水素分布の可視化方法、 水素分布の可視化システム、 水素分布の可 視化用発光試薬、 水素検出方法および水素検出試薬 Hydrogen distribution visualization method, hydrogen distribution visualization system, luminescence reagent for visualizing hydrogen distribution, hydrogen detection method and hydrogen detection reagent
技術分野 Technical field
この発明は、 水素分布の可視化方法、 水素分布の可視化システム、 水素分布の可視化用発光試薬、 水素検出方法および水素検出試薬に関 明 The present invention relates to a method for visualizing hydrogen distribution, a system for visualizing hydrogen distribution, a luminescent reagent for visualizing hydrogen distribution, a method for detecting hydrogen, and a reagent for detecting hydrogen.
し、 特に、 金属その他の材料中の水素分布の可視化に適用して好適な ものである。 In particular, it is suitable for use in visualizing the distribution of hydrogen in metals and other materials.
書 背景技術 Background art
金属中の水素の分布を視覚的に捉えて観察することは、 金属組織と 水素挙動との相関を調べるのに非常に有効な手段である。 そのため、 水素可視化技術の発展は水素脆化機構の解明およびその防止や水素吸 蔵合金の性能向上に大いに貢献すると考えられる。 ここで、 水素脆化 は、 金属中に固溶した水素に起因する脆化であり、 金属中の水素濃度 が極微量でも顕著に現れる。 また、 水素吸蔵合金は、 水素を可逆的に 吸収 ·放出する材料であり、 水素の貯蔵 ·輸送に利用され、 水素エネ ルギ一利用のキーマテリアルである。 Visually observing and observing the distribution of hydrogen in a metal is a very effective means of investigating the correlation between metallographic structure and hydrogen behavior. Therefore, it is thought that the development of hydrogen visualization technology will greatly contribute to elucidation of the mechanism of hydrogen embrittlement, its prevention, and improvement of the performance of hydrogen storage alloys. Here, hydrogen embrittlement is embrittlement caused by hydrogen dissolved in a metal, and appears remarkably even when the concentration of hydrogen in the metal is extremely small. Hydrogen storage alloys are materials that reversibly absorb and release hydrogen, are used for storing and transporting hydrogen, and are key materials that use hydrogen energy.
従来、 金属材料表面での水素分布を観察する方法としては、 大きく 分けて、 水素の放射性同位元素であるトリチウムを用いる方法と水素 の非放射性同位元素を用いる方法とがある。 前者の方法には、 オート ラジオグラフ法とラジオルミノグラフ法とがある。 オートラジオグラ フ法は、 トリチウムを添加した試料に写真乳剤を乗せて、 トリチウム の放射するベータ線の写真黒化作用により トリチウムの分布を観察す
る方法である。 ラジオルミノグラフ法は、 ト リチウムを添加した試料 をィメージングプレ一トに乗せて、 トリチウムの放射するべ一夕線の 強度分布を記録する方法である。 後者の方法には、 銀デコレーション 法と水素マイクロプリント法とがある。 銀デコレーション法は、 シァ ン化銀カリウムの水溶液に水素を添加した試料を漬けると、 銀イオン が試料表面上の水素原子と反応して銀原子として析出するため、 この 銀原子の分布を観察して水素の位置を調べる方法である。 水素マイク 口プリント法は、 試料上に写真乳剤粒子を乗せて、 試料内部から移動 してくる水素により乳剤中の臭化銀 (A g B r ) 粒子を還元して銀粒 子とし、 この銀粒子を観察して水素分布を調べる方法である。 Conventionally, methods of observing hydrogen distribution on the surface of a metal material can be roughly classified into a method using tritium, which is a radioactive isotope of hydrogen, and a method using non-radioactive isotope of hydrogen. The former method includes an autoradiographic method and a radioluminographic method. In the autoradiography method, a photographic emulsion is placed on a sample to which tritium has been added, and the distribution of tritium is observed by the photographic blackening of beta rays emitted by tritium. It is a method. Radioluminography is a method in which a sample to which tritium is added is placed on an imaging plate and the intensity distribution of the tritium emission line is recorded. The latter method includes a silver decoration method and a hydrogen microprinting method. In the silver decoration method, when a sample in which hydrogen is added to an aqueous solution of potassium potassium cyanide is immersed, silver ions react with hydrogen atoms on the sample surface and precipitate as silver atoms, and the distribution of silver atoms is observed. This is a method to determine the position of hydrogen. In the hydrogen microphone print method, photographic emulsion grains are placed on a sample, and silver bromide (AgBr) particles in the emulsion are reduced by hydrogen moving from inside the sample into silver particles. This is a method of observing particles and examining the hydrogen distribution.
しかしながら、 上記のオートラジオグラフ法は定量分析が困難であ り、 ラジオルミノグラフ法は分解能が悪く、 銀デコレーショ ン法や水 素マイクロプリント法は、 いずれも水素の放出挙動の定量的な分析や リアルタイムでの観察といったことが不可能であるという問題があり いずれも一長一短であった。 However, the above-described autoradiographic method is difficult to perform quantitative analysis, the radioluminographic method has poor resolution, and the silver decoration method and the hydrogen microprint method are both quantitative analyzes of hydrogen release behavior. There was a problem that it was impossible to perform real-time observation, and both were pros and cons.
そこで、 この発明が解決しょうとする課題は、 金属を始めとする各 種の材料中の水素分布を容易に可視化することができ、 水素の定量分 析ゃ水素分布のリアルタイム観察を高い分解能で行うことが可能な水 素分布の可視化方法およびシステムならびにそれらに用いる発光試薬 を提供することにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is that hydrogen distribution in various materials including metals can be easily visualized, and quantitative analysis of hydrogen リ ア ル タ イ ム real-time observation of hydrogen distribution with high resolution It is an object of the present invention to provide a method and system for visualizing hydrogen distribution and a luminescent reagent used for them.
