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JP5468992B2 - Temperature-programmed desorption analysis method and temperature-programmed desorption analyzer - Google Patents
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JP5468992B2 - Temperature-programmed desorption analysis method and temperature-programmed desorption analyzer - Google Patents

Temperature-programmed desorption analysis method and temperature-programmed desorption analyzer Download PDF

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Description

本発明は、固体試料中の成分を分析する昇温脱離分析方法および昇温脱離分析装置に関するものである。   The present invention relates to a temperature-programmed desorption analysis method and a temperature-programmed desorption analyzer that analyze components in a solid sample.

固体試料において、固体試料中に存在する成分のうち、ガス成分や高い温度でガスとして脱離する成分を分析する方法として、昇温脱離分析法がある(非特許文献1参照)。昇温脱離分析法を行う装置を昇温脱離分析装置と呼ぶ。   Among the components present in a solid sample, there is a temperature programmed desorption analysis method as a method for analyzing a gas component or a component desorbed as a gas at a high temperature (see Non-Patent Document 1). An apparatus for performing temperature-programmed desorption analysis is called a temperature-programmed desorption analyzer.

昇温脱離分析法は、元々、半導体材料について、半導体表面や半導体内部の汚染ガス成分や吸着した成分を測定する分析法としての活用が主であった。ただし、近年は、鉄鋼材料について、鉄鋼の機械的特性を損なう水素などのガス成分の侵入量を測定する分析法としても活用される。   The temperature-programmed desorption analysis method was originally mainly used as an analysis method for measuring contaminant gas components and adsorbed components on the semiconductor surface and inside the semiconductor with respect to the semiconductor material. However, in recent years, it has also been used as an analytical method for measuring the amount of intrusion of gas components such as hydrogen that impair the mechanical properties of steel.

昇温脱離分析法は、通常、真空中において、一定の昇温速度で固体試料の温度を上昇させ、温度ごとに固体試料から脱離して真空中に放出されるガス成分を、電子衝撃などのイオン法でイオン化し、イオン化したガス成分を質量分析計によって質量/電荷比ごとに分取して検出器に導き、イオン化したガス成分の量を電流値として測定する。ないしは、イオン化したガス成分1個1個を電圧パルスとして検出し、この電圧パルスを増幅して計数する。すなわち、信号は、あるガス成分に由来するある質量/電荷比を有するイオンの電流ないしは計数されたパルスである。横軸に温度、縦軸に信号強度をとった図を、昇温脱離スペクトルと呼ぶ。   Temperature-programmed desorption analysis is usually performed by increasing the temperature of a solid sample at a constant temperature rise rate in a vacuum, and desorbing the gas component from the solid sample at each temperature and releasing it into the vacuum, such as electron impact. The ionized gas component is fractionated for each mass / charge ratio by a mass spectrometer and guided to a detector, and the amount of the ionized gas component is measured as a current value. Alternatively, each ionized gas component is detected as a voltage pulse, and the voltage pulse is amplified and counted. That is, the signal is a current or counted pulse of ions having a certain mass / charge ratio derived from a certain gas component. A graph in which the horizontal axis represents temperature and the vertical axis represents signal intensity is called a temperature programmed desorption spectrum.

固体試料中に存在する成分がガスとして脱離する昇温脱離スペクトルから、該成分がガスとして脱離するためのエネルギーについて知見を得ることができ、該エネルギーは固体試料中に存在する成分の固体試料中での存在状態に密接に関係があることから、昇温脱離スペクトルを得ることによって固体試料中に存在する成分の存在状態を知ることができる。上記エネルギーをここでは活性化エネルギーと呼ぶ。たとえば、ある固体中のトラップサイトに強く束縛された存在状態の成分について、昇温脱離スペクトルを測定し、昇温脱離スペクトルを解析することができれば、このときの活性化エネルギーは、弱い束縛状態における活性化エネルギーよりも高いことが示される。   From the temperature programmed desorption spectrum in which a component present in a solid sample is desorbed as a gas, knowledge about the energy for desorbing the component as a gas can be obtained. Since the existence state in the solid sample is closely related, the existence state of the component existing in the solid sample can be known by obtaining the temperature-programmed desorption spectrum. The energy is referred to herein as activation energy. For example, if a temperature-programmed desorption spectrum can be measured for a component in a solid state that is strongly bound to a trap site in a solid and the temperature-programmed desorption spectrum can be analyzed, the activation energy at this time is weakly bound. It is shown that it is higher than the activation energy in the state.

南雲道彦,「水素脆性の基礎 水素の振るまいと脆化機構」,内田老鶴圃,p.55−56,2008Michihiko Nagumo, “Basics of Hydrogen Embrittlement Behavior of Hydrogen and Embrittlement Mechanism,” Uchida Otsukuru, p. 55-56, 2008

公知の技術による昇温脱離分析法では、固体試料中に存在する成分がガスとして脱離する昇温脱離スペクトルを測定し、昇温脱離スペクトルを解析することができれば、活性化エネルギーについて知見を得ることができ、固体試料中に存在する成分の存在状態を知ることができるはずであるが、その解析を行うのは容易ではない。   In a temperature-programmed desorption analysis method using a known technique, if a temperature-programmed desorption spectrum in which a component present in a solid sample is desorbed as a gas can be measured and the temperature-programmed desorption spectrum can be analyzed, Knowledge should be obtained and the presence state of the components present in the solid sample should be known, but the analysis is not easy.

