Első minták veszélyes anyag tartalmának meghatározási elve és gyakorlata a minőségügyi osztályon

Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Robert Bosch Mechatronikai Tanszék

Első minták veszélyes anyag tartalmának meghatározási elve és gyakorlata a minőségügyi osztályon

Készítette: Petőfi Melinda G-3BMR 2010

I

ELSŐ MINTÁK VESZÉLYES ANYAG TARTALMÁNAK VIZSGÁLATA

Tartalomjegyzék

1

Bevezetés........................................................................................................................ 2 1.1

2

3

RoHS-direkíva ....................................................................................................... 2

A röntgenfluoreszcens mikoranalízis elméleti háttere ................................................... 3 2.1

A röntgensugárzás keletkezése.............................................................................. 3

2.2

A karkterisztikus röntgensugárzás......................................................................... 4

2.3

A fékezési (folytonos) röntgensugárzás ................................................................ 8

2.4

Az anyag és a röntgensugárzás kölcsönhatása ...................................................... 9

2.5

Röntgenspektrometria.......................................................................................... 13

2.6

A detektálás folyamata ........................................................................................ 15

2.7

A detektálásban szerepet játszó egyéb tényezők ................................................. 16

SPECTRO MIDEX 03 µ-XRF Spektrométer paraméterei .......................................... 19 3.1

A készülék műszaki adatai .................................................................................. 19

3.2

A berendezés általános ismertetése és az elvégzett mérések............................... 20

4

Összefoglalás................................................................................................................ 28

5

Irodalom ....................................................................................................................... 29

1


1

Bevezetés Környezetünk és egészségünk megóvására az Európai Unió (EU) az utóbbi években

kiemelt figyelmet szentelt. Ennek ékes bizonyítéka, hogy három különböző direktívát, irányelveket dolgozott ki. Ezek név szerint a RoHS direktíva (Restriction of Hazardous Substances), ami egyes egészségre káros nehézfémek tilalmát tartalmazza. A WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment) direktíva, amely az elektromos és elektronikus készülékek hulladékainak kezeléséről szól. Végül, de nem utolsó sorban az Európai Parlament és a Tanács 2005/32/EK irányelve (Energy-using Products - EuP, irányelvet, ami az energiahasználó termékek környezetbarát tervezéséről ad iránymutatást. A továbbiakban csak az RoHS direktívával szeretnék foglakozni. Ennek tanúsítására vásárolt a Robert Bosch Power Tool Kft., - aki mindig is nagy figyelmet szentelt a környezettudatos termelésre -

egy energiadiszperzív röntgen

spektrométert, amivel volt szerencsém közelebbről megismerkedni. A készülékkel alapvetően közvetlenül a gyártóktól bemintázásra küldött „elsőminták” veszélyes anyag tartalmát kívánják mérni, illetve a termelésben már résztvevő alkatrészek szúrópróba szerű vizsgálatára használni. Így a detektálandó termékskála a papírtó, a műanyagon kerszül különböző acélokig terjed.

1.1 RoHS-direkíva Az RoHS direktíva 2003 február 13-án lépett érvényben az EU-ban. A berendezésekben található veszélyes összetevőkről rendelkezik. Magyarországon 2006. július 1. óta lépett hatályába az aktuális rendelet, miszerint nem kerülhet piacra olyan elektronikai berendezés, mely ólmot (Pb), kadmiumot (Cd), higanyt (Hg), hat vegyértékű krómot tartalmaz (Cr(VI)), vagy olyan műanyag alkatrészeket, amely polibrómozott bifenileket (polybrominated biphenyls – PBB)

vagy polibrómozott difenilétereket

(polybrominated diphenylethers – PBDE) gyulladáskésleltető anyagokkal kezelték. Az elmúlt évek kutatásai kimutatták, hogy ezek a nehézfémek és a halogénezett gyulladáskésleltető vegyszerek mérgezőek és felhalmozódnak az élő szervezetben. A máj és idegrendszer fejlődési zavarait okozhatják, mindemellett kihatnak a pajzsmirigy hormonjaira is esetenként rákos megbetegedéseket okozhat. Lebomlási idejük hosszú ezért

2


a koncentrációjuk a táplálékláncban felfelé haladva növekszik. Mindezek mellett még további 70 féle vegyszer is betiltásra került a gyulladáskésleltető hatásuk miatt. A kadmium tartalom legnagyobb megengedett koncentrációja 100 ppm (0.01%) a többi elem és vegyület esetén 1000 ppm (0.1%). Ezek a koncentrációk nem egy termék egészére vonatkoznak, hanem az anyagminőség szempontjából homogénnek tekinthető alkatrészekre értendő. Így például egy elektronika berendezés burkolata, egy IC-ben a félvezető chip, tokozás, forraszanyagok, ragasztás mind-mind külön alkatrésznek tekinthetők. Az RoHS direktíva közvetlenül érintett termékköre a következők: nagy- és kisméretű háztartási berendezések, IT és telekommunikációs berendezések, fogyasztói berendezések, világítási eszközök, elektromos és elektronikus készülékek (nagyméretű ipari készülékek kivételével), játékok, sport- és szabadidős termékek, automaták. Vannak viszont olyan felhasználási területek, amelyekben ez a direktíva nem érvényesíthető. Ezek a következők: a már meglevő készülékekhez és berendezésekhez gyártott alkatrészek; termékek, amelyek egy készülék újbóli forgalomba hozatalához szükségesek; orvosi berendezések; fegyverek; muníció; harci anyagok; gépjármű-elektronika (2008-ig). [9]

2

A röntgenfluoreszcens mikoranalízis elméleti háttere Ebben a fejezetben a röntgenfluoreszcens mikoroanalízis elmélet hátterével fogok

fogalkozni. Magával a röntgensugarak keletkezésével, a karakterisztikus és folytonos röntgensugárzással majd számba veszem anyag és röntgensugárzás kölcsönhatását. Ezek után részletesebben rátérek magára a röntgenspektrometriára.

2.1 A röntgensugárzás keletkezése Wilhelm Konrad Röntgen 1895-ben fedezte fel az általa X sugaraknak nevezett röntgensugarakat,

amelyért

1901-ben

őt

jutalmazták

az

első

Nobel-díjjal.

