XRF Principle

X-ray fluorescence (XRF) is a non-destructive analytical method used to determine elemental concentrations in various materials.

XRF works by striking a sample with an x-ray beam from an x-ray tube, causing characteristic x-rays to fluoresce from each element in the sample. A detector measures the energy and intensity (number of x-rays per second at a specific energy) of each X-ray, which is transformed into an elemental concentration using either a  non-standard technique such as fundamental parameters or user-generated calibration curves.

The presence of an element is identified by the element’s characteristic X-ray emission wavelength or energy. The amount of an element present is quantified by measuring the intensity of that element’s characteristic X-ray emission.

Chaque atome à l’état fondamental, stable, possède un nombre d’électrons qui lui est spécifique/unique. Ces électrons gravitent selon des orbitales simplifiées dans le modèle de Bohr : K, L, M, N. Les transitions observées en spectrométrie X mettent en œuvre ces 4 orbitales de base.
Lorsque les photons incidents provenant du faisceau primaire du tube à rayon X possèdent une énergie suffisante, ils parviennent à éjecter les électrons des orbitales des couches K, L ou M des atomes constitutifs de l’échantillon, ce qui crée une vacance (1) et donc, un état excité instable. Un électron situé sur une orbitale plus externe peut alors combler cette lacune, l’atome tend alors vers un état ‘moins instable’ (2).
Lorsque l’électron de l’orbital externe se déplace dans l’orbite interne, il libère de l’énergie sous la forme d’un photon à rayons X secondaire. Cette sortie d’énergie est appelée fluorescence. Tous les éléments produisent une fluorescence “caractéristique”. La fluorescence de chaque atome est unique.
Le ‘saut’ de l’électron de l’orbitale plus externe vers la lacune originelle correspond à une libération d’énergie (passage à un état plus stable) qui se traduit par l’émission d’un photon dont la longueur d’onde correspond exactement à la différence d’énergie entre les deux états. Cette énergie est unique pour l’élément et pour la transition. Il s’agit d’une fluorescence dans le domaine énergétique des rayons X. Les photons à rayons X primaires à haute énergie sont émis par un tube à rayons X et diffusent dans l’échantillon.
Les résultats sont exprimés sous la forme du spectre brut (analyse qualitative), ou en %, ppm, microns (épaisseur de couche), carats ou toute autre unité calibrée
Le détecteur dispersif en énergie fonctionne exclusivement séquentiellement (traitement d’un photon intégralement avant de pouvoir traiter le photon suivant). Les détecteurs de dernière génération traitent plusieurs centaines de milliers de photons par seconde.
Chaque photon issu de la réorganisation électronique peut être collecté par le cristal semi-conducteur du détecteur. Il y génère un courant, qui est amplifié, converti en tension et numérisé dans un ADC (convertisseur analogique digital). Il lui est alors attribué un numéro de canal (dans l’analyseur multicanal). Cette valeur ainsi obtenue vient enrichir un graphe discret appelé spectre dont l’axe des X est le numéro de canal (énergie du photon analysé) et l’axe des Y l’intensité (nombre de photons collectés à chaque énergie). L’aire sous chaque raie du spectre est représentative de la concentration de l’élément chimique qu’elle représente.

The Atomic Level

1- All atoms have a fixed number of electrons. These electrons are arranged in orbitals around the nucleus. Energy Dispersive XRF (EDXRF) typically captures activity in the first three electron orbitals, the K, L, and M lines.

2- These electrons are arranged in orbitals around the nucleus. Energy Dispersive XRF (EDXRF) typically captures activity in the first three electron orbitals, the K, L, and M lines.

3- The primary photons from the X-ray tube have high enough energy that it knocks electrons out of the innermost orbitals, creating a vacancy (1). An electron from an outer orbital will move into the newly vacant space at the inner orbital to regain stability within the atom (2).

4- As the electron from the outer orbital moves into the inner orbital, it releases energy in the form of a secondary X-ray photon. This energy release is known as fluorescence. All elements produce fluorescence “characteristic” to themselves. Each element’s fluorescence is unique to itself.

The XRF Instrument Level

5- High-energy primary X-ray photons are emitted from an X-ray tube and strike the sample

6- The fluorescent energy is transferred to a detector, where it is absorbed and transferred into an electrical signal and then into a number (digitized).

Results can be viewed in the form of percentages, or as spectrum. The XRF will process (digitize, count) about 200,000 or more x-rays every second. These detected x-rays form a spectrum. Each peak in the spectrum is from a characteristic x-ray that was emitted by a specific element, like Cr, or Ni, etc.

The height of the peak is proportional to concentration of the element. The peak height is converted to a percentage or ppm of that element via a calibration method – either fundamental parameters or factory or user-derived empirical calibrations (see below).