(57)【要約】テスト用サンプル（134）を分析するためのケルビンプローブシステム（100）は、回転軸を中心にして対象物（106, 120）を回転させるためのドライブ制御／パワー（103）で制御され且つ動力供給されるドライブ（102）と、一端にケルビンプローブ面（124）を有するケルビンプローブ（122）を備えて、前記ドライブ（102）に接続されたケルビンプローブヘッド（120）とを備えて、前記ケルビンプローブ面が、前記回転軸に関して前記ケルビンプローブヘッドの側面の上に設けられる。ケルビンプローブシステム（100）用の較正システム、および、ケルビンプローブシステム（100）を使用して、水素の存在を測定する方法も提供される。
2018519533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テスト用サンプル（134）を分析するためのケルビンプローブシステム（100）であって、
回転軸を中心にして対象物（106, 120）を回転させるためのドライブ制御／パワー（103）で制御され且つ動力供給されるドライブ（102）と、
一端にケルビンプローブ面（124）を有するケルビンプローブ（122）を備えて、前記ドライブ（102）に接続されたケルビンプローブヘッド（120）とを備えて、
前記ケルビンプローブ面は、前記回転軸に関して前記ケルビンプローブヘッドの側面の上に設けられることを特徴とする、ケルビンプローブシステム（100）。
【請求項２】
前記ケルビンプローブヘッドが、複数のケルビンプローブ面（124）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のケルビンプローブシステム。
【請求項３】
前記複数のケルビンプローブ面（124）が、複数の材料でできていることを特徴とする、請求項２に記載のケルビンプローブシステム。
【請求項４】
少なくとも一つのケルビンプローブ面（124）が、複数の材料でできていることを特徴とする、請求項３に記載のケルビンプローブシステム。
【請求項５】
前記ケルビンプローブ面（124）の二つ以上が、異なる材料でできていることを特徴とする、請求項３に記載のケルビンプローブシステム。
【請求項６】
前記ケルビンプローブ面（124）の二つ以上が、異なるサイズであることを特徴とする、請求項２に記載のケルビンプローブシステム。
【請求項７】
前記複数のケルビンプローブ面が、前記ケルビンプローブヘッド（120）の表面に沿って異なる角度の位置で分布していることを特徴とする、請求項２から請求項６に記載のケルビンプローブシステム。
【請求項８】
前記複数のケルビンプローブ面が、前記ケルビンプローブヘッド（120）の幅に沿って異なる位置で分布していることを特徴とする、請求項２から請求項６に記載のケルビンプローブシステム。
【請求項９】
少なくとも一つのケルビンプローブ面が、取り外し可能であることを特徴とする、請求項２から請求項７に記載のケルビンプローブシステム。
【請求項１０】
請求項１から請求項５のうちの一つに係るケルビンプローブシステム（100）用の較正システムであって、
前記ケルビンプローブシステム（100）が、被測定サンプル（134）から離れて位置する較正サンプル（132）をさらに備え、
前記較正サンプルが、前記回転するケルビンプローブを較正するための組み込まれた基準面として働くことを特徴する、ケルビンプローブシステム（100）用の較正システム。
【請求項１１】
複数の較正サンプル（132）を備え、該較正サンプルが、異なる材料でできていることを特徴とする、請求項６に記載のケルビンプローブシステム（100）用の較正システム。
【請求項１２】
請求項１から請求項５のうちの一つに係るケルビンプローブシステム（100）を使用して、水素の存在を測定する方法であって、
前記ケルビンプローブシステムが、被測定サンプル（134）における金属のインターフェースでの、表面電荷およびインターフェース誘電率の群から少なくとも一つを測定することを特徴とする、方法。
【請求項１３】
前記ケルビンプローブシステム（100）が、請求項１０から請求項１４に記載のケルビンプローブシステム（100）用の較正システムをさらに備え、
水素に暴露されていない被測定サンプルに対応する材料でできている第一の較正サンプルに対して、較正が行なわれ、
水素に暴露されている被測定サンプルに対応する材料でできている第二の較正サンプルに対して、較正が行なわれることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記方法が、前記ケルビンプローブシステムを操作する前に前記被測定サンプル（134）の上にPd層を堆積させることを備えることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般に測定システムに関し、より具体的にはケルビンプローブシステムおよび該システムの操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ケルビンプローブが知られている。ケルビンプローブの走査バージョンおよび非走査バージョン（それぞれSKPおよびKP）は、表面電荷又は表面の仕事関数/ボルタ電位の測定に慣例的に使用される、標準的で、非接触の実験計器である。近年、KPは、コーティングされたまたは暴露された金属表面上の腐食電位を直接的に測定できることが実証された。この先導的仕事は、M.Stratmannおよび同僚によって始められた。この従前の仕事から、W01991019972と、M.Stratmann、H.Streckel、防食科学6-7、1990年、681頁-696頁とが参照されるべきである。
