Spettrometro a raggi X a dispersione di energia: principio, prestazioni e applicazione nei test RoHS

Astratto
Questo documento si concentra sul LISUN Spettrometri a raggi X a dispersione di energia serie EDX-2, esponendo sistematicamente il loro principio di rilevamento basato sui raggi X caratteristici degli elementi, analizzando le differenze di prestazioni delle apparecchiature attraverso il confronto di specifici parametri modello e prendendo i test RoHS come scenario applicativo principale per illustrare il loro valore pratico nello screening di sostanze pericolose nei prodotti elettrici ed elettronici. La ricerca dimostra che, sfruttando i vantaggi dell'alta risoluzione, dell'adattabilità multi-scenario e del funzionamento automatico, questa serie di spettrometri a raggi X può realizzare analisi elementari con un intervallo di contenuto da 2 ppm al 99.99%, soddisfacendo diverse esigenze come i test RoHS, la rilevazione della composizione delle leghe e la misurazione dello spessore del rivestimento, e fornendo un supporto tecnico affidabile per il controllo qualità industriale.

1. introduzione
Con lo sviluppo globale dell'industria elettrica ed elettronica, i requisiti di sicurezza dei materiali e di conformità ambientale dei prodotti sono diventati sempre più severi. Ad esempio, la Direttiva RoHS dell'UE limita elementi pericolosi come piombo, mercurio e cadmio, il che ha promosso l'innovazione di tecnologie efficienti per la rilevazione elementare. Come strumento di controllo non distruttivo, lo spettrometro a raggi X è diventato uno strumento fondamentale per l'analisi elementare in ambito industriale grazie ai suoi vantaggi: nessun pretrattamento del campione, elevata velocità di rilevazione ed elevata precisione. Gli spettrometri a raggi X a dispersione di energia della serie EDX-2 sviluppati da LISUN Il gruppo copre più modelli tra cui EDX-2A, EDX-2AC e EDX-2AB. Integrano tre funzioni: test RoHS, analisi delle leghe e misurazione dello spessore del rivestimento, e possono essere ampiamente utilizzati in settori quali componenti elettronici, materiali metallici e prodotti in plastica. I loro principi tecnici e le loro prestazioni sono di grande importanza per il controllo qualità industriale.

Apparecchiatura di prova EDX-2_Rohs

2. Principio di rilevamento degli spettrometri a raggi X serie EDX-2
La logica di rilevamento principale degli spettrometri a raggi X a dispersione di energia della serie EDX-2 si basa sulle differenze di lunghezza d'onda e intensità dei raggi X caratteristici degli elementi e realizza il rilevamento qualitativo e quantitativo degli elementi attraverso tre fasi: "eccitazione - rilevamento - analisi". Il processo specifico è il seguente:

2.1 Eccitazione dei raggi X caratteristici
L'apparecchiatura è dotata di un tubo a raggi X integrato. Alle condizioni di esercizio di 50 kV di tensione e 600 µA di corrente (i parametri possono essere impostati automaticamente), emette raggi X primari ad alta energia sul campione da analizzare. Quando i raggi X primari penetrano lo strato superficiale del campione, interagiscono con gli elettroni del guscio interno degli atomi presenti nel campione, espellendoli dall'orbita atomica e portando gli atomi in uno stato eccitato instabile.

2.2 Generazione e rilevamento di raggi X caratteristici
Per tornare a uno stato stabile, gli elettroni del guscio esterno dell'atomo transiteranno verso l'orbita vuota del guscio interno. Durante il processo di transizione, verrà rilasciata una differenza di energia, che verrà irradiata sotto forma di raggi X con una lunghezza d'onda specifica, chiamata "raggi X caratteristici degli elementi". Elementi diversi hanno numeri atomici diversi e vi sono differenze intrinseche nelle differenze di livello energetico delle orbite elettroniche. Pertanto, anche le lunghezze d'onda dei raggi X caratteristici emessi sono uniche: questa è la base fondamentale per l'esecuzione di analisi elementari qualitative.

Successivamente, i raggi X caratteristici vengono ricevuti dal rivelatore (il EDX-2A utilizza un rilevatore Si-pin e modelli come il EDX-2AC utilizza un rilevatore SDD ad alta precisione). Il rilevatore converte il segnale a raggi X in un segnale elettrico, che viene poi convertito in dati spettrali riconoscibili dal sistema di elaborazione del segnale per formare un diagramma dello spettro elementare con "lunghezza d'onda - intensità" come coordinata.

