蛍光X線

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蛍光X線の模式図。黒丸は電子、白丸は空孔を示す

蛍光X線(けいこうXせん)とは、元素に特有の一定以上のエネルギーをもつX線を照射することによって、その物質を構成する原子の内殻の電子が励起されて生じた空孔に、外殻の電子が遷移する際に放出されるX線である。その波長は内殻と外殻のエネルギー差に対応する。

内殻・外殻のエネルギー差は元素ごとに固有であるので、蛍光X線のエネルギーも元素に固有である。このことから、蛍光X線のエネルギーを実験的に求めることにより、測定試料を構成する元素の分析を行うことができる。あるいはその強度を測定することにより測定試料中の目的元素の濃度を求めることができる。このような元素分析の手法を蛍光X線元素分析法 (X-ray Fluorescence Analysis, XRF) と呼ぶ。対象となる元素は実用的にはNa (Z = 11) 以上の原子番号を持つ元素である。元素分析法としての特徴は、分析によって試料が破壊されることがない(非破壊分析)、分析は一般には比較的短時間に済む、適当な測定法を用いれば多元素同時分析も可能である、などである。一方放射光を照射光源に用いた放射光蛍光X線分析法では、微量元素分析(ppm以下)、微小領域分析(μm以下)も可能になっている。

市販装置は蛍光X線のエネルギー分析の方法の観点から、エネルギー分散型分析装置 (Energy Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometer) と波長分散型分析装置 (Wavelength Dispersive X-ray Flourescence Spectrometer) に大別される。前者は検出器自体がX線のエネルギー分析機能を持つ半導体検出器を利用し、後者はブラッグの法則を利用した結晶分光器を用いてエネルギー分析を行う。前者は迅速性に特徴があり、複数の元素を同時に測定できるが分解能は低い。一方、後者は検出下限が低く分解能も高い。蛍光X線分析法は、鉱物や金属、生物学試料の組成分析に広く用いられ、製造現場での利用も広範に行われている。また、空港等でのセキュリティーチェックにも使用される。火薬や禁止薬物の特有の元素組成を検出する事で判断する。

蛍光X線分析で特定の元素の内殻電子を励起するためには特定のエネルギー(吸収端エネルギー)以上のエネルギーを持ったX線を照射する必要がある。X線源には最も一般的にはX線管球(一種の真空管)からのX線、また特殊な場合には放射性同位元素 (RI) からのX線が使用され、また近年は、放射光を励起源とした蛍光X線分析も行われている。

なおX線を内殻電子励起に用いる蛍光X線法と類似の元素分析方法として、電子線や陽子・荷電粒子を励起源として用いる方法もある。これらは内殻励起の機構が異なり、得られるスペクトルにもその特徴が現れることからそれぞれ使い分けられている。電子線を用いた分析装置は電子プローブX線マイクロアナライザー (EPMA) などがあり、陽子・荷電粒子を励起源とした分析法は粒子線(陽子)励起X線発光法 (PIXE) と呼ばれる。