Energeticky disperzní rentgenový spektrometr: Princip, výkon a použití při testování RoHS

Abstraktní
Tento příspěvek se zaměřuje na LISUN Energeticky disperzní rentgenové spektrometry řady EDX-2..., systematicky vysvětlují princip detekce založený na charakteristickém rentgenovém záření prvků, analyzují rozdíly ve výkonu zařízení prostřednictvím porovnání specifických parametrů modelu a jako hlavní aplikační scénář ilustrují svou praktickou hodnotu při screeningu nebezpečných látek v elektrických a elektronických výrobcích s využitím testování RoHS. Výzkum ukazuje, že díky výhodám vysokého rozlišení, adaptability na více scénářů a automatického provozu dokáže tato řada rentgenových spektrometrů provádět elementární analýzu s rozsahem obsahu od 2 ppm do 99.99 %, čímž splňují rozmanité potřeby, jako je testování RoHS, detekce složení slitin a měření tloušťky povlaků, a poskytují spolehlivou technickou podporu pro průmyslovou kontrolu kvality.

1. Úvod
S globálním rozvojem elektrotechnického a elektronického průmyslu se požadavky na bezpečnost materiálů a dodržování environmentálních předpisů stále přísnější. Například směrnice EU RoHS omezuje nebezpečné prvky, jako je olovo, rtuť a kadmium, což podpořilo inovaci účinných technologií elementární detekce. Jako nedestruktivní testovací zařízení se rentgenový spektrometr stal klíčovým nástrojem pro elementární analýzu v průmyslové oblasti díky svým výhodám, jako je absence předúpravy vzorku, vysoká rychlost detekce a vysoká přesnost. Energeticky disperzní rentgenové spektrometry řady EDX-2, vyvinuté společností LISUN Skupina pokrývá více modelů včetně EDX-2A, EDX-2AC a EDX-2AB. Integrují tři funkce: testování RoHS, analýzu slitin a měření tloušťky povlaku a lze je široce používat v oblastech, jako jsou elektronické součástky, kovové materiály a plastové výrobky. Jejich technické principy a výkon mají velký referenční význam pro průmyslovou kontrolu kvality.

2. Princip detekce rentgenových spektrometrů řady EDX-2
Základní detekční logika rentgenových spektrometrů s disperzí energie řady EDX-2 je založena na rozdílech ve vlnové délce a intenzitě charakteristického rentgenového záření prvků a realizuje kvalitativní a kvantitativní detekci prvků prostřednictvím tří kroků: „excitace – detekce – analýza“. Konkrétní proces je následující:

2.1 Excitace charakteristického rentgenového záření
Zařízení má vestavěnou rentgenovou trubici. Za pracovních podmínek s napětím trubice 50 kV a proudem trubice 600 μA (parametry lze nastavit automaticky) emituje do testovaného vzorku primární rentgenové záření s vysokou energií. Když primární rentgenové záření pronikne povrchovou vrstvou vzorku, interaguje s elektrony vnitřní vrstvy atomů ve vzorku, čímž je vytlačí z atomové oběžné dráhy a atomy se dostanou do nestabilního excitovaného stavu.

2.2 Generování a detekce charakteristického rentgenového záření
Aby se elektrony vnější vrstvy atomu vrátily do stabilního stavu, přejdou na prázdnou orbitu vnitřní vrstvy. Během tohoto přechodu se uvolní energetický rozdíl, který je vyzařován ve formě rentgenového záření se specifickou vlnovou délkou, která se nazývá „charakteristické rentgenové záření prvků“. Různé prvky mají různá atomová čísla a existují inherentní rozdíly v energetických hladinách elektronových orbit. Proto jsou i vlnové délky emitovaného charakteristického rentgenového záření jedinečné – to je základní předpoklad pro kvalitativní elementární analýzu zařízením.

Následně detektor přijímá charakteristické rentgenové záření ( EDX-2A používá Si-pinový detektor a modely jako například EDX-2AC používá přesnější SDD detektor). Detektor převádí rentgenový signál na elektrický signál, který je následně systémem zpracování signálu převeden na rozpoznatelná spektrální data za účelem vytvoření diagramu elementárního spektra se souřadnicí „vlnová délka – intenzita“.

