X射線測厚儀測量壓延銅箔厚度精度的影響因素及故障處理

張淑琴，佟慶平，陳 賓，王亞超，張玉翠，車廣斌

（中色奧博特銅鋁業(yè)有限公司,山東 臨清 252600）

1 引言

壓延銅箔是電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料之一，隨著以5G 通訊、航天航空、精密電子等為代表的現(xiàn)代信息通訊技術(shù)的高速發(fā)展，對壓延銅箔產(chǎn)品的單位面積質(zhì)量及厚度最大允許偏差提出更高的要求［1］。X 射線測厚儀作為X 型六輥可逆高精度銅箔軋機的關(guān)鍵檢測設(shè)備及厚控系統(tǒng)(AGC)的重要組成部分，其測量的精度和運行的穩(wěn)定性是保障軋機控制精度和滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的前提［2］。

國內(nèi)多數(shù)銅箔軋機都采用TOSGAGE 7000A 系列X 射線測厚儀，該型號測厚儀在使用初期具有精度高、噪聲低、響應(yīng)快、易維護等特點，但隨著使用年限的增加，某些元件到了老化點以后，會導(dǎo)致厚差信號出現(xiàn)漂移和尖脈沖等現(xiàn)象。我們通過研究測厚儀的構(gòu)成和測量原理，對影響測厚儀精度的因素進行分析，并采取切實有效的措施，確保測厚儀安全可靠、性能穩(wěn)定，對提高X 型六輥可逆軋機厚度控制能力，提高壓延銅箔產(chǎn)品質(zhì)量起到了保證作用。

2 TOSGAGE 7000A 系列測厚儀基本構(gòu)成及測量原理

2.1 TOSGAGE 7000A 系列X 射線測厚儀基本構(gòu)成

TOSGAGE 7000 系列X 射線測厚儀主要由移動C 型架、電氣控制柜、X 射線控制器、驅(qū)動控制箱、就地操作箱、操作員站和工程師站等組成，如圖1所示。

X 射線控制器控制X 射線發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定的X射線，射線穿透銅箔后在電離室內(nèi)轉(zhuǎn)換為小電流信號，經(jīng)ADC（模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器）放大過濾處理后，數(shù)字信號通過以太網(wǎng)發(fā)送到計算機系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)對數(shù)字信號進行計算處理，輸出為銅箔厚度信號［3］。標樣箱安裝在X 射線發(fā)生器上面，用于建立校準曲線和進行測厚儀校準。計算機系統(tǒng)是測厚儀的核心，主要用于測厚儀控制、運行、監(jiān)控和數(shù)據(jù)計算處理等［4］。驅(qū)動控制箱用于控制x 射線的接通、斷開，光柵的打開、關(guān)閉及驅(qū)動探頭。

2.2 測量原理

X 射線測厚儀測量原理如圖1 所示。當(dāng)X 射線發(fā)生器發(fā)出的X 射線穿過被測量的材料時，立即被該材料散射和吸收。通過該材料的X 射線被探測器（電離室）接收，并被轉(zhuǎn)換成與X 射線強度成比例的電信號［5］。在測量厚度為T 的銅箔時，穿過銅箔后X 射線電流強度I 與穿過標樣箱內(nèi)標準樣片的X 射線電流強度I0之間有如下關(guān)系：

圖1 東芝7000 系列x 射線測厚儀測量原理圖

由式（1）可以得到被測銅箔的厚度

上述表達式中，T 是銅箔厚度，u 為銅箔的射線吸收系數(shù)（由射線的能量和被測物體性質(zhì)確定）。由于I0是測厚儀校準時測量的X 射線電流強度，是已知的。當(dāng)u 和I0一定時，I 由電離室實時檢測得到，因此銅箔厚度T 可以根據(jù)式（2）求出。

3 滿量程校準

東芝7000 系列采用單束X 射線測厚法測量技術(shù)，該方法使用標樣箱內(nèi)已知的厚度標樣板對儀器進行校準和測量。如果測量條件無變化，標樣箱里標準樣板的厚度和位置無變化，則測厚儀測量精度保持不變［6］。

3.1 標準樣板箱SSD2655

標準樣板箱SSD2655 主要用于測厚儀的校準曲線創(chuàng)建和滿量程校準。標準樣板箱里裝有0.005mm、0.010mm、0.020mm、0.040mm、0.080mm、0.160mm、0.320mm、0.640mm 共8 片標準樣板，它們是經(jīng)過精密研磨的己知精確厚度的純銅箔樣板，標準樣板固定在一個保持器上，通過相應(yīng)螺線管的動作來改變樣板位置。快門是標樣箱中的一塊厚的鉛板，關(guān)閉快門可以擋住X 射線，以保證人身安全[7]。標樣箱里充有一定壓力的氮氣以保護標準樣板。