A

röntgensugárzás, „a rejtélyes X−sugárzás”, az ultraibolya és γ-sugárzás közötti tartományban helyezkedik el, hullámhossz tartománya 0,01-10 nm az energia tartománya jellemzően 1,24x106 eV-tól 1,24x102 –eVig terjed. A sugárzást kiváltó energia-átmenet jellemzően a belső elektronok körében történik. A röntgensugárzás felfedezése után három tudományterület fejlődött ki. A röntgen radiológia mely az emberi test belső képalkotására, s azzal egyes betegségek felkutatására 3


szolgál. A röntgenkrisztallográfia, ami a kristályos felépítésű anyagok szerkezetének felderítésére alkalmas módszer. A röntgenspektometria, ami egyes akár értékes tárgyak például műkincsek, festmények roncsolásmentes anyagvizsgálatát foglalja magába. Ez a XX. század elején jött létre, ám a röntgenfluorszcens spektrometriát rutinszerűen csak az 1870-80-as évek környékén kezdték el használni. A röngensugárzás általános tulajdonságai a következők: láthatatlan, érzékszerveinkkel érzékelhetetlen, hordozó közeg nélkül terjed, nem hat rá sem, az elektromos- sem a mágneses mező, egyenes irányba és fénysebességgel terjed, illetve folytonos és krakterisztikus sugárzásból is állhat. A besugárzott anyag is változásokon megy keresztül a röntgensugárzás hatására. Ilyen lehet például a hőmérsékletnövekedés, változhat az anyag dielektromos és elektromos tulajdonságai, ionizáció léphet fel, de képződhet fotoelektron, Ager elektron, létrejöhet szekunder emisszió, fluoreszcencia, élő szervezetben különböző genetikai változás, halál, stb. ezekről a későbbiekben szeretnék bővebben szólni. Maguk a röntgensugarak nagyon kis hullámhosszúságú elektromágneses hullámok. Minél kisebb ez a hullámhossz, annál nagyobb az áthatolóképessége. Ha a gerjesztés 60 kV vagy annál kevesebb, akkor lágysugárzásról beszélhetünk, – az esetünkben is erről van szó – ha viszont ez 120-250 kVtal történik kemény gerjesztésről, beszélhetünk. Maga a röntgensugárzás akkor keletkezik, ha gyorsan mozgó elektronok valamely anyagba ütköznek majd lefékeződnek. Az elektronok mozgási energiájának jó része hővé, „zajjá” alakul, a maradék vagy fékezési sugárzás, vagy karakaterisztikus sugárzás formájában válik ki. .

2.2 A karkterisztikus röntgensugárzás Moseley 1913-as munkája óta tudjuk, hogy a karakterisztikus röntgensugárzás frekvenciája kapcsolatban van a sugárzást kibocsátó anyag rendszámával. E törvény alapján emittált karakterisztikus röntgensugárzás frekvenciája(v), energiája(E), és hullámhossza (λ) a következő1:

1

Általában a hullámhossz mértékegységeként az Ångstrom-t (1Å= 10-10 m).az energia mértékegységeként a

kilo-elektronvoltot (KeV)használják

4


v = 2,48 ⋅ 10 5 ( Z − 1) 2 E = h⋅

c

λ

 m 2 kg   m   m3kg  h ⋅c h ⋅ c 2  s   s    s  = 12.4 = λ[ • Α ] = q[ As ]⋅ U [V ]  m 2kg  E [keV ] q ⋅U  2   s  h – a Plack-állandó Z – a sugárzást kibocsátó anyag rendszáma c – a fénysebesség Maga a folyamat a következőképp zajlik: ha elegendő energiájú elektronnal bombázzuk az elemeket az elektronhéjak kötéseinek belső energiáját le tudjuk győzni és fel tudjuk szabadítani a röntgenfrekvenciákhoz szükséges belső energiát. Ez úgy jön létre, hogy az atom belső stabil pályáin lévő elektronokat gerjesztjük, amik ennek hatására kilökődnek, így betöltetlen pályák jönnek létre. Ezen üres helyekre valamelyik külső elektron lejjebb ugrik, és energiát sugároz ki elektromágneses hullámok formájában vagy egy un. Auger-elektron viszi el a sugárzás nélküli átmenetet. (8. ábra). Ahhoz hogy a szükséges energiát megkapjuk a belső pályákat teljesen ki kell üríteni. A karakaterisztikus sugárzást

több

féleképpen

lehet

előállítani,

protonokkal, izotrópokkal és szinkroton sugárzással.

5

röntgenfotonokkal,

elektrononkkal,


3. ábra: A karakterisztikus sugárzás keletkezésének modellje

Egy időben akár több elektron is pótlódhat. Ilyenkor több karakterisztikus vonal emittálódik, ez adja ki a teljes emissziót, ami az adott elem karkterisztikus emisszióspektuma. Minél nagyobb rendszámú atommal van dolgunk annál több karakterisztikus vonal emittálódik. Minden egyes elektronhoz tartozik egy meghatározott energia. Ez az energia négy paraméterrel írható le. Ezen paramétereket a kvantumszámok. Az első paraméter az „n”, a főkvantumszám, amely pozitív egész szám lehet például: 1, 2, 3, 4, stb.. A második paraméter az „l” a mellékkvantumszám, mely értéke lehet 0, (n-1). A haramadik az „m” a mágneses kvantumszám, mely értéke –1, 0, +1 lehet. A negyedik paraméter pedíg az „s” a spinkvantumszám, mely értéke ±1/2. Az adott héjon lévő elektron energetikailag ún. alhéjakra bomlik, amelyek energiága a j- faktornak nevezett belső kvantumszám értékétől függ. A j-faktor a belső kvantumszám és a spin kvantumszám vektoriális eredője: 6


j=l+s Ezeknek a kvantumszámoknak a kombinációja emelkedő sorrendbe adja az úgy nevezett átmeneti szinteket. Egyetlen K szint van, 3 L szint (L1, L2 ,L3 ) 5 M szint (M1, M2 ,M3 M4 ,M5) és 7 N szint (N1, N2,N3 N4,N5, N4,N5 N6,N7.) (9. ábra). A normál átmenetek (diagram

vonalak)

három

egyszerű

kiválasztási

szabállyal

definiálhatók,

azaz

megkötéseket tartalmaznak a fő, a mellék és belső kvantumszámokra vonatkozóan. [1] ∆n ≥ 1 ∆l = ±1 ∆j = ±1 vagy 0

4. ábra: Az atomok dipólátmeneteinek rendszere

Az ábra baloldalán a már említett energiahéjak szokásos jelölése K(n=1), L(n=2), M(n=3), N(n=4) látható, míg az energiaszintek szempontjából lényeges n, l és j kvantumszámok az ábra jobb oldalán vannak feltüntetve. Az egyszerűsített modell az energiák aránya szempontjából torzított. Az azonos főkvantumszámokhoz tartozó nívók közti különbség jóval kisebb, mint ahogy az az ábrából következne. A karakterisztikus

7


röntgensugárzás rendszerezéséhez bevezetett jelölésrendszer a következő: az L−K átmenethez tartozó sugárzást Kα, míg az M − K átmenethez tartozót Kβ vonalnak nevezzük. Az átmenet-csoportokat (Kα, Kβ, Lα, Lβ) a spektrométer felbontja, a félvezető detektor felbontóképessége azonban általában gyengébb és csak a nagyobb rendszámú elemeknél lehet a spektrumokat úgy elemezni, hogy erre is becslést adhassunk. A

gyakorlat

során

csak

a

legintenzívebb

vonalakat

(átmenet-csoportokat)

különböztetjük meg, mert a mérés célja az, hogy ismeretlen mintában a különböző rendszámú elemeket biztonságosan felismerjük. Akkor biztonságos a minőségi analízisünk, ha egy elem összetartozó átmeneteit felismerjük. [4]

