بخشی از مقاله
چکیده:
در این پژوهش امکان ساخت سیستم توموگرافی میون با استفاده از سوسوزن های پلاستیکی Polyvinyltoluene تکثیرکنندههای نوری سیلیکونی SiPM با کمک بسته نرم افزای Geant4 بررسی شد. شبیه سازیها نشان داد در محفظهای که ماده ای در آن نیست یا محتوی مواد آلومینیومی یا سربی است تعداد شمارشها در SiPM متفاوت است.
همچنین شبیهسازی نشان میدهد برای مواد مختلف در درون محفظه زمان رسیدن فوتونهای سوسوزنی تولید شده به SiPM هیچ تغییری نمی کند ولی تعداد فوتون ها تغییر میکند. برای مواد با عدد اتمی زیاد مانند سرب و اورانیوم تعداد فوتون های شمارش شده کاهش مشهودی دارد. این نشان می دهد که می توان با سوسوزن های Polyvinyltoluene و تکثیرکننده های SiPM می توان سیستم توموگرافی میون برای بازرسی محموله های بار ساخت.
مقدمه :
در تمام کشورها و همچنین ایران محمولههای زیادی به طور روزانه از طریق جادهها، راه آهن، کشتی و هواپیما وارد کشور میشود. تعداد کمی از این محمولهها به صورت دستی یا با استفاده از بعضی انواع ابزارهای تصویربرداری متداول مانند رادیوگرافی پرتو گاما و پرتوهای x مانند روبش Computerized - CAT - Axial Tomography بازرسی میشوند. ولی تعداد بیشتری از محمولهها هرگز بازرسی نمیشوند.
از طرف دیگر با حفاظ کردن مواد خطرناک با عدد اتمی - Z - زیاد مانند اورانیوم و مواد هستهای خاص میتوانند به داخل کشور قاچاق شوند. حفاظ کردن تابش خروجی در این مواد باعث میشود که سیستمهای آشکارسازی متداولی که در حال حاضر در مرزها و بندرها به کار گرفته میشوند، قادر به آشکارسازی آنها نباشند. یکی از تکنیکهایی که در چند سال اخیر به منظور رفع این مشکل و سایر معایب سیستم های آشکارسازی متداول - مانند حفاظت انسانی در مورد پرتوهای - x، مورد توجه قرار گرفته است، سیستم توموگرافی میون است.
اساس این روش اندازه گیری مبتنی بر آشکارسازی میون قبل و بعد از عبور میون از میان حجمی که باید تصویربرداری شود، میباشد .[1] میونها ذرات بنیادی مشابه الکترون اما خیلی سنگینتر از آن هستند. بیشتر میونها که به زمین میرسند از پرتوهای کیهانی ناشی میشوند. این پرتوهای کیهانی با انرژی زیاد به اتمسفر برخورد کرده و آبشاری از ذرات تولید میکنند که شامل پایونها - ذراتی با طول عمر خیلی کوتاه - هم میشوند. واپاشی پایون ها، میونها را تولید میکند. میونها از طریق نیروی کولنی با ماده برهمکنش میکند و نه نیروی هستهای . نیروی کولنی، انرژی میونها را خیلی کندتر از برهمکنش هسته-ای حذف میکند.
در نتیجه تعداد زیادی از میونها به صورت ذراتی نافذ و با برهمکنش ضعیف به سطح زمین میرسند. شار میونها در سطح دریا در حدود 1 میون بر سانتی متر مربع در دقیقه و با تکانهی چندین GeV c-1 میباشد که برای توموگرافی میون مفید میباشند .[2] در پژوهشهای انجام شده در ساخت دستگاه توموگرافی میون از سوسوزنهای گازی [1]، سوسوزن های پلاستیکی [3] و سوسوزنهای نواری با تکثیرکنندههای نوری متداول استفاده شده است.
با توجه به اینکه سوسوزنهای پلاستیکی ویژگیهای مطلوبی برای دزیمتری دارند - که شامل پاسخ سریع، قابلیت ساخت و شکلدهی صفحات بزرگ، عدم تاثیرپذیری از میدان الکترومغناطیسی، انعطاف پذیری خوب، پاسخ خطی در بیش از آستانهی انرژی مشخص و خطی بودن دز میباشد - [4] در ساخت سیستمهای توموگرافی میون بسیار به کار رفته است. تکثیرکننده-های نوری سیلیکونی - SiPM - انتخابهای خوبی برای رسیدن به توان تفکیک زمانی عالی هستند .[5] تکثیرکنندههای نوری سیلیکونی، فوتو-آشکارسازهای حالت جامد هستند که کاربرد گستردهای در فیزیک ذرات آزمایشگاهی، آستروفیزیک و تصویربردای پزشکی دارند.