3.2 滿量程校準

在滿量程校準模式下，校準系統(tǒng)使用內(nèi)部標準樣板來創(chuàng)建并存儲一條全量程的校準曲線，整個量程（0.005～1.000mm）由互相重疊的6 個測量范圍組成，每個測量范圍需要7 個校準點，計算機按表1 中所示的組合要求，驅(qū)動標樣箱的標準樣板進入X 射線束內(nèi)，檢測每個校準點的電流值來獲得校準曲線表達式，并保存這個表達式。測量時，根據(jù)檢測到的電流強度大小，檢索存儲的校準曲線，從而確定被測銅箔的厚度。在校準曲線中，7 個校準點(T1，T2…T7）之間的區(qū)間用一個二階對數(shù)表達式來計算，這使得校準曲線準確接近于真實值。由于校準曲線直接影響測厚儀測量量程的線性度，校準曲線由校準點決定，因此校準點設(shè)置的合理性，直接影響測厚儀的線性度［2］。

表1 內(nèi)部標準樣板組合的校準點表

由于在滿量程校準時創(chuàng)建的校準曲線確定了X射線測厚儀的精度，計算機系統(tǒng)會在滿量程校準時進行多種自診斷功能。除了對X 射線狀態(tài)、X 射線控制系統(tǒng)狀態(tài)和內(nèi)部標準板動作狀態(tài)進行正常的診斷外，主要對探頭輸出進行診斷，系統(tǒng)會檢查輸出的穩(wěn)定性、大小和漂移。影響探頭輸出的內(nèi)部因素主要包括X 射線發(fā)生器的穩(wěn)定性和標準箱的動作及電離室的穩(wěn)定性,外部因素包括地電平、測量氣隙中大氣的變化等［8］。如果診斷出異常，計算機系統(tǒng)會報警并顯示報警信息。報警分故障、警告、不能測量三種：故障報警表示由于某種故障，或是儀器精度下降，導(dǎo)致測厚儀不能繼續(xù)測量；警告表示測厚儀發(fā)現(xiàn)次要故障，這些次要故障不會阻止測量，但是會影響測量精度，如果不及時處理，會升級為主要故障；不能測量表示測厚儀由于X 射線關(guān)閉或快門關(guān)閉造成沒有x 射線等。

TOSGAGE 在一定的時間內(nèi)（一般為8 小時）X 射線源和探測器處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此在沒有銅箔的情況下，每隔8 小時有必要進行一次滿量程校準（時間小于120s），以此保證連續(xù)的高精度測量并及時防止出現(xiàn)測量偏差［9］。

4 精度驗證

測厚儀的測量精度受許多因素影響，當(dāng)這些因素的變化相對較小時，可以通過滿量程校準來控制它們對測厚儀測量精度的影響［7］。然而，當(dāng)這些因素的值發(fā)生較大變化時，滿量程校準可能無法補償這些因素。為了避免這種事情的發(fā)生，需要定期檢查儀表精度，采用已知標準厚度的外部標樣板定期對測厚儀進行精度驗證并進行必要的維護［9］。

4.1 外部測試用標樣板

TOSGAGE X 射線測厚儀配備了離線外部測試用純銅標樣板，外部樣板大小100×100mm，其中，2 個0.005mm 厚度樣板，10 個0.010mm 厚度樣板，10 個0.100mm 厚度樣板，這些外部標樣板都在統(tǒng)一位置打印了編號，便于精度驗證時外部樣板按表2 中順序放置。

4.2 精度驗證

在測試前，外部標樣板要用丙酮小心清潔干凈。測試時，把樣板上有編號的角一致置于右下角，同一厚度的樣板按編號從大到小依順序從下往上堆疊放置，放置順序見表2。厚的樣板要放置在底部，這樣每一次測量時，可以保證X 射線束打在樣板的同一個位置上，使得測量的重復(fù)性最好。用外部標樣板按表2“標準樣片組合形式”一一測試，每個測試點偏差線性（外部樣板的實際厚度和測量厚度偏差）小于等于±0.1%的設(shè)定厚度，或著±0.1μm，取兩者大的那個值；噪音小于等于±0.06%的設(shè)定厚度，或±0.1μm，取兩者大的那個值。另外還要連續(xù)8 小時漂移測試，滿足0.1%+0.5μm 測量厚度的要求。只有每個測量點都滿足偏差線性度、噪音和漂移測試要求，才能保證測厚儀的測量精度控制在0.2%以內(nèi)［10］。

