مقاله طراحی و ساخت حسگر فیبر نوری تابش سنج گاما با استفاده از فیبر نوری آلاییده شده با Ge+P مورد استفاده برای کاربردهای پزشکی

word قابل ویرایش
13 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
10700 تومان
107,000 ریال – خرید و دانلود

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

طراحی و ساخت حسگر فیبر نوری تابش سنج گاما با استفاده از فیبر نوری آلاییده شده با Ge+P مورد استفاده برای کاربردهای پزشکی

چکیده -تابش های یونیزان نظیر گاما اثرات مختلفی روی مواد میگذارد. یکی این اثرات تغییر ضریب شکست فیبر نوری است . این تغییر شدت نور لیزر که از درون فیبر عبور میکند را کاهش میدهد که با میزان تابش های یونیزان متناسب است . این پدیده برای اندازهگیری تابش های یونیزان در دزیمتری استفاده میشود. این سیستم دزیمتری برای اولین بار در ایران طراحی و ساخته شده است و میتواند دزیمتری آنلاین انجام دهد. این سیستم دزیمتری فیبر نوری برای اندازهگیری های دزدر زیر Gy١٠ به طور کامل خطی میباشد که ما در این مقاله اثبات میکنیم .

کلید واژه: پرتو گاما، تابش سنجی، جذب نوری ، حسگر فیبر نوری.

مقدمه
در سنجش میزان تابش های گاما اکنون از وسایل اندازه گیری مختلفی استفاده می شود[١]. به تدریج از سال ١٩٨٣دانشمندان به این نتیجه رسیدن که از فیبرهای نوری آلاییده با مواد خاصی می توان حسگر تابش سنج گاما تولید کرد[٣]. حسگر فیبر نوری تابش سنج دارای ویژگی هایی می باشد که ما ناگزیر هستیم در برخی از کاربردها از آنها استفاده کنیم . از جمله این ویژگی ها بدین قرارند[٢] .
١- این حسگرها نسبت به دیگر تابش سنج ها ارزان قیمت می باشند. ٢- با زیاد و کم کردن طول فیبر نوری تحت تابش می توان دقت های اندازه گیری متفاوتی بدست آورد. به طور مثال هرچه نرخ تابش (dose rate) افزایش پیدا کند، طول فیبر تحت تابش باید کاهش یابد. ٣- این حسگر می تواند به طور همزمان با قرار گرفتن تحت تابش ، میزان تابش گاما را نشان دهد۴- قابلیت بکارگیری در بافت های زنده برای اندازه گیری همزمان تابش را دارا می باشد۵- این حسگر را می توان به تجهیزات الکترونیکی متصل نمود و نیز داده ها را در حین تابش ذخیره نمود.
١- چیدمان آزمایشگاهی
چیدمان آزمایشگاهی در نظر گرفته شده به صورت شکل ١ می باشد.

شکل ١:چیدمان مورد استفاده در اندازه گیری میزان جذب نور داخل فیبر تحت تابش

همان طور که در شکل ١ میبینیم OSA یا همان سیستم آشکارسازی Optical Spectrum Analyzer وظیفه اش اندازگیری شدت در طول موجهای مختلف است . میزان جذب نور عبوری از فیبر نوری ناشی از تابش گاما در هر طول موج و زمان قرار گرفتن فیبر در معرض تابش از رابطه زیر بیان می گردد.

در این رابطه به ترتیب مربوط به توان خروجی از فیبر تحت تابش و فیبر مرجع میباشند. وجود اندیس بالای صفر بیانگر توان این دو فیبر قبل از آزمایش است .
L بیانگر طول فیبر و L0 فیبر مرجع است . در کل این آزمایش ، طول فیبر مرجع ١ متر ثابت می باشد. میزان توان خروجی اثر تابش گاما در هر لحظه تغییر می کند.
در این بررسی از اسپکترفوتومتر CG HR۴٠٠٠ ساخت Ocean Optics و لامپ هالوژن به عنوان منبع نوری استفاده شده است . توان منبع نوری کوپل شده داخل فیبر ١٠ میکر وات می باشد که این شدت نیز بسیار اندک است و با توجه به منبع [٢]
اثری بر روی پدیده فوتو بلیچینگ (photobleaching) نمی گذارد. از سوییچ نوری برای اندازه گیری همزمان شدت خروجی از شاخه فیبر مرجع و فیبر تحت تابش استفاده می شود. با توجه به افت و خیز های طیفی لامپ هالوژن وجود شاخه فیبر مرجع لازم می باشد. منبع تابش گامای مورد استفاده ، منابع گامای کبالت ، ۶۰ مورد استفاده رادیوتراپی میباشد .

