قياس طيف الأشعة السينية

وتستخدم تقنيات قياس طيف الأشعة السينية للتحليل العنصري والكيميائي والبلوري والهيكلي والدينامي لمجموعة واسعة من المواد مما يلبي طائفة واسعة من المتطلبات.

وتوفر هذه التقنيات تحليلاً مكانياً استثنائياً (يصل إلى بضع عشرات من النانومتر)، ولكن يمكن استخدامها كذلك لتحليل وإنتاج صور لمساحات واسعة، تصل إلى حجم يبلغ عدة أمتار مربعة. وتطبيق هذه التقنيات لا يُقيد عادة بالحالة الفيزيائية الكيميائية لعينة ما (سائلة أو مجمدة أو مسخنة) أو بالعوامل البيئية الأخرى حيث يمكن إجراء القياسات إما في الفراغ أو تحت الضغط الجوي أو في غرف تجريبية متخصصة أو باستخدام مطيافات متنقلة محسنة، بل حتى في الميدان.

تقدم هذه التكنولوجيا على مر السنين

هناك عاملان حفزا ودفعا إلى حد كبير مختلف التطورات في الأداء التحليلي لتقنيات قياس طيف الأشعة السينية منذ أوائل السبعينيات: التقدم المحرز في تطوير أجهزة الأشعة السينية، مثل المصادر والكواشف وأجهزة التركيز؛ والمتطلبات التحليلية لتوصيف أكثر تكاملاً للمواد المعقدة الثلاثية الأبعاد وغير المتجانسة. ومن الأمثلة على ذلك إدخال كواشف أشباه الموصلات المبردة بالسوائل، التي ساعدت ببطء في إنشاء تألق الأشعة السينية كتقنية تحليلية للتحليل الكمي للعينات المختلفة.

وفي منتصف التسعينيات، أتاح تصغير المكونات وتطوير التبريد الحراري إمكانية إجراء تحليلات ميدانية واستخدام التكنولوجيا في استكشاف الكواكب. وفي الوقت ذاته، أصبحت مصادر السنكروترون تستخدم على نطاق واسع لتوصيف المواد، استناداً إلى خصائص فريدة للإشعاع السنكروتروني. وهذا بدوره ساعد على تطوير مجموعة كبيرة من المنهجيات المتقدمة لقياس طيف الأشعة السينية.

واليوم، تستخدم أنظمة الكشف المكونة من صفائف كبيرة من أجهزة الاستشعار لتحسين الإنتاجية بشكل ملحوظ في التجارب المعملية أو تلك القائمة على السنكروترونات، حيث تستخدم الأشعة السينية البالغة الصغر أو المتناهية الصغر ذات التنشيط المركز. ويقترب بعض من هذه الأشعة من حد الحيود، في منطقة تبلغ بضع عشرات من النانومتر.

عدد من الاستخدامات الأخرى

وبعيداً عن استخدام قياس طيف الأشعة السينية العالي الاستبانة في أنظمة الكشف عن التشتت في الطاقة، فإنه يدعم مجموعة واسعة من التطبيقات الأخرى. وتتعلق هذه التطبيقات بعلوم المواد والكيمياء والفيزياء الصلبة (ولا سيما دراسة التحولات الطورية) والكيمياء الفيزيائية والدراسات المتعلقة بالفيزياء الذرية الأساسية.

وهناك أيضاً عدد من المزايا لدى كواشف الجسيمات المبردة التي تعمل في درجات حرارة منخفضة جداً والمطيافات البلورية بالبلورات المنحنية الكروية. ويمكن للمطيافات العالية الاستبانة القائمة على البلورات والمستخدمة بالاقتران مع كاشف حساس للموقف، على سبيل المثال، أن تقدم استبانة طاقة نهائية عند عرض نطاق الأشعة السينية. وتستخدم هذه المطيافات جنباً إلى جنب مع المنهجيات المتخصصة، مثل تشتت الرنين غير المرن للأشعة السينية وتقنيات رامان للأشعة السينية، وتُقدم معلومات فريدة عن البيئة الكيميائية، ومربوطة لجين وعدم تمركز إلكترونات التكافؤ، من بين أمور أخرى.

وتتمثل الاتجاهات الأحدث في دمج مختلف التقنيات والمنهجيات ذات الصلة بقياس طيف الأشعة السينية في نفس المختبر أو الهيكل السينكروتروني، بحيث يمكن نشرها بفعالية أكبر للاستخدامات المتعددة التخصصات.

ومن الأمثلة على ذلك تحليل تألق الأشعة السينية ذات السقوط المُقارِب الذي يستخدم، بالاقتران مع تقنيات قياس الأشعة السينية وتقنيات الامتصاص، لتوصيف المواد غير المتجانسة البالغة الصغر والمتناهية الصغر، مثل البطاريات أو خلايا الوقود أو الأنظمة الفولطاضوئية. ومثال آخر هو الهياكل البالغة الصغر لتألق الأشعة السينية متحدة البؤر، والتي يمكن استخدامها جنباً إلى جنب مع نقل الأشعة السينية والتصوير المقطعي البالغ الصغر لتألق الأشعة السينية للتحقيق في توزيع العناصر وهيكل من مجموعة واسعة من المواد الثلاثية الأبعاد غير المتجانسة. ولهذه الأشياء استخدامات هامة في علم الأحياء، وتحليل التراث الثقافي والجيولوجيا.