Rapid Microanalysis-Based Process for Nuclear Material Characterization for Nuclear Forensics

عندما ينفجر جهاز نووي أو يتم اعتراض مواد نووية غير مشروعة، فإن الحطام الناتج يكون خليطاً فوضوياً من المعادن المنصهرة، والتربة، والجسيمات المشعة. ولفهم ما حدث، ومن أين جاء، ومن صنعه، يجب على العلماء تحليل هذا الحطام. يعتمد هذا المجال، المعروف باسم الطب الشرعي النووي، على قياس الأنواع المحددة من الذرات داخل المادة. تتضمن الطرق التقليدية أخذ قطعة كبيرة من العينة، وإذابتها تماماً في حمض، ثم تمريرها عبر سلسلة من الحمامات الكيميائية لفصل العناصر. وبينما يعد هذا النهج موثوقاً، إلا أنه بطيء ويتعامل مع العينة بأكملها كمادة واحدة متجانسة. والمشكلة تكمكمن في أن الحطام النووي نادراً ما يكون متجانساً؛ فهو عبارة عن مجموعة من الجسيمات الفردية، التي قد يحمل كل منها قصة مختلفة عن الحدث الذي أوجدها. فإذا قام العالم بإذابة العينة بأكملها دفعة واحدة، فإن هذه الاختلافات الفريدة ستضيع، وتندمج في متوسط واحد يخفي الحقيقة.

لقم فريق من الباحثين في مختبر بالمحيط الهادئ الشمال الغربي (Pacific Northwest National Laboratory) بتطوير طريقة جديدة للنظر إلى هذه المشكلة، وهي طريقة تركز على الجسيمات الفردية بدلاً من الكتلة بأكملها. وبدلاً من إذابة كل شيء فوراً، تعمل عمليتهم الجديدة مثل كشاف ضوئي عالي التقنية، يمسح العينة للعثور على الهباءات المشعة المحددة التي تهمنا أكثر. وبمجرد تحديد هذه "النقاط الساخنة"، يستخرج العلماء تلك الجسيمات المتناهية الصغر فقط، ويذيبونها في قطرة من سائل، ويحللونها بشكل منفصل. يسمح هذا النهج برؤية البصمات الكيميائية المتميزة لكل جسيم، مما يكشف عن التباينات التي ستكون غير مرئية في التحليل الكتلي القياسي. ومن خلال استهداف القطع الأكثر إثارة للاهتمام فقط واستخدام أنظمة مؤتمتة للتعامل مع الكميات الضئيلة من السائل، أنشأ الفريق مساراً يمكنه تقديم إجابات حاسمة بشكل أسرع مما تسمح به الطرق الحالية.

اختبر الباحثون سير العمل الجديد هذا باستخدام نوعين مختلفين من الحطام النووي المحاكى. في الاختبار الأول، استخدموا جسيمات يبلغ قطرها حوالي مليمتر واحد، أي تقريباً بحجم حبة الرمل، والتي احتوت على بلوتونيوم صالح للاستخدام العسكري ونواتج انشطار. وفي الاختبار الثاني، استخدموا جسيمات أصغر بكثير، يبلغ قطرها حوالي خمسين ميكرومتراً، منتشرة عبر ورقة ترشيح. كانت الخطوة الأولى في عمليتهم هي العثور على هذه الجسيمات؛ حيث استخدموا نظام تصوير متخصصاً يسمى كاشف التصوير الكمي للإشعاع المتأين، والذي يعمل مثل كاميرا حساسة للإشعاع. التقط هذا الجهاز صورة للعينة، موضحاً بدقة أين تقع الجسيمات المشعة. وبالنسبة للجسيمات الأكبر، حدد النظام أماكنها بوضوح مقابل خلفية فارغة. أما بالنسبة للجسيمات الأصغر على ورقة الترشيح، فقد رسم النظام خريطة لست مناطق محددة للاهتمام، مميزاً بين البقع ذات الإشعاع العالي والبقع التي تحتوي فقط على مستويات الخلفية.