たとえば、昇温速度を正の定数r、活性化エネルギーをEa、気体定数をR、ある存在状態のある成分の昇温脱離スペクトルがピークを示す温度、すなわちピーク温度をTpとすると、以下の関係がある。 For example, if the rate of temperature rise is a positive constant r, the activation energy is E a , the gas constant is R, and the temperature at which the temperature-programmed desorption spectrum of a component in a certain presence state shows a peak, that is, the peak temperature is T p . There is the following relationship.

Figure 0005468992
Figure 0005468992

この式(1)は、ある存在状態にある成分について、その昇温脱離スペクトルのピーク温度Tpが昇温速度rによって変化することを示している。そして、昇温速度rを変化させた条件で、昇温脱離スペクトルをいくつか測定したときに実験的に得られるTpを用いて、ln(r/Tp2)を1/Tpに対してプロットしたとき、直線が得られ、その直線の傾きから、既知の気体定数Rを用いて活性化エネルギーEaを得ることができることを示している。 This equation (1) indicates that the peak temperature T p of the temperature programmed desorption spectrum of the component in a certain existing state varies with the temperature rising rate r. Then, ln (r / Tp 2 ) is set to 1 / Tp using T p obtained experimentally when several temperature-programmed desorption spectra are measured under the condition where the temperature-raising rate r is changed. When plotted, a straight line is obtained, and the activation energy E a can be obtained from the slope of the straight line using a known gas constant R.

このとき、直線を得るための、昇温速度rを変化させた条件での実験の回数は理論的には2回であるが、実験的に直線を得るには、実験の誤差があることを考えれば、実験の回数は少なくとも3回以上であることが求められる。   At this time, in order to obtain a straight line, the number of experiments under the condition that the heating rate r is changed is theoretically two times. However, in order to obtain a straight line experimentally, there is an error in the experiment. Considering that, the number of experiments is required to be at least 3 times.

しかしながら、昇温速度rを変化させた条件での実験をたとえば3回行う場合、固体試料中に存在する成分が同一の存在状態とみなせる試料(以下、同一とみなせる試料)を3個用意しなければならない。3回の実験では、1回ごとに試料を装置に入れ、装置を測定が可能な程度の高真空状態にしなければならない。3回の実験のうち、昇温速度がもっとも小さい条件では、測定時間が3時間以上になることもしばしばである。また、各実験の間に、温度を室温程度にまで下げる必要があるが、温度を下げるには通常1時間程度必要である。すなわち、すべての測定を行うのには時間がかかり、1日がかりとなることもある。   However, if the experiment under the condition where the heating rate r is changed is performed three times, for example, three samples (hereinafter referred to as the same sample) in which the components present in the solid sample can be regarded as the same existence state must be prepared. I must. In three experiments, a sample must be put into the apparatus every time, and the apparatus must be in a high vacuum state that allows measurement. Of the three experiments, the measurement time is often 3 hours or more under the condition of the lowest rate of temperature increase. Further, during each experiment, it is necessary to lower the temperature to about room temperature, but it usually takes about 1 hour to lower the temperature. That is, it takes time to perform all measurements, and it may take a day.

また、同一とみなせる試料を3個用意するという条件は、人工制御して試料を作製する場合は一応可能ではあるが、試料が自然界から得られたものや、人工物であっても環境中に暴露した後に該環境から取り出されたものである場合には、試料は1個しか存在せず、同一とみなせる試料を3個用意するという条件を満たすことは不可能である。   In addition, the condition that three samples that can be regarded as the same are prepared is possible if the sample is prepared by artificial control, but even if the sample is obtained from the natural world or is an artificial object, When the sample is taken out from the environment after exposure, there is only one sample, and it is impossible to satisfy the condition that three samples that can be regarded as the same are prepared.

以上のように、公知の技術による昇温脱離分析法では、固体試料中に存在する成分がガスとして脱離する昇温脱離スペクトルを測定することは可能であるが、活性化エネルギーについて知見を得て、固体試料中に存在する成分の存在状態を知るための解析を行うことは容易ではなく、場合によっては不可能であった。   As described above, the temperature-programmed desorption analysis method using a known technique can measure a temperature-programmed desorption spectrum in which a component present in a solid sample is desorbed as a gas. It is not easy to perform analysis for knowing the existence state of components present in a solid sample, and in some cases it was impossible.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、固体試料中の成分の活性化エネルギーの値を容易に得ることができ、固体試料中の該成分の存在状態を知ることができる昇温脱離分析方法および昇温脱離分析装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The activation energy value of the component in the solid sample can be easily obtained, and the presence state of the component in the solid sample can be known. It is an object to provide a thermal desorption analysis method and a temperature-programmed desorption analyzer.