この発明が解決しょうとする他の課題は、 より一般的には、 金属を 始めとする各種の材料中の水素分布を容易に可視化することができ、 水素の定量分析や水素分布のリアルタイム観察を高い分解能で行うこ とが可能な水素検出方法および試薬を提供することにある。 発明の開示
本発明者らは、 上記課題を解決するために鋭意検討を行つた結果、 化学反応により励起されて励起状態になつた分子が基底状態に戻る際 に光を放つ現象である化学発光 (ケミルミネッセンス (chemi lumines cence) ) により、 水素を検出することができることを見出した。 より 具体的には、 ルシゲニン (luc igenin) ( N , N—ジメチルー 9 , 9 一 ジァクリジニゥム硝酸塩) Another problem to be solved by the present invention is that, more generally, the distribution of hydrogen in various materials such as metals can be easily visualized, and quantitative analysis of hydrogen and real-time observation of hydrogen distribution can be performed. An object of the present invention is to provide a method and a reagent for detecting hydrogen that can be performed at a high resolution. Disclosure of the invention The present inventors have conducted intensive studies in order to solve the above-mentioned problems, and as a result, chemiluminescence (chemiluminescence), which is a phenomenon in which a molecule that is excited by a chemical reaction and enters an excited state emits light when returning to a ground state. (Chemi lumines cence)), it was found that hydrogen can be detected. More specifically, lucigenin (N, N-dimethyl 9,9-diclidinium nitrate)
を発光試薬として用いたところ、 このルシゲニンが水素により発光す ることを見出した。 この化学発光を用いることにより、 金属などの材 料中の水素分布を容易に可視化することができる。 また、 この発光の 位置および強度を C C Dカメラなどを用いて計測することにより、 リ アルタイム計測およびリモートコントロールによる遠隔測定が可能と なる。 When lucigen was used as a luminescent reagent, it was found that this lucigenin emitted light due to hydrogen. By using this chemiluminescence, the distribution of hydrogen in a material such as a metal can be easily visualized. Also, by measuring the position and intensity of this light emission using a CCD camera or the like, real-time measurement and remote measurement by remote control are possible.
なお、 林太郎:光化学とその応用、 管孝男、 小泉正男、 田中郁三編 集、 化学同人、 (1965) pp. 127-128には、 ルシゲニンの化学発光機構に 関する記述があるが、 発光機構には不明確なところが多く、 水素との 反応により化学発光が引き起こされることに関する言及もない。 Taro Hayashi: Photochemistry and its applications, Takao Kan, Masao Koizumi, Ikuzo Tanaka, edited by Kagaku Doujin, (1965) pp. 127-128, describes the chemiluminescence mechanism of lucigenin. There are many unclear points, and there is no mention that chemiluminescence is caused by reaction with hydrogen.
この発明は、 上記の検討に基づいて案出されたものである。 The present invention has been devised based on the above study.
すなわち、 上記課題を解決するために、 第 1の発明は、
化学発光を用いて材料中の水素分布を可視化することを特徴とする 水素分布の可視化方法である。 That is, to solve the above problems, the first invention is: This is a method for visualizing hydrogen distribution, characterized by visualizing hydrogen distribution in a material using chemiluminescence.
水素分布の可視化は、 典型的には、 化学発光を光検出装置を用いて 検出することにより発光の位置および強度の分布を得ることにより行 われる。 光検出装置としては、 例えば、 C C Dカメラ、 シンチレーシ ョン検出器、 フォ トダイオードアレー、 光電子増倍管などの各種のも のを用いることができ、 化学発光の強度、 必要な測定精度、 測定環境 などに応じて最適なものを用いる。 光検出装置として C C Dカメラを 用いる場合には、 化学発光をこの C C Dカメラを用いて撮像すること により発光の位置および強度の分布として水素分布を可視化すること ができる。 Visualization of the hydrogen distribution is typically performed by obtaining the distribution of the position and intensity of the luminescence by detecting the chemiluminescence using a photodetector. As the light detection device, for example, various types of devices such as a CCD camera, a scintillation detector, a photodiode array, and a photomultiplier tube can be used. Use the best one according to the situation. When a CCD camera is used as the light detection device, the hydrogen distribution can be visualized as a distribution of the position and intensity of the light emission by imaging the chemiluminescence using the CCD camera.
水素分布の可視化は、 水素分布を可視化しようとする材料に発光試 薬を接触させることにより行う。 このとき、 材料中の水素の分布状況 に応じて化学発光が引き起こされる。 水素分布を可視化しようとする 材料に対する発光試薬の接触は、 具体的には、 発光試薬を含有する溶 液またはこの溶液を含浸させたゲルをこの材料に接触させることによ り行 。 Visualization of the hydrogen distribution is performed by bringing a luminescent reagent into contact with the material whose hydrogen distribution is to be visualized. At this time, chemiluminescence is caused according to the distribution of hydrogen in the material. Specifically, the contact of the luminescent reagent with the material whose hydrogen distribution is to be visualized is performed by bringing a solution containing the luminescent reagent or a gel impregnated with the solution into contact with the material.
発光試薬を含有する溶液を調製した後には、 この溶液自体の発光が 生じることがあるため、 このバックグラウンド発光を抑えて化学試薬 と水素との反応による化学発光との区別を明瞭に行う観点より、 この 発光試薬を含有する溶液からの発光強度がピークを過ぎてから、 水素 分布を可視化しようとする材料にこの溶液を接触させ、 この溶液中の 化学試薬をその材料に接触させる。 発光試薬としては例えばルシゲ二 ンが用いられ、 このルシゲニンを含有する溶液の溶媒としては、 好適 には、 例えば N a O Hや K O Hなどのアルカリの水溶液が用いられる。 水素分布を可視化しようとする材料は、 基本的にはどのようなもの
であってもよいが、 具体例を挙げると、 例えば、 水素脆化のおそれが ある鉄鋼材料などの各種の金属または合金のほか、 水素吸蔵合金、 さ らには燃料電池用のセパレー夕などである。 After the solution containing the luminescent reagent is prepared, the luminescence of the solution itself may occur. Therefore, from the viewpoint of suppressing this background luminescence and clearly distinguishing the luminescence by the reaction between the chemical reagent and hydrogen. After the luminescence intensity from the solution containing the luminescent reagent has passed its peak, the solution is brought into contact with the material whose hydrogen distribution is to be visualized, and the chemical reagent in the solution is brought into contact with the material. As a luminescent reagent, for example, lucigenin is used. As a solvent for the solution containing lucigenin, preferably, for example, an aqueous solution of an alkali such as NaOH or KOH is used. What kind of material is used to visualize the hydrogen distribution Specific examples include various metals or alloys such as steel materials that may cause hydrogen embrittlement, hydrogen storage alloys, and separators for fuel cells. is there.
