Энергодисперсионный рентгеновский спектрометр: принцип действия, характеристики и применение при испытаниях на соответствие требованиям RoHS

Резюме
В этой статье основное внимание уделяется LISUN Энергодисперсионные рентгеновские спектрометры серии EDX-2, систематически излагая принцип обнаружения, основанный на характеристическом рентгеновском излучении элементов, анализируя различия в производительности оборудования посредством сравнения параметров конкретной модели и используя испытания RoHS в качестве основного сценария применения, чтобы продемонстрировать их практическую ценность для скрининга опасных веществ в электротехнических и электронных изделиях. Исследование показывает, что, опираясь на преимущества высокого разрешения, многовариантности и автоматического управления, эта серия рентгеновских спектрометров может выполнять элементный анализ в диапазоне содержания от 2 ppm до 99.99%, удовлетворяя различные потребности, такие как испытания RoHS, определение состава сплавов и измерение толщины покрытий, а также обеспечивая надежную техническую поддержку для промышленного контроля качества.

1. Введение
С глобальным развитием электротехнической и электронной промышленности требования к безопасности материалов и соблюдению экологических норм становятся всё более строгими. Например, Директива ЕС RoHS ограничивает использование таких опасных элементов, как свинец, ртуть и кадмий, что способствовало развитию эффективных технологий элементного анализа. Как оборудование для неразрушающего контроля, рентгеновский спектрометр стал основным инструментом элементного анализа в промышленности благодаря таким преимуществам, как отсутствие предварительной обработки образца, высокая скорость детектирования и высокая точность. Энергодисперсионные рентгеновские спектрометры серии EDX-2, разработанные… LISUN Группа охватывает несколько моделей, включая EDX-2A, EDX-2AC и EDX-2AB. Они объединяют три функции: тестирование по директиве RoHS, анализ сплавов и измерение толщины покрытий и могут широко применяться в таких областях, как электронные компоненты, металлические материалы и изделия из пластика. Их технические принципы и эксплуатационные характеристики имеют важное значение для промышленного контроля качества.

2. Принцип детектирования рентгеновских спектрометров серии EDX-2
Основная логика детектирования энергодисперсионных рентгеновских спектрометров серии EDX-2 основана на различии длин волн и интенсивности характеристического рентгеновского излучения элементов и обеспечивает качественное и количественное определение элементов в три этапа: «возбуждение – детектирование – анализ». Конкретный процесс выглядит следующим образом:

2.1 Возбуждение характеристического рентгеновского излучения
Оборудование оснащено встроенной рентгеновской трубкой. При напряжении 50 кВ и токе 600 мкА (параметры устанавливаются автоматически) она испускает высокоэнергетическое первичное рентгеновское излучение, направляя его на исследуемый образец. При проникновении в поверхностный слой образца первичное рентгеновское излучение взаимодействует с электронами внутренних оболочек атомов образца, выбивая их с атомных орбит и переводя атомы в нестабильное возбуждённое состояние.

2.2 Генерация и обнаружение характеристического рентгеновского излучения
Чтобы вернуться в стабильное состояние, внешние электроны атома переходят на свободную внутреннюю орбиту. В процессе перехода высвобождается разность энергий, которая излучается в виде рентгеновского излучения с определённой длиной волны, называемого «характеристическим рентгеновским излучением элементов». Разные элементы имеют разные атомные номера, и существуют различия в энергетических уровнях электронных орбит. Следовательно, длины волн испускаемого характеристического рентгеновского излучения также уникальны, что является основой для оборудования, выполняющего качественный элементный анализ.

Затем характеристическое рентгеновское излучение поступает на детектор ( EDX-2A использует детектор Si-pin, и такие модели, как EDX-2AC использовать более высокоточный детектор SDD). Детектор преобразует рентгеновский сигнал в электрический сигнал, который затем преобразуется в распознаваемые спектральные данные системой обработки сигналов для формирования элементарной спектральной диаграммы с координатой «длина волны – интенсивность».