2.3 A fékezési (folytonos) röntgensugárzás A fékezési (folytonos) sugárzás akkor keletkezik, amikor nagy energiájú elektronok ütközik és eltérül egy hozzá képest nagy tömegű és töltésű atommag Coulomb-terében, s ez által nagy gyorsulásra tesz szert, és elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. A töltött részecske akkor tud nagy energiát leadni, ha a fékező anyag rendszáma nagy és a részecske kis tömegű. Ez a következőképpen fejezhető ki: N ( E ) = konst ⋅ Z

( E0 − E ) E

N(E) – az egy elektron által létrehozott egységnyi energiatartományba eső röntgenfotonok száma Z – a sugárzást kibocsátó elem rendszáma E0 – a besugárzó elektronnyaláb energiája [keV] egységben. A fékezési sugárzás kedvezőtlenül hat a mérésre, de mégis fontos szerepet játszik, mert az elemek többségét ez gerjeszti. A röntgencsőben az elektronok által generált folytonos spektrum jellemezhető még a minimális hullámhosszal ( λmin ) is, ami egyben a legnagyobb folytonos energiát is meghatározza. Ez a Duane-Hunt szabály2 szerint a következő:

2

A folytonos röntgenspektrum legfontosabb jellemzője az, hogy adott gyorsítófeszültség mellett van egy

legkisebb hullámhossz (az ún. rövidhullámú határ, λh), aminél kisebb hullámhosszú (nagyobb frekvenciájú) sugárzás nem jelenik meg. Az intenzitás a hullámhossz függvényében ettől kezdve egy darabig nő, majd egy maximum után a nagyobb hullámhosszak felé folytonosan csökken. A rövidhullámú határ és a gyorsító

8


λ min =

h ⋅ c 12.4 = e ⋅ V0 V0

h – a Planck-állandó c – a fénysebesség e – az elektron töltése V0 – a cső gyorsító feszültsége. [m5]

2.4 Az anyag és a röntgensugárzás kölcsönhatása Az első, amit érdemes meg említeni az abszorpció3. Abszorpciónak azt a jelenséget nevezik, amelyben egy anyag a rajta áthaladó sugárzás (elektronok és más részecskék vagy hullámok, pl. hang, hő, fény, röntgen-, gammasugárzás stb.) egy részét elnyeli, azaz a sugárzás az anyagban vagy elnyelődik, vagy azon áthaladva lecsökkent intenzitással halad tovább. A sugárzás gyengülése másrészt az eredeti iránytól való eltérülésből is származhat, harmadrészt lefékeződésből. Az anyagból kilépő és az anyag felületére beeső sugárzás erősségének a hányadosa az abszorpció mértéke, amely egyrészt a közeg anyagi minőségétől (összetétel, sűrűség, vastagság), másrészt az elnyelt sugárzás jellemzőitől (hullámhossz, a részecskék fajtája, energiája) függ. Az áthaladt sugárnyaláb hullámhossza és intenzitása a következőképpen változik:

I (λ ) = I 0 exp[− (µ i ρ i xi )] µi − az i vizsgálandó minta tömegabszorpciós koefficiense λ − monokromatikus sugárnyaláb hullámhossz, mértékegysége: [cm2g-1] I0 − beeső intenzitás xi − „i” vizsgálandó minta vastagsága feszültség között a tapasztalat szerint fordított arányosság áll fenn, ez az ún. Duane-Hunt törvény (William DUANE amerikai fizikus; 1872-1935; Franklin HUNT amerikai fizikus; 1883-?) 3

Az abszorpció eredetileg egy fizikai-kémiai jelenség megnevezése. Ebben a jelenségben gázok vagy gőzök

atomjai-molekulái folyadékkal vagy szilárd testtel érintkezve abban elnyelődnek (absorptio = felszív/ód/ás, megkötés, elnyel/őd/és)

9


ρI − sűrűség A körvetkező dolog amit feltétlenül számba kell venni a fotoelektromos hatás. A fototelekromos abszorpciónál a elektron kilökődés a foton becsapódása miatt jön letre. Ennek hivatalos jele a „τ” ez az atom összes energiaszintjére jellemző, a teljes fotoelektromos abszorpciót az egyes abszorpciók összege adja. Ami a következő képlettel megadható:

τ total = τ K + [τ L + τ L + τ L I

II

III

] + [τ

MI

]

+ τ M II + τ M III + τ M IV + τ M V ... + τ n

τn − az atom legkülsőbb héján lévő elektronokra vonatkozik Az elektronok kilökődését követő elektronátmenet eredményeként létrejövő sugárzások hullámhossza mindig hosszabb, mint λ. A harmadik dolog amit feltétlenül figyelembe kell venni a szórás. Kétfajta szórásról beszélhetünk az egyik amikor a röntgenfoton ütközik a detektálandó tárgy elektronjával, de az nem vesz t az enereriájából. Ebben az esetben koherens szórásról beszélünk. Ha viszont a röntgenfoton veszt az energiájából inkoherens szórásról beszélhetünk. A teljes szórást e k összetevő adja amit a következő képlettel lehet kifejezni:

10


σ = Zf 2 + (1 − f 2 ) f − struktúrfaktor Zf 2 − koherens szórás

(1 − f ) − inkoherens szórás 2

A tömegabszorpció (µ) értékét a fotoelektromos hatás és a szórás összege adja, vagyis:

µ =τ +σ Mivel a τ jóval nagyobb, mint a σ, a fenti egyenlet egyszerűsíthető az alábbi módon:

µ ≈ τ K + [τ L + τ L + τ L ]...τ n I

II

III

A volfrám tömegabszorpciós koefficiensének változását mutatja a 4. ábra a hullámhossz függvényében. A abszorpciós görbéjén látszik, hogy a tömegabszorpciós koefficiens értéke folyamatosan növekszik a hullámhosszal. Ezen kívül látható még néhány éles törés, amik az abszorpciós éleknek felelnek meg, sorban K, L1, L2, L3, stb. Ezek az abszorpciós élek az adott szinteken lévő elektronok kötőenergiájátv tükrözik.

