X射线光谱测定金属镀层厚度ISO 3497(中文翻译版)

金属镀层镀层厚度的测量X射线光谱测定法

（等同采用ISO 3497-2000）（中文翻译版）

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1. 目的Purpose

本标准试验方法涵盖了规定了用X射线光谱法测量金属镀层厚度的方法。

2. 范围Scope

本测量方法适用的基本上是确定单位面积质量的方法。利用对涂层材料密度的了解，测量结果也可以表示为涂层的线性厚度。允许同时测量最多三层的涂层系统，或同时测量最多三层的涂层厚度和成分。

3. 职责Responsibility

程序执行：实验室授权制样人员

程序监督：实验室技术负责人及相关责任人

4. 原理Principle

4.1试验基础——涂层单位面积的质量（如果密度已知，则为线性涂层厚度）与二次辐射强度之间存在关系。对于任何实际的仪器系统，这种关系首先是通过使用单位面积具有已知质量涂层的校准标准进行校准来建立的。如果已知涂层材料密度，则此类标准可以以线性厚度单位给出涂层，前提是也给出了实际密度值。

注：涂层材料密度是涂层的密度，在测量时可能是也可能不是涂层材料的理论密度。如果该密度与校准标准的密度不同，则应使用反映该差异的系数并记录在试验报告中。

荧光强度是元素原子序数的函数。如果顶涂层、中间涂层（如果有）和基底由不同的元素组成或涂层由多个元素组成，则这些元素将为每个元素产生辐射特性。一个合适的探测器系统可以调整以选择一个或多个能带，使设备能够同时测量顶部涂层或顶部和一些中间涂层的厚度和/或成分。

4.2激励

4.2.1概述——用X射线光谱法测量涂层厚度是基于涂层（或涂层）和基体与强的，通常是窄的，多色或单色X 射线辐射的联合作用。这种相互作用产生离散的波长或二次辐射能量，这是构成涂层和基底的元素的特征。

产生的辐射来自高压X射线管发生器或合适的放射性同位素。

4.2.2高压X射线管产生——如果在X射线管上施加足够的电势，并且在稳定的条件下，X射线管将产生适当的激发辐射。对于大多数厚度要求，施加电压为25 kV至50 kV，但为了测量低原子序数涂层材料，可能需要低于10 kV的电压。在某些应用中，使用位于X射线管和试样之间的初级滤光片可降低测量不确定度。这种激发方法的主要优点是（1）通过准直在很小的测量区域内产生很高强度光束的能力；（2）人员安全要求易于控制；（3）用现代电子方法获得的发射的潜在稳定性。

4.2.3放射性同位素产生——只有少数放射性同位素在能带内发出γ射线，适合于涂层厚度测量。理想情况下，激发辐射的能量比期望的特征X射线稍高（波长较短）。放射性同位素产生的优点包括仪器结构可能更紧凑，这主要是因为不需要冷却。此外，与高压X射线发生器不同的是，辐射本质上是单色的，背景强度很低。

与X射线管法相比，主要的技术缺点是（1）获得的低得多的强度，这就禁止在小面积上进行测量；（2）某些放射性同位素半衰期短；（3）与高强度放射性同位素有关的人员保护问题（高压X射线管可以简单地关闭）。

4.3分散

4.3.1概述——由于涂层表面暴露在X射线辐射下而产生的二次辐射通常含有测量涂层厚度所需的附加成分。所需成分通过波长或能量色散分离。

4.3.2波长色散——使用晶体光谱仪选择涂层或基底的波长特性。通常使用的晶体的典型特征发射数据可从各个国家当局以出版的形式获得。

4.3.3能量分散——X射线量子通常是以波长或等效能量来表示的。波长λ（以纳米为单位）与能量E（以千电子伏特（keV）为单位）之间的关系如下：λ×E=12398427。

4.4检测——用于波长色散系统的探测器类型可以是充气管、固态探测器或连接到光电倍增管的闪烁计数器。

仪器设计人员根据实际应用情况选择了最适合接收荧光光子并用于能量色散系统的探测器。在大约1,5 keV到100 keV的能带中，可以在没有氦气或真空的正常大气中进行测量。不同特征能量的荧光辐射进入能量色散检测器，然后进入多通道分析仪，该分析仪被调整以选择正确的能带。

4.5厚度测量

4.5.1发射法——如果测量涂层的特征辐射强度，则强度随着厚度的增加而增加，直至达到饱和厚度。见图1a）。当使用X射线发射方法时，调整设备以接收涂层材料特征的选定能带。因此，薄涂层产生低强度，厚涂层产生高强度。

4.5.2吸收法——如果测量衬底的特征辐射强度，则强度随厚度的增加而减小。见图1b）。X射线吸收法利用基底材料的能带特性。因此，薄涂层产生高强度，厚涂层产生低强度。实际上，必须注意确保没有中间涂层。吸收特性与发射特性相反。

a）X射线发射法b）X射线吸收法

图1—强度或计数率与涂层厚度之间关系的示意图

4.5.3比率法——当涂层厚度表示为基底和涂层材料各自强度的比率时，可以将X射线吸收和发射结合起来。比率法的测量在很大程度上与试样和检测器之间的距离无关。

4.5.4测量——对于4.5.1和4.5.2中所述的两种方法，通常在许多商用仪器中使用标准化计数率系统进行调整，以使未涂层基材的计数率特性为零，且涂层材料的无限厚样品的计数率特性为一。因此，所有可测量厚度产生的计数率都在0到1的标准计数率范围内。见图2。

在所有情况下，在标准化计数率标度上，最佳或最敏感的测量范围大约在0,3和0,8之间。因此，为了在整个厚度范围内获得最佳测量精度，使用计数率特性为0,3和0,8的校准标准是有利的。对于某些设备，可能需要采用其他标准，以确保其他厚度的精度。由于标准校准的相对不确定度随着厚度的减小而增大，因此，通过适当使用涂层较厚但不确定度较低的标准，为范围的薄端建立正确的数学关系至关重要。

图示

1线性范围

2对数范围

3双曲线范围

注：0=来自饱和（未涂层）基材的计数率；1=来自饱和（无限）涂层材料的计数率。

图2—单位面积质量与标准化计数率之间关系的示意图

4.6二次辐射吸收器——当测量具有广泛不同能量（能量分散系统）的涂层/基材组合时，饱和涂层与未涂层基材计数率特性的比率非常高（典型情况下为10:1）。在这种情况下，并非总是必须有具有类似或相同基底的校准标准（因为基底材料不会在与涂层材料相同的能带中辐射）。当未涂层基底/无限涂层计数率比为3:1（对于具有类似能量的涂层/基底组合）时，通常使用选择的“吸收体”来吸收其中一种材料的辐射，通常是基底材料的辐射。这种吸收器通常手动或自动放置在被测表面和探测器之间。

4.7数学反褶积——当使用多通道分析仪时，二次辐射谱的数学反褶积可用于提取特征辐射的强度。当被测特