การพัฒนาวัสดุธรรมชาติเป็นอุปกรณ์วัดปริมาณรังสีด้วยเทคนิค ESR
วัสดุธรรมชาติบางชนิดสามารถนำมาศึกษาเพื่อพัฒนาเป็น อุปกรณ์วัดปริมาณรังสี (Dosimeter) ได้ โดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงระดับจุลภาคที่เกิดขึ้นหลังได้รับรังสี ตัวอย่างเช่น เปลือกไข่ซึ่งมีแคลเซียมคาร์บอเนตเป็นองค์ประกอบหลัก สามารถเกิดศูนย์พาราแมกเนติกที่เหนี่ยวนำด้วยรังสี และตรวจวัดได้ด้วยเทคนิค Electron Spin Resonance (ESR) หรือ Electron Paramagnetic Resonance (EPR) ความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณที่ตรวจวัดกับปริมาณรังสีจึงเป็นพื้นฐานของการพัฒนาระบบวัดปริมาณรังสีชนิดนี้ อย่างไรก็ตาม ความเหมาะสมต้องพิจารณาจากคุณสมบัติของวัสดุและเงื่อนไขการใช้งานที่ผ่านการทดสอบ. (Engin & Demirtaş, 2004)
เมื่อรังสีก่อไอออนถ่ายโอนพลังงานให้วัสดุ อาจทำให้เกิดการแยกประจุเป็นอิเล็กตรอนและโฮล ประจุบางส่วนสามารถถูกกักจับหรือเกิดการเปลี่ยนแปลงเฉพาะตำแหน่งในโครงผลึก จนเกิด ศูนย์พาราแมกเนติก (Paramagnetic centers) ที่มีอิเล็กตรอนไม่จับคู่ หากศูนย์ดังกล่าวคงตัวได้นานเพียงพอ ก็สามารถใช้เป็นร่องรอยสำหรับประเมินปริมาณรังสีที่วัสดุได้รับ ตัวอย่างในวัสดุคาร์บอเนตมีรายงานการเกิดศูนย์อิเล็กตรอน ศูนย์โฮล และอนุมูลที่เกี่ยวข้องกับคาร์บอเนต ทั้งนี้ ภาพการกักจับประจุเป็นคำอธิบายเชิงแนวคิด ส่วนกลไกและชนิดของศูนย์ที่เกิดขึ้นจริงขึ้นอยู่กับองค์ประกอบและโครงสร้างของวัสดุ. (Da Costa et al., 2007)
การศึกษาสมบัติด้านการวัดปริมาณรังสีเริ่มจากการเตรียมตัวอย่างให้มีเงื่อนไขที่เปรียบเทียบกันได้ เช่น ชนิดวัสดุ ขนาดเม็ด มวล และวิธีบรรจุ พร้อมจัดเตรียมตัวอย่างที่ไม่ฉายรังสีสำหรับประเมินสัญญาณพื้นฐาน จากนั้นนำตัวอย่างแต่ละชุดไปฉายรังสีที่ทราบปริมาณ โดยควบคุมเรขาคณิตการฉายและระยะเวลาก่อนอ่านสัญญาณ งานวิจัยเกี่ยวกับเปลือกไข่ได้ใช้การฉายรังสีแกมมาจากโคบอลต์-60 เพื่อศึกษาการตอบสนองของสัญญาณ ESR ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด. (Da Costa et al., 2007)
เครื่อง ESR ตรวจวัดการดูดกลืนพลังงานไมโครเวฟของอิเล็กตรอนไม่จับคู่ในสนามแม่เหล็ก โดยสนามแม่เหล็กทำให้ระดับพลังงานของสปินแยกออกจากกัน เมื่อพลังงานไมโครเวฟตรงกับผลต่างของระดับพลังงาน จะเกิดภาวะเรโซแนนซ์ ในการวัดแบบคลื่นต่อเนื่อง (Continuous-wave ESR) โดยทั่วไปจะคงความถี่ไมโครเวฟและกวาดสนามแม่เหล็กผ่านเงื่อนไขเรโซแนนซ์. (Bruker, n.d.)
