رادیوگرافی پرتو ایکس و μ-CT در گوهرشناسی: از آزمایش مروارید تا بررسی سنگ‌های قیمتی

در سال ۱۸۹۵ ویلهلم کنراد رونتگن (Wilhelm Conrad Roentgen) نخستین تصویر پرتو ایکس را ثبت کرد؛ تصویری از استخوان‌های دست همسرش و انگشتری که به انگشت داشت (Roentgen، ۱۸۹۶). این کشف شیوه کاوش دانشمندان در بدن انسان و مطالعه ساختار بلورها و اتم‌ها را زیر و رو کرد (Assmus، ۱۹۹۵). تنها دو سال پیش از آن، در ۱۸۹۳، کوکیچی میکیموتو (Kokichi Mikimoto) در ژاپن با صدف مرواریدساز آکویا (Pinctada fucata) آزمایش پرورش مروارید را شروع کرده بود. میکیموتو اول توانست تاول‌های نیم‌کروی صدفی (Blister) بسازد و بعد مرواریدهای پرورشی کروی با کیفیت گوهری تولید کند؛ مرواریدهایی که صنعت مروارید را برای همیشه تغییر دادند (Nagai، ۲۰۱۳). این دو رویداد که ظاهراً به هم ربطی نداشتند، سرانجام به هم رسیدند: فناوری تصویربرداری پرتو ایکس در سراسر جهان به بخشی ضروری از آزمایش مروارید تبدیل شد.

مرواریدهای طبیعی از آغاز تمدن مورد توجه بوده‌اند. گونه‌های زیادی از نرم‌تنان رده‌های دوکفه‌ای‌ها (Bivalvia) و شکم‌پایان (Gastropoda) به‌طور طبیعی مروارید می‌سازند، معمولاً در واکنش به ذره‌ای خارجی که وارد بافت نرم جبه (Mantle) می‌شود. همین بافت با تولید کربنات کلسیم مسئول کانی‌سازی زیستی (Biomineralization) صدف نیز هست.

پیش از پرورش مروارید، مرواریدهای با کیفیت گوهری بسیار کمیاب و گران بودند و تقریباً فقط در اختیار طبقه ثروتمند جهان قرار داشتند. در آغاز قرن بیستم، صید بی‌رویه بسترهای صدف مرواریدساز و جمعیت صدف‌های آب شیرین را در سراسر جهان به‌شدت کاهش داده بود. (بعدها کشف نفت در خلیج فارس هم تولید مروارید طبیعی را باز هم کمتر کرد.) تولید تجاری مرواریدهای پرورشی آکویا توسط میکیموتو تأثیر عمیقی گذاشت و جایگزینی ارزان‌تر ارائه داد که تقریباً از مروارید طبیعی قابل تشخیص نبود. این تحول نیاز فوری به فناوری‌های تازه‌ای ایجاد کرد که بتوانند مروارید طبیعی را از پرورشی تفکیک کنند.

در اوایل قرن بیستم چند آزمایشگاه بزرگ گوهرشناسی تأسیس شد: آزمایشگاه آزمایش سنگ‌های قیمتی اتاق بازرگانی لندن (London Chamber of Commerce؛ که بعدها آزمایشگاه انجمن گوهرشناسی بریتانیای کبیر شد) در ۱۹۲۵، آزمایشگاه گوهرشناسی فرانسه (Laboratoire Français de Gemmologie؛ LFG) در ۱۹۲۹ و مؤسسه گوهرشناسی آمریکا (GIA) در ۱۹۳۱. تلاش اولیه همه این مراکز روی شناسایی مرواریدهای طبیعی و پرورشی متمرکز بود. در آغاز، پراش لاوه (Laue diffraction) با پرتو ایکس، در کنار بررسی با آندوسکوپ و نور مرئی، نقش مهمی در تفکیک مرواریدهای طبیعی از مرواریدهای پرورشی آکویا با هسته صدفی داشت (Anderson، ۱۹۳۲؛ Shipley Jr.، ۱۹۳۴؛ Bloch، ۱۹۳۷؛ Alexander، ۱۹۴۱؛ Barnes، ۱۹۴۶، ۱۹۴۷؛ Scarratt و Karampelas، ۲۰۲۰). معلوم شد الگوهای پراش پرتو ایکس از بلورهای آراگونیت (Aragonite) می‌آیند. مرواریدهای طبیعی الگوی پراش پره‌مانند شاخصی نشان می‌دادند (معروف به الگوی شش‌نقطه‌ای) و مرواریدهای پرورشی الگوی صلیب «مالتی» (Maltese cross؛ معروف به الگوی چهارنقطه‌ای) می‌ساختند (Alexander، ۱۹۴۱؛ Scarratt و Karampelas، ۲۰۲۰).

با اینکه الگوهای پراش مرواریدهای طبیعی آب شور و بعضی مرواریدهای پرورشی هسته‌دار آکویا کاملاً با هم فرق دارد، بعضی مرواریدهای پرورشی آکویا که ناکر (Nacre؛ همان لایه مادرمروارید) ضخیمی دارند و هسته‌شان کوچک است، می‌توانند همان الگوی مروارید طبیعی را بدهند و گمراه‌کننده باشند. از طرف دیگر، بعضی مرواریدهای طبیعی آب شیرین هم ممکن است الگویی شبیه مرواریدهای پرورشی هسته‌دار نشان دهند. علاوه بر این، زمان پرتودهی نسبتاً طولانی پراش پرتو ایکس و ناتوانی‌اش در بررسی هم‌زمان چند مروارید، سرانجام باعث شد رادیوگرافی پرتو ایکس جایش را بگیرد.

