УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ ВОДОРОДА В ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛАХ

Устройство для определения локального содержания водорода в твердых
Полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована для определения содержания водорода в твердых материалах и изделиях из них, а также для исследований в области физики твердого тела и материаловедения при изучении влияния примеси водорода на физические свойства твердых тел.
Известен целый ряд устройств для определения общего количества водорода в твердых материалах. Наиболее известные из них реализуют метод вакуум-плавления анализируемого образца с помощью электропечи и измерения объема выделившегося при этом водорода, в других устройствах анализ выделившегося водорода проводится хроматографом или масс-спектрометром (Лакомский В.И, Смиян О.Д. Методы определения газов в металлах. Моск. дом научно-техн. пропаганды, 1971 г.).
Определение содержания водорода с использованием этих устройств связан с полным разрушением анализируемого образца, требует проведения вакуумной откачки. Хроматограф и масс-спектрометр - сложные в эксплоатации и громоздкие приборы, их применение усложняет процедуру проведения анализов. Получение глубокого вакуума и нагрев образца до температуры плавления с помош;ью электропечи требуют значительного времени (час) для проведения измерений.
Известно также устройство для локального определения концентрации водорода в твердых материалах, выбранное за прототип, в котором извлечение водорода в газовую фазу осуществляют импульсным воздействием на образец сфокусированным лазерным излучением (А.С. №1261445 А, МКИ G 01 N 27/46, Б.И. № 12, 1987 г.). Оно
материалах. содержит импульсный лазер, систему фокусирования и наведения луча на
расположенный в рабочей камере с оптическим окном анализируемый образец, газоанализатор и блок регистрации. К входу рабочей камеры подсоединен блок подачи и глубокой очистки инертного газа. Вьщелившийся из образца в результате лазерного облучения водород потоком инертного газа сначала переносят в хроматографическзто колонку, последовательно соединенную с камерой, где его отделяют от других газовых примесей, а затем переносят в твердоэлектролитную ячейку (ТЭЯ). В ТЭЯ происходит кулонометрическое титрование водорода кислородом, который поступает из атмосферы. По количеству электричества, перенесенному в процессе титрования, определяют количество выделившегося из образца водорода. Концентрацию водорода в образце определяют как отношение объема вьщелившегося водорода к объему образовавшегося кратера. Величину объема кратера, определяют, измеряя с помощью микроскопа его глубину и диаметр.
Недостатками этого устройства являются:
а)необходимость размещения образца в камере, что ограничивает размеры анализируемого образца и не позволяет осуществлять контроль наводораживания материалов изделий непосредственно на месте их функционирования;
б)необходимость создания потока инертного газа с глубокой очисткой;
в)необходимость применения хроматографической колонки для отделения водорода от других газовых примесей;
г)необходимость проведения измерений размеров микрократера с помощью микроскопа после каждого лазерного импульса.
Выполнение требований б), в), г) усложняет устройство и процедуру измерений, а также увеличивает время проведения анализа. Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель,
является упрощение и уменьшение времени определения локального содержания водорода в твердых материалах.
Для решения поставленной задачи устройство для определения локального содержания водорода в твердых материалах содержит импульсный лазер, систему фокусирования и наведения луча на образец исследуемого твердого материала, рабочую камеру с оптическим окном и систему измерения количества водорода в газовой среде, причем оно дополнительно содержит образец сравнения того же состава, что и образец исследуемого твердого материала, но с известным содержанием водорода, рабочая камера с оптическим окном герметично закреплена на поверхности либо образца исследуемого твердого материала, либо образца сравнения, причем внутренняя полость рабочей камеры открыта к поверхности образца, а рабочая камера, образец исследуемого твердого материала и образец сравнения размещены с возможностью перемещения друг относительно друга, блок транспорта водорода, выделившегося из материала образца, к системе его измерения подсоединен к рабочей камере, а система измерения количества водорода в газовой среде содержит химический сенсор на водород, расположенный в измерительной камере, и блок регистрации электрического сигнала химического сенсора.
В частном варианте в качестве блока транспорта водорода, выделившегося из материала образца, используют побудитель расхода воздуха.
В другом частном варианте в качестве блока транспорта водорода, выделившегося из материала образца, используют баллон со сжатым инертным газом, снабженный регулятором расхода газа.
На фигуре приведено схематическое изображение предложенного устройства. Устройство состоит из импульсного лазера 1, системы 2 фокусирования и наведения луча на образец, рабочей камеры 3 с оптическим окном, которая размещена либо на поверхности образца исследуемого твердого материала 4, либо на поверхности
расположенного рядом образца сравнения 5 того же состава, что образец исследуемого твердого материала, но с ивестным содержанием водорода. Рабочая камера соединена с побудителем расхода воздуха бис измерительной камерой 7 с расположенным в ней химическим сенсором 8 на водород. Электрический сигнал химического сенсора измеряют с помощью блока регистрации 9.