【０００３】
簡潔には、KPのコアは、或る振動プレートが、第二プレートとして働く金属基板よりも上のある高さで駆動される電気的なコンデンサである。シヌソイド電流から測定されたボルタ電位は、リアルタイムで腐食電位に変換される。
【０００４】
この技術は、いくつかの問題をもたらす。第１に、ノイズおよび機械的な問題に結びつく被測定物に対する距離を変えるために振動するプローブに関連する強い振動がある。第２に、プローブは、正確な測定を得るために薄くてかつ長い傾向があり、これにより傷つきやすい。振動と結合したこの伸長した形状は、薄いプローブを被測定物に対して側方に移動させるが、単一スポットを越えて（over）ちょうど横方向では無い方向に移動させる音響のモードに結びつく。第３に、長期試験は、現場において問題のある較正を要求するとともに、オペレーションの中断を要求するであろう。
【０００５】
先行技術から、KURTEV、I.など、接触電位差測定用の回転する動的コンデンサの変更、J. Phys. E：Sci. Instrum、1983年7月、17巻、7号、594頁-595頁が参照されるべきである。これは、プローブ表面が、軸の端に沿って面するが側面には面しない、ケルビンプローブシステムに関する。
【０００６】
さらに振動しないキャパシタンス・プローブに関するUS5974869が参照されるべきである。
【０００７】
先行技術から、絶縁材料の表面上での電荷の二次元分布用の自動測定システムを示すCN203965529が参照されるべきである。自動測定システムは、二次元の電気制御移動テーブルを内部に装備する、密封された空洞を備える。テストサンプルが、後部ボード電極によって二次元の電気制御移動テーブル上で固定して配置される。テストサンプルの上下の端部は、高電圧電極およびアース電極のそれぞれに接続される。絶縁クランプは、一次元の磁気結合する線形の回転ドライバーの移動端に配置される。ケルビンプローブは、絶縁クランプ上に固定して配置される。ケルビンプローブの検出ポイントは、テストサンプルに対して垂直である。ケルビンプローブの出力信号リード線は、密封された空洞の外側で電位計に接続される。電位計の信号出力端は、コンピューターのデータ収集システムに接続される。接続管は、密封された空洞の反対側に配置される。真空ポンプは、接続管の末端に配置される。自動測定システムは、絶縁材料の表面電荷密度の二次元分布を測定するために使用される。その結果、フラッシュオーバー特性の研究内容（research content）および絶縁材料の電荷分布測定手段が強化される（enriched）。
【０００８】
しかしながら、ケルビンプローブ表面又は較正が開示されていない。さらに、これは、https://www.researchgate.net/publication/231129114に示されるようなシステムにおいては、Trek社からの既存デバイスに基づくように見える。ケルビンプローブは、電子線照射に晒された絶縁体および絶縁された導体の電子放出イールド（yield）の測定方法に基づいている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、この発明の主目的は、上記の欠点を克服するシステムおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る上記目的は、請求項１の特徴部分を有する、請求項１の前文に規定される回転するケルビンプローブと、請求項６の特徴部分を有する、請求項６の前文に規定される較正システムと、請求項８の特徴部分を有する、請求項８の前文に規定される操作方法とによって達成される。
【００１１】
この発明の複数の包括的ではない実施形態、変形例又は代替は、従属請求項で規定される。
【００１２】
この発明は、長手方向軸と一致しない軸を中心にしてプローブが回転する長手方向軸を有するプローブによって上記目的に到達する。
【００１３】
この発明の第一の態様において、テスト用サンプルを分析するためのケルビンプローブシステムが提供される。ケルビンプローブシステムは、軸を回転させるためのドライブ制御／パワーによって制御され且つ動力供給されるドライブを備える。軸に接続されるケルビンプローブヘッドは、端部においてケルビンプローブ面を有するケルビンプローブを備え、ケルビンプローブ面が、ケルビンプローブヘッドの側面の上に設けられる。
【００１４】
一実施形態では、ケルビンプローブヘッドが、複数のケルビンプローブ面を備える。
【００１５】
別の実施形態では、複数のケルビンプローブ面が、複数の材料でできている。
【００１６】
別の実施形態では、少なくとも一つのケルビンプローブ面が、複数の材料でできている。
【００１７】
別の実施形態では、複数のケルビンプローブ面が、異なる材料でできている。
【００１８】
