¿Cómo funciona la fluorescencia de rayos X?

La fluorescencia de rayos X (XRF) es una técnica analítica no destructiva que se utiliza para identificar y cuantificar elementos en varios tipos de muestras. La muestra se expone a rayos X, lo que hace que sus átomos emitan fluorescencia hacia un detector. Esta fluorescencia se mide para identificar los elementos presentes y determinar sus concentraciones. La XRF se utiliza ampliamente en campos como la ciencia de los materiales, el análisis ambiental, la arqueología y la minería debido a su capacidad para analizar de forma rápida y precisa sólidos, líquidos y polvos. Sus principales ventajas incluyen resultados rápidos, preparación mínima de muestras y la capacidad de analizar una amplia gama de materiales. Obtenga más información sobre XRF y cómo funciona en este artículo del blog.

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¿Qué es la fluorescencia de rayos X?
¿Cuáles son los componentes principales de un analizador XRF?
¿Cuáles son las ventajas de la XRF?
Aplicaciones XRF
Análisis de XRF en proceso
¿Cuáles son las ventajas de la XRF en el análisis de procesos?

¿Qué es la fluorescencia de rayos X?

La fluorescencia de rayos X, o XRF, es una técnica no destructiva que se utiliza para analizar la composición elemental de un material. El proceso comienza cuando una muestra se expone a rayos X, lo que excita los átomos que contiene. Esta excitación hace que los átomos liberen energía en forma de rayos X característicos. Los rayos X emitidos son únicos para cada elemento y se detectan y miden para identificar los elementos presentes en la muestra y determinar sus concentraciones.

La XRF se puede describir fácilmente en cuatro pasos:

Emisión: El analizador XRF emite rayos X con un tubo de rayos X.
Excitación: Los rayos X inciden en la muestra y ésta emite fluorescencia, enviando rayos X de regreso al detector en el analizador XRF.
Medición: Los rayos X que regresan son contados por el detector. El detector mide la energía de cada rayo X, creando un espectro. Esta información revela qué elementos están presentes y qué cantidad de cada elemento hay.
Resultados: El espectro de energía se procesa mediante software y se muestra como la composición elemental de la muestra. La composición de la muestra se puede determinar en tan sólo dos segundos.

¿Cuáles son los componentes principales de un analizador XRF?

Instrumentos XRF incluye los siguientes componentes principales:

Fuente de rayos X

Un tubo de rayos X (Figura 1) convierte la electricidad en rayos X, de forma similar a cómo una bombilla convierte la electricidad en luz. Los rayos X se producen únicamente cuando fluye una corriente a través del tubo. El tubo contiene un filamento que puede estar hecho de diversos materiales, como rodio, tungsteno, oro o plata. Ningún material de filamento es superior a otro; la elección depende de la aplicación específica para la que se utiliza el tubo de rayos X.

Detector de rayos X

Un detector de rayos X (Figura 1) captura y mide los rayos X reemitidos por la muestra. Funciona de manera similar a la cámara digital de un teléfono inteligente, convirtiendo los rayos X en una señal eléctrica. Los detectores más comunes para el análisis XRF son el contador proporcional (prop counter), el detector PIN de silicio (Si-PIN) y el detector de deriva de silicio (SDD). De estos, el SDD ofrece el mejor rendimiento y sensibilidad.

Figure 1. Sección transversal simplificada del módulo de un analizador de procesos XRF que muestra cómo se analizan las muestras líquidas.

Procesador interno

El procesador interno gestiona el tubo de rayos X, el detector de rayos X, la calibración avanzada, la pantalla táctil, las capacidades inalámbricas y todos los demás componentes. Controla el funcionamiento del tubo de rayos X y convierte los recuentos del detector en la composición química mostrada.

Celda de medición

Se puede utilizar una celda de medición en analizadores de proceso XRF en línea, que están programados para extraer automáticamente muestras de la línea de proceso a intervalos predefinidos. Luego, la muestra extraída se transfiere a una celda de medición (Figura 1), donde está expuesto a los rayos X generados por la fuente de rayos X. Los átomos dentro de la muestra absorben estos rayos X y los reemiten a energías específicas. que son característicos de los elementos presentes. Una vez que se completa el análisis (normalmente en unos pocos segundos), la muestra se devuelve al flujo de proceso o se desecha. Para garantizar un análisis más preciso, la muestra también puede someterse a pasos de preacondicionamiento, como filtración, para eliminar partículas. Estos pasos de preacondicionamiento están automatizados para optimizar el proceso de análisis.

¿Cuáles son las ventajas de la XRF?

