بخشی از مقاله
چکیده
اثرات بیولوژیکی مخرب نوترون درون بدن انسان، یکی از دغدغه های مهم در محیط های آلوده به نوترون است. از طرفی حضور در چنین محیطهایی برای برخی افراد اجتناب ناپذیر میباشد. از اینرو تلاش میشود تا با طراحی و ساخت دزیمترهای نوترونا بهترین وضعیت قرارگیری شخص نسبت به چشمه برای دریافت دز کمتر معین شده و تخمین مناسبی از میزان تخریب نوترون درون بدن فراهم شود.
کمیتی که توسط کمیته بین المللی حفاظت در برابر پرتو، ICRP، برای بیان میزان تخریب ناشی از پرتو در کل بدن معرفی شده است، دز موثر میباشد. این کمیت، کاملا محاسباتی است و امکان اندازه گیری آن وجود ندارد. از طرفی آن چه توسط دزیمتر نوترون اندازهگیری میشود، تعداد نوترونهای شمارش شده به وسیله آشکارساز درون دزیمتر است. در این مقاله با برقراری یک ارتباط منطقی بین شمارش دزیمتر و دز موثر، علاوه بر محاسبه دز موثر، ضرایب مورد نیاز برای تخمین دز موثر در 6 هندسه استاندارد دزیمتری محاسبه شده است.
مقدمه
هدف از علم دزیمتری بررسی تاثیر پرتو بر متابولیسم بدن انسان و کاهش اثرات مخرب آن است. این در حالی است که همواره گروهی از افراد ناگزیر از حضور در محیطهای آلوده نظیر آزمایشگاههای تحقیقاتی، نیروگاهها و یا مراکز پزشکی هستهای میباشند. بنابراین اثرات مخرب نوترون بالاخص در انرژیهای حرارتی، اهمیت دزیمتری محیطهای آلوده را بسیار افزایش میدهد. از طرفی طبیعت آماری پرتوها امکان رسیدن به یک رابطه قطعی در زمینه ارتباط بین تابش دریافتی و خطرپذیری حاصل از آن را از بین میبرد. از اینرو برآورد تقریبی از بهترین وضعیت قرارگیری نسبت به چشمه و یا چشمهها برای دریافت کمترین دز و ایجاد کمترین تخریب در بدن بسیار حائز اهمیت است.
کمیته بین المللی حفاظت در برابر پرتوها، ICRP، کمیتهایی را برای تخمین اثرات پرتو در موجود زنده معرفی کردهاست. مهمترین این کمیتها که بیانگر تخمین کلی تخریب درون بدن با درنظر گرفتن نوع و انرژی تابش و بافت هدف میباشد، دز موثر است. این کمیت کاملا محاسباتی است و قابل اندازهگیری نمیباشد. هدف از این مقاله تخمین مقدار دز موثر با استفاده از دزیمتر نوترون است. کمیتی که توسط دزیمتر قابل اندازهگیری است، تعداد نوترونهای شمارش شده توسط آشکارساز میباشد.
در نتیجه برای محاسبه دز موثر، لازم است که بین تعداد نوترونهای شمارش شده و دز موثر ارتباط مناسبی برقرار شود. چگونگی برقراری این ارتباط به تفصیل مورد بحث قرار میگیرد. از طرفی در مباحث دزیمتری، رایجترین هندسههای تابشی به شش صورت تعریف میشوند. از اینرو دز موثر دریافتی در هر کدام از این 6 هندسه به صورت جداگانه محاسبه شده و ارتباط آن با شمارش آشکارساز معین گردید. این 6 هندسه، هندسههای مرسوم در پزشکی بوده و عبارتند از:
-1 صفحه مسطح با تابش از روبرو - AP -
-2 صفحه مسطح با تابش از پشت - PA -
-3 صفحه مسطح با تابش از سمت چپ - LLAT -
-4 صفحه مسطح با تابش از سمت راست بدن - RLAT - -5 چشمه سطحی استوانهای محاط بر بدن - ROT -
-6 چشمه سطحی کروی محاط بر بدن . - ISO -
مواد و روشها
برقراری ارتباط مناسب بین شمارش آشکارساز دزیمتر و دز موثر دریافتی، در سه مرحله صورت گرفت. در مرحله اول شکل ارتباط بین شمارش و دز - تابعیت خطی و غیرخطی - ، برای دستیابی به هدف موردنظر بررسی شد. پس از تعیین شکل رابطه، میزان شمارش آشکارساز در شش هندسه تابشی، با قراردادن دزیمتر در مقابل چندین چشمه نقطهای تک انرژی ساده مشخص گردید. در این مرحله از شبیهسازی با کد مونتکارلو MCNP4C استفاده شد. سپس نتایج بدست آمده با دادههای موجود برای دز موثر در شش هندسه مقایسه شده و ضرایب مناسب برای ایجاد ارتباط معین گردید. در ادامه هر کدام از مراحل بالا با جزئیات بیشتر شرح داده میشود.