別の実施形態では、複数のケルビンプローブ面が、異なるサイズである。
【００１９】
別の実施形態では、複数のケルビンプローブ面が、ケルビンプローブヘッドの表面に沿って異なる角度位置で分布している。
【００２０】
別の実施形態では、複数のケルビンプローブ面が、ケルビンプローブヘッドの幅に沿って異なる位置で分布している。
【００２１】
別の実施形態では、少なくとも一つのケルビンプローブ面が、取り外し可能である。
【００２２】
この発明の第二の態様では、ケルビンプローブシステム用の較正システムが提供される。ケルビンプローブシステムは、被測定サンプルから離れて位置する較正サンプルをさらに備える。較正サンプルは、回転するケルビンプローブの較正用の組み込まれた基準面として働く。
【００２３】
一実施形態では、ケルビンプローブシステム用の較正システムは、複数の較正サンプルをさらに備える。較正サンプルは、異なる材料でできている。
【００２４】
この発明の第三の態様では、ケルビンプローブシステムを使用して、水素の存在を測定するための方法が提供される。ケルビンプローブシステムは、被測定サンプルにおける金属界面での表面電荷および界面誘電率の群から少なくとも一つを測定する。
【００２５】
鋼のような金属における水素の存在は、金属ボディを通して自由に拡散するプロトンによってもたらされる金属の仕事関数の変化で検知できる。
【００２６】
一実施形態では、ケルビンプローブシステムは、ケルビンプローブシステム用の較正システムをさらに備える。較正は、水素に暴露されていない被測定サンプルに対応する材料で作られた第一の較正サンプルで行なわれる。また、較正は、水素に暴露された被測定サンプルに対応する材料で作られた第二の較正サンプルで行なわれる。
【００２７】
別の実施形態では、方法は、ケルビンプローブシステムを操作する前に被測定サンプルの上に、水素吸着特性を持ったパラジウム（Pd）層又は同様の金属を堆積させることを備える。
【発明の効果】
【００２８】
先行技術に関する技術的な違いは、振動するのではなく、プローブが回転するということである。
【００２９】
これらの効果は、いくつかのさらに好適である効果を同様にして提供する。
・それは、ノイズの回避を可能にする。
・具体的には、プローブがボディに埋め込まれている場合、それはプローブが傷つきにくくする。
・それは、実際の位置決めに関する関連する不確実性を備えた音響モードを回避する。
・それは、自己較正、さらに連続的な自己較正を可能にする。
【００３０】
この発明の上記特徴およびさらなる特徴は、添付の請求項において具体的に示され、その利点と共に、添付の図面を参照して、与えられたこの発明の例示の実施形態の以下の詳細な説明の考慮から明瞭になるであろう。
【００３１】
この発明は、図面に模式的に示される例示の実施形態に関連して、以下にさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】先行技術に係るプローブを示す。
【図２】プローブとサンプルとの間のボルタ電位の図形を示す。
【図３】この発明の実施形態を示す。
【図４】図３に係る実施形態の計装の実施形態を図示する。
【図５】図４に係る計装システムを使用する、測定曲線の例を示す。
【図６】同じ大きさの複数のケルビンプローブ面を備える、この発明の実施形態を示す。
【図７】異なるサイズの複数のケルビンプローブ面を備える、この発明の実施形態を示す。
【図８】２つのサイズの４つのケルビンプローブ面を備える、この発明の実施形態を示す。
【図９】図８に示されるような構成を使用する、読み出しを示す。
【図１０】テスト用サンプルおよび較正サンプルのインターリーブされた読み取りのための形状の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
開示の様々な態様は、添付の図面を参照して、以下に十分に説明される。しかしながら、この開示は、多くの異なる形態で具体化されて、この開示の全体にわたって示されたいずれかの特定の構造または機能に制限されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの態様は、この開示が完全でありかつ完結しており（thorough and complete）、開示の範囲を当業者に完全に伝えるように提供される。この明細書での教示に基づいて、この開示の範囲が、この開示の任意の他の態様とは独立に実施されるか、または、この開示の任意の他の態様と組み合わされて、この明細書に開示される開示の任意の態様を網羅することが意図されることを当業者は理解すべきである。例えば、この明細書に示された態様のいずれかを使用して、装置が実施される又は方法が実行される。さらに、開示の範囲は、この明細書に示された開示の様々な態様に加えて、又はその態様以外に、他の構造、機能又は構造および機能性を使用して実行されるような装置又は方法を網羅することが意図される。この明細書に示された開示のいずれかの態様が請求項の一つ以上の要素で具現化されることが理解されるべきである。
【００３４】