٢- مراحل ساخت حسگر نوری
انتخاب جنس فیبر تحت تابش : انتخاب فیبر نوری بر اساس میزان حساسیتی است که مورد نیاز می باشد. اصولا” فیبرهای در دسترس و مورد استفاده درکاربردهای تابش سنجی عبارتند از فیبرهای تجاری MM Ge+P-doped، فیبرهای -MM P doped، و فیبرهای Ge-doped از نوع SM و یا MM و فیبرهای پلاستیکی PMMA اما باید خاطرنشان کرد که نوع آلایندگی هسته فیبر تنها عامل انتخاب نوع فیبر نیست ، بلکه عوامل دیگر بویژه در ساخت فیبر، در میزان تضعیف ناشی از تابش نقش دارند که برخی از آنها بدین قرارند[٣][۴].
روش تولید فیبر(OVD; PCVD; MCVD; POD )
درصد آلاییدگی هسته فیبر نوری .
تک مد یا مولتی مدبودن هسته فیبر مورد استفاده .
SI است یا GI نوع فیبر: که از نوع میزان کشش فیبر در هنگام تبدیل پیش سازه به تار نوری [۵]
در انتخاب نوع فیبر نکته حائز اهمیت ، انتخاب فیبری است که بیشترین تضعیف را داشته باشد. البته نکته دیگر که باید به آن توجه کرد آن است که بسته به کاربرد می بایست فیبر خاصی را انتخاب کرد. در این پژوهش با توجه به منابع [٢] [۵] [٩]از فیبرهای Ge+P استفاده کردیم . این فیبرها به صورت تجاری تولید می شود و در دست می باشد و قیمت به نسبت مناسبی دارد. بر طبق منابع [٢] [۵] [٩] می توان از این فیبرها در رنج دزی وسیعی استفاده کرد و همچنین این فیبر ها وابستگی به نرخ تابش ندارند. عدم وابستگی به نرخ تابش و صرفا” حساس بودن به میزان دز کل دریافتی مزیت بسیار بزرگی است که موجب می شود از این فیبرها بتوان برای منابع تابشی که به مرور زمان شدت آنها کاهش می یابد نیز استفاده کرد. در این تحقیق از فیبر نوری Ge+P با مشخصات موجود در جدول ١ استفاده شده است .

انتخاب طول موج مناسب : همان طور که می توان در رابطه ١ مشاهده کرد، مقدار تضعیف ناشی از تابش در هر لحظه ، به صورت قابل ملاحظه ای وابسته به طول موج می باشد. با توجه به خروجی شدت از فیبر نوری موجود در شکل ٢ به راحتی می توان دریافت که در مورد فیبر مورد استفاده در میزان کل دز جذب شده ی rad ۴۵٠، طول موجهای بالاتر از حدود ۶۵٠ نانومتر، میزان جذب ناشی از تابش گاما بر فیبر کمتراست ، به طوری که می توان از میزان جذب آنها به طور کامل صرفه نظر کرد. این موضوع از روی نمودار شکل ٣ به طور کامل مشاهده می شود.
بنابراین تا به حال با طول موج های بین ۴٠٠ تا ۶۵٠ نانومتر سر وکار داریم . در ادامه به بررسی یک سری بررسی های دیگر می پردازیم تا طول موج بهینه را به دست آوریم .
تنها ناحیه ای از طول موجها انتخاب می شود که نمودار تضعیف ناشی از تابش گاما بر حسب دز کل تابش داده شده مربوط به آن بصورت خطی باشد[۵][۶]. برای این منظور نمودار تضعیف بر حسب زمان برای یک نرخ تابش ثابت ، برای طول موجهای مختلف را به صورت جداگانه رسم می کنیم .تنها نمودار طول موجهای بین ۵٠٠ تا ۵۴٠ نانومتر به صورت خطی می باشد. ناحیه طول موج بین ۴٠٠ تا ۵٠٠ نانومتر با توجه به [١٠] به خاطر وجود Ge دارای قله می باشد و نمودارهای تضعیف بر حسب دز آنها نیز خطی نمی باشد.
پس از آنکه تضعیف در فیبر در یک طول موج معین به مرور زمان یا با استفاده از تکنیک های بازگردان فیبر ، با استفاده از گرم کردن یا ورود لیزرهای پر توان به داخل فیبر، به حالت پایه بازگشت ، در صورت در معرض تابش قرار دادن مجدد فیبر، مشخصات نمودار جدید اندکی با نمودار تابع قبلی متفاوت است .
لذا می بایست حسگر برای دفعات مختلف بازیابی ، کالیبره شود.برخی از این تغییرات در شکل ۵ آورده شده است .

