การใช้ไอโซโทปรังสีในอุตสาหกรรม
จารุณี ไกรแก้ว
กลุ่มงานด้านวิชาการ สำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ
 

อะตอมของธาตุใดๆ ที่นิวเคลียสมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน จะเรียกอะตอมเหล่านั้นว่าเป็นไอโซโทป ปกติไอโซโทปต่างๆ ของธาตุเดียวกันจะมีสมบัติทางเคมีเหมือนกัน แต่สมบัติทางรังสีต่างกัน ไอโซโทปที่มีระดับพลังงานในนิวเคลียสมากเกินไปจะมีสภาพไม่อยู่ตัว มีการแผ่รังสีออกมา ไอโซโทปประเภทนี้เรียกว่า ไอโซโทปรังสี (radioisotopes) การประยุกต์ใช้ไอโซโทปรังสี ในอุตสาหกรรม ส่วนใหญ่เป็นการใช้ต้นกำเนิดรังสีปิดผนึก (sealed radioactive sources) และการใช้ตัว แกะรอย (radioactive tracers) สำหรับการแก้ปัญหา การควบคุมกระบวนการทำงาน การดัดแปลงการออกแบบอุปกรณ์

การถ่ายภาพด้วยรังสี

ในอุตสาหกรรม นอกจากรังสีเอกซ์ นิยมใช้ Ir-192 และ Co-60 ให้รังสีแกมมา ถ่ายภาพวัตถุลงบนแผ่นฟิล์ม ส่วนของวัตถุที่ดูดกลืนรังสีไว้น้อยกว่า เช่น บริเวณรอยรั่ว จะปรากฏภาพบนฟิล์มทึบกว่าส่วนของวัตถุที่ดูดกลืนรังสีไว้มากกว่า ในการถ่ายภาพ จะบรรจุสารรังสีดังกล่าว ซึ่งทำเป็นเม็ด (pellet) ในแคปซูลโลหะยาวประมาณ 1 เซนติเมตร เมื่อนำแคปซูลมาต่อกับสายเคเบิลและอุปกรณ์ควบคุมการทำงาน ทำให้สามารถสอดเข้าในบริเวณแคบๆ เพื่อถ่ายภาพได้ รูปที่ 1 และ 2 แสดงอุปกรณ์เครื่องมือ รูปที่ 3 แสดงการทดสอบถ่ายภาพด้วยรังสีสำหรับโครงสร้างคอนกรีต

รูปที่ 1 ต้นกำเนิดรังสีแกมมาที่ใช้ในการถ่ายภาพด้วยรังสี
รูปที่ 2 กล้องถ่ายภาพด้วยรังสีกำบังด้วยตะกั่วและใช้ต้นกำเนิดรังสี Ir-192
รูปที่ 3 ภาพถ่ายด้วยรังสีในการทดสอบโครงสร้างคอนกรีต

การถ่ายภาพด้วยรังสีแกมมานี้ เป็นการตรวจสอบจุดบกพร่องบนวัสดุ เช่น รอยร้าว รอยตำหนิ บนรอยเชื่อม จุดเด่นของวิธีนี้ คือ การที่รังสีแกมมาสามารถส่องทะลุผ่านวัตถุได้โดยไม่มีผลต่อตัวอย่าง ให้ผลการถ่ายภาพรวดเร็ว ราคาถูก ทำได้ต่อเนื่องโดยไม่ต้องหยุดกระบวนการผลิต เนื่องจากไอโซโทปรังสีสามารถเคลื่อนย้ายได้สะดวก การถ่ายภาพด้วยรังสีแกมมาจึงมีประโยชน์ในการควบคุมระยะไกล เช่น การตรวจสอบรอยเชื่อมของท่อที่ใช้ส่งก๊าซธรรมชาติหรือน้ำมัน เมื่อมีการเชื่อมแล้ว จะวางฟิล์มแบบพิเศษติดเทปไว้รอบท่อที่ด้านนอก อุปกรณ์ “pipe crawler” จะพาต้นกำเนิดรังสีพร้อมทั้งวัสดุกันรังสีเข้าไปในท่อ ไปยังตำแหน่งที่มีการเชื่อม เมื่อถึงจุดที่ต้องการ จะทำการถ่ายภาพรอยเชื่อมด้วยรังสีจากต้นกำเนิดไปยังฟิล์มโดยการควบคุมระยะไกล เมื่อล้างฟิล์มจะได้ภาพรายละเอียดภายในของรอยเชื่อม

