用β和x射线测量塑料薄膜厚度时的比较

用β和x射线测量塑料薄膜厚度时的比较Dr.c.schwarz1.放射法厚度测量技术简介当用透射或吸收方法来测量厚度时，放射源和探测器分别安装于所测材料的两侧。

由放射源发出的射线经测试物后强度减弱，然后才能到达探测器。

射线的减弱量取决于测试物的组成、密度和厚度，可用下面的方程算出：I = I0×e-μρd(公式1.1)式中：I0：无测试物质时射线的强度μ：材料的吸收系数ρ：材料的密度d：材料的厚度探测器放射源材料吸收系数取决于所使用射线的类型和材料的组成。

如果射线类型和材料组成预先确定，且密度是常数，则射线的强度减弱仅仅取决于材料的厚度。

这种相互关系是放射法厚度测量的基础，不论使用的是β射线还是x射线，材料的厚度都可由射线强度I0和I的值确定。

材料厚度或材料具体的物质吸收系数可在测量校正系统中确定，（对大多数系统）可由操作员修正，因此测量系统同样适用于其它材料。

2．灵敏度的比较2.1 概况所谓的测量系统灵敏度是选择最佳放射测量方法的重要特征值。

对于给定的材料，测量灵敏度越高，射线强度变化就越大。

这两个数值，即强度的相对变化和薄膜厚度的相对变化的比例，定义为灵敏度S：S = ∣Δl*d/Δd*l0∣(公式2.1)根据公式1.1，灵敏度也可写成：S =μρd e-μρd (公式2.2)从方程2.2可看出，灵敏度S除了取决于厚度d以外，还取决于材料密度ρ和物质吸收系数，更精确得说取决于参照厚度测量范围d.物质吸收系数μ由射线类型（β或x-射线）和射线强度决定，也由材料组成决定。

然而，材料密度ρ和厚度测量范围d是由应用而决定的。

2.2 用于双向拉伸薄膜生产线的总结PP和PET薄膜拉伸线的薄膜测量需要4-70μ的测量范围，PP密度为1.0g/cm3，PET密度为1.33g/cm3，不同测量方法的灵敏度可由这些数据算出。

对于给定的射线类型，物质衰减系数μ取决于射线的能量，当使用β射线时，能量的选择有很大的限度，因自然界存在的放射性原子核有限。

然而x-射线的能量通过改变加速电压可在更大范围内调节，因此能调整到适应具体的应用情况。

在图2.1中,灵敏度S是PP或PET薄膜厚度的函数，射线为Pm147和Kr85所发出的β射线和加速电压为5KV的x- 射线。

从图中可看出，Pm147在质量为56g/m2时灵敏度最大。

此时对应的薄膜厚度大约为：PP时为56μm，PET时为42μm。

加速电压为3KV时，x-射线在质量为144g/m2时有最高的灵敏度。

为了得到与由Pm147 产生的射线同样的灵敏度，x-射线必须有一个2KV的加速电压。

然而由于x-射线源的能量太低，测量间隙之间的空气是不能穿透的介质。

在正常的情况下，10mm厚的测量间隙将产生大约12.98g/m2的空气柱，此空气柱吸收Pm147大约20%的射线，即对测量本身来说，只有80%的射线是有用的。

当使用电压为2KV的放射源时，只有不到15%的射线用来测量薄膜厚度。

当考虑到放射源的保护金属片和测量头对射线的吸收时，上述的现象就更加显著：使用Pm147放射源时，56%的射线被测量间隙间的空气吸收，而使用加速电压为4KV的x-射线时，此吸收值高达95%。

因此，并不使用电压小于3KV的x-射线放射源，使用电压为5KV，带有超薄的铍金属窗片是很合理的。

在此电压下，大约70%的发射中子都被空气和铍金属窗片吸收，即30%用于厚度的测量。

通过使用特殊的x-射线发射管能减少空气柱的厚度。

实际使用中的电压为5KV的x-射线放射源（带有超薄铍金属窗片）和Pm147β射线的比较情况如下图所示：度敏灵基本质量g/m2图2.1：灵敏度S是β射线Pm147和Kr85的基本质量的函数，同时也是带有超薄铍金属窗片5KVx-射线源和3KVx-射线源的基本质量的函数。

