JP4584288B2 - Method for measuring helium content in metal materials - Google Patents
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Description
本発明は、金属中におけるヘリウム含有量の計測方法の改良、更に詳しくは、大規模な加熱装置などを必要とせず、簡素な装置および工程で、金属材料からヘリウムを放出させることにより、金属中のヘリウム量を簡便かつ確実に計測することができる金属中におけるヘリウム含有量の計測方法に関するものである。 The present invention provides an improved method for measuring the helium content in a metal, more specifically, does not require a large-scale heating device or the like, and releases helium from a metal material with a simple device and process. It is related with the measuring method of helium content in the metal which can measure the helium content of metal easily and reliably.
空気中に約1ppm含まれるヘリウム(He)(濃度〜1014個/cc)は、固体内には微量にしか含まれていない。ところで、半導体分野では、Heイオン注入によりSiに積極的にHeを撃ち込み、Si内に形成される孔に不純物を集積させ、Si母体の純度を向上する試みがなされている。 Helium contained about 1ppm in air (the He) (concentration 10 14 / cc), the inside solid contains only a small amount. By the way, in the semiconductor field, an attempt has been made to improve the purity of the Si base by positively bombarding He with He ion implantation to accumulate impurities in holes formed in the Si.
一方、原子炉内の構造物においては、中性子が照射される材料中の(n,α)反応によりHeが発生し、大量のHe蓄積による構造材料の劣化を引き起こす、所謂「ヘリウム脆弱」の問題が生じている。 On the other hand, in the structure in the nuclear reactor, He is generated by the (n, α) reaction in the material irradiated with neutrons, causing the deterioration of the structural material due to the accumulation of a large amount of He. Has occurred.
金属中で発生するHeは、原子炉内に適当な時間金属片を設置した後、金属内のHe量を計測すれば、設置位置での積算中性子量の測定が可能となるため、金属中He量計測は、その場の積算中性子量の推定に利用されている(非特許文献1−6参照)。 The He generated in the metal can be measured for the amount of accumulated neutrons at the installation position by measuring the amount of He in the metal after the metal piece is installed in the reactor for an appropriate period of time. Quantity measurement is used to estimate the amount of accumulated neutrons on the spot (see Non-Patent Documents 1-6).
金属中のヘリウム量を計測するためには、MeV重イオンビームを用いた弾性反跳検出法(Elastic-Recoil-Detection-Analysis:ERDA)による手法がある。この方法によれば、固体表面からのヘリウム密度の深さ分布の計測が可能である(非特許文献7−9参照)。 In order to measure the amount of helium in the metal, there is a technique based on elastic recoil detection (ERDA) using a MeV heavy ion beam. According to this method, it is possible to measure the depth distribution of the helium density from the solid surface (see Non-Patent Documents 7-9).
しかしながら、かかる計測方法にあっては、測定可能な深さは、入射イオンビームの飛程によるため、mmオーダーの板状固体中のヘリウム測定は不可能である。また、試料面内での計測範囲は入射イオンビームのスポットサイズ(通常、直径1mm程度)で決まるため、固体内に含まれる全ヘリウム数の算出には大きな誤差を生じるという問題がある。 However, in such a measurement method, since the measurable depth depends on the range of the incident ion beam, it is impossible to measure helium in a plate-like solid of mm order. Further, since the measurement range in the sample surface is determined by the spot size of the incident ion beam (usually about 1 mm in diameter), there is a problem that a large error occurs in the calculation of the total number of helium contained in the solid.
また、他のヘリウム計測方法としては、固体を薄い小片に加工し、透過型電子顕微鏡で観察する方法も使用されている(非特許文献10参照)。この方法によれば、nmオーダーのヘリウムバブル(He−bubble:Heガスタンクの様なもの)およびHeの抜けたボイド構造が視覚的に計測できるため、固体に注入または核反応で生成された固体内のHeのダイナミックスを研究するために用いられる方法である。 As another helium measurement method, a method of processing a solid into thin pieces and observing with a transmission electron microscope is also used (see Non-Patent Document 10). According to this method, helium bubbles (He-bubble: like a He gas tank) and void structures from which He is removed can be visually measured. This is a method used to study the dynamics of He.
しかしながら、かかる計測方法では、固体中に含まれるHe個数の計測が出来ないという問題がある。 However, such a measuring method has a problem that the number of He contained in the solid cannot be measured.
更にまた、他のヘリウム計測方法としては、固体を加熱・蒸発させ放出するHeガスを高性能質量分析器で計測する方法(加熱・質量分析法)が用いられている。この方法では、純度が既知であるHeガスを希釈して作製した標準ガスを用い、質量分析装置を絶対校正することによりHeの定量が行われている。 Furthermore, as another helium measurement method, a method (heating / mass spectrometry) of measuring He gas emitted by heating / evaporating a solid with a high-performance mass analyzer is used. In this method, He is quantified by absolute calibration of a mass spectrometer using a standard gas prepared by diluting He gas of known purity.
しかしながら、この計測方法によれば、まず、金属よりHeガスを放出させるために金属を溶融する。この際、必要とされる加熱温度はHeを含む金属により異なるが、例えば、金属が銅(Cu)の場合、1300℃以上であることから、質量分析器が連結されている真空容器内が極めて高温となり、かつ、溶解された金属ガス、真空容器壁からの出ガスなどが生じる。 However, according to this measurement method, first, the metal is melted in order to release He gas from the metal. At this time, the required heating temperature differs depending on the metal containing He. For example, when the metal is copper (Cu), it is 1300 ° C. or higher. A high temperature is generated, and dissolved metal gas, outgas from the vacuum vessel wall, and the like are generated.
したがって、これらを解決するためには、測定すべきHeは排気しないが、他の不要なガスを排気するための大掛かりな真空排気装置(Tiゲッターポンプ等)および高度な真空技術が必要になるという問題がある。
本発明は、従来のヘリウムの含有量の計測方法に上記問題があったことに鑑みて為されたものであり、大規模な加熱装置などを必要とせず、簡素な装置および工程で、金属材料からヘリウムを放出させることにより、金属中のHe量を簡便かつ確実に計測することができる金属中におけるヘリウム含有量の計測方法を提供することを技術的課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems in the conventional method for measuring the content of helium, and does not require a large-scale heating device or the like. It is an object of the present invention to provide a method for measuring the helium content in a metal that can easily and reliably measure the amount of He in the metal by releasing helium from the metal.
