Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) ist eine zerstörungsfreie Methode zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Materialien. Bei dieser Technik wird die Probe mit Röntgenstrahlen angeregt, was dazu führt, dass das Material charakteristische Fluoreszenzstrahlung abgibt. Diese Strahlung wird dann gemessen, um die Elemente im Material sowie deren Konzentrationen zu bestimmen. Die RFA ist besonders nützlich für die Analyse von festen Materialien, Pulvern und Flüssigkeiten und wird in vielen Bereichen wie der Materialforschung, Qualitätssicherung und Umweltüberwachung eingesetzt.
Es gibt zwei Haupttypen der RFA: die energiedispersive Röntgenfluoreszenzanalyse (EDXRF) und die wellenlängendispersive Röntgenfluoreszenzanalyse (WDXRF), die jeweils unterschiedliche Methoden zur Detektion der Fluoreszenzstrahlung nutzen. Eine weiterentwickelte Form der Analyse, die Mikroröntgenfluoreszenzanalyse (μ-RFA), bietet eine hohe Auflösung und wird häufig für detaillierte Oberflächenanalysen verwendet. Zu den fortschrittlichen Techniken gehört auch die 3D-Mikroröntgenfluoreszenzanalyse, die dreidimensionale Untersuchungen von Proben ermöglicht.
Funktionsweise
Anregung durch Röntgenstrahlen: Eine Probe wird mit Röntgenstrahlen bestrahlt, was dazu führt, dass Elektronen aus den inneren Schalen der Atome des Materials herausgeschlagen werden. Dies erzeugt „Löcher“ in den Elektronenschalen der Atome.
Fluoreszenzstrahlung: Um die „Löcher“ zu füllen, fallen Elektronen aus höheren Schalen in diese freien Plätze. Bei diesem Übergang wird Energie in Form von Röntgenstrahlung abgegeben. Diese Röntgenstrahlung hat eine charakteristische Energie, die für jedes Element einzigartig ist.
Detektion und Analyse: Die emittierte Fluoreszenzstrahlung wird von einem Detektor erfasst. Die Wellenlänge (Energie) der Röntgenstrahlung wird gemessen und mithilfe eines Spektrometers analysiert. Jedes Element emittiert eine spezifische Energie, was eine Identifizierung der Elemente ermöglicht.
Quantifizierung: Die Intensität der Fluoreszenzstrahlung ist proportional zur Konzentration des entsprechenden Elements in der Probe. Durch Vergleich der gemessenen Intensität mit Referenzproben kann die Konzentration der verschiedenen Elemente in der Probe bestimmt werden.
Anwendungen der Röntgenfluoreszenzanalyse:
Materialanalyse: XRF wird häufig verwendet, um die Zusammensetzung von Legierungen, Stahl, Aluminium, Kupfer, Zink und anderen Metallen zu bestimmen.
Qualitätskontrolle in der Industrie: In der Metallverarbeitung, bei der Herstellung von Elektronik, in der Automobilindustrie und in der Fertigung wird XRF eingesetzt, um sicherzustellen, dass die richtigen Materialkomponenten verwendet werden.
Rohstoffanalyse: XRF wird verwendet, um die Zusammensetzung von Rohstoffen wie Erzen, Mineralien und anderen natürlichen Materialien zu bestimmen.
Umweltüberwachung: Die Methode wird auch zur Analyse von Boden- und Wasserproben auf schädliche Substanzen wie Schwermetalle verwendet.
Archäologie und Kunst: XRF wird eingesetzt, um die Zusammensetzung von Kunstwerken, antiken Artefakten oder archäologischen Funden zu analysieren, ohne diese zu beschädigen.
Vorteile und Einschränkungen der Röntgenfluoreszenzanalyse
| Kategorie | Vorteil | Einschränkung |
| Schnelligkeit | XRF liefert schnelle Ergebnisse, ohne die Probe zu zerstören. | Kann bei sehr dicken oder inhomogenen Proben langsamer sein und ungenauere Ergebnisse liefern. |
| Probenintegrität | Nicht-invasiv und erfordert keine Probenvorbereitung, wodurch die Probe unversehrt bleibt. | Bei dicken Materialien wird nur die Oberfläche analysiert, was für tieferliegende Schichten unzureichend sein kann. |
| Vielseitigkeit | Einsetzbar für eine Vielzahl von Materialien (Metalle, Kunststoffe, Mineralien, Bodenproben, Kunstwerke). | Ist weniger empfindlich für leichte Elemente wie Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. |
| Präzision und Genauigkeit | Ermöglicht präzise Bestimmung der chemischen Zusammensetzung, besonders für Metalle und Legierungen. | Matrixeffekte können die Messung beeinflussen und erfordern ggf. spezielle Kalibrierungen. |
| Kosten | Geringere Kosten durch Wegfall von Probenpräparation und kurzen Analysezeiten. | Höhere Anschaffungskosten für das XRF-Gerät im Vergleich zu einfacheren Analysegeräten. |
| Echtzeit-Ergebnisse | Ergebnisse sind direkt nach der Messung verfügbar, was schnelle Entscheidungen ermöglicht. | Echtzeit-Daten sind für sehr komplexe Proben oder Elemente mit geringen Konzentrationen weniger genau. |
Normen mit Bezug zur RFA (Auswahl):
| Norm | Titel |
| DIN EN ISO 12677 | Chemische Analyse von feuerfesten Erzeugnissen durch Röntgenfluoreszenz-Analyse (RFA) – Schmelzaufschluss-Verfahren |
| DIN EN ISO 13196 | Bodenbeschaffenheit – Screening ausgewählter Elemente in Böden mit handhaltbaren oder tragbaren Röntgenfluoreszenzspektrometern |
| ASTM E539 | Standard Test Method for Analysis of Titanium Alloys by Wavelength Dispersive X-Ray Fluorescence Spectrometry |
| ISO 3497 | Metallische und andere anorganische Überzüge – Messung der Schichtdicke – Röntgenfluoreszenzverfahren |
| DIN 51001 | Prüfung oxidischer Roh- und Werkstoffe – Allgemeine Arbeitsgrundlagen zur Röntgenfluoreszenz-Analyse (RFA) – Übersicht stoffgruppenbezogener Aufschlussverfahren zur Herstellung von Proben für die RFA |
| ISO 14284 | Stahl und Eisen – Verfahren für die Probenahme und die Herstellung von Proben für die chemische Analyse |
| DIN EN 15309:2007-08 | Charakterisierung von Abfällen und Böden – Bestimmung der elementaren Zusammensetzung durch Röntgenfluoreszenz-Analyse |
| DIN EN ISO 18227 | eststoffe in der Umwelt – Bestimmung der elementaren Zusammensetzung durch Röntgenfluoreszenz |
| DIN 51790-7 | Prüfung flüssiger Brennstoffe – Bestimmung des Vanadium- und Nickelgehaltes – Teil 7: Röntgenfluoreszenz-Analyse nach der Fundamental-Parameter-Methode |
| DIN EN ISO 22940 | Feste Sekundärbrennstoffe – Bestimmung der Elementzusammensetzung durch Röntgenfluoreszenz |