Industrial Computed Tomography (ICT)

Tomography เป็นเทคนิคที่ผลิตรูป (image) ของตัวแปรในระนาบของวัตถุ โดยไม่มีการรบกวนจากระนาบที่ติดกัน ในการใช้การฉายรังสีแกมมา รูปที่ได้จะแทนที่สัมประสิทธิ์ linear attenuation ของวัตถุ สำหรับ computed tomography ระนาบของรูปขนานกับแกนลำแสง และรูปจะผลิตโดยเทคนิคทางคอมพิวเตอร์ ระบบ ICT เป็นการพัฒนาของไอโซโทปรังสีอุตสาหกรรมและการประยุกต์ใช้รังสีเนื่องจากให้ช่วงของภาพตัดขวาง (รูปที่ 4) ผ่านวัสดุ ส่วนประกอบ (components) และชุดรวม (assemblies) ชุดแม่แบบ (prototype) ของ CT ใน BARC (Atomic Research Center ของอินเดีย) ใช้ต้นกำเนิดรังสี Cs-137 ขนาด 7 คูรี ชุดแม่แบบนี้สามารถสแกนชิ้นงานที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก จนถึง 100 มิลลิเมตร และความหนาแน่นต่างๆ

รูปที่ 4 Gamma Emission Tomography

การแสกนคอลัมน์อุตสาหกรรมโดยรังสีแกมมา (Gamma scanning of industrial process columns)

เทคนิค gamma scanning (รูปที่ 5) เป็นการทดสอบโดยไม่ทำลายสำหรับการวินิจฉัยปัญหาในคอลัมน์ที่เดินเครื่องอยู่เช่น คอลัมน์กลั่นลำดับส่วน คอลัมน์แยกสกัด คอลัมน์ล้าง เป็นต้น ในอุตสาหกรรมปิโตรเลียม ปิโตรเคมี และอุตสาหกรรมเคมี ต้นกำเนิดรังสีที่ใช้เป็น Co-60 งานทั่วไปเป็นการแยกแยะปัญหาในคอลัมน์โดยการใช้การทดสอบ on-line เช่น การวัดความดันลด ความหนาแน่น และความหนืด การศึกษาการจำลอง (simulation studies) โดยใช้โมเดลทางคณิตศาสตร์และสหสัมพันธ์ ไฮดรอลิค (hydraulic correlation) กรณีไม่สามารถหาตำแหน่งแน่นอนของปัญหา นอกจากนั้นวิธี gamma scanning สามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับ ตำแหน่งและปริมาณของภาวะการท่วม (flooding) การอยู่และการหายไปของถาด (trays) และส่วนภายในอื่นๆ ระดับของเหลวบนถาดและแผ่นกระจาย (distributors) ของเหลวของ packed column ตำแหน่งและความหนาแน่นของการเกิดฟอง ฯลฯ

นอกจากตรวจหาความผิดปกติ สามารถใช้ประโยชน์ในการหาภาวะที่เหมาะสมในการทำงานของคอลัมน์ การขยายเวลาเดินเครื่อง การคาดการณ์การบำรุงรักษา และแผนการหยุดเดินเครื่อง การสแกนมีผลต่อการศึกษาการจำลองการทำงานที่ใช้ในการวินิจฉัยปัญหาของคอลัมน์และปรับปรุงการออกแบบในคอลัมน์ การวิเคราะห์ข้อมูลที่สแกนได้เป็นขั้นตอนสำคัญในการตรวจสอบความผิดปกติของคอลัมน์ เช่น ถาดหายไป ถาดเสียหาย การท่วม การเสียหายของ packed bed ฯลฯ

รูปที่ 5 Gamma scanning

ขั้นตอนการตรวจสอบของสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) ประกอบด้วย

