Published in: الفيزياء

مطيافية غاما

Author د. هالة وتار

Published on: 3 مارس، 2024

د. هالة وتار

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

منذ اكتشاف الإشعاع والإنسان في حاجةٍ ماسّة لتمييز المواد المُشعّة عن غيرها، وذلك لتلافي مخاطرها، فقد صمم العلماء العديد من الأجهزة التي يمكن استخدامها لهذا الغرض، وأطلق على هذه الأجهزة اسم كواشف الإشعاع (Radiation Detectors).

تختلف الكواشف في تصميمها وطريقة أدائها طبقاً لنوع الإشعاع المراد كشفه، فهي تعتمد على التأثير المتبادل بين الإشعاع والمادة، فطريقة كشف أشعة غاما مبنية على مبدأ التأثير المتبادل للجسيمات المشحونة الثانوية الناتجة من تفاعل أشعة غاما مع المادة وإنتاج أيونات. أحد أهمّ هذه الكواشف هو الكاشف الوميضي الذي يُعتبر أهم مكونات مطيافية غاما.

ما هو طيف طاقة أشعة غاما؟

تتفكك معظم العناصر المُشعّة بإصدار جسيمات بيتا أو ألفا، وغالباً ما يتبع هذا التفكك إصدار أشعة غاما للوصول إلى الحالة المستقرة للعنصر الوليد (النواة البنت)، تلك النواة الناتجة عن تفكك النواة الأم. يُعتبر طيف طاقة أشعة غاما (ترتيب سويات الطاقة) للنواة البنت مميزاً لهذه النواة، ويمكن استخدامه في تمييز النظير المُشع من غيره. ^[1]

ممّ تتكون منظومة مطيافية أشعة غاما؟

تتكون مطيافية أشعة غاما (Gamma-ray Spectrometry) مما يلي: ^[2]

1- الكاشف الوميضي (Scintillation Detector)

يتمُّ امتصاص أشعة غاما أو أشعة X في المادة الوامضة (غالباً ما تكون بلورة من مادة يوديد الصوديوم المشاب بالتاليوم). ينتج عن تفاعل أشعة غاما مع المادة الوامضة إلكترونات، تفقد تلك الإلكترونات طاقتها الحركية بإثارة أو تأيين ذرات المادة الوامضة، وتعود هذه الذرات المثارة إلى الحالة المستقرة بإصدار وميضٍ فوتوني (كونه ناتج عن الفوتونات). يسقط الوميض على المهبط الضوئي (Photocathode) لأنبوبة المضاعف الفوتوني (Photomultiplier)، فتنتج إلكترونات ضوئية، يتمُّ مضاعفتها بواسطة الداينودات (Dynodes)، وتنتج نبضة كهربائية.

2- جملة معالجة الإشارة

تتمُّ معالجة النبضة الكهربائية الناتجة في الكاشف الوميضي بواسطة جملة معالجة الإشارة، والتي تتكون من: مضخم أولي، مضخم، محلل متعدد الأقنية، وهكذا نحصل على طيف أشعة غاما.

ما هو التفسير العام لطيف غاما؟

يكون شكل الطيف الناتج عن مقياس طيف أشعة غاما الوميضي معقداً بسبب وجود أشكالٍ متعددةٍ لتفاعل أشعة غاما مع المادة.

الحالة الأولى

عندما تكون طاقة أشعة غاما أصغر من 2m₀c² (التي تمثل مجموع الطاقة السكونية لكل من الإلكترون والبوزيترون)، في هذه الحالة تمتص مادة الوامض طاقة أشعة غاما بواسطة آليتين (التأثير الكهرضوئي، وتشتّت كومبتون)، ويُظهر الطيف عدة قمم (القمة الفوتونية، تشتُّت كومبتون، التشتُّت الخلفي)، كما هو موضح في الشكل التالي الذي يمثل الطيف الناتج عن المصدر المُشع السيزيوم:

1- قمة الامتصاص الضوئي (Photo peak)

قمة الامتصاص الضوئي أو قمة الامتصاص الكلي: توافق الامتصاص الكلي لطاقة أشعة غاما (امتصاص كامل طاقة أشعة غاما الواردة على مادة الوامض). من المحتمل أن يتمّ امتصاص أشعة غاما بواسطة التأثير الكهروضوئي، حيث تقدم كل طاقة أشعة غاما لأحد إلكترونات الطبقة k لذرات المادة الوامضة، فيتحرر الإلكترون من ذرته ثم يتبعه إصدار للأشعة السينية X. إذا امتصت البلورة طاقة الإلكترون الكهروضوئي، وطاقة أشعة X، فإنها تكون قد امتصت كل طاقة أشعة غاما، وعندها تتشكل قمة امتصاصٍ كلي.

2- قمة هروب أشعة – X

إذا امتصت بلورة الكاشف طاقة الإلكترون الكهروضوئي فقط، وتمّ تسرُّب أشعة X دون امتصاص تتشكل قمة تدعى بقمة هروب الأشعة السينية (X-Rays Escape Peak) المميزة للبلورة، وهي تبعد عن قمة الامتصاص الكلي مسافةً صغيرة، لذلك من أجل أشعة غاما عالية الطاقة تندمج هاتين القمتين مع بعضهما في قمةٍ واحدة، مما يؤدي إلى عدم تناظر قمة الامتصاص الكلي، فيصبح نصفها الأيسر أعلى من نصفها الأيمن.