3．周边环境的影响周边环境（像温度、空气压力和空气湿度）决定和改变着测量间隙间的空气柱的压力，因此也就影响测量结果。

以下的比较仅限于温度的影响情况，因其产生的误差最大。

假定测量间隙为10mm，环境为普通环境（15℃，1040mbar）。

空气柱的压力为12.6g/m2，对应于厚度为12.6μm的PP薄膜和厚度为9.5μm的PET薄膜。

如果温度变化10℃，空气柱的压力将减少0.4g/m2。

当使用Pm147放射源时，对于0.4μm的PP和0.3μm的PET，测量值也将变化0.4g/m2。

从这些数据可以看出，β射线以同样的方式被空气和薄膜吸收。

X-射线则不是这样。

使用5KV 的X射线（有超薄的铍金属窗片）时，空气的吸收量是薄膜的2.2倍。

对于0.9μm厚的PP或0.7μm厚的PET，空气柱变化0.4g/m2将引起0.9g/m2的测量值变化。

在薄膜的测量范围内，这些误差是不容许的。

然而当放射源测量系统装有温度补偿设备时，就不会发生上述情况，误差仅取决于温度补偿设备本身。

使用此设备，得到高于20的温度影响系数是可以实现的。

温度变化10℃时，所引起的误差相当于使用Pm147放射源时，0.015μm厚的PP或0.010μm厚的PET所引起的误差，或相当于使用电压为5KV的X-射线时，0.03μm厚的PP或0.02μm厚的PET所引起的误差。

总之，x-射线源的温度影响是Pm147放射源的2.2倍，这种影响可通过温度补偿系统来补偿。

4.测量几何的影响测量几何的影响很难确定，因它取决于每个生产商的具体设计情况。

然而放射源和探测器之间的距离的改变不依赖于设计情况，故可以进行β射线和x-射线放射源之间的比较。

放射源和探测器之间距离的改变将引起测量间隙之间空气柱的压力的相应变化，这将相应地吸收或多或少的放射线，进而影响测量值。

对于宽度为8m的薄膜片，设计很好的测量系统的扫描仪也会有0.3mm的测量误差，此误差可转换成0.4g/m2的空气柱压力的变化。

在设计好一点的系统中，这种影响可由校正或补偿一起减到10%，即相当于0.04g/m2的空气柱压力。

当使用Pm147放射源时，0.04g/m2的空气柱压力的变化对应于0.04μm厚的PP薄膜或0.03μm厚的PET薄膜的测量值的变化。

使用5KV的x-射线测量系统时，由于空气比PP或PET有更高的吸收能力，系统误差必须要乘与系数2.2，此误差可达到：对PP为0.09μm，对PET为0.07μm。

使用Pm147时，由于物质中β粒子的散射会产生额外的误差（物质中，β粒子的散射性要高于中子）。

如果放射源和探测器之间的距离变化了，虽然物质的厚度是常量，但探测到的中子数目也将变化。

使用补偿工具（平行光管，O 架校正）对β射线和x-射线放射源，距离的误差均可减少2%，即对β放射源有0.04μm ，对x-射线放射源有0.05μm （对PP 距离变化0.3mm ）的误差。