در همان اوایل قرن بیستم، گوهرشناسان رادیوگرافی پرتو ایکس را برای پیدا کردن مروارید درون صدف نرم‌تنان و تفکیک مروارید طبیعی و پرورشی به کار گرفتند (Kempton، ۱۹۲۲؛ Alexander، ۱۹۴۱). پراش پرتو ایکس ساختار بلوری و آرایش اتمی لایه‌های ناکر را بررسی می‌کند، اما رادیوگرافی پرتو ایکس با اندازه‌گیری تضعیف پرتوها هنگام عبور از مروارید، تصویری دوبعدی از ساختار درونی آن می‌سازد. به‌خاطر محدودیت‌های فناوری، تصاویر آن زمان اغلب نمی‌توانستند تفاوت چگالی ناکر و هسته مروارید پرورشی را روشن نشان دهند. در ۱۹۵۰ آزمایشگاه گوهرشناسی اتاق بازرگانی لندن دستگاه پرتو ایکس تازه‌ای معرفی کرد که کمی بزرگ‌تر از یخچال خانگی بود و هم تصاویر رادیوگرافی می‌ساخت و هم لومینسانس به‌راحتی قابل‌مشاهده (Webster، ۱۹۵۰). لومینسانس پرتو ایکس پیشرفت مهمی بود، چون بر اساس تفاوت لومینسانس ناشی از غلظت عنصر کمیاب منگنز، مرواریدهای آب شور را از مرواریدهای آب شیرین یا مرواریدهایی که با هسته صدفی آب شیرین پرورش یافته‌اند جدا می‌کرد (Hänni و همکاران، ۲۰۰۵).

سال بعد، آزمایشگاه تجارت گوهر GIA در نیویورک دستگاه مشابهی نصب کرد که مخصوص آزمایش مروارید تغییر یافته و طراحی شده بود (شکل ۱) و هم رادیوگرافی می‌ساخت و هم لومینسانس قابل‌مشاهده. این دستگاه تصاویر دقیقی از لایه‌های هم‌مرکز ناکر دور هسته مروارید پرورشی ثبت می‌کرد. اساس کار این دستگاه‌های اولیه ساده بود: باریکه پرتو ایکس به نمونه می‌تابید و پشت آن فیلم حساس به پرتو ایکس قرار داشت. گاهی برای کم کردن آثار بازتاب و شکست سطحی، مرواریدها را در تتراکلرید کربن (Carbon tetrachloride) فرو می‌بردند. بعد از پرتودهی، هر تفاوت چگالی ساختاری نمونه باعث جذب نایکنواخت باریکه می‌شد و تصویر ثبت‌شده روی فیلم این ویژگی‌ها را نشان می‌داد (Benson، ۱۹۵۱). ثبت یک تصویر اغلب ۱۵ تا ۲۰ دقیقه طول می‌کشید. با آمدن دستگاه‌های مدرن‌تر در دهه‌های بعد، اصل رادیوگرافی همچنان روش ضروری تفکیک مرواریدهای طبیعی و پرورشی ماند (Zhou، ۲۰۱۹).

در دهه‌های اخیر تجهیزات دیجیتال پرتو ایکس تا حد زیادی جای سیستم‌های فیلمی را در آزمایشگاه‌های گوهرشناسی گرفته است. جایگزینی تقویت‌کننده‌های تصویر (Image intensifiers) با آشکارسازهای صفحه تخت (Flat-panel detectors) و ورود میکروتوموگرافی کامپیوتری پرتو ایکس (μ-CT) توان تفکیک تصویر را باز هم بالاتر برده و تشخیص ظریف‌ترین ویژگی‌های رشد درون مروارید را ممکن کرده است (Karampelas و همکاران، ۲۰۱۰، ۲۰۱۷؛ Krzemnicki و همکاران، ۲۰۱۰). GIA هم در آزمایشگاه‌های مختلف خود برای خدمات شناسایی مروارید از این دستگاه‌های پیشرفته استفاده می‌کند (شکل ۲).

این مقاله نظریه‌های عمومی رادیوگرافی پرتو ایکس و μ-CT را مرور می‌کند و سازوکار کار آن‌ها را توضیح می‌دهد. کاربرد اصلی این تکنیک‌ها در گوهرشناسی تفکیک مرواریدهای طبیعی و پرورشی است، اما کوتاه به کاربردشان در بررسی سنگ‌های قیمتی و کانی‌های دیگر هم می‌پردازیم. چند نمونه بازسازی سه‌بعدی داده‌های μ-CT هم نشان می‌دهد این دستگاه‌ها چطور رازهای پنهان این گوهرهای زیست‌زاد را آشکار می‌کنند؛ مثلاً موادی غیرمعمول که در فرایند پرورش به‌عنوان هسته استفاده شده‌اند.

رادیوگرافی پرتو ایکس ابزاری قدرتمند برای دیدن ساختار درونی یک جسم است و بر جذب متفاوت (Differential absorption) فوتون‌های پرتو ایکس استوار است. یک سیستم پایه تصویربرداری پرتو ایکس سه جزء دارد:

1. منبع پرتو ایکس: باریکه‌ای از فوتون‌های پرتو ایکس تابش می‌کند.
2. نمونه: پرتوهای ایکس را جذب می‌کند؛ میزان این جذب به ترکیب شیمیایی و چگالی ماده بستگی دارد.
3. آشکارساز: امکان تصویر کردن پرتوهای ایکس را فراهم می‌کند. سیستم‌های مدرن معمولاً حسگر تصویر دیجیتال ویژه‌ای دارند، اما فیلم پرتو ایکس یا صفحه فلورسان (Fluorescent screen) هم می‌تواند این کار را انجام دهد.

شکل ۳ این اجزا را نشان می‌دهد. برای بهینه کردن کیفیت تصویر باید بدانیم هر جزء چطور کار می‌کند. بخش‌های بعدی اصول کار هر جزء و نحوه عملکردش را در رادیوگرافی مدرن پرتو ایکس شرح می‌دهند. به‌جای توضیح مفصل فیزیک زیربنایی، این مقاله بر جنبه‌های عملی گردآوری و تفسیر داده‌های پرتو ایکس و μ-CT تمرکز دارد. برای مرور جامع‌تر نظریه و فیزیک تولید پرتو ایکس به Als-Nielsen و McMorrow (۲۰۱۱)، برای مرور تصویربرداری پرتو ایکس به Ou و همکاران (۲۰۲۱) و برای تصویربرداری μ-CT به Molteni (۲۰۲۰) و Withers و همکاران (۲۰۲۱) مراجعه کنید.

تولید پرتو ایکس

بیشتر سیستم‌های تجاری پرتو ایکس را با یک لوله پرتو ایکس (X-ray tube) برقی تولید می‌کنند. کاربر دو پارامتر را کنترل می‌کند: ولتاژ (kV) و جریان (mA) منبع. ولتاژ بیشترین اثر را دارد و توزیع انرژی و تعداد کل فوتون‌های تابش‌شده را تعیین می‌کند. جریان هم روی تعداد فوتون‌های تولیدشده اثر می‌گذارد، اما نه به‌اندازه ولتاژ.