本発明は、固体試料を昇温し、この固体試料の昇温中に固体試料から発生するガスを検出して、ガスの検出結果から固体試料中の成分を分析する昇温脱離分析方法において、固体試料を昇温する昇温ステップを備え、昇温中の固体試料の温度を、時間を変数とする第一の関数とし、ある正数を基数とし前記第一の関数の逆数を指数とする第二の関数が時間により積分可能であって、かつ前記第二の関数の原始関数が初等関数となるように、前記第一の関数を与えることを特徴とするものである。
また、本発明の昇温脱離分析方法の1構成例は、前記第一の関数を、時間の一次式に反比例する関数として与えることを特徴とするものである。
また、本発明の昇温脱離分析方法の1構成例は、さらに、固体試料の昇温中に固体試料から発生するガス成分を検出する検出ステップと、ガス成分の検出結果である昇温脱離スペクトルと昇温脱離スペクトルの理論曲線とのフィッティングを行うことにより、固体試料中の成分の活性化エネルギーの値を求める計算ステップとを備えることを特徴とするものである。
The present invention relates to a temperature-programmed desorption analysis method in which a solid sample is heated, a gas generated from the solid sample is detected while the solid sample is heated, and components in the solid sample are analyzed from the gas detection results. A temperature raising step for raising the temperature of the solid sample, the temperature of the solid sample being heated is a first function having time as a variable, a certain positive number is a radix, and an inverse of the first function is an index. The first function is provided so that the second function to be integrated can be integrated over time, and the primitive function of the second function is an elementary function.
Moreover, one configuration example of the temperature programmed desorption analysis method of the present invention is characterized in that the first function is given as a function that is inversely proportional to a linear expression of time.
In addition, one configuration example of the temperature programmed desorption analysis method of the present invention further includes a detection step for detecting a gas component generated from the solid sample during the temperature increase of the solid sample, and a temperature programmed desorption that is a detection result of the gas component. And a calculation step for obtaining the activation energy value of the component in the solid sample by fitting the desorption spectrum and the theoretical curve of the thermal desorption spectrum.

また、本発明は、固体試料を昇温し、この固体試料の昇温中に固体試料から発生するガスを検出して、ガスの検出結果から固体試料中の成分を分析する昇温脱離分析装置において、固体試料を昇温する昇温手段と、この昇温手段を制御して固体試料の温度を制御する制御手段とを備え、昇温中の固体試料の温度を、時間を変数とする第一の関数とし、ある正数を基数とし前記第一の関数の逆数を指数とする第二の関数が時間により積分可能であって、かつ前記第二の関数の原始関数が初等関数となるように、前記第一の関数を与えることを特徴とするものである。
また、本発明の昇温脱離分析装置の1構成例は、前記第一の関数を、時間の一次式に反比例する関数として与えることを特徴とするものである。
また、本発明の昇温脱離分析装置の1構成例は、さらに、固体試料の昇温中に固体試料から発生するガス成分を検出する検出手段と、ガス成分の検出結果である昇温脱離スペクトルと昇温脱離スペクトルの理論曲線とのフィッティングを行うことにより、固体試料中の成分の活性化エネルギーの値を求める計算手段とを備えることを特徴とするものである。
In addition, the present invention is a temperature-programmed desorption analysis in which a solid sample is heated, a gas generated from the solid sample is detected while the solid sample is heated, and components in the solid sample are analyzed from the gas detection result. The apparatus comprises a temperature raising means for raising the temperature of the solid sample, and a control means for controlling the temperature raising means to control the temperature of the solid sample, and the temperature of the solid sample being heated is made variable with time as a variable. A first function, a second function whose base is a positive number and the reciprocal of the first function as an exponent can be integrated over time, and the primitive function of the second function is an elementary function Thus, the first function is given.
Further, one configuration example of the temperature-programmed desorption analyzer of the present invention is characterized in that the first function is given as a function that is inversely proportional to the linear expression of time.
Further, one configuration example of the temperature-programmed desorption analyzer of the present invention further includes a detection means for detecting a gas component generated from the solid sample during the temperature rise of the solid sample, and a temperature-programmed desorption that is a detection result of the gas component. And a calculation means for obtaining a value of activation energy of a component in the solid sample by fitting the desorption spectrum and the theoretical curve of the thermal desorption spectrum.

本発明によれば、昇温中の固体試料の温度を、時間を変数とする第一の関数とし、ある正数を基数とし第一の関数の逆数を指数とする第二の関数が時間により積分可能であって、かつ第二の関数の原始関数が初等関数となるように、第一の関数を与えることにより、ある存在状態のある成分についての昇温脱離スペクトルを直接的に解釈できるようになる。具体的には、実験的に得られる昇温脱離スペクトルを、理論的な昇温脱離スペクトルと対応付けることにより、固体試料中の成分の活性化エネルギーの値を容易に得ることができ、固体試料中の該成分の存在状態を知ることが可能となる。   According to the present invention, the temperature of the solid sample being heated is a first function with time as a variable, and a second function with a certain positive number as a radix and an inverse of the first function as an index is a function of time. By providing the first function so that it can be integrated and the primitive function of the second function is an elementary function, the temperature-programmed desorption spectrum for a certain component in a certain existing state can be directly interpreted. It becomes like this. Specifically, the thermal desorption spectrum obtained experimentally is associated with the theoretical thermal desorption spectrum, whereby the activation energy values of the components in the solid sample can be easily obtained. It is possible to know the presence state of the component in the sample.

また、本発明では、第一の関数を、多項式関数の四則演算によって得られる有理関数の1つである、時間の一次式に反比例する関数として与える。これにより、本発明では、ある存在状態のある成分についての昇温脱離スペクトルを直接的に解釈できるようになる。   In the present invention, the first function is given as a function inversely proportional to the linear expression of time, which is one of the rational functions obtained by the four arithmetic operations of the polynomial function. Thereby, in this invention, it becomes possible to directly interpret the temperature-programmed desorption spectrum for a certain component in a certain existing state.

