Cette page présente les principaux composants de l'analyseur de fluorescence X à dispersion d'énergie (EDXRF). L'analyseur EDXRF est composé des composants suivants ; la figure ci-dessous présente un schéma des analyseurs EDXRF de paillasse les plus basiques.
Figure 1 : Schéma d'un analyseur EDXRF de paillasse de base.
Tous les spectromètres XRF nécessitent une source de rayons X, et ceux-ci sont généralement fournis par un générateur de rayons X in situ ou, moins fréquemment, par un matériau radio-isotopique.
Un générateur de rayons X classique fait passer un courant électrique à travers un filament, ce qui provoque l'émission d'électrons. Ces électrons sont ensuite accélérés par une haute tension (généralement comprise entre 20 et 100 kV) vers une anode (cible). La décélération des électrons lorsqu'ils frappent l'anode provoque l'émission d'un large continuum de rayons X. Ce rayonnement est appelé bremsstrahlung (rayonnement de freinage). De plus, une fraction des électrons provoque une fluorescence X caractéristique du matériau de l'anode.
Ainsi, l'émission de rayons X d'un générateur comprendra à la fois un large rayonnement de freinage relativement faible, recouvert de lignes de fluorescence caractéristiques très intenses et nettes provenant du matériau cible.
Une fine fenêtre en béryllium est utilisée pour permettre aux rayons X de sortir du générateur et d'atteindre l'échantillon.
Le matériau cible, le courant du filament et la tension d’accélération ont tous un effet significatif sur le rendement final d’un générateur de rayons X.
Cible (anode)
Le matériau cible est un composant fixe du générateur. Des générateurs avec différents matériaux cibles sont disponibles (par exemple, Mo, Rh, W), mais ils ne sont pas commutables au sein d'un même générateur. Une part essentielle du rendement du générateur provient de la fluorescence X caractéristique du matériau cible. Le rendement de fluorescence augmentant avec la masse atomique, l'utilisation de matériaux cibles de masse atomique plus élevée permet d'obtenir un rendement accru à une tension/courant donné. De plus, l'énergie des raies de fluorescence varie selon le matériau utilisé ; par conséquent, différents matériaux cibles peuvent entraîner une excitation plus ou moins efficace de certains éléments de l'échantillon.
Actuel
Le courant du filament contrôle le nombre d'électrons bombardant le matériau cible. Par conséquent, il influence directement l'intensité des rayons X, tant pour le rayonnement de freinage que pour le rayonnement caractéristique.
Tension
Le rayonnement de freinage présente une coupure d'énergie élevée, car son énergie ne peut excéder la tension appliquée. En modifiant cette tension, la coupure du rayonnement de freinage (et le profil global du continuum) peut être modifiée. Le rayonnement caractéristique du matériau anodique ne peut être généré que lorsque la tension d'accélération (et donc l'énergie des électrons incident) se situe au-dessus du seuil d'absorption de ce matériau. Ainsi, si la tension est réduite en dessous du seuil d'absorption, la ou les lignes caractéristiques disparaissent.
Comme indiqué précédemment, l'utilisateur n'a généralement aucun contrôle sur le matériau cible utilisé dans le générateur, bien que des générateurs utilisant différents matériaux soient disponibles. Cependant, le courant et la tension du tube sont des variables importantes dans une expérience XRF.
Le courant contrôle l’intensité des rayons X émis par le générateur et est principalement ajusté pour optimiser le niveau du signal au niveau du détecteur.
La tension a un effet important sur le profil spectral de sortie du générateur. À basse tension (par exemple, 15 kV ou moins), le rayonnement de freinage sera centré à des énergies relativement faibles et la fluorescence caractéristique sera limitée aux raies L (et M) de basse énergie. À haute tension (par exemple, 40 kV ou plus), le rayonnement de freinage sera plus intense et centré à des énergies plus élevées, et la fluorescence caractéristique inclura les raies K de haute énergie du matériau cible.
