２は、脱着された水素を検出器１６に移送するため、キャリアガスを加熱脱着チャンバ１２に供給することができる。検出器１６は、質量分析器であってもよく、キャリアガス流の中で脱着された水素の含有量を測定することができる。

【0046】

図２を参照するに、概して２００で指定されている、試料中の水素含有量を検出するための方法が開示されている。しかしながら、開示されている方法２００は、本開示の範囲を逸脱することなく、試料中の水素以外の核種の含有量の検出にも使用されうる。

【0047】

ステップ２０２では、方法２００は加熱脱着チャンバを提供するステップによって開始されうる。例えば、加熱脱着チャンバは、上記でさらに詳細に記載されている加熱脱着チャンバ１２（図１）であってもよい。

【0048】

ステップ２０４では、バックグラウンド水素を最小化するため、加熱脱着チャンバはパージされてもよい。パージのステップは、加熱脱着チャンバ内のバックグラウンド水素を最小化するため、加熱脱着チャンバ内で高真空引きすることを含みうる。任意選択により、加熱脱着チャンバの壁から何らかの水素又は水素含有化合物（例えば、水）を分離するため、加熱脱着チャンバ内で（例えば、図１に示す紫外線ランプ３４によって）紫外線が放射されてもよい。

【0049】

この時点で、当業者は、パージのステップ２０４で加熱脱着チャンバ内のバックグラウンド水素を最小化することにより、試料内の水素含有量のより正確な測定が得られることを理解するであろう。そのため、パージのステップ２０４は費用を考慮して制限されることがある。しかしながら、本開示の方法２００の１つの具体的な実装では、パージのステップ２０４は、バックグラウンド水素を最大で約百万分の１０（１０ｐｐｍ）まで、例えば最大で約百万分の１（１ｐｐｍ）又は最大で約１０億分の１０（１０ｐｐｂ）まで低減することができる。

【0050】

ステップ２０６では、試料は加熱脱着チャンバに導入される。例えば、試料は、高強度鋼などの高強度構造材料の断片であってもよい。任意選択により、試料はチタン‐カドミウム被覆又は亜鉛ニッケル被覆などでメッキされてもよい。

【0051】

導入ステップ２０６はパージのステップ２０４の後に実施されることが、図２に示されている。例えば、加熱脱着チャンバはパージされ、試料は試料導入チャンバ（例えば、図１のチャンバ１４）を経由してパージされた加熱脱着チャンバに導入されてもよい。しかしながら、パージのステップ２０４は、本開示の範囲を逸脱することなく、導入ステップ２０６の後、又は導入ステップ２０６の前後両方で実施されてもよい。

【0052】

ステップ２０８では、加熱脱着チャンバ内の試料は加熱され、これによって試料から水素を脱着することができる。例えば、加熱ステップ２０８は、加熱脱着チャンバ内の加熱素子２６（図１）を作動させることによって実施されうる。

【0053】

ステップ２１０では、試料から脱着される水素と混合するため、加熱脱着チャンバへキャリアガス（例えば、アルゴン）が導入されうる。キャリアガスは加熱脱着チャンバ内の圧力を高め、これによって加熱脱着チャンバ内のフロー（例えば、粘性流動形態を作り出すこと）を可能にする。例えば、流動しているキャリアガスは、過熱脱着チャンバ内の圧力を約１０^−２トール以上まで高めることができる。したがって、キャリアガスは試料から脱着された水素を検出器（図１の検出器１６）まで運ぶことができる。

【0054】

ステップ２１２では、脱着された水素とキャリアガスの混合ガスの水素含有量が測定される。例えば、測定ステップ２１２は質量分析器によって実施され、これによって水素含有量の実際の測定値をもたらす。

【0055】

したがって、本開示の方法２００は、試料内の水素（又は他の核種）の直接の測定値を得るために使用されることがある。

【0056】

図３を参照するに、試料中の水素含有量を検出するための本開示システムの一実施形態は、概して３００で指定されているが、加熱脱着チャンバ３０２、検出器３０４、真空ポンプ３０６、キャリアガス源３０８及び一又は複数の加熱素子３１０を含みうる。試料プローブ３１２は加熱脱着チャンバ３０２内に封入されることがある。