この発明は、図面に模式的に示される例示の実施形態に関連してさらに説明されるであろう。図１は、先行技術に係るケルビンプローブシステム200を示す。ドライブ制御／パワー204で制御され且つ動力供給されたバイブレータ202は、ケルビンプローブヘッド220と軸位置読み出し209とに接続された軸206を駆動する。ケルビンプローブヘッドは、端部にケルビンプローブ面224を有する、ケルビンプローブ222を、典型的には金属ボディを備える。バイブレータが軸を長手方向に駆動するとき、ケルビンプローブ面とテスト用サンプル234との間の距離が変化する。これは、変化する結合と、これによりサンプルとプローブとの間での変化する電位とを生じさせ、電気的なピックアップ208を通じて読み取られる。距離は、軸位置読み出し209を使用してモニターされる。電子機器ユニット204は、電気的なピックアップ208および軸位置読み出し209に接続され、回路を閉じるためにサンプル234に接続され、典型的にはロックイン増幅器を使用して接触電位を決定する。
【００３５】
この発明の基礎を形成する原理
ケルビンプローブは、既知の導体表面およびサンプル表面が直接的な又は接地を介した電気的接触にもたらされるときに、既知の導体表面およびサンプル表面間の電位に基づいて材料（例えば腐食生成物）を同定するために使用できる。この接触電位（ボルタ電位としても知られている）は、使用されている材料の仕事関数に依存する。仕事関数は、材料の表面から電子を放出するために必要とされるエネルギー量である。
【００３６】
図２は、ケルビンプローブと試験サンプルとの間に設定されたボルタ電位
2018519533.tif 000003
の差の図を示す。ケルビンプローブの背後にある基本原理は、接触電位に比例した振幅を備えた交流を生成するために既知の材料（プローブ）とサンプルとの間の容量結合を変えることである。バイアス電圧を既知の材料に印加することで、振幅の変化が観察できる。バイアス電圧が接触電位と等しいが逆の極性を持っているならば、振幅はゼロに落ちるであろう。従って、バイアス電圧（Ｕapplは）は、接触電位のインジケータである。
【００３７】
プローブとサンプルとの間のキャパシタンスＣは、以下の式によって与えられる。
2018519533.tif 000004
【００３８】
接触電位および追加バイアスの合計として与えられる電圧が、測定の間に一定に保たれるので、キャパシタンスが変化したとき、電流が生成される。電流は、以下の式によって与えられる。
2018519533.tif 000005
【００３９】
2018519533.tif 000006
であるので、電流は、
2018519533.tif 000007
になる。
【００４０】
キャパシタンスを変えるための３つの異なる方法が基本的にある。エリアＡによって、距離ｄによって、そしてプレート間のスペースの誘電特性
2018519533.tif 000008
を次第に又は断続的に変更することによって、キャパシタンスを変える。加えて、これらの３つのパラメーターのあらゆる可能な組み合わせは、可変静電容量を達成するために配置された（could be deployed）。誘電特性の変更は、実際には、例えば、各々異なる誘電率を特徴とする様々な物質で作られたシートをプレート間で周期的に動かすことによって達成される。
【００４１】
距離によってキャパシタンスを変えるとき、プローブとサンプルとの間の距離は、以下の式によって与えられる。
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2018519533.tif 000011
【００４２】
ケルビンプローブ面がケルビンプローブヘッドと比較して小さいので、実効面積変化が、ケルビンプローブ面が被検サンプルに接近している垂直の作動状態で無視できる。したがって、実効面積の変化は議論されない。
【００４３】
誘電体によってキャパシタンスを変えるとき、特定のときにプレート間に存在する誘電体の面積（area）は、時間とともに変化しなければならない。誘起された交流電流を説明する実際の式は、構造（材料の数、凝集体（agglomerate）内の材料の分布）の数）に依存する。また、それは次のように一般化することができる。
2018519533.tif 000012
ここで、
2018519533.tif 000013
【００４４】
しかしながら、周波数（ν=ω／２π）で回転する、一つの単一のプローブ面に対して、ＡＣ信号の形状は、フラットなラインで分離されたピック（pics）を持ったサイン波（sinus wave）である振動する針に対応する形状に類似した形状を有するであろう。180°の角度で離れて取り付けられた２つのプローブは、曲線に似ているであろう。しかしながら、（図９の曲線と類似している）ピック（pics）間に短くてフラットなエリアを持っている。52.4°の角度で取り付けられた７つのプローブが、前の２つの場合と異なるであろう。実際のオシログラムは、図５での７つのプローブ面ヘッドで得られた。
【００４５】
ＡＣ電流の大きさを大きくするために、誘電率の大きな差異を備えた交互の様々な材料の集合体（例えば、低誘電率としてポリプロピレンのような普通のプラスチックおよび高誘電率としてPbMgNbO3+PbTiO3のような混合酸化物）。
【００４６】
