Phương pháp tán xạ ngược beta

Xác định các lớp khác nhau với hạt beta.

Phương pháp tán xạ ngược beta là một phương pháp không phá hủy để đo độ dày của các lớp hữu cơ và vô cơ trên nhiều loại vật liệu nền khác nhau bằng cách sử dụng bức xạ từ các nguyên tử phóng xạ. Phương pháp này có thể được thực hiện không tiếp xúc hoặc tiếp xúc tùy thuộc vào cách triển khai.

Cách hoạt động của phương pháp tán xạ ngược beta.

This is how the beta backscatter method works

Trong quá trình tán xạ ngược beta, một nguồn đồng vị phát ra các hạt beta (electron). Các hạt beta được tạo ra bởi sự phân rã phóng xạ (chính xác hơn là: phân rã beta) của hạt nhân nguyên tử. Các hạt beta xuyên qua lớp phủ và vật liệu nền của phôi và bị tán xạ bởi các nguyên tử của cả hai vật liệu. Để đo độ dày lớp phủ, số lượng electron tán xạ ngược được đếm. Nếu độ dày lớp phủ thay đổi thì số lượng electron tán xạ ngược cũng thay đổi.

Điều này cho phép đo độ dày của các lớp phủ bất kỳ trên bất kỳ vật liệu nền nào, miễn là số nguyên tử (số điện tích hạt nhân) của lớp phủ và vật liệu nền khác nhau đủ. Với phương pháp tán xạ ngược beta, chỉ có thể đo được lớp trên cùng của hệ thống lớp phủ. Phương pháp này là phương pháp đo độ dày lớp phủ rất phổ biến.

Quá trình này được sử dụng ở đâu?

  • Lớp phủ vàng rất dày trên niken, đồng hoặc gốm sứ cho các bộ phận trang trí, đồ nghệ thuật hoặc trong các ứng dụng hàng không vũ trụ
  • Bạc trong ống đồng cho các tiếp điểm dòng điện cao
  • Phim dầu và chất bôi trơn mỏng trên các bộ phận thép có tác dụng bảo vệ chống ăn mòn nhẹ
  • Lớp sơn mỏng trên thép điện trong xây dựng máy biến áp và động cơ điện

Những yếu tố nào có thể ảnh hưởng đến phép đo?

  • Năng lượng của hạt beta
  • Mật độ của vật liệu phủ
  • Thời gian đo
  • Sự khác biệt giữa số nguyên tử của lớp phủ và vật liệu nền
  • Thành phần của lớp phủ
  • Lớp trung gian, thành phần của vật liệu nền
  • Hoạt độ của nguồn beta
  • Kích thước của khẩu độ
  • Hiệu chuẩn phù hợp tạo nên sự khác biệt

      Mẫu chuẩn Fischer được sử dụng để ghi lại đường cong đặc trưng cho sự kết hợp vật liệu phủ/vật liệu nền cần đo bằng nguồn beta phù hợp và tính đến khẩu độ phù hợp (đường kính khẩu độ là yếu tố quyết định).

  • Năng lượng của bức xạ beta

      Độ dày lớp phủ càng lớn thì năng lượng của các electron từ hạt nhân nguyên tử phóng xạ phải càng lớn. Tại Fischer, các đồng vị phóng xạ C-14 (carbon-14), Pm-147 (promethium-147), Tl-204 (thallium-204) và Sr-90 (strontium-90) được cung cấp cho các độ dày lớp phủ khác nhau.

  • Tỉ trọng

      Sự khác biệt giữa mật độ của lớp phủ trong mẫu hiệu chuẩn và mẫu thực tế có thể bù đắp bằng cách sử dụng một hệ số hiệu chỉnh đơn giản (tỷ lệ mật độ).

  • Thời gian đo

      Phân rã beta là một quá trình ngẫu nhiên. Điều này có nghĩa là mỗi giây, một số lượng hạt nhân nguyên tử lớn hơn hoặc nhỏ hơn sẽ phân rã ngẫu nhiên, dẫn đến sự dao động trong số lượng hạt beta phát ra trong quá trình phân rã. Sự dao động này làm tăng độ tán xạ của giá trị đo cần được giảm, thời gian đo phải được tăng lên - cả trong quá trình hiệu chuẩn và khi đo các mẫu thực tế.

  • Sự khác biệt giữa số nguyên tử của lớp phủ và vật liệu nền

      Số lượng hạt beta tán xạ ngược phụ thuộc trực tiếp vào số nguyên tử của lớp phủ và vật liệu nền. Nếu sự khác biệt giữa số nguyên tử nhỏ, sự khác biệt trong số lượng hạt beta tương ứng cũng nhỏ. Sự khác biệt về số lượng hạt beta càng nhỏ (lớn hơn), lượng hạt beta sẽ dẫn đến sự tán xạ lớn (nhỏ hơn) của giá trị đo. Điều này cũng có thể được bù đắp bằng thời gian đo dài hơn.

  • Thành phần của lớp phủ

      Nếu thành phần của lớp phủ thay đổi so với lớp phủ được sử dụng để hiệu chuẩn, điều này có thể được bù bằng hệ số chỉnh sửa trong trường hợp có những thay đổi nhỏ. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, cần tiến hành hiệu chuẩn mới với lớp phủ đã thay đổi.

  • Các lớp trung gian, thành phần của vật liệu nền

      Nếu thành phần của vật liệu nền thay đổi do các lớp trung gian hoặc sự thay đổi trong thành phần thực tế của vật liệu nền, điều này có thể được bù đắp dễ dàng bằng cách hiệu chỉnh vật liệu nền mới "đo lường" vào đường cong đặc trưng hiện có. (từ khóa: chuẩn hóa).

  • Hoạt động của nguồn beta

      Hoạt động của nguồn beta và do đó số lượng hạt beta mà nó phát ra giảm dần theo thời gian. Ảnh hưởng của sự giảm hoạt độ này đến phép đo có thể được bù đắp bằng cách hiệu chuẩn lại đường cong đặc trưng hoặc bằng cách hiệu chuẩn mới (hiệu chuẩn điểm zero và điểm cuối của đường cong đặc trưng). Hoạt độ thấp hơn thường yêu cầu thời gian đo dài hơn.

  • Kích thước khẩu độ mở

      Cả số lượng hạt beta phát ra từ nguồn beta và số lượng hạt beta tán xạ ngược đều phụ thuộc nhiều vào kích thước của khẩu độ. Do đó, cần tiến hành hiệu chuẩn riêng cho mỗi khẩu độ. Khẩu độ càng lớn, số lượng hạt beta càng nhiều và thời gian đo có thể ngắn hơn.

Tiêu chuẩn nào được áp dụng ở đây?

Phương pháp tán xạ ngược Beta theo tiêu chuẩn DIN EN ISO 3543, ASTM B567 và BS 5411