Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA)

Dokumenteninhalt:

1. Gerätebeschreibung
2. Allgemeines
3. Dienstleistungen
4. Methodenbeispiele
5. Anwendungsbeispiele

Gerätebeschreibung:

Bild 1: Röntgen-Fluoreszenz-Analysegerät

RFA = engl. X-Ray-Fluoreszenz (XRF), zur Erfassung der chemischen Probenzusammensetzung
Gerätebezeichnung: Röntgen-Fluoreszenz-Spektrometer X-LAB 2000
Hersteller: SPECTRO Analytical Instruments

Röntgen-Detektions-System: EDR288 TK
Hersteller: Röntec GmbH (jetzt Bruker-AXS)
Detektorauflösung: < 150 eV

Der Werkstoffzentrum Rheinbach GmbH steht ein Röntgen-Fluoreszenz-Spektrometer X-LAB 2000 der Firma Spectro zur Verfügung. Der von der Firma Röntec gefertigt Röntgendetektor mit der Bezeichnung EDR288 TK arbeitet mit einer Auflösung von ca. 146 eV und liefert damit hervorragende Ergebnisse bei den Analysen. Die verwendeten Proben haben meistens die Form von Press- oder Schmelztabletten, welche wir in unserer Probenvorbereitung herstellen können.

Allgemeines:

Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA), engl. X-Ray-Fluoreszenz (XRF)

Bild 2: Wirkungsweise RFA (Abbildung Fa. Spectro)

Die Röntgenfluoreszenzanalyse dient zur Erfassung der chemischen Zusammensetzung von Proben. Dabei können mit dieser Methode sowohl feste Proben, die geschmolzen, gepresst oder geschüttet werden, als auch Flüssigkeiten analysiert werden.

Bei der Röntgenfluoreszenz werden die Proben einer Röntgenstrahlung ausgesetzt. Durch diese Energieeinwirkung auf die Atome des Probematerials werden Elektronen auf den kernnahen Schalen herausgeschlagen. Die dadurch entstehenden Lücken werden durch Elektronen höherenergetischer Schalen aufgefüllt. Dabei geben diese Elektronen beim Schalenwechsel eine charakteristische Energie ab, die als charakteristische Röntgenstrahlung oder als Röntgenquant bzw. Photon bezeichnet wird (Bild 2). Die Photonen werden detektiert und analysiert.

Es werden zwei Detektionsverfahren bei der RFA angewandt. Bei der wellenlängendispersiven RFA (WDXRF) werden die Elemente entsprechend der Wellenlängen der Röntgenquanten detektiert, d. h. die in der Probe enthaltenen Elemente werden einzeln analytisch erfasst. Dabei erfolgt eine Direktanregung der Proben. Die hohe Empfindlichkeit der Methode erfordert eine hohe Röhrenleistung und konstante Umgebungsbedingungen. Das zweite Detektionsverfahren der RFA ist die energiedispersive Erfassung (EDXRF). Dabei können die Proben direkt mit der Röntgenstrahlung angeregt werden, dann spricht man von einer klassischen EDXRF oder die Proben werden durch Polarisation (ED(P)XRF) angeregt (Bild 3).

Methoden:

Bild 3: Wirkungsweise der klassischen EDXRF (links) und der ED(P)XRF (rechts)
(Abbildungen Fa. Spectro)

Bei der ED(P)XRF treffen die Röntgenstrahlen auf sogenannte Targets. Die meisten Geräte weisen 1 bis 3 Targets auf. Die Targets können aus verschiedenen Materialien bestehen, wie z.B. Korund, Molybdän, Kohlenstoff. Je nach Probenart und Analysebedingungen können verschiedene Targets verwendet werden. Durch die Verwendung von Targets werden die unpolarisierten Röntgenstrahlen reflektiert oder gestreut, also polarisiert. Durch die polarisierte Anregung wird der Untergrund reduziert, d. h. das Peak-Rausch-Verhältnis verbessert. Dies bedingt eine Verbesserung der Empfindlichkeit zum System EDX um ca. Faktor 10 und kürzere Messzeiten. Im Vergleich zur WDXRF weist die ED(P)XRF eine Reduzierung des Untergrundrauschens auf und kann bis zu 5mal kürzere Messzeiten erreichen. Ein weiterer Vorteil der ED(P)XRF im Vergleich zur WDXRF ist die Durchführung von realen Multielementanalysen. Dabei weist die WDXRF die höheren Nachweisempfindlichkeiten auf.