第 2の発明は、 The second invention is
化学発光を用いて材料中の水素分布を可視化することを特徴とする 水素分布の可視化システムである。 This is a hydrogen distribution visualization system characterized by visualizing the hydrogen distribution in a material using chemiluminescence.
この水素分布の可視化システムは、 典型的には、 発光試薬を含有す る接触体と光検出装置とを有し、 接触体の発光試薬を、 水素分布を可 視化しようとする材料に接触させたときに引き起こされる化学発光を 光検出装置を用いて検出する。 そして、 化学発光を光検出装置を用い て検出することにより、 発光の位置および強度の分布として水素分布 を可視化する。 接触体と光検出装置とは一体的に配置してもよいし、 離して配置してもよい。 接触体は、 典型的には、 発光試薬を含有する 溶液あるいは発光試薬を含浸させたゲルを有する。 これらの溶液また はゲルは通常、 透明な容器あるいは光取り出し部が透明で他の部分が 不透明 (黒色) な容器内に収容され、 その状態で水素分布を可視化し ようとする材料に取り付けられる。 The hydrogen distribution visualization system typically includes a contact body containing a luminescent reagent and a photodetector, and the luminescent reagent of the contact body is brought into contact with a material whose hydrogen distribution is to be visualized. The chemiluminescence caused by the light is detected using a photodetector. Then, by detecting the chemiluminescence using a photodetector, the hydrogen distribution is visualized as the distribution of the position and intensity of the luminescence. The contact body and the photodetector may be disposed integrally or may be disposed separately. The contact body typically has a solution containing a luminescent reagent or a gel impregnated with the luminescent reagent. These solutions or gels are usually housed in a transparent container or a container with a transparent light extraction area and an opaque (black) other part, and are then attached to a material whose hydrogen distribution is to be visualized.
第 2の発明においては、 その性質に反しない限り、 第 1の発明に関 連して述べたことが成立する。 In the second invention, what has been said in relation to the first invention holds unless the nature of the second invention is violated.
第 3の発明は、 The third invention is
ルシゲニンからなる水素分布の可視化用発光試薬である。 This is a luminescent reagent for visualizing hydrogen distribution composed of lucigenin.
第 4の発明は、 The fourth invention is
ルシゲニンと水素との反応による化学発光を用いることを特徴とす る水素検出方法である。 This is a hydrogen detection method characterized by using chemiluminescence by a reaction between lucigenin and hydrogen.
第 5の発明は、 The fifth invention is
ルシゲニンからなる水素検出試薬である。
第 3〜第 5の発明においては、 その性質に反しない限り、 第 1の発 明に関連して述べたことが成立する。 It is a hydrogen detection reagent consisting of lucigenin. In the third to fifth inventions, the statements made in relation to the first invention hold as long as they do not contradict their properties.
上述のように構成されたこの発明においては、 化学試薬と水素との 反応による化学発光を光検出装置を用いて検出することにより、 金属 などの材料中の水素分布を容易に可視化することができる。 また、 発 光強度の測定により水素の定量分析を容易に行うことができる。 また、 この発光の位置および強度を C C Dカメラなどを用いて計測するこど により、 水素分布の経時変化をリアルタイムで観察することができ、 リモートコントロールによる遠隔測定を行うこともできる。 図面の簡単な説明 In the present invention configured as described above, the distribution of hydrogen in a material such as a metal can be easily visualized by detecting chemiluminescence caused by a reaction between a chemical reagent and hydrogen using a photodetector. . In addition, the quantitative analysis of hydrogen can be easily performed by measuring the emission intensity. By measuring the position and intensity of this light emission using a CCD camera or the like, it is possible to observe changes in the hydrogen distribution over time in real time, and it is also possible to perform remote measurement by remote control. Brief Description of Drawings
第 1図は、 この発明の第 1の実施形態による水素分布可視化システ ムを示す略線図、 第 2図は、 この発明の第 1の実施形態による水素分 布可視化システムにおいて用いるルシゲニン溶液の発光強度の経時変 化を示す略線図、 第 3図 A、 第 3図 B、 第 4図、 第 5図 A、 第 5図 B、 第 6図 Aおよび第 6図 Bは、 この発明の第 1の実施形態による水素分 布可視化システムによる化学発光の測定結果を示す写真、 第 7図は、 この発明の第 2の実施形態による水素分布可視化システムを示す略線 図、 第 8図は、 C C Dカメラを用いて金属中のトリチウム分布を可視 化する方法を説明するための略線図、 第 9図は、 C C Dカメラを用い て金属中のトリチウム分布を可視化した例を示す写真、 第 1 0図は、 ラジオルミノグラフ法により金属中のトリチウム分布を可視化した例 を示す写真である。 発明を実施するための最良の形態 FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a hydrogen distribution visualization system according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a luminescence of a lucigenin solution used in the hydrogen distribution visualization system according to the first embodiment of the present invention. The schematic diagram showing the time-dependent change in strength, FIG. 3A, FIG. 3B, FIG. 4, FIG. 5A, FIG. 5B, FIG. 6A and FIG. FIG. 7 is a photograph showing measurement results of chemiluminescence by the hydrogen distribution visualization system according to the first embodiment; FIG. 7 is a schematic diagram showing the hydrogen distribution visualization system according to the second embodiment of the present invention; FIG. FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a method for visualizing the distribution of tritium in metal using a camera. FIG. 9 is a photograph showing an example of visualizing the distribution of tritium in metal using a CCD camera. Calculates the distribution of tritium in metals by radioluminography. Is a photograph showing an example in which the deer. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
以下、 この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
第 1図はこの発明の第 1の実施形態による水素分布可視化システム を示す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a hydrogen distribution visualization system according to a first embodiment of the present invention.