بمجرد تحديد المواقع، انتقل الفريق إلى مرحلة الاستخراج. فبالنسبة للجسيمات الأكبر، قاموا بالتقاطها فيزيائياً ووضعها على قرص معدني صغير. أما بالنسبة للجسيمات الأصغر على ورقة الترشيح، فقد استخدموا ثاقبة صغيرة لقص الأجزاء المحددة من الورقة التي تحتوي على الإشعاع. ثم تم إذابة هذه العينات الصغيرة باستخدام معالج سوائل روبوتي أضاف كميات دقيقة من الحمض والحرارة. كان الهدف هو تحويل الجسيمات الصلبة إلى شكل سائل باستخدام أصغر كمية ممكنة من الكواشف. وبعد الإذابة، تم تمرير السائل عبر أعمدة مصنعة خصيصاً بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، والتي عملت كمرشحات كيميائية دقيقة. قامت هذه الأعمدة بفصل العناصر المختلفة، وعزل اليورانيوم والبلوتونيوم والنيبتونيوم عن بقية الحطام. وأخيراً، تم تغذية السوائل المنقاة مباشرة في مطياف الكتلة، وهو جهاز يزن الذرات لتحديد النظائر الموجودة بالضبط وكمياتها.

أظهرت نتائج هذه التجارب أن الطريقة الجديدة تعمل، والأهم من ذلك، أنها تكشف عن تفاصيل قد تفوتها الطريقة القديمة. فعندما حلل الفريق الجسيمات الكبيرة الفردية، وجدوا أنه بينما كانت معظمها تمتلك نسباً متشابهة من نظائر البلوتونيوم، كان هناك جسيم واحد مختلف؛ حيث احتوى على كمية أعلى من نظير بلوتونيوم محدد ومزيج مختلف من النبتونيوم، مما يشير إلى أنه جاء من مصدر أو عملية مختلفة قليلاً عن الآخرين. ولو تم خلط هذه الجسيمات وإذابتها كعينة كتلة واحدة، لتمت تسوية هذا الجسيم الفريد ضمن المتوسط، وضاعت بصمته المتميزة. وبالمثل، عندما حللوا الأجزاء المقصوصة من ورقة الترشيح، وجدوا أن التركيب النظائري لليورانيوم يختلف من بقعة إلى أخرى. فبعض البقع لم تحتوي تقريباً على يورانيوم، بينما احتوت أخرى على كميات كبيرة، وتغيرت نسبة نظائر اليورانيوم عبر العينات المختلفة. وقد أشار هذا التباين إلى أن الجسيمات على ورقة الترشيح لم تكن متجانسة، ويرجع ذلك على الأرجح إلى عمليات معالجة مختلفة في المنطقة التي جُمعت منها العينة.

كما أثبت الباحثون أن نهج المقياس الدقيق هذا يمكن أن يكون سريعاً. فبينما يمكن أن يستغرق إذابة عينة كتلة كبيرة ما بين اثنتي عشرة إلى أربع وعشرين ساعة أو أكثر، اعتماداً على حجمها وتكوينها، يمكن إكمال عملية التحليل الدقيق المستهدف في غضون ساعات لعدد صغير من العينات. قام الفريق بدمج خطوات مؤتمتة، بدءاً من الإذابة الروبوتية وصولاً إلى الفصل الكيميائي، لتقليل التعامل البشري وتسريع الجدول الزمني. كما طوروا نماذج حاسوبية للتنبؤ بأفضل الخطوات الكيميائية الواجب اتخاذها بناءً على البيانات الأولية، بهدف إزالة الخطوات غير الضرورية وتقليل الوقت اللازم للحصول على النتائج بشكل أكبر. بالإضافة إلى ذلك، استخدموا خوارزميات التعلم الآلي لتحديد العناصر المشعة تلقائياً من خلال تحليل بصمات الطاقة للإشعاع، وهي مهمة تتطلب عادةً وجود خبير بشري لمراجعة الرسوم البيانية المعقدة.

لا يحل هذا العمل محل الطرق التقليدية القوية المستخدمة في الطب الشرعي النووي، ولكنه يقدم مساراً مكملاً للتحليل الأولي السريع. فمن خلال التركيز على المقياس الدقيق، يمكن للباحثين تحديد الجسيمات الأكثر أهمية بسرعة والحصول على بيانات أولية حول النسب النظائرية ونواتج الانشطار دون الانتظار لمعالجة العينة الكتلية بأكملها. وتؤكد الدراسة أن الحطام النووي غير متجانس، بمعنى أنه يتكون من أجزاء متنوعة ذات تواريخ مختلفة، وأن النظر إلى هذه الأجزاء بشكل فردي يوفر صورة أوضح للحدث. ويخطط الفريق لمواصلة تحسين هذه الأساليب، واختبارها على عينات بيئية أكثر تعقيداً، ودمج أدوات اتخاذ القرار المؤتمتة لإنشاء نظام انسيابي كامل لعمليات التحقيق في الطب الشرعي النووي في المستقبل.