La fluorescence X la plus efficace est stimulée lorsque le faisceau de rayons X incident se situe à proximité du seuil d'absorption des éléments de l'échantillon. Ainsi, en ajustant la tension du générateur, il est possible d'ajuster, dans une certaine mesure, l'efficacité de la fluorescence de l'échantillon.
L'énergie du faisceau de rayons X a également un effet important sur la pénétration des rayons X dans l'échantillon. Plus l'énergie est faible, moins la pénétration est importante. Là encore, en ajustant la tension du générateur, il est possible de contrôler la pénétration du faisceau de rayons X incident et, par conséquent, la profondeur d'échantillonnage.
En 1984, un scientifique russe, Muradin Kumakhov, a proposé que des surfaces solides lisses puissent être utilisées pour former, contrôler et guider des faisceaux de rayons X, grâce à la réflexion externe totale. Cela a conduit au développement d'une gamme d'optiques à rayons X, permettant de former des faisceaux parallèles et focalisés, et de transférer ces faisceaux avec une grande efficacité.
Dans un spectromètre micro-XRF, il est nécessaire de générer un faisceau de rayons X intense et étroit. Il existe deux méthodes principales pour y parvenir, résumées ci-dessous et détaillées dans les pages suivantes.
Collimateurs
Les rayons X émis par le générateur traversent une petite ouverture, généralement de quelques millimètres à quelques centaines de micromètres de diamètre. L'utilisation de collimateurs pour générer des faisceaux de rayons X étroits est simple, mais peut entraîner une perte d'intensité à mesure que le diamètre du faisceau diminue.
Lorsqu'un faisceau de rayons X relativement important traverse une petite ouverture, la plupart des rayons X primaires sont bloqués par le matériau entourant l'ouverture. Les rayons X ne traversent alors que l'ouverture elle-même, produisant un faisceau dont le diamètre est proche de celui de l'ouverture.
Cependant, à mesure que l'ouverture se rétrécit, la proportion de rayons X bloqués augmente considérablement. Ainsi, les faisceaux générés de cette manière avec des diamètres inférieurs à 500 µm perdent en intensité, et ceux de diamètre inférieur à 100 µm deviennent inexploitables de ce fait.
Aujourd'hui, les collimateurs sont utilisés avec succès pour les analyses à haute résolution spatiale (diamètres de faisceau < 20 µm) sur les sources synchrotron, où les intensités extrêmement élevées des lignes de faisceau permettent d'éviter les pertes d'intensité. Pour les instruments de paillasse utilisant des sources de rayons X moins brillantes, les collimateurs ne sont pas utilisés pour les très hautes résolutions spatiales.
Optique mono-capillaire
Comme l'a découvert Kumakhov, les rayons X sont très efficacement réfléchis par les surfaces en verre lorsque l'angle d'incidence est faible. La fabrication d'optiques en verre soigneusement conçues permet d'utiliser cette réflexion externe totale pour focaliser, collimater et orienter les faisceaux de rayons X.
L'angle solide entre la source de rayons X et le capillaire est relativement grand, ce qui signifie que le couplage entre les deux est efficace. De très fortes intensités de rayons X peuvent ainsi être canalisées dans le capillaire, et la réflexion étant elle-même très efficace, les capillaires peuvent être utilisés pour générer des microfaisceaux de haute intensité, d'un diamètre aussi faible que 10 µm. Le tube guide de rayons X HORIBA (XGT) est un exemple d'utilisation réussie des monocapillaires et est unique en son genre, car il permet une résolution spatiale de 10 µm sur un système de paillasse.
Outre leur intensité, les faisceaux générés avec des optiques en verre mono-capillaire affichent une collimation presque parfaite, ce qui les rend parfaitement adaptés à l'analyse micro-XRF.
Optique polycapillaire
Kumakhov a également montré comment des optiques capillaires pouvaient être regroupées pour former ce que l'on appelle des optiques polycapillaires. Les faisceaux produits de cette manière offrent des avantages en termes d'intensité, mais sont fortement focalisés (c'est pourquoi ces optiques sont souvent appelées lentilles de Kumakhov). Des spots focalisés d'un diamètre allant jusqu'à 40-50 µm sont possibles.
