X線蛍光を捉える最良の技術

X線蛍光の理解

XRF は、高エネルギー X 線またはガンマ線を照射して励起された物質から放射される特性「二次」 (または蛍光) X 線を利用する非破壊分析技術です。この現象は、内殻電子が原子から放出され、外殻電子がその空隙を埋め、X 線光子の形でエネルギーを放出するときに発生します。この放射された X 線は、その発生源である元素のエネルギー特性を持っているため、定性的および定量的分析の両方が可能です。

放出される X 線の強度は、サンプル内の元素の濃度に正比例します。したがって、放出される X 線のエネルギーと強度を測定することで、材料内に存在する元素を識別し、定量化することができます。正確で精密な結果を得るには、手法の選択が重要です。

XRF は、地質学、環境科学、材料科学、芸術保存など、多くの分野で使用されています。その汎用性と非破壊性により、元素分析に非常に役立つツールとなっています。

サンプル調製技術

正確な XRF 分析には、適切なサンプル準備が最も重要です。目標は、均質で代表的なサンプルを X 線ビームに提示することです。

固体サンプル

固体サンプルの場合、いくつかの準備方法を採用できます。

• 研磨:散乱効果を最小限に抑え、一貫した X 線相互作用を確保するには、滑らかで平らな表面を実現することが不可欠です。
• 切断と取り付け:サンプルを適切なサイズに切断し、サンプル ホルダーに取り付ける必要がある場合があります。
• 融合:サンプルをフラックス (例: ホウ酸リチウム) と混合し、加熱して均質なガラスビーズを形成します。この方法はマトリックス効果を最小限に抑え、特に地質学的サンプルに有効です。

液体サンプル

液体サンプルには異なる準備技術が必要です。

• 直接分析:一部の液体は、専用の液体サンプルホルダーで直接分析できます。
• 沈殿:対象の元素を溶液から沈殿させ、固体として分析することができます。
• 蒸発:液体をろ紙またはその他の基板上に蒸発させ、分析用の固体残留物を残すことができます。

粉末サンプル

粉末サンプルは次のように分析されることが多いです。

• 圧縮ペレット:粉末は油圧プレスを使用してペレットに圧縮され、機械的強度を向上させるために結合剤が使用されることが多いです。
• ルースパウダー:粉末はサンプルカップ内で直接分析できますが、この方法は粒子サイズの影響により精度が低くなる可能性があります。

サンプルの準備に関する考慮事項には、粒子サイズ、均質性、およびマトリックス効果の存在が含まれます。マトリックス効果とは、周囲の元素が対象元素の X 線蛍光信号に与える影響を指します。

検出器技術

検出器の選択は、XRF 機器のパフォーマンスに大きく影響します。一般的に使用される検出器には、エネルギー分散型 (EDXRF) と波長分散型 (WDXRF) の 2 つの主なタイプがあります。

エネルギー分散型蛍光X線分析装置（EDXRF）

EDXRF 検出器は、個々の X 線光子のエネルギーを測定します。通常は次のようなソリッド ステート検出器です。

• シリコン ドリフト検出器 (SDD): SDD は高いカウント レートと優れたエネルギー分解能を提供します。
• シリコンリチウム (Si(Li)) 検出器:これらの検出器は優れたエネルギー分解能を提供しますが、極低温冷却が必要です。

EDXRF は、そのスピードと複数の元素を同時に分析する能力で知られています。サンプルのスクリーニングや、高いスループットが求められるアプリケーションに最適です。

波長分散型蛍光X線分析装置（WDXRF）

WDXRF 検出器は、分析結晶を使用して、X 線を波長に基づいて分離します。これにより、EDXRF に比べて優れたスペクトル分解能が得られます。

• 分析結晶:さまざまな波長の X 線を回折するためにさまざまな結晶が使用され、X 線スペクトルの正確な測定が可能になります。
• 比例計数管:これらの検出器は回折された X 線の強度を測定します。

WDXRF は、高精度と微量元素の分析を必要とするアプリケーションに適しています。スペクトル分解能の向上により、ピークの重なりが最小限に抑えられ、マトリックスの影響が軽減されます。

