RoHS檢測儀之XRF的原理詳解及采購建議

時間：2020-10-14作者：江蘇天瑞儀器股份有限公司瀏覽：312

X射線定義：

l X射線是一種波長較短的電磁輻射,通常是指能量范圍在0.1-100KeV的光子.X射線與物質(zhì)的相互作用主要有熒光.吸收.散射三種。X射線的熒光物質(zhì)中的組成元素產(chǎn)生特征輻射,通過測量和分析樣品產(chǎn)生的X射線熒光,即可獲得樣品中的元素組成,得到物質(zhì)成分的定性和定量信息.

l X射線光譜儀通?？煞譃閮纱箢?波長色散(WDXRF)和能量色散(EDXRF)X射線熒光光譜儀.

l X射線熒光分析技術(shù)的缺點是檢出限不夠低,不適于分析輕元素,依賴標樣,分析液體樣品手續(xù)比較麻煩.由于電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)具有較佳的痕量.**痕量分析能力.因此目前國內(nèi)外分析實驗室一種流行的趨勢是同時配備X射線熒光光譜儀和電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS).利用XRF分析含量較高的元素,而用ICP-MS分析低濃度的元素.

X熒光的基礎(chǔ)知識

由于K層電子與L/M層電子能量不同，補位電子會釋放出多余能量，該能量的表現(xiàn)形式為X熒光（躍遷）。此熒光可被探測器接受測量并可反映出元素的具體信息。經(jīng)過分析后較終獲得元素種類及組成比例的信息。

當X光束照射到測試樣品上，受照射區(qū)域物質(zhì)的組成元素的內(nèi)層電子，會應(yīng)受到X光轟擊溢出，為保持其內(nèi)部平衡，該原子L層或M層的外層電子會補充這個電子空位。

特征X射線的產(chǎn)生機理

l 同樣當K空位被M層電子填充時，則產(chǎn)生Kβ輻射。M能級與K能級之差大于L能級與K能級之差，即一個Kβ光子的能量大于一個Kα光子的能量； 但因L→K層躍遷的幾率比M→K遷附幾率大，故Kα輻射強度比Kβ輻射強度大五倍左右。

l 顯然， 當L層電子填充K層后，原子由K激發(fā)狀態(tài)變成L激發(fā)狀態(tài)，此時較外層如M、N……層的電子將填充L層空位，產(chǎn)生L系輻射。因此，當原子受到K激發(fā)時，除產(chǎn)生K系輻射外，還將伴生L、M……等系的輻射。除K系輻射因波長短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波長長而被吸收。

l Kα雙線的產(chǎn)生與原子能級的精細結(jié)構(gòu)相關(guān)。L層的8個電子的能量并不相同，而分別位于三個亞層上。Kα雙線系電子分別由LⅢ和LⅡ兩個亞層躍遷到K層時產(chǎn)生的輻射，而由LI亞層到K層因不符合選擇定則（此時Δl＝0），因此沒有輻射。

X射線熒光

光譜學上的“熒光”：泛指物質(zhì)受到外來的原級輻射照射時，物質(zhì)發(fā)出的次級輻射，波長（能量）在X射線范圍的熒光叫X射線熒光。不僅X射線可以產(chǎn)生熒光，可見光、紫外線也可以產(chǎn)生熒光。

l 我們是根據(jù)已知濃度的樣品.XXPb=100ppm在我們的儀器里測試得出一個強度XXPb=1.5cps，X軸是濃度，Y軸是強度，100ppm和1.5cps交匯出了一個標樣點.然后在拿另外一個已知濃度的樣品在得出一個標樣點,然后兩個點擬合成一條直線.然后這條曲線我們就完成了.當然我們用的不只是兩個標樣.

軟件計算方法

l 探測器得出特征譜線計數(shù)率- 軟件通過計數(shù)率得出強度 - 特征譜強度對應(yīng)工作區(qū)得出濃度.

l 探測器通過下面公式得出特征譜線計數(shù)率n (公式中s是計數(shù)率的統(tǒng)計漲落，n是特征譜線計數(shù)率，B是散射背景計數(shù)率，T是采樣時間，h是峰背比n/B)。

l 得出了特征譜的計數(shù)率n.我們的軟件通過n于歸一特征線的比得出了特征譜的強度Ii然后工作區(qū)得出了濃度Cippm.

