Betarückstreuverfahren
Mit Betastrahlen eine Vielzahl an Schichten bestimmen.
Mit dem Betarückstreuverfahren messen Sie mit Hilfe der Strahlung aus radioaktiven Atomen die Dicke organischer und anorganischer Schichten auf verschiedensten Substraten. Die Messung ist zerstörungsfrei und je nach Umsetzung nicht-berührend oder berührend.
So funktioniert das Betarückstreuverfahren.
Beim Betarückstreuverfahren sendet eine Isotopenquelle Betastrahlen (Elektronen) aus. Die Betateilchen entstehen durch den radioaktiven Zerfall (genauer: Betazerfall) der Atomkerne. Die Betateilchen dringen in Schicht und Grundwerkstoff des Werkstücks ein und werden an den Atomen beider Werkstoffe gestreut. Für die Messung der Schichtdicke wird die Anzahl der zurückgestreuten Elektronen gezählt. Ändert sich die Schichtdicke, so ändert sich auch die Anzahl der zurückgestreuten Elektronen.
Damit ist die Dicke von Schichten aus beliebigem Material auf beliebigem Grundwerkstoff messbar, sofern sich die atomaren Ordnungszahlen (Kernladungszahlen) von Schicht- und Grundwerkstoff ausreichend stark unterscheiden. Mit dem Betarückstreuverfahren kann jeweils nur die oberste Schicht eines Schichtsystems gemessen werden. Das Verfahren ist ein recht universell einsetzbareres Schichtdickenmessverfahren.
Wo kommt dieses Verfahren zum Einsatz?
- Sehr dicke Goldschichten auf Nickel, Bronze oder Keramik bei dekorativen Teilen, Kunstobjekten oder in der Raumfahrt
- Silber in Kupferrohren für Hochstromkontakte
- Dünne Öl- und Schmierfilme auf Stahlteilen als leichter Korrosionsschutz
- Dünne Lackschichten auf Elektrostahl beim Bau von Transformatoren und Elektromotoren
Welche Faktoren können die Messung beeinflussen?
- Energie der Betastrahlung
- Dichte des Schichtwerkstoffs
- Messzeit
- Differenz der atomaren Ordnungszahlen von Schicht- und Grundwerkstoff
- Zusammensetzung der Schicht
- Zwischenschichten, Zusammensetzung des Grundwerkstoffs
- Aktivität der Betaquelle
- Größe der Blendenöffnung
Die richtige Kalibrierung macht’s
Mit Fischer-Kalibriernormalen wird eine Kennlinie für die zu messende Schicht-Grundwerkstoff-Kombination mit der passenden Betaquelle und unter Berücksichtigung der passenden Blende (Blendenöffnungsdurchmesser ist entschiedend) aufgenommen.
Energie der Betastrahlung
Je dicker die Schicht, desto größer muss die Energie der Elektronen aus den radioaktiven Atomkernen sein. Bei Fischer stehen die Radionuklide C-14 (Kohlenstoff-14), Pm-147 (Promethium-147), Tl-204 (Thallium-204) und Sr-90 (Strontium-90) für unterschiedlichste Schichtdickenbereiche zur Verfügung.
Dichte
Unterschiede zwischen den Dichten der Schicht der Kalibrierproben und der Schicht der realen Proben können durch die Verwendung eines einfachen Korrekturfaktors (Verhältnis der Dichten) ausgeglichen werden.
Messzeit
Der Betazerfall ist ein zufallsbedingter Prozess. Das bedeutet, dass pro Sekunde zufällig mal mehr oder mal weniger Atomkerne zerfallen, wodurch auch die Anzahl der beim Zerfall ausgesandten Betateilchen schwankt. Diese Schwankung vergrößert die Streuung der Schichtdicken-Messwerte. Soll dieser Anteil der Messwertestreuung verringert werden, muss Messzeit die erhöht werden – sowohl bei der Kalibrierung, als auch bei der Messung der echten Proben.
Differenz der atomaren Ordnungszahlen von Schicht- und Grundwerkstoff
Die Anzahl der zurückgestreuten Betateilchen hängt direkt von der atomaren Ordnungszahl von Schicht- und Grundwerkstoff ab. Ist die Differenz der Ordnungszahlen klein, ist auch die Differenz der Anzahl der Betateilchen entsprechend klein. Je kleiner (größer) die Differenz der Anzahl der Betateilchen ist, desto größer (kleiner) ist die Messwertstreuung. Dies kann auch durch eine längere Messzeit ausgeglichen werden.
Zusammensetzung der Schicht
Ändert sich die Zusammensetzung der Schicht im Vergleich zu der Schicht, die bei der Kalibrierung verwendet wurde, kann das bei kleinen Änderungen durch einen Korrekturfaktor ausgeglichen werden. In den meisten Fällen ist aber eine neue Kalibrierung mit der geänderten Schicht notwendig.
Zwischenschichten, Zusammensetzung des Grundwerkstoffs
Ändert sich die Zusammensetzung des „messtechnischen“ Grundwerkstoffs durch Zwischenschichten oder Änderung der tatsächlichen Zusammensetzung des Grundwerkstoffs, so kann dies in vielen Fällen durch ein Einmessen des neuen, „messtechnischen“ Grundwerkstoffs in die bestehende Kennlinie (Stichwort: Normierung) einfach ausgeglichen werden.
Aktivität der Betaquelle
Die Aktivität der Betaquelle und damit die Anzahl der von ihr ausgesandten Betateilchen wird mit der Zeit geringer. Der Einfluss der nachlassenden Aktivität auf die Messung kann durch eine neue Normierung (Einmessen von Null- und Endpunkt der Kennlinie) oder durch eine neue Kalibrierung ausgeglichen werden. Eine niedrigere Aktivität erfordert meistens längere Messzeiten.
Größe der Blendenöffnung
Von der Blendenöffnung hängt sowohl die Anzahl der aus der Betaquelle ausgesandten Betateilchen als auch die Anzahl der zurückgestreuten Betateilchen stark ab. Daher ist für jede Blendenöffnung eine eigene Kalibrierung notwendig. Je größer die Blendenöffnung, desto größer die Anzahl der Betateilchen und desto kleiner kann die Messzeit sein.
Welche Norm kommt hier zur Anwendung?
Betarückstreuverfahren nach DIN EN ISO 3543, ASTM B567 und BS 5411
