X射線測厚儀操作機理

X射線測厚儀操作機理 

  X射線測厚儀操作機理摘自金屬覆蓋層/覆蓋層厚度測量X射線光譜方法（G B/T 16921- 2005/ISO 3497:2000）標準，該標準是德國菲希爾fischer公司配合起草的新一代金屬覆蓋層/覆蓋層厚度測量X射線光譜方法標準，替代G B/T 16921- 1997標準。X射線測厚儀操作機理如下：

  覆蓋層單位面積質量(若密度已知，則為覆蓋層線性厚度)和二次輻射強度之間存在一定的關系對于任何實際的儀器系統，該關系先由已知單位面積質量的覆蓋層校正標準塊校正確定 若覆蓋層材料的密度己知，同時又給出實際的密度，則這樣的標準塊就能給出覆蓋層線性厚度。（注:覆蓋層材料密度是覆蓋狀態的密度，不一定是測量時的覆蓋層材料的理論密度。如果該密度與校正標準的密度不同，應當采用 個反映這種差別的系數并在測試報告中加以評注。）熒光強度是元素原子序數的函數 如果表面覆蓋層、中間覆蓋層(如果存在)以及基體是由不同元素組成或一個覆蓋層由不止 一個元素組成，則這此兒素會產生各 自的輻射特征。可調節適當的檢測器系統以選擇一個或多個能帶，使此設備既能測量表而覆蓋層又能同時測量表面覆蓋層和一些中間覆蓋層的厚度和組成。X射線測厚儀操作機理中具體方法如下：

一、 激發

1、一般要求：X 射線光譜方法測定覆蓋層厚度是基于一束強烈而狹窄的多色或單色 X 射線與基體和覆蓋層的相互作用。此相互作用產生離散波長和能量的二次輻射，這些二次輻射具有構成覆蓋層和基體的元素特征 。高壓 X 射線管發生器或適當的放射性同位素可產生這樣的輻射

2、由高壓 X 射線管產生：穩定條件下如果對 X 射線管外加足夠的電位，則能產生適當的激發輻射。大多數厚度測量要求的外加電壓約為25 kV --50 kV 但為了測量低原子序數覆蓋層材料，可能有必要將電壓降 10 kV 由于應用了安裝在X 射線管和試樣之間的基色濾色器，降低 了測量的不確定度。該激發方法的主要優點為：

a、通過準直，能在很小的測量面上產生一束極強的輻射束。

b、人身安-全要求容易保證;

c、通過現代電子學方法可獲得足夠穩定的發射

3、由放射性 同位素產生只有幾種放射性同位素發射的7 射線在能量帶上適合覆蓋層厚度測量。理想的是，激發輻射的能量比要求的特征 X 射線能量稍高(波長稍短)，放射性同位素激發的優點在于儀器結構更緊湊，這主要是因為無需冷卻 此外，與高壓X 射線管發生器不同，其輻射是單色的而且本底強度低。與X 射線管方法相比，其主要技術缺點是：所得強度低得多，不能進行小面積測量；一些放射性同位素半衰期短；高強度放射性同位素帶來人員防護問題(高壓 X 射線管可簡單關閉)

二、色散

1、一般要求：覆蓋層表面經 X 射線照射產生的二次輻射通常包含除覆蓋層厚度測量所要求之外的成分。利用波長色散或能量色散可分離所需要的成分。2、波長色散：用 一個品體分光儀可選擇覆蓋層或基體的波長特征，現有的常用晶體典型特征輻射數據見各國權威機構的出版物。

3、能t 色散

X 射線量子通常是以波長或等效能量表示。波長和能量的關系式為:A X E = 1. 2 3 98 4 27式中:

A 波長，單位為納米(nm );

F.- 能量 ，單位為千電子伏特 (keV )