従来の昇温脱離分析法における昇温曲線と本発明の実施の形態に係る昇温脱離分析法における昇温曲線の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the temperature rising curve in the temperature rising desorption analysis method and the temperature rising curve in the temperature rising desorption analysis method which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る昇温脱離分析装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the temperature-programmed desorption analyzer which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る昇温脱離分析法における昇温制御の概念を示す図である。It is a figure which shows the concept of the temperature rising control in the temperature desorption analysis method which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における昇温脱離スペクトルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the temperature-programmed desorption spectrum in embodiment of this invention.

[発明の原理]
公知の技術による昇温脱離分析法では、固体試料中に存在する成分がガスとして脱離する昇温脱離スペクトルを測定する場合、昇温速度は一定であることが基本である。昇温脱離分析法は、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)と略記されるが、同様の分析法を示す言葉としてTPD(Temperature Programmed Desorption)という言葉も存在する。ただし、TPDという場合においても、温度は、昇温速度一定であるか、デルタ関数的に急激に上げて下げるか(フラッシュ加熱)、ステップ関数的に急激に上げて一定に保つか、という程度にしかプログラム制御されていない。
[Principle of the Invention]
In a temperature-programmed desorption analysis method using a known technique, when a temperature-programmed desorption spectrum in which a component present in a solid sample is desorbed as a gas is measured, the temperature-raising rate is basically constant. The temperature-programmed desorption analysis method is abbreviated as TDS (Thermal Desorption Spectroscopy), but the term TPD (Temperature Programmed Desorption) also exists as a term indicating the same analysis method. However, even in the case of TPD, the temperature is such that the temperature rising rate is constant, whether it is rapidly raised and lowered in a delta function (flash heating), or rapidly raised in a step function and kept constant. Only program controlled.

公知の技術による昇温脱離分析法において、一般的である昇温速度一定の条件の場合、昇温速度を一定の正数rとし、ある存在状態のある成分について、その活性化エネルギーをEaとし、気体定数をR、測定中の温度をT、測定開始時の温度をT0、温度T0における固体試料中のある存在状態のある成分の量を1、温度Tにおける固体試料中の該成分の量を1−xとすると、脱離反応が1次反応で示される場合、ある時刻tにおいて固体試料中の成分がガスになって脱離する単位時間あたりの量は、固体試料中の該成分の量に比例する。 In a temperature-programmed desorption analysis method using a known technique, when the temperature-raising rate is constant, which is a general condition, the temperature-raising rate is a constant positive number r, and the activation energy of a certain existing component is E a , the gas constant is R, the temperature during measurement is T, the temperature at the start of measurement is T 0 , the amount of a certain component in the solid sample at temperature T 0 is 1, and the temperature in the solid sample at temperature T is 1 When the amount of the component is 1-x, when the elimination reaction is represented by a primary reaction, the amount per unit time that the component in the solid sample becomes a gas at a certain time t is desorbed in the solid sample. Is proportional to the amount of the component.

Figure 0005468992
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ここで、kは比例定数であるが、昇温脱離分析法においては温度によって変化する。   Here, k is a proportionality constant, but changes with temperature in the temperature programmed desorption analysis.

Figure 0005468992
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ここで、Aは頻度因子と呼ばれる定数である。測定中の温度Tは、昇温速度rを用いて、以下の式(4)のように表される。   Here, A is a constant called a frequency factor. The temperature T during measurement is represented by the following equation (4) using the temperature rising rate r.

Figure 0005468992
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式(4)は、温度Tを、時間を変数とする第一の関数として定義したものとして見なせる。式(3)と式(4)から、以下の式(5)を得る。   Equation (4) can be regarded as defining temperature T as a first function with time as a variable. From the equations (3) and (4), the following equation (5) is obtained.

Figure 0005468992
Figure 0005468992

式(2)より式(6)が得られ、さらに以下の式(7)が得られる。   Expression (6) is obtained from Expression (2), and the following Expression (7) is obtained.

Figure 0005468992
Figure 0005468992

Figure 0005468992
Figure 0005468992

式(7)は、以下の式(8)のように変形可能である。   Expression (7) can be transformed as the following Expression (8).

Figure 0005468992
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式(7)を変形した式(8)は、正数exp(−Ea/R)を基数とし、式(4)で表わされる第一の関数の逆数を指数とする第二の関数の原始関数を含むが、この原始関数は初等関数では表わされない。ある存在状態のある成分についての理論的な昇温脱離スペクトルの形状は、式(8)を時間で微分した以下の式(9)で与えられる。 Expression (8), which is a modification of Expression (7), is the primitive of the second function with the positive number exp (−E a / R) as the radix and the reciprocal of the first function represented by Expression (4) as the exponent. Contains a function, but this primitive function is not represented by an elementary function. The theoretical temperature-programmed desorption spectrum shape of a component in a certain existing state is given by the following equation (9) obtained by differentiating equation (8) with respect to time.

