الأشعة السينية عالية الطاقة

الأشعة السينية عالية الطاقة، ^أو أشعة HEX، هي أشعة سينية شديدة الصلابة ، تتراوح طاقتها عادةً بين 80 و1000 كيلو إلكترون فولت (1 ميغا إلكترون ^فولت )، ^أي أعلى بنحو عشرة أضعاف من طاقة الأشعة السينية التقليدية المستخدمة في علم البلورات بالأشعة السينية (وتتجاوز طاقات أشعة غاما 120 كيلو إلكترون فولت). تُنتَج هذه الأشعة في مصادر إشعاع السنكروترون الحديثة ، مثل مصدر كورنيل للسنكروترون عالي الطاقة ، وSPring-8، وخطوط الحزم ID15 وBM18 في مرفق الإشعاع السنكروتروني الأوروبي (ESRF). تكمن ميزتها الرئيسية في قدرتها على اختراق المادة بعمق ، مما يجعلها أداةً مثاليةً لدراسة العينات السميكة في الفيزياء وعلوم المواد ، كما يسمح بتشغيلها في بيئة هوائية. تتميز هذه الأشعة بزوايا تشتت صغيرة، واتجاه حيودها للأمام، مما يُسهّل تركيب أجهزة الكشف.  

تُستخدم الأشعة السينية عالية الطاقة (ميغا فولت) أيضًا في علاج السرطان ، وذلك باستخدام حزم يتم توليدها بواسطة مسرعات خطية لكبح الأورام. ^{[ 1 ]}

تتمتع الأشعة السينية عالية الطاقة (HEX-rays) التي تتراوح طاقتها بين 100 و 300  كيلو إلكترون فولت بالعديد من المزايا مقارنة بالأشعة السينية الصلبة التقليدية، والتي تقع في نطاق 5-20  كيلو إلكترون فولت ^{[ 2 ]} ويمكن سردها على النحو التالي:

• يتميز هذا الجهاز بقدرة اختراق عالية للمواد بفضل انخفاض مقطع امتصاص الضوء بشكل كبير. ويعتمد امتصاص الضوء بشكل كبير على العدد الذري للمادة وطاقة الأشعة السينية. ويمكن الوصول إلى أحجام بسماكة عدة سنتيمترات في الفولاذ، وسماكة ملليمترات في العينات المحتوية على الرصاص.
• لا يوجد ضرر إشعاعي للعينة، والذي يمكن أن يؤدي إلى عدم التوافق أو تدمير المركب الكيميائي المراد تحليله.
• تتميز كرة إيوالد بانحناء أصغر بعشر مرات من حالة الطاقة المنخفضة، وتسمح برسم خرائط لمناطق كاملة في شبكة متبادلة ، على غرار حيود الإلكترون.
• إمكانية الوصول إلى التشتت المنتشر. هذا التشتت محدود بالامتصاص وليس بالانطفاء عند الطاقات المنخفضة، بينما يحدث تعزيز الحجم عند الطاقات العالية. ويمكن الحصول بسهولة على خرائط ثلاثية الأبعاد كاملة عبر عدة مناطق بريلوين .
• تُعدّ عمليات نقل الزخم العالي متاحة بشكل طبيعي نظرًا للزخم العالي للموجة الساقطة. وهذا ذو أهمية خاصة لدراسات المواد السائلة وغير المتبلورة والنانوية البلورية، وكذلك لتحليل دالة توزيع الأزواج .
• تحقيق جهاز راسم الإشارة للمواد .
• تجهيزات حيود بسيطة بسبب التشغيل في الهواء.
• يُسهّل حيود الأشعة السينية في الاتجاه الأمامي عملية التسجيل باستخدام كاشف ثنائي الأبعاد. كما يُسهّل التشتت الأمامي والاختراق عملية تحديد بيئات العينات.
• تأثيرات الاستقطاب ضئيلة بسبب زوايا التشتت الصغيرة نسبياً.
• تشتت مغناطيسي خاص غير رنيني.
• قياس التداخل ثلاثي الطبقات (LLL)
• الوصول إلى مستويات الطيف عالية الطاقة، الإلكترونية والنووية على حد سواء.
• دراسات شبيهة بالنيوترونات، ولكنها تكميلية، مقترنة بدقة مكانية عالية.
• المقاطع العرضية لتشتت كومبتون تشبه المقاطع العرضية للتشتت المتماسك أو الامتصاص.

