بخشی از مقاله
چکیده
در دستگاه IVNAA، تضمین حفاظت فرد در برابر برخورد پرتوهای نامطلوب به بدن و جلوگیری از اثرات جانبی آن، اهمیت بهسزایی دارد. در این مقاله با هدف کاهش شار گامای رسیده به بدن، بدون ایجاد تغییر بارزی در شار نوترون حرارتی رسیده به آن، با قراردادن حفاظ گاما در دو موقعیت مجزای اطراف چشمه و اطراف بیمار، تاثیر آن بر طیف انرژی گاما، شار کل گاما و شار نوترون حرارتی رسیده به بدن مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت با در نظرگرفتن این سه شاخص، حالت بهینه تعیین گردید.
واژههای کلیدی: روش فعالسازی نوترونی،حفاظ گاما، طیف انرژی گاما، شار کل گاما، شار نوترون حرارتی
01مقدمه
یکی از کاربردهای تحلیل عناصر بدن به روش فعالسازی نوترون 1 - IVNAA - ، تعیین عناصر کم مقدار آن به منظور تشخیص برخی بیماری ها و سرطانها میباشد. از مشکلات مهم در این روش با توجه به سروکارداشتن با موجود زنده، آثار مخرب و صدمات جدی ناشی از رسیدن پرتوها به بدن است. در این روش، بدن بیمار ناگزیر است که در برابر پرتو قرار بگیرد. اما با توجه به اینکه IVNAA برای استفادهی عملی باید دارای استاندارد طلایی باشد[1]، بایستی تا حد امکان مانع از رسیدن پرتوهای غیر ملزومی مانند پرتوهای گامای نامطلوب به بدن بیمار شد. از طرفی، به دلیل کم بودن مقدار عناصر در بدن، برای تشخیص بهتر و ایجاد مغایرت2 قابل قبول باید میزان پرتودهی و شار نوترون رسیده به بدن تا حد امکان زیاد باشد. لذا حفاظگذاری گاما نباید سبب تغییر بارزی در شار نوترونها شود.
در دستگاه IVNAA مورد مطالعه در این پژوهش، چهار چشمهی 241Am-Be بهکار برده شده و پرتودهی به بیمار به صورت دو طرفه با قرار دادن دو چشمه در بالا و دو چشمه در پایین بدن بیمار انجام میشود.[2] این چشمه که نوعی چشمهی - ' Q - محسوب میشود، علاوه بر نوترون، پرتوهای گاما نیز تولید میکند که با توجه به انرژی آنها برای بدن بسیار مضرهستند . منبع دیگر پرتوهای گامای نامطلوب، پرتوهای گامای ثانویهای هستند که از برخورد نوترون با اجزای دستگاه IVNAA به وجود میآیند. علاوه بر پرتوهای گامای نامطلوب، پرتوهای گامای دیگری نیزدر برهمکنش نوترونها با فانتوم تولید میشوند و ازآنجایی که اساس روش فعالسازی نوترونی در آشکارسازی این پرتوها و دریافت اطلاعات از آنهاست، به عنوان پرتوهای گامای مطلوب شناخته میشوند.
02نتایج و بحث
حفاظ اطراف بیمار
در طیف انرژی گامای درون فانتوم، بیشترین شار گاما مربوط به انرژی 4/43 MeV و 2/23 MeV است. در تمام عناصر شار گامای4/43 MeV، نسبت به حالت بدون حفاظ کاهش مناسبی دارد. در ضخامت 4 cm، سرب از بیسموت موثرتر بوده است. آهن و نیکل در همین ضخامت نسبت به سایر عناصر شار گامای 4/43 MeV را کمتر کاهش دادهاند. شار کل پرتوهای گامای 2/23 MeV به دو دلیل کاهش قابل توجهی نمییابد. اولا خود فانتوم از آب تشکیل شده و در برهمکنش نوترون با هیدروژن، پرتوهای گامای2/23 MeV، تولید میشوند. ثانیا در کندکنندههای اطراف فانتوم که از جنس پلیاتیلن هستند نیز این پرتوها تولید میشوند و چون حفاظ گاما قبل از آن قرار میگیرد، نمیتواند از بیمار در برابر آنها محافظت کند.
شار کل پرتوهای گاما - شکل - 1 در ضخامت 1/5 cm با آهن، نیکل و جیوه افزایش و با تنگستن، سرب و بیسموت کاهش مییابد. به طور کلی سرب، بیسموت، تنگستن، جیوه، نیکل و آهن به ترتیب در کاهش شار گاما موثرتر هستند.سهم پرتوهای گامای نامطلوب در کل پرتوهای گاما، در دستگاه بدون حفاظ %57/77 است. سرب و بیسموت با ضخامت 1/5 cm، به ترتیب %49/16 و %44/63 در شار پرتوهای گامای نامطلوب - معادل %28/4 و %25/78 در شار گامای کل - ، کاهش ایجاد میکنند. این در حالی است که در حضور تنگستن و جیوه در ضخامت 4 cm به ترتیب %38/9 و %11/27 کاهش در شار گامای نامطلوب دیده میشود.