図５は、ケルビンプローブヘッドが電気絶縁体126で各々分離された７つのケルビンプローブ面124Aから124Gを備える測定曲線又はオシログラムの例を示す。曲線は、垂直軸において、水平軸の下で示されるような各ケルビンプローブ面の測定を示す。７つのセンサの各々は、オシログラムにおける７つの波の一つに帰着される。プローブ直径が63mmである。プローブ幅が23mmである。センサ要素の幅が5mmである。２つの連続するセンサ要素の間隔が27mmである。
【００４７】
この発明のコアは、バイブレータ202を回転構造に取り替えることであり、回転構造の回転が、プローブ面とサンプルとの間での容量結合を変化させる。
【００４８】
容量結合は、ケルビンプローブ面とテスト用サンプルとの間での距離dと、テスト用サンプルに関するケルビンプローブ面の実効面積Aとの両方で決定される。ケルビンプローブ面以外のケルビンプローブとテスト用サンプルとの間での容量結合は、無視できると考えられる。
【００４９】
この発明を実行する最良の方法
図３に示されるこの発明に係る装置の実施形態は、ケルビンプローブシステム100を示す。ドライブ制御／パワー103で制御され且つ動力供給されたドライブ102は、ケルビンプローブヘッド120および軸エンコーダ109に接続された軸106を回転させる。ケルビンプローブヘッドは、端でケルビンプローブ面124を有する、ケルビンプローブ122を、典型的に金属ボディを備える。ドライブが軸を回転させるとき、ケルビンプローブ面とテスト用サンプル134との間での距離が変化する。これは、変化する結合を生じさせ、これによりサンプルとプローブとの間の変化する電位を生じさせ、電気的なピックアップ又はスリップリング、又は回転する電気コネクタ108を通じて読み取られる。ケルビンプローブ面124とサンプル134との間での距離は、軸エンコーダ109を使用して決定される。電子機器ユニット104は、電気的なピックアップ又はスリップリング109、および軸エンコーダ109に接続され、回路を閉じるためにサンプル134に接続され、典型的にはロックイン増幅器を使用して、接触電位を決定する。
【００５０】
ドライブ102は、安定した角速度で作動する電動機である。これらが電子機器ユニットのアンプでのロックにおいて位相ロックループに関する問題を引き起こす場合があるので、分当たりの回転すなわちRPMとして典型的には述べられる、角速度における変化は、望ましくない。同様に、ドライブは本質的に無振動であるべきである。また、回転部は十分にバランスを保たれるべきである。回転するケルビンプローブヘッドに収容される検出プローブのやや大きなサイズ（cm2の範囲）を考慮すると、信号対雑音比が、従来の振動する針のケルビンプローブと比較して非常に大きいことが期待される。したがって、アナログ／デジタルのロックインアンプは、望まれない信号（ノイズ）を除去するために適切なソフトウェアと置き換えることができる。
【００５１】
先行技術でのピックアップと異なり、回転するシステム用のピックアップは、適応される必要があるであろう。テストは、回転するケルビンプローブ面を回転しない電子機器ユニットに結び付ける際に、スリップリング108がうまく動作することを示す。
【００５２】
ケルビンプローブヘッド120は、好ましくは、ケルビンプローブ122が埋め込まれる軸106から同軸に延びる円筒状のボディ128である。再び、ケルビンプローブヘッド（回転部である）は、過度の振動を回避するために十分に平衡を保たれるべきである。いくつかの材料が使用できるが、金属または導電性材料が、電磁気ノイズからケルビンプローブを遮ることにおいて有益である。
【００５３】
ケルビンプローブ122は、ケルビンプローブヘッドへ埋め込まれ、軸106に関して非同軸で配置されたスリムな金属シリンダであり、プローブの端面がケルビンプローブヘッドの側面まで延びるとともに、ケルビンプローブヘッドの側面と面一であるように配置される。ケルビンプローブヘッド120が導電性である場合、電気絶縁体126を使用して、ケルビンプローブはケルビンプローブヘッドから電気的に絶縁される。
【００５４】
ケルビンプローブの側面と面一であるケルビンプローブ122の端面は、ケルビンプローブ面124を形成し、サンプル134に暴露される唯一のケルビンプローブ部である。
【００５５】
この実施形態の態様では、ケルビンプローブシステムは、テスト用サンプル134から離れた位置に位置する較正サンプル132を備える。これは、ケルビンプローブヘッドが一回転する（full revolution）間に、ケルビンプローブ面が別法としてテスト用サンプルと較正サンプルとに暴露されることを意味する。
【００５６】
較正サンプルが、既知の位置および既知の距離で位置する既知の材料であるので、この知識は、システムの連続的な較正に使用できる。複数の較正サンプルは、例えば、テスト用サンプルにおいて見つかると予想される材料に類似する較正サンプルを備えて、これにより、テスト用サンプル中の材料のより良好な識別を提供することができる異なる位置で設けられる。見つかると予想される材料は、腐食されていない材料、腐食された材料、腐食副産物および他の材料であり得る。
【００５７】
較正サンプルを用いると、システムは、テスト用サンプルの測定間で較正を行なうことができる。較正サンプルの位置および材料特性が既知であるので、較正システムは、測定プロセスを中断せずに、テスト用サンプルの測定におけるドリフトを補正できる。