本発明者が上記課題を解決するために採用した手段を添付図面を参照して説明すれば次のとおりである。 Means employed by the present inventor for solving the above-described problems will be described with reference to the accompanying drawings.
即ち、本発明は、金属材料1に含有されるヘリウムの量を計測する方法であって、
金属材料1と、酸またはアルカリを水溶して成る溶解用の水溶液2とを、これらを独立して収容可能な容器3内に非接触状態で収容して密封する一方、
この容器3内を一旦真空にした後、キャリアーガスを充填せしめ、
前記金属材料1を水溶液2中に浸漬せしめて、金属材料1の金属成分11を完全に溶解せしめて、当該金属材料1から発生した気体成分12を採取すると共に、
この気体成分12のイオンを電離して、かつ、このイオンを加速することによってヘリウムイオンを検出するという技術的手段を採用したことによって、金属材料中のヘリウム含有量計測方法を完成させた。
That is, the present invention is a method for measuring the amount of helium contained in the metal material 1,
While the metal material 1 and the
After the inside of the
The metal material 1 is immersed in the
The method for measuring the helium content in a metal material was completed by adopting technical means of ionizing the ions of the
また、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、容器3として、2本の管部材31・31が中腹部で連結されて成るH型の反応管を用い、一方の管部材に金属材料1を収容する一方、他方の管部材に水溶液2を収容するという技術的手段を採用した。
Further, in order to solve the above-mentioned problems, the present invention uses an H-type reaction tube in which two
更にまた、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、容器3の側端に配設された軟質樹脂製のシール部材32に注射器6の針を穿刺して、発生した気体成分12を採取するという技術的手段を採用した。
Furthermore, in order to solve the above-mentioned problems, the present invention punctures the needle of the
更にまた、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、キャリアーガスとして窒素ガスを用いるという技術的手段を採用した。 Furthermore, in order to solve the above-described problems, the present invention employs technical means of using nitrogen gas as a carrier gas in addition to the above means as necessary.
更にまた、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、溶解用の水溶液2の溶質として強酸または強アルカリを用いるという技術的手段を採用した。
Furthermore, in order to solve the above-described problems, the present invention employs technical means in which a strong acid or a strong alkali is used as the solute of the
更にまた、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、溶解用の水溶液2に硝酸水溶液を用いるという技術的手段を採用した。
Furthermore, in order to solve the above-described problems, the present invention employs technical means in which a nitric acid aqueous solution is used for the
更にまた、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、溶解用の水溶液2の濃度を20%とするという技術的手段を採用した。
Furthermore, in order to solve the above-described problems, the present invention employs technical means that the concentration of the
本発明にあっては、金属材料と、酸またはアルカリを水溶して成る溶解用の水溶液とを、これらを独立して収容可能な容器内に非接触状態で収容して密封する一方、この容器内を一旦真空にした後、キャリアーガスを充填せしめ、前記金属材料を水溶液中に浸漬せしめて、金属材料の金属成分を完全に溶解せしめて、当該金属材料から発生した気体成分を採取すると共に、この気体成分のイオンを電離して、かつ、このイオンを加速することによってヘリウムイオンを検出することによって、金属材料中のヘリウム含有量を計測することができる。 In the present invention, a metal material and an aqueous solution for dissolving an acid or alkali in water are housed in a container that can be independently housed in a non-contact state and sealed. Once the inside is evacuated, it is filled with a carrier gas, the metal material is immersed in an aqueous solution, the metal component of the metal material is completely dissolved, and the gas component generated from the metal material is collected, The helium content in the metal material can be measured by ionizing the gas component ions and detecting the helium ions by accelerating the ions.
したがって、本発明の計測方法によれば、ヘリウムが液体に溶解度が極めて小さいという特性を巧みに利用したことによって、大規模な加熱装置などを必要とせず、簡素な装置および工程で、金属材料からヘリウムを放出させることにより、金属中のHe量を簡便かつ確実に計測することができ、試料片から全体量を推定することもできることから、原子力発電施設などにおける実用的利用価値は頗る高いと云える。 Therefore, according to the measurement method of the present invention, by utilizing the characteristic that helium has a very low solubility in a liquid, a large-scale heating device or the like is not required, and a simple device and process can be used to remove metal material. By releasing helium, the amount of He in the metal can be measured easily and reliably, and the total amount can be estimated from the sample piece. Therefore, the practical utility value in a nuclear power generation facility is very high. Yeah.
本発明を実施するための最良の形態を具体的に図示した図面に基づいて更に詳細に説明すると、次のとおりである。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The best mode for carrying out the present invention will be described in more detail with reference to the drawings specifically shown as follows.
本発明の実施形態を図1から図6に基づいて説明する。まず、計測対象となるヘリウム(He)について説明すると、空気中に約1ppm含まれるヘリウムは、極めて安定な原子であるため(基底状態は1sに2個の電子からなる閉殻構造を有する質量最小の不活性元素)、他の原子、分子と化学結合をしない。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, helium (He) to be measured will be described. Since helium contained in air at about 1 ppm is an extremely stable atom (the ground state has a closed shell structure consisting of two electrons in 1 s and has the smallest mass). Inactive elements), do not chemically bond with other atoms and molecules.
また、合金製造過程、イオン注入装置を用いたHeを撃ち込み、中性子照射による(n,α)反応等により固体内に存在(又は発生)したHeは、固体(金属、半導体、絶縁物)を構成する元素と化学結合することなく格子間原子(interstitial-atom)として準安定な状態で存在する。 In addition, the He that is present (or generated) in the solid due to the (n, α) reaction by neutron irradiation, etc., is shot in He using an ion manufacturing apparatus, alloy production process, and constitutes a solid (metal, semiconductor, insulator) It exists in a metastable state as an interstitial-atom without chemically bonding to the element that performs.