第 1図に示すように、 この水素分布可視化システムにおいては、 容 器 1 1内に、 水素を含有する試料 1 2が入れられており、 この試料 1 2の最表面よりも上の深さまで、 発光試薬を含有する溶液 1 3が入れ られている。 容器 1 1の上方には C C Dカメラ 1 4が設置され、 この C C Dカメラ 1 4により容器 1 1 を撮像することができるようになつ ている。 この C C Dカメラ 1 4 としては、 光子 1つ 1つを検出するこ とができる超高感度のものが用いられる。 この C C Dカメラ 1 4の出 力は、 図示省略したィメージインテンシフアイャ ' コントローラおよ びイメージプロセッサに送られ、 R G Bカラーモニターに映像を表示 することができるとともに、 コンピュータにより所定の演算処理を行 うことができるようになつている。 As shown in FIG. 1, in this hydrogen distribution visualization system, a sample 12 containing hydrogen is placed in a container 11, and the hydrogen is supplied to a depth above the outermost surface of the sample 12. Solution 13 containing a luminescent reagent is contained. A CCD camera 14 is provided above the container 11, and the CCD camera 14 can capture an image of the container 11. As the CCD camera 14, an ultra-high-sensitivity camera capable of detecting each photon is used. The output of the CCD camera 14 is sent to an image intensity controller (not shown) and an image processor, which can display an image on an RGB color monitor and perform predetermined arithmetic processing by a computer. Can be used.
次に、 この水素分布可視化システムの使用方法について説明する。 まず、 容器 1 1内に、 あらかじめ調製された、 発光試薬を含有する 溶液 1 3を入れた後、 この溶液 1 3の発光強度がピークを過ぎるまで、 好適には例えばピーク強度の 1 / 2以下の発光強度になるまで放置し ておく。 これによつて、 溶液 1 3自体の発光によるバックグラウンド 発光を低く抑えることができる。 次に、 この溶液 1 3内に、 水素を含 有する試料 1 を浸漬する。 溶液 1 3は試料 1 2の最表面が完全に覆 われる深さまで入れておく。 こう して溶液 1 3が試料 1 2の表面に接 触するが、 このとき、 溶液 1 3中の発光試薬と試料 1 2の表面の水素 とが反応して化学発光が引き起こされる。 この化学発光は、 C C D力 メラ 1 4によりフオ トンカウンティング (photon count i ng)撮像され る。 ここで、 フォ トンカウンティング撮像とは、 光子 1つ 1つを検出 し、 一定時間積算することにより映像を作り出す撮像方式である。 こ
う して撮像された発光の位置および強度を示す映像は、 RGBカラ一 モニターに表示される。 Next, how to use this hydrogen distribution visualization system will be described. First, after a solution 13 containing a luminescent reagent prepared in advance is placed in the container 11, the luminescence intensity of the solution 13 passes through a peak, preferably, for example, 以下 or less of the peak intensity. Leave until the light emission intensity reaches. As a result, background luminescence due to luminescence of the solution 13 itself can be suppressed. Next, the sample 1 containing hydrogen is immersed in the solution 13. Solution 13 should be filled to a depth that completely covers the outermost surface of sample 12. Thus, the solution 13 comes into contact with the surface of the sample 12, and at this time, the luminescent reagent in the solution 13 reacts with hydrogen on the surface of the sample 12 to cause chemiluminescence. This chemiluminescence is imaged by photon count by a CCD camera 14. Here, photon-counting imaging is an imaging method in which an image is created by detecting each photon and accumulating it for a certain period of time. This The image showing the position and intensity of light emission thus captured is displayed on an RGB color monitor.
実施例について説明する。 An example will be described.
実施例 1 Example 1
発光試薬としてルシゲニンを用いた。 ルシゲニン溶液は N a OH水 溶液にルシゲニンを溶解させて作製した。 その際の N a OHの濃度は 1 0 m 0 1 /m3 、 2 0 m o 1 /m3 、 5 0 m o 1 /m3 . 1 0 0m o 1 /m3 とし、 ルシゲニンの濃度は 0. 1 mo 1 /m3 とした。 Lucigenin was used as a luminescent reagent. The lucigenin solution was prepared by dissolving lucigenin in an aqueous NaOH solution. The concentration of NaOH at that time was 10 m 0 1 / m 3 , 20 mo 1 / m 3 , 50 mo 1 / m 3 .100 m 0 / m 3, and the concentration of lucigenin was 0. It was 1 mo 1 / m 3.
N a OHの濃度を 1 0 0 mo 1 /m3 、 ルシゲニンの濃度を 0. 1 mo l /m3 としたルシゲニン溶液の発光強度の経時変化を第 2図に 示す。 ルシゲニンは、 アルカリ溶液に溶解させただけで微かな発光を 示すが、 第 2図に示すように、 発光強度は 1 4時間付近で最大となり、 その後減衰する。 発光強度がピークを過ぎて、 溶液自体の発光が抑え られてきた状態でのルシゲニン溶液を用いて測定すると、 バックグラ ゥンド発光と水素による化学発光との区別が明瞭になる。 例えば、 ル シゲニン溶液を作製してから約 3 0時間以上経過すると、 バックグラ ゥンド発光の強度はピーク強度の 1 / 2以下に減衰する。 FIG. 2 shows the time-dependent changes in the luminescence intensity of the lucigenin solution in which the concentration of NaOH was 100 mol / m 3 and the concentration of lucigenin was 0.1 mol / m 3 . Lucigenin emits faint light only when dissolved in an alkaline solution, but as shown in Fig. 2, the luminescence intensity reaches a maximum around 14 hours, and then decays. When measurement is performed using a lucigenin solution in which the luminescence intensity has passed its peak and the luminescence of the solution itself has been suppressed, the distinction between background luminescence and chemiluminescence due to hydrogen becomes clear. For example, when about 30 hours or more have passed since the preparation of the lucigenin solution, the intensity of the background luminescence attenuated to 1/2 or less of the peak intensity.