2.3 Analisi quantitativa del contenuto elementare
Nelle stesse condizioni di rilevamento, il contenuto di un determinato elemento nel campione è correlato positivamente con l'intensità dei suoi raggi X caratteristici: maggiore è il contenuto, maggiore è la transizione di elettroni e maggiore è l'intensità dei raggi X caratteristici emessi. Confrontando l'intensità delle linee spettrali elementari del campione da analizzare con quella del campione standard a concentrazione nota (come il campione standard UE fornito con la serie EDX-2) e correggendo i fattori di influenza come l'effetto matrice e l'interferenza di fondo con algoritmi software, l'apparecchiatura calcola infine il contenuto accurato di ciascun elemento nel campione da analizzare, realizzando un'analisi quantitativa. Il suo intervallo di analisi del contenuto può andare da 2 ppm al 99.99%, soddisfacendo le esigenze di rilevamento di elementi in tracce e maggiori.

3. Parametri del modello e confronto delle prestazioni degli spettrometri a raggi X della serie EDX-2
Gli spettrometri a raggi X della serie EDX-2 sono progettati con 5 modelli principali per diversi scenari applicativi. I vari modelli presentano differenze nella progettazione strutturale, nel tipo di rivelatore e nell'efficienza di rivelazione. Il confronto dei parametri specifici è illustrato nella tabella seguente:

Dal confronto dei parametri si può osservare che le differenze di prestazioni degli spettrometri a raggi X della serie EDX-2 si riflettono principalmente in tre aspetti: in primo luogo, l'adattabilità all'ambiente sotto vuoto. EDX-2AC, EDX-2ABC ed EDX-2T supportano i test sotto vuoto, che possono ridurre l'assorbimento dei raggi X caratteristici degli elementi leggeri (come sodio e magnesio) da parte dell'aria e ampliare la gamma di elementi analizzabili con leghe. In secondo luogo, la precisione del rivelatore. La risoluzione del rivelatore SDD (come EDX-2AC) è di 129 eV, migliore di quella del rivelatore Si-pin (149 eV). Può distinguere con maggiore accuratezza le linee spettrali elementari con lunghezze d'onda adiacenti e ridurre gli errori di rilevamento. Terzo, integrazione di funzioni. Il modello base EDX-2A supporta solo i test RoHS, mentre il EDX-2ABC ed EDX-2T integrano contemporaneamente le funzioni di analisi delle leghe e di misurazione dello spessore del rivestimento, adattandosi a scenari industriali più complessi.

4. Applicazione degli spettrometri a raggi X serie EDX-2 nei test RoHS
4.1 Requisiti della direttiva RoHS e standard di prova
La Direttiva RoHS è uno standard di protezione ambientale per i prodotti elettrici ed elettronici formulato dall'UE. La versione attuale è la 2011/65/UE (RoHS 2.0). Rispetto alla versione originale (2002/95/CE), il suo ambito di controllo è stato esteso ai dispositivi medici e alle apparecchiature di monitoraggio, e i produttori sono tenuti a conservare la documentazione tecnica e le dichiarazioni di conformità CE per almeno 10 anni. Questa direttiva limita il contenuto di 6 sostanze pericolose, con requisiti specifici come segue: Mercurio (Hg) ≤ 1000 ppm, Cromo esavalente (CrVI) ≤ 1000 ppm, Cadmio (Cd) ≤ 100 ppm, Piombo (Pb) ≤ 1000 ppm, Bifenili polibromurati (PBB) ≤ 1000 ppm, Eteri di difenile polibromurati (PBDE) ≤ 1000 ppm.
Lo standard cinese corrispondente è "Metodi di prova per sostanze tossiche e pericolose nei prodotti elettronici informatici" (SJ/T 11365-2006), che designa chiaramente la spettrometria a fluorescenza a raggi X (XRF) come metodo di screening rapido per gli elementi pericolosi della direttiva RoHS. Gli spettrometri a raggi X della serie EDX-2 sono sviluppati sulla base di questo metodo e possono soddisfare direttamente i requisiti di prova standard.

4.2 Vantaggi della serie EDX-2 nei test RoHS
In quanto apparecchiature professionali per i test RoHS, gli spettrometri a raggi X della serie EDX-2 presentano notevoli vantaggi in termini di efficienza di rilevamento, praticità operativa e sicurezza:
• Screening rapido senza pretrattamento: il tempo di rilevamento del EDX-2A è di 200 secondi, e i modelli del vuoto (come il EDX-2AC) Richiede solo 100 secondi. Non è necessario alcun pretrattamento, come la digestione e la dissoluzione del campione, e i campioni in forma solida, liquida e in polvere (come involucri di componenti elettronici, particelle di plastica e pasta saldante) possono essere analizzati direttamente, il che riduce notevolmente il ciclo di rilevamento.
• Alta risoluzione e precisione: la risoluzione dei modelli di rilevatori SDD (come il EDX-2AC) raggiunge i 129 eV, consentendo di identificare con precisione i raggi X caratteristici di elementi pericolosi in tracce come il cadmio (Cd). In combinazione con i campioni standard UE e i certificati di calibrazione forniti, garantisce che i risultati di rilevamento siano conformi agli standard internazionali ed evita errori di valutazione.
• Funzionamento visivo e protezione di sicurezza: l'apparecchiatura è dotata di una telecamera ad alta definizione e di un sistema di illuminazione interna, che consente agli operatori di controllare la posizione del campione in tempo reale ed evitare errori di rilevamento causati da un posizionamento errato del campione. Allo stesso tempo, l'apparecchiatura è dotata di funzioni di protezione da sovracorrente e cortocircuito, conformi agli standard di sicurezza industriale e che riducono il rischio di danni all'apparecchiatura.

