この記事で分かること
- EDXRFとは：試料から出る多種類の蛍光X線を検出器で直接受け取り、エネルギーごとに電子的に仕分ける方式です。装置が小型で、全元素を一度に素早く測定できるため、現場での有害物質検査や材料判定に最適です。
- 半導体検出器の仕組み：目に見えないX線のエネルギーを一瞬で電気の粒の数に置き換え、その粒の多さを測ることで、どの元素由来のX線かを判断しています。
エネルギー分散型 (EDXRF)
機器分析とは、化学反応を用いる古典的な化学分析に対し、物質が持つ物理的・化学的性質を精密な機器で測定し、その物質の成分や構造を分析する方法の総称です。
高感度で迅速な分析が可能であり、微量な成分や複雑な混合物も精度高く分析できるため、現代の科学技術分野で広く利用されています。
分光分析とは何か
分光分析は、光と物質の相互作用を測定する手法です。紫外可視分光光度法で濃度、赤外分光法で構造、原子吸光分析法で金属元素の定量、蛍光X線分析法で元素組成、核磁気共鳴分光法で分子構造の解析など、使用する光の種類や原理によって多岐にわたります。
エネルギー分散型 (EDXRF)とは何か
エネルギー分散型 (EDXRF)とは、試料から出てきた蛍光X線を、検出器で直接エネルギー（強さ）ごとに仕分けてカウントする方式の分析装置です。
全ての元素を一度に、素早く測るのが得意なコンパクトな装置です。
1. 仕組み（エネルギーで分ける）
- 一斉照射： 試料にX線を当てます。
- 一斉放出： 試料に含まれる色々な元素（鉄、銅、金など）から、それぞれの固有のエネルギーを持つ蛍光X線が一斉に飛び出してきます。
- 直接検出： 「半導体検出器」がこれらを直接受け取ります。検出器は、入ってきたX線1つずつのエネルギーの高さを瞬時に判断し、コンピュータ上で「このエネルギーは何個あった」と仕分け（分散）してグラフ（スペクトル）を作ります。
2. EDXRFのメリットとデメリット
もう一つの方式である「波長分散型（WDXRF）」と比較すると、以下の特徴があります。
| 特徴 | エネルギー分散型 (EDXRF) | 波長分散型 (WDXRF) |
| スピード | 全元素を同時分析（早い） | 1元素ずつ順番に分析（時間がかかる） |
| 装置サイズ | 小型（卓上やハンディ型あり） | 大型（研究室の据え置き） |
| 価格 | 比較的安価 | 高価 |
| 精度 | 普通（スクリーニング向き） | 極めて高い（精密な定量向き） |
| 分解能 | ピークが重なりやすい | ピークが鋭く、重なりにくい |
3. よく使われるシーン
「精密さ」よりも「手軽さ・速さ」が求められる現場で大活躍しています。
- リサイクル工場： 持ち込みされた金属くずが何の合金かその場で判定。
- RoHS指令の検査： 家電製品に鉛やカドミウムなどの有害物質が入っていないか出荷前にチェック。
- 考古学の調査： 遺跡から出た土器を、壊さずにその場で成分分析。
EDXRFは、試料から出る多種類の蛍光X線を検出器で直接受け取り、エネルギーごとに電子的に仕分ける方式です。装置が小型で、全元素を一度に素早く測定できるため、現場での有害物質検査や材料判定に最適です。
半導体検出器はなぜエネルギーの高さを瞬時に判断できるのか
半導体検出器がエネルギーの高さを瞬時に判断できる理由は、一言でいうと「X線のエネルギーと、検出器内で発生する電気（電子の数）が、きれいな正比例の関係にあるため」です。
具体的には、以下の3つのステップで瞬時に仕分けが行われています。
1. X線を「電子の数」に変換する
半導体（シリコンなど）にX線が1つ飛び込むと、そのエネルギーが吸収され、半導体の中に「電子（マイナスの粒）」と「正孔（プラスの粒）」のペアが大量に作られます。
1つのペアを作るのに必要なエネルギーは決まっています。そのため、「エネルギーが高いX線ほど、たくさんの電子を作る」というシンプルな比例関係が成り立ちます。
- 弱いX線（低エネルギー） → 少量の電子が発生
- 強いX線（高エネルギー） → 大量の電子が発生
2. 電気信号（パルス）の大きさを測る
発生した電子は、電圧がかかった電極に一斉に引き寄せられ、一瞬だけ電流が流れます。これが「パルス」と呼ばれる電気の信号になります。
電子の数が多い（エネルギーが高い）ほど、この電気信号の山（電圧）は高くなります。
3. 「波高分析」で仕分ける
この信号の「山の高さ」をコンピュータ（マルチチャンネルアナライザ：MCA）が瞬時に判別します。
