Máy quang phổ tia X phân tán năng lượng: Nguyên lý, hiệu suất và ứng dụng trong thử nghiệm RoHS

Tóm tắt
Bài báo này tập trung vào LISUN Máy quang phổ tia X phân tán năng lượng dòng EDX-2, trình bày một cách có hệ thống nguyên lý phát hiện dựa trên đặc tính tia X của các nguyên tố, phân tích sự khác biệt về hiệu suất của thiết bị thông qua so sánh các thông số mô hình cụ thể, và lấy thử nghiệm RoHS làm kịch bản ứng dụng cốt lõi để minh họa giá trị thực tế của chúng trong việc sàng lọc các chất độc hại trong các sản phẩm điện và điện tử. Nghiên cứu cho thấy, nhờ ưu điểm về độ phân giải cao, khả năng thích ứng đa môi trường và vận hành tự động, dòng máy quang phổ tia X này có thể thực hiện phân tích nguyên tố với phạm vi hàm lượng từ 2ppm đến 99.99%, đáp ứng các nhu cầu đa dạng như thử nghiệm RoHS, phát hiện thành phần hợp kim và đo độ dày lớp phủ, đồng thời cung cấp hỗ trợ kỹ thuật đáng tin cậy cho việc kiểm soát chất lượng công nghiệp.

1. Giới thiệu
Với sự phát triển toàn cầu của ngành công nghiệp điện và điện tử, các yêu cầu về an toàn vật liệu sản phẩm và tuân thủ môi trường ngày càng trở nên nghiêm ngặt hơn. Ví dụ, Chỉ thị RoHS của EU hạn chế các nguyên tố nguy hiểm như chì, thủy ngân và cadmium, điều này đã thúc đẩy sự đổi mới của các công nghệ phát hiện nguyên tố hiệu quả. Là một thiết bị kiểm tra không phá hủy, máy quang phổ tia X đã trở thành công cụ cốt lõi cho phân tích nguyên tố trong lĩnh vực công nghiệp nhờ những ưu điểm như không cần xử lý mẫu trước, tốc độ phát hiện nhanh và độ chính xác cao. Máy quang phổ tia X tán xạ năng lượng dòng EDX-2 được phát triển bởi LISUN Nhóm bao gồm nhiều mô hình bao gồm EDX-2A, EDX-2AC và EDX-2AB. Chúng tích hợp ba chức năng: kiểm tra RoHS, phân tích hợp kim và đo độ dày lớp phủ, có thể được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như linh kiện điện tử, vật liệu kim loại và sản phẩm nhựa. Nguyên lý kỹ thuật và hiệu suất của chúng có ý nghĩa tham khảo quan trọng đối với việc kiểm soát chất lượng công nghiệp.

2. Nguyên lý phát hiện của máy quang phổ tia X dòng EDX-2
Nguyên lý phát hiện cốt lõi của Máy quang phổ tia X tán xạ năng lượng dòng EDX-2 dựa trên sự khác biệt về bước sóng và cường độ tia X đặc trưng của các nguyên tố, thực hiện phát hiện định tính và định lượng các nguyên tố thông qua ba bước: “kích thích – phát hiện – phân tích”. Quy trình cụ thể như sau:

2.1 Kích thích tia X đặc trưng
Thiết bị được tích hợp sẵn ống tia X. Trong điều kiện hoạt động với điện áp ống 50KV và dòng điện ống 600uA (có thể tự động thiết lập thông số), thiết bị sẽ phát ra tia X sơ cấp năng lượng cao đến mẫu cần kiểm tra. Khi tia X sơ cấp xuyên qua lớp bề mặt của mẫu, chúng sẽ tương tác với các electron lớp vỏ trong của các nguyên tử trong mẫu, đẩy các electron lớp vỏ trong ra khỏi quỹ đạo nguyên tử và đưa các nguyên tử vào trạng thái kích thích không ổn định.

2.2 Tạo và phát hiện tia X đặc trưng
Để trở về trạng thái ổn định, các electron lớp ngoài cùng của nguyên tử sẽ chuyển sang quỹ đạo rỗng lớp trong. Trong quá trình chuyển đổi, một sự chênh lệch năng lượng sẽ được giải phóng, và năng lượng này được bức xạ dưới dạng tia X với bước sóng cụ thể, được gọi là "tia X đặc trưng của các nguyên tố". Các nguyên tố khác nhau có số hiệu nguyên tử khác nhau, và có sự khác biệt cố hữu về chênh lệch mức năng lượng của các quỹ đạo electron. Do đó, bước sóng của tia X đặc trưng phát ra cũng là duy nhất - đây là cơ sở cốt lõi để thiết bị thực hiện phân tích định tính nguyên tố.