【００５８】
較正サンプルの位置は、テスト用サンプルのための位置から離れた、ケルビンプローブヘッドによって読取可能の位置に、好ましくはテスト用サンプルに対する距離と同じ距離に、位置する。
【００５９】
いくつかの実施形態では、較正サンプルおよびテスト用サンプルが両方ともケルビンプローブヘッドにいつでも見えることができるので、両方とも同時に読み取りを回避する形状を使用することは好適である。これは較正サンプルとテスト用サンプルとの読み取りをインターリーブすることによって行うことができる。
【００６０】
図１０は、ケルビンプローブ面124が一方のサンプルに面し、絶縁体126が別のサンプルに面する、テスト用サンプルおよび較正サンプルのインターリーブされた読み取りのための形状の実施形態を示す。これは、同じスリップリングに、回転する電気コネクタにまたは容量結合にケルビンプローブ面のすべてを接続することを可能にするという長所を有する。
【００６１】
ボルタ電位差は、ケルビンプローブ面におよびテスト用サンプルに使用された材料に依存する。ケルビンプローブ面として異なる材料を用いてテストすることは、有益なことがある。
【００６２】
電子機器ユニット140が提供される。図４は、個々のパーツを備える電子機器ユニット300の好ましい実施形態を示す。アクチュエータコントローラ302は、アクチュエータ304を制御する。この場合でのアクチュエータは、測定用プローブに対して、回転の動き（つまり回転）を与えることができる、あらゆるデバイスである。デバイスは、例えばあらゆるモータ（電気的、バネを動力とする、またはエア駆動のモータ）とすることができる。測定用プローブは、ギアボックスを介してモータに取り付けられる。
【００６３】
ケルビンプローブは、信号処理ユニット308に接続され、プローブの動きで生成されたAC電流が、はじめに、ノイズと一緒に予め増幅される。その後、増幅された信号およびノイズは、デジタル化され、フィルタリングされて信号対ノイズ比が改善される。一旦信号がデジタル化されると、信号はあらゆる想像的な方法で処理される。これは、増幅器／フィルタ306を有するユニット、データを視覚化するためのユニット312および／または前記データを記録するためのデータロガー314に接続される。
【００６４】
好ましくは、自己診断ユニット316が設けられ、自己診断ユニット316は、アクチュエータコントローラ304に、アンプ／フィルタ306に、存在するならば較正ユニットに、動作可能なように接続される。
【００６５】
上述されたシステムの好ましい使用は、水素計測用である。２つの導電性材料が互いに電気的に接続されるとき、ケルビンプローブが２つの導電性材料の間で設定された仕事関数の差異を測定するので、仕事関数の値に影響を及ぼすあらゆる現象がケルビンプローブによって検知可能であろう。
例として、
1. 腐食は、金属のインターフェース（金属−ガス、金属−電解質など）で表面電荷および界面誘電率を変化させるであろう。
2. 金属を透過することができる拡散性物質は、金属のバルクから金属界面に到達することができる。従って、その透過した材料の仕事関数は、元の金属（拡散性物質を含まない）の仕事関数と比較して変化するであろう。このような拡散性物質は、例えば、水素（または、水素原子が原子の実体（atomic entity）として金属格子を通って拡散する可能性がほとんどないので、プロトン）であり得る。ある程度まで、合金元素と不純物のイオンも拡散でき、特に高温で拡散できた。
3. 環境と導電性材料（金属、半導体、酸化物で覆われた金属など）の表面との間での化学的または物理的な相互作用は、仕事関数の著しい変化を引き起こすことができる。
【００６６】
水素は、多くの場合、腐食プロセスの副生成物である。活性な腐食サイト付近の陰極領域で水和プロトン（H3O+）が還元される際に、水素が形成されると、水素が様々な程度で金属の中に入るであろう。水素は、侵入部位（entry site）の水素濃度、鋼の化学組成（トラップ数）に依存する速度で、鋼の中を拡散する（浸透する）。
【００６７】
最終的に、それらは、反対側（出口側）に到達し、H30+に酸化され、または出口側の金属表面に存在する金属酸化物を還元する。出口側でサンプルから離れる水素は、仕事関数に影響を及ぼすであろう。
【００６８】
検出限界を高めるために、出口側で堆積したパラジウム（Pd）層（薄膜）は、水素がPdに濃縮することを可能にする。そのような場合、ケルビンプローブは、Pdの仕事関数の変化を測定する。これによって、検出が非常に高感度に（Pdでの水素が10ppb未満に）なるとともに定量的になる。「乾燥での水素電極：金属中の水素を測定するケルビンプローブアプローチ」S. Evers、M. Rohwerder、Electrochemistry Communications、 24、（2012年）85頁−88頁をみること。
【００６９】
使用のとき、ケルビンプローブは、外側から、鋼のタンクやパイプライン中での内部腐食を検出する。測定は、付加的なパラジウム層の有無にかかわらず実行される。
【００７０】
ケルビンプローブは、上記のような内部腐食検出器として、水素漏れセンサ（すなわち、水素タンク用、水素輸送用または水素貯蔵用など）として、鋼における水素の蓄積を監視できる水素誘起応力亀裂（HISC）のリスクインジケータとして、配備できる。
