Published in: الفيزياء

كواشف الأثر النووي – أقسامها وتطبيقاتها

Author د. هالة وتار

Published on: 1 مايو، 2024

د. هالة وتار

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

تمّ ملاحظة الآثار النووية في الجسم الصلب لأول مرة على يد العالم يونغ  (Young) عام 1958، وذلك عندما شاهد آثاراً صغيرةً غير واضحة على بلورة من فلوريد الليثيوم LiF كانت على تماسّ مع رقاقة من اليورانيوم شُعّعت بنيوتروناتٍ حرارية، وبعد عملية حكٍّ كيميائي بوضعها في محلولٍ مناسب.

تمّت رؤية هذه الآثار بوضوح، وبعد سنواتٍ عديدة شوهدت آثار مشابهة على الميكا بعد تعريضها للإشعاع المؤين، وقد وجد لاحقاً أنه من الممكن مشاهدة الآثار التي تحدثها الجسيمات الثقيلة، مثل: جسيمات ألفا في البوليميرات، حيث شوهدت آثار جسيمات ألفا أول مرة على نترات السيليلوز (Cellulose Nitrate).

وكذلك لوحظ أنه من الممكن لمواد بلاستيكية أخرى، مثل: (Bisphenol-A poly carbonate) أن تستخدم ككواشف أثرٍ نووي، فيما وجد عام 1978 العالم كارت رايت (Cart Write) كواشف (Allyl Digicol Carbonate CR39) يمكن أن تتحسس لجسيمات ألفا، وهكذا استمر تطوير هذه الكواشف حتى وصل عدد المواد التي شوهدت آثار الجسيمات عليها إلى ما يزيد عن 150 مادة.

ما هي أقسام كواشف الأثر النووي؟

تقسـم كواشـف الأثر النووي إلى قسمين رئيسيين: ^{[1] [2]}

1- كـواشف عضويـة (Organic detectors)

هي الكواشف التي يدخل في تركيبها عنصرا الكربون والهيدروجين، وتشمل البوليمرات (Plastics)، وتدعى بالكواشف البلاستيكية. الكواشف البولميرية من الكواشف الأوسع استعمالاً، وهناك العديد من كواشف الأثر البولميرية منها:

– كواشف البولي كاربونات له الصيغة الكيميائية (C₁₆H₁₄O₃)_n، يرمز له بالرمز (PC).

– كواشف نترات السيلولوز (Cellulose Nitrate) له الصيغة الكيميائية (C₆H₁₀O₅)_n، ويرمز له بالرمز (LR-115).

– كواشف بوليمير البولي أليل ديجليكول: له الصيغة الكيميائية (C₁₂H₁₈O₇)_n، ويرمز له بالرمز (CR-39).

لكل كاشفٍ من هذه الكواشف خواصه، فالكواشف البلاستيكية من نترات السيللوز حساسةً لجسيمات ألفا بطاقة من 0.1 إلى 4 مليون إلكترون فولط، فيما يملك كاشف بولي كاربونات حساسيةً لجسيمات ألفا بطاقةٍ تتراوح 0.2-3 مليون إلكترون فولت، وكاشف CR-39 يتحسس لجسيمات ألفا بطاقة تتراوح ضمن (0.1-60) مليون إلكترون فولت.

تعتمد القيمة الدقيقة للطاقة الدنيا، والطاقة العليا لجسيمات ألفا التي يمكن للكاشف التحسس بها على عدة عوامل، كشروط الحكّ الكيميائي، والتعرض للأوكسجين، والأشعة فوق البنفسجية. تعتبر كواشف CR-39 ذات خواص فريدة، واستعمالاتٍ واسعة، حيث إنها عالية النقاوة، وذات تأثيرٍ ضئيلٍ جداً بالتغيرات البيئية، فهي حساسةٌ جداً للأشعة المؤينة، وهي الوحيدة التي تستطيع تسجيل آثار للبروتونات، كما تستطيع تسجيل جسيمات ألفا بطاقاتٍ أعلى بقليل من الصفر إلى طاقة حوالي 60 مليون إلكترون فولت.

2 – كواشف غير عضوية (Inorganic detectors)

هي الكواشف التي لا يدخل في تركيبها عنصرا الكربون والهيدروجين، والروابط بين ذراتها تكون أيونية، وتشمل البلورات المعدنية، مثل: بلورة فلوريد الليثيوم، والميكا، والكوارتز، وغيرها، والزجاج، مثل: (soda lime glass)، وفوسفات الزجاج (Phosphate glass).

