蛍光X線
EDXRF スペクトロメトリー - 理論と計測器
蛍光 X 線 (XRF) 分光法は、幅広い材料中の原子元素の濃度を直接測定するための分析ツールとしてますます選択されるようになっています。固体と粉末から液体と薄膜に至るまで、XRF は、X 線源、光学および検出器技術における継続的な進化的開発と革新的なブレークスルーのおかげで、かつてないほど強力な定量的手法になりました。
1950 年代半ばの商用波長分散型 XRF 分光計の導入から、1970 年代初頭のエネルギー分散型蛍光 X 線 (EDXRF) 装置の開発まで、手頃な価格の計算能力の可用性の向上は、XRF の望ましさと受容にとって重要でした。技術。 1980 年代半ばに業界標準のプラットフォームとしてパーソナル コンピューター (PC) が普及し、使用されるようになると、蛍光 X 線分光法は、以前の原子分光法分析手法に代わる、よりシンプルで所有コストの低い代替手段になりました。
蛍光X線理論
の 蛍光X線 (XRF) では、十分なエネルギーの光波 (光子) を吸収することによって、電子を原子軌道から放出することができます。光子のエネルギー (hν) は、電子が原子核に結合しているエネルギーより大きくなければなりません。内側軌道の電子が原子から放出されると (中央の画像)、より高いエネルギー準位の軌道からの電子がより低いエネルギー準位の軌道に移動します。この遷移中に、原子から光子が放出される可能性があります (下の画像)。この蛍光を元素の特性X線といいます。放出された光子のエネルギーは、遷移を行う電子が占める 2 つの軌道間のエネルギーの差に等しくなります。特定の元素の 2 つの特定の軌道殻の間のエネルギー差は常に同じであるため (つまり、特定の元素の特性)、電子がこれら 2 つの準位間を移動するときに放出される光子は、常に同じエネルギーを持ちます。したがって、特定の元素から放出される X 線光 (光子) のエネルギー (波長) を決定することによって、その元素の正体を決定することができます。
元素から放出される蛍光の特定のエネルギー (波長) について、単位時間あたりの光子数 (一般にピーク強度または計数率と呼ばれる) は、サンプル中のその分析物の量に関連しています。サンプル内のすべての検出可能な元素の計数率は、通常、一定時間、さまざまな検体の特性 X 線エネルギー線で検出される光子の数をカウントすることによって計算されます。これらの蛍光線は、最新の検出器技術の解像度が不完全なため、実際には半ガウス分布のピークとして観察されることに注意することが重要です。したがって、サンプルのスペクトルの X 線ピークのエネルギーを決定し、さまざまな元素ピークの計数率を計算することによって、サンプルの元素組成を定性的に確立し、これらの元素の濃度を定量的に測定することができます。 .
1950 年代半ばの商用波長分散型 XRF 分光計の導入から、1970 年代初頭のエネルギー分散型蛍光 X 線 (EDXRF) 装置の開発まで、手頃な価格の計算能力の可用性の向上は、XRF の望ましさと受容にとって重要でした。技術。 1980 年代半ばに業界標準のプラットフォームとしてパーソナル コンピューター (PC) が普及し、使用されるようになると、蛍光 X 線分光法は、以前の原子分光法分析手法に代わる、よりシンプルで所有コストの低い代替手段になりました。
X線管励起
かつて一般的な真空管のように、 X線管 真空中に電子を放出するカソードと、電子を収集するアノードで構成されているため、チューブを通る電流の流れが確立されます。例えば４から１５０キロボルト（ｋＶ）の高電圧電源がカソードとアノードとの間に接続され、電子を加速してアノードに衝突させる。 X 線管の X 線スペクトル出力。陽極材料からの特性線と 制動放射 放射線、陽極材料と加速電圧に依存します。
1950 年代半ばの商用波長分散型 XRF 分光計の導入から、1970 年代初頭のエネルギー分散型蛍光 X 線 (EDXRF) 装置の開発まで、手頃な価格の計算能力の可用性の向上は、XRF の望ましさと受容にとって重要でした。技術。 1980 年代半ばに業界標準のプラットフォームとしてパーソナル コンピューター (PC) が普及し、使用されるようになると、蛍光 X 線分光法は、以前の原子分光法分析手法に代わる、よりシンプルで所有コストの低い代替手段になりました。
PINダイオードEDXRF検出器
あ ピンダイオード は、p 型半導体領域と n 型半導体領域の間に広く、軽くドープされた「近い」真性半導体領域を持つダイオードです。ペルチェ冷却シリコン PIN フォトダイオードは、一般に、蛍光 X 線 (XRF) 分光分析用の高分解能エネルギー分散検出器として使用されます。検出効率は、シリコンウェーハの厚さの関数です。たとえば、300 ミクロンの厚さのウェーハは、10 KeV でほぼ 100% の検出効率を提供しますが、150 KeV では約 1% の効率にすぎません。本質的に非常に堅牢ですが、PIN ダイオード EDXRF 検出器は、真空が損なわれたり、ペルチェ スタックが正常に冷却を停止したり、X 線ウィンドウが損傷または汚染されたり、放射線損傷により PIN ダイオードが劣化したりするたびに、サービスまたは修理が必要になる可能性があります。 .
