Energiadispersiivne röntgenspektromeeter: põhimõte, jõudlus ja rakendamine RoHS-testimisel

Abstraktne
See artikkel keskendub LISUN EDX-2 seeria energiadispersiivsed röntgenspektromeetrid, selgitades süstemaatiliselt oma tuvastuspõhimõtet elementide iseloomulike röntgenkiirte põhjal, analüüsides seadmete jõudluse erinevusi konkreetsete mudeliparameetrite võrdluse kaudu ning võttes RoHS-testimise põhirakendusstsenaariumina, et illustreerida nende praktilist väärtust ohtlike ainete sõelumisel elektri- ja elektroonikaseadmetes. Uuring näitab, et tuginedes kõrge eraldusvõime, mitme stsenaariumi kohandatavuse ja automaatse töötamise eelistele, suudab see röntgenspektromeetrite seeria teostada elementide analüüsi sisaldusvahemikus 2 ppm kuni 99.99%, rahuldades mitmesuguseid vajadusi, nagu RoHS-testimine, sulami koostise tuvastamine ja katte paksuse mõõtmine, ning pakkudes usaldusväärset tehnilist tuge tööstuslikuks kvaliteedikontrolliks.

1. Sissejuhatus
Elektri- ja elektroonikatööstuse globaalse arenguga on tootematerjalide ohutuse ja keskkonnanõuetele vastavuse nõuded muutunud üha rangemaks. Näiteks piirab EL-i RoHS-direktiiv ohtlike elementide, näiteks plii, elavhõbeda ja kaadmiumi, kasutamist, mis on soodustanud tõhusate elementide tuvastamise tehnoloogiate innovatsiooni. Röntgenspektromeetrist on mittepurustava testimisseadmena saanud tööstusvaldkonnas elementide analüüsi põhivahend tänu oma eelistele, nagu proovi eeltöötluse puudumine, kiire tuvastamiskiirus ja suur täpsus. EDX-2 seeria energiadispersiivsed röntgenspektromeetrid, mille on välja töötanud... LISUN Grupp hõlmab mitut mudelit, sealhulgas EDX-2A, EDX-2AC ja EDX-2AB. Need ühendavad endas kolm funktsiooni: RoHS-testimine, sulami analüüs ja katte paksuse mõõtmine ning neid saab laialdaselt kasutada sellistes valdkondades nagu elektroonikakomponendid, metallmaterjalid ja plasttooted. Nende tehnilised põhimõtted ja jõudlus on tööstusliku kvaliteedikontrolli jaoks väga olulised.

EDX-2_Rohs testimisseadmed

2. EDX-2 seeria röntgenspektromeetrite tuvastuspõhimõte
EDX-2 seeria energiadispersiooniliste röntgenspektromeetrite põhiline tuvastusloogika põhineb elementide iseloomulike röntgenkiirte lainepikkuste ja intensiivsuse erinevustel ning realiseerib elementide kvalitatiivset ja kvantitatiivset tuvastamist kolme etapi kaudu: „ergastamine – tuvastamine – analüüs“. Konkreetne protsess on järgmine:

2.1 Iseloomulike röntgenkiirte ergastamine
Seadmel on sisseehitatud röntgenitoru. Töötingimustes 50KV toru pinge ja 600uA toru voolutugevus (parameetreid saab automaatselt seadistada) kiirgab see uuritavale proovile suure energiaga primaarseid röntgenkiiri. Kui primaarsed röntgenkiired tungivad läbi proovi pinnakihi, interakteeruvad nad proovi aatomite sisekesta elektronidega, tõrjudes sisekesta elektronid aatomi orbiidilt välja ja viies aatomid ebastabiilsesse ergastatud olekusse.

2.2 Iseloomulike röntgenkiirte genereerimine ja tuvastamine
Stabiilse oleku taastamiseks lähevad aatomi väliskihi elektronid sisekihi tühjale orbiidile. Ülemineku käigus vabaneb energiaerinevus ja see energia kiiratakse kindla lainepikkusega röntgenkiirte kujul, mida nimetatakse "elementide iseloomulikeks röntgenkiirteks". Erinevatel elementidel on erinevad aatomnumbrid ja elektronide orbiitide energiatasemete erinevustes on loomupärased erinevused. Seetõttu on ka kiiratavate iseloomulike röntgenkiirte lainepikkused unikaalsed – see on seadmete kvalitatiivse elementide analüüsi põhialus.

Seejärel võtab detektor iseloomulikud röntgenikiirgused vastu ( EDX-2A kasutab Si-pin detektorit ja selliseid mudeleid nagu EDX-2AC kasutab täpsemat SDD-detektorit). Detektor teisendab röntgensignaali elektriliseks signaaliks, mis seejärel teisendatakse signaalitöötlussüsteemi abil äratuntavateks spektraalandmeteks, moodustades elementaarspektri diagrammi, mille koordinaadiks on "lainepikkus – intensiivsus".