4. ábra. A volfram abszorpciós tényezője a hullámhossz függvényében

11


Az abszorpciós élek energiái, hullámhossza természetesen rendszámfüggő. A K abszorpciós éleket tekintve a nagyobb rendszámú elemek abszorpciós éle a nagyobb energiáknál (kisebb hullámhosszaknál) jelentkezik. A vizsgálandó elem akkor gerjesztődik, ha az abszorbeált hullámhossz rövidebb, mint az adott szinten lévő elektron abszorpciós élének a hullámhossza, vagyis a röntgencsőből elegendően nagy energiájú primer röntgensugárzás áll rendelkezésre ahhoz, hogy a legintenzívebb K vonalak gerjesztéséhez a K héjon sikerüljön vakanciát létrehozni. A minta teljes abszorpciója meghatározható a mátrixban lévő összes elem (j) egyéni hozzájárulásának összegeként. Vagyis a teljes abszorpció:

µ total = ∑ µ j w j j

ahol a µj − j-dik elem tömegabszorpciós koefficiense a mérendő hullámhosszon és wj − j-dik elem tömeghányada

∑w

j

=1

j

Az anyagból röntgensugárzás hatására elektronok távoznak el. A belső héjakon kialakuló vakanciák fotoelekronok távozása révén jönnek létre. A kis energiájú sugárzást kibocsátó kis rendszámú elemek gerjesztésekor viszont aez az átmenet sugárzásmentes. Ezt hívjuk

Auger

effektusnak.

A

karakterisztikus

röntgenfoton

az

atomon

belül

abszorbeálódik, mégpedig úgy, hogy energiája egy külső héjon lévő elektron, az Auger elektron kilökésére fordítódik. Ebben az esetben tehát rosszabb hatásfokkal keletkeznek karakterisztikus sugárzások. A fluoreszcens gerjesztés hatásfoka egy elem analitikai jelének nagysága, az egységnyi koncentrációra jutó intenzitás (érzékenység) szempontjából fontos fogalom. Jele

ω, amit úgy határozzunk meg, hogy azonos idő alatt emittált röntgenfotonok számát egy adott sorozaton belül osztjuk a kialakult vakanciák számával. Egy sorozat tartalmazza az atom azonos alhéjára történő átmenetek hullámhosszait. K-sorozatra megadva a fluoreszcens gerjesztés hatásfokát:

12


ωK =

∑ (n) NK

K

=

n(Kα 1 ) + n(Kα 2 ) + n(Kβ 1 ) + n(Kβ 2 )...stb. NK

Az ωL értékek mindig kisebbek, mint ugyanazon elem ωK értékei. Egy adott elem mennyiségi meghatározásra alkalmas elemzővonalának tehát – amennyiben gerjesztéséhez elegendő energia áll rendelkezésre és interferenciával nem kell számolni - az elem legintenzívebb Kαvonalát célszerű választani. Minél kisebb ω értéke 1-nél, annál nagyobb valószínűséggel keletkezik röntgenfoton helyett Auger elektron. (ld. 5. ábra) Ez az egyik magyarázata annak, hogy néhány kis rendszámú elemet (a gyakorlatban Z<8) ezzel a technikával nem célszerű vizsgálni. [13]

5. ábra. A fluoreszcens gerjesztés hatásfoka, Auger effektus szemléltetése

2.5 Röntgenspektrometria A röntgenfluoreszcens spektrometria (XRF) szilárd és folyadék és por alapú minták elemi összetételének meghatározására szolgáló módszer, de

első sorban

szilárd minták elemzésére szokás alkalmazi. Minimális minta-előkészítést igényel, ami a legtöbb esetben, ha látszólag homogén anyagról van szó csupán a minta felületének előkészítését jelenti, ilyen például a kiálló részek lecsiszolása, esetleg ha más készülékkel akarunk tovább vizsgálódni a mintán, akkor annak felpolírozása. Ez azonban nagyban függ attól, hogy milyen típusú készülékkel van dolgunk. Létezik olyan ahol a minta és a detektor távolsága között csupán 2 mm távolság lehet, és akad olyan készülék ahol nagyobb távolságokból is megengedett, ott a minta-előkészítést ténylegesen minimálisra lehet redukálni. Magukat a mintákat röntgensugárzással besugározzuk, ennek hatására a bennük lév ő atomok gerjesztődnek, és az adott

13


elemekre jellemző karakterisztikus sugárzást bocsátanak ki. Ennek energiája (hullámhossza) tehát elemről elemre változik. Ez a tény biztosítja a minőségi elemanalízist. Egy bizonyos elem karakterisztikus sugárzásának intenzitása annak koncentrációjával arányos. Elméletileg ezzel a módszerrel az elemek alumíniumtól az uránig detektálhatók ám a gyakorlat azt mutatja, hogy inkább a nátriumtól az uránig tudunk mérni és azt sem egyforma érzékenységgel. Továbbá az ilyen típusú berendezések pontossága igen változó és gyakorlatilag attól függ, hogy mit mérünk és mire van a kalibrálva a készülék. Kezdetben olyan készülékeket gyártottak, amik csupán egyetlen elemre kimutatására voltak alkalmasak, ma azonban már nem ritka az olyan berendezés sem amivel több száz vagy akár több ezer mérési sorozatot lehet végezni hetente, az összes elemre függetlenül attól milyen mátrixban van beágyazva. Ezen készülékek között az a közös, hogy mindegyik tartalmaz egy sugárforrást, egy jelfelbontó rendszert és egy detektort. A készülékek típusa szerint több kategória létezik. A két fő besorolás szerint van szekvenciális (pásztázó) és szimultán (többcsatornás) készülék. Egy szekvenciális készülék az elemek azonosítása céljából vagy folyamatosan, vagy növekvően adott hullámhossz helyzetek között végigpásztáz egy kiválasztott hullámhossz-tartományt. A szimultán spektrométerben fix hullámhosszokon lehet mérni egy időben. Az elemek mennyiségi meghatározása tehát szimultán módon, időben egyszerre történik. Ezek a legfőbb jellemzője a gyorsaságuk, ám ez a minőségi jellemzés rovására megy. Ahány elemet szeretnénk mérni, annyi jelfelbontó egységre és detektorra van szükségünk. Ezért a detektálást fizikai korlátok közé kell szorítanunk. Másrészről csoportosíthatjuk a röntgenfluorszcens méréseket aszerint, hogy milyen módon történik a karakterisztikus röntgensugárzás mérése. Ez lehet hullámhossz-diszperzív (WDXRF) és energia-diszperzív (ED-XRF). A hullámhossz-diszperzív készülékek az elemek által emittált sugárzások azonosítására rendkívüli felbontást biztosító analizáló kristályokat alkalmaznak, az energia-diszperzív készülékeknél erre a célra sokcsatornás analizátorok szolgálnak. Jelfelbontásuk az előzőeknél jóval gyengébb, kevésbé érzékenyek, ugyanakkor gyorsabb berendezések. Ennek pontosabb felépítéséval a későbbiekben szeretnék foglalkozni. Ki lehet jelenteni, hogy a modern röntgenspektrométerekkel ma már a gyakorlatban is minden elem vizsgálható akár etalon nélkül is, amelynek rendszáma nagyobb mint az oxigéné (Z>8). Napjainkban a röntgenfluoreszcens analízist széles körben alkalmazzák multielemes analitikai célra: ipari folyamatok irányítására (fémkohászat, 14


cement-, üveg-, és kerámiaipar) és olyan területeken is, mint a bányászat, anyagtudományi kutatások és környezeti minták analízise. Világszerte több tízezer röntgenfluoreszcens készülék

működik,

többségük

(kb.