  1. ศึกษาแบบโครงสร้างทางวิศวกรรมทั้งภายในและภายนอกของคอลัมน์
  2. ติดตั้งต้นกำเนิดรังสี Co-60 ขนาด 20-50 มิลลิคูรี และอุปกรณ์วัดรังสีไว้ตรงกันข้าม คนละข้างของคอลัมน์ ในตำแหน่งที่เหมาะสม ตามที่ได้ศึกษาโครงสร้างวิศวกรรมทั้งภายในและภายนอกของ หอกลั่น ตามข้อ 1 มาแล้ว
  3. ปรับให้อุปกรณ์ทั้งสอง เคลื่อนที่ขึ้นไปตามแนวดิ่ง โดยใช้ระบบรอกและกว้าน พร้อมทั้งเก็บข้อมูลความเข้มของรังสีที่ทะลุผ่านหอกลั่นน้ำมันออกมา ในทุกๆ ระยะ 5 เซนติเมตร ตลอดความสูงทั้งหมด
  4. นำข้อมูลไปจัดทำเป็นกราฟ แสดงความสัมพันธ์ ระหว่างความเข้มของรังสีที่ระดับความสูงต่างๆ เพื่อวิเคราะห์โดยเปรียบเทียบกับรูปแบบโครงสร้างทางวิศวกรรม ว่ามีความผิดปกติในคอลัมน์ในตำแหน่งใดหรือไม่

นิวเคลียร์เกจ

นิวเคลียร์เกจเป็นการใช้ไอโซโทปรังสีเพื่อวัดปริมาณหรือคุณภาพของวัสดุและผลผลิต สามารถปรับปรุงคุณภาพของผลผลิต หาภาวะที่เหมาะสมในการทำงานกระบวนการอุตสาหกรรม ประหยัดพลังงานและวัสดุ มีความว่องไว แน่นอน และเชื่อถือได้ ใช้ในสิ่งแวดล้อมอุตสาหกรรมที่เป็นอันตราย เช่นอุณหภูมิหรือความดันสูง ทั้งนี้ไม่มีการแตะกันระหว่างหัววัดและวัสดุ การตรวจสอบคุณภาพสามารถทำได้ on-line ระหว่างการผลิต

ความหนาแน่นของรังสีที่มาจากไอโซโทปรังสีจะลดลงโดยมวลสารระหว่างต้นกำเนิดรังสีและหัววัด (Detector) หัววัดจะวัดการลดลงของรังสี วัดการปรากฏหรือการหายไป ทำให้ใช้วัดปริมาณหรือความหนาแน่นของวัสดุระหว่างต้นกำเนิดรังสีและหัววัด โดยไม่มีการสัมผัสกับวัสดุที่ทำการวัด ขบวนการอุตสาหกรรมมากมายใช้เกจเหล่านี้ในการตรวจสอบติดตามและควบคุมการไหลของวัสดุในท่อ หอกลั่น เป็นต้น บ่อยครั้งเป็นรังสีแกมมา นอกจากนั้นใช้ในการวัดความหนาของวัสดุที่ใช้เคลือบผิว โดยเมื่อลำรังสีตกกระทบวัตถุ รังสีส่วนหนึ่งจะส่องผ่านไป อีกส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับมาในทิศทางเดิม ปริมาณรังสีสะท้อนมีความสัมพันธ์กับปริมาณวัสดุในลำแสง ทำให้สามารถวัดคุณสมบัติได้ ความหนาของฟิล์มพลาสติกก็สามารถวัดได้โดยใช้รังสีบีตา ทั้งนี้ฟิล์มวิ่งด้วยความเร็วสูงระหว่างต้นกำเนิดรังสีและหัววัด สัญญาณจากหัววัดจะใช้ควบคุมความหนาของฟิล์มพลาสติก

โดยสรุปแล้วระบบนี้แบ่งได้ 2 ประเภท คือ วัดโดยอาศัยการส่งผ่านรังสีผ่านวัตถุ หรือวัดโดยรังสีที่สะท้อนมาจากชิ้นงาน ตัวอย่างอื่นๆ ของระบบส่งผ่าน เช่น เกจวัดความหนาของตะกอนในท่อและภาชนะ การวัดการกัดกร่อน การวัดที่ว่าง (voids) การวัดระดับ การวัดผิวสัมผัสระหว่าง phase ทั้งสอง (interfaces) ของของเหลว ฯลฯ

การฉายรังสี (Radiation processing)