2.3 Количественный анализ элементного состава
При одинаковых условиях детектирования содержание определенного элемента в образце положительно коррелирует с интенсивностью его характеристического рентгеновского излучения: чем выше содержание, тем больше электронов переходит и тем сильнее интенсивность испускаемого характеристического рентгеновского излучения. Сравнивая интенсивность спектральных линий элементарного состава анализируемого образца с интенсивностью стандартного образца с известной концентрацией (например, стандартного образца ЕС, поставляемого с приборами серии EDX-2), и корректируя влияющие факторы, такие как матричный эффект и фоновые помехи, с помощью программных алгоритмов, прибор в конечном итоге рассчитывает точное содержание каждого элемента в анализируемом образце, выполняя количественный анализ. Диапазон анализируемого содержания составляет от 2 ppm до 99.99%, что соответствует требованиям к обнаружению следовых и основных элементов.

3. Параметры моделей и сравнение характеристик рентгеновских спектрометров серии EDX-2
Рентгеновские спектрометры серии EDX-2 представлены пятью основными моделями для различных вариантов применения. Модели различаются по конструкции, типу детектора и эффективности обнаружения. Сравнение конкретных параметров представлено в следующей таблице:

Параметры спецификации	EDX-2A (Настольный компьютер без пылесоса)	EDX-2AC (Вакуумный настольный)	EDX-2AB (настольный, без пылесоса)	EDX-2ABC (Вакуумный настольный)	EDX-2T (настольный пылесос)
Вес оборудования	50Kg	55Kg	50Kg	55Kg	55Kg
Время обнаружения	200s	100s	200s	100s	100s
Размер камеры для образцов	610 × 320 × 100 мм (Д × Ш × В)	Без вакуума: 510×310×120 мм   Вакуум: Ф100×70мм	610 × 320 × 100 мм (Д × Ш × В)	Без вакуума: 510×310×120 мм   Вакуум: Ф100×70мм	Без вакуума: 510×310×120 мм   Вакуум: Ф100×70мм
Среда тестирования	Атмосфера	вакуум	Атмосфера	вакуум	вакуум
Тип детектора	Си-пин	SDD	Си-пин	SDD	SDD
Разрешение	149эВ	129эВ	149эВ	129эВ	129эВ
Выходное напряжение/ток лампы	50 кВ/600 мкА (автоматическая настройка)	50 кВ/600 мкА (автоматическая настройка)	50 кВ/600 мкА (автоматическая настройка)	50 кВ/600 мкА (автоматическая настройка)	50 кВ/600 мкА (автоматическая настройка)
Типы тестируемых образцов	Твердое, Жидкое, Порошковое	Невакуумные: Твердые, Жидкие, Порошковые   Вакуум: Твердый	Твердое, Жидкое, Порошковое	Невакуумные: Твердые, Жидкие, Порошковые   Вакуум: Твердый	Невакуумные: Твердые, Жидкие, Порошковые   Вакуум: Твердый
Диапазон анализа контента	2ppm–99.99%	2ppm–99.99%	2ppm–99.99%	2ppm–99.99%	2ppm–99.99%
Основные приложения	RoHS тестирование	Тестирование RoHS, Тестирование покрытий	Тестирование RoHS, анализ сплавов	Тестирование RoHS, анализ сплавов, тестирование покрытий	Тестирование RoHS, анализ сплавов, тестирование покрытий
Диапазон элементов для испытания сплавов	Не проверяемо	16-S (сера) в 92-U (уран)	16-S (сера) в 92-U (уран)	16-S (сера) в 92-U (уран)	11-Na (натрий) в 92-U (уран)