【００７１】
Pd被覆鋼を使用する場合、フィールドのデータを、定性的に水素の存在を検出することに加えて水素含有量を定量化するため、集計データ（tabulated data）と比較できることに留意すべきである。
【００７２】
水素は、腐食源に加えて、製造プロセス中に（すなわち素鋼における）、組み立て中に（溶接における）、および動作中に（輸送される流体による腐食）、鋼に浸透できることに留意すべきである。
【００７３】
代替の実施形態
上記のものの複数の変形は、想定されることができる。例えば、回転位置の決定は、いくつかの異なる方法で行なうことができる。インパルス・スイッチのような単一の位置インジケータは、好ましくは、例えばカルマンフィルタによってフィルタされた、連続するインパルス間のタイミングから位置を決定するために、位相ロックループ（phase locked loop）と共に使用できる。
【００７４】
そのようなインパルス・スイッチは、電気スイッチを備えた機械的な読み出し、例えばホールセンサを用いる磁気的な読み出し、フォトダイオードおよびフォトセルを用いる光学的な読み出し、または同様の方法とすることができる。
【００７５】
既知の位置における較正サンプルは、例えば、既知の位置を示す閾値の決定によってインパルス・スイッチとして使用することができる。
【００７６】
別法として、サンプル134自体を使用することもできるが、サンプルの真位置が必ずしも知られていないとき、特に測定システムの位置を変えるときに、これはより厳しいものである。
【００７７】
別の実施形態では、ドライブ102は、ドライブ制御104がケルビンプローブ面124の位置をセットするステッパモータ又はサーボモータである。この場合、軸エンコーダは、必ずしも必要ではない。
【００７８】
一実施形態では、ケルビンプローブヘッドは、異なる材料を有する他のヘッドと代替可能である。
【００７９】
図６は、ケルビンプローブヘッドが複数のケルビンプローブ面124を備える実施形態を示す。複数のケルビンプローブ面124は、ケルビンプローブヘッドの表面に沿って異なる角度の位置に配置されるとともに、絶縁体126で分離されることができる。これらは、順にサンプリングされるか、または、電子機器ユニットに接続するために複数のスリップリングまたは回転する電気コネクタのうちの一つに接続される。
【００８０】
ケルビンプローブ面は、同じ材料からなるか、または、異なる材料からなることができる。面は、単一の材料でできているか、合金の材料でできているか、異なる材料のファセットによってできているか、または、層に積み重ねられた異なる材料を有することができる。例えば、外側の耐摩耗層は、特に苛酷な環境において好適であることがある。さらに、ケルビンプローブヘッド上の様々なケルビンプローブ面は、近隣のケルビンプローブ面とは異なることができる。これは、一つのケルビンプローブヘッドが、テスト中のサンプルの性質が完全に知られていない探索的な場合において特に有用である、特定のサンプル材料を検出するのに適応された複数のケルビンプローブ面を備えることができることを意味する。
【００８１】
さらに別の実施形態では、ケルビンプローブ面は、ケルビンプローブヘッドの幅を横切って分布することができ、ケルビンプローブヘッドの幅は、回転軸と実質的に平行である方向にある。この技術的な効果は、プローブを移動すること無しに、広い領域を横切る素早い測定を順に提供することができる異なる位置で、テスト用サンプルを測定することである。
【００８２】
図７は、例えば異なる角度範囲および／または角度軸に沿った範囲を有することにより、ケルビンプローブ面124Aから124Gが、異なるサイズからなるというさらなる実施形態を示す。これは、小さな領域を備えたケルビンプローブ面が位置決めにおいて高解像度を提供するが、大きな領域のケルビンプローブ面が大きな感度を提供するという感度に関する柔軟性を提供することができる。
【００８３】
明らかに、複数のケルビンプローブ面を使用して、異なる角度位置に、およびケルビンプローブヘッドの幅にわたって分布させることができるように、上記を組み合わせることができる。前記ケルビンプローブ面は、一つの材料または複数の材料からできており、探索フェーズでの発見（findings）に適応され且つ最適化されるように現場で交換可能である。
【００８４】
図８は、２つのサイズの４つのケルビンプローブ面を備えるこの発明の例示的な実施形態を示す。互いに正反対に位置するケルビンプローブ面の第一の対402は、互いに正反対に位置するとともに、第一の対と交互に配置されたケルビンプローブ面の第２の対404よりも長い角度範囲を有する。ケルビンプローブ面のそれぞれは、絶縁体406で隣接したケルビンプローブ面から分離される。
【００８５】
図９は、図８に示されるように構成を使用する読み出しを示す。図９では、垂直軸は信号の強度を表す。水平軸は、時間を表し、いずれのケルビンプローブ面がテスト中のサンプルを測定しているかを示すようにラベル付けされている。明示されているように、ケルビンプローブ面の大きい方の第１の対402は、ケルビンプローブ面の小さい方の第２の対404よりも広い信号（broader signal）を提供し、絶縁領域406は無視できる読み取りをもたらす。
