بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي و ساخت حسگر فيبر نوري تابش سنج گاما با استفاده از فيبر نوري آلاييده شده با Ge+P مورد استفاده براي کاربردهاي پزشکي
چکيده -تابش هاي يونيزان نظير گاما اثرات مختلفي روي مواد ميگذارد. يکي اين اثرات تغيير ضريب شکست فيبر نوري است . اين تغيير شدت نور ليزر که از درون فيبر عبور ميکند را کاهش ميدهد که با ميزان تابش هاي يونيزان متناسب است . اين پديده براي اندازهگيري تابش هاي يونيزان در دزيمتري استفاده ميشود. اين سيستم دزيمتري براي اولين بار در ايران طراحي و ساخته شده است و ميتواند دزيمتري آنلاين انجام دهد. اين سيستم دزيمتري فيبر نوري براي اندازهگيري هاي دزدر زير Gy١٠ به طور کامل خطي ميباشد که ما در اين مقاله اثبات ميکنيم .
کليد واژه: پرتو گاما، تابش سنجي، جذب نوري ، حسگر فيبر نوري.
مقدمه
در سنجش ميزان تابش هاي گاما اکنون از وسايل اندازه گيري مختلفي استفاده مي شود[١]. به تدريج از سال ١٩٨٣دانشمندان به اين نتيجه رسيدن که از فيبرهاي نوري آلاييده با مواد خاصي مي توان حسگر تابش سنج گاما توليد کرد[٣]. حسگر فيبر نوري تابش سنج داراي ويژگي هايي مي باشد که ما ناگزير هستيم در برخي از کاربردها از آنها استفاده کنيم . از جمله اين ويژگي ها بدين قرارند[٢] .
١- اين حسگرها نسبت به ديگر تابش سنج ها ارزان قيمت مي باشند. ٢- با زياد و کم کردن طول فيبر نوري تحت تابش مي توان دقت هاي اندازه گيري متفاوتي بدست آورد. به طور مثال هرچه نرخ تابش (dose rate) افزايش پيدا کند، طول فيبر تحت تابش بايد کاهش يابد. ٣- اين حسگر مي تواند به طور همزمان با قرار گرفتن تحت تابش ، ميزان تابش گاما را نشان دهد٤- قابليت بکارگيري در بافت هاي زنده براي اندازه گيري همزمان تابش را دارا مي باشد٥- اين حسگر را مي توان به تجهيزات الکترونيکي متصل نمود و نيز داده ها را در حين تابش ذخيره نمود.
١- چيدمان آزمايشگاهي
چيدمان آزمايشگاهي در نظر گرفته شده به صورت شکل ١ مي باشد.
شکل ١:چيدمان مورد استفاده در اندازه گيري ميزان جذب نور داخل فيبر تحت تابش
همان طور که در شکل ١ ميبينيم OSA يا همان سيستم آشکارسازي Optical Spectrum Analyzer وظيفه اش اندازگيري شدت در طول موجهاي مختلف است . ميزان جذب نور عبوري از فيبر نوري ناشي از تابش گاما در هر طول موج و زمان قرار گرفتن فيبر در معرض تابش از رابطه زير بيان مي گردد.
در اين رابطه به ترتيب مربوط به توان خروجي از فيبر تحت تابش و فيبر مرجع ميباشند. وجود انديس بالاي صفر بيانگر توان اين دو فيبر قبل از آزمايش است .
L بيانگر طول فيبر و L0 فيبر مرجع است . در کل اين آزمايش ، طول فيبر مرجع ١ متر ثابت مي باشد. ميزان توان خروجي اثر تابش گاما در هر لحظه تغيير مي کند.
در اين بررسي از اسپکترفوتومتر CG HR٤٠٠٠ ساخت Ocean Optics و لامپ هالوژن به عنوان منبع نوري استفاده شده است . توان منبع نوري کوپل شده داخل فيبر ١٠ ميکر وات مي باشد که اين شدت نيز بسيار اندک است و با توجه به منبع [٢]
اثري بر روي پديده فوتو بليچينگ (photobleaching) نمي گذارد. از سوييچ نوري براي اندازه گيري همزمان شدت خروجي از شاخه فيبر مرجع و فيبر تحت تابش استفاده مي شود. با توجه به افت و خيز هاي طيفي لامپ هالوژن وجود شاخه فيبر مرجع لازم مي باشد. منبع تابش گاماي مورد استفاده ، منابع گامای کبالت ، 60 مورد استفاده رادیوتراپی میباشد .
