La spectrométrie de fluorescence X (SFX ou XRF en anglais) est une méthode d’analyse élémentaire utilisant une propriété physique de la matière : « La Fluorescence de rayons X » (Wikipedia, 2015). En effet, lorsqu’un échantillon est bombardé par un rayonnement primaire émis par une source d’excitation énergétique, un ou plusieurs électrons peuvent être éjectés de leurs orbitales atomiques (ou couches électroniques). Ainsi, un électron d’une couche électronique supérieure vient remplacer l’électron éjecté et libère à son tour de l’énergie sous forme de rayons X. Ce rayonnement secondaire constitue le phénomène de «Fluorescence ».

Chaque élément chimique est caractérisé par un spectre de fluorescence X spécifique. L’analyse de ce spectre permet d’identifier les éléments présents dans un échantillon et de déterminer leurs concentrations.

Description de l’analyseur XRF 

Un spectromètre XRF est constitué principalement de deux parties : une source de rayonnement primaire et un détecteur .

La source de Rayonnement primaire 

Deux types de sources sont généralement utilisés :

• Les isotopes radioactifs : Tels que ⁵⁵Fe, ⁵⁷Co, ¹⁰⁹Cd, ²⁴¹Am et ²⁴⁴Cm, c’est le rayonnement gamma émis par les noyaux de ces éléments qui est utilisé.
• Le tube de rayons X : Appelé aussi « Tube de Coolidge », il produit un rayonnement provoqué par le freinage d’électrons ou Bremsstrahlung (terme allemand utilisé à l’échelle internationale). En effet, une tension électrique élevée est établie entre deux électrodes. Les électrons émis par la cathode sont ainsi accélérés et focalisés sur l’anode refroidie par une circulation d’eau. Ainsi, un faisceau de rayons X sort du tube par une fenêtre latérale ou frontale.

US-EPA (2003) a mis l’accent sur les avantages de l’utilisation de ce type de source par rapport aux isotopes. D’une part, il permet d’éviter les risques liés au transport d’une source radioactive. D’autres part, le flux de rayons X de ces tubes est plus important et leur puissance ne baisse pas avec le temps. En outre, ils permettent la production d’une plus large gamme d’énergies ce qui, dans le cas d’une source radioactive, nécessite l’utilisation de plusieurs isotopes. Pour tous ces raisons les tubes de rayons X sont les plus utilisés dans les PXRF.

Interactions des rayons X avec la matière

Lorsqu’un rayonnement X primaire bombarde les atomes de la matière, différents types de rayonnement peuvent avoir lieu: (i) Un rayonnement secondaire caractéristiques des éléments chimiques et qui représente la « Fluorescence X » (ii) Un rayonnement rétrodiffusé divisé en diffusion cohérente ou diffusion de Rayleigh qui se fait sans modification d’énergie et une diffusion incohérente appelée « Effet Compton » et se fait avec perte d’énergie .

La diffusion de Rayleigh est plus importante pour les éléments ayant un numéro atomique Z élevé alors que la diffusion Compton est plus importante pour les éléments de Z faible. Ces deux phénomènes, la diffusion de Rayleigh et l’effet Compton, sont à l’origine du « Bruit de fond » du signal représenté par le fond continu des spectres. Le Bruit de fond peut être causé aussi par deux autres phénomènes liés à l’échantillon: la diffraction des rayons X lorsqu’il s’agit d’un échantillon cristallisé et le rayonnement continu créé par le ralentissement de charges électriques lorsque les électrons sont éjectés.