【0057】

加熱脱着チャンバ３０２は、真空を維持できる硬い耐熱性の筐体であってもよい。例えば、加熱脱着チャンバ３０２は低水素アルミニウムから構築されうる。加熱脱着チャンバ３０２は、その中に試料プローブを受け入れられるように大きさと形状が決定されてもよい。

【0058】

加熱脱着チャンバ３０２は、加熱脱着チャンバ３０２を封入するため、密閉フランジ３１４及び密閉フランジ３１４に密閉結合される密閉プレート３１６を含みうる。加熱脱着チャンバ３０２と検出器３０４、真空ポンプ３０６及びキャリアガス源３０８との結合を容易にし、一方で加熱脱着チャンバ３０２を十分に気密性の高い筐体として維持するため、密閉プレート３１６に貫通孔が形成されることがある。

【0059】

試料プローブ３１２は密閉プレート３１６に結合され、加熱脱着チャンバ３０２内に封入されてもよい。

【0060】

１つの具体的な表現では、試料プローブ３１２は内側開口部３１９を定義し、密閉プレート３１６に結合された第１端部３２０及び密閉された（例えば、キャップされた）第２端部３２２を含む中空管状体３１８を含みうる。例えば、試料プローブ３１２は、カドミウム電気メッキ工程に起因する水素脆化電位の電子計測のためＡＳＴＭ Ｆ３２６標準試験で使用される水浸プローブと類似した、長い４１３０ステンレス鋼管（例えば、直径０．５インチ）であってもよい。

【0061】

任意選択により、試料プローブ３１２の本体３１８の外表面３２４の少なくとも一部はメッキ３２６を含みうる。例えば、メッキ３２６はチタン‐カドミウム材料又は亜鉛ニッケル材料であってもよい。当業者であれば、水素が試料プローブ３１２及びメッキ３２６の両方から脱着しうることを理解するであろう。したがって、試料プローブ３１２及び／又はメッキ３２６はシステム３００によって分析される試料となることがある。

【0062】

加熱素子３１０は加熱脱着チャンバ３０２内に封入されることがあり、又試料プローブ３１２から水素を脱着するため試料プローブ３１２を加熱するように配置されることがある。例えば、加熱素子３１０はハロゲン加熱ランプなどの加熱ランプであって、加熱ランプは電力線３２８を経由して電気エネルギーが供給されることがある。

【0063】

熱電対などの温度センサ３１１は、加熱脱着チャンバ３０２内で加熱素子３１０によって生成される熱を検出するように提供されることがある。その結果、試料プローブ３１２の温度は、温度センサ２１１から受信した信号に基づいて加熱素子３１０を制御することによって、制御されうる。

【0064】

真空ポンプ３０６は、バルブ３３２によって、加熱脱着チャンバ３０２に選択的に結合されることがある。真空ポンプ３０６は加熱脱着チャンバ３０２で真空引きするように作動されることがある。

【0065】

任意選択により、真空ゲージ３３０は、加熱脱着チャンバ３０２内の圧力を監視するため、加熱脱着チャンバ３０２（又は加熱脱着チャンバ３０２に連通している流体ラインの１つ）に結合されることがある。その結果、加熱脱着チャンバ３０２内の圧力は、真空ゲージ３３０から受信した信号に基づいて真空ポンプ３０６を制御することによって、制御されうる。

【0066】

したがって、真空ポンプ３０６は、加熱脱着チャンバ３０２内で高真空引きを行うように作動させることが可能で、その結果、加熱脱着チャンバ３０２内のバックグラウンド水素の量を著しく最小化することができる。