شار گامای نامطلوب - شکل - 1 تا ضخامت 5 cm از آهن و نیکل نسبت به دستگاه بدون حفاظ افزایش داشته است. لذا برای استفاده از آهن و نیکل به عنوان حفاظ به ضخامتهایی بیشتر از این مقدار نیاز است.تمام عناصر بررسیشده، شار نوترون حرارتی را در موقعیت اطراف بیمار نسبت به حالت بدون حفاظ، کاهش میدهند - شکل. - 2 از میان این عناصر، بیسموت، سرب و آهن کمترین و تنگستن بیشترین کاهش را ایجاد میکنند . در ضخامت 1/5 cm، توسط بیسموت، سرب و آهن به ترتیب %6/8، %7/1 و %13/63 و در حضور تنگستن %26/13 و در ضخامت 4 cm توسط بیسموت، سرب و آهن به ترتیب %14/48، %17/07 و %27/82 و در حضور تنگستن %44/7، کاهش در شار نوترون حرارتی بهوجود آمدهاست.
حفاظ اطراف چشمه
در بررسی طیف انرژی پرتوهای گاما مشاهده شد که تغییرات شار گامای 2/23 MeV نسبت به دستگاه بدون حفاظ گاما، در مقایسه با چیدمان همراه با حفاظ اطراف بیمار، بسیار کمتر است. شار گامای 4/43 MeV نیز در این حالت نسبت به حالت بدون حفاظ کاهش یافته است. اما در مقایسهی نظیر به نظیر مواد، حفاظ اطراف بیمار از حفاظ دور چشمه مؤثرتر بوده است.در شکل3 تغییرات شار کل گاما و گامای نامطلوب نسبت به دستگاه بدون حفاظ رسم شده است. همانطور که مشاهده میشود، تمام عناصر تا ضخامت 1/5 cm، سبب افزایش شار کل گاما شدهاند. آهن و نیکل تا ضخامت 3/5 cm، شار کل گاما را نسبت به حالت بدون حفاظ، به سرعت افزایش میدهند. در ضخامتهای بیشترِ این دو عنصر، شار گاما با آهنگ بسیار کندی کاهش مییابد. اما تاضخامت 5 cm، هنوز نسبت به حالت بدون حفاظ بیشتر است.
در کاهش شار کل گاما نسبت به حالت بدون حفاظ در شعاع 4 cm، به ترتیب تنگستن، سرب، جیوه و بیسموت موثرترند. البته در این ضخامت، نسبت به چیدمان با حفاظ اطراف بیمار، شار گاما کاهش کمتری مییابد. شار گامای نامطلوب با آهن و نیکل، تا ضخامت 5 cm، نسبت به حالت بدون حفاظ بیشتر شده است. بیشترین کاهش شار گامای نامطلوب مربوط به تنگستن و جیوه در ضخامت 5 cm، به ترتیب برابر است با %39/86 و %33/41 است.یکی از دلایل افزایش شار گاما مربوط به واکنشهای - - Q' در این عناصر است. در برخورد نوترونهای چشمه با عناصر حفاظ، بااحتمالی اندرکنشهای - - Q' صورت میگیرد و این امر سبب میشود که شار کل گامای خروجی از حفاظ بیشتر شود. هرچند که در ضخامتهای کمتر، احتمال چنین اندرکنشهایی کمتر است، اما به موازات آن کاهش شار گاما نیز کمتر رخ میدهد. در حقیقت با افزایش ضخامت رقابتی بین کاهش شار گاما و اندرکنشهای - - Q' صورت میگیرد.
به تدریج با افزایش ضخامت، تضعیف گاما برتولید گامای ناشی از این برهمکنشها غلبه کرده و آهنگ تغییرات شار گاما روند نزولی پیدا میکند.شار نوترون حرارتی مطابق شکل 4 در حضور تمام عناصر، بهجز نیکل، نسبت به حالت بدون حفاظ افزایش داشته است. در این میان،بیسموت، سرب و سپس آهن و جیوه، منجر به کمترین افزایش شدهاند. با توجه به این تغییرات کم، میتوان ضخامتهای بیشتر از 5 cm از هریک از عناصر، مخصوصا سرب و بیسموت را به کار برد.در چیدمان با حفاظ اطراف بیمار، شار کل گاما و شار گامای نامطلوب کاهش بهتری نسبت به حفاظ دور چشمه دارند. شار نوترون حرارتی با حفاظ اطراف بیمار نسبت به حالت بدون حفاظ تغییر بسیار زیادی تا حد 4 برابر میکند. به عنوان نمونه در ضخامت 4 cm تا حد %44/7 - برای تنگستن - ، کاهش مییابد. در حالی که در حفاظ دور چشمه تا ضخامت 5 cm ، برای تمام عناصر، تغییرات شار نوترون حرارتی کمتر از %8 بوده است.
لذا با توجه به شار کل گاما و شار نوترون حرارتی چیدمان با حفاظ حول چشمه از چیدمان اطراف بیمار بهتر است. بهترین حالت برای حفاظ حول چشمه با توجه به این دو عامل بیسموت و سرب با ضخامتهای بیشتر از 5 cm و برای حفاظ اطراف بیمار همین عناصر با ضخامت 1/5 cm هستند..3 روش محاسبات با توجه به نحوهی برهمکنش گاما با مواد، عناصری که بهترین کاهشدهندهی شار گاما هستند، یعنی تنگستن، جیوه، سرب، بیسموت،نیکل و آهن انتخاب شدند. ضخامت لازم برای حفاظ گاما با استفاده از رابطهی 1 و با قراردادن کمترین مقدار ممکن ضرایب میرایی هر عنصر تخمین زده شد3]،.[4 در جدول 1 ضخامت لازم برای کاهش % 50 تا % 99 از شار گامای عبورکرده، محاسبه شده است.اعداد ردیف سوم تا دهم ضخامتهای مورد نیاز برای هر ماده، بر حسب cm است.