2.3 Kvantitativní analýza elementárního složení
Za stejných detekčních podmínek je obsah určitého prvku ve vzorku pozitivně korelován s intenzitou jeho charakteristického rentgenového záření – čím vyšší je obsah, tím více elektronů přechází a tím silnější je intenzita emitovaného charakteristického rentgenového záření. Porovnáním intenzity spektrálních čar testovaného vzorku s intenzitou standardního vzorku se známou koncentrací (jako je standardní vzorek EU dodávaný s řadou EDX-2) a korekcí ovlivňujících faktorů, jako je maticový efekt a interference pozadí, pomocí softwarových algoritmů, zařízení nakonec vypočítá přesný obsah každého prvku v testovaném vzorku a provede kvantitativní analýzu. Jeho rozsah obsahové analýzy může pokrývat 2 ppm až 99.99 %, což splňuje potřeby detekce stopových a hlavních prvků.

3. Parametry modelu a srovnání výkonu rentgenových spektrometrů řady EDX-2
Rentgenové spektrometry řady EDX-2 jsou navrženy s 5 základními modely pro různé aplikační scénáře. Mezi různými modely existují rozdíly ve strukturálním provedení, typu detektoru a účinnosti detekce. Porovnání konkrétních parametrů je uvedeno v následující tabulce:

Parametry specifikace	EDX-2A (Plocha bez vysávání)	EDX-2AC (Vakuový stolní počítač)	EDX-2AB (Desktop bez vysavače)	EDX-2ABC (Vakuový stolní vysavač)	EDX-2T (stolní vysavač)
Hmotnost zařízení	50Kg	55Kg	50Kg	55Kg	55Kg
Čas detekce	200s	100s	200s	100s	100s
Velikost komory vzorku	610 × 320 × 100 mm (D × Š × V)	Bez vakua: 510 × 310 × 120 mm   Vakuum: Ø100×70 mm	610 × 320 × 100 mm (D × Š × V)	Bez vakua: 510 × 310 × 120 mm   Vakuum: Ø100×70 mm	Bez vakua: 510 × 310 × 120 mm   Vakuum: Ø100×70 mm
Testovací prostředí	Atmosféra	Vakuum	Atmosféra	Vakuum	Vakuum
Typ detektoru	Si-pin	SD D	Si-pin	SD D	SD D
Rozlišení	149 eV	129 eV	149 eV	129 eV	129 eV
Výstupní napětí/proud elektronky	50KV/600uA (automatické nastavení)	50KV/600uA (automatické nastavení)	50KV/600uA (automatické nastavení)	50KV/600uA (automatické nastavení)	50KV/600uA (automatické nastavení)
Typy testovaných vzorků	Pevný, tekutý, prášek	Bez vakua: Pevné látky, Kapaliny, Prášky   Vakuum: Pevné	Pevný, tekutý, prášek	Bez vakua: Pevné látky, Kapaliny, Prášky   Vakuum: Pevné	Bez vakua: Pevné látky, Kapaliny, Prášky   Vakuum: Pevné
Rozsah analýzy obsahu	2 str./min – 99.99 %	2 str./min – 99.99 %	2 str./min – 99.99 %	2 str./min – 99.99 %	2 str./min – 99.99 %
Základní aplikace	Testování RoHS	Testování RoHS, testování nátěrů	Testování RoHS, analýza slitin	Testování RoHS, analýza slitin, testování povlaků	Testování RoHS, analýza slitin, testování povlaků
Rozsah prvků pro testování slitin	Není testovatelné	16-S (síra) až 92-U (uran)	16-S (síra) až 92-U (uran)	16-S (síra) až 92-U (uran)	11-Na (sodík) až 92-U (uran)