ในสมการนี้ คือค่าคงตัวของพลังค์
คือความถี่ไมโครเวฟ
คือปัจจัยสเปกโทรสโกปี
คือโบร์แมกนีตอน และ
คือความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กที่ภาวะเรโซแนนซ์. (IAEA, 2002)
สเปกตรัมจากเครื่อง ESR ที่ใช้การมอดูเลตสนามแม่เหล็กและการตรวจจับแบบไวต่อเฟสมักอยู่ในรูป อนุพันธ์อันดับหนึ่งของสัญญาณการดูดกลืน การวิเคราะห์จึงต้องแยกองค์ประกอบสัญญาณจากรังสีออกจากสัญญาณพื้นฐานและสัญญาณซ้อนทับก่อน แล้วจึงอ่านความสูงพีกถึงพีก (Peak-to-peak amplitude) ขององค์ประกอบที่เลือก. (IAEA, 2002)
โดย และ
เป็นค่าสูงสุดและต่ำสุดขององค์ประกอบสัญญาณสุทธิหลังปรับเส้นฐาน การเปรียบเทียบด้วยความสูงพีกควรใช้พีกเดียวกัน ภายใต้เงื่อนไขการวัดและรูปสเปกตรัมที่สอดคล้องกัน
การปรับแก้สัญญาณตามมวล (Mass normalization) ใช้เพื่อเปรียบเทียบตัวอย่างที่มีมวลแตกต่างกัน โดยชั่งมวลสุทธิของวัสดุที่ใช้วัด ซึ่งไม่รวมมวลภาชนะ แล้วคำนวณสัญญาณต่อหน่วยมวลเป็น
เมื่อ Si มีหน่วยมิลลิกรัม และความสูงสัญญาณมีหน่วยสมมติ (Arbitrary units; a.u.) ค่า mi จะมีหน่วย a.u./mg การหารด้วยมวลใช้ได้เฉพาะช่วงที่ตรวจสอบแล้วว่าสัญญาณแปรผันตรงกับมวล เพราะปริมาณและตำแหน่งของตัวอย่างอาจเปลี่ยนการตอบสนองของโพรงเรโซแนนซ์ หากอยู่นอกช่วงดังกล่าว ต้องใช้ความสัมพันธ์แก้ไขมวลที่ได้จากการทดลองสำหรับระบบนั้น. (IAEA, 2002, Section 4.4)
การสร้าง กราฟสอบเทียบ (Calibration graph) ทำโดยจับคู่ปริมาณรังสีที่ทราบค่า Di กับค่าเฉลี่ยสัญญาณสุทธิต่อมวล Si แล้วพล็อตปริมาณรังสีบนแกน X และสัญญาณบนแกน Y หากข้อมูลในช่วงที่ตรวจสอบรองรับความสัมพันธ์เชิงเส้น สามารถเขียนสมการและคำนวณปริมาณรังสีของตัวอย่างไม่ทราบค่าได้เป็น
โดย a คือความชัน b คือจุดตัดแกนสัญญาณ และ Sx คือสัญญาณของตัวอย่างไม่ทราบค่าที่ผ่านกระบวนการวิเคราะห์เดียวกัน ต้องใช้สมการภายในช่วงสอบเทียบที่เหมาะสมและรายงานความไม่แน่นอนร่วมด้วย. (IAEA, 2002)
การพัฒนาไปสู่อุปกรณ์ที่ใช้งานได้จึงต้องประเมินทั้งความไว ช่วงตอบสนอง ความทำซ้ำ การจางหายของสัญญาณ (Fading) ตลอดจนผลของแสง อุณหภูมิ และพลังงานรังสี งานวิจัยเปลือกไข่แสดงให้เห็นศักยภาพของวัสดุธรรมชาติ แต่คุณสมบัติที่รายงานเป็นผลภายใต้เงื่อนไขการศึกษาของแต่ละงาน การนำไปใช้กับวัสดุต่างชนิดหรือต่างแหล่งจึงต้องมีการทดสอบและสอบเทียบเพิ่มเติม. (Engin & Demirtaş, 2004)
ก่อนนำวัสดุธรรมชาติมาพัฒนาเป็น อุปกรณ์วัดปริมาณรังสี (dosimeter) สำหรับใช้งานจริง จำเป็นต้องประเมินสมบัติทางการวัดปริมาณรังสี (dosimetric properties) และตรวจสอบความใช้ได้ของวิธีวัด (method validation) ให้ครอบคลุมตั้งแต่การเตรียมวัสดุ การฉายรังสี การอ่านสัญญาณ ESR จนถึงการคำนวณปริมาณรังสี โดยกำหนดวัตถุประสงค์การใช้งาน ช่วงปริมาณรังสี และความไม่แน่นอนที่ยอมรับได้ไว้ล่วงหน้า ตามหลักความเหมาะสมกับวัตถุประสงค์การใช้งาน (fitness for purpose). Eurachem, 2025