لوله‌های پرتو ایکس طراحی‌های گوناگونی دارند، اما همه با یک اصل کار می‌کنند: باریکه‌ای متمرکز و پرانرژی از الکترون‌ها به یک «هدف» (Target) فلزی شلیک می‌شود. ولتاژ بالا (۱۰ تا ۳۰۰ کیلوولت) بین آند و کاتد لوله، الکترون‌ها را به سمت هدف شتاب می‌دهد و انرژی این الکترون‌ها بر اساس ولتاژ اعمال‌شده، بر حسب هزار الکترون‌ولت (keV) سنجیده می‌شود. وقتی الکترون‌ها به هدف می‌خورند، یا تابش پرتو ایکس پیوسته (Continuum؛ فوتون‌هایی در یک بازه انرژی پهن و پیوسته) تولید می‌شود، یا تابش پرتو ایکس مشخصه (Characteristic؛ فوتون‌هایی با انرژی ثابت که به ترکیب عنصری ماده هدف بستگی دارد). در هر دو حالت وقتی پرتو ایکس پدید می‌آید که الکترون‌ها انرژی جنبشی یا پتانسیل خود را از دست بدهند و فوتونی با انرژی برابر با اختلاف ترازهای انرژی الکترون تابش کنند. انرژی این فوتون‌ها هم بر حسب الکترون‌ولت سنجیده می‌شود.

در سیستم‌های تصویربرداری آزمایشگاهی مدرن، ماده هدف معمولاً تنگستن است، برای پرتوهای ایکس پرانرژی‌تر (K_α1 = ۵۹٫۳ keV) که برای تصویربرداری از مواد چگال‌تر مناسب‌اند، یا مولیبدن، برای پرتوهای ایکس کم‌انرژی‌تر (K_α1 = ۱۷٫۵ keV) که برای تصویربرداری پرکنتراست از مواد کم‌چگال به کار می‌روند. پرتو ایکس در خلأ تولید می‌شود، چون در حضور مولکول‌های گاز، الکترون‌ها منحرف می‌شوند و انرژی‌شان را از دست می‌دهند. پرتوهای ایکس بار الکتریکی ندارند و بدون مانع در هوا حرکت می‌کنند؛ از «پنجره»‌ای که جذب پرتو ایکس کمی دارد از لوله خلأ بیرون می‌آیند و به سمت نمونه می‌روند.

جذب پرتو ایکس

تفاوت جذب پرتو ایکس در بخش‌های مختلف نمونه، کنتراست تصویر را می‌سازد. جذب پرتو ایکس به ترکیب شیمیایی، مقدار ماده (ضخامت و چگالی) بین منبع و آشکارساز، و انرژی پرتوهای ایکس حساس است. موادی که عناصر سنگین‌تر دارند (عدد اتمی میانگین بالاتر) پرتوهای ایکس بیشتری جذب می‌کنند. این جذب با توان سوم عدد اتمی میانگین (Z³) متناسب است (Hubbell و Seltzer، ۱۹۹۵). برای ماده‌ای با چگالی یکنواخت، جذب از قانون بیر-لامبرت (Beer-Lambert law) پیروی می‌کند و با ضخامت ماده بالا می‌رود (دقیق‌تر اینکه شدت پرتو عبوری با افزایش ضخامت به‌صورت نمایی کم می‌شود). به زبان ساده، هرچه اتم‌ها بیشتر و عدد اتمی‌شان بالاتر باشد، احتمال جذب پرتوهای ایکس (و انتقال انرژی‌شان به ساختار اتمی ماده) بیشتر است.

شکل ۴ (چپ) تصویر پرتو ایکس یک یاقوت سرخ بیضی‌تراش با شکستگی‌های پرشده با شیشه سرب‌دار را از کنار سنگ نشان می‌دهد. در تصویر پرتو ایکس مستقیم، ساختارهای تیره‌تر پرتوهای ایکس بیشتری جذب کرده‌اند (یعنی فوتون‌های کمتری از آن‌ها عبور کرده است). شیشه سرب‌دار درون بدنه یاقوت سرخ به‌صورت ساختارهایی تیره و کاملاً مشخص دیده می‌شود. این کنتراست شدید از تفاوت ترکیب شیمیایی دو ماده می‌آید: سرب شیشه بسیار بیشتر از یاقوت سرخ جذب می‌کند، چون یاقوت سرخ از عناصر سبک‌تر آلومینیوم و اکسیژن ساخته شده است. شکستگی‌های عمودی نازک و ظریف به اندازه شکستگی‌های افقی ضخیم در بالای تصویر تیره نیستند.

این تفاوت جذب از اختلاف ضخامت ماده در مسیر عبور پرتوهای ایکس از نمونه تا آشکارساز می‌آید. اگر از یاقوت سرخ در جهت‌گیری دیگری تصویر می‌گرفتیم، الگو عوض می‌شد؛ مثلاً اگر سنگ را طوری می‌گذاشتیم که صفحه ترک درست هم‌راستای مسیر پرتو ایکس باشد، شیشه سرب‌دار در آن مسیر از بخش‌های افقی ضخیم‌تر می‌شد و پرتوهای ایکس بیشتری جذب می‌کرد. خود یاقوت سرخ هم بسته به ضخامتش جذب متفاوتی نشان می‌دهد: مرکز سنگ، که مقطعش ضخیم‌تر است، تیره‌ترین بخش است و جذب به‌طرف لبه‌ها که ماده کمتری سر راه پرتوها قرار دارد، کم می‌شود. در گوهرشناسی رسم است که تصاویر پرتو ایکس را با کنتراست معکوس (معروف به تصویربرداری نگاتیو) ثبت و نمایش بدهند (شکل ۴، راست)، همان‌طور که در بقیه تصاویر پرتو ایکس این مقاله می‌بینید.