l 高壓電源 美國 Spellman

l X光管 國產(chǎn) 頤維科

l 探測器 美國 Amptek X-123

l 軟件分析方法 經(jīng)驗系數(shù)法/FP法

高壓電源的技術(shù)參數(shù)與說明

關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)：穩(wěn)定性，包括：

l 輸入電壓input voltage: DC +24v DC +- 10%，

l 輸入電流：4.0A（較大maximum）

l 輸出電壓Output voltage: 0 -50Kv @ 1mA

l 電壓穩(wěn)定性：

l 最大功率Maximum Power： 50W

高壓電源的作用

高壓電源為X光管提供供電，是保證儀器測試數(shù)據(jù)精密度與準確度的基礎(chǔ)。我司儀器選用高性能進口高壓電源來確保供電條件的較優(yōu)化。

X射線管

（1） 陰極——**電子。一般由鎢絲制成，通電加熱后釋放出熱輻射電子。

（2） 陽極——靶，使電子突然減速并發(fā)出X射線。

（3） 窗口——X射線出射通道。既能讓X射線出射，又能使管密封。窗口材料用金屬鈹或硼酸鈹鋰構(gòu)成的林德曼玻璃。窗口與靶面常成3-6°的斜角，以減少靶面對出射X射線的阻礙。

（4） 高速電子轉(zhuǎn)換成X射線的效率只有1%，其余99%都作為熱而散發(fā)了。所以靶材料要導(dǎo)熱性能好，常用黃銅或紫銅制作，還需要循環(huán)水冷卻。因此X射線管的功率有限，大功率需要用旋轉(zhuǎn)陽極

（5） 焦點——陽極靶表面被電子轟擊的一塊面積，X射線就是從這塊面積上**出來的。焦點的尺寸和形狀是X射線管的重要特性之一。焦點的形狀取決于燈絲的形狀，螺形燈絲產(chǎn)生長方形焦點

X射線衍射工作中希望細焦點和高強度；細焦點可提高分辨率；高強度則可縮短暴光時間

X光管產(chǎn)生X射線的過程

向陽極靶，陽極受到高X射線發(fā)生器給X射線管的鎢燈絲提供加熱電流又在陽極與燈絲之間提供高壓電場，X射線管的鎢燈絲受熱產(chǎn)生了電子云。電子云在高壓電場的作用下，沿聚焦管加速飛速電子的轟擊，陽極靶材吸收了足夠的能量。原子的內(nèi)層電子便按一定的規(guī)律實現(xiàn)能級間的躍遷，在去激過程中。將所吸收的能量以X射線的形式向窗外**。

X光管在使用過程中的損壞因素主要為

l 燈絲燒斷

l 靶材擊穿

l 管體內(nèi)真空遭破壞

l 燈絲加熱過程中逸出金屬霧，附著鈹窗，造成鈹窗*大幅度降低

l 中國七五,九五科技攻關(guān)已經(jīng)掌握了X熒光的多元素分析技術(shù)，X光管生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，我司技術(shù)發(fā)源與七五,九五科技攻關(guān)，目前積極參于光管制造廠家的生產(chǎn)制造過程，設(shè)計并定制了專有型號，對上述因素進行了設(shè)計改良，充分確保X光管的高壽命。

l 較佳分辨率：149±5eV.

l 較高計數(shù)率：2 X 10 5 CPS

l 峰背比≥ 5000/1 （天/信噪比增強器）

l 能響曲線 1KeV ~40KeV

注：探測器分辨率值越低表示探測器越靈敏

SDD

硅漂移探測器(SDD, Silicon Drift Detector)早期叫Silicon Drift Chamber(SDC)，是由氣體探測器中的漂移室類比得出的名字，所以也叫硅漂移室或者硅漂移室探測器。硅漂移探測器的原理與已往的半導(dǎo)體探測器全然不同，是由意大利的Emilio Gatti和美國的Pavel Rehak提出的。硅漂移探測器（SDD）是在高純n型硅片的射線入射面制備一大面積均勻的pn突變結(jié)，在另外一面的*制備一個點狀的n型陽極，在陽極的周圍是許多同心的p型漂移電極。在工作時，器件兩面的pn結(jié)加上反向電壓，從而在器件體內(nèi)產(chǎn)生一個勢阱(對電子)。在漂移電極上加一個電位差會在器件內(nèi)產(chǎn)生一橫向電場，它將使勢阱彎曲從而迫使入射輻射產(chǎn)生的信號電子在電場作用下先向陽極漂移，到達陽極(讀出電極)附近才產(chǎn)生信號。硅漂移探測器的陽極很小因而電容很小，同時它的漏電流也很小，所以用電荷靈敏前置放大器可低噪聲、快速地讀出電子信號。（請參看“專業(yè)詞典”頁面的硅漂移探測器原理功能動畫圖）