固体内のHeの個数が多くなれば、球状のヘリウムバブル(He−bubble:Heガスタンクの様なもの)が形成される。この固体代表は殆どの金属固体であり、例えば、アルミニウムAlの場合〜300℃まで、銅Cuの場合〜600℃まで、バナジウムVの場合〜900℃まで金属温度が上昇しても、一旦金属内に取り込まれたHeは金属から放出されない(Al,Cu,Vの融点は夫々、〜660℃,〜1085℃,〜1890℃である。)。 If the number of He in the solid increases, spherical helium bubbles (such as a He-bubble: He gas tank) are formed. This solid representative is most metal solids, for example, in the case of aluminum Al up to 300 ° C., in the case of copper Cu up to 600 ° C., in the case of vanadium V up to 900 ° C. He taken in is not released from the metal (the melting points of Al, Cu and V are ˜660 ° C., ˜1085 ° C. and ˜1890 ° C., respectively).
固体の温度によっては、バブル内のHeが固体から放出され、固体内にはHeの抜けたヘリウムボイド(He−void)が形成される場合もある。この固体例は半導体のシリコン(Si)であり、イオン注入によりHeを大量に照射後、適当な温度状況においてはSiの内にヘリウムボイドが形成される。 Depending on the temperature of the solid, He in the bubble may be released from the solid, and a helium void (He-void) from which He is removed may be formed in the solid. This solid example is semiconductor silicon (Si), and after irradiation with a large amount of He by ion implantation, helium voids are formed in Si under an appropriate temperature condition.
ヘリウムバブルが形成されるのは、固体内に発生するHe個数が多い場合である。少数(例えば1個)のHeを想定する場合、固体内にはHeの存在しうるサイト(場用)が多く存在する。固体が単結晶の場合は上述の格子間原子サイト、多結晶からなる固体の場合は晶粒間の界面が加わる。固体からHeが放出されるか、固体内にとどまるかは、Heのもつ運動エネルギーとそのHeの存在するエネルギーポテンシャルの大きさで決まるため、固体の種類と固体温度(固体内Heの運動エネルギー)に依存する。 Helium bubbles are formed when the number of He generated in the solid is large. When a small number (for example, one) of He is assumed, there are many sites (for field) where He can exist in the solid. When the solid is a single crystal, the above-mentioned interstitial site is added, and when the solid is a polycrystal, the interface between crystal grains is added. Whether He is released from the solid or stays in the solid is determined by the kinetic energy of He and the magnitude of the energy potential of He, so the type of solid and the solid temperature (kinetic energy of He in the solid) Depends on.
固体内のHe量を計測するには、何らかの方法でHeを固体より放出する必要があるため、本実施形態は、化学的処理により1気圧N2雰囲気で金属を酸(またはアルカリ)水溶液で溶解する方法を用いるものである。 In order to measure the amount of He in a solid, it is necessary to release He from the solid by some method. In this embodiment, the metal is dissolved in an acid (or alkali) aqueous solution in a 1 atm N 2 atmosphere by chemical treatment. This method is used.
Heは他の元素と化学的に結合しないため、Heの液層内の溶解度は極めて低く、水溶液内に放出されたHeは液相から気相に放出される(Heは、水に対する溶解度の最も小さい気体である)。本発明はこの特性を活用するものである。 Since He does not chemically bond with other elements, the solubility of He in the liquid layer is extremely low, and He released into the aqueous solution is released from the liquid phase into the gas phase (He is the most soluble in water). A small gas). The present invention takes advantage of this characteristic.
本実施形態におけるHe含有金属小片溶解の実験配置図を図1に示す。使用した容器3は、2本の管部材31・31が中腹部で連結されて成るガラス製のH型の反応管を用い、その内径は、〜6mm、容積〜9mLまたは〜35mLである。H型反応管は、シリコン製のふた及び2つの回転可能なガラス製キャップで密封されている。
An experimental layout of He-containing metal piece melting in this embodiment is shown in FIG. The used
図中、GV1〜GV3は、ゲートバルブ(Gate−Valve)であり、弁の全開または全閉を行う。また、GP1、GP2はガラス製の密封可能なコックである。容器3のGP2に対応する場所のパイプには直径〜3mmの穴が開けてあり、コックの回転により反応管内の排気及び管内へのガス導入が可能である。なお、下記の説明で、「GP2を開に回転」とは、容器3にガスの出入りが自由な状態をいい、「GP2を閉に回転」とは、容器3が密閉されていることを意味する。
In the drawing, GV 1 to GV 3 are gate valves (Gate-Valve), and perform full opening or full closing of the valves. Further, GP 1 and GP 2 are glass-made sealable cocks. A pipe having a diameter of ˜3 mm is formed in the pipe corresponding to GP 2 of the
次に、本実施形態の計測方法について説明する。本実施形態では、まず、試料ガス作成の前提として、イオン注入法により適量のHeを含有したCu小片(金属材料1)を作製しておく。金属小片には、幅4mm、長さ8mm、厚さ0.2mm、重さ0.029gの銅(Cu)を用い、He注入量を1つのサンプル当たり1016〜1017個とした。 Next, the measurement method of this embodiment will be described. In this embodiment, first, as a premise for preparing the sample gas, a Cu piece (metal material 1) containing an appropriate amount of He is prepared by an ion implantation method. For the metal piece, copper (Cu) having a width of 4 mm, a length of 8 mm, a thickness of 0.2 mm, and a weight of 0.029 g was used, and the He injection amount was 10 16 to 10 17 per sample.
N2ガスサーバー4には、面積が〜34cm×22.5cm、表面が自由に膨張・収縮するアルミニウムバック(GL Science製、最大容積5L)を用い、サーバー室内を真空に排気後、純度99.999%のN2ガスが〜4000cc詰められている。 The N 2 gas server 4 uses an aluminum bag (made by GL Science, maximum volume 5L) with an area of ~ 34cm x 22.5cm and a surface that freely expands and contracts. After exhausting the server chamber to a vacuum, the purity is 99.999% Packed with ~ 4000cc N 2 gas.