El análisis de fluorescencia de rayos X ofrece muchas ventajas a los profesionales de campo y de laboratorio. Los beneficios de la XRF incluyen:

Pruebas no destructivas: La XRF es una técnica no destructiva que no altera ni daña las muestras, lo que permite el análisis sin cambiar la composición química. Esto mantiene la muestra en su estado original desde el principio hasta el final del análisis.
Resultados rápidos: La XRF proporciona resultados rápidos, generalmente en cuestión de segundos o minutos, lo que la hace ideal para el análisis en tiempo real y la toma de decisiones rápida en una amplia gama de aplicaciones. Reduce significativamente el tiempo de análisis en comparación con las técnicas tradicionales de química húmeda.
Análisis multielemental: La XRF permite la detección y cuantificación de múltiples elementos a partir de una única medición de muestra, lo que posibilita un análisis elemental eficiente y completo.
Versatilidad: XRF puede analizar una variedad de muestras, incluidos sólidos, líquidos y polvos. Su versatilidad lo hace Adecuado para su uso en muchas industrias, como minería, producción de metales, electrónica, pruebas ambientales, petroquímica, producción de energía y más.

Aplicaciones XRF

La fluorescencia de rayos X es fundamentalmente una tecnología de análisis elemental. Esto significa que las aplicaciones de XRF para el análisis de composición son casi ilimitadas. Dado que la XRF es un análisis elemental (y todo está compuesto de átomos), casi cualquier material puede analizarse con XRF.

Como la XRF es una técnica no destructiva, incluso muestras valiosas o frágiles pueden evaluarse sin ningún efecto perjudicial. La portabilidad y facilidad de uso de los analizadores XRF portátiles hacen que estos dispositivos sean particularmente valiosos para investigaciones in situ o en sitio, donde se requieren análisis rápidos, precisos y mínimamente invasivos.

Las aplicaciones XRF más comunes incluyen:

Figure 2. El analizador XRF portátil Vanta proporciona mediciones elementales inmediatas en el sitio para aplicaciones de minería y geoquímica. Imagen cortesía de Evident.

Los dispositivos XRF portátiles son indispensables para Identificar y caracterizar la composición mineral de rocas y minerales. (Figura 2). Proporcionan a los geólogos datos en tiempo real para mapear depósitos de mineral o evaluar la composición elemental del suelo y los sedimentos.

En el ámbito de la exploración o «greenfield», los geólogos utilizan XRF para encontrar depósitos importantes de metales básicos valiosos como cobre, aluminio o hierro, o incluso metales críticos como cobalto, neodimio u oro.

Figure 3. Se utiliza un analizador XRF portátil Vanta para evaluaciones ambientales en el campo. Imagen cortesía de Evident.

En la parte trasera o en el lado «brownfield», los científicos del suelo pueden usar XRF para Detectar y cuantificar la presencia de contaminación o metales pesados tóxicos, guiando los procesos de remediación y ayudando a garantizar la seguridad pública (Figura 3).

La XRF desempeña un papel vital en el monitoreo de los niveles de contaminación. A menudo se utiliza para analizar suelo, sedimentos o partículas en suspensión en el aire en busca de metales pesados como plomo, arsénico o cadmio. Esto ayuda a los científicos a evaluar la contaminación ambiental y cumplir con los estándares regulatorios.

La XRF es una herramienta fundamental para analizar artefactos y cerámica antiguos para determinar su composición, origen y descubrir posibles rutas comerciales de civilizaciones pasadas. Por ejemplo, los arqueólogos podrían utilizar XRF para analizar herramientas de metal o joyas para rastrear el origen de las materias primas.

De manera similar, en la conservación de arte, los analizadores XRF portátiles pueden identificar pigmentos y materiales utilizados en pinturas o esculturas, lo que ayuda en proyectos de verificación de autenticidad y restauración.

Figure 4. Los analizadores XRF portátiles ofrecen una identificación rápida de aleaciones para los sectores de reciclaje de chatarra y fabricación de metales. Imagen cortesía de Evident.

La metalurgia es otra aplicación destacada en la que se utilizan dispositivos XRF portátiles para la identificación de aleaciones, el control de calidad y la clasificación de chatarra (Figura 4). Por ejemplo, en las plantas de fabricación, la XRF puede determinar rápidamente la composición del acero o del aluminio para ayudar a garantizar que se cumplan las especificaciones del producto.

Desde la mina hasta las metalúrgicas, desde las plantas hasta los parques infantiles y desde las monedas hasta los productos de consumo, la XRF desempeña un papel valioso en el análisis de materiales no destructivo.