PIN探測器和硅PIN、Si-PIN探測器

什么是PIN :PIN是半導(dǎo)體器件的許多種結(jié)構(gòu)之一，是由一層P型半導(dǎo)體（受主雜質(zhì)為主導(dǎo)，帶正電荷[Positive]的空穴是多數(shù)載流子）和一層N型半導(dǎo)體（受主雜質(zhì)為主導(dǎo)，帶負電荷[Negative]的電子是多數(shù)載流子）以及它們中間的一層I(Intrinsic[本征半導(dǎo)體即沒有雜質(zhì)或者施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)正好完全補償?shù)陌雽?dǎo)體]或者Insulator[絕緣體])層組成的結(jié)構(gòu)。

PIN探測器和硅PIN、Si-PIN探測器

PIN探測器是具有PIN結(jié)構(gòu)的（其中間層實際上是高阻的全耗盡層，其載流子很少，與本征層和絕緣體層有類似之處）用于探測光和射線的探測器件。硅PIN探測器室溫下的漏電流在納安（nA）數(shù)量級，比其上一代的硅面壘探測器要小差不多3個數(shù)量級，是硅面壘探測器的換代產(chǎn)品，但是PIN探測器的電容仍然和面壘探測器一樣，隨探測器面積的增大而正比增大，這導(dǎo)致探測器噪聲還是偏大，同時成形時間常數(shù)不能太小因而計數(shù)率不能高。這就是PIN探測器不僅在技術(shù)上而且在性能上也要比硅漂移探測器差整整一代的原因。

絕大多數(shù)PIN探測器是用硅做的，所以如果不特別指出，PIN探測器指的就是Si-PIN或者硅PIN探測器?，F(xiàn)代硅PIN探測器是由德國KETEK公司的創(chuàng)建者Kemmer博士在20世紀70年代末首先采用改進的平面工藝技術(shù)研制成功的，現(xiàn)在全世界都采用他的這一方法來制備高性能的半導(dǎo)體探測器。

硅PIN探測器實際上就是硅PN（結(jié)）探測器，這里只是強調(diào)其耗盡層很厚，以便與耗盡層很薄的一般電子器件的PN結(jié)區(qū)別開。

（附注：硅PIN探測器中的PIN與“針”字沒有任何關(guān)系，不贊成把Si-PIN翻譯成“硅針”或“Si針”。）

硅(鋰)[ Si(Li)]探測器

硅(鋰)[ Si(Li)]探測器，也叫硅鋰漂移探測器。是在P型硅表面蒸發(fā)一層金屬鋰并擴散形成PN結(jié)，然后在反向電壓和適當溫度下使鋰離子在硅原子之間漂移入硅中，由于鋰離子很*吸引一個自由電子而成為施主，從而與硅中的P型（受主）雜質(zhì)實現(xiàn)補償而形成高阻的本征層(探測器的靈敏區(qū))。硅(鋰)探測器的特點是靈敏層厚度可以做得相當大（3-10毫米），因而探測器電容也能夠小一些，探測效率高，但是必須在液氮冷卻下才能工作和長期保存（因為在室溫下鋰離子的擴散已經(jīng)不能忽略不計，鋰離子擴散的結(jié)果必然導(dǎo)致在制備硅(鋰)探測器時達到的精密補償被破壞，而在液氮溫度下鋰離子的擴散是可以忽略不計的。），一般說來其能量分辨、高計數(shù)率性能、使用方便性、體積和價格等性能都不如硅漂移探測器。請注意：硅鋰漂移探測器和硅漂移探測器是兩種不同的探測器，硅鋰漂移探測器是因為在制造過程中采用了鋰離子漂移補償?shù)姆椒ǘ妹?，而硅漂移探測器則是射線產(chǎn)生的載流子（電子-空穴對）中的電子先必須漂移到陽極區(qū)以后才能形成可以測量的電信號（硅漂移探測器中空穴對電信號沒有貢獻）而得名。硅漂移探測器的原理和制備過程與硅(鋰)探測器截然不同，硅漂移探測器靈敏區(qū)的所有表面都有高質(zhì)量的二氧化硅保護層，同時硅漂移探測器中也沒有鋰離子，較沒有鋰離子擴散的問題，因而硅漂移探測器在室溫下沒有變壞的問題。