Sau đó, các tia X đặc trưng được thu nhận bởi máy dò ( EDX-2A sử dụng máy dò Si-pin và các mô hình như EDX-2AC sử dụng bộ dò SDD có độ chính xác cao hơn). Bộ dò chuyển đổi tín hiệu tia X thành tín hiệu điện, sau đó được hệ thống xử lý tín hiệu chuyển đổi thành dữ liệu phổ có thể nhận dạng được để tạo thành sơ đồ phổ nguyên tố với tọa độ là “bước sóng – cường độ”.

2.3 Phân tích định lượng thành phần nguyên tố
Trong cùng điều kiện phát hiện, hàm lượng của một nguyên tố nhất định trong mẫu có mối tương quan thuận với cường độ tia X đặc trưng của nguyên tố đó – hàm lượng càng cao, sự chuyển dịch electron càng nhiều và cường độ tia X đặc trưng phát ra càng mạnh. Bằng cách so sánh cường độ các vạch phổ nguyên tố của mẫu cần kiểm tra với mẫu chuẩn có nồng độ đã biết (chẳng hạn như mẫu chuẩn EU được cung cấp kèm theo Dòng EDX-2), và hiệu chỉnh các yếu tố ảnh hưởng như hiệu ứng ma trận và nhiễu nền bằng các thuật toán phần mềm, thiết bị cuối cùng tính toán chính xác hàm lượng của từng nguyên tố trong mẫu cần kiểm tra, thực hiện phân tích định lượng. Phạm vi phân tích hàm lượng của thiết bị có thể bao phủ từ 2ppm đến 99.99%, đáp ứng nhu cầu phát hiện các nguyên tố vết và nguyên tố chính.

3. So sánh các thông số mô hình và hiệu suất của máy quang phổ tia X dòng EDX-2
Máy quang phổ tia X dòng EDX-2 được thiết kế với 5 model lõi cho các ứng dụng khác nhau. Có sự khác biệt về thiết kế cấu trúc, loại đầu dò và hiệu suất phát hiện giữa các model. Bảng so sánh các thông số cụ thể được thể hiện trong bảng sau:

Thông số kỹ thuật	EDX-2A (Máy tính để bàn không hút chân không)	EDX-2AC (Máy tính để bàn chân không)	EDX-2AB (Máy tính để bàn không hút chân không)	EDX-2ABC (Máy tính để bàn chân không)	EDX-2T (Máy hút chân không để bàn)
Trọng lượng thiết bị	50Kg	55Kg	50Kg	55Kg	55Kg
Thời gian phát hiện	200s	100s	200s	100s	100s
Kích thước buồng mẫu	610×320×100mm (L×W×H)	Không chân không: 510×310×120mm   Chân không: Ф100×70mm	610×320×100mm (L×W×H)	Không chân không: 510×310×120mm   Chân không: Ф100×70mm	Không chân không: 510×310×120mm   Chân không: Ф100×70mm
Môi trường thử nghiệm	Bầu không khí	Khoảng chân không	Bầu không khí	Khoảng chân không	Khoảng chân không
Loại máy dò	Si-pin	SDD	Si-pin	SDD	SDD
Độ phân giải	149eV	129eV	149eV	129eV	129eV
Điện áp/Dòng điện của ống đầu ra	50KV/600uA (Tự động cài đặt)	50KV/600uA (Tự động cài đặt)	50KV/600uA (Tự động cài đặt)	50KV/600uA (Tự động cài đặt)	50KV/600uA (Tự động cài đặt)
Các loại mẫu được thử nghiệm	Rắn, lỏng, bột	Không chân không: Rắn, Lỏng, Bột   Chân không: Rắn	Rắn, lỏng, bột	Không chân không: Rắn, Lỏng, Bột   Chân không: Rắn	Không chân không: Rắn, Lỏng, Bột   Chân không: Rắn
Phạm vi phân tích nội dung	2 trang/phút–99.99%	2 trang/phút–99.99%	2 trang/phút–99.99%	2 trang/phút–99.99%	2 trang/phút–99.99%
Ứng dụng cốt lõi	Kiểm tra RoHS	Kiểm tra RoHS, Kiểm tra lớp phủ	Kiểm tra RoHS, Phân tích hợp kim	Kiểm tra RoHS, Phân tích hợp kim, Kiểm tra lớp phủ	Kiểm tra RoHS, Phân tích hợp kim, Kiểm tra lớp phủ
Phạm vi nguyên tố để thử nghiệm hợp kim	Không thể kiểm tra	16-S (Lưu huỳnh) đến 92-U (Urani)	16-S (Lưu huỳnh) đến 92-U (Urani)	16-S (Lưu huỳnh) đến 92-U (Urani)	11-Na (Natri) đến 92-U (Urani)

