Radiometryczne metody pomiarów grubości powłok

Transkrypt

1 . Wstęp Radiometryczne metody pomiarów grubości powłok Krzysztof Besztak Elektrownia Opole Grzegorz Jezierski Politechnika Opolska W roku 00 Polski Komitet Normalizacji zatwierdził dwie nowe normy dotyczące radiologii przemysłowej, a dokładniej, normy związane z pomiarami grubości powłok przy wykorzystaniu promieniowania jonizującego. Chodzi tu o normy: PN-EN ISO 97 - Powłoki metalowe. Pomiary grubości powłok. Metody spektrometrii rentgenowskiej. oraz PN-EN ISO - Powłoki metalowe i niemetalowe. Pomiar grubości. Metoda beta-odbiciowa. Ze względu na fakt, iż pomiary grubości powłok to jedna z dziedzin badań nieniszczących, a na dodatek jest to dziedzina pokrewna radiografii przemysłowej, warto przybliżyć uczestnikom naszej konferencji tę dziedzinę. Nieniszczące pomiary grubości powłok są jednym z zasadniczych elementów kontroli produkcji, decydującym o jakości wielu wyrobów. Istnieje wiele nieniszczących metod badań powłok. Metody radiometryczne, znajdujące się wśród nich, znalazły szerokie zastosowanie. Wśród samych metod radiometrycznych, również istnieje spora różnorodność. Różnorodność metod, technik i sprzętu pomiarowego wynika tu z wielu możliwości oddziaływania promieniowania jonizującego z materią. Przedstawiono to w uproszczony sposób na rys.. WZBUDZANIE ZJAWISKO DETEKCJA α β γ X p X m X p X m 7 (warstwa) ROZPROSZENIE (WSTECZNE) (podłoże) (warstwa) FLUORESCENCJA (promieniowania X) (podłoże) (warstwa) DYFRAKCJA (podłoże) RADIOMEYTRY (liczniki G-M, komory jonizacyjne) ANALIZATORY o niskiej rozdzielcz. (liczniki proporcjonalne i scyntylac.) ANALIZATORY o wysokiej rozdzielcz. (detektory półprzewodnikowe) ANALIZATORY GEOMETRYCZNE (kryształy dyfrakcyjne, układy goniometryczne i wielodetektorowe) REJESTRATORY PROMIENIOWANIA (błony fotograficzne) Rys.. Radiometryczne pomiary grubości powłok

2 Rysunek nie obejmuje metod skrośnych pomiaru grubości powłok (opartych na zasadzie absorpcji promieniowania w podłożu i powłoce) jak również metod o bardzo ograniczonym zastosowaniu jak np. metoda emisji elektronów, metoda interferencji promieniowania X czy metoda z wykorzystaniem efektu Mössbauera. W najwcześniejszym etapie stosowania metod radiometrycznych, do pomiarów grubości powłok wykorzystywano zjawiska dyfrakcji promieniowania X. Pomiary przeprowadzane były na zestawach specjalnych aparatów rentgenowskich dla zastosowań w analityce. Zakres zastosowań tej metody ogranicza się tylko do materiałów o budowie krystalicznej, a więc do metali. Natężenie analizowanego po procesie dyfrakcji (np. w powłoce) prążka widma promieniowania X, zależne jest nie tylko od grubości powłoki, ale także od wymiarów i orientacji kryształów, naprężeń w próbce i jej położenia. Metody dyfrakcyjne znalazły zastosowanie do pomiarów grubości cienkich warstw (np. pomiar powłok chromowych w zakresie 0,0 µm). Są one przydatne szczególnie tam, gdzie ten sam pierwiastek występuje w podłożu jak i w materiale powłoki (w postaci związków) i innymi metodami nie można przeprowadzić dokładnego pomiaru grubości. W praktyce przemysłowej, jednakże, znalazły zastosowanie głównie dwie inne metody metoda rozproszenia wstecznego promieniowania beta (metoda beta-odbiciowa) oraz metoda fluorescencji promieniowania X.. Metoda beta-odbiciowa Pierwsze doniesienia o wykorzystaniu zjawiska rozproszenia cząstek beta do pomiarów grubości powłok ukazały się w 9r. Od tego czasu metoda ta rozpowszechniła się znacznie i znalazła szereg zastosowań w wielu gałęziach przemysłu. W Polsce, po raz pierwszy, stosowanie tej metody zostało przewidziane normą PN-7/H-0 - Ochrona przed korozją. Pomiar grubości powłok metalowych i konwersyjnych metodami nieniszczącymi (norma ta została zastąpiona później przez PN-8/H-0 o identycznym tytule). LICZNIK GEIGERA-MUELLERA ŹRÓDŁO PROMIENIO- WANIA Przysłona Obiekt Rys.. Zasada działania miernika beta-odbiciowego Metoda beta-odbiciowa wykorzystuje zjawisko zależności intensywności wstecznie rozproszonych cząstek beta, od liczby atomowej materiału rozpraszającego, grubości powłoki, Norma ta obowiązuje nadal, aczkolwiek pewne jej punkty zostały zastąpione odnośnikami do innych norm PN-EN ISO

