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XRFは、古代の遺物や土器の組成や産地を調査し、過去の文明における交易ルートの解明に役立つ重要な分析ツールです。例えば、考古学者はXRFを用いて金属製の工具や装飾品を分析し、その原材料の産地を特定することがあります。
同様に、美術品保存の分野では、ハンドヘルド型XRF分析装置を使用して、絵画や彫刻に使用された顔料や材料を特定することができます。これにより、作品の真正性の検証や修復プロジェクトの支援が可能になります。
【コラム】蛍光X線分析（XRF）はどのような原理で機能するのか？
2025/03/31
記事
蛍光X線分析（XRF）は、さまざまな種類の試料に含まれる元素の同定および定量に用いられる非破壊分析技術です。試料にX線を照射すると、試料を構成する原子から蛍光X線が放出されます。この蛍光X線を検出・測定することで、試料中に存在する元素の種類とその濃度を特定できます。
XRFは、固体、液体、粉末を迅速かつ高精度に分析できることから、材料科学、環境分析、考古学、鉱業など幅広い分野で利用されています。主な利点として、短時間で結果が得られること、試料前処理がほとんど不要であること、そして多様な材料を分析できることが挙げられます。
本ブログ記事では、XRFの概要とその測定原理についてご紹介します。
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蛍光X線分析（XRF）とは
蛍光X線分析（X-ray Fluorescence：XRF）は、材料の元素組成を分析するための非破壊分析手法です。試料にX線を照射すると、試料を構成する原子が励起されます。この励起によって、原子は特性X線としてエネルギーを放出します。放出されたX線は元素ごとに固有のエネルギーを持つため、これを検出・測定することで、試料中に含まれる元素の種類およびその濃度を特定できます。
XRFの分析プロセスは、以下の4つのステップで簡単に説明できます。:
- 照射（Emission）：XRF分析装置内のX線管からX線を照射します。
- 励起（Excitation）：X線が試料に照射されると、試料から蛍光X線が放出され、それがXRF分析装置の検出器へ戻ります。
- 測定（Measurement）：検出器が戻ってきた蛍光X線を計測します。検出器は各X線のエネルギーを測定し、スペクトルを作成します。この情報から、どの元素が存在するか、また各元素がどの程度含まれているかが分かります。
- 結果表示（Results）：エネルギースペクトルはソフトウェアによって解析され、試料の元素組成として表示されます。試料の組成は最短2秒程度で測定できます。
XRF分析装置の主な構成要素
XRF 分析装置 は、主に以下の中核コンポーネントで構成されています。:
X線源
X線管（図1）は、電気エネルギーをX線に変換する装置であり、電球が電気を光に変換するのと同様の仕組みで動作します。X線は、管内に電流が流れているときにのみ発生します。
X線管にはフィラメントが組み込まれており、ロジウム、タングステン、金、銀など、さまざまな材料で作られています。どのフィラメント材料が他より優れているということはなく、使用するアプリケーションに応じて適切な材料が選択されます。
X線検出器
X線検出器（図1）は、試料から再放射されたX線を検出・測定します。その働きは、スマートフォンのデジタルカメラが光を電気信号に変換する仕組みに似ています。検出器はX線を電気信号へ変換し、分析に利用します。
XRF分析で一般的に使用される検出器には、比例計数管（Proportional Counter：Prop Counter）、シリコンPIN（Si-PIN）検出器、シリコンドリフト検出器（SDD）があります。これらの中では、SDDが最も優れた性能と感度を備えています。
図 1.
液体試料がどのように分析されるかを示した、XRFプロセス分析装置モジュールの簡略断面図。
内部プロセッサ
内部プロセッサは、X線管、X線検出器、高度なキャリブレーション機能、タッチスクリーン、無線通信機能、およびその他すべてのコンポーネントを制御・管理します。また、X線管の動作を制御するとともに、検出器で取得したカウントデータを元素組成として表示される化学分析結果へ変換します。
測定セル
オンラインXRFプロセス分析装置では、測定セルが使用される場合があります。この種の分析装置は、あらかじめ設定された間隔でプロセスラインから試料を自動採取するようにプログラムされています。採取された試料は測定セル（図1）へ送られ、そこでX線源から発生したX線が照射されます。
試料中の原子はこれらのX線を吸収し、その後、含有元素に固有のエネルギーを持つX線を再放射します。分析が完了すると（通常は数秒以内）、試料はプロセスラインへ戻されるか、廃棄されます。
より正確な分析を行うために、試料は粒子状物質を除去するろ過などの前処理を受ける場合もあります。これらの前処理工程は自動化されており、分析プロセスの最適化に役立っています。
XRFのメリット
蛍光X線分析（XRF）は、現場およびラボの分析担当者に多くのメリットをもたらします。主な利点は以下のとおりです。:
非破壊分析：XRFは非破壊分析法であり、試料を変質させたり損傷したりすることなく分析できます。そのため、試料の化学組成を変えることなく測定を実施でき、分析の前後を通じて試料を元の状態に保つことができます。
迅速な測定結果：XRFでは通常、数秒から数分で測定結果が得られるため、リアルタイム分析や迅速な意思決定が求められる用途に適しています。従来の湿式化学分析法と比較して、分析時間を大幅に短縮できます。
多元素同時分析：1回の測定で複数の元素を検出・定量できるため、効率的かつ包括的な元素分析が可能です。
高い汎用性：XRFは固体、液体、粉末など、さまざまな種類の試料を分析できます。この高い汎用性により、鉱業、金属製造、エレクトロニクス、環境分析、石油化学、エネルギー生産など、多くの産業分野で利用されています。