جذب به انرژی فوتون‌های پرتو ایکس هم حساس است. فوتون‌های کم‌انرژی راحت‌تر از فوتون‌های پرانرژی جذب می‌شوند و فوتون‌های پرانرژی با احتمال جذب کمتری از ماده رد می‌شوند. به همین دلیل پرتوهای ایکس پرانرژی بهتر در اجسام چگال نفوذ می‌کنند، اما پرتوهای ایکس کم‌انرژی کنتراست بهتری بین مواد می‌دهند. کاربر معمولاً انرژی باریکه را با تنظیم ولتاژ لوله پرتو ایکس کنترل می‌کند و این کار حداکثر انرژی پرتوهای تابش‌شده را تعیین می‌کند. برای کم کردن انرژی پرتوها هم می‌توان باریکه را با ورقه نازکی از فلز «فیلتر» کرد تا پرتوهای ایکس کم‌انرژی مسدود شوند. این کار بازه انرژی باریکه را باریک‌تر می‌کند و به کم شدن خطاهای تصویری (Artifacts) ناشی از جذب متفاوت انرژی پرتو ایکس کمک می‌کند.

آشکارسازی پرتو ایکس

حسگر تصویر دیجیتال پرتو ایکس هم مثل یک دوربین دیجیتال کار می‌کند و فوتون‌های پرتو ایکس را به تصویر دیجیتال تبدیل می‌کند. شبکه‌ای از پیکسل‌ها تعداد نسبی فوتون‌هایی را که در زمان نوردهی مشخص به آشکارساز می‌رسند اندازه می‌گیرد و سیگنال را به‌صورت تصویر می‌خواند. پرتوهای ایکس اول از ماده‌ای به نام «سوسوزن» (Scintillator) می‌گذرند که در پاسخ به تحریک پرتو ایکس، نور مرئی فلورسان تابش می‌کند. بعد یک آشکارساز تصویربرداری این نور مرئی را می‌سنجد و به سیگنال دیجیتال تبدیل می‌کند. هرچه پرتوهای ایکس بیشتری به سوسوزن برسد، سیگنال قوی‌تر است.

این فرایند به‌طور پیش‌فرض تصاویری با کنتراست وارونه نسبت به فیلم‌های قدیمی حساس به پرتو ایکس می‌سازد. فیلم‌های قدیمی بر اساس واکنشی فوتوشیمیایی تصاویر نگاتیو می‌ساختند و نواحی دریافت‌کننده بیشترین فوتون پرتو ایکس تیره‌تر از نواحی با فوتون کمتر دیده می‌شدند. یعنی ساختارهای با جذب بالاتر روی فیلم پرتو ایکس روشن‌تر ظاهر می‌شدند. چون فیلم‌های پرتو ایکس مدت‌ها در تصویربرداری پزشکی کاربرد داشته‌اند، بیشتر مردم ساختارهای به‌شدت جاذب پرتو ایکس مثل استخوان را در تصاویر پرتو ایکس سفید تصور می‌کنند. برای حفظ همین قرارداد، بسیاری از سیستم‌های دیجیتال پرتو ایکس کنتراست تصویر را معکوس می‌کنند تا نواحی دارای سیگنال پرتو ایکس کمتر (جذب بیشتر) روشن‌تر از نواحی دارای سیگنال بیشتر دیده شوند.

در تصویربرداری دیجیتال پرتو ایکس، کاربر زمان نوردهی هر تصویر را تنظیم می‌کند تا مطمئن شود سیگنال کافی جمع می‌شود و از کم‌نوردهی (Underexposure) یا پرنوردهی (Overexposure) جلوگیری شود:

• کم‌نوردهی (Underexposure): یعنی فوتون‌های کافی از نمونه رد نمی‌شود تا کنتراست مناسبی در تصویر ایجاد شود. این حالت اغلب به نویز تصویر می‌انجامد که از نوسان‌های تصادفی تعداد فوتون‌های عبوری از ماده یا سیگنال‌های الکتریکی آشکارساز می‌آید.
• پرنوردهی (Overexposure): وقتی رخ می‌دهد که فوتون‌های بسیار زیادی به آشکارساز می‌رسند و توانایی آن را در اندازه‌گیری سیگنال‌های بیشتر اشباع می‌کنند. نتیجه تصویری رنگ‌پریده و بیش از حد روشن است که کنتراست درون نمونه را کم می‌کند.

در تصویربرداری دیجیتال مدرن پرتو ایکس دو نوع اصلی آشکارساز به کار می‌رود:

1. تقویت‌کننده‌های تصویر پرتو ایکس (X-ray image intensifiers): لوله‌های خلأیی که پرتوهای ایکس را به نور مرئی تبدیل می‌کنند و تصویر می‌سازند. اول فوتون‌های پرتو ایکس ورودی با ماده‌ای فسفرسان به فوتون‌های نور مرئی تبدیل می‌شوند و بعد با اثر فوتوالکتریک درون یک فوتوکاتد (Photocathode) به الکترون. سیستم اپتیک الکترونی این الکترون‌ها را شتاب می‌دهد و روی فسفر خروجی متمرکز می‌کند. در پایان، الکترون‌های خروجی دوباره به نور مرئی تبدیل می‌شوند که یک دوربین می‌تواند آن را ثبت کند.
2. آشکارسازهای صفحه تخت (Flat-panel detectors): در سال‌های اخیر به پیشرفته‌ترین فناوری آشکارساز پرتو ایکس برای کاربردهای رادیوگرافی و μ-CT تبدیل شده‌اند. این آشکارسازها که در اواسط دهه ۱۹۹۰ معرفی شدند، تصویر پرتو ایکس را مستقیم دیجیتال می‌خوانند و توان تفکیک مکانی بالاتری دارند (Berger و همکاران، ۲۰۱۸). GIA در حال حاضر در آزمایشگاه‌های مختلف خود در سراسر جهان از دستگاه‌های تصویربرداری پرتو ایکس با هر دو نوع آشکارساز استفاده می‌کند، بیشتر برای خدمات شناسایی مروارید.

مبانی میکروتوموگرافی کامپیوتری (μ-CT)

میکروتوموگرافی کامپیوتری پرتو ایکس تکنیکی است که تصاویر پرتو ایکس یک نمونه را از چند زاویه با هم ترکیب می‌کند و به یک بازنمایی دیجیتال سه‌بعدی تبدیل می‌کند. این تصاویر یا با چرخاندن نمونه ثبت می‌شوند یا با چرخاندن منبع پرتو ایکس و آشکارساز. بازنمایی‌های سه‌بعدی را معمولاً به‌صورت تصاویر مقطع عرضی (Cross-sectional) می‌بینیم. سِر گادفری هانسفیلد (Sir Godfrey N. Hounsfield) در سال ۱۹۷۱ نخستین اسکن توموگرافی کامپیوتری (CT) را از مغز انسان گرفت و در ۱۹۷۵ دستگاه توموگرافی کامپیوتری تمام‌بدن را ساخت؛ دستاوردهایی که در ۱۹۷۹ جایزه نوبل را برای او (به‌همراه آلن کورمک) به ارمغان آورد.

