بخشی از مقاله
چکیده
بحث حفاظسازي پرتوها از جمله موضوعاتی است که همچنان چالش برانگیز است. با شناخت پرتوهاي ایکس و گاما توسط بشر، استفاده از این امواج الکترومغناطیس نافذ به سرعت در زمینههاي مختلفی مانند روشهاي تشخیصی نظیر رادیوگرافی و ماموگرافی، درمان تودههاي سرطانی و رادیوگرافی صنعتی گسترش یافته است. بر این اساس، امروزه استفاده از پرتوهاي یونساز به امري اجتنابناپذیر تبدیل شده، اما از طرفی مضرات این نوع پرتوها بر روي بافتهاي زنده به اثبات رسیده است.
اگر در بکارگیري این پرتوها بهترین شرایط کنترلی و حفاظتی نیز اعمال شود، باز هم پرسنل و پرتوکاران در معرض تابش مقداري از این پرتوها خواهند بود. یعنی هرگز نمیتوان 100 درصد جلوي نفوذ این پرتوها را گرفت، بلکه میتوان متناسب با زمان تابش و شدت آن محافظهایی طراحی نمود تا دز دریافتی پرسنل و پرتوکاران به حد مجاز یا حتی زیر حد مجاز پرتوگیري شغلی، برسند. ما در اینجا بحث حفاظسازي را مورد بررسی قرار میدهیم.
از ترکیباتی چون آلومینیوم اکسید، لایه تنگستن اکسید، لایه مس اکسید، لایه سرب اکسید و پلیمري چون پلیاستر در ساخت حفاظ استفاده کردیم و سپس با حذف سرب، حفاظ را ساخته و تأثیر حذف آن را مورد بررسی قرار دادیم. با کمک کد MCNPX محاسبات خود را انجام داده و مشاهده کردیم که چگونه یک حفاظ با لایههاي مختلف - البته بدون حضور سرب - با جایگزینی عناصري همچون آلومینیوم و مس بهترین تضعیف پرتوي حدود 80 درصد را به ما میدهد.
مقدمه
دیدگاه حفاظت در برابر اشعه، پرتوهاي یونساز به پرتوهایی اطلاق میشود که بتوانند در مواد بیولوژیکی یونسازي نمایند که شامل آلفا، بتا، نوترون، پرتوهاي ایکس و گاما هستند. براي کنترل دز یا تابش دریافت شده از چشمهي انرژي، عواملی مانند زمان، فاصله و حفاظسازي مهم هستند .[2] هر چه زمان تابشدهی کمتر باشد دز مؤثر نیز کاهش مییابد. هر چه فاصله از چشمه پرتوزا بیشتر باشد، خطرات تابشی در موضع مورد تابش قرار گرفته، کمتر میشود. فاصله گرفتن از چشمه به ویژه براي تابشهاي آلفا و بتا که عمق نفوذ کمی دارند، بسیار مؤثر است. اضافه کردن حفاظ، دز تابشی را کم میکند .[3]
حفاظ استفاده شده براي پرتوهاي یونیزان به نوع پرتو وابسته است. براي نمونه ذرات آلفا، با حرکت در چند سانتیمتري در هوا و برخورد با کاغذ یا پارچه و یا حتی با برخورد با بافت سالم پوست متوقف میشوند. ذرات بتا، در برخورد با عناصر سنگین انرژي زیادي از دست میدهد و هر چه حفاظ از عناصر سنگینتري تشکیل شده باشد، احتمال تولید فوتونهاي ایکس ترمزي بیشتر میشود. پس جهت حذف پرتوهاي ایکس ترمزي حفاظ باید از دو لایه، مادهاي با عدد اتمی کوچکتر - پلاستیک یا آلومینیوم - و مادهاي با عدد اتمی بزرگ تشکیل شده باشد. پرتوهاي ایکس و گاما، با عبور از ماده، یونسازي میکنند و نهایتاً جذب ماده میشوند و یا انرژي آنها کاهش مییابد، که سرب بهترین حفاظ براي این نوع پرتوها به حساب میآید .[1]
با توجه به اینکه بعضی از افراد متناسب با شغلشان، مدت زمان زیادي در طول روز در معرض پرتوهاي یونیزان قرار دارند. بنابراین لازم است از حفاظی استفاده کنند که از آثار قطعی و احتمالی پرتوها - آثار وراثتی و سرطان - جلوگیري شود. این حفاظ باید پارامترهاي سبک وزن بودن و انعطافپذیري در طراحی لباس را دارا باشد. در میان ساختارها، ساختارهاي کامپوزیت لایهاي داراي کاربرد مقاومت کششی زیاد، انبساط حرارتی کم، نسبت مقاومت به وزن زیاد میباشند .[4] براي اینکه ساختار لایهاي مورد نظر تضعیف خوبی براي انواع پرتوهاي یونیزان داشته باشد لازم است ساختاري متشکل از لایههاي آلومینیوم، مس، سرب، پلیمر و تنگستن در نظر گرفته شود.
از طرفی لازم است که کل ساختار، بین دو لایهي پلیمري ساندویج شود. از رایجترین پلیمرهایی که در صنعت نساجی و پوشاك استفاده میشود پلیاستر است که داراي ویژگیهاي منحصر بفردي مانند ویسکوزیتهي مناسب، جذب کم آب، مقاومت کششی بالا و قابلیت بالاي عبور گاز میباشد. با توجه به اینکه سرب، فلزي با چگالی بالا 11/34 - گرم بر سانتیمتر مکعب - قابل انعطاف و مقاوم در برابر خوردگی است، بنابراین آن را به عنوان یک محافظ سودمند در مقابل پرتو اشعه ایکس و اشعه گاما تبدیل کرده است.