XRFのアプリケーション
蛍光X線分析（XRF）は、本質的に元素分析技術です。つまり、組成分析におけるXRFの用途はほぼ無限にあると言えます。XRFは元素分析法であり、あらゆる物質は原子によって構成されているため、ほぼすべての材料を分析対象とすることができます。
また、XRFは非破壊分析法であるため、貴重な試料や壊れやすい試料であっても、損傷を与えることなく評価できます。さらに、ハンドヘルド型XRF分析装置は携帯性と操作性に優れているため、迅速かつ高精度で、試料への影響を最小限に抑えた分析が求められる現場やインサイチュ分析において特に有用です。
XRFの代表的なアプリケーションとして、以下のようなものがあります。
鉱山から金属加工現場、植物や土壌の分析、さらには硬貨や日用品に至るまで、XRFは非破壊材料分析において重要な役割を果たしています。
プロセス分析におけるXRF
一般に、プロセス分析とは、業務や工程がどのように実施されているかを評価する手法を指します。その最終的な目的は、対象となるプロセスが目標を達成していることを確認するとともに、品質、効率、安全性を向上させる方法を見いだすことにあります。XRF技術は、こうした目的の達成を支援する重要なツールとなり得ます。
この技術は特定の業界に限定されるものではなく、固体試料にも液体試料にも適用できます。鉱業、鍛造、セメント製造、石油・ガス（石油化学）、バッテリー（エネルギー）、製造業、リサイクル産業など、多様な産業分野において、XRFの活用によるメリットが期待できます。
亜鉛-ニッケルめっき浴の最適化
オンラインXRFプロセス分析装置は、元素分析が重要となるさまざまな産業において、液体試料を連続的に監視するために設計されています。オンラインXRFプロセス分析装置が特に優れた性能を発揮する分野の一つが、亜鉛-ニッケルめっき業界です。
金属めっき業界では、オンラインXRFプロセス分析装置によって、めっきプロセスの監視および制御方法が大きく変わりました。
従来、亜鉛-ニッケルめっき浴中の亜鉛およびニッケル濃度の分析には、6時間ごとに手動滴定が行われていました。この方法では取得できるデータポイント数が限られるため（図5）、傾向やプロセス異常を把握することが困難です。その結果、プロセス性能の低下、廃棄物の増加、さらには製品品質のばらつきにつながる可能性があります。
図 5.
亜鉛-ニッケルめっき浴中の亜鉛およびニッケル濃度の分析には、従来、6時間ごとに手動滴定が行われていました。この方法では取得できるデータポイント数が限られています。
これに対して、オンラインXRFプロセス分析装置は、亜鉛-ニッケルめっき浴中の金属イオン濃度をリアルタイムかつ高分解能で測定できます（図6）。これらの装置により、プロセスを精密に制御できるようになり、製品品質の向上、薬品使用量の削減、さらには環境負荷の低減が可能になります。
図 6.
オンラインXRFプロセス分析装置を用いて取得した、亜鉛-ニッケルめっき浴中の亜鉛およびニッケル濃度のリアルタイム高分解能データ。この手法では、手動滴定法（図5）と比較して、より多くのデータポイントを取得できます。
図 7.
Metrohm Process Analyticsの2060 XRF Process Analyzerは、液体試料のオンライン元素分析を実現し、プロセス制御の最適化に貢献します。X線源にはロジウムおよびタングステンを使用し、検出器にはシリコンドリフト検出器（SDD）を採用しています。
プロセス分析におけるリアルタイムかつ自動化されたソリューションとして、XRFには次のような多くのメリットがあります。:
- 品質向上：自動化されたXRFは、プロセス制御および最適化のためのリアルタイム元素モニタリングを提供します。目標とする結果を継続的に確認できるほか、工程が規格範囲を外れた場合にはオペレーターへ迅速に通知できます。
- 効率向上：インライン元素分析により、手分析やヒューマンエラーの可能性を排除できるため、作業効率を大幅に向上できます。また、柔軟なデータ管理機能により、接続環境が不十分な遠隔地でも、オンラインおよびオフラインでの試験が可能です。
- 安全性：重要部品では、早期故障や事故を防ぐために品質確認が不可欠です。自動化されたXRFは、製品の100％検査と品質確認を実現します。また、RoHS適合が求められる用途では、製品に有害物質が含まれていないことを証明する手段として活用できます。
まとめ
XRFは汎用性が高く、その場で分析を実施できることから、さまざまな業界で価値ある分析ツールとして活用されています。製油、めっき、セメント製造、電子機器製造、鉱業、考古学など、幅広い分野において、ポータブルXRFは元素分析のための強力かつ実用的なソリューションを提供します。
また、プロセス分析に自動化された形で導入することで、XRF技術は製造現場にさらなる価値をもたらします。重要なプロセスパラメータに関するリアルタイムの情報を取得することで、メーカーは資源利用の最適化、製品品質の向上、ダウンタイムの削減を実現できるほか、データに基づく意思決定を通じて、効率性および環境パフォーマンスの向上を図ることができます。
お役立ち情報
Brochure: 2060 XRF Process Analyzer
Application Note: Online monitoring of cyanide and gold in gold leaching solution
Application Note: Online analysis of copper, tin, and zinc in white bronze baths by XRF
On-demand webinar: Online analysis of copper, tin, and zinc in white bronze baths by XRF
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