Figure 0005468992
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式(9)の右辺についても、初等関数の四則演算、合成では表せないため、実験で得られた昇温脱離スペクトルを式(9)によって解析しようとする場合、活性化エネルギーEaと頻度因子Aに数値を当てはめて式(9)を数値計算せざるを得ない。しかし、実験で得られた昇温脱離スペクトルを式(9)でフィッティングしながら、活性化エネルギーEaの最適値を求める計算では、計算量が膨大になるため、通常の計算環境では実際には、実験で得られた昇温脱離スペクトルを式(9)によって解析するのは容易ではない。 Since the right side of equation (9) cannot be expressed by the four arithmetic operations and synthesis of elementary functions, the activation energy E a and the frequency are calculated when trying to analyze the temperature programmed desorption spectrum obtained by the experiment using equation (9). A numerical value must be applied to the factor A to calculate the formula (9) numerically. However, in the calculation for obtaining the optimum value of the activation energy E a while fitting the temperature-programmed desorption spectrum obtained in the experiment with the equation (9), the calculation amount becomes enormous. However, it is not easy to analyze the temperature-programmed desorption spectrum obtained by the experiment by the equation (9).

本発明は、温度を、時間を変数とする第一の関数とし、ある正数を基数とし第一の関数の逆数を指数とする第二の関数が時間により積分可能であって、かつ、第二の関数の原始関数が初等関数となるように、第一の関数を与える昇温脱離分析法、および昇温脱離分析法を実現する昇温脱離分析装置を提供するものであって、具体的な例として、第一の関数を、時間の一次式に反比例する以下の式(10)のような関数として与える。ここで、初等関数とは、複素数を変数とする多項式関数、指数関数、対数関数の四則演算、合成によって表示される関数のことを指す。   According to the present invention, a second function having a temperature as a first function with time as a variable, a certain positive number as a radix, and an inverse of the first function as an index can be integrated with time, and A temperature-programmed desorption analysis method that provides a first function and a temperature-programmed desorption analyzer that realizes a temperature-programmed desorption analysis method so that the primitive function of the second function is an elementary function. As a specific example, the first function is given as a function such as the following expression (10) that is inversely proportional to the linear expression of time. Here, the elementary function refers to a function displayed by a polynomial function having a complex number as a variable, an exponential function, an arithmetic operation of a logarithmic function, or synthesis.

Figure 0005468992
Figure 0005468992

測定開始時であるt=0のときT=T0、測定終了時t=tfのときT=Tfとなるようにα,βの値を決めることにより、以下の式(11)、式(12)を得る。 By determining the values of α and β so that T = T 0 when t = 0 at the start of measurement and T = T f when t = t f at the end of measurement, the following equations (11) and (11) (12) is obtained.

Figure 0005468992
Figure 0005468992

Figure 0005468992
Figure 0005468992

式(3)と式(11)から、以下の式(13)を得る。   From the equations (3) and (11), the following equation (13) is obtained.

Figure 0005468992
Figure 0005468992

ここで、以下の式(14)が成立する。   Here, the following formula (14) is established.

Figure 0005468992
Figure 0005468992

このとき、式(2)より以下の式(15)が得られる。   At this time, the following formula (15) is obtained from the formula (2).

Figure 0005468992
Figure 0005468992

式(15)におけるCは定数である。この式(15)は、正数exp(−Ea/R)を基数とし、式(10)で表わされる第一の関数の逆数を指数とする第二の関数の原始関数を含み、この原始関数が初等関数で表わされた例を示すものである。式(15)より以下の式(16)が得られる。 C in Formula (15) is a constant. This equation (15) includes a primitive function of a second function in which the positive number exp (−E a / R) is a radix and the reciprocal of the first function represented by the equation (10) is an exponent. An example in which a function is represented by an elementary function is shown. From the equation (15), the following equation (16) is obtained.

Figure 0005468992
Figure 0005468992

t=0のとき、x=0である条件から、定数Cが求められる。   When t = 0, the constant C is obtained from the condition that x = 0.

Figure 0005468992
Figure 0005468992

ある存在状態のある成分についての理論的な昇温脱離スペクトルの形状は、式(17)を時間で微分した以下の式で与えられる。   The theoretical temperature-programmed desorption spectrum shape for a component in a certain existing state is given by the following equation obtained by differentiating equation (17) with respect to time.

Figure 0005468992
Figure 0005468992

式(18)の右辺は、初等関数の四則演算、合成で表されるので、実験で得られた昇温脱離スペクトルの形状を式(18)で表される理論曲線と対応付けることで、活性化エネルギーEaの最適値を容易に求めることができる。したがって、実験で得られた昇温脱離スペクトルを直接的に解釈できるようになる。 The right side of Equation (18) is expressed by four arithmetic operations and synthesis of elementary functions. Therefore, by correlating the shape of the temperature programmed desorption spectrum obtained in the experiment with the theoretical curve expressed by Equation (18), the optimal value of activation energy E a can be easily obtained. Therefore, the temperature programmed desorption spectrum obtained in the experiment can be directly interpreted.

[実施の形態]
次に、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1に、従来の昇温脱離分析法における昇温曲線と本実施の形態の昇温脱離分析法における昇温曲線の一例を示す。図1の100は従来の昇温脱離分析法における昇温曲線を示し、101は本実施の形態の昇温脱離分析法における昇温曲線を示している。
[Embodiment]
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of a temperature rise curve in a conventional temperature programmed desorption analysis method and a temperature rise curve in the temperature programmed desorption analysis method of the present embodiment. 100 in FIG. 1 shows a temperature rising curve in the conventional temperature programmed desorption analysis method, and 101 shows a temperature rising curve in the temperature programmed desorption analysis method of the present embodiment.