Das WZR betreibt ein ED(P)XRF-Gerät X-Lab 2000 der Fa. Spectro.

Bild 4: Bestückung der Probenkammer

Bei der Röntgenfluoreszenzanalyse handelt es sich um ein komplexes Verfahren, das je nach Probenart und Beschaffenheit zahlreiche physikalisch und chemisch bedingte Wechselwirkungen berücksichtigen muss. Eine entscheidende Rolle spielen dabei die Matrixeffekte, die durch das Probematerial bedingt werden. Um den Einfluss der Matrixeffekte auf ein Minimum zu senken, werden, sofern das Probematerial dies zulässt, Schmelztabletten gefertigt. Die Messung von Presstabletten unter Verwendung von Verdünnungsmitteln reduziert den Einfluss der Matrixeffekte, allerdings in geringerem Maße als dies bei der Messung von Schmelztabletten der Fall ist. Die Messung von Presstabletten liefert für leichte Elemente keine zuverlässigen Ergebnisse. In der nachstehenden Tabelle sind die analytischen Genauigkeiten für die RFA-Messung von Press- und Schmelztabletten dargestellt.

Dienstleistungen:

Bild 5: offenes Gerät während Stickstoffbefüllung

Aus den genannten Gründen werden je nach Probenart und –beschaffenheit im WZR bevorzugt Schmelztabletten hergestellt und gemessen. Dabei wird das gemahlene und geglühte Probematerial mit Lithiumtetraborat versetzt und in Platin/Gold-Tiegeln geschmolzen. Natürlich werden auch Presstabletten unter Verwendung eines sehr reinen Verdünnungs- und Presshilfsmittels hergestellt und gemessen. Die Auswahl der Probenvorbereitung und der Messmethode ist dabei entscheidend von der Probenart und der Probenbeschaffenheit sowie von der notwendigen analytischen Genauigkeit abhängig. Mit der RFA können zahlreiche Probematerialien untersucht werden, dabei können durch Erstellung an die Probenart angepasster Messmethoden, die über geeignete Standards verfügen, die Genauigkeiten der Analysenergebnisse gesteigert werden. Um unseren Kunden zuverlässige Analysenergebnisse zur Verfügung stellen zu können, hat sich das WZR daher auf die Herstellung und Messung von Schmelztabletten keramischer und feuerfester Materialien und deren Rohstoffe spezialisiert und dafür eine geeignete Messmethode aufgebaut (Tabelle 2). Die Messmethode für feuerfeste Materialien wurde dabei nach DIN EN ISO 12677 erstellt. Dabei stehen uns im Gegensatz zu vielen anderen Anwendern 8 statt 1 bis 3 Targets zur Verfügung, die in Form der erarbeiteten Messmethode probenspezifisch verwendet werden. Die Messmethoden werden systematisch erweitert, weitere Methoden befinden sich derzeit im Aufbau.

Tabelle 2: zur Verfügung stehende, spezialisierte Methode des WZR mit Angabe des Kalibrierbereiches und der Nachweisgrenzen, Analyse an Schmelztabletten (analysiert werden die Elemente und anschließend auf Oxide umgerechnet). Die grau unterlegten Bereiche stellen zusätzlich zu DIN EN ISO 12677 in die Methode aufgenommene Elemente/ Oxide dar.

Vorliegende Probendaten ermöglichen einerseits eine gezielte Probenvorbereitung (Vermeidung des Eintrages von analytisch interessierenden Elementen) aber auch eine gesteigerte Analysengenauigkeit durch gezielte Verwendung von spezialisierten Messmethoden.

Selbstverständlich können wir auch nichtkeramische bzw. nichtfeuerfeste Materialien mittels RFA untersuchen. Gern erstellen wir auch auf Ihre Probe angepasste Messmethoden.

Für die Herstellung von Schmelztabletten sollte das homogene Probematerial eine Korngröße von < 80 µm aufweisen und keine nenneswerten Gehalte an Blei, Bor, Eisen sowie Carbiden aufweisen, da diese Materialien die Platin/Gold-Tiegel zerstören. Bei Presstabletten sollten homogene Pulver mit Korngrößen von < 63 µm vorliegen. Selbstverständlich können die Proben auch bei uns im Haus zerkleinert und gemahlen werden.

© Werkstoffzentrum Rheinbach GmbH, September 2008