表2 精度驗證（外部標準樣板組合）測量點表

在精度驗證過程中如果有的測試點厚度偏差大于要求值，需按編寫的《校準點補償方法》步驟進行校準點補償，這樣可以將設(shè)備精度提高到外部標樣板的厚度精度。同時，更換維修標樣箱、電離室、X 發(fā)生器等，凡是會影響X 射線電流強度發(fā)生變化的，都要做精度驗證［2］。

5 測厚儀標樣箱故障及故障處理

5.1 故障現(xiàn)象

電氣巡檢人員發(fā)現(xiàn)左側(cè)測厚儀滿量程校準時偶爾會報出51#報警（滿量程校準數(shù)據(jù)中有過大的中期變動，即探測到漂移），做8 小時漂移測試正常，內(nèi)部標樣板動作測試正常，噪音測試正常，只有外部標樣板精度驗證時，在0.005mm、0.020mm 和0.060mm 驗證不通過，發(fā)現(xiàn)這三點都和有內(nèi)部標樣板0.005mm 組合的校準點有關(guān)，判斷標樣板有可能損壞。按照《標樣箱拆卸作業(yè)指導(dǎo)書》，打開標樣箱，發(fā)現(xiàn)0.005mm 標樣板從托架上脫落三分之一，樣板因和下部托架接觸，使樣板部分出現(xiàn)褶皺,見圖2 箭頭所示。由于標樣板插入撤出x 光束時，褶皺和顫動可能會使檢測電流信號大于報警值，所以出現(xiàn)51#報警。

圖2 標樣箱內(nèi)0.005mm 的標樣片從托架上脫落

5.2 故障處理及注意事項

（1）標樣箱取下來后，拿到潔凈空間打開；帶上手套，用特定的膠把樣片固定在托架上，如圖3所示，等膠凝固后再裝回標樣箱。

圖3 標樣箱內(nèi)0.005mm 的標樣片用膠粘在托架上

（2）開啟X 射線后，先做標樣箱內(nèi)部樣板驅(qū)動動作測試，正常后等待1 小時，再做滿量程校準。

（3）滿量程校準正常后馬上做精度驗證，若精度驗證不過關(guān)，則按校準點補償做內(nèi)部樣板的校準點補償。最后再做精度驗證，全部通過即可。

（4）如果使用校準點補償無法修正內(nèi)部標樣板，用0.3mm 的標準板（標準厚度為國際標準和技術(shù)學(xué)院提供）按《內(nèi)部標樣板更換后參數(shù)設(shè)定》操作步驟，直到精度驗證全部通過。

通過和東芝公司相關(guān)廠商技術(shù)人員多次溝通，得知SSD2655 標樣箱內(nèi)，0.040mm 以上標樣板是通過電子束焊接在托架上，而0.040mm 及以下標樣板是用聚丙烯薄膜夾在托架上的構(gòu)造。標樣板脫落是由于薄膜破損造成的，薄膜破損可能和薄膜老化、測厚儀有外力撞擊、標樣箱內(nèi)部氮氣壓力高于0.02MPa 等有關(guān)。

5.3 采取措施

標樣箱內(nèi)的標樣板除非從托架上掉下來或者樣板損壞很嚴重時，才能在滿量程校準過程中診斷出問題。當(dāng)標樣板只有少部分脫落，如圖2 中0.005mm標樣板的狀態(tài)，在滿量程校準過程中可能診斷不出，滿量程校準后更新校準曲線，和樣板組合的校準點附近的厚度偏差輸出就會發(fā)生變化，導(dǎo)致測厚儀局部范圍的測量精度變差。