٢- مراحل ساخت حسگر نوري
انتخاب جنس فيبر تحت تابش : انتخاب فيبر نوري بر اساس ميزان حساسيتي است که مورد نياز مي باشد. اصولا" فيبرهاي در دسترس و مورد استفاده درکاربردهاي تابش سنجي عبارتند از فيبرهاي تجاري MM Ge+P-doped، فيبرهاي -MM P doped، و فيبرهاي Ge-doped از نوع SM و يا MM و فيبرهاي پلاستيکي PMMA اما بايد خاطرنشان کرد که نوع آلايندگي هسته فيبر تنها عامل انتخاب نوع فيبر نيست ، بلکه عوامل ديگر بويژه در ساخت فيبر، در ميزان تضعيف ناشي از تابش نقش دارند که برخي از آنها بدين قرارند[٣][٤].
روش توليد فيبر(OVD; PCVD; MCVD; POD )
درصد آلاييدگي هسته فيبر نوري .
تک مد يا مولتي مدبودن هسته فيبر مورد استفاده .
SI است يا GI نوع فيبر: که از نوع ميزان کشش فيبر در هنگام تبديل پيش سازه به تار نوري [٥]
در انتخاب نوع فيبر نکته حائز اهميت ، انتخاب فيبري است که بيشترين تضعيف را داشته باشد. البته نکته ديگر که بايد به آن توجه کرد آن است که بسته به کاربرد مي بايست فيبر خاصي را انتخاب کرد. در اين پژوهش با توجه به منابع [٢] [٥] [٩]از فيبرهاي Ge+P استفاده کرديم . اين فيبرها به صورت تجاري توليد مي شود و در دست مي باشد و قيمت به نسبت مناسبي دارد. بر طبق منابع [٢] [٥] [٩] مي توان از اين فيبرها در رنج دزي وسيعي استفاده کرد و همچنين اين فيبر ها وابستگي به نرخ تابش ندارند. عدم وابستگي به نرخ تابش و صرفا" حساس بودن به ميزان دز کل دريافتي مزيت بسيار بزرگي است که موجب مي شود از اين فيبرها بتوان براي منابع تابشي که به مرور زمان شدت آنها کاهش مي يابد نيز استفاده کرد. در اين تحقيق از فيبر نوري Ge+P با مشخصات موجود در جدول ١ استفاده شده است .
انتخاب طول موج مناسب : همان طور که مي توان در رابطه ١ مشاهده کرد، مقدار تضعيف ناشي از تابش در هر لحظه ، به صورت قابل ملاحظه اي وابسته به طول موج مي باشد. با توجه به خروجي شدت از فيبر نوري موجود در شکل ٢ به راحتي مي توان دريافت که در مورد فيبر مورد استفاده در ميزان کل دز جذب شده ي rad ٤٥٠، طول موجهاي بالاتر از حدود ٦٥٠ نانومتر، ميزان جذب ناشي از تابش گاما بر فيبر کمتراست ، به طوري که مي توان از ميزان جذب آنها به طور کامل صرفه نظر کرد. اين موضوع از روي نمودار شکل ٣ به طور کامل مشاهده مي شود.
بنابراين تا به حال با طول موج هاي بين ٤٠٠ تا ٦٥٠ نانومتر سر وکار داريم . در ادامه به بررسي يک سري بررسي هاي ديگر مي پردازيم تا طول موج بهينه را به دست آوريم .
تنها ناحيه اي از طول موجها انتخاب مي شود که نمودار تضعيف ناشي از تابش گاما بر حسب دز کل تابش داده شده مربوط به آن بصورت خطي باشد[٥][٦]. براي اين منظور نمودار تضعيف بر حسب زمان براي يک نرخ تابش ثابت ، براي طول موجهاي مختلف را به صورت جداگانه رسم مي کنيم .تنها نمودار طول موجهاي بين ٥٠٠ تا ٥٤٠ نانومتر به صورت خطي مي باشد. ناحيه طول موج بين ٤٠٠ تا ٥٠٠ نانومتر با توجه به [١٠] به خاطر وجود Ge داراي قله مي باشد و نمودارهاي تضعيف بر حسب دز آنها نيز خطي نمي باشد.
پس از آنکه تضعيف در فيبر در يک طول موج معين به مرور زمان يا با استفاده از تکنيک هاي بازگردان فيبر ، با استفاده از گرم کردن يا ورود ليزرهاي پر توان به داخل فيبر، به حالت پايه بازگشت ، در صورت در معرض تابش قرار دادن مجدد فيبر، مشخصات نمودار جديد اندکي با نمودار تابع قبلي متفاوت است .
لذا مي بايست حسگر براي دفعات مختلف بازيابي ، کاليبره شود.برخي از اين تغييرات در شکل ٥ آورده شده است .
شکل ٢: نمودار کاهش شدت نور خروجي از فيبر با طول ٣.٥ متر در طول
موج هاي مختلف و در زمانهاي مختلف در نرخ تابش ثابت ١-rad.min ١٥٩.
شکل ٣ : نمودار افزايش تضعيف نور خروجي از فيبر با طول ٣.٥ متر در طول موج هاي مختلف و در زمانهاي مختلف در نرخ تابش ثابت ١-rad.min ١٥٩.
