|
เทคโนโลยีการฉายรังสีอัญมณี
|
อดิศักดิ์ ปัญญานุช
ศูนย์ฉายรังสีอัญมณี
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)
|
|
แหล่งกำเนิดรังสี ที่ใช้งานทางอุตสาหกรรมหรือเชิงพาณิชย์ที่สำคัญมี 3 ชนิดคือ
|
|
1.
|
เครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนเชิงเส้น
(เครื่องเร่งอิเล็กตรอนพลังงานสูง 10 และ 20 MeV, 20 kW)
รังสีที่เอามาใช้งานคือ อิเล็กตรอน และเบรมส์ชตราลุง |
| |
|
|
|
รูปที่ 1. เครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนแบบเชิงเส้น
|
|
|
2.
|
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์วิจัยขนาด 2 MW) รังสีที่เอามาใช้งานคือ นิวตรอน และแกมมา |
| |
|
|
|
รูปที่ 2. เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
|
|
|
3.
|
แหล่งกำเนิดรังสีแกมมาแบบไอโซโทป (Co-60 และ Cs-137) รังสีที่เอามาใช้งานคือ รังสีแกมมา |
| |
|
|
|
รูปที่ 3. แหล่งกำเนิดรังสีแกมมาแบบไอโซโทป
|
|
|
|
เครื่องเร่งอิเล็กตรอนพลังงานสูง
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์วิจัย และต้นกำเนิดรังสีแกมมา
ถูกนำมาใช้เป็นผลสำเร็จในกิจกรรมด้านอัญมณี ต้นกำเนิดรังสีดังกล่าว
มีความแตกต่างกันอย่างมากทั้งสมบัติและการติดตั้ง
ดังนั้นงานทางด้านการฉายรังสี จะต้องมีสภาวะเหมาะสมกับต้นกำเนิดรังสีนั้น
ๆ ผลของการฉาย จะขึ้นอยู่กับสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของตัววัสดุเอง
และเงื่อนไขต่าง ๆ ของต้นกำเนิดชนิดนั้น ๆ ด้วย
สมบัติของวัสดุ:
ของเหลว แก๊ส สารอินทรีย์ สารอนินทรีย์ สารที่เป็นเนื้อเดียวกัน สารที่เป็นของผสม
|
| การทำอันตรกิริยาของรังสีต่อวัสดุตัวกลาง |
|
แสงที่ตามองเห็น (visible light):
สามารถส่องผ่านตัวกลางที่โปร่งแสง ถูกดูดกลืนทั้งหมดหรือบางส่วน
หรือสะท้อนกลับช่วงพลังงานของ visible light
มีความสัมพันธ์กับอะตอมหรือโครงสร้างผลึกที่ขึ้นกับวงรอบอิเล็กตรอน
โดยเห็นเป็นสี
less energetic light (LR): ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอะตอมและโมเลกุลคล้ายกับแสง
more energetic light (UV): ทำให้เกิดการแตกตัวและการทำลายในโมเลกุล
higher energetic light: เริ่มต้นจากรังสีเอกซ์
(X-rays) ถึงรังสีแกมมา (gamma-rays) ไอโซโทป Cs-137 (พลังงาน 660 keV)
และ Co-60 (พลังงาน 1.3 MeV) สามารถเปลี่ยนโครงสร้างผลึกของอัญมณีบางชนิด
ที่ช่วงแสงที่ตามองเห็น มีผลให้เกิดการเปลี่ยนเป็นสีน้ำตาลหรือสีดำ
มีบางกรณีจะเปลี่ยนเป็นสีแดงหรือเหลือง
มีหลายกรณีสีที่เปลี่ยนแล้วไม่เสถียรเมื่อถูกแสงแดด
รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic radiation):
เครื่องเร่งแวนเดอแกรฟฟ์ (Van De Graaff) ไมโครตรอน (microtrons)
และเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนเชิงเส้น ให้พลังงานมากและมีความเข้มสูง
เครื่องเร่งแวนเดอแกรฟฟ์ (ระดับพลังงาน เป็นMeV และมีช่วงกระแสเป็น mA)
ปัจจุบันเลิกใช้แล้ว เนื่องจากตัวเครื่องและการเดินเครื่องมีราคาแพง
เมื่อเทียบกับเครื่องเร่งชนิดอื่น ๆ
ไมโครตรอน (microtrons): แสดงให้เห็นถึงประโยชน์ของการเปลี่ยนแปลงพลังงานได้ที่บีมเพาเวอร์ไม่สูงนัก (1 kW 25 MeV)
เครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนแบบเชิงเส้น (electron linacs):
เป็นเครื่องเร่งที่ประหยัดมากที่สุด
โดยปกติออกแบบสร้างที่สามารถปรับเปลี่ยนพลังงาน 1 หรือ 2
ช่วงและมีบีมเพาเวอร์สูง (10 และ 20 MeV, 10-20 kW)
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (nuclear reactor)
เป็นแหล่งกำเนิดรังสีที่ให้นิวตรอนพลังงานต่ำ (slow neutron)
และนิวตรอนพลังงานสูง (fast neutron)
อันตรกิริยาของนิวตรอนพลังงานต่ำกับสสารใด ๆ มีความสำคัญมาก ตัวอย่างเช่น
การจับยึดนิวตรอน (neutron capture)
จะสลายกัมมันตรังสีให้รังสีบีตาและอะตอมนิวไคลด์จะถูกเปลี่ยนเป็นธาตุอื่นเช่นจาก
Al เป็น Si จาก Si เป็น P
Al (n, g, e+) Si
Si (n, g ,e+) P
จากอันตรกิริยานี้มีความสำคัญต่อการผลิตโทแพซสีฟ้า (blue topaz)
|
| การฉายรังสีอัญมณี |
|
ไม่มีทฤษฏีทางวิทยาศาสตร์
แต่ความชำนาญในการฉายรังสีเป็นศิลปะซึ่งสามารถรวบรวมเป็นตำรับสำหรับอัญมณีชนิดต่าง
ๆ อัญมณีบางชนิดสามารถเปลี่ยนสีได้ง่าย แต่บางชนิดก็ยุ่งยากซับซ้อน
ตัวอย่าง การใช้ประโยชน์
|
|
1.
|
รังสีแกมมาจาก Co-60 ให้ผลดีกับ เบริล (beryl) ทัวร์มาลีน (tourmaline) ควอตซ์ (quartz) คุนไซต์ (kunzite) |
|
|
|
|
|
|
เบริล (beryl)
|
ทัวร์มาลีน (tourmaline)
|
| |
|
|
|
|
|
ควอตซ์ (quartz)
|
คุนไซต์ (kunzite)
|
|
| |
รูปที่ 4. ตัวอย่างอัญมณีชนิดต่าง ๆ
|
| |
|
|
2.
|
เครื่องเร่งอิเล็กตรอน 20 MeV, 10 MeV (สีฟ้าอ่อน) ให้ผลดีกับโทแพซ (topaz) อย่างเดียว |
| |
|
|
|
รูปที่ 5. sky blue topaz
|
| |
|
|
3.
|
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์วิจัย
ฉายรังสีในแกนเครื่องปฏิกรณ์ (นิวตรอนพลังงานต่ำและแกมมา) ให้ผลดีกับโทแพซ
(topaz) และ เพชร (diamond) |
|
|
|
|
|
|
london blue topaz
|
เพชร (diamond)
|
|
| |
รูปที่ 6. london blue topaz และ diamond
|
| |
|
|
4.