Z porovnání parametrů je patrné, že rozdíly ve výkonu rentgenových spektrometrů řady EDX-2 se odrážejí hlavně ve třech aspektech: za prvé, přizpůsobivost vakuovému prostředí. EDX-2AC, EDX-2ABC a EDX-2T podporují vakuové testování, které může snížit absorpci charakteristického rentgenového záření lehkých prvků (jako je sodík a hořčík) vzduchem a rozšířit rozsah analýzy slitin. Za druhé, přesnost detektoru. Rozlišení detektoru SDD (jako je EDX-2AC) je 129 eV, což je lepší než u Si-pinového detektoru (149 eV). Dokáže přesněji rozlišit elementární spektrální čáry se sousedními vlnovými délkami a snížit chyby detekce. Za třetí, integrace funkcí. Základní model EDX-2A podporuje pouze testování RoHS, zatímco EDX-2ABC a EDX-2T integrují současně funkce analýzy slitin a měření tloušťky povlaku, a přizpůsobují se tak složitějším průmyslovým scénářům.

4. Použití rentgenových spektrometrů řady EDX-2 v testování RoHS
4.1 Požadavky směrnice RoHS a zkušební normy
Směrnice RoHS je norma ochrany životního prostředí pro elektrické a elektronické výrobky, kterou vypracovala EU. Aktuální verze je 2011/65/EU (RoHS 2.0). Ve srovnání s původní verzí (2002/95/ES) byl její rozsah kontroly rozšířen na zdravotnické prostředky a monitorovací zařízení a výrobci jsou povinni uchovávat technickou dokumentaci a prohlášení o shodě ES po dobu nejméně 10 let. Tato směrnice omezuje obsah 6 nebezpečných látek se specifickými požadavky: Rtuť (Hg) ≤ 1000 ppm, Šestimocný chrom (CrVI) ≤ 1000 ppm, Kadmium (Cd) ≤ 100 ppm, Olovo (Pb) ≤ 1000 ppm, Polybromované bifenyly (PBB) ≤ 1000 ppm, Polybromované difenylethery (PBDE) ≤ 1000 ppm.
Odpovídající čínskou normou jsou „Zkušební metody pro toxické a nebezpečné látky v elektronických informačních produktech“ (SJ/T 11365-2006), která jasně označuje rentgenovou fluorescenční spektrometrii (XRF) za rychlou screeningovou metodu pro nebezpečné prvky splňující směrnici RoHS. Rentgenové spektrometry řady EDX-2 jsou vyvinuty na základě této metody a mohou přímo splňovat standardní zkušební požadavky.

4.2 Výhody řady EDX-2 v testování RoHS
Jako profesionální testovací zařízení RoHS mají rentgenové spektrometry řady EDX-2 významné výhody v účinnosti detekce, provozním pohodlí a bezpečnosti:
• Rychlý screening bez předběžné léčby: Doba detekce EDX-2A je 200 sekund a vakuové modely (jako například EDX-2AC) trvá pouze 100 sekund. Není nutná žádná předúprava, jako je trávení a rozpouštění vzorku, a vzorky v pevné, kapalné a práškové formě (jako jsou pouzdra elektronických součástek, plastové částice a pájecí pasta) lze testovat přímo, což výrazně zkracuje detekční cyklus.
• Vysoké rozlišení a přesnost: Rozlišení modelů detektorů SDD (jako například EDX-2AC) dosahuje 129 eV, což umožňuje přesně identifikovat charakteristické rentgenové záření stopových nebezpečných prvků, jako je kadmium (Cd). V kombinaci s dodanými standardními vzorky EU a kalibračními certifikáty zajišťuje, že výsledky detekce splňují mezinárodní standardy a zabraňuje chybnému odhadu.
• Vizuální ovládání a bezpečnostní ochrana: Zařízení je vybaveno kamerou s vysokým rozlišením a systémem osvětlení v komoře, což umožňuje obsluze kontrolovat polohu testovaného vzorku v reálném čase a vyhnout se chybám detekce způsobeným nesprávným umístěním vzorku. Zařízení má zároveň funkce ochrany proti nadproudu a zkratu, které splňují normy průmyslové bezpečnosti a snižují riziko poškození zařízení.

