Comment fonctionne XRF?

La XRF décrit le processus où un rayonnement de haute énergie excite les atomes en tirant des électrons des orbitales les plus internes. Lorsque l’atome se détend, c’est-à-dire lorsque des électrons externes remplissent les couches internes, un rayonnement de fluorescence X est émis. Tout cela se passe sans toucher ou endommager l’échantillon.

Le rayonnement émis ressemble beaucoup à une empreinte digitale de l’atome. La fluorescence du cuivre est très différente de la fluorescence du zinc et de la fluorescence de tout autre élément du tableau périodique. C’est pourquoi la XRF est l’un des moyens les plus simples et les plus pratiques de faire de l’analyse élémentaire et est utilisée pour un grand nombre d’applications industrielles, de recherche et éducatives. Ici, les données dérivées peuvent être utilisées pour obtenir des informations qualitatives, semi-quantitatives et quantitatives sur les éléments majeurs, mineurs et même des traces d’un échantillon.

Donc, la seule question est: pourquoi avez-vous besoin de XRF? S’agira-t-il d’une analyse des oligo-éléments ? Analyse quantitative standardisée de haute précision dans une cimenterie ? Analyse des défaillances 2D et contrôle de la production ? Trier le métal dans une cour à ferraille ou pré-filtrer les formations rocheuses sur un site d’excavation?

De nos jours, tout instrument XRF est livré avec un tube à rayons X pour l’excitation des atomes dans l’échantillon et un détecteur, pour l’enregistrement du rayonnement de fluorescence. Les tubes peuvent être des tubes à haute puissance refroidis à l’eau d’une puissance de 4000 W, ou de minuscules tubes de 4 W de la taille d’un pouce pour les appareils mobiles. Du côté de la détection des photons, il existe essentiellement deux technologies différentes: EDXRF (Energy-Dispersive) ou Wavelength-Dispersive (WDXRF). Même si l’énergie E d’un photon et sa longueur d’onde λ sont pratiquement échangeables (en raison de la relation fixe E = (c ∙ h)/λ , c étant la vitesse de la lumière et h th la constante de Planck), la façon de trier les photons par rapport à E ou λ est assez différente :

Un spectromètre dispersif en longueur d’onde traite les rayons X comme des ondes et utilise une structure régulière (caillebotis ou cristaux) pour provoquer des modèles d’interférence qui permettent une résolution spectrale remarquablement élevée. Les détecteurs à dispersion d’énergie traitent les rayons X comme des particules. Ces détecteurs peuvent être comparé au lancer d’une boule de bowling (les photons) dans une fosse à billes (le détecteur) pour voir combien de petites boules en plastique (électrons) sont éjectées par chaque impact. Des boules de bowling plus lourdes ou plus rapides (énergies plus élevées) entraîneront l’éjection de plus de balles en plastique.

Il existe de nombreuses techniques dérivées de la XRF. Certains sont très sensibles (TXRF), d’autres très précis (WDXRF). Certains pour des objets précieux et délicats qui doivent rester intacts (Micro-XRF/Macro-XRF), d’autres plutôt pour des matériaux utilisés et dérivés de procédés industriels (Direct & Polarized EDXRF). Certains vous donnent les concentrations exactes de tous les éléments contenus dans l’échantillon (WDXRF); d’autres peuvent vous dire exactement où se trouve une inclusion dans l’échantillon (Micro-XRF). La plupart sont des instruments de laboratoire; certains peuvent être transportés dans une seule main (Handheld-XRF).

Certaines techniques font partie des normes ISO et ASTM dans les processus de gestion de la qualité industrielle, la polyvalence d’autres les rend de plus en plus fréquentes dans les laboratoires de R’n’D.

La sélection du spectromètre optimal dépend des exigences analytiques :

• Analyse d’éléments portables, de paillasse ou de laboratoire
• Nombre d’échantillons à mesurer par jour
• Type de matériau/échantillon et préparation
  
• Éléments d’intérêt, plages de concentration et limites de détection
• Exactitude et précision
• Structure de l’échantillon et taille de la structure

Les spectromètres à fluorescence X à dispersion d’énergie (EDXRF) de paillasse sont de taille compacte et ont une configuration relativement simple. Un tube à rayons X de 50 watts est utilisé pour exciter l’échantillon et un détecteur de dérive de silicium (SDD) pour compter le nombre et l’énergie des photons de rayons X caractéristiques. Le SDD enregistre l’ensemble du spectre d’énergie à la fois et plusieurs éléments peuvent donc être détectés simultanément. Les spectromètres EDXRF directs sont des dispositifs polyvalents, qui utilisent un chemin de faisceau étroitement couplé pour mesurer les éléments majeurs, mineurs et traces dans toutes sortes de liquides, poudres, grains, solides et échantillons en vrac. Les spectromètres EDXRF polarisés utilisent des rayons X monochromatiques pour améliorer le rapport signal/bruit pour des éléments tels que S, P et Cl dans la pétrochimie, afin d’atteindre des limites de détection ultra-basses, même avec un appareil compact.

