تایمست مجله تکنولوژی
اشعه ایکس، به عنوان یکی از مهم‌ترین ابزارهای تشخیص پزشکی و صنعتی، توانایی نفوذ در بسیاری از مواد را دارد. از این فناوری در صنایع پزشکی، بازرسی مواد غذایی و بازرسی امنیتی استفاده می‌شود. اما چه فلزی می‌تواند در برابر این اشعه مقاوم باشد و از عبور آن جلوگیری کند؟ پاسخ به این سوال، نه تنها برای طراحی تجهیزات محافظتی در برابر اشعه ایکس، بلکه برای کاربردهای مختلفی از جمله ساخت سپرهای محافظتی در صنایع هسته‌ای و پزشکی حائز اهمیت است. در این مقاله، به بررسی انواع فلزات و توانایی آن‌ها در جذب و جلوگیری از عبور اشعه ایکس خواهیم پرداخت.
تعامل اشعه ایکس با ماده
قبل از بررسی فلزات مختلف، لازم است به طور مختصر به تعامل اشعه ایکس با ماده بپردازیم. زمانی که اشعه ایکس به ماده برخورد میکند، سه پدیده اصلی رخ می‌دهد:
- عبور: بخشی از اشعه بدون برهم‌کنش با اتم‌های ماده، از آن عبور میکند.
- پراکندگی: بخشی از پرتوها با الکترون‌های اتم‌های ماده برهم‌کنش کرده و جهت آن تغییر میکند.
- جذب: بخشی از اشعه توسط ماده جذب شده و انرژی آن به ماده منتقل می‌شود.
میزان هر یک از این پدیده‌ها به عوامل مختلفی از جمله انرژی پرتوهای ایکس، نوع ماده و ضخامت آن بستگی دارد.
فلزات مناسب برای جلوگیری از عبور اشعه ایکس
فلزات سنگین با عدد اتمی بالا، توانایی بیشتری در جذب اشعه ایکس دارند. این فلزات به دلیل تعداد زیاد الکترون‌های خود، احتمال برهم‌کنش با فوتون‌های xray را افزایش می‌دهند. در ادامه، به برخی از مهم‌ترین فلزات مورد استفاده برای جلوگیری از عبور اشعه ایکس اشاره می‌شود:
- سرب: سرب یکی از شناخته‌شده‌ترین فلزات برای محافظت در برابر اشعه ایکس است. به دلیل چگالی بالا و عدد اتمی زیاد، سرب توانایی بسیار خوبی در جذب اشعه ایکس دارد. به همین دلیل، از سرب در ساخت سپرهای محافظتی در دستگاه‌های رادیولوژی و صنایع هسته‌ای استفاده می‌شود.
- تنگستن: تنگستن نیز مانند سرب، عدد اتمی بالایی دارد و توانایی جذب پرتوهای ایکس بسیار خوبی دارد. علاوه بر این، تنگستن نقطه ذوب بسیار بالایی دارد و در برابر حرارت مقاوم است. به همین دلیل، از تنگستن در ساخت آلیاژهایی استفاده می‌شود که برای محافظت در برابر دماهای بالا و اشعه ایکس مناسب هستند.
- اورانیوم: اورانیوم به دلیل عدد اتمی بسیار بالا، توانایی جذب ایکس ری بسیار بالایی دارد. با این حال، به دلیل رادیواکتیو بودن، استفاده از اورانیوم در محافظت در برابر اشعه ایکس محدود است و معمولاً در کاربردهای خاصی از آن استفاده می‌شود.
- طلا: طلا به دلیل چگالی بالا و عدد اتمی زیاد، توانایی جذب اشعه ایکس خوبی دارد. با این حال، به دلیل قیمت بالا، استفاده از طلا صرفه اقتصادی نداشته و استفاده از آ«در ساخت سپرهای محافظتی محدود است و معمولاً در کاربردهای خاص و حساس مورد استفاده قرار می‌گیرد.
عوامل موثر بر انتخاب فلز مناسب
انتخاب فلز مناسب برای جلوگیری از عبور اشعه ایکس به عوامل مختلفی بستگی دارد، برخی از این فاکتورها عبارتند از :
- انرژی ایکس ری : هر چه انرژی اشعه ایکس بیشتر باشد، به فلز سنگین‌تری برای جذب آن نیاز است.
- ضخامت مورد نیاز : ضخامت لایه محافظتی به میزان جذب مورد نیاز بستگی دارد.
- چگالی فلز : فلزات با چگالی بالاتر، توانایی جذب بیشتری دارند.
- هزینه : هزینه و قیمت فلز یکی از فاکتورهای مهم در انتخاب آن است.
- کاربرد : کاربرد نهایی سپر محافظتی در انتخاب فلز مناسب بسیار موثر است.
