توفر تقنية الأشعة السينية دقة مكانية استثنائية (تصل إلى بضع عشرات من النانومتر)، ولكن يمكن استخدامها أيضًا لتحليل وإنتاج صور لمساحات كبيرة، تصل إلى حجم عدة أمتار مربعة، حيث لا يقتصر تطبيقها عمومًا على الحالة الفيزيائية الكيميائية للعينة (سائل أو مجمدة أو مسخنة) أو عوامل بيئية أخرى.
استخدامات مطياف الأشعة السينية
توفر كاشفات الجسيمات المبردة التي تعمل في درجات حرارة منخفضة جدًا ومقاييس الطيف البلورية ذات البلورات المنحنية كرويًا عددًا من المزايا، حيث يمكن لمقاييس الطيف عالية الدقة المستندة إلى الكريستال والمستخدمة بالاقتران مع كاشف حساس للموضع، على سبيل المثال توفير دقة طاقة نهائية عند عرض النطاق الترددي للأشعة السينية.
تُستخدم مقاييس الطيف هذه جنبًا إلى جنب مع المنهجيات المتخصصة، مثل تشتت الأشعة السينية بالرنين غير المرن وتقنيات رامان للأشعة السينية وتوفر معلومات فريدة عن البيئة الكيميائية والترابط الترابطي وعدم تمركز إلكترونات التكافؤ، من بين أمور أخرى.
تتمثل الاتجاهات الأحدث في دمج تقنيات ومنهجيات مختلفة متعلقة بقياس الطيف بالأشعة السينية في نفس المختبر أو مجموعة السنكروترون، بحيث يمكن نشرها بشكل أكثر فعالية للاستخدامات المتعددة التخصصات.
أحد الأمثلة على ذلك هو تحليل (XRF) لوقوع الرعي الذي يستخدم، بالاقتران مع تقنيات قياس الانعكاس والامتصاص للأشعة السينية، لتوصيف المواد غير المتجانسة ذات المقاييس الدقيقة والنانوية، على سبيل المثال للبطاريات أو خلايا الوقود أو الأنظمة الكهروضوئية.
وهناك طريقة أخرى تتمثل في مجموعة متحد البؤر من أجهزة (XRF) الدقيقة، والتي يمكن استخدامها بالاقتران مع نقل الأشعة السينية والتصوير المقطعي الدقيق (XRF)، للتحقيق في التوزيع الأولي وهيكل مجموعة واسعة من المواد غير المتجانسة ثلاثية الأبعاد، حيث تجد هذه الاستخدامات المهمة في علم الأحياء، وتحليل التراث الثقافي والجيولوجيا.
مبادئ وتطبيقات التحليل الطيفي للأشعة السينية
- عند قصف الذرة بحزمة عالية الطاقة، يتم امتصاص فوتونات الأشعة السينية ذات الطاقة التي تتراوح من عشرات إلى آلاف الإلكترون فولت (eV)، مما يؤدي إلى إثارة الإلكترونات من الغلاف الداخلي للذرة (1s أو 2s أو 2p مدارات) إلى أعلى المستويات.
- عندما تعود الإلكترونات إلى مستويات طاقة منخفضة، تنبعث فوتونات الأشعة السينية بطريقة مميزة للذرات التي يتكون منها هذا العنصر المحدد، حيث يقيس التحليل الطيفي للأشعة السينية تلك التغيرات في الطاقة، سواء في الامتصاص أو الانبعاث، مما يتيح تحديد الذرات داخل المواد المختلفة لهذه الأسباب، فهي تقنية ممتازة للتحليل النوعي والكمي لتكوين المواد.
- العلوم والهندسة الكيميائية هي المجالات التي تستفيد بشكل أساسي من التحليل الطيفي للأشعة السينية؛ لأنها تسمح بتحليل المواد التي لن تكون ممكنة مع التقنيات الأخرى على سبيل المثال، من الممكن تحليل مواد السيراميك في حالتها الصلبة.
- أيضًا إنها تقنية متميزة لدراسة المحفزات غير المتجانسة، وكذلك تكوين المجمعات المعدنية وخصائصها الإلكترونية، وهو أمر أساسي لتطوير مواد جديدة مثل الخلايا الشمسية.
- نظرًا لكونها تقنية غير مدمرة، فإن التحليل الطيفي بالأشعة السينية يجد أيضًا تطبيقًا في قياس الآثار، ليس فقط لتحديد التركيب الكيميائي للقطع الأثرية القديمة ولكن أيضًا في منع الاحتيال.
- تم العثور على تطبيقات مثيرة للاهتمام للتحليل الطيفي للأشعة السينية في علم الفلك والفيزياء الفلكية، حيث يمكن استخدام الأشعة السينية لسبر بلازما المجرات ذات درجة الحرارة العالية والتحقيق في النجوم النيوترونية والثقوب السوداء.
- يمكن أن تساعد قياسات امتصاص الأشعة السينية والانبعاثات في تحديد التركيب الأولي والظروف الفيزيائية لهذه الكيانات.
- التلسكوبات الخاصة مجهزة بأجهزة كشف تقيس الأشعة السينية وتحسب عدد الفوتونات التي تم جمعها (شدتها)، وطاقتها (عادة 0.12-120 كيلو فولت) وطول الموجة، أو مدى سرعة اكتشاف الفوتونات (التهم في الساعة)، مما يوفر معلومات حول الشيء الذي انبعث منها.
في الآونة الأخيرة، وجد التحليل الطيفي للأشعة السينية أيضًا تطبيقًا في علوم الأغذية والزراعة تم تطوير التقنيات التي تستخدم الأشعة السينية اللينة (ذات الطاقة المنخفضة)، والتي تكون أقل ضررًا، لفحص الأغذية.
- من الممكن على سبيل المثال التمييز بين أصل زيوت الزيتون، أو تحديد سلسلة من العناصر (مثل K و Ca و Fe و Zn) في المنتجات القائمة على الحليب، وهي مفيدة بشكل خاص لتحسين إنتاج حليب الأطفال، بشكل عام تعد استراتيجيات إعداد عينات الألبان وإجراءات القياس الكمي بسيطة للغاية، ويمكن تنفيذها بسهولة، مما يجعل التحليل الطيفي بالأشعة السينية أداة واعدة للتحليل الروتيني في صناعة الألبان.
وفي نهاية ذلك فإن أحد أشهر تطبيقات الأشعة السينية هو توصيف المواد البلورية، بناءً على مبدأ حيود الأشعة السينية (XRD) يتيح XRD تحديد الهياكل ثلاثية الأبعاد للجزيئات المعقدة، مثل الألياف الطبيعية ومركبات البوليمر والحمض النووي والبروتينات.