一方、 試料 1 2として、 5 X 5 X 0. 3 mm3 に切り出した P d片 を用い、 これに電気化学的陰極チャージ法 (電解液 l kmo 1 /m3 N a OH a q. 、 電流密度 2 0 0 A/m2 ) により 2時間水素を添加 した。 そして、 この水素を添加した P d片を、 作製後 3 6時間経過し たルシゲニン溶液 ( 1 0 0mo l /m3 Na〇H、 0. l mo l /m3 ルシゲニン) に浸漬し、 暗所で C C Dカメラ (浜松フォ ト二クス社製 C 24 0 0 - 3 5 ) を用いてフオ トンカウンティング撮像を行った。 その結果を第 3図 Aおよび第 3図 Bに示す。 第 3図 Aはフオ トンカウ ンティング撮像を行う前の瞬間静止画像、 第 3図 Bは測定されたフォ
トンカウンティング像 (光子積算像) である。 第 3図 B中の 1〜 5で 示される位置における平均強度 (カウント数/画素) はそれぞれ 6 8On the other hand, as the sample 1 2, 5 X 5 X 0. 3 using P d piece cut out in mm 3, this electrochemical cathodic charging method (electrolyte l kmo 1 / m 3 N a OH a q., Current Hydrogen was added at a density of 200 A / m 2 ) for 2 hours. Then, this hydrogen-added Pd piece was immersed in a lucigenin solution (100 mol / m 3 Na〇H, 0.1 mol / m 3 lucigenin) 36 hours after the preparation, and was placed in a dark place. Then, photon-counting imaging was performed using a CCD camera (C2400-35, manufactured by Hamamatsu Photonics). The results are shown in FIGS. 3A and 3B. Fig. 3A shows an instantaneous still image before photo counting, and Fig. 3B shows the measured photo. It is a ton counting image (photon integrated image). The average intensity (count / pixel) at the positions indicated by 1 to 5 in Fig. 3B is 6 8
3. 0、 1 5 8. 5、 3 5. 9、 4 2. 6、 3 1. 5である。 第 3図 Aおよび第 3図 B中、 右側の試料は水素を添加した P d片、 左側の試 料は水素無添加の P d片である。 第 3図 Bから分かるように、 水素を 添加した P d片は明るく観察され、 発光しているのがよく分かるのに 対し、 水素無添加の P d片はほとんど発光が観察されない。 水素を添 加した P d片だけが発光することから、 この発光はルシゲニン溶液と 水素との反応による化学発光であることが分かる。 3.0, 158.5, 35.9, 42.6, 31.5. In Figs. 3A and 3B, the sample on the right is a Pd piece with hydrogen added, and the sample on the left is a Pd piece without hydrogen. As can be seen from FIG. 3B, the Pd pieces to which hydrogen was added were observed brightly and emitted light, whereas the Pd pieces without hydrogen were hardly observed to emit light. Since only the Pd fragment to which hydrogen was added emits light, it can be seen that this emission is chemiluminescence due to the reaction between the lucigenin solution and hydrogen.
実施例 1 Example 1
発光試薬としてルシゲニンを用いた。 ルシゲニン溶液は N a〇H水 溶液にルシゲニンを溶解させて作製した。 その際の N a OHの濃度は 1 km 0 1 /m3 とし、 ルシゲニンの濃度は 0. 1 m o 1 /m3 とし た。 Lucigenin was used as a luminescent reagent. The lucigenin solution was prepared by dissolving lucigenin in a Na〇H aqueous solution. At that time, the concentration of NaOH was set to 1 km 01 / m 3 and the concentration of lucigenin was set to 0.1 mo 1 / m 3 .
試料 1 2として、 5 X 5 X 0 . 3 mm3 に切り出した P d片を用い、 これに電気化学的陰極チャージ法 (電解液 1 kmo 1 /m3 N a OH a q. 、 電流密度 2 0 0 A/m2 ) により 2時間水素を添加した。 そ して、 この水素を添加した P d片を、 作製後 3 6時間経過したルシゲ ニン溶液 ( 1 km 0 1 /m3 N a 0 H、 0. 1 m o 1 /m3 ルシゲ二 ン) に浸漬し、 暗所で C C Dカメラ (浜松フォ トニクス社製 C 2 4 0 0— 3 5 ) を用いてフオ トンカウンティング撮像を行つた。 測定され たフオ トンカウンティング像を第 4図に示す。 第 4図に示すように、 P d片を縁取るように発光が起きていることが分かる。 As Sample 1 2, 5 X 5 X 0 . 3 with P d piece cut out in mm 3, this electrochemical cathodic charging method (electrolyte 1 kmo 1 / m 3 N a OH a q., The current density 2 At 0 A / m 2 ) for 2 hours. Its to the P d pieces with added hydrogen, Rushige Nin solution after three 6 hours after fabrication (1 km 0 1 / m 3 N a 0 H, 0. 1 mo 1 / m 3 Rushige two down) to The sample was immersed, and photon-counting imaging was performed in a dark place using a CCD camera (C2400-35 manufactured by Hamamatsu Photonics). Fig. 4 shows the measured photon counting images. As shown in FIG. 4, it can be seen that light emission occurs so as to border the Pd piece.
実施例 3 Example 3
発光試薬としてルシゲニンを用いた。 ルシゲニン溶液は N a OH水 溶液にルシゲニンを溶解させて作製した。 その際の N a OHの濃度は
1 kmo 1 /m3 とし、 ルシゲニンの濃度は 0. 1 mo 1 /m3 とし た。 Lucigenin was used as a luminescent reagent. The lucigenin solution was prepared by dissolving lucigenin in an aqueous NaOH solution. The concentration of NaOH at that time is 1 kmo 1 / m 3 and the concentration of lucigenin was 0.1 mo 1 / m 3 .