3 geometrii pomiarowej oraz energii zastosowanego źródła promieniowania beta. Jeżeli na podłoże (o grubości większej od tzw. grubości nasycenia) nałożona zostanie powłoka z materiału o liczbie atomowej Z większej od liczby atomowej podłoża Z, to wzrostowi grubości powłoki towarzyszyć będzie wzrost ilości odbitych cząstek beta. Dokładny pomiar grubości powłoki nastąpić może tylko wówczas, gdy liczby atomowe Z i Z znacznie się różnią. Stosunek liczb atomowych winien spełniać zależność: 0,7 Z /Z,. Ponadto, różnica liczb atomowych Z i Z powinna wynosić co najmniej. Tablica. Izotopy stosowane w warstwomierzach beta-odbiciowych wg PN-EN ISO Izotop lub źródło Symbol E max MeV Okres połowicznego rozpadu, lata Węgiel C- 0, 70 Promet Pm-7 0,, Tal Tl-0 0,77,8 Ołów +bizmut Pb-0 + Bi-0,7 9, Stront + itr Sr-90 + Y-90,7 8 Ruten + rod Ru-0 + Rh-0, W miernikach beta-odbiciowych wykorzystuje się izotopowe źródła promieniowania beta o energiach (maksymalna energia widma) od 0, MeV (izotop C) do, MeV (izotop 0 Ru). Krzywa wyrażająca zależność grubości powłoki od natężenia rozpraszania wstecznego, jest ciągła i może być podzielona na trzy różne obszary, jak przedstawiono to na Rys.. Logarytm grubości powłoki 0 0, 0,8 Znormalizowana liczba zliczeń rozproszenia wstecznego Rys.. Typowa znormalizowana krzywa rozpraszania wstecznego

4 Na rysunku tym, znormalizowana liczba zliczeń X n jest odłożona na osi x, a logarytm grubości powłoki na osi y. W przedziale 0 X n 0, zależność jest w przybliżeniu liniowa, a w przedziale 0, X n 0,8 prawie logarytmiczna. Oznacza to, że krzywa wykreślona w układzie półlogarytmicznym, jak na Rys., jest w przybliżeniu linią prostą. Warstwomierze beta-odbiciowe produkcji krajowej, IChTJ Instytut Chemii i Techniki Jądrowej w Warszawie wyprodukowano łącznie ponad 0 szt. GIL - przyrząd laboratoryjny z odczytem analogowym (produkowany do 989r.) GIL - 90 przyrząd laboratoryjny z odczytem cyfrowym wyposażony w trzy wymienne zamknięte źródła promieniowania (Pm-7, Tl-0 i Sr-90), co umożliwia prowadzenie pomiarów grubości powłok w bardzo szerokim zakresie ich grubości. Zakres pomiarowy 0, 0 µm, błąd pomiaru ±8%. Jeszcze piętnaście lat temu mierniki te były dość powszechnie używane w laboratoriach przemysłowych. Jednak konkurencja znacznie tańszych urządzeń działających na innych zasadach (np. elektromagnetycznych lub prądów wirowych) doprowadziła do wyraźnego spadku zapotrzebowania na beta-rozproszeniowe grubościomierze powłok. Natomiast, grubościomierze działające na zasadzie fluorescencji rentgenowskiej, zwłaszcza do pomiarów ciągłych (np. powłok cynkowych lub cynowych na blachach stalowych) nadal są bezkonkurencyjne.. Metoda spektrometrii rentgenowskiej (metoda fluorescencji rentgenowskiej). Metoda fluorescencji rentgenowskiej polega na wzbudzeniu w materiale podłoża lub powłoki charakterystycznego promieniowania wtórnego. Atomy wzbudzane w wyniku absorpcji fotoelektrycznej fotonów gamma lub X wzbudzają się w czasie rzędu 0-8 s, emitując wtórne charakterystyczne promieniowanie X, zwane promieniowaniem fluorescencyjnym. Prom. X linii M Padające promieniowanie X N M L K Prom. X linii L - dziura - elektron Wybity elektron Prom. X linii L Rys.. Schemat przedstawiający powstawanie wtórnego promieniowania X