三、檢測

波長色散系統用的檢測器類型由一充氣管、固態檢測器或與光電倍增器相連接的閃爍計數器構成能量色散系統用的適當的接收熒光光子的檢測器由儀器設計者根據應用選定。在 1.5 keV ^100 keV 的能帶范圍內，可在正常氣氛中進行測量，而不需氦氣或真空不同特征能4 的熒光輻射人能量色散檢測器，然后再進人一多道分析儀以控制選擇正確的能帶

四、厚度測量

1、發射方法：若測量覆蓋層的特征輻射強度，則在達到飽和厚度前，此強度將隨厚度的增加而增加，見圖 la).使用 X 射線發射方法時，將儀器調到接收選定的覆蓋層材料的特征能量帶，這樣，薄覆蓋層產生低強度而厚覆蓋層產生高強度

2、吸收方法：若測量基體的特征輻射強度，則此強度隨厚度增加而減小，X 射線吸收方法利用基體材料的特征能帶。這樣，薄覆蓋層產生高強度而厚覆蓋層產生低強度。在實際運用時 ，要注意確保 不存 在中間層吸收特征與發射特征反向相似

3、比率方法：當覆蓋層厚度用基體和覆蓋材料各自的強度比表示時，則可能使 X 射線吸收方法和發射方法結合 這種強度比率方法的測量基本同試樣和檢測器之間的距離無關。

4、測f對上面所描述的兩種方法，許多商用儀器常采用歸一化計數率系統，將無覆蓋層的基體的特征計數率調整為。，而無限厚度的覆蓋層材料的特征計數率為 l，因此 所有可測厚度計數率都處于 0 到 1 的歸一化計數率范圍。見圖2 .在所有的情況下 ，測量 的-好或靈敏范 圍大約在 。.3- 0.8 的特征計數 率標 度之 間。因此，要 在整個厚度范圍得到-好的測量精度，宜用 0.3- 0.8 的特征計數率值的校正標準。為了確保其他厚度的測量精度，一些儀器可能用其他標準。因為校止標準的不確定度隨厚度的減少而增加，所以通過適當使用具有厚覆蓋層而低不確定度的標準塊，在厚度范圍的薄端建立正確的數學關系。

五、二次輻射的吸收器

當測量具有寬能量差異(能量色散系統)的覆蓋層/基體材料組合時，飽和厚度覆蓋層和無覆蓋層基體的特征計數率的比率很高(典型為 10 :1)。在這種情況下，不一定需要具有類似或相同基體的校正標準(因為基體材料將不輻射與覆蓋層材料同樣的能帶)。當無鑊蓋層基體與無限厚覆蓋層的計數率比為3 ，1 時(對具有相似能量的覆蓋層/基體組合) ，往往必須選用一種“吸收器”，以吸收其中一種材料的輻射，通常指基體材料的輻射。這種吸收器通常是手動或自動放置在被測表面與檢測器之間。

六、 數學反卷積

在使用多道分析器時，二次輻射頻譜的數學反卷積可求出特征輻射強度。當被檢測特征輻射的能量不能充分地區分時，如來自金(A u)和黃銅(Br)的特征輻射，則可使用這種方法。這種方法被稱為“數字濾波”而有別于濾波法。

七、多層測f

只要內層的特征X 射線發射不完全被外層吸收，則可以測量一層以上的覆蓋層。在一個能量色散系統中安裝多道分析儀，用以接收兩種或更多種材料的兩個或更多個不同的特征能帶。

八、 合金成分厚度測，某種合金和化合物，例如錫一鉛，可以同時測量其成分和厚度 在某些情況下，該方法也可在上面描述的情況 「使用，例如，銅合金基體上/鎳/把/金。因為合金或化合物的厚度測量取決于合金的成分，所以，必須在測量厚度之前知道或認定其成分或者能測量其成分。

注：認定的成分會引人厚度測量誤差。一些筱蓋層會通過與基體的互相擴散形成合金，這種合金層的存在可能增加測量的不確定度。

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