Рентгеновские толщиномеры

Микрорентгенофлуоресцентный анализ (МикроРФА, Микро-РФА или microXRF, mXRF) – это неразрушающий, бесконтактный и быстрый метод измерения в котором узкий пучок рентгеновского излучения воздействует на атомы материала, которые испускают энергию в форме флуоресцентного излучения, специфичного для элемента. Спектр испускаемого излучения дает представление об элементном составе образца, обнаруживаемом детекторами, такими как газонаполненные пропорциональные счетчики или твердотельные кремниевые pin-диоды. Этот метод позволяет проводить точный анализ состава материала и измерять толщину покрытия.

Для формирования узкого пучка излучения обычно используется коллиматоры диаметром 100, 300, 500 или 700 микрон. Самый малый коллиматор чаще всего выбирают не менее 50 мкм или 100 мкм т.к уменьшение размера коллиматора приведет уже к избыточно сильному падению интенсивности излучения от рентгеновской трубки (интенсивность зависит от площади круга и падение интенсивности происходит в квадрате) и этого будет недостаточно для генерации вторичного флуоресцентного излучения с целью получения значимой статистики результата. 

Для решения вопроса сильного падения интенсивности при диаметрах коллиматора 50 или 100 мкм в современной промышленности иногда применяют поликапиллярную оптику, которая «сводит» рентгеновские лучи от рентгеновской трубки в одну точку без вырезания из пучка в диаметр от 10 до 25 мкм, что позволяет «не потерять» интенсивность. Однако такие микроРФА спектрометры дороги и требуют высокой технологичности в изготовлении. Тем не менее находят свое применение, где требуется решение сложных задач по картированию поверхности. 

Слева пример вырезания пучка специальным коллиматором-трубкой и справа сведение рентгеновского пучка в точку используя поликапиллярную «оптику»

Микрорентгенофлуоресцентный метод

Микрорентгенофлуоресцентный метод нашел широкое применение при измерении толщины металлического покрытия. Это могут быть как покрытия, которые нанесены гальваническим способом используя ванны с электролитами, так и покрытия (напыления), нанесенные в вакуумных установках. 

Принцип измерения толщины покрытия микрорентгенофлуоресцентным методом основан на том, что излучение от основы падает с увеличением толщины покрытия. Специализированные толщиномеры фирмы ACZET, например, модели Compact Eco или Axiom имеют предустановленное заводское ПО в котором предустановлены математические алгоритмы по расчету толщины металлического покрытия на основе законов поглощения рентгеновских лучей и известной плотности каждого материала в слоях. Такие рентгеновские толщиномеры способны измерять одновременно 4 слоя покрытия и выдавать результат для каждого слоя толщину в микрометрах. 

Типичной толщиной гальванического покрытия являются значения от 1 до 20 мкм и для этого диапазона микроРФА выдает самую высокую точность. Обычно погрешность измерения таких толщин не превышает +-5% относительных. Т.е. погрешность на толщину 1 мкм будет всего +-0,05 мкм. Это очень хорошие показатели погрешности и ни один другой метод не может измерить толщину покрытия с такой точностью в таком диапазоне толщин. 

Для измерения тонких вакуумных или гальванически покрытий толщиной от нескольких десятков нанометров метод микроРФА тоже хорошо подходит, но для измерения таких тонких слоев и получения низкой погрешности требуется увеличение времени измерения с типовых 30 секунд до 180 или даже 360 секунд. Возможен вариант использования более широкого рентгеновского пучка, например, размером 700 мкм или применение более высокоинтенсивной рентгеновской трубку с тонким бериллиевым окном, такие решения позволят уменьшить время измерения порытия. 

Типовая схема микрорентегофлоресцентного спектрометра следующая

Некоторые примеры измерения толщин покрытий

Анализ покрытий санитарных изделия и деталей в автомобильной промышленности

С целью измерения многослойных покрытий для защиты, упрочнения, декорирования изделий, например: гальванические покрытия для санитарных изделий и коррозионностойкие покрытия в автомобильной промышленности. 

На примере показан типовой набор слоев, нанесенных на типовые основы (основа выделена красным). РФА толщиномеры позволяют измерить один, два или три типовых слоя в данном примере

Анализ покрытий в электронике

• Измерение толщин при производстве промышленных компонентов

• Измерение многослойных покрытий для функциональности контактов и компонентов

Анализ покрытия в ювелирных изделиях

• Содержание недрагоценных и неметаллических веществ в соответствии с государственными требованиями

• Многослойные покрытия для декора изделий

Измерение покрытий на инструментах

Измерение покрытий на крепеже (винты, гайки, болты, шурупы и т. д.)