Les plus petits spectromètres XRF complets possibles sont assez petits pour fonctionner sur batteries et être transportés dans une seule main. Pourtant, ils peuvent faire une identification matérielle positive complète en quelques secondes. Un XRF portable a les mêmes composants que les instruments EDXRF plus grands, mais emballés dans un volume beaucoup plus petit. Malgré leur taille, ces instruments sont très précis et sensibles pour tous les éléments à partir du magnésium. C’est parce que le tube et le détecteur, naturellement, sont très proches de l’échantillon. Ainsi, non seulement ils peuvent être transportés dans un parc à ferraille pour trier les métaux, mais ils peuvent également être utilisés sur le terrain pour l’analyse des oligo-éléments dans les campagnes de géo-exploration.

La micro-XRF est une méthode de dispersion d’énergie qui utilise une optique polycapillaire pour guider les rayons X d’excitation dans un point de la taille d’un micromètre sur l’échantillon. Ainsi, il peut non seulement vous dire quels et combien éléments se trouvent dans un échantillon, mais aussi où ils se trouvent exactement. Surtout lorsqu’elle est combinée avec une étape de balayage rapide, cette méthode est idéale pour mesurer et comprendre des échantillons inhomogènes. Avec la micro-XRF , presque tous les types d’échantillons peuvent être mesurés. Solides, poudres et liquides. Le besoin de préparation de l’échantillon est minime et, comme toutes les méthodes XRF, l’échantillon n’est pas endommagé lors du processus de mesure. Cela fait de la micro-XRF une technique de présélection idéale, pas seulement en criminalistique. En outre, en géologie, ce type d’analyse des matériaux est presque parfaitement adapté à la tâche analytique.

Encore une autre technique de dispersion d’énergie, la XRF à réflexion totale (TXRF) utilise tous les réglages possibles pour optimiser le rapport signal / bruit et, par conséquent, les limites de détection. La différence spécifique par rapport à toutes les autres techniques EDXRF est l’angle incident très peu profond. Il est en effet si peu profond que les rayons X d’excitation monochromatisés sont totalement réfléchis sur un substrat lisse, d’où son nom. Cette géométrie offre trois avantages principaux :

• Sans entrer dans le substrat, il n’y a pas de signal de fond diffusé du substrat.
• En étant réfléchi, le faisceau d’excitation traverse deux fois l’échantillon qui se trouve sur ce substrat.
• Avec le faisceau de rayons X venant d’un côté et allant de l’autre, le détecteur peut être placé très près de la surface de l’échantillon, sans obstruer le faisceau. Ainsi, presque toute la fluorescence produite dans l’échantillon est collectée par le SDD. Des quantités infimes de matériau d’échantillon, jusqu’à des microlitres ou des microgrammes, peuvent être quantifiées et des limites de détection dans la gamme du ppm sont réalisables avec une préparation minimale de l’échantillon.

Les spectromètres à fluorescence X dispersive de longueur d’onde (WDXRF) utilisent une configuration plus sophistiquée que les systèmes EDXRF, permettant une sensibilité plus élevée de 1 à 2 ordres de grandeur. Les systèmes WDXRF sont équipés de puissants tubes à rayons X (jusqu’à 4 000 W), de plusieurs composants optiques (par exemple, filtre, collimateurs) et utilisent des cristaux d’analyseur pour séparer les photons de rayons X émis par les échantillons en fonction de leur longueur d’onde, conformément à la loi de Bragg. Les spectromètres séquentiels WDXRF et WDXRF de paillasse sont équipés d’un goniomètre, qui modifie les angles et le type de cristal pour chaque longueur d’onde en conséquence, c’est-à-dire que les concentrations élémentaires sont mesurées séquentiellement. Les grands spectromètres WDXRF simultanés utilisent des canaux fixes pour mesurer plusieurs éléments à la fois et obtenir les temps de mesure les plus courts.

La technologie XRF peut être trouvée dans d’innombrables environnements où l’analyse élémentaire est essentielle. La surveillance des processus et le contrôle de la qualité dans les mines, le ciment et les matériaux de construction, la pétrochimie et les polymères, l’alimentation humaine et animale et la production de métaux ne sont que quelques exemples. Les appareils portables sont particulièrement utiles lors des campagnes d’exploration sur le terrain et pour le tri de la ferraille. La XRF est également fréquemment appliquée dans les domaines de l’art, de la conservation et de l’archéologie et de la criminalistique. La polyvalence et la préparation simple des échantillons font de la XRF un outil inévitable pour de nombreux laboratoires de service et institutions gouvernementales, ainsi que dans le milieu universitaire et la recherche.

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