SDD EDXRF 検出器
ペルチェ冷却X線検出器の新しいカテゴリー、 シリコンドリフト検出器 (SDD) は、主に X 線分光法 (EDXRF および MDXRF) と電子顕微鏡法 (EDX) で使用されます。この技術は、他の X 線検出器と比較して、非常に高い計数率と比較的高いエネルギー分解能を備えているため、非常に人気があります。他の固体 X 線検出器と同様に、シリコン ドリフト検出器は、入射光子のエネルギーを、検出器材料で生成されるイオン化の量によって測定します。 SDD の主な際立った特徴は、一連のリング電極によって生成される横電界であり、電荷キャリアを小さな収集電極に「ドリフト」させます。 SDD のこの「ドリフト」の概念により、1 秒あたり 100,000 カウント (CPS) を超えるスループットが可能になります。電界効果トランジスタ (FET) を放射線経路の外に移動させた現世代の SDD EDXRF 検出器は、第 1 世代のデバイスよりもはるかに信頼性が高く、従来の EDXRF 検出器技術における現在の最先端技術を表しています。
パルスプロセッサーとマルチチャンネルアナライザー
高解像度X線検出器で生成されたパルスは、パルス整形によって処理されます アンプ (パルスプロセッサ)。増幅器が最適な分解能のためにパルスを成形するには時間がかかるため、分解能とカウントレートの間には必然的にトレードオフがあります。処理時間が長いほど解像度は向上しますが、連続する光子からのパルスが重なり合う「パルス パイルアップ」が発生する可能性があります。現在の最先端のデジタルパルス処理技術は、検出器の性能を向上させるためにパルス長を短縮しようとする線形フィルタリング方法に依存しています。ただし、間隔の狭いパルスを解決できないということは、パルスのパイルアップが依然として問題であることを意味します。これにより、検出器のスループットが制限され、スペクトル精度とエネルギー分解能が低下し、スペクトル ノイズが増加し、検出器のデッド タイムが発生します。 EDXRF では、マルチチャネル アナライザ (MCA) は、パルス プロセッサからの情報を保存するために使用されるコンポーネントです。各チャネルは小さなエネルギー増分に対応し、検出器からの各パルスは、パルスの振幅 (つまり、光子エネルギー) に従って適切なチャネルに保存されます。
アプリケーション
EDXRF 分光計は、誘導結合プラズマ発光分光法 (ICP-OES) や原子吸光法 (AA) などの他の技術よりも小型で、設計が簡単で、運用コストが低いという点で、多くのアプリケーションで最適な元素分析ツールです。原子蛍光（AF）分光法。一般的な EDXRF アプリケーションの例は次のとおりです。 セメントおよび原料粉: 硫黄、鉄、カルシウム、シリコン、アルミニウム、マグネシウムなど。カオリン粘土：チタン、鉄、アルミニウム、シリコンなど。粒状触媒：パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウムなど。鉱石：銅、スズ、金、銀など。セメントおよびモルタルフィラー：灰中の硫黄。ガソリン、ディーゼル、RFG: 硫黄、マンガン、鉛など。残留軽油：硫黄、塩素、バナジウム、ニッケルなど。二次油：塩素など。灯油、ナフサ：硫黄など。原油およびバンカー燃料：硫黄、バナジウム、ニッケルなど。めっき、酸洗および前処理浴：金、銅、ロジウム、白金、ニッケル、硫酸塩、リン酸塩、塩化物など。酢酸：マグネシウム、コバルト、臭素。テレフタル酸（TPA）：コバルト、マンガン、鉄など。テレフタル酸ジメチル（DMT）：重金属。 PVC共重合体溶液：塩素;写真乳剤: 銀;粘土: 金属および非金属;廃棄物および排水の流れ: RCRA 金属、塩化物、リン酸塩など。食品、ペットフード、その他の動物飼料：カリウム、リン、塩素。化粧品：亜鉛、チタン、カルシウム、マンガン、鉄、ケイ素、リン、硫黄、アルミニウム、ナトリウム。木材処理: CCA、Penta、ACQ、ACZA、リンベースの難燃剤、ナフタン酸銅、ナフタン酸亜鉛、TBTO、IPBC、およびこれらの組み合わせ。制酸剤：カルシウム。歯磨き粉：リンとスズ。