شکل ٤: نمودار ميزان تضعيف ناشي از گاماي کبالت ٦٠ براي طول فيبر تحت تابش ٣.٥ متر و در نرخ تابش ثابت 1-rad.min ١٤٩ در طول موج nm .510
پس از آنکه تضعيف در فيبر در يک طول موج معين به مرور زمان يا با استفاده از تکنيک هاي بازگردان فيبر ، با استفاده از گرم کردن يا ورود ليزرهاي پر توان به داخل فيبر، به حالت پايه بازگشت ، در صورت در معرض تابش قرار دادن مجدد فيبر، مشخصات نمودار جديد اندکي با نمودار تابع قبلي متفاوت است .
لذا مي بايست حسگر براي دفعات مختلف بازيابي ، کاليبره شود.برخي از اين تغييرات در شکل ٥ آورده شده است . با طي مراحل فوق مي توان طول موج مناسب در ساخت حسگر را تعيين نمود.
شکل ٥: تغيير پارامترهاي تابع تضعيف بر حسب دز جذب شده در دفعات مختلف پس از بازيابي فيبر.
٣- نحوه محاسبه يک دز مجهول
پس از دستيابي به طول موج مطلوب ، با رسم نمودار ميزان تضعيف تابش ( در يک نرخ ثابت ) بر حسب زمان ، به صورت شکل ٦ خواهد بود. تابع خط رسم شده به صورت رابطه (٢) مي باشد:
که A ميزان تضعيف ناشي از تابش ، D ميزان دز تابشي مناسب با تضعيف و شيب نمودار تضعيف بر حسب زمان است .
مقدار Fدر حالت ايده آل نزديک ١ و مربوط به فيبرهايي است که پس از قطع تابش ، ميزان تضعيف درون آنها به آيامي به حالت اوليه باز مي گردد[١١]. بهترين حالت تابع در طول موج nm ٥١٠ مي باشد و به شکل رابطه ٣ تعريف مي شود:
با توجه به رابطه (٢) مي توان با اندازه گيري جذب ناشي از يک دز مجهول ، ميزان آنرا بدست آورد.
دز مجهول ، ميزان آنرا بدست آورد
٤- باز فرآوري فيبر تابش خورده
همان طور که قبلا" گفته شد، در اثر تابش گاما ميزان اتلاف نور عبوري از فيبر تحت تابش ، به تدريج افزايش مي يابد تا در نقطه اي به طور کامل نمام نور در داخل فيبر جذب شود. اين موضوع زماني اهميت مي يابد که امکان تعويض حسگر وجود نداشته باشد. مي توان با استفاده از ٢ تکنيک اتلاف داخل فيبر را کاهش داد و به دفعات از يک حسگر استفاده کردکه در زير به توضيح هر کدام پرداخته مي شود.
٥- بازيابي فيبر باستفاده از ليزرهاي پرتوان
در اين روش پس از قطع تابش لامپ هالوژن خاموش و يک ليزر به جاي آن قرار داده مي شود وبا استفاده از لنز داخل فيبر کوپل مي شود. در اينجا از دو ليزر با طول موجهاي ٥٣٢ نانومتر و ٨٠٨ نانومتر استفاده شد.نتايج کاربرد ليزر در اين دو روش در شکل ٦ و ٧ آورده شده است . آنچه از مقايسه اين دو شکل به وضوح قابل مشاهده است ، آن است که بازگشت پذيري فيبر در طول موجهاي مختلف وابسته به طول موج ليزر به کار رفته مي باشد. زماني که از ليزر سبز براي فرآيند برگشت پذيري استفاده مي کنيم ، برگشت پذيري فيبر بيشتر در طول موج هاي بين ٥٠٠ تا ٥٤٠ نانومتر انجام مي شود، يعني همان ناحيه طيف سبز. اين در حالي است که در برگشت پذيري با استفاده از ليزر ٨٠٨ نانومتر، برگشت پذيري در بيشتر طول موج ها تقريبا" ثابت است .
٦- برگشت پذيري با استفاده از گرم کردن فيبر تحت تابش
در اين روش فيبر را تا دماي ٣٠٠ درجه سانتي گراد گرم مي در اين روش فيبر را تا دماي کنيم البته با توجه به منبع [١٢] که اگر فيبر را تا دماي ٣٥٠ درجه سانتيگراد گرم کنيم ، ساختار و پروفايل فيبر تغييري نمي کند. نتيجه بسيار راضي کننده بود (شکل ٨) و ميزان اتلاف فيبر به طور چشم گيري کاهش پيدا مي کرد. به اين طريق مي توان حسگر ها را پس از هر بار استفاده بازيابي کنيم . مدت زمان صرف شده براي بازيابي فيبر در اين روش حدود ٦٠ دقيقه مي باشد