為了盡可能避免標樣箱等對測量精度的影響，建議采取下列措施：

（1）檢查內(nèi)部標樣板在托架上的狀態(tài)，對薄膜已經(jīng)破損的，用膠把標樣板固定在托架上；

（2）每天利用換輥時間對測厚儀的上下測量窗口進行擦拭；

（3）保證每8 小時對測厚儀進行1 次滿量程校準；

（4）定期地用外部樣板測試來驗證精度，當(dāng)測量結(jié)果偏差超出要求值時，及時查找故障原因。

6 X 射線發(fā)生器的故障及老化試驗

6.1 故障現(xiàn)象

軋機左側(cè)測厚儀的厚度偏差輸出出現(xiàn)噪聲（尖脈沖）。用Iba Analyzer 軟件查看軋機入口側(cè)和出口側(cè)的厚差信號如圖4 所示，偏差信號出現(xiàn)尖脈沖。全標定時會出現(xiàn)報警和故障信息，精度驗證出現(xiàn)多測量點不過關(guān)，噪音測試也出現(xiàn)不過關(guān)，漂移大。

圖4 銅箔x 軋機出口側(cè)和入口側(cè)厚差曲線

6.2 故障分析

首先，把左側(cè)X 射線控制器的管電壓（TV）、管電流（TC）、驅(qū)動電壓（EP）、管電壓設(shè)定值（TV SET）和厚度偏差（Dev）信號都接到多通道記錄儀上，通過485 網(wǎng)線在電腦上顯示并存儲，分析這些信號的變化來判斷故障原因。正常情況下，快門打開后，除了厚差信號因銅箔實際厚度變化略有起伏外，其他信號應(yīng)相對平穩(wěn)，如圖5“正?！笨蛑兴?。

分析圖5“不正常”框中曲線可知，管電壓（TV）、管電流（TC）、驅(qū)動電壓（EP）信號出現(xiàn)尖脈沖，且同厚度偏差信號的尖脈沖變化一致。厚度偏差信號的尖脈沖和EP 信號的尖脈沖同時出現(xiàn)，說明該尖脈沖是由X 射線發(fā)生器上內(nèi)部放電引起的，而不是外部噪聲引起。X 射線發(fā)生器上的X射線管是真空管的一種，它的使用壽命比其他電子元件短。東芝公司相關(guān)廠商建議常態(tài)化存儲X 射線管備件，計劃每兩年更換一次［10］。

圖5 x 發(fā)生器的TV、TC、EP、TV SET、信號曲線和厚差信號曲線

6.3 X 射線發(fā)生器的老化試驗

X 射線發(fā)生器長時間存儲，會導(dǎo)致管壁和電極的氣體逸出，降低管內(nèi)真空度，在使用過程中產(chǎn)生放電。在這種情況下，X 射線管的不穩(wěn)定性發(fā)生幾率與閑置時間成正比。因此X 射線發(fā)生器在停電超過10 分鐘以上，必須按要求一步一步做老化試驗，這樣測厚儀測量精度才能得到保證。X 射線發(fā)生器（型號：x1104，80kV）的老化試驗步驟如表3 所示。X 射線發(fā)生器老化的目的是利用低管電壓和小放電去除X 射線管內(nèi)的氣體，同時電極上的尖頭也因小放電而消失［10］。

表3 X 射線發(fā)生器（型號：x1104，80kV）老化試驗要求

如果在持續(xù)低電壓老化后，TV 和TC 信號同時存在不穩(wěn)定性，也可在x1104 發(fā)生器允許使用的80kV 高電壓下持續(xù)老化。但高壓下老化存在風(fēng)險，放電過程可能導(dǎo)致發(fā)生器和控制器損壞的。為了盡可能減小X 射線發(fā)生器及X 射線控制器對測量精度的影響，建議采取下列措施：

（1）發(fā)生器TV 的穩(wěn)定和低紋波對于保證X 射線測厚儀的精度至關(guān)重要。在日常點檢和檢修X射線測厚儀的過程中，應(yīng)密切注意TV 的變化情況，發(fā)現(xiàn)TV 有波動應(yīng)盡快檢查原因。

（2）目前東芝測厚儀在國內(nèi)無維修點，X 射線發(fā)生器返廠檢測維修費用很高，維修周期、備件訂貨周期都很長，建議X 射線發(fā)生器要常備。

（3）老化試驗一定要緩慢升壓，升壓過快可能會造成X 射線發(fā)生器和X 射線控制器損壞。

7 結(jié)束語

通過對X 射線測厚儀測量精度的影響因素進行系統(tǒng)研究，并結(jié)合東芝X 射線測厚儀使用的實際情況，針對X 射線測厚儀存在的影響測量精度的問題進行研究并提出解決方案；同時總結(jié)測厚儀維護檢修時一些注意事項，對于提高東芝X 射線測厚儀的測量精度、提高壓延銅箔產(chǎn)品質(zhì)量、指導(dǎo)X 射線測厚儀的檢修維護等都具有積極意義。