摘要
前言: 為何需要做金屬合金分析快篩檢驗?
金屬合金領域中，不同金屬牌號會依照基質(鐵、鋁、銅、鈦、鎢…)在不同應用需求上，在金屬冶煉工藝中做不同元素及比例濃度添加、配比，製造成各種合金材料加工特性的應用金屬牌號。
金屬牌號成分為一個範圍，不是固定值，不同製造商在相同牌號中的元素成分波動是必然的，會影響合金材料軟硬度、延展性、機械強度…等差異。進料加工的良率不穩定或加工過程中混料，都會嚴重影響金屬合金工件品質與使用安全性，這也是為何需要做進料(IQC)、加工前(IPQC)或出貨(OQC)的金屬/合金成分分析(金屬PMI)的原因。
目前手持式分光儀針對金屬/合金成分分析的方法已獲得國際上的認可，包含如下標準測試方法：
- ASTM E1476-04
- ASTM D6365-99
- ASTM E2119-16
- ASTM E2994-16
- ASTM E3047-16
- ASTM F2980-13
- ASTM E572-13
其中API 578有具體說明如何利用手持式分光儀來做金屬/合金成分分析(金屬PMI)。
2種常見手持式分光儀原理簡介
在實際使用場域上，目前有越來越多金屬合金使用者希望能夠將設備帶至現場做產線邊金屬/合金成分分析(金屬PMI)管理，以手持式分光儀來說，常見可攜帶至現場做金屬牌號分析設備有兩種:
手持式X光分光儀(HHXRF) 分析原理
手持式XRF(handheld X-ray fluorescence)的原理是當一束高能量粒子（X-RAY）與原子相互作用時，某一軌域的電子被彈飛逐出，形成電洞，這時原子處於不穩定狀態，在極短的時間內外層軌域電子會向電洞躍遷填補，使原子恢復到穩定狀態。在這一躍遷過程中，兩電子殼層的能量差將以特徵X射線的形式溢出，並依殼層位置產生K、L、M 線系的X螢光射線或又稱為元素X-RAY特性螢光分析線，藉由不同元素所產生的特性光譜及強度，做金屬/合金成分分析(金屬PMI)定性定量分析。
手持式XRF可快速的進行非破壞性檢測，進行金屬PMI金屬/合金成分分析，例如常見的: 矽(Si)、錳(Mn)、磷(P)、硫(S)等等，設備機動性高，樣品型態不限，可應用於進料檢驗、產線混料判別及成品出貨QC。
想知道更多XRF的應用及特色，請參考：XRF常見5種設備分析原理簡介
手持式雷射分光儀(LIBS) 分析原理
LIBS為Laser-Induced Breakdown Spectroscopy （鐳射誘導擊穿光譜儀或雷射火花放射光譜儀）的簡稱。工作原理是使用高功率的脈衝雷射並將光束聚焦到一個很小的分析點（通常50-400微米(um)直徑）燒灼樣品，材料元素經雷射照射被燒蝕剝離，由基態變為激發態，這時元素是不穩定的，為了重回穩定會再由激發態降回到基態並且產生放射光(Emission Spectrum)，原子放射出的光被檢測器接收轉換形成放射光譜(Optic Emission Spectrum, OES)，藉由光譜分析進行定性定量的金屬/合金成分分析(金屬PMI)。
圖2. 雷射火花放射分光光譜儀
圖3. 原子在等離子中被激發
圖4. 金屬合金材料被原子化
圖5. 產生放射光譜
手持式雷射分光儀(LIBS)擅長於輕合金(例如: 鎂、鋁、鈦合金)的檢測，可快速進行金屬PMI及金屬/合金成分分析，屬於微破壞性的檢測，但必須在一平整的面積上進行測試。
手持式雷射分光儀(LIBS) 歷史沿革
LIBS歷史重要摘記：
1963年LIBS技術誕生，1992年第一篇手持LIBS文獻，2000年美國太空總署(NASA)在火星車(好奇號)做LIBS技術演示，2004年被美國太空總署(NASA)批准做好奇號分析火星元素。
圖7. LIBS歷史沿革
LIBS工作原理
圖8. LIBS工作原理示意圖
手持式雷射分光儀(LIBS) 光學系統簡易說明
圖9. LIBS光學系統示意圖
想知道更多LIBS應用及特色，請參考：LIBS雷射誘導電漿光譜儀元素分析儀應用說明