همانطور که گفته شد، در گام اول لازم است بدانیم که چه نوع رابطهای، خطی یا غیرخطی، میتواند مطلوب باشد. میتوان به سادگی نشان داد که بهترین شکل ارتباط یک تابعیت خطی است. منظور از تابعیت خطی این است که اولا دز موثر با توان اول شمارش رابطه مستقیم داشته باشد و به علاوه ضریب مربوط کنندهء این دو مقدار به یکدیگر برای تمام نقاط یکسان باشد. بهطوریکه Di دز موثر و fij تعداد ذرات با انرژی j که درشمارش موثر هستند، و A یک ثابت دلخواه است که به انرژی ذرات رسیده به آشکارساز بستگی دارد. i نمایانگر انرژی چشمه تک انرژی بهکار رفته در آزمایش است. وابستگی ثابت به انرژی شکل خطی ارتباط را از بین میبرد. از طرفی عددی که آشکارساز به عنوان شمارش نشان میدهد به انرژی ذره رسیده بستگی ندارد.
برای محاسبه شمارش از شبیهسازی یک دزیمتر ساده نوترون استفاده شد. دزیمتر شامل یک آشکارساز کروی 3He با شعاع 0/5cm است، که توسط کرهای از جنس پارافین با شعاع 10cm احاطه شدهاست. لازم به ذکر است که سطح مقطع جذب نوترونهای حرارتی در این آشکارساز بسیار بالا و حدود 5300 بارن میباشد. به همین جهت از پارافین برای کند کردن نوترونهای رسیده به دزیمتر استفاده شده است. انتخاب شکل کروی دزیمتر به این دلیل است که شمارش آشکارساز به جهت ورود نوترونها بستگی نداشتهباشد.
در واقع به دلیل تقارن کروی دزیمتر، نوترون از هر جهت که به سمت آشکارساز تابیده شود، میتواند شمارش شود. بنابراین میتوان نشان داد که اگر چشمه به صورتی انتخاب شود که تمامی نوترونها به درون دزیمتر وارد شوند، شمارش آشکارساز مستقل از نوع هندسه تابشی بوده و مقدار آن در تمامی حالتها مطابقت خوبی خواهد داشت. با این وجود، برای افزایش دقت محاسبات میتوان اختلاف بین حالتهای متفاوت را نیز لحاظ کرد. این مقاله با فرض مطابقت شمارش انواع مختلف هندسهها در دزیمتر کروی انجام شدهاست. در نتیجه برای محاسبه شمارش تنها از یک نوع هندسه تابشی، چشمه نقطهای تک انرژی، استفاده شده است.
تالی به کاررفته در این مرحله تالی F4 با کارت کمکی FM است. تالی F4 شار حجمی نوترونها درون آشکارساز را معین میکند. اما از آنجایی که تنها نوترونهایی که جذب 3He شوند شمرده میشوند، کارت کمکی FM به گونهای تعریف شده است که تنها نوترونهای جذب شده را مشخص کند. همانطور که پیش از این ذکر شد، چشمه نوترون به صورت نقطهای و تک انرژی در فاصله 30cm از مرکز دزیمتر قرار داده شده و فضای بین چشمه و دزیمتر خلأ میباشد. محاسبات برای 20 انرژی متفاوت در محدود 10-9 تا 20 MeV انجام گردید.
فاصله چشمه از دزیمتر و انرژی چشمه نقطهای با توجه به دادههای دز موثری که برای مقایسه استفاده شدند، انتخاب گردید. مقادیر دز موثر با قرارگیری فانتوم انسان در هر کدام از شش هندسه تابشی، توسط کد محاسباتی MCNPX 2.0.4 محاسبه شدهاند. برای محاسبه دز موثر فانتوم ریاضی مرد بزرگسال به کار رفتهاست. ویژگیهای این فانتوم، منطبق بر فانتوم ریاضی ORNL میباشد. همه اعضا و ارگانهای داخلی در این فانتوم لحاظ شدهاند. در 4 هندسه ابتدایی فاصله فانتوم از صفحه چشمه 30cm درنظر گرفته شده و برای دو هندسه دیگر شعاع چشمه کروی و استوانهای نیز 30cm میباشند. محاسبات دزسنجی نیز برای 20 چشمه تک انرژی انجام شده است.