80

%)

hullámhossz-diszperzív

rendszerű.[anyagszerkezetvizsgálat] Az általam használt Spectro Midex M készülék egy szimultán, röntgencsővel gerjesztett energia-diszperzív spektrométer. A későbbiekben csak ezzel fogok foglalkozni[5][6]

2.6 A detektálás folyamata A jeleket egy sokcsatornás amplitúdó analizátor és egy számítógép dolgozza fel. Több detektor típus jelent meg eddig. Ezek közül a legelterjedtebb a félvezető alapú. Például a Si(Li), Si-PIN, Drift Detektor (SDD) illetve a Ge alapúak. Ezeken belül is az egyik leginkább használatos manapság a Si Drift Detektor, mert viszonylag olcsó és egyszerűen kezelhető. Maga detektálás a következőképpen zajlik. A sokcsatornás amplitúdó analizátor meghatározza az analóg jelfeldolgozó egység kimenetén megjelenő impulzussorozat amplitúdó eloszlását és intenzitását. Ezt a röntgenspektrum ablak megjeleníti. Innen a spektrumkiértékeléshez használt szoftver veszi át a szerepet. Megkeresi a valószínűsíthető csúcsok helyét és egy energia értéket rendel hozzá. Ezután a csúcs-integrálokból meghatározza az elemek vonalának intenzitását. Kijelöli a csúcshatárokat és a csúcsmaximumot és kiszámolja a csúcsterületet. A mért intenzitásból határozzuk meg a megfelelő koncentrációt. Természetesen csak akkor kaphatunk a valóságnak megfelelő értékeket, ha a készülék kalibrációja helyesen lett elvégezve, mert a nyers intenzitások önmagában az összetétel szempontjából nem sokat mondanak, ha nincsen hozzárendelve belső standardok amihez képest a program ezekhez értékeket tud rendelni. Ehhez több dolgot kell figyelemben venni, amit a következő pontban részletesen taglalok. A fent elmondottak alapján a jelfeldolgozást és gerjesztést a 9. ábra egy egyszerűsített modell formájában jól szemlélteti. [7]

15


5. ábra: A gerjesztése és a jelek analízise

2.7 A detektálásban szerepet játszó egyéb tényezők Ezek a gyakorlati jelenségek lesznek azok, amiket egy-egy a gépen alkalmazott mérési módszernél korrekciós tényező megválasztásánál figyelembe kell majd venni és számszerű értékeket adni neki. Ezen értékek meghatározása az esetek túlnyomó részében kísérleti úton kerül meghatározásra méghozzá úgy, hogy egy ismert összetételű mintát mérve vizsgáljuk a kapott függvényt. A röntgensugaras gerjesztés esetén igen kis intenzitású háttérsugárzás is tapasztalható. A mintából csak a karakterisztikus röntgenfotonok emittálódnak. A fellépő hátteret a gerjesztő sugárzásnak a minta atomjaival történő rugalmatlan ütközése okozza. Emellett ez függ a röntgencső folyamatos sugárzásának spektrális eloszlásától, valamint a minta alkotó elemeitől. Ez megnehezíti az összetétel pontos meghatározását. Erre a célra, általában egy-egy anyagtípusra nézve speciális szoftvereket használnak. Egyszerűbb relatív méréseket szokásos végezni. Ez azt jelenti, hogy egy ismert koncentrációjú mintával történő összehasonlítással hasonlítják össze a vizsgálandó mintát. Itt azt kell figyelembe venni, hogy a mintából kilépő fluoreszcens sugárzás intenzitása nem csak az elem koncentrációjától, hanem a minta többi összetevőjétől is függ. Az elsődleges 16


sugárzás egy része elnyelődik és szóródik a mintában. Így gerjesztve azt kivált egy másodlagos sugárzást. Ez azért fontos, mert hatással van a mért koncentrációra. Amennyiben egy elem karakterisztikus sugárzása a mintából kifelé haladva abszorpciót4 szenved és gerjeszti a többi elemet, úgy a saját koncentrációja alacsonyabbnak, a többi elem koncentrációja magasabbnak bizonyul a valóságosnál. Ezt nevezik mátrix effektusnak, itt a mátrix maga az összetett minta, ez az egyik legjelentősebb hatás. Fellép továbbá az úgynevezett belső gerjesztési effektus. Amikor a vizsgált vonalat a mintában előforduló, a vizsgált elemnél nagyobb rendszámú elemek karakterisztikus sugárzása is gerjeszti az elsődleges gerjesztő forráson kívül, ez szintén a mért vonal intenzitásának növekedéséhez fog vezetni. Figyelembe kell venni ezeken kívül még számos dolgot. Ilyen például az impulzusfelhalmozódás, ami azt jelenti, hogy két impulzus, ami időben nagyon gyorsan követi egymást összeadódhat. A szökési csúcsokat, amikor a detektorba érkező foton ionizálja a Si-ot, az impulzus a detektorból kiszökik és nem az elektron-lyuk pár létrehozására fordítódik az energiája, hanem emiatt a spektrumban megjelenik egy olyan csúcs amelynek energiája 1.74 keV-tal kisebb, mint az analizált csúcs. Nem hanyagolható el az intenzitás sem, ami egységidő alatt a detektorba érkező röntgenfotonak számát (beütésszámot) jelenti. Ezt a beütésszám/másodpert hányadosa adja. Mértékegységek counst per second cps. Illetve figyelembe kell venni a holt időt (Dead time) ami két egymást követő röntgenfoton detektálásához szükséges legrövidebb időt jelenti. Ez a gyakorlatban néhány µs. A fenti hatások kiküszöbölésére szolgála a belső standard hozzáadása. Ez azt jelenti, hogy a mintát kétfelé osztjuk. Az egyik részét kismértékben beszennyezzük azzal az elemmel, aminek a koncentrációjára kíváncsiak vagyunk. Ha tudjuk mennyi szennyező elemet vittünk be, a szennyezett és szennyezetlen esetben mért csúcs alatti területekből visszaszámolható a szennyezés előtti koncentráció. Ehhez azonban folyékony, vagy porított mintára van szükség. Itt jegyezném meg, hogy az XRF vizsgálatok elméletben roncsolás mentesek, a gyakorlatban viszont a röntgensugarak kis áthatoló képessége miatt sokszor szükséges a minta nagyfokú homogenizálása, halmazállapotának megváltoztatása. Ezek mind-mind 4

Fizikai folyamat, amelynek során részecske vagy energia valamilyen közegben elnyelődik, megjelenési

formája módosul; fény, röntgen- és gammasugárzás, rádiósugárzás elnyelése, átalakítása más energiává.

17


kémiai kezelések. Az 1. mellékletben látható egy egyszerűsített röntgenenergia táblázat Richard B. Firstone: Tble of Isotopes, John Wiley & Sons Inc. alapján. A 2. mellékletben pedig egy részletesebb röntgenenergia táblázatot szúrtam be J. A. Bearden, „X-Ray Wavelengts”, Review of Modern Physics, (January 1967) pp. 89-99 alapján.