脈沖處理系統(tǒng)技術(shù)指標與說明

l 前置放大器

l 主放大器

l 數(shù)字化多道脈沖處理器（MCA）

任何的電子電路都會造成電子漂移，產(chǎn)生儀器誤差，以上系統(tǒng)可以有效的補償漂移效應(yīng)，確保儀器精確度。

成型時間 放大倍數(shù)軟件根據(jù)實際應(yīng)用情況自動調(diào)整。達到較佳效果

其他重要參數(shù)

l 輻射防護系統(tǒng)

鴻永精儀的輻射防護系統(tǒng)現(xiàn)有兩種結(jié)構(gòu)

整機全鉛版防護迷宮+自動保護裝置

射線區(qū)域全封閉結(jié)構(gòu)+自動保護裝置

l 濾光片系統(tǒng)

多組濾光片自動選擇系統(tǒng)

針對不同材質(zhì)的測試對象，其激發(fā)的X熒光中帶有特定的干擾雜波，必須采用特定的濾光片進行初步處理，以提高光效質(zhì)量，確保良好的測試效果。華唯公司選用的七組濾光片系統(tǒng)是經(jīng)過數(shù)萬次實驗的較終科技成果，具有良好的濾光及控制效果。

l 整機電路系統(tǒng)

優(yōu)良的整機電路系統(tǒng)是精密儀器穩(wěn)定性與精確度的基礎(chǔ)保證。

XRF內(nèi)部電路設(shè)計嚴謹，各類屏蔽與干擾控制機件得當，安裝與調(diào)試完全符合**標準。有效的保證了數(shù)據(jù)的準確性與穩(wěn)定性

數(shù)據(jù)分析軟件

l 在XRF技術(shù)中，數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)較為深奧，檢測樣品中基材對于測試元素的干擾、相鄰元素間的干擾、本底對于測試的干擾等雖經(jīng)過光路控制可以得到一定程度抑制，但較終仍需通過數(shù)據(jù)分析軟件，進行剔除、篩選、分析并較終得出結(jié)論。數(shù)據(jù)分析軟件對于XRF的優(yōu)異具有決定性影響。

l 現(xiàn)階段國內(nèi)外XRF儀器的數(shù)據(jù)分析軟件主要分為以下幾種理論分析模型基礎(chǔ)：經(jīng)驗系數(shù)法/理論＠系數(shù)法/基本參數(shù)(FP)法等。相互間互有側(cè)重，自成一體。

l 我司產(chǎn)品集合二十多年分析模型研究基礎(chǔ)，結(jié)合長期的實驗結(jié)果，成功的將三類理論模型進行結(jié)合，應(yīng)用與我司系列產(chǎn)品的數(shù)據(jù)分析軟件中?？紤]各類變量較多，剔除各類影響因素較多。充分適合與多材料的工廠生產(chǎn)實際需求。

開放性工作曲線

l 各企業(yè)實際使用的物料千差萬別，任何測試儀器廠家均無能力窮盡所有物料，并在儀器上預(yù)制相關(guān)的工作曲線。各廠家只會在機器中預(yù)制常用的物料類型的工作曲線。

l 不具備與物料匹配的工作曲線時大多數(shù)儀器廠家會要求企業(yè)選擇相近物料的工作曲線進行測試，這種做法往往會導(dǎo)致測試結(jié)果偏差較大、部分濃度區(qū)間的物料測試結(jié)果偏差較大或根本無法測試。

l **電工**推薦XRF儀器需設(shè)立開放性工作曲線，使用戶根據(jù)自己的風險物料特點建立自己符合的物料范圍的工作曲線庫，從而確保較加良好的測試效果。然而由于各種原因現(xiàn)階段在機器中設(shè)立開放性工作曲線的廠商**。

l 在儀器中設(shè)置開放性工作曲線代表著儀器廠家對于產(chǎn)品穩(wěn)定性與線性的充分信心。亦表明其技術(shù)的良好性。

l 現(xiàn)階段我司全線產(chǎn)品中均預(yù)制開放性工作曲線功能，滿足用戶進一步物料檢測需求。

XRF好壞的評估方法

l 儀器安全性

XRF為X射線產(chǎn)品，X射線具備累計性及身體不可感知性，故其對于人員的危害性較加隱蔽、較加危險。優(yōu)良的XRF必須首先確保零輻射的基本條件實現(xiàn)。