系统几何误差和由温度引起的误差几乎在同一范围内，虽然由于测量间距的变化，x-射线测量系统的误差是Pm147测量系统的2.2倍。

当使用Pm147时，由于固体角度和物质散射效应的影响，此数值可减少到1.2。

5．材料成分的影响 厚度测量系统中材料成分的影响是由于不同的元素吸收不同强度的射线引起的。

Pm147和5KV 的x-射线放射源的材料吸收系数的原子序数依赖性如图5.1所示，元素从氢（Z=1）到锰（Z=25）。

从表中可以看出，对x-射线放射源，材料吸收系数是曲线，而β射线放射源是常量，这种区别是由β和x-射线放射源同材料的不同作用引起的。

x-射线放射源的原子序数依赖性和薄膜厚度测量所需的低能量是不同的。

原子序数Z图5.1：Pm147和5KV x-射线的材料吸收系数对原子序数的依赖图。

为了对比，图中列出了PE 、碳、空气、碳酸钙和二氧化钛的有效原子序数。

由于上述原因，x-射线放射源仅仅是组成恒定的材料的参考选择。

β射线的吸收对材料组成很不敏感，因此对材料组成变化或不同材料的测量系统来说很有用。

通过β射线测量技术，可以测量薄膜的具体质量，故必须要知道薄膜的目睹以便算出厚度。

通过x-射线测量薄膜厚度比用β射线更依赖于材料的组成，如果已知材料组成，可通过软件来补偿材料组成的影响。

6．统计噪音 简单地说，统计噪音和单位时间内用于测量的放射线强度的平方根成正比，强度可在探测器中由β种子或x-射线离子的数目算出。

可以假定用于测量β射线和x-射线的探测器并没有本质上的区别，这可由能物质吸收系数c m 2/g使用同一探测器来测量β和x-射线强度的事实证明。

具体的测量情况决定了探测器的尺寸大小和速度，因此β和x-射线的统计噪音的比较就是放射源反射量的比较。

当使用像Pm147那样的同位素放射源时，射线的发射量和放射源的活性有关。

为了达到更好的统计噪音，必须增加放射源活性。

然而放射源活性的增加受到安全标准和放射源几何大小的限制。

带有预设高电压的x-射线放射源的发射量可通过管流量来控制，总得来说，和同位素放射源相比，放射源强度明显增加了。

x-射线测量方法在统计噪音方面优于β射线测量方法。

薄膜厚度 /μm图6.1：使用Pm147和x-射线源时，统计噪音对薄膜厚度的图。

对于活性为25GBq 的Pm147放射源测量系统，在10μm 厚的材料上可得到结合时间为500ms ，0.025μm 的统计噪音，此统计噪音值比电压为5KV 的x-射线测量系统的值（0.02μm ）要好。

7．几何分辨率 β和x-射线仪的集合分辨率可通过所谓的金属条测试来确定。

在样品台上固定厚度为6μm ，宽度分别为8、10、15、20、30和50mm 的金属条（各金属条中心之间的间隔为80mm ），以10m/min 的扫描速度测量，Pm147和x-射线的测量结果基本一致。

通常由于有更小的测量点，x-射线仪的集合分辨率更高一些。

统计噪音μm图7.1：Pm147和5KV x-射线测厚仪的金属条测试。

扫描速度为10m/min.金属薄片的运动方向图7.2：Pm147 5KV x-射线测厚仪的测量点，曝光时间5秒。

8．官方授权认证在大多数国家，只有加速电压超过5KV时，使用x-射线仪才需要官方授权。

5KV的x-射线测量头的加速电压低于此限制值，故不需要授权即可使用。

而Pm147测量头必须要经过当地有关部门的检查后方可使用。

9．总结用于测量薄膜厚度的β射线和x-射线放射源的比较结果如下所示：x-射线测量技术的优点：统计噪音低（系数1.2到2）由于加速电压低，无须官方授权x-射线测量技术的缺点材料组成变化时，所受的影响很大受周边环境如温度、压力和湿度（系数2.2）的影响很大几何因素像间距变化时，也有很大的影响（间距变化时，系数为1.2）测量方法的总精度由所有误差的平方和产生。

周边环境像温度、压力和温度的影响，已在研究中。

因为越来越多的测量系统是装在气候波动较大的区域中（像热带地区），为了减少由温度和压力变化引起的误差，可使用高灵敏度的传感器和更好的校正算法。