18


3

SPECTRO MIDEX 03 µ-XRF Spektrométer paraméterei Ebben a fejezetben a CASON SPECTRO MIDEX 03 µ-XRF Spektrométert

szeretném elemezni, a készülék műszaki adatait összegyűjteni, a berendezést és a általam végzett mérést bemutatni.[8]

6. ábra: SPECTRO MIDEX M

3.1 A készülék műszaki adatai Megnevezés

Érték

Elektromos csatlakozás

95 – 120 V / 200 – 240 V, 50/60 Hz

Spektrométer teljesítmény

200 W (PC nélkül)

Spektrométer készenléti (stand-by) állapot 70 W Biztosíték

16 A (slow-blow)

19


Röntgencső Maximum teljesítmény

30 W

Maximum feszültség

48 kV

Hőmérséklet

+ 5°C – +30°C ; 41 – 86 °F

Optimális üzemeltetési hőmérséklet

+20°C – +25°C, 68 – 77 °F

Relatív páratartalom

Védelmi osztály

10 – 80 % (non-condensing) at 25°C (77 °F) 10 – 75 % (non-condensing) at 30°C (86 °F) IP 20, DIN 40050

Nitrogén/hélium gázöblítés (opcionális) Nyomás

2 – 3 bar; (29 – 44 psi)

Minőség

≥99,996% (4,6)

Fogyasztás

< 100 l/h (tipikusan 40 l/h) (mérés alatt)

Méretek és tömeg Magasság

750 mm (29,5”)

Szélesség

580 mm (22,8”)

Mélység

670 mm (26,5”)

Alap mélysége

560 mm (22,0”)

Tömeg

55 – 70 kg (120 – 155 lbs), függ a kiépítéstől

1. táblázat

3.2 A berendezés általános ismertetése és az elvégzett mérések A készülék 2 mm-es távolságból tud detektálni, ahol a mérés történhet opcionálisan héliumos gázöblítéssel. A minta tartó asztal egy programvezérelt XYZ asztal, ami maximálisan 3kg-os mintát bír el. Maga a mérés lehet pontbeli, vonali, vagy felület menti. A készüléket hetente, és havonta fundamentál paraméteres kalibrációt kell végezni a 20


gyártó által kiadott minta segítségével. Ezek nem igazi kalibrációk csupán arról van szó, hogy a mérési módszerekben bizonyos standardok rögzítve vannak aminek alapértékei egy-egy mérés módosíthaja, ezért ezeket újra fel kell venni. A készülék fundamentál paraméteres módszerrel mér, ami azt jelenti, hogy nem szükséges etalonok használata és a teljes periódusos táblát lefedi az elemek kimutathatósága ennek viszont az a következménye, hogy mivel nem alkalmazunk standardokat a mérés nem visszavezethető! Mivel a fundamentál paraméteres mésnek egyik alappillére, hogy gyakorlatilag a periódusos tábla bármely elemét vizsgálhatom mátixtól függetlenül ezért a készülékkel az eddig problémásnak vélt területe felé indultam el A fémek, azon belül is az alaumínumok felé. Egyrészt azért választottam a fémeket, mert ezen anyagokban az elemközi hatás erősebben érvényesül, mint az összes többi anyagban, másrészt azért alumíniumot választotta mert annak detektálása kis rendszáma miatt nehézkes. Három darab ismert anyag-összetételű alumínium etalont vizsgáltam. Minden egyes darabon 3x3 mérést végeztem, mert a kilépő kolimátor átmérő 0,1-0,5 mm között változtatható így a gerjesztett terülte 1-1,5 mm átmérűjű ezért a felületi inhomogenitásokra fokozottan érzékeny. Így három egymástól távol eső pontban háromszor mértem. A 9 mérési eredményből viszont alkalmankét, csak 7-tel tudtam mert, mert a mérési módszer potatlansága miatta véletlenszerű hibák léptek fel. Ezeket figyelmen kívül hagytam, a többiből átlagot számolva határoztam meg az egyes etalonok koncentráció értékét. Ezek után megvizsgáltam a spektrum képeket s azokat az ismert összetételű anyagokat ahol a karakterisztius vonalak csúcsba estek kiválasztottam a vasat és a rézt amire elkészítettem a kalibrációs görbét és kiszámítottam a koncentráció tartalmat, amit összevetettem a porgram által kiszámolt értékellek. Ezt mindkét mérési módszernél elvégeztem. Ugyan ezen elemek az RoHS szempontjából nem tiltott anyagok viszont a készüléken levő mérsi módszerek alkalmazhatóságának vizsgálatára megfelelőnek mondhatóak, a spektrumképben a karakterisztikus vonala a csúcsba így az elemközi korrekciót akár el is hagyhattam, ha ne nem csúcsba esik az adott elem ezt nem tehetem meg. Hozzá kell tennem, hogy a méréseim során a többször frissítette ezek a mérési módszereket a jelenleg a fémek vizsgálatát két csoportra osztja, könnyűfém mátrixban található anyagok (RoHS in light alloy) és nehézfém mátrixban lévő anyagok (RoHS in alloy) a méréseimet és a számításaimat ezekkel a módszerekkel végeztem. A hetedik a és a nyolcadik ábrán a vas illetve a réz kalibrációs görbéje látható. Bár elméletileg a koncentráció a függő változó a gyakorlatban a beütésszámból kifolyólag azt 21


ismerjük és a hozzátartozó intenzitást keressük ezért így ábrázoltam. A kék pontok jelölik a mérési pontokat a fekete görbék pedig maguk a kalibrációs görbék. Mindkét esetben (és mindkét mérés típusnál) elmondható, hogy korreláció van a pontok és a függvény között. Önkényesen felvettem a „0” intenzitáshoz a „0” koncentráció tartalmat, hogy a kalibrációm 4 pontos lehessen. A „DataPro” program segítségével vizsgáltam a görbéket és személtetésképpen egy excel diagramban ábrázoltam a függvényeket. Regresszió analízis segítségével előbb egy lineárissal próbáltam közelíteni a mérési eredmények, majd másodfokú polinommal. Ez utóbbi közelebbi értékeket hozott, mint a lineáris, ezért ezt fogadtam el.