適切な検出器の選択は、対象となる元素、必要な精度、利用可能なサンプル準備方法などの特定の分析要件によって異なります。

X線源パラメータの最適化

X 線源は XRF システムの重要なコンポーネントです。パラメータを最適化すると、データの品質が大幅に向上します。

管電圧と電流

管電圧は、線源から放出される X 線のエネルギーを決定します。電圧が高いほど重い元素が励起され、電圧が低いほど軽い元素が励起されます。管電流は X 線ビームの強度に影響します。

• 電圧の選択:分析する必要がある要素に基づいて電圧を選択します。
• 電流調整:感度を向上させるには電流を増やしますが、サンプルの損傷や検出器の飽和の可能性に注意してください。

フィルター

フィルターは、特定の X 線エネルギーを選択的に減衰させ、バックグラウンド ノイズを減らして信号対ノイズ比を改善するために使用されます。さまざまな要素ごとに異なるフィルターが用意されています。

• 材料の選択:吸収端に基づいてフィルター材料を選択します。
• 厚さの最適化:フィルターの厚さを調整して、ターゲット要素の信号を最適化します。

対象物質

X 線管のターゲット材料は、放出される X 線のスペクトルに影響します。一般的なターゲット材料には、ロジウム (Rh)、タングステン (W)、モリブデン (Mo) などがあります。ロジウムは、さまざまな元素に使用できる多目的なオプションです。

データの取得と処理

XRF データの取得と処理には、スペクトルの取得、バックグラウンド補正、ピークの識別、定量化など、いくつかの手順が含まれます。

スペクトル取得

X 線スペクトルは、エネルギー (EDXRF) または波長 (WDXRF) の関数として X 線の強度を測定することによって取得されます。十分な計数統計を得るには、取得時間を最適化する必要があります。

背景補正

バックグラウンド放射線は分析に干渉する可能性があります。バックグラウンド補正法は、これらの影響を除去または最小限に抑えるために使用されます。

• 数学モデル:多項式フィッティングまたはその他の数学モデルを使用して、背景を推定および減算できます。
• コンプトン散乱:コンプトン散乱を補正することは、正確な定量化にとって非常に重要です。

ピークの識別と定量

バックグラウンドが補正されると、対象元素に対応するピークが特定されます。各ピークの下の面積は、元素の濃度に比例します。

• 較正曲線:較正曲線は、既知の組成の標準を使用して生成されます。
• マトリックス補正:マトリックス効果を補正するアルゴリズムが使用され、定量化の精度が向上します。

高度なデータ処理ソフトウェアを利用すると、これらのステップの多くを自動化し、包括的な分析結果を提供できます。

校正と標準化

正確な XRF 分析には、適切な較正と標準化が必要です。これには、認定参照物質 (CRM) を使用して、測定された X 線強度と対象元素の濃度の関係を確立することが含まれます。

認定標準物質 (CRM)

CRM は、信頼できる組織によって認定された、既知の元素組成を持つ材料です。これらは、較正曲線を作成し、XRF 測定の精度を検証するために使用されます。

較正曲線の生成

較正曲線は、測定された X 線強度と CRM 内の元素の既知の濃度をプロットしたものです。信頼性の高い較正曲線を生成するために、異なる濃度の複数の CRM が使用されます。

標準化手順

標準化には、CRM を定期的に実行して、機器の安定性と校正の精度を検証することが含まれます。これにより、XRF 測定が長期間にわたって信頼できる状態を維持できるようになります。

高度な技術とアプリケーション

基本的な技術に加えて、特殊なアプリケーション向けにいくつかの高度な XRF 手法も利用できます。

マイクロXRF

マイクロ XRF は、集束した X 線ビームを使用してサンプルの小さな領域を分析し、マイクロメートル スケールまでの空間分解能を実現します。これは、不均質材料の元素分布をマッピングするのに役立ちます。

全反射蛍光X線分析（TXRF）

TXRF は、斜入射 X 線ビームを使用して表面上の微量元素を分析する表面感度技術です。環境モニタリングや半導体分析でよく使用されます。

シンクロトロン蛍光X線分析計

シンクロトロン XRF は、シンクロトロン放射源からの高強度 X 線を使用して、感度と空間分解能を向上させます。この技術は、高度な材料特性評価や生物医学研究に使用されます。