Pour l'analyse XRF à résolution spatiale, les faisceaux focalisés ne sont pas idéaux. Les rayons X pénètrent l'échantillon (de quelques micromètres à plusieurs millimètres selon l'échantillon), de sorte que, bien que de petits points soient produits au point focal, les faisceaux flous génèrent des rayons X fluorescents sur des zones d'analyse beaucoup plus vastes.
De plus, la nature focalisée du faisceau signifie que l'imagerie micro-XRF d'échantillons rugueux est difficile - les zones focalisées bénéficieront de petites tailles de spot, mais les régions montrant une différence de hauteur deviendront floues en raison de tailles de spot hors focalisation beaucoup plus grandes.
Il existe une gamme de détecteurs disponibles pour la spectroscopie X dispersive en énergie. On peut les classer en trois catégories principales :
Semi-conducteur à l'état solide
Ces détecteurs sont généralement basés sur des puces en silicium ou en germanium. Les rayons X pénètrent par une fine fenêtre en béryllium et produisent des paires électron-trou dans la zone semi-conductrice du détecteur. Le nombre de paires électron-trou formées dépend de l'énergie du rayon X incident. Plus l'énergie du rayon X est élevée, plus le nombre de paires électron-trou est important. Une haute tension est appliquée pour attirer les électrons vers l'arrière du détecteur, où ils sont enregistrés collectivement sous forme d'impulsion négative. Un analyseur multicanal (MCA) compte ensuite ces impulsions et les trie par taille (équivalente à l'énergie du rayon X).
Pour fournir une résolution énergétique acceptable, les détecteurs à semi-conducteurs sont généralement refroidis avec de l'azote liquide, ce qui donne une résolution typique de < 165 eV.
Dans de nombreux cas, ce refroidissement est également essentiel au maintien d'une dispersion correcte des dopants dans le semi-conducteur, et un réchauffement peut sérieusement endommager le détecteur. Cependant, les nouvelles générations de détecteurs haute pureté (par exemple, le Xerophy™ de HORIBA) éliminent ces problèmes et permettent de soumettre les détecteurs à des cycles de température répétés selon les besoins ; le refroidissement n'est requis que pendant la détection.
Détecteurs de dérive au silicium (SDD)
Comme leur nom l'indique, les détecteurs à dérive au silicium reposent également sur un élément de détection en silicium, mais leur conception diffère légèrement de celle du détecteur à semi-conducteurs classique décrit précédemment. Des électrodes concentriques sont placées sur la face arrière du silicium et servent à attirer progressivement les électrons (provenant de l'absorption des rayons X) vers le centre de la puce. Comme précédemment, les électrons sont collectés sous forme d'impulsion négative et comptés par un MCA.
La particularité du SDD réside dans la possibilité d'obtenir de très bonnes résolutions en énergie (~ 150 eV) uniquement grâce au refroidissement Peltier (généralement jusqu'à -20 à -30°C). De plus, plusieurs rayons X incidents peuvent être détectés séquentiellement, car les électrons formés par absorption des rayons X dans différentes zones du détecteur auront des temps de dérive différents vers l'anode. Par conséquent, des taux de comptage beaucoup plus élevés peuvent être tolérés.
Contrairement aux détecteurs à semi-conducteurs, les SDD présentent une sensibilité relativement faible aux rayons X à haute énergie.
Diodes PIN
Comme son nom l'indique, un détecteur à diode PIN utilise un élément beaucoup plus petit. Cependant, comme les deux types décrits précédemment, il repose généralement sur un matériau semi-conducteur en silicium. La petite taille de l'élément semi-conducteur permet un refroidissement par effet Peltier, mais son épaisseur réduite compromet la sensibilité, en particulier pour les éléments les plus lourds.
Vous avez des questions ou des demandes ? Utilisez ce formulaire pour contacter nos spécialistes.