|
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์วิจัย
ฉายรังสีนอกแกนเครื่อง (นิวตรอนพลังงานสูง)
บวกด้วยการฉายด้วยเครื่องเร่งอิเล็กตรอน สำหรับโทแพซ (topaz) อย่างเดียว |
| |
|
|
|
รูปที่ 7. swiss blue topaz
|
|
| การเพิ่มคุณค่าโดยวิธีดั้งเดิม |
- การเผา ทำให้สีของอัญมณีเปลี่ยนหรือมีความเข้มเพิ่มขึ้น
- การเผาภายใต้ความดันสูง เหมาะสมกับทับทิม และแซปไฟร์
|
| ตัวอย่าง
เมื่อเพิ่มคุณค่าโดยการใช้รังสีแกมมาจาก Co-60 หรือ Cs-137 ให้ผลดีสำหรับ
เบริล (beryl) เปลี่ยนสีจากสีใสเป็น bright yellow
ทัวร์มาลีนเปลี่ยนเป็นสี deep red ควอตซ์เปลี่ยนเป็นสี brown
ที่รู้จักในชื่อ smoked topaz
สำหรับเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนแบบเชิงเส้นให้ผลที่คล้ายคลึงกัน
ความแตกต่างของการฉายรังสีจากไอโซโทปรังสีและเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนแบบเชิงเส้น
คือไอโซโทปรังสีให้แกมมาพลังงานเดี่ยว
ส่วนเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนเชิงเส้นจะให้สเปกตรัมเบรมส์ชตราลุงแบบต่อเนื่อง |
| การเพิ่มคุณค่าของโทแพซ |
|
ขั้นตอนการเตรียมการสำหรับทำ london blue
ในแกนเครื่องปฏิกรณ์ (incore):
london blue :
ฉายรังสีในแกนเครื่องปฏิกรณ์ขนาด 2-15 MW
(แบบเปียกในบ่อเครื่องปฏิกรณ์ใช้เวลา 8-30 ชม)
นิวตรอนพลังงานต่ำหรือเทอร์มัลนิวตรอน
หลังการฉายรังสีต้องทิ้งอัญมณีไว้ให้กัมมันตภาพรังสีสลาย อย่างน้อย 3 ปี
|
|
|
|
|
รูปที่ 8. london blue topaz
|
|
|
นอกแกนเครื่องปฏิกรณ์ (offcore):
swiss blue และ sky blue: ภาชนะ
(ใช้โบรอนคัดกรองนิวตรอนพลังงานต่ำ)
บรรจุโทแพซในภาชนะภายใต้ความกดอากาศที่ความดัน 2 บาร์ ใช้เวลาในการฉาย 11
วัน สีเปลี่ยนจาก faint yellow เป็น light green หลังการฉายรังสี
มีกัมมันตภาพรังสีต่ำและพบไอโซโทปที่มีครึ่งชีวิตยาวน้อยมาก
สีจะเสถียรที่อุณภูมิสูงไม่เกิน 200 องศาเซลเซียส
ระหว่างการฉายรังสีจะเกิดความร้อนจำเป็นต้องหล่อเย็นตลอดเวลาในการฉาย
ใช้เวลาในการสลายของรังสีประมาณ 2-3 เดือนหลังจากการฉายรังสีแล้ว
หลังจากนั้นฉายด้วยเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนเชิงเส้น ที่พลังงาน 20 MeV
ปริมาณรังสี (doses) ประมาณ 30 kGy (3 gigarad)
swiss blue:
ใช้สองวิธีร่วมกัน ฉายรังสีด้วยเครื่องปฏิกรณ์นอกแกน
บวกด้วยการฉายรังสีด้วยเครื่องเร่งลำอิเล็กตรอน ขนาด 20 MeV
ยิงเข้าที่อัญมณีที่ถูกห่อหุ้มด้วยกล่องอะลูมิเนียม ความหนา 0.5-1
มิลลิเมตร ปริมาณรังสีที่ใช้ในการฉายอยู่ในช่วง 10 gigarad
รูปทรงของภาชนะบรรจุใช้กล่องแบนความหนา 30 มิลลิเมตร ฉายบีมแบบกวาดที่ 1Gy
เป็นเวลา 1 ชั่วโมง น้ำหนักโทแพซ 1 กิโลกรัม ใช้กำลัง 28 kW
สำหรับเครื่องเร่งลำอีเล็กตรอน 20 MeV ใช้กระแสไฟฟ้า 1.5 mA หลังการฉายรังสีจะมีกัมมันตภาพรังสีต่ำประเภทค่าครึ่งชีวิตสั้น
|
| |
|
| |
รูปที่ 9. swiss blue topaz
|
|
| sky blue : ใช้เครื่องเร่งขนาด 10-20 MeV อย่างเดียว |
| |
|
| |
รูปที่ 10. sky blue topaz
|
|
|
ก่อนการเพิ่มคุณค่าด้วยการฉายรังสี
อัญมณีที่จะนำมาฉายรังสีจะต้องล้างทำความสะอาดสิ่งเจือปนออกให้หมด
ด้วยการต้มในกรดเกลือ ตัวอย่างของไอโซโทป Co-60 ที่พบหลังการฉายรังสีแล้ว
เกิดจากอันตรกิริยาการจับยึดนิวตรอน (neutron capture) ของธาตุนิกเกิล
(nickel) พบว่าเกิดจากการเปรอะเปื้อนของอัญมณีกับภาชนะที่ใส่
|
| |