ここで、純度の高い濃硝酸中でCuは激しく反応を進行し、短時間の内に溶解する。取扱いの容易さを考慮し、どの程度の硝酸濃度を使用すべきかを検討した。まず、濃度60%の硝酸水溶液を用いた。Cuは溶液中で激しく反応し、1〜2分で溶解した。濃度30%および濃度20%の硝酸水溶液を用いた場合、Cuの溶解に要する時間は、それぞれ、〜10分、〜45分であった。濃度10%の硝酸水溶液に対しては、Cu小片は2時間経過後も完全には溶解しなかった。なお、Cuの溶解試験は、全て室温で実施した。以上の試験結果より、濃度20%の硝酸水溶液を使用する。 Here, Cu proceeds vigorously in concentrated nitric acid with high purity and dissolves within a short time. Considering the ease of handling, we examined how much nitric acid concentration should be used. First, an aqueous nitric acid solution having a concentration of 60% was used. Cu reacted vigorously in the solution and dissolved in 1-2 minutes. When nitric acid aqueous solutions having a concentration of 30% and a concentration of 20% were used, the time required for dissolution of Cu was -10 minutes and ˜45 minutes, respectively. In the nitric acid aqueous solution having a concentration of 10%, the Cu pieces were not completely dissolved even after 2 hours. All Cu dissolution tests were performed at room temperature. From the above test results, an aqueous nitric acid solution having a concentration of 20% is used.
なお、本実施形態では、使用可能な固体(金属、半導体、絶縁物を含む全て)と使用される水溶液の関係に以下の条件を満たせば、本発明の方法はどのような固体中のHe量計測にも適用可能である。
「条件1」酸(又はアルカリ)水溶液で溶解可能な固体である事。
「条件2」その水溶液に溶けない容器(例えば、H型反応管)が作製可能な事。
In the present embodiment, if the following conditions are satisfied in the relationship between usable solids (including metals, semiconductors, and insulators) and the aqueous solution used, the method of the present invention can determine the amount of He in the solids. Applicable to measurement.
“Condition 1” A solid that can be dissolved in an acid (or alkali) aqueous solution.
“
即ち、本発明の方法は、真空雰囲気での高温加熱(融解)法と比較する場合、融点がいくら高くても酸(又はアルカリ)水溶液に溶解しさえすれば適用可能である利点を有する。 That is, the method of the present invention has an advantage that it can be applied as long as it is dissolved in an acid (or alkali) aqueous solution, no matter how high the melting point, when compared with a high temperature heating (melting) method in a vacuum atmosphere.
具体的に行った実験手順は以下のとおりである。
〔ステップ1〕
アセトンで洗浄した容器3(H型反応管)の一方の管部材31にHe含有Cu小片を、他方の管部材31に20%硝酸水溶液を0.5cc挿入し、キャップGP1、GP2を付ける。
The specific experimental procedure is as follows.
[Step 1]
A He-containing Cu piece is inserted into one
〔ステップ2〕
GP2を開に回転し、GV1,GV2を開にして適当な時間ポンプで排気する。この時、GV3は閉じている。通常のロータリーポンプで排気すると、水溶液2が沸騰してしまうおそれがある。本実施形態の真空ポンプには、液層が存在する系の大気圧の排気に化学実験で使用するChemical-Duty-Vacuum-Pump(MILLIPORE製)を用いた。
[Step 2]
Rotate GP 2 to open, open GV 1 and GV 2 , and exhaust with a pump for an appropriate time. At this time, GV 3 is closed. When exhausted with a normal rotary pump, the
〔ステップ3〕
H型反応管内を排気後GV1、GV2を閉じ、速やかにGV1、GV3を開け、容器3(H型反応管)内を1気圧とする。
[Step 3]
After evacuating the inside of the H-type reaction tube, GV 1 and GV 2 are closed, GV 1 and GV 3 are quickly opened, and the inside of the container 3 (H-type reaction tube) is set to 1 atm.
〔ステップ4〕
GV3を閉じ、GV2を開けて、適当な時間容器及び配管内をポンプ5で排気する。
[Step 4]
The GV 3 is closed, the GV 2 is opened, and the inside of the container and piping is evacuated by the
〔ステップ5〕
再びGV2を閉じ、GV3を開けて容器内を1気圧とする。
[Step 5]
GV 2 is closed again, GV 3 is opened, and the inside of the container is brought to 1 atm.
〔ステップ6〕
反応管内を排気後1気圧雰囲気とする操作を約10回程度繰返した後、GP2を閉とする。この操作は、空気中に存在する1ppmのHeが分析ガス内に混入することを防止する目的で行った。後に述べるGC/MS分析で分ったことであるが、1015個程度のHeの撃ち込まれたCu小片を用いたHe分析に際しては、上記の操作を1回行えば空気中のHeの影響は無視しうるレベルであった。
[Step 6]
After evacuating the inside of the reaction tube and making an atmosphere of 1 atm is repeated about 10 times, GP 2 is closed. This operation was performed for the purpose of preventing 1 ppm He existing in the air from being mixed into the analysis gas. As can be seen in the GC / MS analysis described later, in the He analysis using about 10 15 pieces of He-implanted Cu pieces, if the above operation is performed once, the effect of He in the air is It was a negligible level.
〔ステップ7〕
容器3(H型反応管)を傾け、金属材料1の小片に硝酸水溶液2を注ぐ。
[Step 7]
The container 3 (H-type reaction tube) is tilted and the nitric acid
〔ステップ8〕
金属成分12(Cu)を硝酸水溶液2内で完全に融解させる。(約45分で完全に融解)
[Step 8]
The metal component 12 (Cu) is completely melted in the nitric acid
〔ステップ9〕
容器3の側端に配設された軟質樹脂(シリコン)製のシール部材32に注射器6の針を挿入し、反応後のHeを含む気体成分12を適量採取する。
[Step 9]
The needle of the
<「気体成分12」の分析について>
こうして採取した気体成分12(以下、「試料ガス」ともいう。)を後述するGC/MS装置に一定量注入し、試料ガス中のHeを分析する。尚、H型反応管を傾ける前(溶融反応前)のガスを、シリコン製のふたの部分より注射器で採取し、GC/MS装置に導入した場合には、有意なHe信号は現れないことを確認しておく。
<About the analysis of “
A certain amount of the gas component 12 (hereinafter also referred to as “sample gas”) collected in this manner is injected into a GC / MS apparatus described later, and He in the sample gas is analyzed. In addition, when the gas before tilting the H-type reaction tube (before the melting reaction) is collected with a syringe from the silicon lid, and introduced into the GC / MS device, no significant He signal appears. Check it.
本実施形態では、高分解能質量分析装置(日本電子製:JMS-700 MStation)を用い、この高分解能質量分析装置を図2に示す概念図を用いて、GC/MS分析の測定原理、分析内容等を説明する。 In this embodiment, a high-resolution mass spectrometer (JEOL: JMS-700 MStation) is used, and the high-resolution mass spectrometer is shown in the conceptual diagram shown in FIG. Etc. will be explained.