Análisis de XRF en proceso

En general, el análisis de procesos es el método de examinar cómo se realiza una tarea. El objetivo final es garantizar que el trabajo cumpla sus objetivos y, al mismo tiempo, encontrar formas de mejorar la calidad, la eficiencia y la seguridad del proceso en cuestión. La tecnología XRF puede ser una herramienta fundamental para ayudar a lograr estos objetivos. Esta tecnología no está limitada a ninguna industria específica y puede utilizarse en muestras sólidas o líquidas. Las aplicaciones industriales como la minería, la forja, la producción de cemento, el petróleo y el gas (petroquímicos), las baterías (energía), la fabricación y el reciclaje pueden beneficiarse del uso de XRF.

Optimización de baños de zinc-níquel

Los analizadores de procesos XRF en línea están diseñados para el monitoreo continuo de muestras líquidas en diversas industrias donde el análisis elemental es esencial. Un área específica en la que los analizadores de procesos XRF en línea sobresalen es en la industria del recubrimiento de zinc-níquel.

En la industria del enchapado de metales, los analizadores de procesos XRF en línea han transformado la forma en que se monitorean y controlan los procesos de enchapado.

Históricamente, se realizaban titulaciones manuales cada seis horas para analizar el contenido de zinc y níquel en baños de zinc-níquel. Este método ofrece puntos de datos limitados (Figura 5), lo que dificulta la identificación de tendencias o interrupciones en los procesos. En consecuencia, este método puede generar un rendimiento subóptimo, mayor desperdicio y una calidad inconsistente del producto.

Figure 5. Se realizaron titulaciones manuales cada seis horas para analizar el contenido de zinc y níquel en baños de zinc-níquel. Este método ofrece puntos de datos limitados.

Por el contrario, los analizadores de procesos XRF en línea proporcionan datos de alta resolución y en tiempo real de las concentraciones de iones metálicos en baños de galvanoplastia de zinc-níquel (Figura 6). Estos instrumentos permiten un control preciso del proceso, una mejor calidad del producto, un menor consumo de productos químicos y un impacto ambiental mínimo.

Figure 6. Datos de alta resolución y en tiempo real del contenido de zinc y níquel en baños de galvanoplastia de zinc-níquel utilizando un analizador de procesos XRF en línea. Este método proporciona más puntos de datos que los métodos de titulación manual (Figura 5).

¿Cuáles son las ventajas de la XRF en el análisis de procesos?

Figure 7. El analizador de procesos XRF 2060 de Metrohm Process Analytics ofrece análisis elemental en línea de muestras líquidas para un control optimizado del proceso. Se utilizan fuentes de rodio y tungsteno junto con un detector de deriva de silicio (SDD).

Como solución automatizada en tiempo real, la XRF aporta muchas ventajas al análisis de procesos, entre ellas:

Calidad mejorada: La XRF automatizada ofrece monitoreo elemental en tiempo real para el control y optimización de procesos. Puede verificar continuamente el resultado deseado y notificar rápidamente a los operadores sobre cambios en el proceso fuera de los límites de especificación.
Mayor eficiencia: El análisis elemental en línea puede mejorar enormemente la eficiencia al eliminar las pruebas manuales y la posibilidad de error humano. La gestión flexible de datos también permite realizar pruebas en línea y fuera de línea que pueden utilizarse en ubicaciones remotas con mala conectividad.
Seguridad: La verificación de la calidad es fundamental para los componentes críticos a fin de evitar fallas prematuras o accidentes, y la XRF automatizada ofrece la seguridad de que los productos están 100 % probados y verificados. Para otras aplicaciones que requieren cumplimiento de RoHS, XRF permite a sus usuarios demostrar que no hay sustancias peligrosas asociadas con el producto.

Conclusión

La versatilidad de XRF y su capacidad para realizar análisis in situ lo convierten en una herramienta valiosa en diversas industrias. Ya sea que se utilice en refinación, enchapado, producción de cemento, fabricación de productos electrónicos, minería o arqueología, la tecnología XRF portátil ofrece una solución poderosa y práctica para el análisis elemental. Cuando se automatiza el análisis de procesos, la tecnología XRF agrega valor al permitir a los fabricantes lograr mejoras significativas en sus operaciones. Al obtener información en tiempo real sobre los parámetros críticos del proceso, los fabricantes pueden optimizar la utilización de recursos, mejorar la calidad del producto, reducir el tiempo de inactividad y tomar decisiones basadas en datos para mejorar la eficiencia y el desempeño ambiental.