Из сравнения параметров видно, что различия в производительности рентгеновских спектрометров серии EDX-2 в основном отражаются в трёх аспектах: во-первых, в способности адаптироваться к вакуумной среде. EDX-2AC, EDX-2ABC и EDX-2T поддерживают вакуумные испытания, что позволяет снизить поглощение характеристического рентгеновского излучения лёгких элементов (таких как натрий и магний) воздухом и расширить диапазон элементов для анализа сплавов. Во-вторых, точность детектора. Разрешение детектора SDD (например, EDX-2AC) составляет 129 эВ, что лучше, чем у Si-штыревого детектора (149 эВ). Он позволяет точнее различать спектральные линии элементов со смежными длинами волн и уменьшить ошибки обнаружения. В-третьих, интегрирование функций. Базовая модель EDX-2A поддерживает только тестирование RoHS, в то время как EDX-2ABC и EDX-2T одновременно интегрируют функции анализа сплавов и измерения толщины покрытий, адаптируясь к более сложным промышленным сценариям.

4. Применение рентгеновских спектрометров серии EDX-2 при испытаниях на соответствие требованиям RoHS
4.1 Требования директивы RoHS и стандарты испытаний
Директива RoHS — это стандарт защиты окружающей среды для электрических и электронных изделий, разработанный ЕС. Текущая версия — 2011/65/EU (RoHS 2.0). По сравнению с первоначальной версией (2002/95/EC), сфера ее контроля была расширена и теперь распространяется на медицинские приборы и контрольно-измерительное оборудование, а производители обязаны хранить техническую документацию и декларации соответствия ЕС не менее 10 лет. Эта директива ограничивает содержание 6 опасных веществ, устанавливая следующие конкретные требования: ртуть (Hg) ≤ 1000 ppm, шестивалентный хром (CrVI) ≤ 1000 ppm, кадмий (Cd) ≤ 100 ppm, свинец (Pb) ≤ 1000 ppm, полибромированные бифенилы (ПБД) ≤ 1000 ppm, полибромированные дифениловые эфиры (ПБДЭ) ≤ 1000 ppm.
Соответствующий стандарт в Китае — «Методы испытаний на токсичные и опасные вещества в электронных информационных продуктах» (SJ/T 11365-2006), в котором рентгенофлуоресцентная спектрометрия (РФС) чётко обозначена как метод быстрого скрининга на наличие опасных элементов, подпадающих под действие директивы RoHS. Рентгеновские спектрометры серии EDX-2 разработаны на основе этого метода и могут напрямую соответствовать требованиям стандарта.

4.2 Преимущества серии EDX-2 при тестировании на соответствие требованиям RoHS
Будучи профессиональным оборудованием для испытаний на соответствие требованиям RoHS, рентгеновские спектрометры серии EDX-2 обладают значительными преимуществами с точки зрения эффективности обнаружения, удобства эксплуатации и безопасности:
• Быстрый скрининг без предварительной обработки: время обнаружения EDX-2A составляет 200 секунд, а вакуумные модели (такие как EDX-2AC) занимает всего 100 секунд. Предварительная обработка, такая как разложение и растворение образца, не требуется, а образцы в твёрдом, жидком и порошкообразном состоянии (например, корпуса электронных компонентов, пластиковые частицы и паяльная паста) можно тестировать напрямую, что значительно сокращает цикл обнаружения.
• Высокое разрешение и точность: разрешение моделей детекторов SDD (таких как EDX-2AC) достигает 129 эВ, что позволяет точно идентифицировать характеристическое рентгеновское излучение следовых количеств опасных элементов, таких как кадмий (Cd). В сочетании с предоставленными стандартными образцами ЕС и калибровочными сертификатами это гарантирует соответствие результатов обнаружения международным стандартам и позволяет избежать ошибочных заключений.
• Визуальное управление и безопасность: оборудование оснащено камерой высокого разрешения и системой внутрикамерного освещения, что позволяет операторам контролировать положение образца в режиме реального времени и избегать ошибок обнаружения, вызванных неправильным размещением образца. Кроме того, оборудование оснащено функциями защиты от перегрузки по току и короткого замыкания, что соответствует стандартам промышленной безопасности и снижает риск повреждения оборудования.