تصاویر مقطع عرضی μ-CT در مقیاس میکرومتر هستند و توان تفکیک مکانی بالایی در محدوده ۱ تا ۱۰ میکرومتر دارند. همین ویژگی، تشخیص بهتر ساختارهای درونی و هندسه جزئیات بسیار ریز در اجسام کوچک، مثل ویژگی‌های رشد درون مروارید، را ممکن می‌کند. اجزای اصلی دستگاه میکروتوموگرافی این‌هاست: لوله پرتو ایکس، موتور پله‌ای (Step motor) کنترل‌شده با کامپیوتر که نمونه سوارشده را به‌صورت منقطع می‌چرخاند، فیلتر تابش و کولیماتور (موازی‌ساز) که هندسه باریکه را به‌صورت پرتوافکنی بادبزنی یا مخروطی متمرکز می‌کند، پایه نمونه و آشکارساز دیجیتال پرتو ایکس جفت‌شده با سوسوزن. میکروتوموگرافی را پیشرفتی انقلابی می‌دانند (Boerckel و همکاران، ۲۰۱۴؛ Orhan، ۲۰۲۰).

گردآوری داده با μ-CT به چند عامل بستگی دارد: اندازه نمونه، توان تفکیک، اندازه واکسل (Voxel؛ معادل سه‌بعدی پیکسل)، زمان اسکن، تعداد تصاویر و گزینه‌های چرخش. منبع پرتو ایکس باید دقیقاً هم‌راستا و در مرکز آشکارساز باشد. زمان کل گردآوری، تعادلی است بین تعداد تصاویر و زمان لازم برای ثبت هر تصویر. مهم‌ترین عامل زمان اسکن، زمان ثبت هر تصویر پرتوافکنی منفرد است که بسته به حساسیت و گستره دینامیکی آشکارساز، روشنایی لوله پرتو ایکس و فاصله فیزیکی منبع تا آشکارساز از سیستمی به سیستم دیگر فرق می‌کند (du Plessis و همکاران، ۲۰۱۷). کیفیت هر تصویر، به‌ویژه کنتراست بین ویژگی‌های مورد نظر و سطح نویز، بیشتر کنتراست تصاویر سه‌بعدی نهایی را تعیین می‌کند. تعداد تصاویر در موقعیت‌های چرخشی مختلف هم روی دقت هندسی مقاطع عرضی سه‌بعدی و کیفیت تصویر اثر می‌گذارد. برای آزمایش مروارید در GIA، یک اسکن سریع μ-CT از مرواریدی با اندازه متوسط (حدود ۷ میلی‌متر) فقط حدود ۲۰ دقیقه طول می‌کشد.

بعد از گردآوری داده، گام بعدی بازسازی همه تصاویر پرتوافکنی دوبعدی در قالب یک حجم سه‌بعدی است و بعد رندرینگ (Rendering) و بخش‌بندی (Segmentation) این حجم با نرم‌افزارهای تخصصی. بازسازی، تصاویر مقطع عرضی دوبعدی یا «برش‌هایی» (Slices) عمود بر محور چرخش می‌سازد و رندرینگ این تصاویر را به اجسام سه‌بعدی تبدیل می‌کند که می‌توان دیجیتال دست‌کاری‌شان کرد. داده‌ها را می‌شود در جهت‌های مختلف برش داد تا نماهای متفاوتی از درون ماده دیده شود. شکل ۵ همین را نشان می‌دهد و مقاطع مختلف یک یاقوت سرخ پرشده با شیشه سرب‌دار را به نمایش می‌گذارد.

توجه کنید که در بازسازی μ-CT، کنتراست بین شیشه سرب‌دار و یاقوت سرخ به چگالی و شیمی ماده بستگی دارد، نه جذبی که در رادیوگراف‌های دوبعدی پرتو ایکس می‌بینیم. چون الگوریتم بازسازی سه‌بعدی با ترکیب رادیوگراف‌های دوبعدی نمونه از زاویه‌های مختلف، اثر طول مسیر جذب را تصحیح می‌کند. در حالت ایده‌آل کنتراست مقاطع عرضی دوبعدی فقط باید به ویژگی‌های ماده نمونه مربوط باشد، اما چند خطای تصویری (Artifact) می‌توانند تصویر نهایی را مخدوش کنند. از جمله: سایه یا رگه‌های روشن ناشی از اجسام بسیار چگال؛ خطاهای حلقه‌ای اطراف محور چرخش؛ و پدیده‌ای به نام «سخت‌شدگی پرتو» (Beam-hardening) که از جذب بیشترِ پرتوهای ایکس کم‌انرژی در ضخیم‌ترین بخش نمونه می‌آید و باعث می‌شود اجسام بیشتر از واقعیت جاذب به نظر برسند. برای شرح کامل‌تر و دیدن نمونه‌هایی از خطاهای تصویری μ-CT به شکل ۷ مقاله Withers و همکاران (۲۰۲۱) مراجعه کنید.

داده‌های μ-CT را می‌توان سه‌بعدی رندر کرد و دید، و کاربر می‌تواند آن‌ها را دیجیتال بخش‌بندی کند تا ساختارها و ویژگی‌های مورد نظرش برجسته شود. شکل ۶ این را نشان می‌دهد: شیشه سرب‌دار درون یاقوت سرخ شکل ۵ با کم کردن کدورت (یا افزایش شفافیت) یاقوت سرخ اطراف در رندرینگ سه‌بعدی نمایان شده است. این ابزار پژوهشی قدرتمند اجازه می‌دهد نواحی خاصی از یک جسم را برای آنالیز مجازی کاوش، دست‌کاری، استخراج و بازسازی کنیم. به پژوهشگران هم امکان می‌دهد داده‌های μ-CT موجود را برای دیدن واضح‌تر جزئیات بهبود دهند.

