Prompt Gamma Neutron Activation Analysis) PGNAA 01

การวิเคราะห์ด้วยเทคนิคการวัดรังสีแกมมาพรอมต์จากการอาบนิวตรอน (Prompt Gamma Neutron Activation Analysis, PGNAA)

การวิเคราะห์โดยการอาบนิวตรอน (Neutron Activation Analysis) เป็นการทำให้เกิดปฏิกิริยาระหว่างนิวตรอนกับนิวเคลียสของธาตุ ซึ่งสามารถเกิดปฏิกิริยาได้หลายแบบขึ้นพลังงานของนิวตรอนและชนิดของธาตุ

ในกรณีที่เป็นนิวตรอนพลังงานต่ำหรือเทอร์มัลนิวตรอน ส่วนใหญ่จะเกิดปฏิกิริยาจับนิวตรอน (Neurton capture) โดยนิวตรอนจะรวมกับนิวเคลียสของธาตุกลายเป็นนิวเคลียสประกอบ (Compound nucleus) ที่มีระดับพลังงานสูงในช่วงเวลาสั้นๆ และจะปลดปล่อยพลังงานออกมาเกือบจะในทันทีในรูปของรังสีแกมมา เรียกว่า รังสีแกมมาพรอมต์ (Prompt gamma ray) และนิวเคลียสนั้นจะกลายเป็นนิวเคลียสกัมมันตรังสี (Radioactive nucleus) ที่มีการสลายตัวลดระดับพลังงานลงไปเป็นนิวเคลียสเสถียร โดยปลดปล่อยรังสีแกมมาดีเลย์ (Delayed gamma ray) ที่มีพลังงานจำเพาะและมีครึ่งชีวิตที่มีค่าจำเพาะ นิวเคลียสกัมมันตรังสีเหล่านี้เป็นไอโซโทปของธาตุที่มีกัมมันตรังสี จึงเรียกว่าไอโซโทปรังสี

ปฏิกิริยาจับนิวตรอน (Neutron capture reaction)

ตัวอย่างเช่น โซเดียม (ไอโซโทป Na-23) จับนิวตรอน ทำให้กลายเป็นนิวเคลียสประกอบ Na-24* ที่ให้รังสีแกมมาพรอมต์พลังงาน 472 keV และกลายเป็นไอโซโทปรังสี Na-24 ที่มีครึ่งชัีวิต 14.96 ชั่วโมง โดยสลายตัวให้รังสีแกมมาพลังงาน 1368 กับ 2754 keV และรังสีบีต้าพลังงาน 1392 keV กลายเป็นไอโซโทปเสถียร Mg-24

รังสีแกมมาที่ปลดปล่อยออกมาทั้งรังสีแกมมาพรอมต์และรังสีแกมมาดีเลย์ มีค่าพลังงานของรังสีที่จำเพาะสำหรับแต่ละธาตุและแต่ละไอโซโทป จึงสามารถใช้ในการจำแนกชนิดของธาตุได้จากพลังงานของรังสี และวิเคราะห์ปริมาณธาตุได้จากความเข้มของรังสี

การถ่ายภาพด้วยกล้องถ่ายนิวตรอน

การถ่ายภาพด้วยกล้องถ่ายนิวตรอน (Neutron Camera)

การถ่ายภาพชิ้นงานด้วยรังสีนิวตรอน ทำให้ได้ภาพถ่ายที่แสดงโครงสร้างภายในแบบ 2 มิติ เมื่อนำชุดของภาพถ่ายแบบ 2 มิติ หลายๆ มุมมาประกอบกันจะได้ภาพแบบ 3 มิติ  ซึ่งมีเครื่องมือที่จำเป็นต้องใช้ 3 ส่วน หลักๆ ได้แก่

1. กล้องถ่ายนิวตรอน สำหรับเก็บภาพถ่ายแบบ 2 มิติในแต่ละมุม
2. แท่นหมุนชิ้นงาน 360 องศา
3. โปรแกรมสำหรับประมวลผลภาพถ่ายแบบ 2 มิติ ให้เป็นภาพ 3 มิติ