試料 1 2として、 5 X 5 X 0. 3 mm3 に切り出した F e片を用い、 これに電気化学的陰極チャージ法 (電解液 1 kmo 1 /m3 N a OH a q. 、 電流密度 2 0 0 A/mz ) により 2時間水素を添加した。 そ して、 この水素を添加した F e片を、 作製後 3 6時間経過したルシゲ ニン溶液 ( 1 km 0 1 /m3 N a〇 H、 0. 1 m o 1 /m3 ルシゲ二 ン) に浸漬し、 暗所で C C Dカメラ (浜松フォ トニクス社製 C 2 4 0 0 - 3 5 ) を用いてフォ トンカウンティング撮像を行った。 測定され たフオ トンカウンティング像を第 5図 Aおよび第 5図 Bに示す。 第 5 図 Aの試料は水素無添加の F e片、 第 5図 Bの試料は水素を添加した F e片である。 第 5図 Aのフオ トンカウンティング像の平均強度は 6. 1 4 5、 第 5図 Bのフオ トンカウンティング像の平均強度は 1 0. 9 8 5である。 第 5図 Bから分かるように、 水素を添加した F e片は明 るく観察され、 発光しているのがよく分かるのに対し、 水素無添加の F e片はほとんど発光が観察されない。 また、 第 5図 Bより、 F e片 の表面がほぼ均一に発光していることが分かる。 これは、 第 4図に示 すように、 P d片では縁取るように発光が起きているのと異なり、 両 者で水素の侵入の仕方が異なることを反映した結果であると考えられ る。 水素を添加した F e片だけが発光することから、 この発光はルシ ゲニン溶液と水素との反応による化学発光であることが分かる。 As a sample 12, a 5 x 5 x 0.3 mm 3 piece of Fe cut out was used, and this was subjected to an electrochemical cathodic charge method (electrolyte 1 kmo 1 / m 3 NaOH aq., Current density 2 (0 A / m z ) for 2 hours. Then, this hydrogen-added Fe piece was placed in a lucigenin solution (1 km 01 / m 3 Na〇H, 0.1 mo 1 / m 3 lucigen) 36 hours after preparation. After immersion, photon counting imaging was performed in a dark place using a CCD camera (C2400-35, manufactured by Hamamatsu Photonics). The measured photon counting images are shown in Figs. 5A and 5B. The sample in Fig. 5A is a piece of Fe without hydrogen, and the sample in Fig. 5B is a piece of Fe with hydrogen added. The average intensity of the photo-counting image in Fig. 5A is 6.145, and the average intensity of the photo-counting image in Fig. 5B is 10.985. As can be seen from FIG. 5B, the F-piece with hydrogen added is brightly observed and emits light, while the F-piece without hydrogen is hardly observed to emit light. From FIG. 5B, it can be seen that the surface of the F e piece emits light almost uniformly. This is considered to be the result of the difference in the way hydrogen invades between the Pd piece and the Pd piece, as shown in Fig. . Since only the Fe fragment to which hydrogen was added emits light, it can be seen that this emission is chemiluminescence due to the reaction between the lucigenin solution and hydrogen.
実施例 4 Example 4
発光試薬としてルシゲニンを用いた。 ルシゲニン溶液は N a OH水 溶液にルシゲニンを溶解させて作製した。 その際の N a OHの濃度は 1 kmo 1 /m3 とし、 ルシゲニンの濃度は 0. l mo l /m3 とし た。
試料 1 2として、 5 X 5 X 0 . 3 mm3 に切り出した N i片を用い、 これに電気化学的陰極チャージ法 (電解液 1 kmo 1 /m3 N a OH a q. 、 電流密度 2 0 0 A/m2 ) により 2 4時間水素を添加した。 そして、 この水素を添加した N i片を、 作製後 3 6時間経過したルシ ゲニン溶液 ( 1 kmo 1 /m3 N a OH、 0. l mo l /m3 ルシゲ ニン) に浸漬し、 暗所で C C Dカメラ (浜松フォ トニクス社製 C 24 0 0 - 3 5 ) を用いてフオ トンカウンティング撮像を行った。 測定さ れたフォ トンカウンティング像を第 6図 Aおよび第 6図 Bに示す。 第 6図 Aの試料は水素無添加の N i片、 第 6図 Bの試料は水素を添加し た N i片である。 第 6図 Aのフオ トンカウンティング像の平均強度は 1 4. 6 6 5、 第 6図 Bのフオ トンカウンティング像の平均強度は 2 0. 6 9 5である。 第 6図 Bから分かるように、 水素を添加した N i 片は明るく観察され、 発光しているのがよく分かるのに対し、 水素無 添加の N i片はほとんど発光が観察されない。 また、 第 6図 Bより、 N i片の表面がほぼ均一に発光していることが分かる。 これは、 第.4 図に示すように、 P d片では縁取るように発光が起きているのと異な り、 両者で水素の侵入の仕方が異なることを反映した結果であると考 えられる。 水素を添加した N i片だけが発光することから、 この発光 はルシゲニン溶液と水素との反応による化学発光であることが分かる。 以上のように、 この第 1の実施形態によれば、 発光試薬と水素との 反応による化学発光の位置および強度を CCDカメラ 1 4によるフォ トンカウンティング撮像により映像化することができ、 それによつて 試料 1 2中の水素分布を容易に可視化することができるとともに、 水 素の定量分析を容易に行うこともできる。 また、 CCDカメラ 1 4に よるフォ トンカウンティング撮像を継続的に行うことにより、 水素分 布の経時変化をリアルタイムで観察することもできる。
この第 1の実施形態による水素分布の可視化方法は、 試料 1 2から の水素の放出挙動や水素脆化機構の解明や水素吸蔵合金の性能向上な どに大いに貢献するものである。 Lucigenin was used as a luminescent reagent. The lucigenin solution was prepared by dissolving lucigenin in an aqueous NaOH solution. The concentration of N a OH at that time is set to 1 kmo 1 / m 3, the concentration of lucigenin was 0. l mo l / m 3. As a sample 12, a piece of Ni cut out to 5 × 5 × 0.3 mm 3 was used, and the sample was subjected to an electrochemical cathodic charge method (electrolyte 1 kmo 1 / m 3 NaOH aq., Current density 2 At 0 A / m 2 ), hydrogen was added for 24 hours. Then, the hydrogen-added Ni pieces were immersed in a lucigenin solution (1 kmo 1 / m 3 NaOH, 0.1 mol / m 3 lucigenin) 36 hours after the preparation, and were placed in a dark place. Photon-counting imaging was performed using a CCD camera (C2400-35, manufactured by Hamamatsu Photonics). The measured photon counting images are shown in Fig. 6A and Fig. 6B. The sample in Fig. 6A is a piece of Ni without hydrogen, and the sample in Fig. 6B is a piece of Ni with hydrogen added. The average intensity of the photon counting image in Fig. 6A is 14.6.65, and the average intensity of the photon counting image in Fig. 6B is 20.695. As can be seen from FIG. 6B, the Ni-added hydrogen pieces are brightly observed and emit light, whereas the Ni-added pieces without hydrogen hardly emit light. FIG. 6B shows that the surface of the Ni piece emits light almost uniformly. This is thought to be a result of the difference in the way that Pd fragments emit light, as shown in Fig. 4. . Since only the Ni pieces to which hydrogen was added emit light, it can be seen that this emission is chemiluminescence due to the reaction between the lucigenin solution and hydrogen. As described above, according to the first embodiment, the position and intensity of chemiluminescence caused by the reaction between the luminescent reagent and hydrogen can be visualized by photon-counting imaging using the CCD camera 14, The hydrogen distribution in the sample 12 can be easily visualized, and quantitative analysis of hydrogen can be easily performed. In addition, continuous photon-counting imaging by the CCD camera 14 enables real-time observation of changes over time in the hydrogen distribution. The method for visualizing the hydrogen distribution according to the first embodiment greatly contributes to elucidation of the hydrogen release behavior and hydrogen embrittlement mechanism from the sample 12 and improvement of the performance of the hydrogen storage alloy.
