Spektrometr rentgenowski z dyspersją energii: zasada działania, wydajność i zastosowanie w testach RoHS

Abstrakcja
W artykule tym skupiono się na LISUN Spektrometry rentgenowskie z dyspersją energii serii EDX-2Systematycznie wyjaśniając zasadę ich wykrywania w oparciu o charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie pierwiastków, analizując różnice w wydajności urządzeń poprzez porównanie parametrów konkretnych modeli oraz wykorzystując testy RoHS jako główny scenariusz zastosowania, aby zilustrować ich praktyczną wartość w badaniu substancji niebezpiecznych w produktach elektrycznych i elektronicznych. Badania pokazują, że dzięki zaletom wysokiej rozdzielczości, możliwości adaptacji do wielu scenariuszy i automatycznej pracy, ta seria spektrometrów rentgenowskich może przeprowadzać analizę pierwiastkową w zakresie zawartości od 2 ppm do 99.99%, spełniając zróżnicowane potrzeby, takie jak testy RoHS, wykrywanie składu stopu i pomiar grubości powłok, a także zapewniając niezawodne wsparcie techniczne dla przemysłowej kontroli jakości.

1. Wstęp
Wraz z globalnym rozwojem przemysłu elektrycznego i elektronicznego, wymagania dotyczące bezpieczeństwa materiałów i zgodności z przepisami ochrony środowiska stały się coraz bardziej rygorystyczne. Na przykład, dyrektywa UE RoHS ogranicza stosowanie niebezpiecznych pierwiastków, takich jak ołów, rtęć i kadm, co przyczyniło się do rozwoju innowacyjnych, wydajnych technologii wykrywania pierwiastków. Jako urządzenie do badań nieniszczących, spektrometr rentgenowski stał się podstawowym narzędziem analizy pierwiastkowej w przemyśle ze względu na swoje zalety, takie jak brak konieczności wstępnego przygotowania próbki, szybkość detekcji i wysoka dokładność. Spektrometry rentgenowskie z dyspersją energii serii EDX-2 opracowane przez LISUN Grupa obejmuje wiele modeli, w tym: EDX-2A, EDX-2AC i EDX-2AB. Łączą one trzy funkcje: testowanie RoHS, analizę stopów i pomiar grubości powłok i mogą być szeroko stosowane w takich dziedzinach jak komponenty elektroniczne, materiały metalowe i produkty z tworzyw sztucznych. Ich zasady techniczne i wydajność mają ogromne znaczenie dla przemysłowej kontroli jakości.

Sprzęt testowy EDX-2_Rohs

2. Zasada detekcji spektrometrów rentgenowskich serii EDX-2
Podstawowa logika detekcji spektrometrów rentgenowskich z dyspersją energii serii EDX-2 opiera się na różnicach w długości fali i intensywności charakterystycznych promieni rentgenowskich pierwiastków i umożliwia jakościową i ilościową detekcję pierwiastków w trzech etapach: „wzbudzenie – detekcja – analiza”. Szczegółowy proces wygląda następująco:

2.1 Wzbudzenie charakterystycznych promieni rentgenowskich
Urządzenie posiada wbudowaną lampę rentgenowską. W warunkach pracy przy napięciu lampy 50 kV i natężeniu prądu 600 μA (parametry można ustawić automatycznie) emituje ona wysokoenergetyczne pierwotne promieniowanie rentgenowskie do badanej próbki. Gdy pierwotne promieniowanie rentgenowskie przenika przez warstwę powierzchniową próbki, oddziałuje z elektronami na powłokach atomowych, wybijając je z orbity atomowej i wprowadzając atomy w niestabilny stan wzbudzony.