【0067】

キャリアガス源３０８は、アルゴンなどのキャリアガス源であってもよく、加熱脱着チャンバ１２に流体結合されていてもよい。第１流体ライン３４０は試料プローブ３１２の外側の加熱脱着チャンバ３０２にキャリアガスを送り込むことができ、第２流体ライン３４２は試料プローブ３１２の内側開口部３１９にキャリアガスを送り込むことができる。したがって、キャリアガスは試料プローブ３１２の外部へ脱着される水素及び／又は試料プローブ３１２の内部へ拡散される脱着水素をサンプリングするために使用されうる。流体ライン３４０を経由するキャリアガス源３０８からのキャリアガスの流れは、バルブ３４４、３４６によって制御されうる。

【0068】

検出器３０４は、質量分析器であってもよいが、上述のように加熱脱着チャンバ３０２と流体連通されていてもよい。第１流体ライン３４８は検出器３０４を試料プローブ３１２の外側の加熱脱着チャンバ３０２に結合し、第２流体ライン３５０は検出器３０４を試料プローブ３１２の内側開口部３１９に結合することができる。

【0069】

したがって、キャリアガスはキャリアガス源から加熱脱着チャンバ３０２へ通過し、ここで試料プローブ３１２から脱着された水素と混ざり合ってもよい。結果として得られる脱着された水素とキャリアガスとの混合ガスは、流体ライン３４８、３５０を経由して検出器３０４へ流れ込んでもよい。脱着された水素とキャリアガスとの混合ガスの検出器３０４までの流れは、バルブ３５２、３５４によって制御されうる。

【0070】

したがって、本開示システム３００は、試料プローブ３１２内の水素含有量を検出するように使用可能である。水素（又は他の核種）含有量の絶対測定値が得られる。さらに、試料プローブ３１２はまた、カドミウム電気メッキ工程に起因する水素脆化電位を電子計測するためのＡＳＴＭ Ｆ３２６標準試験で使用される水浸プローブであってもよく、同一試料プローブ上で２つの異なる分析（例えば、開示されている方法及びＡＳＴＭ Ｆ３２６標準試験法）が実施可能であり、これにより結果の間の相関（例えば、ＡＳＴＭ Ｆ３２６標準試験法の不具合に対応する水素の絶対量の決定）が可能になる。

【0071】

試料の水素含有量を検出するための本開示のシステム及び方法について様々な実施形態が示され記載されているが、本明細書を読んだ当業者には、多数の変更例が想起されるであろう。本出願はそのような変更例も含んでおり、請求の範囲によってのみ限定される。

【符号の説明】

【0072】

１０ 本開示システム
１２ 加熱脱着チャンバ
１４ 試料導入チャンバ
１５ 真空ゲージ
１６ 質量分析器
１８ 第１真空ポンプ（ポンプ１）
２０ 第２真空ポンプ（ポンプ２）
２２ キャリアガス
２４ プロセッサ
２６ 加熱素子
２８ 電力線
３０ 温度センサ
３２ 通信線
３４ 紫外線ランプ
３６ 電力線
３８ 真空ゲージ
４０ 真空ゲージ
４２、４４、４６ バルブ
４８ 真空ゲージ
５０ 流体ライン
５２、５４ バルブ
５６ サンプリングプローブ
５８ 流体ライン
６０ 較正ガス
６２ 流体ライン
６４、６６、６８ バルブ
３０２ 加熱脱着チャンバ
３０４ 検出器
３０６ 真空ポンプ
３０８ キャリアガス源
３１０ 加熱素子（加熱ランプ）
３１１ 温度センサ
３１２ 試料プローブ
３１４ 密閉フランジ
３１６ 密閉プレート
３１８ 中空管状体
３１９ 内側開口部
３２０ 第１端部
３２２ 第２端部
３２４ 外表面
３２６ メッキ
３２８ 電力線
３３０ 真空ゲージ
３３２ バルブ
３４０ 第１流体ライン
３４２ 第２流体ライン
３４４、３４６ バルブ
３４８ 第１流体ライン
３５０ 第２流体ライン
３５２、３５４ バルブ

【図1】

【図2】

【図3】