ในอุตสาหกรรม มีการฉายรังสีวัสดุภัณฑ์ เวชภัณฑ์ เภสัชภัณฑ์ และเนื้อเยื่อเพื่อให้ปลอดเชื้อและการฉายรังสีอาหาร ส่วนใหญ่เป็นรังสีแกมมา ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมี ฟิสิคส์ และชีววิทยา

การฉายรังสีวัสดุภัณฑ์นั้น ต้นกำเนิดรังสีส่วนใหญ่ที่ใช้เป็น Co-60 รังสีทำให้อะตอมและโมเลกุลของตัวกลางที่วิ่งผ่าน เกิดแตกตัวเป็นไอออนและอนุมูลเสรีซึ่งไวปฏิกิริยา ปฏิกิริยาเคมีสำคัญที่เกิดและนำไปใช้ประโยชน์ในการปรับปรุงคุณภาพของวัสดุภัณฑ์ มีการเกิดพอลิเมอร์ การเชื่อมโยงข้ามของโมเลกุล (cross-linking) และการสลายพอลิเมอร์ ตัวอย่างเช่น การบ่มยางเพื่อเพิ่มความแข็งก่อนเข้าสู่กระบวนการวัลคะไนส์ (vulcanization) การเชื่อมโยงข้ามของโมเลกุลของ PE “O” rings สำหรับ drum fittings การเปลี่ยนสีของหินรัตนชาติ การสลายพอลิเมอร์ PTFE สำหรับผงกาว การเชื่อมโยงข้ามของโมเลกุลของฉนวนเคเบิล PE การสลายพอลิเมอร์เซลลูโลสสำหรับผลผลิตหนืด

การฉายรังสีเวชภัณฑ์ เภสัชภัณฑ์และเนื้อเยื่อเพื่อให้ปลอดเชื้อ เป็นการทำให้ปราศจากเชื้อโดยใช้รังสีแกมมา (Gamma sterilization) เป็นต้นว่า สำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ใช้แล้วทิ้ง เช่น เข็มฉีดยา ถุงมือ เสื้อผ้า และเครื่องมือ ซึ่งส่วนมากจะเสียหายจากการทำให้ปราศจากเชื้อโดยใช้ความร้อน รังสีฆ่าจุลินทรีย์ด้วยการทำลายพันธะ (bond) ของดีเอ็นเอ ทำให้จุลินทรีย์ไม่สามารถแบ่งแยกตัวต่อไป

การฉายรังสีอาหารนั้น (รูปที่ 6) ประกาศกระทรวงสาธารณสุข (ฉบับที่ 297 ) พ.ศ.2549 กำหนดไว้ว่า รังสีที่อนุญาตให้ใช้ฉายอาหารได้ คือ รังสีแกมมาซึ่งได้จากต้นกำเนิดรังสี Co-60 หรือ Cs-137 เท่านั้น นอกจากนั้นเป็นรังสีเอกซ์ที่ได้จากเครื่องผลิตรังสีเอกซ์ และรังสีอิเล็กตรอนที่ได้จากเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน ส่วนอาหารที่จะเข้าสู่ระบบฉายรังสีต้องสะอาดและบรรจุหีบห่อปิดผนึก เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดเชื้อโรคหรือจุลินทรีย์ขึ้นใหม่

สำหรับประโยชน์อื่นๆ การฉายรังสีเป็นการยืดอายุการเก็บรักษา ชะลอการสุกของผลไม้ ยับยั้งการงอกระหว่างการเก็บรักษา ทำลายและยับยั้งการแพร่พันธุ์ของแมลง ชะลอการบานของเห็ด และกำจัดพยาธิ ฯลฯ

รูปที่ 6 สตรอเบอร์รี่ฉายรังสี

ตัวแกะรอยไอโซโทปรังสี (Radioisotope tracer)

ตัวแกะรอยรังสี (radiotracers) ช่วยในงานวิจัยอุตสาหกรรมเคมี สำหรับการศึกษากลไกและจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาเคมีทั่วไป โดยแผ่รังสีแกมมาหรือรังสีบีตา ซึ่งสามารถตรวจวัดโดยเครื่องวัดมากมายหลายชนิด ข้อได้เปรียบหลายประการ เช่น สามารถวัดความเข้มข้นได้ด้วยหัววัดที่อยู่นอกท่อหรือภาชนะ การวัดตัวอย่างที่เก็บจากการไหลเป็นเรื่องง่ายและไม่ขึ้นกับ matrix ของตัวอย่าง และตัวแกะรอยมีลักษณะเฉพาะในการติดฉลาก (label) ธาตุ ตัวอย่างเช่นการติดฉลากกำมะถันในการศึกษาการกัดกร่อนของอัลลอยด์เหล็กกล้า (steel alloy) โดยใช้ S-32