2.2 Generowanie i wykrywanie charakterystycznych promieni rentgenowskich
Aby powrócić do stanu stabilnego, elektrony z zewnętrznej powłoki atomu przechodzą na pustą orbitę powłoki wewnętrznej. Podczas tego procesu uwalniana jest różnica energii, która jest emitowana w postaci promieniowania rentgenowskiego o określonej długości fali, zwanego „charakterystycznym promieniowaniem rentgenowskim pierwiastków”. Różne pierwiastki mają różne liczby atomowe, a różnice poziomów energetycznych orbit elektronowych są wrodzone. Dlatego też długości fal emitowanych charakterystycznych promieni rentgenowskich są również unikalne – stanowi to podstawę dla jakościowej analizy pierwiastkowej za pomocą sprzętu.

Następnie charakterystyczne promienie rentgenowskie są odbierane przez detektor (tzw. EDX-2A wykorzystuje detektor Si-pin i modele takie jak EDX-2AC używa bardziej precyzyjnego detektora SDD). Detektor przekształca sygnał rentgenowski na sygnał elektryczny, który następnie jest przetwarzany na rozpoznawalne dane widmowe przez system przetwarzania sygnału, tworząc diagram widma pierwiastkowego z współrzędną „długość fali – natężenie”.

2.3 Analiza ilościowa zawartości pierwiastków
W tych samych warunkach detekcji, zawartość danego pierwiastka w próbce jest dodatnio skorelowana z intensywnością charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego – im wyższa zawartość, tym więcej elektronów przechodzi i tym silniejsze jest natężenie emitowanego charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego. Porównując intensywność linii widmowych pierwiastków w badanej próbce z intensywnością próbki wzorcowej o znanym stężeniu (takiej jak standardowa próbka UE dostarczana z serią EDX-2) i korygując czynniki wpływające, takie jak efekt matrycy i interferencja tła, za pomocą algorytmów oprogramowania, urządzenie ostatecznie oblicza dokładną zawartość każdego pierwiastka w badanej próbce, przeprowadzając analizę ilościową. Zakres analizy zawartości może obejmować od 2 ppm do 99.99%, spełniając potrzeby wykrywania pierwiastków śladowych i głównych.

3. Porównanie parametrów modelu i wydajności spektrometrów rentgenowskich serii EDX-2
Spektrometry rentgenowskie serii EDX-2 zostały zaprojektowane w 5 podstawowych modelach, przeznaczonych do różnych scenariuszy zastosowań. Poszczególne modele różnią się konstrukcją, typem detektora i wydajnością detekcji. Porównanie poszczególnych parametrów przedstawiono w poniższej tabeli:

Z porównania parametrów wynika, że ​​różnice w wydajności spektrometrów rentgenowskich serii EDX-2 odzwierciedlają się głównie w trzech aspektach: po pierwsze, możliwości adaptacji do środowiska próżniowego. EDX-2AC, EDX-2ABC i EDX-2T obsługują testy próżniowe, co może zmniejszyć absorpcję charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego lekkich pierwiastków (takich jak sód i magnez) przez powietrze i rozszerzyć zakres pierwiastków w analizie stopów. Po drugie, dokładność detektora. Rozdzielczość detektora SDD (np. EDX-2AC) wynosi 129 eV, co jest wartością lepszą niż w przypadku detektora Si-pin (149 eV). Pozwala to na dokładniejsze rozróżnianie linii widmowych pierwiastków o sąsiednich długościach fal i redukcję błędów detekcji. Po trzecie, integracja funkcji. Model podstawowy EDX-2A obsługuje tylko testy RoHS, podczas gdy EDX-2ABC i EDX-2T integrują jednocześnie funkcje analizy stopów i pomiaru grubości powłok, dostosowując się do bardziej złożonych scenariuszy przemysłowych.

