الأشعة السينية المحرضة ب-البروتونات (إصدار-)

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الأشعة السينية المحرضة ب-البروتونات (إصدار-)

اشعه سينيه محرضه ببروتونات (اصدار)

Proton induced X-ray emission (PIXE) - Proton émission de rayons X induite(PEXI)

الأشعة السينية المحرضة بالبروتونات

مثنى أحمد

الأشعة السينية المحرضة بالجسيمات particle induced X-ray emission (PIXE) هي تقنية تستعمل الحزم الإيونية ionic beams من المسرعات الإيونية الخطية، وهي أحد أنواع المسرِّعات التي تستعمل حقولاً كهربائية للتسريع تمييزاً لها من المسرِّعات الدائرية التي تستعمل إضافة إلى ذلك حقولاً مغنطيسية لتحريض انبعاث الأشعة السينية من ذرات المادة عند صدمها بإيونات عالية الطاقة. ولما كانت حزم البروتونات هي الأكثر شيوعاً واستعمالاً فيها استعملت كلمة بروتون مكان جسيم في اسم التقنية لكن الاختصار بقي كما هو.

يمكن استعمال هذه الأشعة في تحليل المواد تحليلاً عنصرياً لتحديد هوية الذرات المشكلة للمادة. وكان أول من اقترح استخدام هذه الأشعة السينية تقنية للتحليل العنصري هو سفين جوهانسن Sven Johansson من جامعة لاند Lund في السويد عام 1970.

يعتمد مبدأ هذه التقنية على تسريع البروتونات إلى طاقات في مجال الميغا إلكترون- فولط (MeV) باتجاه المادة الهدف التي يُراد معرفة تركيبها العنصري، فيؤدي تصادم هذه البروتونات مع الذرات في المادة الهدف إلى توليد أشعة سينية من الذرات، وذلك من خلال اقتلاع إلكترون من المدارات الطاقية القريبة من نواة الذرة (على سبيل المثال مدار K) بنتيجة التصادم، الأمر الذي يجعلها محرَّضة وغير مستقرة. تسعى إلكترونات من مدارات أبعد عن النواة (L, M,…) إلى ملء الشاغر في المدار K مما يؤدي إلى انبعاث أشعة سينية (الشكل1) بطاقة مساوية لفرق الطاقة بين طاقتي المدارين أو مستويي الطاقة.

الشكل (1): مثال يبين آلية تحريض أشعة سينية من ذرة حديد عند تصادمها مع بروتون مسرع بطاقة عالية

تكون الطاقة التي تحملها الأشعة السينية المنبعثة من ذرة ما مميزة لهذه الذرة، وهي كبصمة الإصبع عند الإنسان. كما يدل ازدياد عدد الأشعة الصادرة عن المادة والتي لها الطاقة نفسها (أي الصادرة عن ذات الذرات) على ازدياد تركيز هذه الذرة في المادة. ويمكن لذرة ما أن تُصدر أكثر من شعاع سيني مميز تبعاً للانتقالات الإلكترونية (Kα وKβ وLα وغيرها) الحاصلة بعد التحريض بفعل البروتونات.

يبين الشكل (2) أهم الانتقالات الإلكترونية التي تنجم عنها أشعة سينية في ذرةٍ ما. وتكون القمم الطيفية الدالة على الأشعة السينية Kα و Kβ هي الأكثر استخداماً في تحديد هوية الذرة المصدرة لهذه الأشعة من المادة.

أما عملية تسجيل أطياف الأشعة السينية المنبعثة فتجري باستخدام منظومة الكشف والتحليل التي تسجل طاقة الأشعة السينية المنبعثة وشدتها. تتألف هذه المنظومة عامةً من بلورة وحيدة يدخل في تركيبها الجرمانيوم أو السيليكون ومن مضخمات إلكترونية أولية preamplifier ورئيسية amplifierومحلل إلكتروني متعدد القنوات multi- analyzer channels وبرنامج تسجيل وتحليل طيفي، ويوضح الشكل (3) أحد الأطياف للأشعة السينية المُحرضة بالبروتونات الناجمة عن عينة نباتية. وتظهر في هذا الطيف قمم تدل على وجود عدة عناصر بتراكيز مختلفة تبعاً لشدة الأشعة. فيبين هذا الشكل وجود أكثر من قمة لبعض العناصر كالكلسيوم والحديد والزنك (التوتياء) وغيرها نتيجة إصدار أشعة بطاقتين مختلفتين (Kα وKβ) عن الذرة نفسها.