مشخصههای کلیدی SiPM ها شامل اندازهی فشرده، عدم حساسیت به میدان مغناطیسی، بهره زیاد و بازده آشکارسازی فوتون بالا به علاوهی توان تفکیک تک فوتون و توان تفکیک زمانی عالی میباشد. تکثیرکنندهی نوری سیلیکونی میتواند به طور مستقیم نور را از ماورا بنفش تا نزدیکی فروسرخ آشکارسازی کند و در همه کاربردهایی که تراز تابش یا نور کم است و لازم است اندازه گیری با دقت زیاد انجام شود به کار برده شود.
با توجه به این مزیت ها برای سوسوزن های پلاستیکی و تکثیرکننده های نوری سیلیکونی، در این پژوهش ما امکان ساخت سیستم تصویربرداری میون را با استفاده از سوسوزنهای پلاستیکی پلی وینیل تولوئن1 و تکثیرکننده های فوتونی سیلیکونی SiPM با استفاده از نرم افزار Geant4 را مورد بررسی قرار دادیم. کاهش مشهود فوتون های سوسوزنی شمارش شده در SiPM ها برای مواد سرب و اورانیوم نشان دهنده ی توانایی ساخت سیستم توموگرافی میون با این قطعات است.
روش کار :
در این پژوهش سیستم تصویربرداری میون توموگرافی را که دارای صفحههای آشکارسازی از نوع سوسوزنهای پلاستیکی پلی وینیل تولوئن و تکثیرکننده های نوری سیلیکونی - SiPM - می باشد را به کمک نرم افزار Geant4 شبیه سازی کرده ایم. سوسوزنهای پلاستیکی به صورت دو صفحهی تخت با ابعاد cm 24/5 cm × 24/5 با ضخامت های مختلف شبیه سازی شده اند. تکثیرکننده سیلیکونی در مرکز وجهی از مکعب سوسوزن که پشت به جهت بیم میون است با ابعاد 5 mm × 5 mm × 2 mm اضافه شده است.
شش قطعه از جنس سرب و آلومینیوم در ابعاد 10 cm × 10 cm × 10 cm در بین دو صفحهی آشکارساز قرار داده شد و اثر وجود این شش قطعه و نبودشان در نتایج شبه سازی بررسی گردید. برای اینکه نورهای سوسوزنی تولید شده در سوسوزن های پلاستیکی هنگامی که چندین سوسوزن در کنار هم به کار برده می شوند، بر روی یکدیگر اثر نگذارند، لایهی نازکی از آلومینیوم به ضخامت 5 mm بر روی سوسوزنهای پلاستیکی قرار داده شد.
فیزیک لیست مورد استفاده FTFP_BERT می باشد. میون های شبیه سازی شده دارای انرژی 3 GeV و راستای محور z در ابتدا از آشکارساز 1 عبور کرده سپس وارد محفظه شده - که یا خالی است یا در بردارنده ی قطعات سربی و آلومینومی می باشد - و در انتها از آشکارساز 2 عبور می کند. هندسه ی شبیه سازی شده در شکل 1 - بالا - نشان داده شده است. برای شبیه سازی ها در این مرحله هزار میون شلیک شده است.
در مرحلهی دوم شبیه سازی چهل عدد از این آشکارسازها استفاده شد. بیست عدد آشکارساز در هر یک از دو طرف محفظه قرار گرفت. چون فاصله ی تکثیرکننده های SiPMاز هم تقریباً 25 cm است برای مشاهده بهتر اثر مواد مختلف بر تعداد شمارش های SiPM ها، ابعاد قطعات داخل محفظه به × 50 cm × 10 cm 50 cm افزایش داده شد - شکل 1 پایین - . مرکز محفظه در مبدا مختصات قرار گرفته است.
صفحات سوسوزنی به فاصلهی 20 cm از محفظه قرار دارند. مرکز اولین سوسوزن در صفحه ی xy در مختصات cm - x = 50 ، - y = 25 cm قرار داده شده است. بقیه ی 20 سوسوزن در هر طرف در کنار این قرار داده شده است تا کل سطح محفظه را در بر بگیرند. برای شبیه سازی های این مرحله دویست هزار میون شلیک شده است.