4. Zastosowanie spektrometrów rentgenowskich serii EDX-2 w testach RoHS
4.1 Wymagania dyrektywy RoHS i normy testowe
Dyrektywa RoHS to norma ochrony środowiska dla produktów elektrycznych i elektronicznych opracowana przez UE. Aktualną wersją jest dyrektywa 2011/65/UE (RoHS 2.0). W porównaniu z wersją pierwotną (2002/95/WE) zakres jej kontroli został rozszerzony o wyroby medyczne i urządzenia monitorujące, a producenci są zobowiązani do przechowywania dokumentacji technicznej i deklaracji zgodności WE przez co najmniej 10 lat. Dyrektywa ta ogranicza zawartość 6 substancji niebezpiecznych, a jej szczegółowe wymagania są następujące: rtęć (Hg) ≤ 1000 ppm, chrom sześciowartościowy (CrVI) ≤ 1000 ppm, kadm (Cd) ≤ 100 ppm, ołów (Pb) ≤ 1000 ppm, polibromowane bifenyle (PBB) ≤ 1000 ppm, polibromowane etery difenylowe (PBDE) ≤ 1000 ppm.
Odpowiednią normą w Chinach jest „Metody testowania substancji toksycznych i niebezpiecznych w elektronicznych produktach informacyjnych” (SJ/T 11365-2006), która jednoznacznie określa spektrometrię fluorescencji rentgenowskiej (XRF) jako szybką metodę przesiewową w kierunku pierwiastków niebezpiecznych zgodnie z dyrektywą RoHS. Spektrometry rentgenowskie serii EDX-2 zostały opracowane w oparciu o tę metodę i mogą bezpośrednio spełniać wymagania normy.

4.2 Zalety serii EDX-2 w testach RoHS
Jako profesjonalny sprzęt do testowania zgodności z normą RoHS, spektrometry rentgenowskie serii EDX-2 oferują znaczące zalety pod względem wydajności detekcji, wygody obsługi i bezpieczeństwa:
• Szybkie badanie przesiewowe bez wstępnego przygotowania: Czas wykrycia EDX-2A wynosi 200 sekund, a modele próżniowe (takie jak EDX-2AC) zajmuje tylko 100 sekund. Nie ma potrzeby wstępnego przygotowania, takiego jak trawienie i rozpuszczanie próbki, a próbki w postaci stałej, ciekłej i proszkowej (takie jak obudowy podzespołów elektronicznych, cząstki plastiku i pasta lutownicza) można testować bezpośrednio, co znacznie skraca cykl detekcji.
• Wysoka rozdzielczość i dokładność: Rozdzielczość modeli detektorów SDD (takich jak EDX-2AC) osiąga napięcie 129 eV, co pozwala na precyzyjną identyfikację charakterystycznych promieni rentgenowskich śladowych ilości pierwiastków niebezpiecznych, takich jak kadm (Cd). W połączeniu z dostarczonymi standardowymi próbkami UE i certyfikatami kalibracji, zapewnia to zgodność wyników detekcji z normami międzynarodowymi i pozwala uniknąć błędnej oceny.
• Wizualizacja i zabezpieczenia: Urządzenie jest wyposażone w kamerę o wysokiej rozdzielczości oraz system oświetlenia komory, co pozwala operatorom na kontrolę pozycji próbki w czasie rzeczywistym i uniknięcie błędów detekcji spowodowanych nieprawidłowym umieszczeniem próbki. Jednocześnie urządzenie posiada funkcje zabezpieczenia nadprądowego i przeciwzwarciowego, co jest zgodne z normami bezpieczeństwa przemysłowego i zmniejsza ryzyko uszkodzenia sprzętu.