ในการถ่ายภาพด้วยนิวตรอน ใช้ลำนิวตรอนจากเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย ปปว-1/1 สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ เดินเครื่องด้วยกำลัง 1200 กิโลวัตต์ มีฟลักซ์ของนิวตรอนที่ตำแหน่งถ่ายภาพประมาณ 10E6  นิวตรอนต่อตารางเซนติเมตรต่อวินาที

เมื่อติดตั้งชิ้นงานบนแท่นหมุนตัวอย่าง ติดตั้งกล้องถ่ายนิวตรอนแล้ว ดำเนินการตามขั้นตอน ดังนี้

การใช้งานกล้องถ่ายนิวตรอน

• เปิดใช้งานโปรแกรมควบคุมกล้องถ่ายนิวตรอน Artemis Capture ซึ่งประกอบด้วย 4 หน้าต่าง ได้แก่ หน้าต่างหลัก และหน้าต่าง Exposure, Display, Cooler  

  

  

Icon ของโปรแกรม Artemis Capture

    

เมื่อเปิดหน้าต่างของโปรแกรม ทางด้านขวาเป็นหน้าต่างย่อย Exposure, Display, Cooler

• ลดอุณหภูมิกล้องถ่ายนิวตรอน โดยไปที่หน้าต่าง Cooler คลิกที่แถบ Cool down แถบ Status Cooling จะแสดงอุณหภูมิที่ค่อยๆ ลดลง รอจนกระทั่งอุณหภูมิลดลงคงที่ ประมาณ -4 องศา จึงเริ่มใช้งานกล้อง 

คลิกที่แถบ Cooler on ของหน้าต่าง Cooler 

 รอให้อุณหภูมิลดลงถึง -4 องศา 

• กำหนดค่าที่ใช้ในการถ่ายภาพที่หน้าต่าง Exposure โดยใส่ตัวเลขเวลาที่ใช้ในการถ่ายภาพ  ที่ช่อง Exp.(s) (ค่าที่แนะนำ 30-90 วินาที) ถ้าต้องการถ่ายแบบ manual ตั้ง Dly.(s) ที่ 0

• การถ่ายภาพแบบไม่ต่อเนื่อง เริ่มถ่ายภาพโดยคลิกที่ Snapshot กล้องจะบันทึกภาพโดยเปิดรูหน้ากล้องตามค่า Exposure ที่ตั้งไว้ โดยแสดงเวลานับถอยหลังแสดงที่แถบด้านล่างทางขวาของหน้าต่างหลัก เมื่อครบเวลาแถบสถานะจะแสดงคำว่า Waiting และ Downloading รอจนสถานะเปลี่ยนเป็น Idle จึงบันทึกไฟล์ภาพถ่ายที่แถบเมนู File > Save Image As ซึ่งสามารถตั้งชื่อไฟล์ได้ 2 รูปแบบ ได้แก่ Fit และ Tif  จากนั้นจึงถ่ายภาพต่อไป

คลิกที่ Snapshot เพื่อเริ่มการถ่ายภาพด้วยกล้องนิวตรอน

ค่า Exposure แสดงเวลาที่เหลือในการถ่ายภาพ

เมื่อถ่ายภาพเสร็จโปรแกรมจะ Download ข้อมูลลงเก็บ

• การถ่ายภาพแบบต่อเนื่อง โปรแกรมจะบันทึกชื่อไฟล์ให้ตามลำดับ โดยคลิกที่ช่อง Autosave Images เพื่อให้โปรแกรมบันทึกภาพถ่ายโดยอัตโนมัติ เลือกตำแหน่งที่ต้องเก็บไฟล์ภาพถ่าย 

- เลือกการลำดับชื่อไฟล์ที่บันทึกในช่อง Seq.fmt
- เลือกลำดับแรกของชื่อไฟล์ที่ช่อง Seq no. (ใช้เลข 1 ถ้าไม่มีเงื่อนไขจำเพาะ) โปรแกรมจะเพิ่มตัวเลขของไฟล์ที่บันทึกตามลำดับให้เองโดยอัตโนมัติ

