水素脱離分析装置とは
水素脱離分析装置 (英: hydrogen-sensitive thermal desorption spectroscopy system) とは、試料を加熱した際に試料表面から脱離する水素を検出する装置です。
水素の検出に加え、試料に含まれる水素量および水素吸着・脱離のメカニズムなどの情報も得られます。
水素脱離分析装置は、主に金属材料中の微量の水素を高感度で測定し分析するために使用されます。ガスクロマトグラフィーの技術を応用した水素分析に特化した分析装置とも言えます。
水素脱離分析装置の使用用途
水素脱離分析装置の使用用途には主に以下のようなものがあります。
1. 材料中の微量な水素の分析
水素は最も小さな元素であり、様々な材料の中に存在します。建築資材や車両などに使われる金属材料にある程度以上の水素が存在すると、それが原因で材料の脆化が起こり重大な事故につながる可能性があります。そのため水素脱離分析装置を用いて、試料の中に含まれる水素の分析が行われています。同様に半導体デバイスの中に水素が存在すると、極微量であってもデバイスの性能低下や故障の原因になり得ます。半導体の微細化、高集積化が進むにつれて、許容できる水素の含有量はますます小さくなっています。
このように水素脱離分析装置は、材料中の水素濃度の測定や、水素がどのような状態で存在しているか (吸着状態、溶解状態など) を推定するために広く利用されています。
2. 水素関連技術の開発
材料中の不純物としての水素が問題視されている一方で、水素はクリーンで有望なエネルギー源としても注目されています。水素をエネルギーとして利用するための代表的な製品に、燃料電池と水素吸蔵合金があります。水素脱離分析装置は、燃料電池の電極材料の評価や水素透過性の評価と、水素吸蔵合金の水素吸蔵量と吸放出速度の評価などの開発用途にも使用されています。
3. 高分子材料の評価
水素脱離分析装置は高分子材料の評価において、高分子中の水素結合状態の解析や材料の劣化評価のために使用されています。
4. 環境評価
工場の廃ガスや都市部の大気中に含まれる水素の濃度を測定したり、土壌中の有機物分解による水素発生量の測定などの環境測定にも水素脱離分析装置が使用されています。
水素脱離分析装置の原理
水素脱離分析装置は試料を高温加熱することで試料中に含まれる水素をガスとして放出させ、それをガスクロマトグラフィーの手法で分離・定量することで試料中の水素に関する様々な情報を取得します。
1. 手順と原理
その手順は概ね以下のようになっています。
- 試料導入：金属材料などの試料を真空チャンバー内の試料台上にセットします。
- 加熱: 試料を高温に加熱して水素を脱離させます。
- キャリアガスの導入：チャンバー内にヘリウムなどのキャリアガスを入れ、脱離した水素をキャリアガスとともにカラムに導入します。
- 分離・検出：カラム内で水素が分離され、検出器で検出されます。
- データ解析：検出器で得られたデータを解析用のPCに送り、クロマトグラムから水素の分析を行います。
2. 分析できる項目
水素脱離分析装置で行える分析には以下のようなものがあります。
- 水素濃度：試料中に含まれる水素の量を定量的に測定できます。
- 同位体比：水素の同位体 (重水素など) の割合を測定できます。
- 水素の存在状態：水素が試料中でどのような状態で存在しているか (吸着状態、溶解状態など) を推定できます。
- 水素結合：水素が他の原子とどのような結合を形成しているか (水素結合など) を解析できます。
- 水素の脱離温度：試料から水素が脱離する温度を測定することで、水素の結合状態や試料中の分布に関する情報を得られます。
- 水素の拡散：水素が試料中でどのように拡散するかを解析できます。
- 水素のトラップ：水素が試料中の特定の部位にトラップされる様子を解析できます。
水素脱離分析装置の選び方
水素脱離分析装置を選択するにあたっての大きなポイントは検出感度、加熱温度範囲、検出対象ガスなどです。水素ガス以外の物質も検出したい場合には、多成分ガスに対応している装置からの選択になります。
しかし実際の使用における最適な測定装置を選択するには、上記の他に数多くの検討項目があると考えられます。実際の選定に当たっては複数のメーカーや販売店にコンタクトを取り、試料を取り寄せる、説明を聴く、デモを行う等をして、慎重に検討することが必要です。