در میان عناصر سنگین - عدد اتمی بالا - سرب متداولترین و گستردهترین عنصري است که به عنوان حفاظ استفاده میشود. تلاشهایی براي توسعه حفاظ بدون سرب به علت سمیت آن انجام گرفته است، در این راستا، تنگستن جایگزین بسیار خوبی براي سرب میباشد ولی ضریب تضعیف جرمی آن کمی پایینتر از سرب است .[5] با توجه به، سمی بودن و سنگین بودن این عنصر، سعی بر این شده است که در این پژوهش سرب را حذف کرده و با جایگرینهاي بهتري کمبود آن را جبران کنیم.
در این پژوهش، ساختار کامپوزیت لایهاي با در نظر گرفتن لایههاي آلومینیوم اکسید، تنگستن اکسید، مس اکسید، سرب اکسید و پلیاستر، با استفاده از برنامه MCNPX طراحی و سپس محل و ضخامت لایهها در ساختار بهینه شد. در ادامه ساختارهاي مختلف به منظور حذف لایه سرب و کاهش لایه تنگستن با حفظ ضخامت کل طراحی شد و در نهایت ساختار کامپوزیت بدون لایه سرب با تضعیف بیش از 80 درصد معرفی میشود.
روش تحقیق
براي شبیهسازي حفاظ، از برنامه شبیهسازي MCNPX به منظور طراحی کامپوزیت لایهاي استفاده شد. کد MCNPX براي شبیهسازي مسائل گوناگون به خصوص در فیزیک هستهاي مورد استفاده قرار میگیرد. در این کد هر چه هندسه تعریف شده به شکل واقعی نزدیکتر باشد به نتایج مطلوبتري خواهیم رسید. در این پژوهش تضعیف پرتو گاما مد نظر میباشد که با کمک تالی F1 - تعداد ذرات خروجی - ، محاسبه میگردد. چشمهي کبالت 60 با انرژي 1/17 و 1/33 مگا الکترون ولت در فاصلهي دو سانتیمتري از حفاظ قرار دارد.
ضخامت کل حفاظ - کامپوزیت لایهاي - یک میلیمتر در نظر گرفته شد. در ابتدا ساختار کامپوزیت را بهصورت لایههاي پلیاستر، آلومینیوم اکسید، تنگستن اکسید، مس اکسید و سرب اکسید و پلیاستر در نظر گرفته شده که ضخامت هر لایه 0/0167 سانتیمتر است. سپس با استفاده از روش جایگشتی لایهها، ترکیب بهینه در تضعیف هر چه بیشتر پرتوها مشخص شد. در ادامه، با توجه به ساختار بهینه، طراحی ساختار در راستایی که لایه سرب حذف شود و مقدار تنگستن به مقدار کمینهي خود برسد در نظر گرفته شد. براي اینکه ضخامت کل ثابت بماند کاهش ضخامت این لایهها، از طریق لایههاي آلومینیوم اکسید و مس اکسید جبران شد.
یافتههاو نتایج
جدول 1، ترتیب لایهها در ساختار کامپوزیت لایهاي را نشان میدهد. به منظور دستیابی به حالت بهینه، محل لایهها در ساختار جابهجا شده است. ضخامت هر لایه 0/0167 سانتیمتر است. لایه پلیاستر به عنوان لایه اول و لایه آخر در تمام نمونه ثابت در نظر گرفته شده تا لایههاي اکسیدهاي فلزي بین دو لایه پلیمر کامپوزیت شود تا در صنعت پوشاك قابل استفاده باشد. لایههاي استفاده شده در بین لایههاي پلیاستر، آلومینیوم اکسید، تنگستن اکسید، مس اکسیدو سرب اکسید هستند. آلومینیوم براي تضعیف بتاهاي کمانرژي کاربرد دارد. تنگستن براي تضعیف بتاهاي پرانرژي و سرب نیز براي تضعیف پرتوهاي ایکس و گاما و تابش ترمزي در نظر گرفته شده است. وجود مس نشاندهنده تضعیف تابشهاي ثانویه است. تمام عناصر فوق حفاظی براي پرتوهاي آلفا نیز میباشد.
محاسبات نشان میدهد که بهترین حالت تضعیف مربوط به نمونه 2 میباشد که میزان تضعیف لایه محافظ به 83/49 درصد رسیده است. در شکل 1 به صورت طرحواره چینش لایهها براي نمونه 2 - حالت بهینه - نشان داده شده است. چینش لایهها در این ساختار به ترتیب شامل پلیاستر، مس اکسید، تنگستن اکسید، آلومینیوم اکسید، سرب اکسید و پلیاستر میباشد. در شکل 2، نمودار ستونی از ذرات خروجی از هر لایه را نشان میدهد. نسبت تعداد ذرات خروجی از لایه مس به لایه اول - پلیاستر - 50 درصد، نسبت این تعداد از لایه سوم - تنگستن - به لایه دوم 33/51 درصد، نسبت ذرات خروجی از لایه چهارم - آلومینیوم - به لایه سوم 25/13 درصد، نسبت این ذرات خروجی از لایه پنجم - سرب - به لایه چهارم 20/35 درصد و آخرین نسبت یعنی لایه پلیاستر به لایه پنجم 16/74 درصد میباشد که بیشترین تضعیف مربوط به لایه مس است.