4.3 Praktický testovací případ
Elektronický podnik potřeboval provést screening dovozu plastových součástek s ohledem na shodu s RoHS a použil EDX-2A Rentgenový spektrometr pro testování:
• Příprava vzorku: Plastové komponenty byly nařezány na malé kousky o rozměrech 5 cm × 5 cm a bez dalšího ošetření přímo umístěny do komory pro vzorky (rozměry 610 × 320 × 100 mm);
• Nastavení parametrů: Zařízení automaticky nastaví napětí elektronky na 50 kV, proud elektronky na 600 µA a dobu detekce na 200 sekund;
• Výsledky detekce: Zařízení vygenerovalo diagram elementárního spektra, který ukázal, že obsah olova (Pb) ve vzorku byl 850 ppm a obsah kadmia (Cd) 30 ppm, což je v obou případech méně než limity směrnice RoHS, takže vzorku bylo vyhověno. Zároveň nebyly ve spektrálních čarách detekovány žádné další nebezpečné prvky, jako je rtuť a šestimocný chrom, a nakonec byla vydána zkušební zpráva o souladu s RoHS.

Tento případ ukazuje, že rentgenové spektrometry řady EDX-2 dokáží rychle provést screening elektronických součástek podle směrnice RoHS, poskytnout základ pro shodu s předpisy pro vývoz produktů podniků do EU a vyhnout se obchodním rizikům způsobeným nadměrným množstvím nebezpečných látek.

5. Další klíčové aplikace rentgenových spektrometrů řady EDX-2
Kromě testování RoHS integrují rentgenové spektrometry řady EDX-2 také funkce analýzy slitin a měření tloušťky povlaků, což rozšiřuje možnosti použití zařízení:
5.1 Analýza slitin
Jedno EDX-2AB, EDX-2AModely BC a EDX-2T podporují analýzu slitin. Mezi nimi dokáže EDX-2T detekovat všechny prvky od 11-Na (sodík) do 92-U (uran) v periodické tabulce a je vhodný pro detekci složení materiálů, jako je nerezová ocel, hliníkové slitiny a drahé kovy (zlato, platina). Například v klenotnickém průmyslu dokáže EDX-2T rychle určit čistotu zlatých šperků (jako je Au999, Au750) bez poškození vzorku; v oblasti strojírenské výroby dokáže analyzovat obsah chromu a niklu v nerezové oceli a posoudit, zda korozní odolnost materiálu splňuje konstrukční požadavky.

5.2 Měření tloušťky povlaku
Jedno EDX-2AC, EDX-2AModely BC a EDX-2T mají funkci měření tloušťky povlaku. Vypočítávají absolutní hodnotu tloušťky povlaku detekcí rozdílu v intenzitě charakteristického rentgenového záření mezi povlakem a materiálem substrátu. Například při výrobě elektronických konektorů lze detekovat tloušťku niklové vrstvy na povrchu měděného substrátu (například 5 μm, 10 μm) a zajistit tak vodivost a odolnost povlaku proti opotřebení; při výrobě automobilových dílů lze monitorovat tloušťku pozinkované vrstvy a vyhodnotit odolnost dílů proti korozi.

6. Závěry 
Na základě principu detekce charakteristického rentgenového záření prvků, LISUN Energeticky disperzní rentgenové spektrometry řady EDX-2 realizovat multifunkční integraci testování RoHS, analýzy slitin a měření tloušťky povlaků. Jejich vlastnosti vysokého rozlišení, rychlé detekce a široké adaptability vzorků z nich činí důležité zařízení pro průmyslovou kontrolu kvality. Z porovnání parametrů vyplývá, že různé modely zařízení mohou splňovat potřeby různých scénářů – EDX-2A je vhodný pro základní screening RoHS, EDX-2ABC je vhodný pro komplexní testování v rámci více scénářů a EDX-2T má výhody v analýze lehkých prvků. Podniky si mohou vybrat vhodný model podle svých vlastních potřeb.

Tagy:EDX-2A