本装置は、通常ガスクロマトグラフィー/質量分析器(Gas-Chromatography/Mass-Spectrometer,(GC/MS)と略す)と呼ばれる。GC/MS装置は、ガスクロマトグラフィー部(GC部)、ガス電離部、質量分析部及びイオン検出部から構成されている。そして、キャリアーガスに測定すべき試料ガスを混入し、試料ガスに含まれる微量ガスを分析する。 This apparatus is usually called a gas chromatography / mass spectrometer (abbreviated as Gas / Chromatography / Mass-Spectrometer, (GC / MS)). The GC / MS apparatus includes a gas chromatography section (GC section), a gas ionization section, a mass analysis section, and an ion detection section. Then, the sample gas to be measured is mixed into the carrier gas, and the trace gas contained in the sample gas is analyzed.
前記GC/MS装置を用いた通常の分析においては、高分子等の種々の分子が含まれるため、これらの分析を容易にするために、Heをキャリアーガス使用しているが、本実施形態では、このHeが測定対象であるため、キャリアーガスとして窒素ガス(N2)を用いる。 In a normal analysis using the GC / MS apparatus, since various molecules such as a polymer are included, in order to facilitate the analysis, He is used as a carrier gas. Since this He is a measurement object, nitrogen gas (N 2 ) is used as a carrier gas.
ここで実施したHe分析に即して、GC/MS装置の分析工程を述べる。前述のとおり、分析用試料ガスとして、イオン注入によりHeを撃ち込んだCu小片を、窒素雰囲気で硝酸水溶液により溶解して作製したガスを用いた。 The analysis process of the GC / MS apparatus will be described in accordance with the He analysis performed here. As described above, as the sample gas for analysis, a gas prepared by dissolving a Cu small piece into which He was shot by ion implantation with a nitric acid aqueous solution in a nitrogen atmosphere was used.
本実施形態では、高純度N2ガスをキャリアーガスとして使用し、ガス流量を0.3mL/minとした。注射器で試料ガスをキャリアーガスに導入するとともに、イオン検出部の計測を開始する。 In this embodiment, high-purity N 2 gas is used as the carrier gas, and the gas flow rate is 0.3 mL / min. The sample gas is introduced into the carrier gas with a syringe, and measurement of the ion detector is started.
キャリアーガスに混入された試料ガスは、カラム(分離管)を通過後、ガス電離室に導かれる。使用したカラムは、直径0.25mm、長さ50mのキャピラリー管(内面Film-thickness、0.25um,Column No351175)である。この際、キャピラリー管の設置されているガスクロマトグラフィー部内の温度は150℃とした。また、電離室では、ガスは電子ビーム照射によりイオン化される。電子ビームの加速エネルギーは70eV、イオン化電流は300μA、電離室は200oCとした。 The sample gas mixed in the carrier gas is guided to the gas ionization chamber after passing through the column (separation tube). The column used was a capillary tube having a diameter of 0.25 mm and a length of 50 m (inner film-thickness, 0.25 um, Column No 351175). At this time, the temperature in the gas chromatography section in which the capillary tube was installed was set to 150 ° C. In the ionization chamber, the gas is ionized by electron beam irradiation. The acceleration energy of the electron beam was 70 eV, the ionization current was 300 μA, and the ionization chamber was 200 oC.
そして、試料ガス中で電離したイオンは10kVの電位により加速され、分析室に入射される。入射したイオンは、エネルギー及び質量により電界及び磁界中で分別され、測定対象とするイオンのみが検出部に入射される。本実施形態では、試料ガス中のHeの測定が目的であるため、10keVのHeイオンの出力信号が最大となるように磁界及び電界強度が決められている。 The ions ionized in the sample gas are accelerated by a potential of 10 kV and are incident on the analysis chamber. The incident ions are separated in an electric field and a magnetic field based on energy and mass, and only ions to be measured are incident on the detection unit. In the present embodiment, since the purpose is to measure He in the sample gas, the magnetic field and the electric field strength are determined so that the output signal of 10 keV He ions is maximized.
キャリアーガスへの試料ガス導入時から、He信号の時間変化を記録した。この際、イオン検出部での電子増倍用電圧は1kVに設定した。また、本測定を通して、ガス電離室の真空度は〜3×10-4Pa,分析室の真空度は〜3×10−5Paであった。 The time change of the He signal was recorded from the time when the sample gas was introduced into the carrier gas. At this time, the voltage for electron multiplication in the ion detector was set to 1 kV. Further, throughout this measurement, the gas ionization chamber had a vacuum degree of ˜3 × 10 −4 Pa and the analysis chamber had a vacuum degree of ˜3 × 10 −5 Pa.
本実施形態により得られたイオン検出器の出力信号例を図3に示す。縦軸は検出器出力信号強度(単位は任意)であり、横軸はGC/MSへの試料ガス導入時を原点とした時刻である。なお、試料ガスを導入しなくても、時間的にほぼ一定な質量数4のHeによる信号が検出される場合もあるが、これはGC/MS装置の容器内に残存するHeに起因するものと考えられる。 An example of the output signal of the ion detector obtained by this embodiment is shown in FIG. The vertical axis is the detector output signal intensity (unit is arbitrary), and the horizontal axis is the time when the sample gas is introduced into the GC / MS. In addition, even if no sample gas is introduced, there may be a case where a signal due to He having a mass number of 4 that is almost constant in time is detected, but this is caused by He remaining in the container of the GC / MS apparatus. it is conceivable that.