 3- حافة كومبتون (Compton Edge)

من المحتمل أيضاً أن تعاني أشعة غاما من تشتُّت كومبتون بدلاً من حدوث التأثير الكهروضوئي، حيث تصطدم أشعة غاما بالإلكترون متخليةً له عن جزءٍ من طاقتها، والطاقة التي يكتسبها الإلكترون (طاقة حافة كومبتون)، تمثل طاقة الفوتون الوارد مطروحاً منه طاقة الفوتون المتشتّت إذا امتصت بلورة الوامض طاقة إلكترون كومبتون، وطاقة أشعة غاما المتشتتة.

يكون لدينا حالة امتصاصٍ كلي تقع ضمن قمة الامتصاص الكل، أما إذا امتصت البلورة فقط طاقة إلكترون كومبتون، فسوف يكون في الطيف توزّعٌ مستمر من الصفر وحتى أعظم قيمة لطاقة إلكترون كومبتون، حيث يرتفع الطيف قليلاً، وتسمّى بحافة كومبتون.

 4- قمة التشتُّت الخلفي (Backscatter peak)

عندما تتشتّت أشعة غاما عكسياً أي بزاوية تساوي 180 درجة سواءً على الجدران الداخلية للغلاف المحيط بالكاشف أو على نافذة المضاعف الضوئي، فإن الأشعة تعود لتدخل بلورة الوامض، وتكون طاقتها أصغرية. أما طاقة الإلكترون المرتد، فتكون قيمتها أعظمية، وهي توافق حافة كومبتون، وإذا امتصت طاقة الفوتون المتشتّت عكسياً في البلورة، فإنه تظهر قمة عند هذه الطاقة تسمّى بقمة التشتّت الخلفي.

 5- قمة الأشعة السينية المميزة لأدوات الحماية (X-Rays Peak)

يوضع المنبع المُشع في حجرةٍ تكون لها فتحة لخروج الأشعة، فإذا امتصت هذه الأشعة من المادة المكونة للحجرة من خلال التأثير الكهروضوئي، يتمُّ إصدار أشعة سينية مميزة لهذه المادة، فإذا سقطت هذه الأشعة السينية على بلورة الوامض وامتصتها البلورة، فإن ذلك يُسبّب ظهور قمةٍ تسمّى بقمة الأشعة السينية. ^{[3] [4]}

الحالة الثانية

إذا كانت طاقة أشعة غاما أكبر من 2m₀c² تمتص مادة البلورة طاقة أشعة غاما بواسطة التأثير الكهروضوئي، وتشتّت كومبتون وإنتاج الأزواج، ويُظهر الطيف إضافةً للقمم السابقة قمماً جديدةً، كما هو موضح في الشكل التالي:

1- قمة الهروب الفردية (Single Escape Peak)

في تأثير إنتاج الأزواج يتمُّ امتصاص أشعة غاما بالكامل، ويتشكل في البلورة زوج إلكترون- بوزيترون، وتمتص البلورة الطاقة الحركية للإلكترون، ويتوقف فيها في حين يفنى البوزيترون باتحاده مع إلكترون مصدراً فوتونين من أشعة غاما طاقة كل منهما 0.511 ميغا إلكترون فولت، وينطلقان باتجاهين متعاكسين.

إذا امتصت البلورة طاقة كلا الفوتونين الناتجين نحصل على قمة الامتصاص الكلي، أما إذا تسرب أحد الفوتونين وتمّ امتصاص الفوتون الآخر، فإننا نحصل على قمةٍ تدعى بقمة الهروب الفردية، وتظهر عند طاقة تساوي (الفرق بين طاقة فوتون غاما الساقط، والطاقة السكونية للإلكترون).

2- قمة الهروب الزوجية (Double Escape Peak)

إذا تسرب كلا الفوتونين الناتجين عن فناء البوزترون، فإننا نحصل على قمةٍ تدعى بقمة الهروب الزوجية، وتظهر عند طاقةٍ تساوي (الفرق بين طاقة فوتون غاما الساقط، والطاقة السكونية للإلكترون، والبوزيترون).

 3- قمة الفناء (Annihilation Peak)

قد يتمّ إنتاج الأزواج على سطح البلورة، ويستطيع عندها الزوج (إلكترون، بوزيترون) التسرب من البلورة، والفناء يحدث خارج البلورة، وتنتج فوتونات بطاقة 0.511 ميغا إلكترون فولت. إذا دخل عددٌ منها إلى البلورة، وتمّ امتصاصها فيها، تظهر قمة في الطيف عند الطاقة 0.511 ميغا إلكترون فولت تدعى بقمة الفناء.

4- قمة الجمع (المجموع) (Sum Peak)

تصدر بعض المنابع المُشعّة فوتونين أو أكثر من أشعة غاما، كما هو الحال بالنسبة لمنبع الكوبالت ⁶⁰Co، حيث يكون الفاصل الزمني بينهما صغيراً بحيث تدخل هذه الفوتونات إلى بلورة الكاشف بنفس الوقت تقريباً، وليس كل على حدة، فتكون الطاقة التي امتصتها البلورة هي مجموع طاقات هذه الفوتونات، وتظهر في الطيف قمة تسمّى قمة الجمع. في حالة منبع الكوبالت الذي يصدر فوتونان غاما طاقتهما (1.172 و1.333) ميغا إلكترون فولت نحصل على قمة مجموع عند الطاقة 2.505 ميغا إلكترون فولت. ^[5]