Có thể thấy từ việc so sánh các thông số rằng sự khác biệt về hiệu suất của Máy quang phổ tia X dòng EDX-2 chủ yếu được phản ánh ở ba khía cạnh: thứ nhất, khả năng thích ứng với môi trường chân không. EDX-2AC, EDX-2ABC và EDX-2T hỗ trợ thử nghiệm chân không, có thể làm giảm sự hấp thụ tia X đặc trưng của các nguyên tố nhẹ (như natri và magie) trong không khí và mở rộng phạm vi phân tích nguyên tố hợp kim. Thứ hai, độ chính xác của máy dò. Độ phân giải của máy dò SDD (như EDX-2AC) là 129eV, tốt hơn so với đầu dò Si-pin (149eV). Nó có thể phân biệt chính xác hơn các vạch phổ nguyên tố có bước sóng liền kề và giảm lỗi phát hiện. Thứ ba, tích phân hàm. Mô hình cơ bản EDX-2A chỉ hỗ trợ thử nghiệm RoHS, trong khi EDX-2ABC và EDX-2T tích hợp chức năng phân tích hợp kim và đo độ dày lớp phủ cùng lúc, thích ứng với các tình huống công nghiệp phức tạp hơn.

4. Ứng dụng của máy quang phổ tia X dòng EDX-2 trong thử nghiệm RoHS
4.1 Yêu cầu và Tiêu chuẩn Thử nghiệm của Chỉ thị RoHS
Chỉ thị RoHS là tiêu chuẩn bảo vệ môi trường dành cho các sản phẩm điện và điện tử do EU xây dựng. Phiên bản hiện tại là 2011/65/EU (RoHS 2.0). So với phiên bản gốc (2002/95/EC), phạm vi kiểm soát của chỉ thị này đã được mở rộng sang các thiết bị y tế và thiết bị giám sát, và các nhà sản xuất được yêu cầu lưu giữ các tài liệu kỹ thuật và tuyên bố tuân thủ EC trong ít nhất 10 năm. Chỉ thị này giới hạn hàm lượng của 6 chất độc hại, với các yêu cầu cụ thể như sau: Thủy ngân (Hg) ≤ 1000ppm, Crom hóa trị sáu (CrVI) ≤ 1000ppm, Cadmium (Cd) ≤ 100ppm, Chì (Pb) ≤ 1000ppm, Polybrominated Biphenyls (PBBs) ≤ 1000ppm, Polybrominated Diphenyl Ethers (PBDEs) ≤ 1000ppm.
Tiêu chuẩn tương ứng tại Trung Quốc là "Phương pháp Kiểm tra các Chất Độc hại và Nguy hiểm trong Sản phẩm Thông tin Điện tử" (SJ/T 11365-2006), trong đó chỉ định rõ phương pháp quang phổ huỳnh quang tia X (XRF) là phương pháp sàng lọc nhanh các thành phần nguy hại theo RoHS. Máy quang phổ tia X dòng EDX-2 được phát triển dựa trên phương pháp này và có thể đáp ứng trực tiếp các yêu cầu kiểm tra tiêu chuẩn.

4.2 Ưu điểm của dòng EDX-2 trong thử nghiệm RoHS
Là thiết bị kiểm tra RoHS chuyên nghiệp, Máy quang phổ tia X dòng EDX-2 có những ưu điểm đáng kể về hiệu quả phát hiện, sự tiện lợi khi vận hành và tính an toàn:
• Sàng lọc nhanh không cần xử lý trước: Thời gian phát hiện EDX-2A là 200 giây và các mô hình chân không (chẳng hạn như EDX-2AC) Chỉ mất 100 giây. Không cần xử lý sơ bộ như tiêu hóa và hòa tan mẫu, và có thể kiểm tra trực tiếp các mẫu ở dạng rắn, lỏng và bột (như vỏ linh kiện điện tử, hạt nhựa và kem hàn), giúp rút ngắn đáng kể chu kỳ phát hiện.
• Độ phân giải và độ chính xác cao: Độ phân giải của các mô hình máy dò SDD (chẳng hạn như EDX-2AC) đạt 129eV, có thể xác định chính xác tia X đặc trưng của các nguyên tố vi lượng nguy hại như cadmium (Cd). Kết hợp với các mẫu chuẩn EU và chứng nhận hiệu chuẩn được cung cấp, thiết bị đảm bảo kết quả phát hiện đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế và tránh sai sót.
• Vận hành trực quan và bảo vệ an toàn: Thiết bị được trang bị camera độ phân giải cao và hệ thống chiếu sáng trong buồng, cho phép người vận hành kiểm tra vị trí thử nghiệm mẫu theo thời gian thực và tránh các lỗi phát hiện do đặt mẫu không đúng cách. Đồng thời, thiết bị có chức năng bảo vệ quá dòng và ngắn mạch, tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn công nghiệp và giảm thiểu nguy cơ hư hỏng thiết bị.