2.3 Elementaarse sisu kvantitatiivne analüüs
Samades tuvastustingimustes on teatud elemendi sisaldus proovis positiivses korrelatsioonis selle iseloomulike röntgenkiirte intensiivsusega – mida suurem on sisaldus, seda rohkem elektrone liigub ja seda tugevam on kiiratavate iseloomulike röntgenkiirte intensiivsus. Võrreldes uuritava proovi elementide spektraaljoonte intensiivsust teadaoleva kontsentratsiooniga standardproovi (näiteks EDX-2 seeriaga kaasasoleva EL-i standardproovi) intensiivsusega ja korrigeerides tarkvaraalgoritmide abil mõjutavaid tegureid, nagu maatriksiefekt ja taustainterferents, arvutab seade lõpuks uuritava proovi iga elemendi täpse sisalduse, teostades kvantitatiivse analüüsi. Selle sisalduse analüüsi vahemik võib katta 2 ppm kuni 99.99%, mis vastab mikroelementide ja põhielementide tuvastusvajadustele.

3. EDX-2 seeria röntgenspektromeetrite mudeli parameetrid ja jõudluse võrdlus
EDX-2 seeria röntgenspektromeetrid on loodud viie põhimudeliga erinevate rakendusstsenaariumide jaoks. Erinevate mudelite konstruktsiooni, detektori tüübi ja tuvastamise efektiivsuse osas on erinevusi. Konkreetsete parameetrite võrdlus on esitatud järgmises tabelis:

Parameetrite võrdlusest on näha, et EDX-2 seeria röntgenspektromeetrite jõudluserinevused kajastuvad peamiselt kolmes aspektis: esiteks vaakumkeskkonnaga kohanemisvõime. EDX-2AC, EDX-2ABC ja EDX-2T toetavad vaakumtestimist, mis võib vähendada kergete elementide (nt naatriumi ja magneesiumi) iseloomulike röntgenkiirte neeldumist õhus ja laiendada sulami analüüsi elementide valikut. Teiseks, detektori täpsus. SDD-detektori eraldusvõime (nt EDX-2AC) on 129 eV, mis on parem kui Si-pin detektoril (149 eV). See suudab täpsemalt eristada elementaarseid spektraaljooni külgnevate lainepikkustega ja vähendada tuvastusvigu. Kolmandaks, funktsioonide integreerimine. Põhimudel EDX-2A toetab ainult RoHS-testimist, samas kui EDX-2ABC ja EDX-2T integreerivad sulami analüüsi ja katte paksuse mõõtmise funktsioonid samaaegselt, kohandudes keerukamate tööstuslike stsenaariumidega.

4. EDX-2 seeria röntgenspektromeetrite rakendamine RoHS-testimisel
4.1 RoHS-direktiivi nõuded ja katsestandardid
RoHS direktiiv on EL-i koostatud elektri- ja elektroonikaseadmete keskkonnakaitsestandard. Praegune versioon on 2011/65/EL (RoHS 2.0). Võrreldes algse versiooniga (2002/95/EÜ) on selle kontrolli ulatust laiendatud meditsiiniseadmetele ja jälgimisseadmetele ning tootjad on kohustatud säilitama tehnilisi dokumente ja EÜ vastavusdeklaratsioone vähemalt 10 aastat. See direktiiv piirab 6 ohtliku aine sisaldust, mille erinõuded on järgmised: elavhõbe (Hg) ≤ 1000 ppm, kuuevalentne kroom (CrVI) ≤ 1000 ppm, kaadmium (Cd) ≤ 100 ppm, plii (Pb) ≤ 1000 ppm, polübromitud bifenüülid (PBB-d) ≤ 1000 ppm, polübromitud difenüüleetrid (PBDE-d) ≤ 1000 ppm.
Vastav standard Hiinas on „Elektrooniliste infotoodete mürgiste ja ohtlike ainete katsemeetodid“ (SJ/T 11365-2006), mis määratleb röntgenfluorestsentsspektromeetria (XRF) selgelt RoHS-i ohtlike elementide kiireks sõelumismeetodiks. EDX-2 seeria röntgenspektromeetrid on välja töötatud selle meetodi põhjal ja vastavad otseselt standardsetele katsenõuetele.

4.2 EDX-2 seeria eelised RoHS-testimisel
Professionaalsete RoHS-testimisseadmetena on EDX-2 seeria röntgenspektromeetritel märkimisväärsed eelised tuvastamise efektiivsuse, töömugavuse ja ohutuse osas:
• Kiirsõeluuringud ilma eeltöötluseta: tuvastamise aeg EDX-2A on 200 sekundit ja vaakummudelid (näiteks EDX-2AC) võtab aega vaid 100 sekundit. Proovi eeltöötlust, näiteks seedimist ja lahustamist, pole vaja ning tahkeid, vedelaid ja pulbrilisi proove (näiteks elektroonikakomponentide korpused, plastosakesed ja jootepasta) saab otse testida, mis lühendab oluliselt tuvastustsüklit.
• Suur eraldusvõime ja täpsus: SDD-detektorimudelite (näiteks EDX-2AC) ulatub 129 eV-ni, mis võimaldab täpselt tuvastada ohtlike elementide, näiteks kaadmiumi (Cd), iseloomulikke röntgenikiirgusid. Koos kaasasolevate EL-i standardproovide ja kalibreerimissertifikaatidega tagab see, et tuvastustulemused vastavad rahvusvahelistele standarditele ja väldib valehindamist.
• Visuaalne töö ja ohutuskaitse: Seade on varustatud kõrglahutusega kaamera ja kambrisisese valgustussüsteemiga, mis võimaldab operaatoritel proovi testimise positsiooni reaalajas kontrollida ja vältida vale proovipaigutuse põhjustatud tuvastusvigu. Samal ajal on seadmel ülekoormuse ja lühise kaitse funktsioonid, mis vastavad tööstusohutusstandarditele ja vähendavad seadmete kahjustamise ohtu.