次に、 この発明の第 2の実施形態による水素分布可視化システムに ついて説明する。 Next, a hydrogen distribution visualization system according to a second embodiment of the present invention will be described.
第 7図に示すように、 この水素分布可視化システムにおいては、 水 素脆化が起きやすい鉄鋼材料からなる高温配管 1 5の外壁に容器 1 6 が、 その開放端が外壁と接触するように取り付けられ、 この容器 1 6 内に発光試薬を含有する溶液 1 3が入れられていて外壁と接触してい る。 高温配管 1 5の外壁と容器 1 6 との間は図示省略したシール材で シールされており、 溶液 1 3が外部に洩れないようになつている。 容 器 1 6は透明材料により作られているか、 あるいは少なく とも光取り 出し部が透明材料により作られ、 他の部分が不透明材料により作られ ており、 この容器 1 6内に入れられた溶液 1 3中の発光試薬と高温配 管 1 5から放出される水素との反応による化学発光が、 この容器 1 6 の壁を通って外部に出てくるようになっている。 容器 1 6は、 高温配 管 1 5の熱により加熱されて発光試薬を含有する溶液 1 3が蒸発した り、 発光試薬が失活したりするのを防止するために、 図示省略した冷 却装置により支障が生じない温度に冷却することができるようになつ ている。 この冷却装置としては、 冷媒を用いたものやペルティエ効果 を利用した電子冷却装置などを用いることができる。 容器 1 6の外部 には C C Dカメラ 1 4が設置されており、 この C C Dカメラ 1 4によ り、 容器 1 6の壁を通って外部に出てくる化学発光を、 フォ トンカウ ンティング撮像することができるようになつている。 As shown in Fig. 7, in this hydrogen distribution visualization system, a vessel 16 is attached to the outer wall of a high-temperature pipe 15 made of steel material, which is prone to hydrogen embrittlement, so that its open end contacts the outer wall. The solution 13 containing the luminescent reagent is placed in the container 16 and is in contact with the outer wall. The space between the outer wall of the high-temperature pipe 15 and the vessel 16 is sealed with a sealing material (not shown) to prevent the solution 13 from leaking outside. The container 16 is made of a transparent material, or at least the light extraction part is made of a transparent material, and the other part is made of an opaque material. Chemiluminescence resulting from the reaction between the luminescent reagent in 3 and the hydrogen released from the high-temperature tube 15 is emitted to the outside through the wall of the container 16. The container 16 is heated by the heat of the high-temperature pipe 15 to prevent the solution 13 containing the luminescent reagent from evaporating or deactivating the luminescent reagent. As a result, cooling can be performed to a temperature at which no problem occurs. As the cooling device, a device using a refrigerant, an electronic cooling device using the Peltier effect, or the like can be used. A CCD camera 14 is installed outside the container 16, and the CCD camera 14 can take a photon-counting image of the chemiluminescence that comes out through the wall of the container 16. You can do it.
上記以外のことは第 1の実施形態と同様である。 Except for the above, the third embodiment is the same as the first embodiment.
この第 2の実施形態によれば、 例えば原子力発電所などにおいて高
温配管 1 5の水素脆化を早期に検出することは安全性の確保の観点か ら極めて重要であるところ、 C C Dカメラ 1 4により、 容器 1 6の壁 を通って外部に出てくる化学発光をフォ トンカウンティング撮像する ことができるため、 高温配管 1 5の水素脆化の進行を常時モニターす ることができ、 水素脆化が危険なレベルに達した時点で原子力発電所 の運転を停止するなどの措置を取ることができ、 安全性の向上を図る ことができる。 According to the second embodiment, for example, in a nuclear power plant, Early detection of hydrogen embrittlement in the hot piping 15 is extremely important from the viewpoint of safety, but the CCD camera 14 uses a CCD camera 14 to emit chemiluminescence through the wall of the vessel 16. Photon counting can be used to monitor the progress of hydrogen embrittlement in the high-temperature piping 15 at all times, and shut down the nuclear power plant when hydrogen embrittlement reaches a dangerous level And other measures can be taken to improve safety.
次に、 この発明の第 3の実施形態による水素分布可視化システムに ついて説明する。 Next, a hydrogen distribution visualization system according to a third embodiment of the present invention will be described.
この水素分布可視化システムにおいては、 第 2の実施形態の容器 1 6内に、 発光試薬を含有する溶液 1 3の代わりに発光試薬を含潰させ たゲルが入れられていてこれが高温配管 1 5の外壁と接触している。 上記以外のことは第 1および第 2の実施形態と同様である。 In this hydrogen distribution visualization system, a gel filled with a luminescent reagent is placed in the container 16 of the second embodiment instead of the solution 13 containing the luminescent reagent, and this is used for the high-temperature piping 15. Contacting the outer wall. Except for the above, the third embodiment is the same as the first and second embodiments.
この第 3の実施形態によれば、 第 2の実施形態と同様な利点を得る ことができる。 According to the third embodiment, advantages similar to those of the second embodiment can be obtained.
