ห้องปฏิบัติการวิเคราะห์ด้านโบราณคดีด้วยเทคนิคการเรืองรังสีเอกซ์
จากการค้นพบรังสีเอกซ์โดย Wilhelm Conrad Röentgen ในปี 1895 ได้มีการนำรังสีเอกซ์มาใช้ประโยชน์ในหลากหลายสาขา และใช้กันมาอย่างต่อเนื่อง โดยรังสีเอกซ์และกระบวนการ fluorescence ได้ปรากฎครั้งแรกในช่วงปี 1920 จนได้พัฒนาสู่เชิงพาณิชย์ในอีกกว่า 30 ปีต่อมา เครื่อง XRF รุ่นแรก ๆ จะมีขนาดใหญ่ ไม่สามารถเคลื่อนย้ายไปวิเคราะห์นอกห้องปฏิบัติการได้ จนกระทั่งมีการพัฒนาระบบวัดรังสีให้มีขนาดเล็กลง ในปี 1982 จึงมีเครื่อง XRF แบบเคลื่อนย้ายได้เครื่องแรก ที่มีน้ำหนักถึง 31 กิโลกรัม ต่อมาเมื่อมีการพัฒนาของหัววัดรังสีในรูปแบบของ Si drift ทำให้ในปี 1994 เครื่อง XRF ได้มีน้ำหนักลดลงเหลือเพียง 7 กิโลกรัม และ เทคโนโลยี SiPin ทำให้มีเครื่อง XRF แบบพกพา ที่มีน้ำหนักเพียง 2 กิโลกรัม ตั้งแต่ปี 2008 เป็นต้นมา ด้วยความสะดวก รวดเร็วในการใช้งาน จึงทำให้ในช่วง 2 ทศวรรษที่ผ่านมา มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในหลายด้าน เช่น
- ธรณีวิทยา ใช้ในการสำรวจแหล่งแร่ วิเคราะห์องค์ประกอบหิน ดิน แร่, การปนเปื้อนมลพิษหรือโลหะหนักในสิ่งแวดล้อม
- โบราณคดี เป็นที่นิยมในการระบุอัตลักษณ์ ตรวจพิสูจน์ และอนุรักษ์โบราณวัตถุ
- นิติวิทยาศาสตร์
- อุตสาหกรรมโลหะ, พลาสติก, สี และน้ำมัน
- อุตสาหกรรม recycle
- อุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม
การวิเคราะห์ธาตุด้วยวิธี XRF ทำโดยการให้พลังงานไปกระตุ้นอิเล็กตรอนวงโคจรชั้นในของอะตอมของธาตุในตัวอย่างหลุดออกไปจากวงโคจร เกิดการเข้าแทนที่ของอิเล็กตรอนในวงโคจรที่มีพลังงานสูงกว่า ทำให้เกิดการปล่อยรังสีเอกซ์เฉพาะตัวของธาตุในตัวอย่างออกมา การที่จะกระตุ้นให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาจากวงโคจรได้นั้น ต้นกำเนิดรังสีที่ใช้กระตุ้นจะต้องมีพลังงานมากกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียส และจะเกิดรังสีเอกซ์เฉพาะตัวได้ดีเมื่อพลังงานที่ใช้กระตุ้นมีค่าใกล้เคียงกับค่าแอบซอร์พชันเอดจ์ (absorption edges) ซึ่งค่าแอบซอร์พชันเอดจ์ คือค่าความสามารถในการดูดกลืนโฟตอนของอิเล็กตรอนในแต่ละวงโคจรของธาตุ มีค่าใกล้เคียงกับพลังงานยึดเหนี่ยวอิเล็กตรอนในอะตอม แต่ละธาตุจะมีได้หลายแอบซอร์พชันเอดจ์ตามลักษณะชั้นพลังงานของอิเล็กตรอนซึ่งขึ้นอยู่กับ จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมของธาตุนั้น ๆ ชั้นเค (K-shell) มีหนึ่งแอบซอร์พชันเอดจ์ (Kab) และชั้นแอล (L-shell) มี 3 แอบซอร์พชันเอดจ์ (LIab,LIIab และ LIIIab) เป็นต้น
ในกรณีรังสีเอกซ์เฉพาะตัว ที่เกิดจากอิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรที่สูงกว่า ลงไปแทนที่ว่างในชั้น K เราเรียกว่า K radiation หรือ K X-ray และเรียกว่า L radiation หรือ L X-ray ถ้าเป็นรังสีเอกซ์ที่เกิดจากอิเล็กตรอน ลงไปแทนที่ว่างในชั้น L รังสีเอกซ์เฉพาะตัวที่เกิดจากการแทนที่ของอิเล็กตรอนในชั้นที่สูงกว่าหนึ่งระดับจะกำกับด้วยเครื่องหมาย α เช่น อิเล็กตรอนจากชั้น L ไปชั้น K เรียกว่า Kα หรือ อิเล็กตรอนจากชั้น M ไป L เรียกว่า Lα ในขณะที่ชั้นที่ห่างไกลออกไป จะกำหนดสัญลักษณ์เป็น ß