สำหรับวัสดุธรรมชาติที่อ่านสัญญาณด้วย ESR เสนอให้ประเมินประเด็นต่อไปนี้
| สมบัติที่ต้องประเมิน | แนวทางการทดสอบและผลที่ควรรายงาน |
| 1. ความไวต่อปริมาณรังสี (Dose sensitivity) | ฉายรังสีหลายระดับแล้วประเมินการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณต่อหน่วยปริมาณรังสี หากความสัมพันธ์เป็นเป็น |
| 2. ขีดจำกัดการตรวจพบและการวัดเชิงปริมาณ (LOD และ LOQ) | ใช้ตัวอย่างควบคุมที่ไม่ได้รับการฉายรังสีเพิ่มเติมและตัวอย่างที่ได้รับรังสีระดับต่ำหลายตัวอย่าง เพื่อประเมินระดับที่แยกสัญญาณจากพื้นหลังได้ตามเกณฑ์ทางสถิติ และระดับที่รายงานปริมาณรังสีได้ด้วยความเที่ยงและความไม่แน่นอนตามเป้าหมาย ทั้งสองระดับต้องรายงานแยกกัน. Eurachem, 2025 |
| 3. ช่วงการวัดและรูปแบบการตอบสนอง (Working range and dose response) | ทดสอบตั้งแต่ช่วงต่ำถึงช่วงสูงที่ต้องการใช้งาน ตรวจสอบความเป็นเชิงเส้น การตอบสนองแบบไม่เป็นเชิงเส้น และการอิ่มตัว เลือกสมการสอบเทียบจากความเหมาะสมของแบบจำลองและความคลาดเคลื่อนในการทำนายปริมาณรังสี |
| 4. เสถียรภาพของสัญญาณและการจางหาย (Signal stability and fading) | ติดตามสัญญาณหลังฉายรังสีตามช่วงเวลาที่กำหนด ภายใต้สภาวะเก็บรักษาต่าง ๆ เพื่อระบุช่วงเวลาที่เหมาะสมในการอ่านค่า รวมถึงผลของแสงและอุณหภูมิ ประเด็นเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาสมบัติทางการวัดรังสีของเปลือกไข่ด้วย ESR. Engin & Demirtaş, 2004 |
| 5. ความสามารถในการวัดซ้ำภายใต้เงื่อนไขเดิม (Repeatability) | ประเมินทั้งการอ่านตัวอย่างเดิมซ้ำ รวมการนำออกและใส่กลับในเครื่อง และการวัดตัวอย่างที่เตรียมและฉายรังสีอย่างอิสระภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน รายงานส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานหรือสัมประสิทธิ์การแปรผัน พร้อมจำนวนครั้งและเงื่อนไขการทดสอบ. JCGM, 2012 |
| 6. ความเที่ยงเมื่อเงื่อนไขเปลี่ยนแปลง | ทดสอบต่างวันหรือต่างผู้ปฏิบัติงานภายในห้องปฏิบัติการ เพื่อประเมินความเที่ยงระหว่างกลาง (intermediate precision) หากต้องการถ่ายทอดวิธีวัด ควรประเมินความสามารถในการให้ผลสอดคล้องกันระหว่างห้องปฏิบัติการ (reproducibility) เพิ่มเติม. JCGM, 2012 |
| 7. ความสม่ำเสมอของวัสดุและสัญญาณพื้นหลัง | เปรียบเทียบวัสดุจากหลายชิ้น หลายแหล่ง และหลายรุ่นการเตรียม ตรวจสอบองค์ประกอบ สิ่งเจือปน ขนาดอนุภาค ความชื้น และสัญญาณ ESR เดิม เพื่อประเมินว่าต้องสอบเทียบแยกตามรุ่นวัสดุหรือไม่ |
| 8. ผลของมวลและรูปแบบการบรรจุ | ตรวจสอบความสัมพันธ์ระหว่างมวลกับสัญญาณ โดยควบคุมหลอดบรรจุ ความสูงของตัวอย่าง และตำแหน่งในโพรงเรโซแนนซ์ การใช้ |
| 9. การขึ้นกับพลังงาน ชนิด และอัตราปริมาณรังสี | เปรียบเทียบการตอบสนองที่ปริมาณรังสีเท่ากัน เมื่อเปลี่ยนพลังงานหรืออัตราปริมาณรังสี และทดสอบชนิดรังสีที่ตรงกับการใช้งาน เพื่อกำหนดขอบเขตการใช้กราฟสอบเทียบหรือปัจจัยแก้ไขที่จำเป็น. Engin & Demirtaş, 2004 |