なお、 C C Dカメラを用いて金属中のト リチウム分布を可視化する ことができる。 この方法では、 フオ トンカウンティング撮像可能な超 高感度 C C Dカメラを用いて金属試料に添加したト リチウムから放射 されるベータ線によるシンチレーション発光を検出し、 金属試料中の トリチウム分布の可視化を行う。 具体的には、 試料として純バナジゥ ムを 1 0 X 1 0 X 1 mm3 に切り出した後、 真空中にて 1 1 0 0 °Cで 2 4時間焼鈍し、 これに電気化学的陰極チャージ法により トリチウム を添加した。 この電気化学的陰極チャージ法では、 3. 7 P B q/m3 のトリチウムを含む H2 S 04 水溶液 ( 0. 0 5 kmo l /m3 ) を 電解液として用い、 室温にて 5 0 0 A/m2 で 2時間電解を行った。 第 8図に示すように、 こう して得られた試料 2 1のトリチウム添加面
に液体シンチレ一ター 2 2を滴下した後、 プラスチックシンチレ一夕 一 2 3を密着させ、 試料 2 1中のトリチウムから放射されるべ一夕線 が液体シンチレ一夕一 2 およびプラスチックシンチレ一夕一 2 3に 入射した際に生じるシンチレ一ション発光を超高感度の C C Dカメラ 2 4で検出する。 この C C Dカメラ 2 4を用いてシンチレーシヨン発 光の 2次元分布を 1 4時間測定し、 フォ トンカウンティング像を得る ことにより、 発光の位置および強度を測定することができる。 得られ たフォ トンカウンティング像を第 9図に示す。 第 9図中の 1〜 4で示 される位置の平均強度 (カウント数/画素) はそれぞれ 3 3 . 8、 3 5 . 4、 9 . 7、 1 0 . 7、 全体では 1 2 . 7である。 第 9図から分 かるように、 試料 2 1上の位置により発光強度は変化しており、 試料 2 1上でのトリチウム分布が観察された。 比較のために、 同じ試料 2 1 を用いてラジオルミノグラフ法により トリチウム分布を測定した結 果を第 1 0図に示す。 第 1 0図と第 9図とを比較すると、 ほぼ同様な 結果が得られていることが分かる。 The distribution of tritium in metal can be visualized using a CCD camera. In this method, an ultra-high-sensitivity CCD camera capable of photon-counting imaging is used to detect the scintillation emission due to beta rays emitted from tritium added to the metal sample, and to visualize the distribution of tritium in the metal sample. Specifically, after cutting pure vanadium into a sample of 10 × 10 × 1 mm 3 as a sample, the sample was annealed at 110 ° C. for 24 hours in a vacuum, and then subjected to an electrochemical cathode charging method. To add tritium. In the electrochemical cathodic charging method, 3. 7 PB q / m using H 2 S 0 4 aqueous solution containing 3 tritium a (0. 0 5 kmo l / m 3) as an electrolytic solution, 0 5 at room temperature 0 Electrolysis was performed at A / m 2 for 2 hours. As shown in Fig. 8, the tritium-doped surface of sample 21 thus obtained was After the liquid scintillator 22 is dropped on the sample, the plastic scintillator 23 is brought into close contact with the plastic scintillator 23, and the line radiated from the tritium in the sample 21 changes to the liquid scintillator 1 and the plastic scintillator 1 The scintillation luminescence generated when the light enters 23 is detected by an ultra-sensitive CCD camera 24. By measuring the two-dimensional distribution of scintillation light emission for 14 hours using this CCD camera 24 and obtaining a photon counting image, the position and intensity of light emission can be measured. Fig. 9 shows the obtained photon counting image. The average intensities (counts / pixel) at the positions indicated by 1 to 4 in Fig. 9 are 33.8, 35.4, 9.7, and 10.7, respectively, and the total is 12.7. is there. As can be seen from FIG. 9, the emission intensity varied depending on the position on Sample 21, and the distribution of tritium on Sample 21 was observed. For comparison, Fig. 10 shows the results of measuring the distribution of tritium by radioluminography using the same sample 21. Comparing FIG. 10 with FIG. 9, it can be seen that almost the same results were obtained.
金属試料に添加したトリチウムから放射されるべ一夕線によるシン チレーション発光により水素脆化の危険度を測定する装置では、 上記 の C C Dカメラの代わりに、 液体シンチレーシヨンカウンタ一で用い られている光電子増倍管などを使ってゲル状のシンチレ一夕一ゃプラ スチックシンチレ一ターを原子炉配管などに貼り付けて検出すること も可能である。 In a device that measures the risk of hydrogen embrittlement by scintillation light emitted from a tritium line added to a metal sample and emitted by a scintillation line, it is used in a liquid scintillation counter instead of the CCD camera described above. It is also possible to attach a gel-like scintillator plastic scintillator to a reactor pipe or the like using a photomultiplier tube to detect.
以上、 この発明の実施形態および実施例について具体的に説明した が、 この発明は、 上述の実施形態および実施例に限定されるものでは なく、 この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。 Although the embodiments and examples of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. It is.
例えば、 上述の実施形態および実施例において挙げた数値、 構成、 材料、 原料、 プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、 必要に応じてこ
れらと異なる数値、 構成、 材料、 原料、 プロセスなどを用いてもよい。 以上説明したように、 この発明によれば、 金属を始めとする各種の 材料中の水素分布を容易に可視化することができ、 水素の定量分析や 水素分布のリアルタイム観察を高い分解能で行うことが可能である。 この発明は、 例えば、 原子力発電所の高温配管や高張力鋼を使用した 各種製品などの水素脆化が問題となる部分の水素挙動解析およびモニ 夕一、 あるいは水素吸蔵合金や燃料電池材料中の水素挙動の観測など、 各種の応用が可能である。
For example, the numerical values, configurations, materials, raw materials, processes, and the like described in the above-described embodiments and examples are merely examples, and may be used as needed. Different values, configurations, materials, raw materials, processes, etc. may be used. As described above, according to the present invention, the distribution of hydrogen in various materials including metals can be easily visualized, and quantitative analysis of hydrogen and real-time observation of hydrogen distribution can be performed with high resolution. It is possible. This invention can be used to analyze the behavior of hydrogen in areas where hydrogen embrittlement is a problem, such as high-temperature piping in nuclear power plants and various products using high-strength steel, and to monitor the performance of hydrogen storage alloys and fuel cell materials. Various applications such as observation of hydrogen behavior are possible.