• ทดสอบการถ่ายภาพโดยคลิกปุ่ม Snapshot ที่หน้าต่างหลัก กล้องจะเริ่มถ่ายภาพตามเวลาที่ตั้งไว้ โดยแสดงเวลานับถอยหลัง ที่แถบ Exp. ตรงขอบด้านล่างทางขวาของหน้าต่างหลัก
• เมื่อครบเวลาถ่ายภาพที่ตั้งไว้ โปรแกรมจะแสดงสถานะให้รอการเก็บบันทึกไฟล์ภาพถ่าย โดยขึ้นข้อความ Waiting และ Downloading ที่แถบด้านล่างทางขวาของหน้าต่างหลัก รอจนกระทั่งแถบดังมีข้อความ Idle  กล้องจึงจะพร้อมสำหรับการถ่ายครั้งต่อไป
• ถ้าใช้งานร่วมกับแท่นหมุนชิ้นงาน สามารถคลิกที่ Snapshot เพื่อถ่ายครั้งต่อไปเมื่อทำการหมุนชิ้นงานแล้ว

การใช้งานแท่นหมุนชิ้นงาน

การถ่ายภาพด้วยกล้องนิวตรอนแบบต่อเนื่อง โดยกล้องจะถ่ายภาพขณะที่แท่นหยุดนิ่ง สลับกับการหมุนของแท่นหมุนชิ้นงาน
การควบคุมแท่นหมุนชิ้นงานโดยใช้ Step Control

• เปิดโปรแกรม Step Control 

ที่หน้าต่างหลักของโปรแกรม กำหนดมุมในการหมุนแต่ละครั้งที่ Increment step ซึ่งมีค่าอยู่ระหว่าง 0.9-28.8 องศา

• เลือกทิศทางการหมุนแบบ Forward หรือ Backward 
• กำหนด Step to run เป็น 1
• คลิกที่ Counter reset เพื่อเริ่มนับจำนวนครั้งของการหมุน ทำให้ Current step เริ่มที่ 1 Current motor angle เป็น 0
• คลิกที่ RUN ไฟสถานะของมอเตอร์จะติดโดย pulse 1 แสดงการหมุน pulse 2

มอเตอร์ของแท่นหมุนจะหมุนด้วยมุมตามที่ตั้งไว้ที่ Increment step ซึ่งจะใช้เวลา 1-14 วินาที ตามขนาดของมุม โดยไฟกระพริบแสดงสถานะ pulse 1 แสดงว่ามอเตอร์ยังไม่หยุดหมุน เมื่อไฟกระพริบของ pulse 1 ดับลงจึงทำการถ่ายภาพ

ขั้นตอนการถ่ายภาพด้วยกล้องนิวตรอนแบบต่อเนื่อง

1. เปิดโปรแกรม Artemis Capture  เปิดแผ่นทำความเย็นของกล้องโดยคลิกที่ Cool down รอจนอุณหภูมิประมาณ -4 องศา
2. ตั้งเวลาถ่ายภาพที่ Exp.(s) 
3. เลือกการถ่ายภาพต่อเนื่องโดยคลิกที่ Autosave Image กำหนด Folder ชื่อไฟล์ และลำดับของชื่อไฟล์
4. คลิกที่ Snapshot แถบที่มุมล่างด้านขวาของหน้าต่างจะแสดง Exposure time ที่ลดลงจนหมดเวลา และเปลี่ยนเป็น Waiting, Downloading, Idle
5. หมุนชิ้นงานโดยไปที่โปรแกรม Step control คลิกที่ RUN รอจนแท่นหมุนหยุดเคลื่อนที่ โดยไฟกระพริบของ pulse1 ดับ จึงคลิกที่ Snapshot ของโปรแกรม Artemis เพื่อถ่ายภาพด้วยกล้องครั้งต่อไป