ما هو مبدأ عمل كواشف الأثر النووي؟

يعتمد مبدأ عمل هذا النوع من الكواشف على الأثر الذي تتركه الجسيمات المؤينة، كجسيمات ألفا، والبروتونات في الأجسام العازلة، مثل: الزجاج، والبلاستيك، حيث تحدث هذه الجسيمات آثاراً رفيعةً مُخفيةً (مسارات) تدعى الأثر الكامن (Latent track)، ولا يمكن رؤية الأثر الكامن الحادث إلا بالمجهر الإلكتروني، ولكن يمكن جعل هذه الآثار مرئيةً باستخدام المجهر الضوئي العادي، وذلك بعد عملية الحكّ الكيميائي (Chemical Etching)، حيث يصبح قطر الأثر من رتبة (4-10 ) سنتيمتر. ^[3]

ما هي محاسن ومساوئ كواشف الأثر النووي؟

كثر استخدام كواشف الأثر النووي، ولاقت رواجاً وانتشاراً كبيراً لما تتمتع به من مزايا عديدة، فهي:

1- رخيصة نسبيًا، وتتألف من مواد بسيطة، وتتصف بمرونةٍ في الأداء، حيث يمكن إعدادها بأبعاد تناسب ظروف العمل.

2- ذات حساسيةٍ عالية للجسيمات المشحونة عدا جسيمات بيتا.

3- غير حساسة للخلفية الطبيعة لأشعة غاما وبيتا.

4- سهلة الاستخدام، فهي لا تحتاج إلى مصدرٍ للطاقة الكهربائية، مما يجعلها مناسبةً تماماً عند إجراء البحوث الميدانية التي تتطلب عملية كشفٍ مستمرة لمستويات منخفضة من الإشعاع، ولفتراتٍ زمنيةٍ طويلة.

5- لا تتأثر بالظروف البيئية، مثل: الضغط، ودرجة الحرارة.

6- عدم ذوبانها بمحاليل الحكّ الكيميائي، وإنما تساعد هذه المحاليل بتحللها، وذلك بتقليل سمكها باستثناء المواد الحمضية ذات التراكيز العالية.

7- سهلة المعالجة للحصول على الآثار.

8- لا تحتاج إلى غرفةٍ مظلمة من أجل قراءة النتائج.

9- يمكنها أن تميز بين الجسيمات الخفيفة والثقيلة، مثل :جسيمات ألفا، ونواتج الانشطار.

10- يمكنها أن تحتفظ بالآثار المخفية لفتراتٍ طويلة تصل إلى 10⁹ سنة، مما يجعل استعمالها في التأريخ ممكناً، شرط عدم تعرضها إلى درجات حرارةٍ عالية (أكثر من 90  ^º C) أثناء تخزينها.

11- إمكانية قياس المستويات المنخفضة من الإشعاع عن طريق تجمع الأثر لفتراتٍ طويلة.

ولكن من مساوئها:

– أنها تحتاج لزمنٍ طويل بعض الشيء من أجل الحصول على الآثار.

– صعوبة في عدّ الآثار بالمجهر الضوئي.

ما هي تطبيقات كواشف الأثر النووي؟

لكواشف الأثر النووي (كواشف الحالة الصلبة) عددٌ من التطبيقات في مجالاتٍ مختلفة في الفيزياء، وفروع أخرى من العلوم (بيولوجية، وجيولوجية، وكيميائية). ^[4]

1- استخدمت هذه الكواشف في الكشف عن نواتج الانشطار والنيوترونات، وفي تسجيل البروتونات، وقياس الجرعة البروتونية والنيوترونية، إضافةً لتحديد نشاط منابع ألفا، لكن التطبيقات الأهمّ كان استخدام هذه الكواشف في قياسات الرادون وما يتعلق به، وقياس الجرعة الإشعاعية الناتجة عن غاز الرادون ووليداته.

2- الاستخدامات البيولوجية: قياس تراكيز المواد المشعّة المصدرة لجسيمات ألفا، والتي يمكن أن تدخل إلى الجهاز التنفسي للإنسان عن طريق التدخين أو في حالة العمل في مناجم اليورانيوم.

إن معـرفة تراكيـز هذه المواد في النسيج المبطن للقصبات الهوائية (Bronchial tissues) مهمة لتقدير مقدار الجرعة الإشعاعية المودعة في ذلك النسيج، ويتمُّ ذلك بوضع جزءٍ من هذا النسيج بين قطعتين من الكاشف الصلب للأثر النووي، وتركها لمدةٍ طويلة تتراوح ما بين ثلاثة إلى أربعة أشهر، ومن ثم إجراء عملية الحكّ بالمحلول الكيميائي المناسب، لإظهار الآثار الناتجة من جسيمات ألفا الصادرة عن المواد المشعّة الداخلة إلى النسيج عن طريق التنفس.

كما تستخدم هذه الكواشف في مراقبة تراكيز المواد المشعّة المصدّرة لجسيمات ألفا في الدم لدى المدخنين وغير المدخنين، وذلك بغمس قطعةٍ من الكاشف الأثر النووي في عينةٍ من الدم لكل منهما.