【００８６】
ケルビンプローブ面が被測定サンプルに接近しているときに測定を行なうことによって最も強い信号が達成されるであろうが、あるケルビンプローブヘッド手段の回転運動は、ケルビンプローブ面が使用可能な読み取りに戻るために被測定サンプルに十分に接近している、ケルビンプローブヘッドの角度位置の範囲があることを意味することは留意されるべきである。これらの測定は、至近位置のポイントの前後に空間的に位置するであろう。これは、空間的に延在する読み取りが提供されることを意味する。
【００８７】
同様に、上記の較正プロセスは、ケルビンプローブ面が使用可能な読み取りに戻るために較正サンプルに十分に接近している、ケルビンプローブヘッドの角度位置の範囲で行なうことができる。
【００８８】
測定のこの範囲は、回転軸に実質的に平行な方向にあるケルビンプローブヘッドの幅に実質的に垂直であり、ケルビンプローブヘッドの幅にわたって分布されたケルビンプローブ面にも実質的に垂直である。
【００８９】
これは、一回の回転ごとに単一のポイントを測定するよりも高速でサンプルの２次元マッピングを作成するために使用することができる。これは、変化の勾配を決定するために使用することができる。また、ポータブルのケルビンプローブシステムは、腐食領域の中心の方向を示すためのインジケータを備えることができる。当該インジケータは、ケルビンプローブシステムがケルビンプローブヘッドの回転に関して前方または後方に移動するべきか、または回転の軸に沿って側方に移動するべきか否かを示す４つの矢印とすることができる。これにより、オペレータは迅速に腐食箇所を見つけることができる。別法として、システムは、拡大された領域を有する被検サンプルを横切ってケルビンプローブシステムを移動させるためのトラバース機構を制御するために使用することができる。
【００９０】
いくつかの異なる材料を検出するとき、人が見つけることを予期するものを各々表わすいくつかの較正サンプルを用いてシステムを較正することは有利であることがある。これにより、較正は、異なる角度位置で各々位置する較正サンプルを使用して改善されることがある。
【００９１】
一実施形態では、水素に暴露された金属のようなサンプル、および水素に暴露されていない同様の材料を測定することは望ましい。較正方法は、水素に暴露されていない被測定サンプルに対応する材料で作られた第一の較正サンプルに対して実行される較正ステップと、水素に暴露された被測定サンプルに対応する材料で作られた第二の較正サンプルに対して実行される較正ステップとを備える。
【００９２】
一実施形態では、金属は鋼である。好ましい実施形態では、方法は、測定に先立って金属の上にPdの層を堆積させることをさらに備える。
【００９３】
軸106は、ドライブ102とケルビンプローブヘッド120との間での機械的な接触を提供する。代替の実施形態では、ドライブは、軸を使用することなくケルビンプローブヘッドに直接的に接続される。
【００９４】
特別な使用のために、スリップリング108は、コイル巻きされかつコイル巻きされていないワイヤースプールのようなピックアップのための異なる形態と置き換えることができる。場合によっては、プロセスを逆にしなければならないことの前に行うことができる回転数に制限がある。水銀滴が電気接点を提供するために使用することもできる。容量結合も使用できる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本願に係るこの発明は、材料分析において、特に腐食および／または金属材料を通る水素透過の測定における使用を見出し、従来のケルビンプローブシステムが使用されているほとんどの状況において使用できる。
【符号の説明】
【００９６】
100  ケルビンプローブシステム
102  ドライブ
104  ドライブ制御／パワー
106  軸
108  電気的ピックアップ、スリップリング
109  軸エンコーダ
110  ケルビンプローブ遮蔽
112  遮蔽アパーチャ
120  ケルビンプローブヘッド
122  ケルビンプローブ
124、124A〜124G、402、404  ケルビンプローブ面
126、406  電気絶縁体
128  ボディ
132  較正サンプル
134  テスト用サンプル、被測定サンプル
140  電子機器ユニット
200  先行技術に係るケルビンプローブシステム
202  バイブレータ
204  バイブレータ制御／パワー
206  軸
208  電気的ピックアップ
209  軸位置読み出し
220  ケルビンプローブヘッド
222  ケルビンプローブ
224  ケルビンプローブ面
234  テスト用サンプル
240  電子機器ユニット
302  アクチュエータコントローラ
304  アクチュエータ
306  アンプ／フィルタ
308  信号処理ユニット
312  データ視覚化ユニット
314  データロガー
316  自己診断ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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