従来の昇温脱離分析法における昇温曲線では、昇温速度は一定値であり、図1の例では10K/minである。本実施の形態の昇温脱離分析法における昇温曲線では、温度T(単位K)は、時間tの一次式に反比例する関数で表わされる。この関数は、式(11)によって与えられる。図1の例の場合、αの値は式(12)より1/27000となる。昇温脱離分析法における昇温曲線には、時間の単調増加関数で表わされなければならないという条件があるが、本実施の形態の昇温脱離分析法における昇温曲線はこの条件を満足する。   In the temperature rising curve in the conventional temperature-programmed desorption analysis method, the temperature rising rate is a constant value, which is 10 K / min in the example of FIG. In the temperature rise curve in the temperature programmed desorption analysis method of the present embodiment, the temperature T (unit K) is represented by a function that is inversely proportional to the linear expression of time t. This function is given by equation (11). In the case of the example of FIG. 1, the value of α is 1/27000 from the equation (12). The temperature rise curve in the temperature programmed desorption analysis method has a condition that it must be expressed by a monotonically increasing function of time, and the temperature rise curve in the temperature programmed desorption analysis method of the present embodiment satisfies this condition. Satisfied.

図2に、本実施の形態に係る昇温脱離分析装置の構成例を示す。図2の例は、赤外線ランプによって試料を加熱するものである。真空チャンバ201の中に搬入された試料202は、昇温手段となる赤外線ランプ203と熱的に連結された熱伝導ロッド204の上に載置される。試料202の温度は、直近に設置された熱電対205によって測定され、この測定された温度の値が熱電対モニタ206から出力される。仮に、熱電対モニタ206が示す温度の値と試料202の温度に差がある場合は、予め、試料202に直付けした熱電対(不図示)が示す温度と、熱電対モニタ206が示す温度の値との差を求めて校正すればよい。ここでは、試料202の温度は、熱電対モニタ206が示す温度の値と等しいものとする。   FIG. 2 shows a configuration example of the temperature programmed desorption analyzer according to the present embodiment. In the example of FIG. 2, the sample is heated by an infrared lamp. The sample 202 carried into the vacuum chamber 201 is placed on a heat conducting rod 204 that is thermally connected to an infrared lamp 203 serving as a temperature raising means. The temperature of the sample 202 is measured by the thermocouple 205 installed most recently, and the value of the measured temperature is output from the thermocouple monitor 206. If there is a difference between the temperature value indicated by the thermocouple monitor 206 and the temperature of the sample 202, the temperature indicated by a thermocouple (not shown) directly attached to the sample 202 and the temperature indicated by the thermocouple monitor 206 are preliminarily determined. What is necessary is just to obtain | require the difference with a value and to calibrate. Here, it is assumed that the temperature of the sample 202 is equal to the temperature value indicated by the thermocouple monitor 206.

制御手段となる温度コントローラ207は、熱電対モニタ206が示す温度の値を取得し、測定者の測定前の設定に従って、指定された時刻に試料202の温度が指定の値となるように、赤外線ランプ203に流す電流値を制御する。熱電対モニタ206が示す温度の値をフィードバックして、試料202の温度を所望の設定温度に制御する方法としては、比例制御(P制御)、積分制御(I制御)、微分制御(D制御)と、これらを統合したPID制御などがあるが、通常は、これらのうちで最も制御しやすいPID制御を採用する。市販の温度コントローラは、通常、PID制御に対応している。   A temperature controller 207 serving as a control unit acquires the temperature value indicated by the thermocouple monitor 206, and in accordance with the setting before measurement by the measurer, the infrared ray is transmitted so that the temperature of the sample 202 becomes a specified value at a specified time. The current value flowing through the lamp 203 is controlled. As a method of feeding back the temperature value indicated by the thermocouple monitor 206 and controlling the temperature of the sample 202 to a desired set temperature, proportional control (P control), integral control (I control), differential control (D control). There is PID control that integrates these, and usually PID control that is most easily controlled is adopted. Commercially available temperature controllers usually support PID control.

ある時刻ごとに試料202から脱離して真空中に放出されるガス成分の一部を、イオン化室208において電子衝撃などのイオン法でイオン化し、イオン化したガス成分を質量分析計209によって、質量/電荷比ごとに分取して、検出器210に導き、イオン化したガス成分の量を検出器210によって電流値として測定する。ないしは、イオン化したガス成分1個1個を検出器210によって電圧パルスとして検出し、この電圧パルスを増幅して計数する。   A part of the gas component desorbed from the sample 202 and released into the vacuum at a certain time is ionized by an ion method such as electron bombardment in the ionization chamber 208, and the ionized gas component is mass / The sample is taken for each charge ratio, guided to the detector 210, and the amount of the ionized gas component is measured as a current value by the detector 210. Alternatively, each ionized gas component is detected as a voltage pulse by the detector 210, and the voltage pulse is amplified and counted.