از دهه ۱۹۵۰، رادیوگرافی پرتو ایکس روش اصلی تفکیک مرواریدهای پرورشی و طبیعی بوده است، چون آزمایش‌کننده می‌تواند ساختارهای رشد درونی زیر ناکر (Nacre) را ببیند. بدل‌های مروارید (Pearl imitations)، مثل مهره‌های شیشه‌ای یا پلاستیکی پوشش‌دار، را هم می‌توان با همین روش تشخیص داد. در آزمایش مروارید، مرواریدها سه گروه اصلی دارند: پرورشی هسته‌دار، پرورشی بدون هسته و طبیعی.

۱. مرواریدهای پرورشی هسته‌دار (Bead Cultured Pearls)

برای تولید مروارید پرورشی هسته‌دار، تکنسینی ماهر قطعه‌ای از بافت جبه (Mantle) را از نرم‌تن دهنده‌ای هم‌گونه برمی‌دارد و همراه یک هسته صدفی (Shell bead) به غده جنسی (Gonad) نرم‌تن میزبان وارد می‌کند. بافت جبه رشد می‌کند، کیسه‌ای به نام کیسه مروارید (Pearl sac) دور هسته می‌سازد و ناکر را به سمت داخل و روی هسته ترشح می‌کند تا سرانجام یک مروارید پرورشی هسته‌دار شکل بگیرد (Strack، ۲۰۰۶). شناسایی این مرواریدها با رادیوگرافی پرتو ایکس نسبتاً ساده است، چون ساختار درونی‌شان معمولاً یک خط مرزی روشن و پیوسته دارد که هسته صدفی را از لایه‌های ناکر روی آن جدا می‌کند و درون هسته صدفی هیچ ویژگی رشد اضافه‌ای دیده نمی‌شود.

گوهرشناسان می‌توانند ضخامت ناکر را با رادیوگرافی پرتو ایکس اندازه بگیرند. شکل ۷ نمونه‌ای از این کار است و دو مروارید پرورشی هسته‌دار با اندازه و ضخامت ناکر متفاوت را نشان می‌دهد. این مرواریدها را نرم‌تنان گونه‌های مختلف جنس Pinctada ساخته‌اند و همین بر اندازه مروارید اثر می‌گذارد. اندازه مروارید به اندازه هسته صدفی کارگذاشته‌شده و مدت دوره پرورش هم بستگی دارد.

۲. مرواریدهای پرورشی بدون هسته (Non-Bead Cultured Pearls)

شناسایی مرواریدهای پرورشی هسته‌دار نسبتاً ساده است، اما مرواریدهای پرورشی بدون هسته مهره‌ای (که مرواریدهای پرورشی بدون هسته یا Beadless cultured pearls هم نامیده می‌شوند) می‌توانند دردسرسازتر باشند. این مرواریدها معمولاً محصول جانبی پرورش هسته‌دارند، اما می‌توانند نتیجه پرورش عمدی هم باشند (به‌ویژه مرواریدهای پرورشی آب شیرین). ساختار درونی مرواریدهای پرورشی بدون هسته بسیار متنوع است و اغلب یکی از این سه ویژگی را دارد: ویژگی‌های خطی نامنظم، فضاهای خالی (حفره‌های) نامنظم، یا لایه‌های متناوب ناکر و ماده آلی با فواصل یکنواخت همراه با بخش مرکزی سفید (Scarratt و همکاران، ۲۰۰۰؛ Krzemnicki، ۲۰۱۰؛ Sturman و همکاران، ۲۰۱۶a,b؛ Nilpetploy و همکاران، ۲۰۱۸؛ Al-Alawi و همکاران، ۲۰۲۰؛ Homkrajae و همکاران، ۲۰۲۱b). شکل ۸ نمونه‌هایی از این ساختارها را نشان می‌دهد.

۳. مرواریدهای طبیعی (Natural Pearls)

برخلاف مرواریدهای پرورشی، مرواریدهای طبیعی را گونه‌های مختلف نرم‌تنان آب شور و آب شیرین درون یک کیسه مروارید طبیعی و بدون دخالت انسان می‌سازند. هر مروارید طبیعی زیر رادیوگرافی پرتو ایکس ویژگی‌های رشد درونی منحصربه‌فردی نشان می‌دهد، مثل ساختار رشد هم‌مرکز کلاسیک «حلقه‌های پیاز» یا «حلقه‌های سالانه درخت». با این حال بررسی به روش‌های مخرب و غیرمخرب نشان داده الگوهای رشد درون مروارید طبیعی بسیار پیچیده‌تر از توصیف معمول آن است. این ساختارها از بلوک‌های سازنده پیچیده‌ای از پلی‌مورف‌های (Polymorph) مختلف کربنات کلسیم و مخلوط‌های پیچیده ترکیبات آلی ساخته شده‌اند (Vasiliu، ۲۰۱۶؛ Homkrajae و همکاران، ۲۰۲۱a).

شکل ۹ نمونه‌هایی از ساختارهای رشد درونی رایج مرواریدهای طبیعی را نشان می‌دهد؛ بخشی از یک گردنبند چندرشته‌ای با مرواریدهای طبیعی آب شور که نرم‌تنی از جنس Pinctada ساخته است. این ساختارها شامل کمان‌های رشد جزئی، کمان‌های رشد هم‌مرکز و هسته‌های غنی از ماده آلی به رنگ خاکستری روشن یا تیره است. تشخیص این ساختارها نسبتاً سرراست است، اما باید به یاد داشت که مرواریدهای طبیعی هم ممکن است الگوهای رشد دیگری شبیه مرواریدهای پرورشی بدون هسته داشته باشند، مثل ساختارهای خطی، حفره‌ای یا حلقه‌های رشد با فواصل منظم در مرکز. بعضی از این ساختارها در ناحیه مرزی بین مرواریدهای طبیعی و پرورشی بدون هسته قرار می‌گیرند و برای شناسایی قطعی به اطلاعات تکمیلی نیاز دارند: گونه نرم‌تن، وضعیت سطح یا قدمت مروارید و شیمی عناصر کمیاب.

کاربردهای تکمیلی و مزایای μ-CT در آزمایش مروارید

رادیوگرافی پرتو ایکس علاوه بر تفکیک سه نوع اصلی مروارید، برای تشخیص ویژگی‌های دیگر یا روش‌های پرورش غیرمعمول هم کاربرد دارد: بهسازی با نیترات نقره برای تیره کردن رنگ (Segura و Fritsch، ۲۰۱۴)، محصولات بدلی مثل مرواریدهای بدلی برند Majorica (Hanano و همکاران، ۱۹۹۰) و مرواریدهایی که از داخل پر یا مسدود شده‌اند (Wong و Ho، ۲۰۱۳).