4.3 Trường hợp thử nghiệm thực tế
Một doanh nghiệp điện tử cần tiến hành sàng lọc tuân thủ RoHS đối với một lô linh kiện nhựa nhập khẩu và đã sử dụng EDX-2A Máy quang phổ tia X để thử nghiệm:
• Chuẩn bị mẫu: Các thành phần nhựa được cắt thành các mảnh nhỏ có kích thước 5cm×5cm và đặt trực tiếp vào buồng mẫu (kích thước 610×320×100mm) mà không cần xử lý thêm;
• Cài đặt thông số: Thiết bị tự động cài đặt điện áp đèn thành 50KV, dòng điện đèn thành 600uA và thời gian phát hiện thành 200 giây;
• Kết quả phát hiện: Thiết bị đã tạo ra biểu đồ phổ nguyên tố, cho thấy hàm lượng chì (Pb) trong mẫu là 850ppm và hàm lượng cadmium (Cd) là 30ppm, cả hai đều thấp hơn giới hạn RoHS, do đó được đánh giá là đạt yêu cầu. Đồng thời, không phát hiện thấy các nguyên tố nguy hại khác như thủy ngân và crom hóa trị sáu trong các vạch phổ, và báo cáo thử nghiệm RoHS cuối cùng đã được ban hành.

Trường hợp này cho thấy Máy quang phổ tia X dòng EDX-2 có thể nhanh chóng hoàn thành việc sàng lọc RoHS đối với các linh kiện điện tử, cung cấp cơ sở tuân thủ cho việc xuất khẩu sản phẩm của doanh nghiệp sang EU và tránh rủi ro thương mại do lượng chất độc hại quá mức gây ra.

5. Các ứng dụng cốt lõi khác của máy quang phổ tia X dòng EDX-2
Ngoài thử nghiệm RoHS, Máy quang phổ tia X dòng EDX-2 còn tích hợp chức năng phân tích hợp kim và đo độ dày lớp phủ, mở rộng các tình huống ứng dụng của thiết bị:
5.1 Phân tích hợp kim
EDX-2AB, EDX-2ACác model BC và EDX-2T hỗ trợ phân tích hợp kim. Trong số đó, EDX-2T có thể phát hiện tất cả các nguyên tố từ 11-Na (Natri) đến 92-U (Urani) trong bảng tuần hoàn, và phù hợp để phát hiện thành phần của các vật liệu như thép không gỉ, hợp kim nhôm và kim loại quý (vàng, bạch kim). Ví dụ, trong ngành trang sức, EDX-2T có thể nhanh chóng xác định độ tinh khiết của trang sức vàng (như Au999, Au750) mà không làm hỏng mẫu; trong lĩnh vực sản xuất máy móc, nó có thể phân tích hàm lượng crom và niken trong thép không gỉ để đánh giá khả năng chống ăn mòn của vật liệu có đáp ứng yêu cầu thiết kế hay không.

5.2 Đo độ dày lớp phủ
EDX-2AC, EDX-2ACác mô hình BC và EDX-2T có chức năng đo độ dày lớp phủ. Chúng tính toán giá trị tuyệt đối của độ dày lớp phủ bằng cách phát hiện sự khác biệt về cường độ tia X đặc trưng giữa lớp phủ và vật liệu nền. Ví dụ, trong sản xuất đầu nối điện tử, độ dày lớp mạ niken trên bề mặt đế đồng (chẳng hạn như 5μm, 10μm) có thể được phát hiện để đảm bảo độ dẫn điện và khả năng chống mài mòn của lớp phủ; trong sản xuất phụ tùng ô tô, độ dày lớp mạ kẽm có thể được theo dõi để đánh giá khả năng chống gỉ của các bộ phận.

6. Kết luận 
Dựa trên nguyên lý phát hiện tia X đặc trưng của các nguyên tố, LISUN Máy quang phổ tia X phân tán năng lượng dòng EDX-2 Hiện thực hóa việc tích hợp đa chức năng của thử nghiệm RoHS, phân tích hợp kim và đo độ dày lớp phủ. Với độ phân giải cao, tốc độ phát hiện nhanh và khả năng thích ứng với nhiều mẫu, chúng trở thành thiết bị quan trọng trong kiểm soát chất lượng công nghiệp. Từ việc so sánh các thông số, các model thiết bị khác nhau có thể đáp ứng nhu cầu của các tình huống khác nhau - EDX-2A phù hợp cho việc sàng lọc RoHS cơ bản, EDX-2ABC phù hợp cho thử nghiệm toàn diện đa tình huống, và EDX-2T có ưu điểm trong phân tích nguyên tố nhẹ. Doanh nghiệp có thể lựa chọn model phù hợp theo nhu cầu riêng.

Tags:EDX-2A