الشكل (2): أهم الانتقالات الإلكترونية التي يتولد منها أشعة سينية مميزة في الذرة و الناجمة عن سعي الإلكترونات إلى ملء الشاغر في المستويات الطاقية (K، L،...).

الشكل (3): طيف أشعة سينية محرضة بالبروتونات صادر عن عينة نباتية

أهم ما يميز هذه التقنية التحليلية هو ما يلي:

- هي تقنية لا تخريبية non- destructive إذ تستخدم حزمة إيونية بطاقة وشدة لا تؤثر في خواص المادة المدروسة.

- تقدم هذه التقنية إمكان تحليل متعدد العناصر multi elemental analysis من خلال قياس طيف واحد.

- كما تمكن من إجراء تحليل عنصري كيفي وكمي.

- دقة حد الكشف للعناصر فيها قد يصل إلى جزء من المليون.

- عدم الحاجة لتحضير العينات وإمكان تحليلها مباشرةً.

- سريعة لا تحتاج إلى وقت طويل في القياس.

- يمكن باستخدام البروتونات إجراء قياسات أخرى في الوقت نفسه على العينة المدروسة مثلاً قياس أشعة غاما المحرضة بالبروتونات proton induced gamma-ray emission والتي يرمز إليها بالاختصار PIGE. وهي تساعد على تحليل الذرات ذات الأعداد الذرية الصغيرة (أصغر من 10).

وبالمقابل هناك سلبيات لا تقلل من أهمية هذه التقنية، كالحاجة إلى مسرعات باهظة الثمن وعدم مقدرة هذه التقنية تحديد الارتباط الكيميائي للذرات وأن التحليل للطبقات القريبة من السطح، والتي يمكن أن تصل إليها البروتونات. كما أن هناك بعض العناصر الخفيفة التي لها عدد ذري أصغر من 10 كالكربون والبور والأكسجين، والتي لا يمكن الكشف عنها نظراً لضعف طاقة الأشعة السينية الصادرة عنها.

ونظراً لما تتمتع به هذه التقنية من ميزات مختلفة فإن تطبيقاتها واسعة وفي مجالات مختلفة يُذكر منها:

- تطبيقات طبية: تحليل التركيب العنصري للأدوية والأعشاب الطبية.

- تطبيقات جيولوجية: تحليل الترب والصخور.

- تطبيقات بيئية: مثل الكشف عن التلوث ببعض العناصر في التربة والنباتات ومصافي الهواء.

- علوم الآثار والفنون: مثل تحليل تركيب اللوحات والتماثيل وتحديد فيما إذا كانت حقيقية أو مزورة تبعاً لتركيبها العنصري.

- علوم المواد: تحليل الأفلام الرقيقة والسطوح

ومما يجدر ذكره أن التحسينات و التطورات التي أدخلت إلى هذه التقنية مثل استخدام الحزم الإيونية في الهواء، سمح بتوسيع مجال تطبيقات هذه التقنية لتحليل المواد ذات الحجوم الكبيرة والمواد البيولوجية التي لم يكن من الممكن تحليلها في الخلاء، كما سمح إمكان تبئير focusing الحزم في أبعاد من مرتبة المكرومتر فأمكن مسح مواقع محدودة وصغيرة من سطوح المواد وتحليلها، وبالتالي الحصول على خرائط عنصرية للسطوح (أي توزع عنصر ما على سطح المادة).

مراجع للاستزادة:

- K. Janssens and R. Van Grieken, Non-Destructive Microanalysis of Cultural Heritage Materials. Elsevier, 2004.

- S. A. E. Johansson and J. L. Campbell, PIXE: A Novel Technique for Elemental Analysis. John Wiley & Sons, New York, 1988.

- S. A. E. Johansson, J. L. Campbell, and K. G. Malmqvist, Particle Induced X-ray Emission Spectrometry (PIXE). John Wiley & Sons, New York, 1995.