میکرورادیوگراف‌های دوبعدی برای شناسایی مروارید ضروری‌اند، اما فقط اطلاعات کلی درباره ساختار رشد می‌دهند و برای دیدن بهتر الگوهای رشد اغلب باید مروارید را از جهت‌های مختلف بررسی کرد. تلاشی هم برای ساختن «رادیوگرافی پرتو ایکس سه‌بعدی» با سیستم رادیوگرافی معمولی انجام شده است (Hainschwang، ۲۰۱۱). در سال‌های اخیر تحلیل μ-CT رایج‌تر شده و اغلب برای رسیدن به نتیجه نهایی درباره هویت مروارید لازم است. اسکن‌های با توان تفکیک بالا جزئیات ظریف ساختار رشد را نشان می‌دهند، از جمله ساختارهای خطی ریز یا ویژگی‌های رشد کوچکی که به روش‌های دیگر به‌سختی دیده می‌شوند.

وقتی مروارید پرورشی بدون هسته شکل ۸C با μ-CT بررسی شد، یکی از تصاویر ویژگی‌های «دانه‌مانند» (Seed) اضافه‌ای را در مرکز مروارید نشان داد که نتیجه‌گیری درباره پرورشی بدون هسته بودنش را تأیید می‌کرد؛ شکل ۱۰ (راست) را با شکل ۱۰ (چپ) مقایسه کنید. تحلیل μ-CT معمولاً به مرواریدهای آزاد یا مرواریدهای سوارشده‌ای محدود است که پایه فلزی جلوی دیدشان را نگرفته باشد و بررسی تک‌تک مرواریدها نسبتاً وقت‌گیر است. با این حال پیشرفت‌های اخیر امکان بررسی هم‌زمان چند مروارید یک رشته را با این تکنیک فراهم کرده است (Rosc و همکاران، ۲۰۱۶).

مزیت دیگر μ-CT این است که ساختارهای درونی مروارید را با نرم‌افزار تخصصی به مدل‌های سه‌بعدی بازسازی می‌کند. این کار ساختارهای درونی را بهتر نشان می‌دهد، به‌ویژه در مرواریدهایی با هسته‌های غیرمعمول. مرواریدهایی که با مواد غیرمتعارف پرورش یافته‌اند و شکل و ریخت‌شناسی (Morphology) منحصربه‌فردی دارند، نمونه‌های خوبی از همین کاربردند (شکل ۱۱) (Zhou و همکاران، ۲۰۱۶؛ Scarratt و همکاران، ۲۰۱۷؛ Yazawa و Zhou، ۲۰۱۸).

محدودیت‌ها و تکنیک‌های نوین در آزمایش مروارید

این تکنیک‌های پرتو ایکس در تعیین ویژگی‌های مروارید نقش حیاتی دارند، اما محدودیت‌هایی هم دارند:

• پایه‌های فلزی جواهر اغلب مرواریدهای سوارشده را مسدود می‌کنند و مانع از نفوذ پرتوهای ایکس و رسیدنشان به هدف می‌شوند.
• بعضی مرواریدهای رنگی، مثل مرواریدهای کونچ ملکه (Queen conch)، زیر پرتودهی طولانی ناپایدارند و رنگ صورتی‌شان ناخواسته تغییر می‌کند که می‌تواند بر ارزش‌شان اثر بگذارد (Hyatt و همکاران، ۲۰۲۰). (مرواریدهای کونچ ملکه تراکم‌های آهکی غیرناکری‌اند که حلزون دریایی Strombus gigas می‌سازد.)
• هزینه بالای یک دستگاه مدرن μ-CT و زمان لازم برای گردآوری داده با کیفیت بالا هم می‌تواند بازدارنده باشد.

در سال‌های اخیر تکنیک‌های نوینی با روش‌های مختلف تصویربرداری پرتو ایکس برای آنالیز مروارید به کار رفته‌اند، اما معمولاً استفاده نمی‌شوند و از حوصله این مقاله بیرون‌اند. از جمله استفاده هم‌زمان از رادیوگرافی پرتو ایکس، تصویربرداری کنتراست فاز (Phase-contrast) و میدان تاریک (Darkfield) برای تفکیک مرواریدهای طبیعی از پرورشی (Krzemnicki و همکاران، ۲۰۱۷)، و تلاش برای استفاده از رادیوگرافی نوترونی (Neutron radiography) در بررسی ساختارهای درونی (Hanser و همکاران، ۲۰۱۸؛ Micieli و همکاران، ۲۰۱۸).

μ-CT در گوهرشناسی و کانی‌شناسی طیف وسیعی از کاربردها دارد:

مستندسازی سه‌بعدی نمونه‌های کمیاب و مطالعه اینکلوژن‌ها

شاید جذاب‌ترین کاربرد این روش مستندسازی سه‌بعدی نمونه‌های کمیاب و منحصربه‌فرد باشد. نمونه‌ای از کارهای اخیر، آنالیز «الماس ماتریوشکا» (Matryoshka diamond) بود؛ بلوری سبز و ۰٫۶۲ قیراطی با حفره‌هایی داخلی که اینکلوژنی آزاد و متحرک داشت. Wang و همکاران (۲۰۲۰) با μ-CT بررسی کردند ریخت‌شناسی (Morphology) حفره درونی چه ارتباطی با بخش بیرونی الماس دارد.