5 Energia fotonów określonej linii widmowej tego promieniowania zależy jednoznacznie od liczby atomowej promieniujących atomów, czyli od rodzaju pierwiastka. W przypadku wzbudzenia promieniowania w podłożu, o grubości powłoki świadczy stopień absorpcji w powłoce tegoż promieniowania metoda absorpcyjna. Natomiast, przy wzbudzeniu promieniowania w powłoce, intensywność rejestrowanego promieniowania fluorescencyjnego jest tym większa, im grubsza jest powłoka metoda emisyjna. Wąską wiązkę promieniowania X (polichromatycznego lub monochromatycznego) uzyskuje się przy użyciu lampy rentgenowskiej ( 0 kv) lub izotopu promieniotwórczego (izotopy emitujące niskoenergetyczne promieniowanie gamma np. z ameryk Am- oraz źródła przetwornikowe z emisją promieniowania X). Do pomiaru natężenia wtórnego promieniowania X służy aparatura analityczna wykorzystująca dyspersję energetyczną, zwana analizatorem lub spektrometrem. Detektorem promieniowania jest w tym przypadku licznik scyntylacyjny, proporcjonalny lub półprzewodnikowy. Aparatura dla celów przemysłowych (w przypadku określonych i nieznanych zestawów podłoża i powłoki) wyposażona jest w układ wzbudzenia pośredniego, gdzie polichromatyczne promieniowanie X z lampy rentgenowskiej wzbudza w tarczy promieniowanie charakterystyczne o określonej (i dobranej do konkretnego zestawu powłoka - podłoże) energii. Materiał tarczy wzbudzającej dobiera się tak, aby jego promieniowanie charakterystyczne miało energię minimalnie wyższą od krawędzi charakterystycznego pochłaniania materiału powłoki i nie wzbudzało fluorescencji w podłożu. Metoda fluorescencji rentgenowskiej charakteryzuje się dużą dokładnością, szczególnie w przypadku małych obiektów. Również nadaje się do pomiaru grubości kilku powłok, aż do pięciu powłok (np. Au i Ni na Cu). Mierniki grubości powłok Pierwsze krajowe mierniki grubości powłok zostały opracowane w Zakładzie Badań Nieniszczących Instytutu Elektrotechniki w Warszawie. Były to mierniki na bazie Pu-8 (izotop ten posiada wyjątkowo korzystną energię promieniowania gamma tj. 0 kev). Były to następujące mierniki: - miernik IMGP- służący do pomiaru grubości powłok galwanicznych (np. srebra lub cyny) na drutach miedzianych, zainstalowany w Fabryce Kabli w Czechowicach-Dziedzicach oraz w Zakładach Kablowych EMA-ZAŁOM. - - miernik MGP- służący do pomiaru grubości powłok galwanicznych (Au, Ag, Sn, Cd, Al oraz stopów Sn-Pb o dowolnym składzie) na drobnych elementach stosowanych w przemyśle elektrochemicznym, elektronicznym itp. - - miernik IMGO- służący do pomiaru grubości oblewu profesjonalnych taśm magnetycznych (zakres pomiarowy 0 0, µm, dokładność pomiaru ±0, µm) stosowany w kinematografii i telewizji, zainstalowany w Ośrodku Badawczo-Rozwojowym Techniki Filmowej "TECHFILM" w Warszawie, - - miernik IMGO- jak wyżej, ale w wykonaniu laboratoryjnym (zakres pomiarowy 0 µm, dokładność pomiaru ±0, µm).

6 Mierniki produkcji POLON-IZOT ( szt.!) na bazie ameryku Am- do pomiarów ciągłych Zn/Fe. Źródło Am- emituje promieniowanie gamma o energii ok. 0 kev, które powoduje wzbudzenie w warstwie Zn i Fe promieniowania charakterystycznego 8, kev oraz,0 kev. Zakres pomiarowy miernika wynosi dla Zn 0 00 g/cm (co odpowiada µm), dokładność pomiaru ±0, µm, rozdzielczość ±0, µm. Miernik tego typu zainstalowany został w 998r. na linii blach karoseryjnych w Wydziale Blach Powlekanych Huty "Florian" w Świętochłowicach. W chwili obecnej, bardzo wiele firm w świecie produkuje mierniki grubości powłok wykorzystujące zjawisko fluorescencji rentgenowskiej, m.in. Seiko Instruments Inc. (Japonia), Oxford Instruments plc. (Wielka Brytania), Metorex (Finlandia). Przedmiotowe normy PN-EN ISO dotyczące pomiarów grubości powłok metodą betaodbiciową (PN-EN ISO ) oraz metodą fluorescencji rentgenowskiej (spektrometrii rentgenowskiej) (PN-EN ISO 97) charakteryzują się podobnym układem merytorycznym. Niestety można w nich zauważyć pewne nieprawidłowości i niedociągnięcia, chociażby w punktach dotyczących terminologii, czynników wpływających na dokładność (wyniki) pomiarów, wzorcowania przyrządów, wykonania pomiarów (procedura pomiarowa) czy sprawozdania z badań (protokół badań). Niektóre z terminów ujętych w ww. normach są zdefiniowanie również w normie PN-EN 0- Badania nieniszczące. Terminologia. Terminy stosowane w radiograficznych badaniach przemysłowych i na dodatek są tam definiowane inaczej. Niektóre określenia występujące w obu normach, są w każdej z nich różnie zdefiniowane. Zdarza się też, że niezrozumiałe terminy, jak np. ścieżka promieniowania, dyspersja falowa czy dyspersja energii w ogóle nie są zdefiniowane. Obie normy wymagają by wyposażenie pomiarowe (przyrząd, wzorcowanie i jego działanie) oraz sposób użycia zapewniły pomiar grubości powłoki z niepewnością (dokładnością) lepszą niż (w granicach) 0%.