بفضل هذه المزايا، يمكن استخدام أشعة HEX في نطاق واسع من الفحوصات. إليكم لمحة عامة، وهي غير شاملة:

• تُجرى دراسات بنيوية على مواد حقيقية، مثل المعادن والسيراميك والسوائل. وعلى وجه الخصوص، تُجرى دراسات في الموقع لتحولات الطور عند درجات حرارة مرتفعة تصل إلى درجة انصهار أي معدن. وتُعدّ تحولات الطور، والاستعادة، والانفصال الكيميائي، وإعادة التبلور، والتوأمة، وتكوين النطاقات، بعض الجوانب التي يمكن متابعتها في تجربة واحدة.
• المواد في البيئات الكيميائية أو التشغيلية، مثل الأقطاب الكهربائية في البطاريات وخلايا الوقود والمفاعلات ذات درجات الحرارة العالية والإلكتروليتات وما إلى ذلك. يسمح الاختراق وشعاع القلم الرصاص المتوازي جيدًا بالتركيز في المنطقة والمادة محل الاهتمام أثناء خضوعها لتفاعل كيميائي.
• دراسة الطبقات "السميكة"، مثل أكسدة الفولاذ في عمليات إنتاجه ودرفلته، والتي تكون سميكة للغاية بحيث لا يمكن إجراء تجارب قياس الانعكاس التقليدية عليها. دراسة الأسطح البينية والطبقات في بيئات معقدة، مثل التفاعل بين الفلزات لطلاء سطح الزنكاليوم على الفولاذ الصناعي في الحمام السائل.
• دراسات ميدانية لعمليات الصب الصناعية، مثل عمليات صب الشرائح للمعادن الخفيفة. يمكن إعداد جهاز الصب على خط شعاعي وفحصه باستخدام شعاع الأشعة السينية عالية الطاقة في الوقت الحقيقي.
• تختلف الدراسات التي تُجرى على البلورات الأحادية عن الدراسات التي تُجرى على المناطق القريبة من السطح والتي يحدّها اختراق الأشعة السينية التقليدية. وقد وُجد، وتم تأكيده في جميع الدراسات تقريبًا، أن أطوال التشتت والترابط الحرجة تتأثر بشدة بهذا التأثير.
• الجمع بين دراسات النيوترونات والأشعة السينية على نفس العينة، مثل اختلافات التباين الناتجة عن أطوال التشتت المختلفة.
• تحليل الإجهاد المتبقي في الكتلة بدقة مكانية فريدة في عينات بسمك سنتيمتر واحد؛ في الموقع تحت ظروف تحميل واقعية.
• دراسات في الموقع لعمليات التشوه الحراري الميكانيكي مثل التشكيل والدرفلة والبثق للمعادن.
• قياسات النسيج في الوقت الحقيقي في الكتلة أثناء التشوه أو التحول الطوري أو التلدين، كما هو الحال في معالجة المعادن.
• هياكل ونسيج العينات الجيولوجية التي قد تحتوي على عناصر ثقيلة وتكون سميكة.
• حيود البلورات الثلاثية عالي الدقة لدراسة البلورات الأحادية مع جميع مزايا الاختراق العالي والدراسات من الكتلة.
• مطيافية كومبتون لدراسة توزيع الزخم لأغلفة إلكترونات التكافؤ.
• التصوير والتصوير المقطعي باستخدام طاقات عالية. يمكن لمصادر مخصصة أن تكون قوية بما يكفي للحصول على صور مقطعية ثلاثية الأبعاد في غضون ثوانٍ معدودة. ويمكن الجمع بين التصوير والحيود بفضل الأشكال الهندسية البسيطة. على سبيل المثال، التصوير المقطعي مع قياس الإجهاد المتبقي أو التحليل الهيكلي.

• ليس، كلاوس-ديتر ؛ بارتلز، أرنو؛ شريير، أندرياس؛ كليمنس، هيلموت (2003). "الأشعة السينية عالية الطاقة: أداة للتحقيقات المتقدمة في المواد الصلبة في علوم وفيزياء المواد" . البنى والتركيبات المجهرية . 35 ( 3-4 ): 219-252 . doi : 10.1080/07303300310001634952 .
• بنمور، سي جيه (2012). "مراجعة حيود الأشعة السينية عالية الطاقة من الزجاج والسوائل" . مجلة ISRN لعلوم المواد . 2012 : 1-19 . doi : 10.5402/2012/852905 .
• إيبرهارد هاوغ؛ فيرنر ناكل (2004). العملية الأولية لإشعاع الكبح . سلسلة محاضرات وورلد ساينتيفيك في الفيزياء. المجلد  73. ريفر إيدج، نيوجيرسي: وورلد ساينتيفيك. ISBN 978-981-238-578-9.

• ليس، كلاوس-ديتر، وآخرون  (2006). "إعادة التبلور والتحولات الطورية في سبيكة أساسها γ-TiAl كما لوحظت بواسطة حيود الأشعة السينية عالية الطاقة خارج الموقع وداخله". أكتا ماتيريليا . 54 (14): 3721-3735 . Bibcode : 2006AcMat..54.3721L . doi : 10.1016/j.actamat.2006.04.004 .