用戶可以詳細了解儀器廠家的防護原理、防護措施、索要相關(guān)檢驗證書。有條件的還可使用X射線探測器進行實際檢驗。

l 儀器穩(wěn)定性測試

XRF屬于對比型分析儀器，其數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及同一樣品的再現(xiàn)性對于后期鑒定及測試較為重要。

將各種有害元素居中的樣品用儀器進行測量，連續(xù)測量21次（即95﹪的置信度），這21次的結(jié)果波動誤差范圍基本上反映了正常使用時，儀器測量的誤差范圍；此誤差范圍應(yīng)該小于我們要求的測量誤差。

l 儀器分辨能力測試

對不同含量的樣品測試數(shù)據(jù)是否保持相關(guān)線形，是決定未來測試不同含量樣品是否可以產(chǎn)生相關(guān)的數(shù)據(jù)變化，從而引起檢測人員關(guān)注的重要屬性。

使用的儀器工作曲線，逐個對準備好的樣品進行測量，測試結(jié)果的規(guī)律應(yīng)該與已知的含量結(jié)果的規(guī)律有較好的一致性（即較好的線性關(guān)系）；則說明儀器具有較好的分辨能力。

l 是否擁有開放式工作曲線

應(yīng)特別注意XRF儀器的分析軟件是否具有開放的制作工作曲線的功能，此性能可以保證用戶后期使用的延展性,并可以充分驗證XRF生產(chǎn)商是否具有足夠的技術(shù)支持能力

l 對儀器具體技術(shù)參數(shù)進行比較時，還應(yīng)注意基體材料的影響因素

XRF應(yīng)用領(lǐng)域

陶瓷

l 陶瓷元素分析

l 玻璃元素分析

l 水泥元素分析

環(huán)境

l 土壤元素分析

l 廢水元素分析

l 燃燒灰分元素分析

食品

l 各種食物中異物分析

l 飼料中元素分析

l 食品容器中不純物分析

化學

l 橡膠中不純物分析-RoHS

l 塑料中金屬成分分析-RoHS

l 涂料元素分析

l 石油重油中不純物分析

l 電鍍液中主成分及不純物分析

l 金屬、非金屬

原料分析

l 合金、非金屬主成分及不純物分析

l 礦石元素分析

l 固體主成分及不純物分析

l 貴重金屬主成分及不純物分析

l 礦渣精煉分析

電子、電器產(chǎn)品

l 電子零件有害物質(zhì)分析-RoHS

l 多層鍍層鍍膜厚度及主成測定

l 各種電子零件鍍膜厚度及主成測定

其它

l 纖維中元素分析

l 考古學古物元素分析

l 寶石元素分析與鑒定

l 各種樣品元素快速鑒定

l 血液中重金屬快速分析


江蘇天瑞儀器股份有限公司專注于ROHS檢測儀,江蘇天瑞儀器股份有限公司,手持式光譜儀,天瑞儀器,天瑞儀器股份有限公司,鍍層測厚儀等

• 詞條

  詞條說明

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  產(chǎn)品說明、技術(shù)參數(shù)及配置CEMS-X100是天瑞儀器20多年X射線熒光（XRF）研發(fā)制造經(jīng)驗的結(jié)晶。儀器結(jié)合煙氣顆粒物稀釋采樣技術(shù)和等速采樣技術(shù)，將煙氣中水分和溫度降至一定溫度后，顆粒物自動富集在卷狀濾膜上，采用高度集成**探測器和X射線熒光數(shù)字多道分析技術(shù)檢測重金屬顆粒物在X射線激發(fā)下產(chǎn)生的X熒光強度，通過信號強度和體積換算精確計算煙氣顆粒物中重金屬的濃度。實現(xiàn)煙氣中鉛、汞、鎘、鉻、砷等幾十種重

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  2003年1月27日，歐盟通過了《關(guān)于在電子電氣設(shè)備中限制使用某種危險物的指令》（ROHS指令）和《關(guān)于報廢電子電氣設(shè)備指令》（WEEE指令），要求電子電氣設(shè)備的生產(chǎn)者一方面承擔回收處理的責任，另一方面要求在這些電子電氣設(shè)備中不得含有鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴聯(lián)苯和多溴二聯(lián)苯6種有害物質(zhì)。這兩個標準將分別在今年8月13日和明年7月1日實施。?這兩項歐盟較新指令的實施將對我國機電產(chǎn)品出口歐盟

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