Fe Al etalonban 1,2

1

koncentráció

0,8

0,6

0,4

0,2

0 0

5000

10000

15000

20000

intenzitás

7. ábra: Fe kalibrációs görbe Al etalonban

22

25000

30000


Cu Al etalonban

intenztás 4,5 4 3,5 3 2,5

2 1,5 1 0,5 0 0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

-0,5

160000

180000

koncentráció

200000

8. ábra: Cu kalibrációs görbe Al etalonban

A vas és a réz kalibrációs egyenesének egyenletére a következőket kaptam: C Fe = 3,232 ⋅ 10 −3 + 3,543 ⋅ 10 −5 ⋅ I Fe + 2,959 ⋅ 10 −10 ( I Fe ) 2 C Cu = −1,5439 ⋅ 10 −3 + 1,7198 ⋅ 10 −5 ⋅ I Fe + 3,66827 ⋅ 10 −11 ( I Fe ) 2 CFe,Cu – Valós koncentráció IFe, Cu – Intenzitás (katalógus adat) Ez alapján kiszámoltam a „mért koncentrációkat”, (2., 3. táblázat) semmilyen elemközi korrekciót nem alkalmaztam ennek ellenére elfogadható értékeket kaptam. Korrekciók alkalmazásával, vagy több pontos kalibrációval ezt az értéket még finomítani lehet. Ehhez ismert anyag-összetételű etalonsorokra van szükség. A kalibrációm visszavezethetőségére a SDkal szám utal. A koncentráció és intenzitás szórását az RSD érétkek mutatják. Mindezeket összevetve a negyedik oszlopban feltüntet koncentráció értékkel, amit a készülék szoftvere generált, azt kell, hogy mondjam a fundamentál praméteres mérés ebben az esetben megfelelőnek bizonyult, de az mégsem visszavezethető. Ez igaz mind a vas, mind a réz esetében.

23


Fe Al etalonban (RoHS in light alloy) Std

C

B1 B2 B4

0 0 0,51 12552 0,9 22390 1,09 24583

C számolt 0,003232 0,494569205 0,94484795 1,053027129

Cátlag:

0,623919071

Iátlag:

I

0,625

C(XRF) 0,54941250 0,9265000 0,98821110

2

∆C -0,003232 0,015430795 -0,04484795 0,036972871

∆C 1,045E-05 0,0002381 0,0020113 0,001367

SDkal:

0,0347701

RSDkal_C:

5,57%

RSDkal_I:

5,56%

2. táblázat

Cu Al etalonban (RoHS in light alloy) Std B1 B2 B4

C

I

0 0 0,083 4982,6 0,39 21728 3,99 173927

Iátlag: 1,11575

C számolt -0,0015439 0,0850576 0,3894524 4,0993264

Cátlag:

C(XRF) 0,085300 0,43855000 3,64411100

1,1430731

2

∆C 0,001544 -0,00206 0,000548 -0,10933

∆C 2,38E-06 4,23E-06 3E-07 0,011952

SDkal:

0,063138

RSDkal_C:

5,52%

RSDkal_I:

5,66%

3. táblázat

Az „egyszerű” fémek esetén is hasonlóképpen jártam el (RoHS in alloy). A regeresszió analízist szintén másodfokú polinómmal végeztem el. A görbék egyenlete a következő lett: C Fe = 3,0019 ⋅ 10 −3 + 3,6096 ⋅ 10 −5 ⋅ I Fe + 3,12262 ⋅ 10 −10 ( I Fe ) 2 C Cu = −5,22912 ⋅ 10 −4 + 1,72585 ⋅ 10 −5 ⋅ I Fe + 3,376258 ⋅ 10 −11 ( I Fe ) 2 CFe,Cu – Valós koncentráció IFe, Cu – Intenzitás (katalógus adat) A kalibrációs görbék a 9. és a 10. láthatóak

24


Fe Al etalonban 1,2

1

intenzitás

0,8

0,6

0,4

0,2

0 0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

koncentráció

9. ábra: Fe kalibrációs görbe Al etalonban

Cu Al etalonban 4,5

4

3,5

3

intenzitás

2,5

2

1,5

1

0,5

0 0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

-0,5 koncentráció

10. ábra: Cu kalibrációs görbe Al etalonban

25

160000

180000

200000


Az összesítő adatokat az előzőek alapján a 4. és 5. táblázatban mutatom be. A kiszámolt koncentráció értékeim közelebbi értékeket adnak a valóságoshoz. Meg kell jegyeznem, hogy itt szintén elemközi korrekció nélküli kalibrálásról van szó. A készülékkel mért értékeim viszont nagyságrendekkel nagyobb a valóságosnál ezt az okozhatja, hogy az Al alapvetően könnyű fém és program a beállításai a nagyobb sűrűségű fémekre vonatkozik. Valószínűsíthetjük, hogy ha például ismert anyag-összetételű „nehéz fémel” végeznénk méréseket jobb eredményeket kapnánk.

Fe Al etalonban (RoHS in alloy) Std

0 0,51 0,9 1,09

0 12339,43 21809,13 24257,43

C számolt 0,003002 0,495951 0,938748 1,06234

Iátlag: 0,625

Cátlag:

0,62501

B1 B2 B4

C

I

C(XRF) 47,23666 14,08571 6,368555

2

∆C -0,003 0,014049 -0,03875 0,02766

∆C 9,0114E-06 0,000197362 0,001501406 0,000765064

SDkal:

0,028710293

RSDkal_C:

4,59%

RSDkal_I:

4,59%

4. táblázat

Cu Al etalonban (RoHS in alloy) Std

C

B1 B2 B4

0 0 0,083 4833,714 0,39 21697,86 3,99 172803,6

Iátlag: 1,11575

I

Cátlag:

2

C számolt C(XRF) ∆C -0,00052 0,000523 0,083689 10,15888 -0,00069 0,389845 18,46571 0,000155 3,989995 51,74666 4,74E-06

∆C 2,73437E-07 4,74165E-07 2,40465E-08 2,24498E-11

SDkal:

0,000507172

RSDkal_C:

0,05%

RSDkal_I:

0,05%

1,115751

5. táblázat Ezek alapján a korábban műanyag etlonokon végzett mérések egyszeri egy pontos mérések is jónak mondhatóak. Ezek összesítését a 6. táblázatban mutatom be. Itt 3 db műanyag etelont mértünk meg több (korábbi, „durvább”) mérési módszerrel. A zölddel kihúzott mérési módszer ma is használatban van, de az etalonok újramérésére nem volt lehetőségem, mert azok csak kölcsön kapott eszközök voltak.