4.3 Praktiline testimisjuhtum
Elektroonikaettevõte pidi imporditud plastkomponentide partii RoHS-i nõuetele vastavuse kontrolli läbi viima ja kasutas seda EDX-2A Röntgenspektromeeter testimiseks:
• Proovi ettevalmistamine: Plastkomponendid lõigati väikesteks 5 cm × 5 cm tükkideks ja asetati otse proovikambrisse (suurusega 610 × 320 × 100 mm) ilma muu töötlemiseta;
• Parameetrite seadistamine: Seade seadistab automaatselt lampi pingeks 50KV, lampi voolutugevuseks 600uA ja tuvastusajaks 200 sekundit;
• Tuvastustulemused: Seade genereeris elementspektri diagrammi, mis näitas, et proovi plii (Pb) sisaldus oli 850 ppm ja kaadmiumi (Cd) sisaldus 30 ppm, mis mõlemad olid RoHS-i piirnormidest madalamad, seega hinnati see nõuetele vastavaks. Samal ajal ei tuvastatud spektraaljoontes muid ohtlikke elemente, nagu elavhõbe ja kuuevalentne kroom, ning lõpuks väljastati RoHS-i testiaruanne.

See juhtum näitab, et EDX-2 seeria röntgenspektromeetrid suudavad kiiresti läbi viia elektroonikakomponentide RoHS-sõeluuringu, pakkuda vastavusalust ettevõtete toodete ekspordiks ELi ja vältida liigsete ohtlike ainete põhjustatud kaubandusriske.

5. EDX-2 seeria röntgenspektromeetrite muud põhirakendused
Lisaks RoHS-testimisele integreerivad EDX-2 seeria röntgenspektromeetrid ka sulami analüüsi ja katte paksuse mõõtmise funktsioone, laiendades seadmete rakendusvõimalusi:
5.1 Sulami analüüs
. EDX-2AB, EDX-2ABC ja EDX-2T mudelid toetavad sulamite analüüsi. Nende hulgas suudab EDX-2T tuvastada kõiki perioodilisustabeli elemente alates 11-Na (naatrium) kuni 92-U (uraan) ning sobib selliste materjalide nagu roostevaba teras, alumiiniumisulamid ja väärismetallid (kuld, plaatina) koostise tuvastamiseks. Näiteks juveelitööstuses suudab EDX-2T kiiresti määrata kullast ehete (näiteks Au999, Au750) puhtust ilma proovi kahjustamata; masinaehituse valdkonnas saab see analüüsida roostevaba terase kroomi ja nikli sisaldust, et hinnata, kas materjali korrosioonikindlus vastab projekteerimisnõuetele.

5.2 Kattekihi paksuse mõõtmine
. EDX-2AC, EDX-2ABC ja EDX-2T mudelitel on katte paksuse mõõtmise funktsioon. Need arvutavad katte paksuse absoluutväärtuse, tuvastades katte ja alusmaterjali iseloomulike röntgenkiirte intensiivsuse erinevuse. Näiteks elektrooniliste pistikute tootmisel saab tuvastada vase aluspinna pinnal oleva nikli katte paksust (näiteks 5 μm, 10 μm), et tagada katte juhtivus ja kulumiskindlus; autoosade tootmisel saab tsingitud kihi paksust jälgida, et hinnata osade roostekindlust.

6. Järeldused 
Elementide iseloomulike röntgenkiirte tuvastamise põhimõttel põhinev LISUN EDX-2 seeria energiadispersiivsed röntgenspektromeetrid realiseerida RoHS-testimise, sulami analüüsi ja katte paksuse mõõtmise multifunktsionaalne integratsioon. Nende kõrge eraldusvõime, kiire tuvastuskiirus ja lai proovi kohandatavus muudavad need oluliseks varustuseks tööstusliku kvaliteedikontrolli jaoks. Parameetrite võrdluse põhjal saavad erinevad seadmemudelid rahuldada erinevate stsenaariumide vajadusi – EDX-2A sobib RoHS-i põhikontrolliks EDX-2ABC sobib mitme stsenaariumiga põhjalikuks testimiseks ja EDX-2T-l on eelised valguselementide analüüsimisel. Ettevõtted saavad valida sobiva mudeli vastavalt oma vajadustele.