Устройство работает следующим образом. Рабочую камеру с оптическим окном 3 герметично закрепляют на поверхности образца исследуемого твердого материала 4. С помощью побудителя расхода 6 направляют поток воздуха через рабочую камеру. После этого импульсно облучают сфокусированным с применением системы линз 2 лучом лазера 1 выбранный микроучасток на поверхности образца. Вьщелившийся водород потоком воздуха переносят в измерительную камеру 7 с расположенным в ней химическим сенсором 8. Возникающий при этом электрический сигнал химического сенсора, пропорциальный количеству водорода, поступившему в измерительнз ю камеру, измеряют с помощью системы регистрации 9. Затем рабочую камеру с оптическим окном закрепляют на поверхности образца сравнения 5 и перемещают образец сравне1шя с укрепленной на нем камерой под лазерный луч. Импульсно облучают образец сравнения и снова измеряют электрический сигнал химического сенсора. По соотношению сигналов химического сенсора, соответствующих воздействию лазерного  на поверхность образца исследуемого твердого материала и образца сравнения, с  известного содержания водорода в образце сравнения определяют локальное содержание водорода в образце исследуемого твердого материала. Пример конкретного определения локального содержания водорода в твердом
материале.
С помощью предлагаемого устройства было определено локальное содержание водорода в партии (около 100 штук) стальных сильфонов. В качестве образца сравнения служил образец из той же стали, из которой были изготовлены сильфоны. Распределение водорода в объеме образца сравнения, согласно паспортным данным, было однородным. Концентрация водорода в образце сравнения была всюду практически одинаковой и составляла (4±0.1) х Ю  масс. %.
.В качестве источника излучения использовался твердотельный лазер, работающий в режиме свободной генерации с длиной волны излучения 1.06 мкм, энергией в импульсе 2 Дж, длительностью импульса 1 мс. Рабочая камера с оптическим окном герметично прижималась к плоскому участку сильфона таким образом, что этот участок служил торцовой стенкой камеры. Лазерный луч попадал на поверхность сильфона через прозрачное стеклянное окно камеры. Поток воздуха через камеру создавался с помощью побудителя расхода газа (типа ПМЭ-ЮОб), подсоединенного к камере. Нацеливание и фокусировка лазерного луча на выбранный участок сильфона проводили с помощью оптических линз. При импульсном лазерном облучении водород, выделившийся из стали, потоком воздуха переносился в измерительную камеру с расположенным в ней химическим сенсором на водород. Лучшие характеристики по селективности и чувствительности к водороду имеют сенсоры на основе структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) с каталитически активным электродом из металла платиновой группы I.Lundstrom, Sensors and Actuators, v.4, p.47-50, 1981. Эти сенсоры изготавливаются на базе микроэлектронной технологии, что обеспечивает при миниатюрных размерах их высокую надежность и воспроизводимость параметров. Типичные размеры сенсора 1 х 1 хО,2 мм.
МДП-сенсор Pd-SiO2-Si был изготовлен в РНЦ Курчатовский Институт, он обладал высокой селективностью к водороду и позволял регистрировать изменерше его содержания в атмосферном воздухе на уровне  % (по объему). Быстродействие Pd-SiO2-Si сенсора - несколько секунд. Регистрация сигнала сенсора на изменение содержания водорода в измерительной камере и поддержание рабочих параметров сенсора осуществлялись электронным блоком. При облучении лазерным импульсом участка сильфона был зафиксирован сигнал сенсора, равный 10 мВ. После этого рабочая камера была укреплена на поверхности расположенного рядом с сильфоном образца сравнения, и образец сравнения с укрепленной на нем камерой был перемещен под лазерный луч. При этой процедуре мощность лазера и условия фокусировки лазерного луча относительно поверхности сильфона и образца сравнения не изменялись, поэтому размеры кратеров, образовавшихся при лазерном облучении на поверхности сильфона и образца сравнения, были одинаковыми. При облучении лазерным импульсом образца сравнения был зафиксирован сигнал сенсора равный 15 мВ. С учетом того, что концентрация водорода в образце сравнения равна 4x10 масс. %, была определена концентрация водорода в выбранном участке стального сильфона. Она равна 4 х 10 х 1540 масс. %  6 х 10 масс. %. Как показали проделанные измерения, концентрация водорода в разных точках поверхности сильфона бьша практически одинаковой.
Конструкция камеры предлагаемого устройства позволяет проводить анализ содержания водорода в материале сильфона непосредственно на месте функционирования сильфона. Благодаря применению образца сравнения отпадает необходимость в измерении размеров кратеров. Это обстоятельство и быстродействие химического сенсора позволяют уменьшить время проведения одного анализа содержания водорода в материале образца или изделия. В нашем случае оно составляло 30 с. Для транспорта выделившегося водорода используется обычный воздух из амосферы, что упрощает устройство. С применением предлагаемого устройства было
определено содержание водорода в большой партии сильфонов (100 штук) за короткое время. Сильфоны с большим содержанием водорода в стали (больше 8 х Ю масс. %.) были отбракованы, поскольку их механические свойства не соответствовали техническим условиям.