こうして、検出器210からは、あるガス成分に由来するある質量/電荷比を有するイオンの電流ないしは計数されたパルスが信号として出力される。横軸に時間(開始時刻を0とする経過時間)、縦軸に信号強度をとった図が、本実施の形態で解析されるべき昇温脱離スペクトルの一例となる。計算機213は、昇温脱離スペクトルを、図2の211で示すように表示装置212に表示させることが可能であり、また内部の記憶装置(不図示)に記録したり、外部の記録媒体(不図示)に記録したりすることが可能である。計算機213は、CPU、記憶装置および外部とのインタフェースを備え、CPUは、記憶装置に格納されたプログラムに従って、実験データの記録や昇温脱離スペクトルの解析などの処理を実行する。   Thus, the detector 210 outputs a current or counted pulse of ions having a certain mass / charge ratio derived from a certain gas component as a signal. A diagram in which the horizontal axis represents time (elapsed time when the start time is 0) and the vertical axis represents signal intensity is an example of a temperature programmed desorption spectrum to be analyzed in the present embodiment. The computer 213 can display the temperature-programmed desorption spectrum on the display device 212 as indicated by 211 in FIG. 2, and can record it on an internal storage device (not shown) or an external recording medium ( (Not shown). The computer 213 includes a CPU, a storage device, and an external interface, and the CPU executes processing such as recording of experimental data and analysis of a temperature-programmed desorption spectrum according to a program stored in the storage device.

図1に示した本実施の形態の昇温脱離分析法における昇温曲線101は各時刻における設定温度を表しているのであるから、試料202の温度が設定温度となるようにPID制御することにより、試料202を昇温曲線101に従って加熱することができる。ただし、この昇温曲線101は従来の昇温脱離分析法における昇温曲線100に比べて複雑であるため、市販の温度コントローラは厳密にこの昇温曲線101に従った温度制御を行うことはできない。   Since the temperature rise curve 101 in the temperature programmed desorption analysis method of the present embodiment shown in FIG. 1 represents the set temperature at each time, PID control is performed so that the temperature of the sample 202 becomes the set temperature. Thus, the sample 202 can be heated according to the temperature rise curve 101. However, since the temperature rising curve 101 is more complicated than the temperature rising curve 100 in the conventional temperature rising desorption analysis method, a commercially available temperature controller strictly controls the temperature according to the temperature rising curve 101. Can not.

そこで、本実施の形態の昇温脱離分析法における昇温曲線101を、いくつかの区間に分割して、それぞれの区間で、一次関数的な昇温曲線とすることで、本来の昇温曲線の近似曲線とすることが可能である。図3に、このような昇温制御の概念を示す。図3では、昇温曲線101を6つの区間に分けて、区間ごとに昇温曲線101を近似して、昇温曲線101の近似曲線300〜305を得ている。市販のプログラマブル温度コントローラでは、上記区間の数を数十にまで設定できるものもあり、十分な近似曲線とすることが可能である。   Therefore, the temperature rise curve 101 in the temperature programmed desorption analysis method of the present embodiment is divided into several sections, and each section has a linear function temperature rise curve so that the original temperature rise curve is obtained. It can be an approximate curve of a curve. FIG. 3 shows the concept of such temperature rise control. In FIG. 3, the temperature rising curve 101 is divided into six sections, and the temperature rising curve 101 is approximated for each section to obtain approximate curves 300 to 305 of the temperature rising curve 101. Some commercially available programmable temperature controllers can set the number of the sections to several tens, and can be a sufficient approximate curve.

図4に、昇温脱離スペクトルの一例を示す。図4の400は試料202の加熱で得られた実験データ、401は式(18)で表わされる理論的な昇温脱離スペクトルである理論曲線である。ここでは、鉄鋼の試料202中に電気化学的に添加した水素の昇温脱離スペクトルを実験データとしている。計算機213は、この実験データの昇温脱離スペクトルに式(18)で表わされる理論的な昇温脱離スペクトルである理論曲線を対応させることで、実験データを解析し、活性化エネルギーEaの値として80kJ/molを得る。この例では、活性化エネルギーEaの値は、水素が固体である鉄鋼中にトラップされているエネルギーの大きさに密接に関係する。このように、本実施の形態によれば、固体試料中に存在する成分の存在状態を知ることが容易に可能となる。 FIG. 4 shows an example of a temperature programmed desorption spectrum. In FIG. 4, 400 is experimental data obtained by heating the sample 202, and 401 is a theoretical curve that is a theoretical temperature-programmed desorption spectrum expressed by the equation (18). Here, the temperature-programmed desorption spectrum of hydrogen electrochemically added to the steel sample 202 is used as experimental data. The computer 213 analyzes the experimental data by associating the thermal desorption spectrum of the experimental data with the theoretical curve, which is the theoretical thermal desorption spectrum expressed by Equation (18), and activates the activation energy E a. A value of 80 kJ / mol is obtained. In this example, the value of the activation energy E a is closely related to the magnitude of the energy which hydrogen is trapped in the steel is solid. As described above, according to the present embodiment, it is possible to easily know the existence state of components present in a solid sample.

なお、本発明は、以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、真空中での昇温脱離分析法と昇温脱離分析装置以外の、熱分析法と熱分析装置に適用が可能であるように、本発明の技術的思想内で、当分野における通常の知識を有する者により、多くの変形が可能であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and is applicable to thermal analysis methods and thermal analysis devices other than temperature-programmed desorption analysis method and temperature-programmed desorption analysis device in vacuum. It is obvious that many variations are possible by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention.