「 今の信号は高さ50だから鉄だ」「次は高さ70だから銅だ」というように、信号が届いた瞬間にその高さ（エネルギー）をデジタル的に仕分け、カウントしていくのです。
半導体検出器は、目に見えないX線のエネルギーを「一瞬で電気の粒の数に置き換え、その粒の多さを測っている」からこそ、届いた瞬間にどの元素由来のX線かを判断できるのです。「エネルギー分散型（EDXRF）」が全元素を一斉に分析できるのは、この高速な電気的処理のおかげです。
エネルギー分散型のX線源は何か
エネルギー分散型（EDXRF）で使われるX線源は、主に小型の「X線管（X-ray Tube）」です。
EDXRFは装置全体のコンパクトさを活かすため、大型で高出力なものよりも、効率的で扱いやすいX線管が採用されます。
1. よく使われるターゲット（対陰極）の材質
X線管の中では、加速させた電子を金属標的（ターゲット）にぶつけてX線を発生させます。このターゲットの材質によって、得意な分析元素が変わります。
- ロジウム (Rh): 最も一般的です。軽い元素から重い元素まで幅広く効率よく励起できるため、汎用機で広く使われています。
- パラジウム (Pd): ロジウムに近い特性を持ち、同様に広く使われます。
- タングステン (W) や モリブデン (Mo): 特定の重金属（有害物質など）をより感度良く測りたい場合に使われることがあります。
- クロム (Cr): マグネシウムやアルミニウムなどの「軽元素」を測るのに適しています。
2. EDXRFのX線源の特徴
- 低電力・空冷式: WDXRF（波長分散型）が数kW（キロワット）という大電力で水冷が必要なのに対し、EDXRFは数十W〜数w程度の低電力で動くものが多く、ファンによる空冷で十分です。これが装置の小型化（卓上・ハンディ型）を可能にしています。
- サイドウィンドウ型 / エンドウィンドウ型: * エンドウィンドウ型: X線を取り出す窓が先端にあるタイプ。試料に近づけやすいため、低出力でも効率よく分析できます。多くのEDXRFで採用されています。
3. 一次フィルターの併用
EDXRFでは、X線管から出る光をそのまま当てるだけでなく、間に「フィルター（金属の薄い板）」を挟むことがよくあります。
これにより、特定のエネルギーだけを取り出したり、ノイズとなる散乱線を抑えたりして、目的の元素をよりハッキリと検出できるように調整します。
EDXRFのX線源は、主に小型のX線管です。ターゲット（標的）には、幅広い元素に対応できるロジウム（Rh）が最も多く使われます。低出力・空冷式のため装置を小型化でき、フィルターを併用して感度を高める工夫がなされています。
エネルギー分散型の光学系の仕組みは
エネルギー分散型（EDXRF）の光学系は、「シンプルさ」と「効率」を重視した作りになっています。
波長分散型（WDXRF）のように分光結晶（プリズムのような役割）を動かす複雑な機構を持たず、X線源、試料、検出器を最短距離で配置するのが基本です。大きく分けて以下の3つの方式があります。
1. 直接励起方式（2D光学系）
最も一般的でシンプルな仕組みです。
- 仕組み： X線管から出たX線を、そのまま（またはフィルターを通して）試料に当てます。
- 特徴： 構成が単純なため装置を小型化しやすく、ハンディ型などの持ち運びタイプに多く採用されています。
- メリット： X線のロスが少なく、全元素を効率よく励起できます。
2. 偏光・二次ターゲット方式（3D光学系）
据置型の高性能なEDXRFで採用される高度な仕組みです。
- 仕組み： X線管の光を一度「二次ターゲット（特定の金属板）」に当て、そこで発生したX線を試料に当てます。
- 特徴： ターゲットを介することでX線の進む向きを直交（90度）させ、ノイズ（背景散乱）を劇的に減らすことができます。
- メリット： 背景が静かになるため、ごく微量な成分（ppmレベル）をよりハッキリと検出できます。
3. 微小部（マイクロ）光学系
試料の「特定の点」だけを狙い撃ちする仕組みです。
- 仕組み： 「コリメーター」や「ポリカピラリー」と呼ばれる特殊な導管を使い、X線を細いビームに絞り込みます。
- メリット： 数十マイクロメートル（髪の毛の太さ程度）の微小な異物や、メッキの特定箇所などをピンポイントで分析できます。
EDXRFの光学系は、X線源・試料・検出器を直線的に配する直接励起方式が基本で、構造がシンプルかつ小型です。高精度モデルでは、ノイズを減らすための二次ターゲット方式や、微小箇所を狙うための集光光学系が組み合わされます。
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