4.3 Przypadek testowy praktyczny
Przedsiębiorstwo elektroniczne musiało przeprowadzić kontrolę zgodności z dyrektywą RoHS partii importowanych elementów z tworzyw sztucznych i wykorzystało EDX-2A Spektrometr rentgenowski do badania:
• Przygotowanie próbki: Elementy plastikowe pocięto na małe kawałki o wymiarach 5 cm x 5 cm i umieszczono je bezpośrednio w komorze próbki (o wymiarach 610 x 320 x 100 mm) bez żadnych innych zabiegów;
• Ustawianie parametrów: Urządzenie automatycznie ustawia napięcie lampy na 50 kV, prąd lampy na 600 uA, a czas detekcji na 200 sekund;
• Wyniki detekcji: Urządzenie wygenerowało wykres widma pierwiastkowego, pokazujący, że zawartość ołowiu (Pb) w próbce wyniosła 850 ppm, a kadmu (Cd) 30 ppm – obie wartości były niższe niż limity określone w dyrektywie RoHS, co oznacza, że ​​próbka spełnia wymagania. Jednocześnie w liniach widmowych nie wykryto żadnych innych niebezpiecznych pierwiastków, takich jak rtęć i chrom sześciowartościowy, i ostatecznie wydano raport z testu zgodności z dyrektywą RoHS.

Przypadek ten pokazuje, że spektrometry rentgenowskie serii EDX-2 mogą szybko przeprowadzić kontrolę zgodności podzespołów elektronicznych z dyrektywą RoHS, zapewnić zgodność z normami eksportu produktów przedsiębiorstw do UE i pomóc w uniknięciu ryzyka handlowego związanego z nadmierną ilością substancji niebezpiecznych.

5. Inne główne zastosowania spektrometrów rentgenowskich serii EDX-2
Oprócz testów RoHS, spektrometry rentgenowskie serii EDX-2 integrują również funkcje analizy stopów i pomiaru grubości powłok, co rozszerza zakres zastosowań sprzętu:
5.1 Analiza stopu
EDX-2AB, EDX-2AModele BC i EDX-2T obsługują analizę stopów. Wśród nich EDX-2T może wykrywać wszystkie pierwiastki od 11-Na (sód) do 92-U (uran) w układzie okresowym i nadaje się do oznaczania składu materiałów takich jak stal nierdzewna, stopy aluminium i metale szlachetne (złoto, platyna). Na przykład, w przemyśle jubilerskim, EDX-2T może szybko określić czystość złotej biżuterii (takiej jak Au999, Au750) bez uszkadzania próbki; w przemyśle maszynowym może analizować zawartość chromu i niklu w stali nierdzewnej, aby ocenić, czy odporność materiału na korozję spełnia wymagania projektowe.

5.2 Pomiar grubości powłoki
EDX-2AC, EDX-2AModele BC i EDX-2T posiadają funkcję pomiaru grubości powłoki. Obliczają one wartość bezwzględną grubości powłoki, wykrywając różnicę w natężeniu charakterystycznych promieni rentgenowskich między powłoką a materiałem podłoża. Na przykład, w produkcji złączy elektronicznych, grubość powłoki niklowej na powierzchni podłoża miedzianego (np. 5 μm, 10 μm) może być mierzona w celu zapewnienia przewodności i odporności powłoki na zużycie; w produkcji części samochodowych, grubość warstwy ocynkowanej może być monitorowana w celu oceny odporności części na rdzę.

6. Wnioski 
Opierając się na zasadzie wykrywania charakterystycznych promieni rentgenowskich pierwiastków, LISUN Spektrometry rentgenowskie z dyspersją energii serii EDX-2 Realizują wielofunkcyjną integrację testów RoHS, analizy stopów i pomiaru grubości powłok. Charakteryzują się wysoką rozdzielczością, szybkością detekcji i szerokim zakresem adaptacji do próbek, co czyni je ważnymi urządzeniami do przemysłowej kontroli jakości. Na podstawie porównania parametrów, różne modele urządzeń mogą sprostać potrzebom różnych scenariuszy – EDX-2A nadaje się do podstawowego ekranowania RoHS, EDX-2AModel BC nadaje się do kompleksowych testów wieloscenariuszowych, a EDX-2T ma zalety w analizie pierwiastków lekkich. Przedsiębiorstwa mogą wybrać odpowiedni model zgodnie z własnymi potrzebami.