4.3 Caso di prova pratico
Un'azienda di elettronica aveva bisogno di condurre uno screening di conformità RoHS su un lotto di componenti in plastica importati e ha utilizzato EDX-2A Spettrometro a raggi X per test:
• Preparazione del campione: i componenti in plastica sono stati tagliati in piccoli pezzi di 5 cm × 5 cm e posizionati direttamente nella camera del campione (dimensioni 610 × 320 × 100 mm) senza altri trattamenti;
• Impostazione dei parametri: l'apparecchiatura imposta automaticamente la tensione del tubo a 50 KV, la corrente del tubo a 600 uA e il tempo di rilevamento a 200 secondi;
• Risultati del rilevamento: l'apparecchiatura ha generato un diagramma dello spettro elementare, che mostrava un contenuto di piombo (Pb) nel campione pari a 850 ppm e un contenuto di cadmio (Cd) pari a 30 ppm, entrambi inferiori ai limiti RoHS, quindi il prodotto è stato giudicato conforme. Allo stesso tempo, non sono stati rilevati altri elementi pericolosi come mercurio e cromo esavalente nelle linee spettrali, ed è stato infine emesso un rapporto di prova RoHS.

Questo caso dimostra che gli spettrometri a raggi X della serie EDX-2 possono completare rapidamente lo screening RoHS dei componenti elettronici, fornire una base di conformità per le esportazioni di prodotti delle aziende verso l'UE ed evitare rischi commerciali causati da sostanze eccessivamente pericolose.

5. Altre applicazioni principali degli spettrometri a raggi X serie EDX-2
Oltre ai test RoHS, gli spettrometri a raggi X della serie EDX-2 integrano anche funzioni di analisi delle leghe e di misurazione dello spessore del rivestimento, ampliando gli scenari applicativi dell'apparecchiatura:
5.1 Analisi della lega
. EDX-2AB, EDX-2AI modelli BC ed EDX-2T supportano l'analisi delle leghe. Tra questi, l'EDX-2T è in grado di rilevare tutti gli elementi della tavola periodica, dall'11-Na (sodio) al 92-U (uranio), ed è adatto per la determinazione della composizione di materiali come acciaio inossidabile, leghe di alluminio e metalli preziosi (oro, platino). Ad esempio, nel settore della gioielleria, l'EDX-2T può determinare rapidamente la purezza dei gioielli in oro (come Au999, Au750) senza danneggiare il campione; nel settore della produzione di macchinari, può analizzare il contenuto di cromo e nichel nell'acciaio inossidabile per valutare se la resistenza alla corrosione del materiale soddisfa i requisiti di progettazione.

5.2 Misurazione dello spessore del rivestimento
. EDX-2AC, EDX-2AI modelli BC ed EDX-2T hanno la funzione di misurare lo spessore del rivestimento. Calcolano il valore assoluto dello spessore del rivestimento rilevando la differenza di intensità dei raggi X caratteristici tra il rivestimento e il materiale del substrato. Ad esempio, nella produzione di connettori elettronici, è possibile rilevare lo spessore del rivestimento di nichel sulla superficie del substrato di rame (ad esempio 5 μm, 10 μm) per garantire la conduttività e la resistenza all'usura del rivestimento; nella produzione di componenti per auto, è possibile monitorare lo spessore dello strato zincato per valutare la resistenza alla ruggine dei componenti.

6. conclusioni 
Basato sul principio di rilevamento dei raggi X caratteristici degli elementi, il LISUN Spettrometri a raggi X a dispersione di energia serie EDX-2 Realizzano l'integrazione multifunzionale di test RoHS, analisi delle leghe e misurazione dello spessore del rivestimento. Le loro caratteristiche di alta risoluzione, elevata velocità di rilevamento e ampia adattabilità del campione li rendono strumenti importanti per il controllo qualità industriale. Dal confronto dei parametri, diversi modelli di apparecchiature possono soddisfare le esigenze di diversi scenari: EDX-2A è adatto per lo screening RoHS di base, il EDX-2AIl BC è adatto per test completi multi-scenario e l'EDX-2T offre vantaggi nell'analisi degli elementi leggeri. Le aziende possono scegliere il modello più adatto alle proprie esigenze.