図3によれば、試料ガス導入から約5分後にHe信号強度が急速に増加し、約6分後に最大となる。出力強度は、約7分後にはかなり減少し、その後徐々に減少して、約10分後には試料ガス導入前の強度となる。試料ガスに起因する信号がパルス的であることより、ここではそれをパルス信号と呼ぶ。パルス信号の立ち上がりから最大値にいたるまで、信号強度が階段状に増加しているのが分かる。これは、試料ガスを採取した注射器にDispenserを装着し、0.05ccの量を5秒間隔で10回(計、0.5cc)GC/MSに導入する方法を採用したためである。
According to FIG. 3, the He signal intensity rapidly increases about 5 minutes after the introduction of the sample gas, and reaches a maximum after about 6 minutes. The output intensity decreases considerably after about 7 minutes, then gradually decreases, and after about 10 minutes becomes the intensity before the introduction of the sample gas. Since the signal resulting from the sample gas is pulsed, it is referred to herein as a pulse signal. It can be seen that the signal intensity increases stepwise from the rise of the pulse signal to the maximum value. This is because a dispenser was attached to the syringe from which the sample gas was collected, and a method of introducing 0.05 cc into the GC /
本実施形態では、GC/MSへの注射器による試料ガス導入を、手動で行っている。このようにDispenserを用いた理由は、ガス導入速度の不定要素が計測結果に影響することを出来るだけ回避するためである。 In this embodiment, sample gas introduction into the GC / MS by a syringe is performed manually. The reason why the Dispenser is used in this way is to avoid as much as possible that the indeterminate factor of the gas introduction speed affects the measurement result.
GC/MS装置に導入したHe量に相当する値は、パルス信号を時間的に積分した値に比例する。図4および図5のHeガス混入ガス分析結果は、時間積分値をHe強度としてプロットして示している。 A value corresponding to the amount of He introduced into the GC / MS apparatus is proportional to a value obtained by temporally integrating the pulse signal. The analysis results of the He gas mixed gas in FIGS. 4 and 5 are plotted by plotting the time integration value as the He intensity.
本実施形態では、試料ガスをGC部に通過させた後に、電離室でガスの一部をイオン化し(弱電離プラズマ化し)、10kVで加速した後に質量分析を行っている。この際、GC部は必ずしも必要でないが、図3に示されるように、GC部を使用すると、導入Heに起因する信号がより鮮明に観測される。 In the present embodiment, after the sample gas is passed through the GC section, part of the gas is ionized (weakly ionized plasma) in the ionization chamber, and mass spectrometry is performed after acceleration at 10 kV. At this time, the GC unit is not always necessary, but as shown in FIG. 3, when the GC unit is used, a signal due to the introduced He is observed more clearly.
GC部使用の有無にかかわらず、イオン検出器に入射される粒子は、エネルギー10keV、質量数4のイオンに限られるため、分析ガス中に他のどの元素、分子が含まれ、それらがイオン化され加速されても、本実施形態で設定した場合の検出器には入射しない。 Regardless of whether or not the GC unit is used, the particles that enter the ion detector are limited to ions with an energy of 10 keV and a mass number of 4, so any other element or molecule is included in the analysis gas, which is ionized. Even if accelerated, it does not enter the detector when set in the present embodiment.
次に、本実施形態において、溶解の反応時に発生する他の生成ガスの影響の可能性について説明する。 Next, in this embodiment, the possibility of the influence of other product gas generated during the dissolution reaction will be described.
質量分析器に類似な高感度ガス分析器を用いれば、原子質量数4のHeは他の元素と区別可能である。従って、Heが放出されたガスに他のどの様な成分の気体が含まれても、ガス中のHeの分析は可能である。 If a high-sensitivity gas analyzer similar to a mass analyzer is used, He having an atomic mass number of 4 can be distinguished from other elements. Therefore, the He in the gas can be analyzed regardless of the gas of any other component contained in the gas from which He has been released.
実用上の問題として、水溶液の取り扱いの容易さ、He以外のガスによる分析測定機器内の装置の汚染等も考慮すべきであるが、測定に必要なガス量が少量であるため、致命的な問題とはならない。本実施形態では、使用した分析装置への影響からHCl,H2SO4は使用しなかった。 Practical issues should be taken into account, for example, the ease of handling of aqueous solutions and contamination of equipment in analytical measuring instruments by gases other than He, but it is fatal because the amount of gas required for measurement is small. It doesn't matter. In this embodiment, HCl and H 2 SO 4 were not used because of the influence on the analyzer used.
周知のとおり、Cuに濃硝酸を加えると、次式で示される反応が起こり、Cuが溶解し、二酸化窒素NO2が発生する。
Cu+4HNO→Cu(NO3)2+2NO2+2H2O
また、Cuは希硝酸と、次式の反応により、Cuが溶解し、一酸化窒素NOが発生する。
3Cu+8HNO→3Cu(NO3)2+2NO+4H2O
NOは、無色の水に溶けにくい気体で、空気中では容易に酸化され、赤褐色のNO2になる。
As is well known, when concentrated nitric acid is added to Cu, a reaction represented by the following formula occurs, Cu is dissolved, and nitrogen dioxide NO 2 is generated.
Cu + 4HNO → Cu (NO 3 ) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
Further, Cu is dissolved by dilute nitric acid and the following formula to generate Cu and NO is generated.
3Cu + 8HNO → 3Cu (NO 3 ) 2 + 2NO + 4H 2 O
NO is a gas that is difficult to dissolve in colorless water, and is easily oxidized in the air to become reddish brown NO 2 .
本実施形態では、Cuの溶融に20%硝酸水溶液を用いた。試料ガス作製は、1気圧N2雰囲気で行われるため、試料ガスの殆どがN2である。測定すべきHe以外に考えられる分子(又は元素)は、H2O、NO,NO2等である。Heに比べて、これらの分子はより遅延されてガスクロマトグラフィー部(GC部)を通過後、イオン化室に到達するため、時間的に信号を区別できる。ただし、前述したように、GC部を用いなくても、イオン検出器には10keVのHeイオン以外は入射されない。本実施形態においては、NO,NO2,N2O4などHNO3由来の酸化ガスの影響はなかった。 In this embodiment, a 20% nitric acid aqueous solution was used for melting Cu. Sample gas produced is to be done at 1 atm N 2 atmosphere, most of the sample gas is N 2. Molecules (or elements) other than He to be measured are H 2 O, NO, NO 2 and the like. Compared with He, these molecules are delayed more and pass through the gas chromatography part (GC part), and then reach the ionization chamber, so that the signals can be distinguished in terms of time. However, as described above, other than the 10 keV He ions are not incident on the ion detector without using the GC unit. In this embodiment, there was no influence of oxidizing gas derived from HNO 3 such as NO, NO 2 , N 2 O 4 .
