К вопросу о построении калибровочной кривой с помощью спектрометра эмиссионного тлеющего разряда для измерений содержания водорода в сплавах циркония

Одно из магистральных направлений современной деятельности исследователей-метрологов –  обеспечение реального сектора экономики Российской Федерации стандартными образцами, аналоги которых в стране отсутствуют. В данной работе рассматриваются вопросы исследования высокоэффективных материалов для оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) в активных зонах тепловых реакторов, сфера применения которых достаточно широка. Цель исследования состояла в разработке образцов состава сплава циркония для установления и контроля стабильности калибровочной (градуировочной) характеристики спектрометров при определении массовой доли водорода при условии соответствия метрологических и технических характеристик стандартного образца требованиям методики измерений. Проанализированы основные методы определения содержания водорода в материалах. Установлено, что наиболее широкое применение нашел метод оптической эмиссионной спектроскопии в тлеющем разряде. Также установлено, что в качестве основного материала в большинстве случаев выбирают циркониевые сплавы.

Отмечена необходимость создания образцов для построения калибровочной кривой спектрометров для измерений содержания водорода в циркониевом сплаве. Разработаны образцы из циркониевого сплава Zr-1Nb (марка Э110) для построения калибровочной характеристики с помощью спектрометра эмиссионного тлеющего разряда для измерений с масcовой долей водорода от 0,034 до 0,498 %. На примере спектрометра эмиссионного тлеющего разряда типа GD Profiler2 проведена калибровка по разработанным образцам с получением калибровочной кривой. Относительная погрешность полученного при калибровке значения массовой доли водорода не превысила ± 10 %. Практическая значимость исследования заключается в обосновании разработки образцов, которые могут быть применены для проведения калибровки спектрометров, основанных на методе оптической эмиссионной спектроскопии с тлеющим разрядом.

1. Puls M. P. The effect of hydrogen and hydrides on the integrity of zirconium alloy components: delayed hydride cracking. London: Springer, 2012. 452 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4471-4195-2

2. Positron annihilation spectroscopy study of defects in hydrogen loaded Zr-1Nb alloy / J. Bordulev [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 798. P. 685–694. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.05.186

3. Microstructure and hydride embrittlement of zirconium model alloys containing niobium and tin / S. J. Oh [et al.] // Materials Science and Engineering. 2011. Vol. 528. Iss. 10. P. 3771–3776. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.01.093

4. On the role of hydrogen filled vacancies on the embrittlement of zirconium: An ab initio investigation / P. A. T. Olsson [et al.] // Journal of Nuclear Materials. 2015. Vol. 467. Part 1. P. 311–319. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.09.056

5. Northwood D. O., Kosasih U. Hydrides and delayed hydrogen cracking in zirconium and its alloys // International Metals Reviews. 1983. Vol. 28. Iss. 1. P. 92–121. https://doi.org/10.1179/imtr.1983.28.1.92

6. Hydrogen interactions with defects in crystalline solids / S. M. Myers [et al.] // Reviews of Modern Physics. 1992. Vol. 64. Iss. 2. P. 559–617. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.64.559

7. Hydrogen and vacancy clustering in zirconium / C. Varvenne [et al.] // Acta Materialia. 2015. Vol. 102. P. 56–69. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.09.019

8. Investigation of hydrogen distribution from the surface to the depth in technically pure titanium alloy with the help of glow discharge optical emission spectroscopy / A. M. Lider [et al.] // Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 302. P. 92–96. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.302.92

9. Quantitative depth profile analysis of metallic coatings by pulsed radiofrequency glow discharge optical emission spectrometry / P. Sánchez [et al.] // Analytica chimica acta. 2011. Vol. 684. Iss. 1. P. 47–53. https://doi.org/10.1016/j.aca.2010.10.039

10. Glow discharge optical emission spectroscopy: A practical guide / R. Payling [et al.]. Cambridge (UK): RSC Analytical Spectroscopy Monographs, 2003. https://doi.org/10.1039/9781847550989

11. Marcus R. K., Broekaert J. A. C. Glow discharge plasmas in analytical spectroscopy // TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2003. Vol. 22, Iss. 3. P. 186 https://doi.org/10.1016/S0165-9936(03)00307-8

12. Kudiiarov V. N., Lider A. M., Harchenko S. Y. Hydrogen accumulation in technically pure titanium alloy at saturation from gas atmosphere // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 880. P. 68–73. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.880.68

13. Andreasen A. Design and building of a new experimental setup for testing hydrogen storage materials // Risø-Report. 2005. P. 52. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.32450.99527

14. Checchetto R., Trettel G., Miotello A. Sievert-type apparatus for the study of hydrogen storage in solids // Measurement Science and Technology. 2003. Vol. 15. Iss. 1. P. 127–130. DOI:10.1088/0957–0233/15/1/017