| 10. ความคงทนของวิธีวัดต่อการเปลี่ยนเงื่อนไข (Robustness) | ประเมินผลจากความเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของการเตรียมและการอ่านค่า เช่น การจัดวางตัวอย่าง กำลังไมโครเวฟ และการตั้งค่าเครื่อง รวมถึงตรวจสอบความคงที่ของเครื่องด้วยตัวอย่างอ้างอิง. IAEA, 2002 |
| 11. ความเอนเอียงและความไม่แน่นอนของผลวัด (Bias and measurement uncertainty) | ใช้ตัวอย่างที่ทราบปริมาณรังสีและแยกจากชุดสร้างกราฟสอบเทียบ อาจปกปิดค่าจากผู้วิเคราะห์ แล้วเปรียบเทียบผลกับค่าอ้างอิง ประเมินความไม่แน่นอนจากการฉายรังสี การชั่งมวล การอ่านและแยกสัญญาณ ตลอดจนสมการสอบเทียบ. IAEA, 2002 |
สำหรับการศึกษา การจางหายของสัญญาณ (fading) สามารถรายงานสัดส่วนสัญญาณคงเหลือได้เป็น
โดย S(t) คือสัญญาณสุทธิที่เวลา t
หากต้องการพัฒนาให้ นำกลับมาใช้งานใหม่ได้ (reusability) ควรเพิ่มการทดสอบการลบสัญญาณและการฉายรังสีรอบใหม่ โดยตรวจสอบสัญญาณตกค้างและการเปลี่ยนแปลงของความไวในแต่ละรอบ การทดสอบนี้มีวัตถุประสงค์ต่างจากการอ่านสัญญาณของตัวอย่างเดิมหลายครั้ง จึงควรออกแบบและรายงานผลแยกกัน
ผลการประเมินทั้งหมดควรนำไปกำหนดข้อกำหนดการใช้งาน ได้แก่ ช่วงปริมาณรังสีที่วัดได้ เงื่อนไขการเตรียมและเก็บรักษา เวลาอ่านค่า วิธีสอบเทียบ และความไม่แน่นอนของผลวัด โดยเลือกเกณฑ์ยอมรับให้สอดคล้องกับงานเป้าหมาย เช่น การประเมินรังสีย้อนหลังหรือการควบคุมกระบวนการฉายรังสี. Eurachem, 2025
เอกสารอ้างอิง
- Bruker. (n.d.). What is EPR?
- Da Costa, Z. M., Pontuschka, W. M., Ludwig, V., Giehl, J. M., Da Costa, C. R., & Duarte, E. L. (2007). A study based on ESR, XRD and SEM of signal induced by gamma irradiation in eggshell. Radiation Measurements, 42, 1233–1236. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2007.05.019
- Engin, B., & Demirtaş, H. (2004). The use of ESR spectroscopy for the investigation of dosimetric properties of egg shells. Radiation Physics and Chemistry, 71(6), 1113–1123. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2003.12.053
- International Atomic Energy Agency. (2002). Use of electron paramagnetic resonance dosimetry with tooth enamel for retrospective dose assessment (IAEA-TECDOC-1331).
- Cantwell, H. (Ed.). (2025). Eurachem guide: The fitness for purpose of analytical methods—A laboratory guide to method validation and related topics (3rd ed.). Eurachem
- Joint Committee for Guides in Metrology. (2012). International vocabulary of metrology—Basic and general concepts and associated terms (VIM) (3rd ed.; JCGM 200:2012). เอกสารฉบับเต็ม
ใส่ความเห็น