ในการวิเคราะห์ธาตุด้วย XRF นั้น สามารถวิเคราะห์ธาตุได้ตั้งแต่แมกนีเซียมถึงยูเรเนียม โดยค่าพลังงานของรังสีเอกซ์เฉพาะตัวจะใช้เป็นเกณฑ์ในการระบุชนิดของธาตุ ในขณะที่ความเข้มของรังสีเอกซ์เฉพาะตัว ซึ่งควรแปรผันตรงตามปริมาณธาตุ แต่ตามความเป็นจริงเนื่องจากรังสีเอกซ์เฉพาะตัวของธาตุมีพลังงานต่ำ (1-130 keV) จึงถูกดูดกลืนโดยธาตุต่าง ๆ ที่ประกอบอยู่ในตัวอย่าง (matrix effect) เป็นผลให้การวิเคราะห์ปริมาณต้องคำนึงถึงปัจจัยหลายอย่าง เช่น ความเข้มข้นและชนิดของธาตุองค์ประกอบ ความเข้มของโฟตอนที่ตกกระทบ ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนรังสี ขนาดและรูปร่างของตัวอย่าง และประสิทธิ์ภาพของหัววัด เป็นต้น ในปัจจุบันการวิเคราะห์เชิงปริมาณโดย XRF มีหลายเทคนิค ซึ่งมีความเหมาะสมกับระบบวิเคราะห์และตัวอย่างต่างกัน
เครื่อง Portable XRF (PXRF) ที่ฝ่ายเทคโนโลยีสิ่งแวดล้อม สทน.ใช้เป็นของ Thermo Scientific รุ่น Niton XL3t GOLDD+ ประกอบด้วยหลอดรังสีเอกซ์ หัววัดรังสี Silicon drifted, Preamplifier, Amplifier, High voltage power supply, Multichannel analyzer (MCA) และโปรแกรมประมวลผลสเปกตรัม อยู่ภายในตัวเครื่องซึ่งสามารถซึ่งมีน้ำหนัก 1.3 กิโลกรัม จึงสามารถเคลื่อนย้ายไปปฏิบัติงานตามสถานที่ต่าง ๆ ได้
เป็นที่ยอมรับกันว่านักโบราณคดีเป็นหนึ่งในกลุ่มที่มีการใช้เครื่องมือและเทคโนโลยีในหลากหลายสาขาเพื่อตอบโจทย์เกี่ยวกับเรื่องราวประวัติศาสตร์ กิจกรรมและพฤติกรรมของมนุษย์ในอดีต แน่นอนว่า PXRF เป็นหนึ่งในหลาย ๆ เครื่องมือที่ได้รับการยอมรับ เนื่องจาก เป็นการวิเคราะห์แบบไม่ทำลายตัวอย่าง มีการใช้งานไม่ซับซ้อน และได้ผลที่รวดเร็ว แต่มักจะมีคำถามต่าง ๆ ตามมาเสมอ เช่น ความน่าเชื่อถือในความถูกต้องของผลวิเคราะห์ ซึ่งถ้ามองในแง่ของวิทยาศาสตร์แล้ว ความถูกต้องของผลวิเคราะห์นั้นขึ้นกับเงื่อนไขหลายประการเช่น ชนิดของตัวอย่าง รูปแบบลักษณะ ความเรียบ ความขุรขระ ความไม่สม่ำเสมอ และความสะอาดของพื้นผิวที่ทำการวิเคราะห์ ปริมาณของตัวอย่างซึ่งโดยมากจะต้องมีขนาดความกว้างของเส้นผ่านศูนย์กลางไม่น้อยกว่า 1 เซนติเมตรและจะต้องมีความหนามากกว่า 2 มิลลิเมตรนอกจากนั้นแล้วไม่ใช่ว่าเครื่อง PXRF จะสามารถวิเคราะห์ธาตุได้ทุกธาตุบนโลกโดยปกติมาตรฐานของเครื่องจะวิเคราะห์ธาตุได้ตั้งแต่แมกนีเซียมถึงยูเรเนียม โดยความไวในการวิเคราะห์ธาตุแต่ละชนิดก็มีความแตกต่างกันขึ้นนอกจากจะขึ้นอยู่กับปริมาณมากน้อยของธาตุในตัวอย่างแล้วยังอยู่กับพลังงานของรังสีเอกซ์ที่กระตุ้นและโปรแกรมในการคำนวณแก้ค่า การดูดกลืน (absorption) หรือการเพิ่มขึ้นของสัญณาณจากกระบวนการ enhancement หรือที่เรียกรวมว่า matrix effect ดังนั้น ผลวิเคราะห์ที่ได้จากเครื่อง PXRF อาจจะดีหรือแย่ มีประโยชน์หรือไม่นั้น ไม่ได้ขึ้นอยู่กับข้อจำกัดของตัวเครื่องแต่ขึ้นกับการเริ่มต้นการวิเคราะห์ที่ถูกต้องและโจทย์ของงานวิจัยที่เหมาะสมด้วย
อ้างอิง
- Shackley, M.S. “Portable X-ray Fluorescence Spectrometry (pXRF): The Good, the Bad, and the Ugly”. Archaeol. Southwest Mag. 2012. 26(2): 1–8.
- XL3 Analyzer Guide (Abridged) Revision A, November 2011
- https://www.portaspecs.com/the-evolution-of-portable-xrf-instruments/
สถานที่: สทน. จตุจักร กรุงเทพฯ
ชื่อผู้ติดต่อ: ดร.ศศิพันธุ์ คะวีรัตน์
By Sasiphan Khaweerat
Updated: July 2022