26


( ABS+Br )

ACWII Method

Cr [ppm]

As [ppm]

Br [ppm] Cd [ppm]

Hg [ppm] Pb [ppm]

ETALON

<5

-

-

<5

<5

<5

FP Alloy_05

< 200

< 51

632900

< 51

< 10

113

Alloy ROHSori

< 201

< 51

633200

72

< 10

75

RoHS + for plastics

< 2,4

< 6,2

63230

< 20

< 0,9

< 3,1

NM_RoHS_2M

< 2,4

< 6,5

72510

< 197

21,7

211,6

FP alloy_Helium_HUN

< 20

< 5,1

462600

< 15

847

1256

( PE )

ACZFW 603-989 Method

Cr [ppm]

As [ppm]

ETALON

957

-

1099

279

1030

1153

FP Alloy_05

201900

< 51

102500

17470

141400

184800 176100

Br [ppm] Cd [ppm]

Hg [ppm] Pb [ppm]

Alloy ROHSori

198900

1380

99990

16410

138200

RoHS + for plastics

906,4

112,3

1081

264,5

1218

977

NM_RoHS_2M

1131

108,2

1052

335

1641

1545

FP alloy_Helium_HUN

229600

11310

121900

7220

178300

165900

( PVC )

ACTLM 603-989 Method

Cr [ppm]

As [ppm]

ETALON

966

-

1100

277

1077

1170

Br [ppm] Cd [ppm]

Hg [ppm] Pb [ppm]

FP Alloy_05

70050

< 51

118800

49200

82240

154200

Alloy ROHSori

68970

< 51

116500

46900

81970

150600

RoHS + for plastics

897,9

< 4,1

1029

249,2

974,2

1169

NM_RoHS_2M

1998

< 4,3

982,6

365

718,4

1139

FP alloy_Helium_HUN

26750

2210

64240

5500

63280

68210

6. táblázat

27


4

Összefoglalás

Összességében a Robert Bosch Power Tool Kft. minőségbiztosítási osztályán alkalmazott Spectro Midex M energia diszperzív röntgenspekrométer egy kis fogyasztású, kis teljesítményű könnyed asztali mérőberendezés ami akár egy komolyabb analitikai készülék előszűrőjekét

is tökéletesen alkalmazható. A bemutatott példa alapján a

megfelelő, akár „házilag előállított” etalonsorokkal és pontos korrekciók alkalmazásával egy visszavezethető viszonylag nagy pontos kalibráció hozható lét. Ugyanakkor a bemutatott példán keresztül az is látszik, hogy az etalon nélküli mérésekkel (fundamental paraméteres mérések) is jó eredményeket hozott

a készülék, a jó mérési módszert

választottuk ki ám az óriási hátránya ezen mérések visszavezethetősége nem biztosított. Mivel a készülék 1-1,5 mm-es terület gerjeszt ezért bonyolultabb alkatrészek mérésére is tökéletesen alkalmazható, ám pont e miatt a kis gerjesztési felület miatt a berendezés fokozottan érzékeny a felületi inhomogenitásra ugyanakkor a mérési „eljárás” és a fentiekben tárgyalt mérési bizonytalanságok miatt véletlenszerű hibák is felléphetnek. Ezeket a kiértékelésben mindenképpen figyelembe kel venni. Ezen megemlített dolgok miatt a készülékkel nem érdemes egy pontban mérni és arról messzemenő következtetéseket levonni. Továbbá a teljes kiértékeléshez hozzátartozik a spektrumkép részletes vizsgálata is, mert azon egyből szembetűnik, ha egyes anyagokat egészen másnak detektált a programunk, illetve a mérési pontok spektrumképének egymásra illesztése, mert úgy pedig a kiugró értékek tűnhetnek fel. Úgy gondolom a gépe használatához nem feltétlenül, de a kapott eredmények helyes kiértékeléshez mindenképpen háttérismeret szükséges.

28


5

Irodalom [1] Hartyányi Zsuzsanna – Anyagszerkezeti viszgálatok [2] Pozsonyi

Imre:

A

pásztázó

elketronmikroszkópia

és

az

elektonsugaras

mikroanalízis alapjai [3] Nagynémedi Csaba: Anyagösszetétel vizsgálatok röntgensugaras mikroanalízisssel [4] http://www.hwsw.hu/hirek/31608/eljott-az-olommentes-elektronika-ideje.html [5] http://atomki.hu/~mohacsii/documents/Rontgen_fluoreszcencia_analizis.pdf [6] http://www.freeweb.hu/sasovits/anyag/rontgen/fizika/sug_keletkezik.htm [7] http://eki.sze.hu/ejegyzet/ejegyzet/beinrohr/fejez9.htm [8] http://www.spectro.com [9] http://www.freeweb.hu/lorincza/meszezes.html

Linkek utoljára ellenőrizve: 2010. 11. 09.

29


Miskolci Egyetem Gépészmérnöki Kar, IV. évfolyam Konzulens: Dr. Bánhidi Olivér egyetemi docens

Dr. Szabó Tamás egyetemi docens

A TDK munkámban elsőminták veszélyes anyag tartalmának meghatározási elvét és gyakorlatát szeretném vizsgálni egy energia-diszperzív röntgenspektrométer segítségével. A 2006-ban bevezetett RoHS direktíva alapján szeretném vizsgálni az egyes anyagokban a nehézfémtartalmat. Környezetünk és egészségünk megóvása az Európai Unió (EU) az utóbbi években kiemelt figyelmet szentelt erre. Ennek ékes bizonyítéka, hogy három különböző direktívát, irányelveket dolgozott ki. Ezek az egyes mérgező nehézfémek iparban történő alkalmazásuk korlátozásáról (RoHS-direktíva), az elektronikai hulladékok kezeléséről (WEEE-direktíva) és az előállított termékek energiafelhasználásáról (EuPdirekíva) rendelkezik. Ezeket figyelembe véve a következő nehézfémekre szeretném a vizsgálódásaimat kihegyezni: króm bróm, higany, kadmium és az ólom. A dolgozatom első felében mélyebben ismertettem az energia-diszperzív röntgenspektrométer (XRF) működési elvét, a vele végzett mérések korlátait, figyelembe véve méréssel kapcsolatban fellépő fizikai jelenségeket is. Bővebben kitérek az általam a Robert Bosch Power Tool Kft minőségbiztosítási osztályán alkalmazott Spectro Miedex M asztali röntgen spektrométer felépítésére, műszaki paramétereire, mérési módszereire, és az általam végzett mérésekre. A dolgozatom második felében a mérések során felmerülő két problémás területtel szeretnék foglalkozni az alumínium alkatrészekkel és műanyagokkal, ezeket összehasonlítani és az egyik vonalon elindulva egy kalibrációs javaslattal szeretnék élni, amelyet remélhetőleg a későbbiekben a Specktro Midex M készüléken is használható lehet. Mindkét anyagból sikerült három-három darab beazonosítható, műbizonylattal rendelkező etalont szerezni. Ezeket szeretném megmérni, a kapott eredményeket összehasonlító táblázokban kiértékelni. A választott mérési módszer kidolgozásánál szeretném figyelembe venni, a véletlen hibák előfordulását és a lehetőségek szerint ezen hibák figyelmen kívül hagyását a kiértékelésben. Továbbá olyan korrekciós tényezőket szeretnék felvenni ami a már fent említett fizika jelenségeket figyelembe veszi és ezáltal a kiértékelés után minél valósabb képet alkot a valóságos anyagösszetételről. Összegezve a célom a téma részletes és pontos feltárása, kidolgozása és egy, az iparban alkalmazásra váró készülék felhasználó barátabbá tétele egy lehetséges kalibrációs javaslat segítségével.

2

Első minták veszélyes anyag tartalmának meghatározási elve és gyakorlata a minőségügyi osztályon

Recommend Documents