งานต่างๆ ที่ตรวจสอบ เช่น การเร่งปฏิกิริยา (catalysis) adsorption และ absorption การแลกเปลี่ยนทางเคมี (chemical exchange) การสกัดของเหลวด้วยของเหลว (solvent extraction) การเกิด พอลิเมอร์ (polymerization) การละลาย (dissolution) การออกซิไดส์ (oxidation) และการรีดัคชัน (reduction) เป็นต้น อุตสาหกรรมที่ใช้ประโยชน์ เช่น ถ่านหิน น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ ปิโตรเคมี ซีเมนต์ แก้ว ยาง วัสดุก่อสร้าง งานแปรสภาพแร่ เนื้อเยื่อและกระดาษ เหล็กและเหล็กกล้า โลหะที่ไม่ใช่เหล็ก และอุตสาหกรรมยานยนต์ เป็นต้น ตัวแกะรอยจะใช้ในงานส่วนใหญ่เหล่านี้

  • การตรวจสอบกระบวนการ เช่น residence time อัตราการไหล ความเร็ว modeling และการประมาณตัวแปร
  • การกวน (mixing) เช่น เวลาในการกวน การประมาณความเหมาะสมของตัวกวน (Mixer) และสมรรถนะของตัวกวน
  • การบำรุงรักษา เช่น การตรวจสอบการรั่ว การตรวจสอบความผิดปกติ การขนย้ายวัสดุ
  • การสึกกร่อนและการกัดกร่อน (wear and corrosion) เช่น การสึกกร่อนของเครื่องยนต์ การกัดกร่อนของเครื่องมือ การศึกษาการหล่อลื่น

บรรณานุกรม

  1. . การใช้เทคโนโลยีนิวเคลียร์ในอุตสาหกรรม. [ออนไลน์]. [สืบค้น 17 ต.ค. 2554]. เข้าถึงได้ที่: URL: http://www.nst.or.th/article/article493/article49312.html.
  2. การฉายรังสีอาหารและการยอมรับ. [ออนไลน์]. [สืบค้น 19 ธ.ค. 2554]. เข้าถึงได้ที่: URL: http://www.tint.or.th/nkc/nkc5003/nkc5003o.html.
  3. การวิเคราะห์ความผิดปกติของหอกลั่นน้ำมันด้วยวิธี Gamma scanning. [ออนไลน์]. [สืบค้น 8 ธ.ค. 2554]. เข้าถึงได้ที่: URL: http://www.tint.or.th/application/apply-gscan.html.
  4. กรรติกา ศิริเสนา. (2550). กัมมันตภาพรังสี พลังงานนิวเคลียร์ มนุษย์ สิ่งแวดล้อมและสังคม. พิมพ์ครั้งที่ 1, หน้า 52-59. บริษัท วีพริ้นท์ (1991) จำกัด.
  5. สำนักงานปรมาณูเพื่อสันติ. (2550). เจาะลึก....เรื่องของปรมาณู, หน้า 5. กรุงเทพมหานคร: สำนักงาน ปรมาณูเพื่อสันติ.
  6. Industrial Applications. http://www.euronuclear.org/l-information/industry.htm. ; [8 Dec 2011].
  7. Industry : Use of Tracers. http://www.aboutnuclear.org/view.cgi?fC=Industry, Use_of_Tracers. ; [9 Dec 2011].
  8. Jacques Guizerix et al. (1987). “Radioisotopes and radiation technology in industry”. IAEA Bulletin 2: p.20-24.
  9. Radio Isotope (Gamma) Sources. http://www.ndt-ed.org/EducationResources/educationresource.htm ; [8 Dec 2011].
  10. Radioisotopes in industry. http://www.world-nuclear.org/info/inf56.html. ; [8 Dec 2011].
  11. RCA India – Success Stories – Industry. http://www.barc.ernet.in/rcaindia/4_3.html. ; [8 Dec 2011].