Fluorescence X et énergies des éléments

Le nombre de transitions possibles augmente avec la taille de l'atome, pouvant atteindre 75 pour le mercure (Hg). Cependant, seules les transitions les plus intenses sont nécessaires pour identifier un élément (typiquement 5 à 6).

La fluorescence X couvre une large gamme d'énergie, allant de 40 eV à plus de 100 keV, ce qui correspond à des longueurs d'onde comprises entre 31 nm et 0,012 nm.

L'énergie minimale nécessaire pour arracher un électron d'un atome et provoquer la fluorescence X.

La série K correspond à l'électron enlevé de la couche K, tandis que la série L correspond à l'électron enlevé de la couche L.

La loi de Moseley relie l'énergie des rayons X émis à la charge nucléaire de l'élément. Cette relation est basée sur la différence d'énergie entre les niveaux électroniques de l'atome.

La spectrométrie de fluorescence des rayons X (FX) est une technique d'analyse non destructive utilisée pour identifier et quantifier les éléments présents dans un échantillon.

La fluorescence des rayons X est une méthode d'analyse élémentaire quantitative et qualitative qui utilise les rayons X pour exciter les atomes d'un échantillon.

Un spectre de fluorescence X représente l'intensité des rayons X émis en fonction de leur énergie. Chaque pic dans le spectre correspond à un élément spécifique dans l'échantillon.

Une tension élevée est appliquée entre l’anode et la cathode, accélérant les électrons vers l’anode. Cette tension détermine l’énergie des rayons X produits.

Le processus de production de rayons X génère beaucoup de chaleur. Un système de refroidissement est nécessaire pour empêcher le tube de surchauffer. L’eau ou l’huile est généralement utilisée comme liquide de refroidissement.

Les rayons X sont émis perpendiculairement au flux d’électrons, peuvent être collimatés (parallèles) et dirigés vers un échantillon.

Une matière radioactive se désintègre naturellement, émettant des rayons X. Elles sont moins utilisées en raison des risques liés à la radioactivité.

Un cristal spécifique (LiF ou Ge) diffracte et polarise les rayons X provenant de la source primaire, sélectionnant des longueurs d’onde particulières. Cela produit un faisceau quasi-monochromatique, minimisant les interférences de la matrice de l’échantillon, réduisant le bruit de fond et clarifiant le signal des raies caractéristiques.

Le spectre issu d’un tube à rayons X (source polychromatique) est constitué du rayonnement de freinage (Bremsstrahlung) et des raies caractéristiques.

La grande courbe sur le spectre représente le rayonnement de freinage, qui s’étend sur toute la gamme d’énergies.

Les pics étroits et prononcés sur le spectre représentent les raies caractéristiques, qui correspondent aux transitions électroniques spécifiques dans les atomes.

La spectrométrie de fluorescence des rayons X (FX) est une technique d'analyse permettant d'identifier et de quantifier les éléments présents dans un échantillon en analysant les rayons X émis par l'échantillon lorsqu'il est excité par des rayons X.

Un tube à rayons X est utilisé pour générer des rayons X qui excitent l'échantillon.

Les détecteurs sensibles à l'énergie des photons X, comme les Si(Li) ou SDD, convertissent l'énergie du photon X en un signal électrique mesurable. Cela permet de déterminer l'énergie du rayon X émis et donc l'élément correspondant.

Une roue de filtres peut être utilisée pour sélectionner les longueurs d'onde des rayons X qui atteignent l'échantillon. Cela permet de réduire le bruit de fond et d'améliorer la qualité du signal.

La FX est particulièrement utile pour l'analyse de matériaux organiques, archéologiques et biologiques car elle est non destructive.

La FX est utile pour l'analyse d'échantillons qui pourraient être endommagés par un bombardement direct de rayons X à haute énergie. Elle excite l'échantillon indirectement.

Les masques de collimateur sont des dispositifs qui dirigent le faisceau de rayons X vers l'échantillon. Ils permettent de concentrer les rayons X sur une zone précise.

Un capuchon de détecteur protège le détecteur des dommages et peut filtrer les rayons X avant qu'ils n'atteignent le détecteur. Cela permet d'optimiser la détection des rayons X fluorescents spécifiques.

La rotation de l'échantillon pendant l'analyse permet de moyenner les mesures sur différentes orientations, ce qui améliore l'uniformité des résultats.

Le détecteur à dérive de silicium (SDD) est un composant crucial en FX. Il capte les rayons X fluorescents émis par l'échantillon et les transforme en signaux électriques mesurables.

Le tube à rayons X est la source principale de rayons X dans un spectromètre FX. Il émet les rayons X primaires qui excitent les atomes de l'échantillon.

Une roue de filtres est utilisée pour filtrer certaines longueurs d'onde des rayons X primaires. Cela permet de s'assurer que seules les longueurs d'onde désirées atteignent l'échantillon.

Les détecteurs sensibles à la longueur d'onde détectent les rayons X en fonction de leur énergie. Ils sont utilisés dans les spectromètres WD-XRF.

Un mécanisme qui permet de positionner différents masques sur le trajet des rayons X afin de définir la forme et la taille du faisceau de rayons X.

Assure que le trajet des rayons X et l'environnement autour de l'échantillon sont maintenus à basse pression, ce qui est nécessaire au fonctionnement optimal du tube à rayons X et du détecteur.

Un dispositif qui rétrécit le faisceau de rayons X pour s'assurer qu'ils sont bien dirigés et alignés lorsqu'ils frappent l'échantillon puis le détecteur.

Une partie du système à dispersion de longueur d'onde, qui utilise différents cristaux pour diffracter les rayons X émis par l'échantillon sous différents angles selon leur longueur d'onde.

Ce dispositif détecte les rayons X qui sont diffractés par le cristal et mesure leur intensité, ce qui est utilisé pour déterminer la composition élémentaire de l'échantillon.

Un compteur proportionnel à gaz détecte les rayons X en utilisant un gaz (souvent un mélange d'argon et de méthane) comme milieu de détection. Lorsqu'un photon X entre dans le détecteur, il ionise le gaz, créant des paires électron-ion. Ces paires sont ensuite attirées vers les électrodes, créant un courant électrique.

Les détecteurs couramment utilisés dans les systèmes WD-XRF incluent les scintillateurs et les compteurs proportionnels à gaz.

Ces détecteurs ne mesurent pas directement l'énergie des photons X, mais plutôt leur intensité à une longueur d'onde spécifique après la dispersion par le cristal.

Ces derniers provoquent l'émission de photons de lumière. Cette lumière est ensuite détectée et convertie en un signal électrique par un dispositif photoélectrique, comme un photomultiplicateur.

La préparation des échantillons en FX est cruciale pour obtenir des résultats précis. Elle varie en fonction de l'état physique de l'échantillon (liquide ou solide) et de sa composition.

L'ED-XRF est souvent privilégié pour des analyses rapides (analyse simultanée) et globales en raison de sa facilité d'utilisation, de sa capacité à détecter un large éventail d'éléments, et de son coût généralement inférieur.

Le WD-XRF est utilisé pour des analyses qui nécessitent une haute résolution spectrale et une meilleure précision, particulièrement pour les éléments légers et les échantillons complexes.

Les liquides ne nécessitent pas de préparation particulière avant l'analyse.

Les échantillons solides nécessitent souvent une transformation préalable, particulièrement si la composition de la matrice est complexe ou inconnue.

Pour les échantillons solides, une minéralisation peut être nécessaire.