次に、本実施形態に使用するの質量分析装置の校正について説明する。反応管の容積VOは重量法で測定できる。コルクVP1,VP2及びシール部材32(シリコンふた)をHg型反応管に装着し重量m1を測定する。次に反応管内を蒸留水で満たしVP2を閉として重量m2を計測する。その時、反応管内に気泡等水の満たされていない空間が無いことを確認する。そして、(m2−m1)が反応管内の容積VOである。 Next, calibration of the mass spectrometer used in this embodiment will be described. The volume VO of the reaction tube can be measured by a gravimetric method. Cork VP 1 , VP 2 and seal member 32 (silicon lid) are attached to the Hg type reaction tube, and the weight m 1 is measured. Next, the inside of the reaction tube is filled with distilled water, VP 2 is closed, and the weight m 2 is measured. At that time, it is confirmed that there is no space not filled with water such as bubbles in the reaction tube. Then, it is the volume VO of the reaction tube (m 2 -m 1).
本実施形態で用いた2つの反応管(容器3)の容積は、(1)VO1=8.71cc及び(2)VO2=35.15ccであった。使用する水溶液の体積(20%硝酸水溶液0.5cc)、及び金属材料1固体小片の体積(試験に使用したCu片は、面積が4×8mm、厚さが0.2mm[重さ、0.029g])は既知であるため、Heが放出される空間の体積Vhは既知である。 The volumes of the two reaction tubes (containers 3) used in this embodiment were (1) VO 1 = 8.71 cc and (2) VO 2 = 35.15 cc. Volume of aqueous solution used (20% nitric acid aqueous solution 0.5 cc) and volume of metal material 1 solid piece (Cu piece used in the test has an area of 4 x 8 mm and a thickness of 0.2 mm [weight, 0.029 g]) Is known, the volume Vh of the space from which He is released is known.
He個数が1×1016個注入されたCu内のHeが溶解によって全て気層中に放出されるとするとVO1の反応管内のガス中のHe濃度nHeは、nHe≒1.2×1015個/cc、及びとVO2の反応管では〜2.9×1014個/cc、He個数が1×1017個の場合、nHe≒1.2×1016個/cc(VO1の反応管)、及び〜2.9×1015個/cc(VO2の反応管)である。従って、nHe≒3×1014個/cc〜1.0×1016個/ccのHe濃度を有する標準試料ガスを作製し、本実施形態と同量のガスをGC/MSに導入してイオン検出信号を積分した値を用いることにより、本実施形態におけるHeに対するGC/MS装置の絶対校正が可能である。 Assuming that all of He in Cu injected with 1 × 10 16 He is released into the gas layer by dissolution, the He concentration n He in the gas in the reaction tube of VO 1 is n He ≈1.2 ×. 10 15 / cc, and a to 2.9 × 10 14 pieces / cc in a reaction tube of VO 2, when He number of pieces 1 × 10 17, n He ≒ 1.2 × 10 16 pieces / cc (VO 1 reaction tube) and ˜2.9 × 10 15 pieces / cc (VO 2 reaction tube). Therefore, a standard sample gas having a He concentration of n He ≈3 × 10 14 cells / cc to 1.0 × 10 16 cells / cc is prepared, and the same amount of gas as in this embodiment is introduced into the GC / MS to detect ions. By using the value obtained by integrating the signals, absolute calibration of the GC / MS apparatus with respect to He in this embodiment is possible.
GC/MS装置の絶対校正のための標準試料ガスの作製について、図6を用いて説明する。この標準試料ガスを作製する装置は、小型の真空容器A、少し大きい真空容器B、排気装置(ターボ分子ポンプTP,ロータリーポンプRP)、高純度Heガス、高純度N2ガス、及び各々を連結するゲートバルブGV1〜GV6で構成される。真空容器Aは、円筒形の比較的簡単な構造で、GV1及びGV2を閉じた状態で容積V1が既知とする。容器全体は温度の管理された実験室に設置され、容器温度は常に一定温度であるとする。 Production of a standard sample gas for absolute calibration of the GC / MS apparatus will be described with reference to FIG. The equipment for producing this standard sample gas is a small vacuum vessel A, a slightly larger vacuum vessel B, an exhaust device (turbomolecular pump TP, rotary pump RP), high purity He gas, high purity N 2 gas, and each connected. Gate valves GV 1 to GV 6 are configured. The vacuum vessel A has a relatively simple cylindrical shape, and the volume V 1 is known in a state where GV 1 and GV 2 are closed. The entire container is installed in a temperature controlled laboratory, and the container temperature is always constant.
標準試料ガス作製の操作手順を以下に示す。
1)真空容器を高真空まで排気する。(適当な温度でベーキング実施)
2)GV1を開け容器1に高純度Heガスを適量封入し、その時の圧力をP1とする。圧力はマクランド真空計で測定する。
3)GV3,GV4,GV6を閉じた状態で、GV2を開け圧力P2を測定する。
4)Heの封入されている体積V2を[V1・P1/P2]より決め、He濃度nHeを算出する。
5)GV3より圧力が1気圧になるまでN2ガスを系内に導入し、標準試料ガスを作製する。
The operation procedure for preparing the standard sample gas is shown below.
1) Evacuate the vacuum vessel to a high vacuum. (Bake at an appropriate temperature)
2) Open GV 1 and enclose an appropriate amount of high-purity He gas in the container 1, and set the pressure at that time to P 1 . The pressure is measured with a Macland vacuum gauge.
3) With GV 3 , GV 4 , and GV 6 closed, GV 2 is opened and pressure P 2 is measured.
4) The volume V 2 in which He is enclosed is determined from [V 1 · P 1 / P 2 ], and the He concentration n He is calculated.
5) N 2 gas is introduced into the system until the pressure becomes 1 atm from GV 3 to prepare a standard sample gas.
そして、シリコン膜窓より、上記と同様の方法で注射器を用いてガスを採取後GC/MSに導入し、パルス信号の積分をすれば、He感度に対する絶対校正が完了する。 Then, gas is collected from the silicon film window using a syringe in the same manner as described above, and then introduced into the GC / MS and integrated with the pulse signal, and the absolute calibration for the He sensitivity is completed.