این فناوری برای بررسی مجموعه‌ای از اینکلوژن‌های گرفتار در کانی‌های دیگر هم مناسب است:

• Nimis و همکاران (۲۰۱۶) با μ-CT اینکلوژن‌های کانی در الماس را بررسی کردند و لایه بسیار نازکی (با ضخامت کمتر از ۱ میکرومتر) از سیال هیدروسیلیسیک (Hydrosilicic fluid) را دور بسیاری از آن‌ها پیدا کردند. این لایه چگالی کمتری از الماس میزبان و اینکلوژن‌های کانی داشت.
• Linzmeyer و همکاران (۲۰۲۴) با μ-CT از ابرهایی از اینکلوژن‌های میکروسکوپی غنی از نیکل تصویر گرفتند که در امتداد بخش‌های (سکتورهای) رشد شبه‌مکعبی دو الماس بزرگ گرفتار شده بودند. هر اینکلوژن آن‌قدر کوچک بود که در بازسازی μ-CT مستقیم دیده نمی‌شد، اما ابرهای اینکلوژنی تفاوت بسیار ظریفی در جذب پرتو ایکس ایجاد کردند که تصویربرداری سه‌بعدی از بخش‌های رشد حاوی اینکلوژن را ممکن کرد.
• Gao و همکاران (۲۰۲۲) با μ-CT پرتوان روی زمردی با الگوی ویژه تراپیچه (Trapiche) که هسته بی‌رنگ، کانی‌های جامد و سیالات داشت، توزیع این اینکلوژن‌ها را درون گوهر میزبان تصویر کردند.

دیرینه‌شناسی و فسیل‌های درون کهربا

در دیرینه‌شناسی هم μ-CT برای تصویربرداری از فسیل‌ها کاربرد گسترده‌ای دارد. مثلاً Watanabe و همکاران (۲۰۱۵) کیسه‌های پر از هوای مهره‌های دایناسورها را بررسی کردند که مثل استخوان پرندگان امروزی در سیستم تنفسی دایناسورها نقش داشتند. Barta و همکاران (۲۰۱۸) هم تکامل آناتومی دست دایناسورها را مطالعه کردند. Barden و Grimaldi (۲۰۱۲) فسیل‌های درون کهربا را بررسی کردند و مورچه‌ای با آرواره‌های تیز و عاج‌مانند را در کهربایی ۹۸ میلیون ساله از میانمار مستندسازی کردند.

تشخیص پرشدگی شکستگی‌ها و سایر کاربردهای شناسایی

رادیوگرافی پرتو ایکس و μ-CT برای تشخیص و تحلیل پرشدگی شکستگی (Fracture filling) در گوهرهایی مثل الماس، یاقوت سرخ و سفایر ابزارهای قدرتمندی‌اند:

• رادیوگراف پرتو ایکس یک الماس ۰٫۹۰ قیراطی بهسازی‌شده به روش یهودا (Yehuda) نواحی پرشده را به‌صورت لکه‌های سفید و کدر (نوردهی‌نشده) نشان داد (Koivula و همکاران، ۱۹۸۹).
• Jia و Sit (۲۰۲۰) با تصویربرداری دوبعدی پرتو ایکس، پرشدگی با شیشه بیسموت را در یاقوت‌های سرخ برمه‌ای نمایان کردند.
• پرشدگی غیرمعمولی با شیشه قلع هم در یاقوت سرخ گزارش شده است. رادیوگرافی پرتو ایکس در این یاقوت نواحی لکه‌لکه و کمی روشن‌تری را نشان داد که با محل ماده پرکننده در شکاف‌های رسیده به سطح می‌خواند (Sun و همکاران، ۲۰۲۳).
• Sahoo و همکاران (۲۰۱۶) با تصویربرداری دوبعدی و سه‌بعدی پرتو ایکس ساختار شکستگی‌های پرشده با شیشه سرب‌دار را در یاقوت‌های سرخ بررسی کردند و این روش را با آنالیز ریزکاوشگر الکترونی (Electron microprobe analysis) برای تعیین ترکیب شیمیایی ماده پرکننده ترکیب کردند.
• تکنیک‌های تصویربرداری پرتو ایکس می‌توانند محل کانال‌های مته‌کاری لیزری پرشده در الماس را دقیق مشخص کنند (Hainschwang، ۲۰۱۱) و حتی به شناسایی محصولات عاج کمک کنند (Karampelas و Kiefert، ۲۰۱۰).
• رادیوگرافی پرتو ایکس همچنین می‌تواند روشی مکمل برای شناسایی سنگ‌های قیمتی مرکب (Composite) باشد؛ مثل دوبلت (Doublet) کروندوم پرشده با شیشه سرب‌دار که Promwongnan و همکاران (۲۰۱۶) گزارش کرده‌اند.

در مطالعه‌ای روی مجموعه‌ای از گوهرها با μ-CT، که بر پرشدگی شکستگی‌ها تمرکز داشت و تغییر رنگ ناشی از پرتودهی را هم بررسی می‌کرد، معلوم شد بیشتر گوهرها با گذشت زمان رنگ اولیه‌شان را بازیافتند. اما یک توپاز آبی آسمانی (Sky blue) تمام رنگش را از دست داد و حتی بعد از ماه‌ها هم رنگش برنگشت (Heyn و همکاران، ۲۰۲۱).

رادیوگرافی پرتو ایکس و میکروتوموگرافی کامپیوتری پرتو ایکس (μ-CT) هر دو کاربردهای گسترده‌ای دارند. در گوهرشناسی، این دو تکنیک بیشتر برای تفکیک مرواریدهای طبیعی و پرورشی به کار می‌روند، هرچند برای تعیین ویژگی‌های مواد گوهری دیگر هم استفاده شده‌اند. با پیشرفت روش‌های پرورش مروارید و پیچیدگی تشکیل مروارید طبیعی، این تکنیک‌ها نقش مهم‌تری در شناسایی این سنگ‌های قیمتی زیست‌زاد و رازآلود خواهند داشت (شکل ۱۲). بیشتر مرواریدهای پرورشی و طبیعی را می‌توان فقط با میکرورادیوگرافی پرتو ایکس به‌طور قابل‌اعتمادی از هم جدا کرد، اما ویژگی‌های رشد درونی‌شان با μ-CT بهتر دیده می‌شود. در بعضی موارد خاص، برای تفکیک بعضی مرواریدهای طبیعی از مرواریدهای پرورشی بدون هسته، μ-CT با توان تفکیک بالا ضروری است. رادیوگرافی پرتو ایکس و μ-CT معمولاً در آنالیزهای روزمره گوهرهای غیرمروارید به کار نمی‌روند، اما می‌توان از آن‌ها بیشتر برای مطالعه پرشدگی شکستگی در گوهرها و مستندسازی و تجسم درون نمونه‌های کمیاب و جالب استفاده کرد.

منبع و نویسندگان:
Chunhui Zhou, W. Henry Towbin
GIA.edu: Gems & Gemology, Winter 2024, Vol. 60, No. 4