کاربردهای فلزات جاذب اشعه ایکس
فلزات جاذب اشعه ایکس در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی از این کاربردها عبارتند از :
- صنایع پزشکی برای ساخت سپرهای حفاظتی برای پرسنل پزشکی و بیماران در دستگاه‌های رادیولوژی و رادیوتراپی
- صنعت هسته‌ای برای ساخت سپرهای حفاظتی برای محافظت در برابر تشعشعات رادیواکتیو
- صنعت هوافضا برای ساخت سپرهای حفاظتی برای محافظت از تجهیزات الکترونیکی در برابر تشعشعات کیهانی
- فرودگاه‌ها و مراکز امنیتی برای ساخت دستگاه‌های تشخیص مواد مخدر و سلاح‌های گرم
روش‌های اندازه‌گیری میزان جذب ایکس ری توسط مواد مختلف
اندازه‌گیری میزان جذب اشعه ایکس توسط مواد مختلف، یکی از مباحث مهم در فیزیک و مهندسی مواد است. این اندازه‌گیری برای طراحی سپرهای محافظتی، تحلیل ساختار مواد و بسیاری از کاربردهای دیگر ضروری است. در ادامه به برخی از روش‌های رایج برای انجام این اندازه‌گیری اشاره می‌شود :
1. طیف‌سنجی جذب اشعه ایکس (X-ray Absorption Spectroscopy – XAS)
– اصول کار : در این روش، یک پرتو تک‌فام از اشعه ایکس به نمونه تابیده شده و شدت پرتو عبوری از نمونه اندازه‌گیری می‌شود. با تغییر انرژی پرتو تابشی، تغییرات شدت پرتو عبوری ثبت شده و طیف جذب به دست می‌آید.
– انواع :
-
- XANES (X-ray Absorption Near-Edge Structure) : به بررسی جذب ایکس ری در نزدیکی لبه جذب ماده می‌پردازد و اطلاعاتی در مورد حالت اکسیداسیون و محیط شیمیایی اتم‌ها ارائه می‌دهد.
- EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) : به بررسی ساختار محلی اطراف اتم‌های جذب‌کننده پرداخته و اطلاعاتی در مورد فاصله و نوع اتم‌های همسایه ارائه می‌دهد.
– کاربردها : تعیین ساختار بلوری، مطالعه کاتالیزورها، بررسی خوردگی، مطالعه مواد زیستی
2. پراش اشعه ایکس (X-ray Diffraction – XRD)
– اصول کار : در این روش، پرتو اشعه ایکس به یک تک‌بلور یا یک پودر از ماده تابیده شده و پرتوهای پراش‌یافته توسط یک آشکارساز ثبت می‌شوند. با تحلیل الگوی پراش، می‌توان اطلاعاتی در مورد ساختار بلوری ماده به دست آورد.
– کاربردها : تعیین ساختار بلوری، اندازه‌گیری اندازه دانه‌ها، مطالعه تنش‌های داخلی، شناسایی فازهای مختلف در مواد
3. رادیوگرافی
– اصول کار : در این روش، یک منبع ایکس ری به نمونه تابیده شده و تصویر حاصل از عبور پرتو از نمونه بر روی یک فیلم یا آشکارساز ثبت می‌شود. تفاوت در جذب اشعه توسط قسمت‌های مختلف نمونه، باعث ایجاد کنتراست در تصویر می‌شود.
– کاربردها : بازرسی غیرمخرب، تشخیص عیوب داخلی، اندازه‌گیری ضخامت
4. فلورسانس اشعه ایکس (X-ray Fluorescence – XRF)
– اصول کار : در این روش، پرتوها به نمونه تابیده شده و باعث برانگیختگی الکترون‌های داخلی اتم‌های نمونه می‌شود. الکترون‌های برانگیخته با نشر پرتو فلورسانس به حالت پایه باز می‌گردند. با تحلیل طیف فلورسانس، می‌توان عناصر تشکیل‌دهنده نمونه را شناسایی کرد.
– کاربردها : آنالیز عنصری، تعیین ترکیب شیمیایی، بررسی آلودگی
5. سی‌تی اسکن (Computed Tomography)
– اصول کار : در این روش، از پرتوهای ایکس برای تولید تصاویری مقطعی از یک جسم استفاده می‌شود. با ترکیب این تصاویر، می‌توان یک تصویر سه بعدی از داخل جسم ایجاد کرد.
– کاربردها : تصویربرداری پزشکی، بازرسی غیرمخرب صنعتی
نتیجه
در این مقاله، به بررسی فلزات مختلف و توانایی آن‌ها در جذب و جلوگیری از عبور ایکس ری پرداختیم. فلزات سنگین با عدد اتمی بالا مانند سرب، تنگستن و طلا، توانایی بسیار خوبی در جذب تشعشعات دارند. با این حال، انتخاب فلز مناسب برای هر کاربرد به عوامل مختلفی بستگی دارد. با توجه به اهمیت محافظت در برابر اشعه ایکس، انتخاب و استفاده صحیح از فلزات جاذب اشعه ایکس، نقش بسیار مهمی در حفظ سلامت انسان و محیط زیست ایفا میکند.