4.3 Практический тестовый пример
Предприятию, производящему электронику, необходимо было провести проверку партии импортных пластиковых компонентов на соответствие директиве RoHS, и оно использовало EDX-2A Рентгеновский спектрометр для тестирования:
• Подготовка образцов: пластиковые компоненты были разрезаны на небольшие кусочки размером 5 см × 5 см и непосредственно помещены в камеру для образцов (размер 610 × 320 × 100 мм) без какой-либо другой обработки;
• Настройка параметров: оборудование автоматически устанавливает напряжение трубки на 50 кВ, ток трубки на 600 мкА и время обнаружения на 200 секунд;
• Результаты обнаружения: Оборудование построило диаграмму элементного спектра, которая показала, что содержание свинца (Pb) в образце составило 850 ppm, а кадмия (Cd) – 30 ppm, что ниже пределов RoHS, поэтому образец был признан соответствующим требованиям. В то же время, в спектральных линиях не было обнаружено других опасных элементов, таких как ртуть и шестивалентный хром, и был выдан отчёт об испытании по RoHS.

Данный случай показывает, что рентгеновские спектрометры серии EDX-2 способны быстро завершить проверку электронных компонентов на соответствие требованиям RoHS, обеспечить основу для соответствия требованиям при экспорте продукции предприятий в ЕС и избежать торговых рисков, связанных с чрезмерным содержанием опасных веществ.

5. Другие основные области применения рентгеновских спектрометров серии EDX-2
Помимо тестирования RoHS, рентгеновские спектрометры серии EDX-2 также интегрируют функции анализа сплавов и измерения толщины покрытий, расширяя сферы применения оборудования:
5.1 Анализ сплава
The EDX-2AB, EDX-2AМодели BC и EDX-2T поддерживают анализ сплавов. Модель EDX-2T способна обнаруживать все элементы от 11-Na (натрия) до 92-U (урана) в периодической таблице и подходит для определения состава таких материалов, как нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы и драгоценные металлы (золото, платина). Например, в ювелирной промышленности EDX-2T позволяет быстро определить чистоту золотых украшений (например, Au999, Au750) без повреждения образца; в машиностроении она позволяет анализировать содержание хрома и никеля в нержавеющей стали, чтобы оценить соответствие коррозионной стойкости материала проектным требованиям.

5.2 Измерение толщины покрытия
The EDX-2AC, EDX-2AМодели BC и EDX-2T оснащены функцией измерения толщины покрытия. Они рассчитывают абсолютное значение толщины покрытия, регистрируя разницу в интенсивности характеристического рентгеновского излучения покрытия и материала подложки. Например, при производстве электронных разъёмов толщина никелевого покрытия на поверхности медной подложки (например, 5 мкм, 10 мкм) может быть измерена для обеспечения проводимости и износостойкости покрытия; при производстве автодеталей толщина оцинкованного слоя может быть проверена для оценки коррозионной стойкости деталей.

6. Выводы 
Основанный на принципе обнаружения характеристического рентгеновского излучения элементов, LISUN Энергодисперсионные рентгеновские спектрометры серии EDX-2 Реализуют многофункциональную интеграцию испытаний на соответствие требованиям RoHS, анализа сплавов и измерения толщины покрытий. Высокое разрешение, высокая скорость обнаружения и широкая адаптируемость образцов делают их важным оборудованием для промышленного контроля качества. Сравнение параметров показывает, что различные модели оборудования могут удовлетворить потребности различных сценариев – EDX-2A подходит для базового скрининга RoHS, EDX-2AАнализатор BC подходит для многовариантного комплексного тестирования, а EDX-2T обладает преимуществами при анализе лёгких элементов. Предприятия могут выбрать подходящую модель в соответствии со своими потребностями.

Метки:EDX-2A