<分析結果について>
図4に、容積8.71ccのH型反応管を使用したHe混入ガスのGC/MS分析の結果を示す。使用したCuへのHeイオン注入量は、
1)〜1.01×1016個
2)〜2.00×1016個
3)〜3.99×1016個
4)〜7.97×1016個
5)〜1.61×1017個
6)〜1.61×1017個
7)〜3.22×1017個
である。
<About analysis results>
FIG. 4 shows the results of GC / MS analysis of He-mixed gas using an H-type reaction tube having a volume of 8.71 cc. The amount of He ion implantation into the used Cu is
1) to 1.01 × 10 16 pieces 2) to 2.00 × 10 16 pieces 3) to 3.99 × 10 16 pieces 4) to 7.97 × 10 16 pieces 5) to 1.61 × 10 17 pieces 6) to 1.61 × 10 17 pieces 7) to 3.22 × 10 17 pieces.
GC/MSの出力信号は、注入個数が、1×1016個から〜8×1016個において良い線形性を示す。イオン注入によって金属内に多くのHeを注入すると、金属内に形成されるヘリウムが破裂するため、注入個数が〜8×1016個以上で出力信号が比例的して増加しないる。 The output signal of GC / MS shows good linearity when the number of injections is from 1 × 10 16 to ˜8 × 10 16 . When a large amount of He is implanted into the metal by ion implantation, the helium formed in the metal is ruptured, so that the output signal does not increase proportionally when the number of implanted ions is ˜8 × 10 16 or more.
図5に、容積35.15ccのH型反応管を使用したHe混入ガスのGC/MS分析の結果を示す。使用したサンプルのHe注入個数は、
1)〜1.01×1016個
2)〜1.95×1016個
3)〜3.98×1016個
4)〜8.03×1016個
5)〜1.58×1017個
6)〜3.25×1017個
である。
FIG. 5 shows the result of GC / MS analysis of He-containing gas using a 35.15 cc H-type reaction tube. The number of He injections of the sample used was
1) to 1.01 × 10 16 pieces 2) to 1.95 × 10 16 pieces 3) to 3.98 × 10 16 pieces 4) to 8.03 × 10 16 pieces 5) to 1.58 × 10 17 pieces 6) to 3.25 × 10 17 pieces.
図4と同様に、約4倍の容積の反応管を用いた場合も、GC/MSの出力信号は、注入個数が、1×1016個から〜8×1016個において良い線形性を示す。また、注入量が多い場合、GC/MSの出力信号が比例的に増加しないことも、同様である。 Similarly to FIG. 4, even when a reaction tube having a volume about 4 times is used, the output signal of GC / MS shows good linearity when the number of injections is from 1 × 10 16 to ˜8 × 10 16. . Similarly, when the injection amount is large, the output signal of the GC / MS does not increase proportionally.
なお、本実施形態では、使用したGC/MSのHeに対する高精度な絶対校正は実施していない。これは市販されている純度が既知であるHeガスを希釈して標準Heガスを作製し、金属中のHe計測と同一の実験条件でGC/MSを校正することにより達成できるからである。 In the present embodiment, high-accuracy absolute calibration is not performed for the GC / MS He used. This is because a commercially available He gas having a known purity is diluted to produce a standard He gas, and the GC / MS can be calibrated under the same experimental conditions as the He measurement in metal.
本発明は、概ね上記のように構成されるが、本発明は図示の実施形態に限定されるものでは決してなく、「特許請求の範囲」の記載内において種々の変更が可能であって、例えば、本実施例の用いる金属試料と水溶液との組み合わせは、銅と硝酸であるが、他の組み合わせとして、水溶液−溶融する固体の組み合わせは、膨大に存在する。固体と溶解用の水溶液例を下表に示す。 The present invention is generally configured as described above. However, the present invention is not limited to the illustrated embodiment, and various modifications can be made within the scope of the claims. For example, The combination of the metal sample and the aqueous solution used in this example is copper and nitric acid, but there are an enormous number of combinations of the aqueous solution-melting solid as another combination. Examples of solids and aqueous solutions for dissolution are shown in the table below.
〔表1〕
固体の種類 記号 水溶液
「金属例」
銅 Cu 硝酸
アルミニウム Al 水酸化ナトリウム、フッ素酸
バナジウム V 硝酸
鉄 Fe 希硝酸
亜鉛 Zn 硝酸
鉛 Pb 硝酸
「半導体例」
シリコン Si 硝酸(HNO3)+フッ素酸(HF)+酢酸(CH3COOH)
「絶縁物例」
酸化シリコン SiO2 フッ素酸
[Table 1]
Type of solid Symbol Aqueous solution "Metal example"
Copper Cu Nitrate Aluminum Al Sodium hydroxide, Vanadium fluoride V Iron nitrate Fe Diluted nitrate Zinc Zn Nitrate Lead Pb Nitric acid "Semiconductor example"
Silicon Si Nitric acid (HNO 3 ) + Fluoric acid (HF) + Acetic acid (CH 3 COOH)
"Example of insulation"
Silicon oxide SiO 2 Fluoric acid
このように、別材料の組み合わせによっても、He量を計測することができ、これら何れのものも本発明の技術的範囲に属する。 Thus, the amount of He can also be measured by a combination of different materials, and any of these belong to the technical scope of the present invention.
1 金属材料
2 水溶液
3 容器
31 管部材
32 シール部材
4 ガスサーバー
5 排気ポンプ
6 注射器
1
31 Pipe members
32
Claims (7)
金属材料1と、酸またはアルカリを水溶して成る溶解用の水溶液2とを、これらを独立して収容可能な容器3内に非接触状態で収容して密封する一方、
この容器3内を一旦真空にした後、キャリアーガスを充填せしめ、
前記金属材料1を水溶液2中に浸漬せしめて、金属材料1の金属成分11を完全に溶解せしめて、当該金属材料1から発生した気体成分12を採取すると共に、
この気体成分12のイオンを電離して、かつ、このイオンを加速することによってヘリウムイオンを検出することを特徴とする金属材料中のヘリウム含有量計測方法。 A method for measuring the amount of helium contained in a metal material 1,
While the metal material 1 and the aqueous solution 2 for dissolution formed by dissolving an acid or alkali in water are housed and sealed in a container 3 capable of housing them independently in a non-contact state,
After the inside of the container 3 is evacuated, it is filled with a carrier gas,
The metal material 1 is immersed in the aqueous solution 2, the metal component 11 of the metal material 1 is completely dissolved, and the gas component 12 generated from the metal material 1 is collected.
A method for measuring a helium content in a metal material, characterized in that helium ions are detected by ionizing ions of the gas component 12 and accelerating the ions.
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