本発明は、固体試料を昇温して固体試料中の成分を分析する技術に適用することができる。   The present invention can be applied to a technique in which a solid sample is heated to analyze components in the solid sample.

201…真空チャンバ、202…試料、203…赤外線ランプ、204…熱伝導ロッド、205…熱電対、206…熱電対モニタ、207…温度コントローラ、208…イオン化室、209…質量分析計、210…検出器、211…昇温脱離スペクトル、212…表示装置、213…計算機。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 201 ... Vacuum chamber, 202 ... Sample, 203 ... Infrared lamp, 204 ... Thermal conducting rod, 205 ... Thermocouple, 206 ... Thermocouple monitor, 207 ... Temperature controller, 208 ... Ionization chamber, 209 ... Mass spectrometer, 210 ... Detection 211, temperature-programmed desorption spectrum, 212, display device, 213, calculator.

Claims (6)

固体試料を昇温し、この固体試料の昇温中に固体試料から発生するガスを検出して、ガスの検出結果から固体試料中の成分を分析する昇温脱離分析方法において、
固体試料を昇温する昇温ステップを備え、
昇温中の固体試料の温度を、時間を変数とする第一の関数とし、ある正数を基数とし前記第一の関数の逆数を指数とする第二の関数が時間により積分可能であって、かつ前記第二の関数の原始関数が初等関数となるように、前記第一の関数を与えることを特徴とする昇温脱離分析方法。
In a temperature-programmed desorption analysis method in which a temperature of a solid sample is raised, a gas generated from the solid sample is detected during the temperature rise of the solid sample, and components in the solid sample are analyzed from the gas detection results
A heating step for heating the solid sample;
The temperature of the solid sample being heated is a first function with time as a variable, and a second function with a certain positive number as a radix and the reciprocal of the first function as an index can be integrated over time. And the first function is provided so that the primitive function of the second function is an elementary function.
請求項1記載の昇温脱離分析方法において、
前記第一の関数を、時間の一次式に反比例する関数として与えることを特徴とする昇温脱離分析方法。
The temperature-programmed desorption analysis method according to claim 1,
A temperature-programmed desorption analysis method characterized in that the first function is given as a function inversely proportional to a linear expression of time.
請求項1または2記載の昇温脱離分析方法において、
さらに、固体試料の昇温中に固体試料から発生するガス成分を検出する検出ステップと、
ガス成分の検出結果である昇温脱離スペクトルと昇温脱離スペクトルの理論曲線とのフィッティングを行うことにより、固体試料中の成分の活性化エネルギーの値を求める計算ステップとを備えることを特徴とする昇温脱離分析方法。
The temperature-programmed desorption analysis method according to claim 1 or 2,
Furthermore, a detection step for detecting a gas component generated from the solid sample during the temperature rise of the solid sample;
And a calculation step for obtaining a value of activation energy of a component in a solid sample by fitting a temperature desorption spectrum, which is a gas component detection result, and a theoretical curve of the temperature desorption spectrum. Thermal desorption analysis method.
固体試料を昇温し、この固体試料の昇温中に固体試料から発生するガスを検出して、ガスの検出結果から固体試料中の成分を分析する昇温脱離分析装置において、
固体試料を昇温する昇温手段と、
この昇温手段を制御して固体試料の温度を制御する制御手段とを備え、
昇温中の固体試料の温度を、時間を変数とする第一の関数とし、ある正数を基数とし前記第一の関数の逆数を指数とする第二の関数が時間により積分可能であって、かつ前記第二の関数の原始関数が初等関数となるように、前記第一の関数を与えることを特徴とする昇温脱離分析装置。
In a temperature-programmed desorption analyzer that heats a solid sample, detects gas generated from the solid sample during temperature rise of the solid sample, and analyzes the components in the solid sample from the gas detection result,
A temperature raising means for raising the temperature of the solid sample;
Control means for controlling the temperature of the solid sample by controlling the temperature raising means,
The temperature of the solid sample being heated is a first function with time as a variable, and a second function with a certain positive number as a radix and the reciprocal of the first function as an index can be integrated over time. The temperature-programmed desorption analyzer is characterized in that the first function is given so that the primitive function of the second function is an elementary function.
請求項4記載の昇温脱離分析装置において、
前記第一の関数を、時間の一次式に反比例する関数として与えることを特徴とする昇温脱離分析装置。
The temperature-programmed desorption analyzer according to claim 4,
A temperature-programmed desorption analyzer, wherein the first function is given as a function inversely proportional to a linear expression of time.
請求項4または5記載の昇温脱離分析装置において、
さらに、固体試料の昇温中に固体試料から発生するガス成分を検出する検出手段と、
ガス成分の検出結果である昇温脱離スペクトルと昇温脱離スペクトルの理論曲線とのフィッティングを行うことにより、固体試料中の成分の活性化エネルギーの値を求める計算手段とを備えることを特徴とする昇温脱離分析装置。
The temperature-programmed desorption analyzer according to claim 4 or 5,
Furthermore, detection means for detecting a gas component generated from the solid sample during the temperature rise of the solid sample;
And a calculation means for obtaining a value of activation energy of a component in a solid sample by fitting a temperature desorption spectrum, which is a gas component detection result, and a theoretical curve of the temperature desorption spectrum. Thermal desorption analyzer.
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