شکل ٢: نمودار کاهش شدت نور خروجی از فیبر با طول ٣.۵ متر در طول
موج های مختلف و در زمانهای مختلف در نرخ تابش ثابت ١-rad.min ١۵٩.

شکل ٣ : نمودار افزایش تضعیف نور خروجی از فیبر با طول ٣.۵ متر در طول موج های مختلف و در زمانهای مختلف در نرخ تابش ثابت ١-rad.min ١۵٩.

شکل ۴: نمودار میزان تضعیف ناشی از گامای کبالت ۶٠ برای طول فیبر تحت تابش ٣.۵ متر و در نرخ تابش ثابت ۱-rad.min ١۴٩ در طول موج nm .510
پس از آنکه تضعیف در فیبر در یک طول موج معین به مرور زمان یا با استفاده از تکنیک های بازگردان فیبر ، با استفاده از گرم کردن یا ورود لیزرهای پر توان به داخل فیبر، به حالت پایه بازگشت ، در صورت در معرض تابش قرار دادن مجدد فیبر، مشخصات نمودار جدید اندکی با نمودار تابع قبلی متفاوت است .
لذا می بایست حسگر برای دفعات مختلف بازیابی ، کالیبره شود.برخی از این تغییرات در شکل ۵ آورده شده است . با طی مراحل فوق می توان طول موج مناسب در ساخت حسگر را تعیین نمود.

شکل ۵: تغییر پارامترهای تابع تضعیف بر حسب دز جذب شده در دفعات مختلف پس از بازیابی فیبر.
٣- نحوه محاسبه یک دز مجهول
پس از دستیابی به طول موج مطلوب ، با رسم نمودار میزان تضعیف تابش ( در یک نرخ ثابت ) بر حسب زمان ، به صورت شکل ۶ خواهد بود. تابع خط رسم شده به صورت رابطه (٢) می باشد:

که A میزان تضعیف ناشی از تابش ، D میزان دز تابشی مناسب با تضعیف و شیب نمودار تضعیف بر حسب زمان است .
مقدار Fدر حالت ایده آل نزدیک ١ و مربوط به فیبرهایی است که پس از قطع تابش ، میزان تضعیف درون آنها به آیامی به حالت اولیه باز می گردد[١١]. بهترین حالت تابع در طول موج nm ۵١٠ می باشد و به شکل رابطه ٣ تعریف می شود:

با توجه به رابطه (٢) می توان با اندازه گیری جذب ناشی از یک دز مجهول ، میزان آنرا بدست آورد.
دز مجهول ، میزان آنرا بدست آورد
۴- باز فرآوری فیبر تابش خورده
همان طور که قبلا” گفته شد، در اثر تابش گاما میزان اتلاف نور عبوری از فیبر تحت تابش ، به تدریج افزایش می یابد تا در نقطه ای به طور کامل نمام نور در داخل فیبر جذب شود. این موضوع زمانی اهمیت می یابد که امکان تعویض حسگر وجود نداشته باشد. می توان با استفاده از ٢ تکنیک اتلاف داخل فیبر را کاهش داد و به دفعات از یک حسگر استفاده کردکه در زیر به توضیح هر کدام پرداخته می شود.
۵- بازیابی فیبر باستفاده از لیزرهای پرتوان
در این روش پس از قطع تابش لامپ هالوژن خاموش و یک لیزر به جای آن قرار داده می شود وبا استفاده از لنز داخل فیبر کوپل می شود. در اینجا از دو لیزر با طول موجهای ۵٣٢ نانومتر و ٨٠٨ نانومتر استفاده شد.نتایج کاربرد لیزر در این دو روش در شکل ۶ و ٧ آورده شده است . آنچه از مقایسه این دو شکل به وضوح قابل مشاهده است ، آن است که بازگشت پذیری فیبر در طول موجهای مختلف وابسته به طول موج لیزر به کار رفته می باشد. زمانی که از لیزر سبز برای فرآیند برگشت پذیری استفاده می کنیم ، برگشت پذیری فیبر بیشتر در طول موج های بین ۵٠٠ تا ۵۴٠ نانومتر انجام می شود، یعنی همان ناحیه طیف سبز. این در حالی است که در برگشت پذیری با استفاده از لیزر ٨٠٨ نانومتر، برگشت پذیری در بیشتر طول موج ها تقریبا” ثابت است .
۶- برگشت پذیری با استفاده از گرم کردن فیبر تحت تابش
در این روش فیبر را تا دمای ٣٠٠ درجه سانتی گراد گرم می در این روش فیبر را تا دمای کنیم البته با توجه به منبع [١٢] که اگر فیبر را تا دمای ٣۵٠ درجه سانتیگراد گرم کنیم ، ساختار و پروفایل فیبر تغییری نمی کند. نتیجه بسیار راضی کننده بود (شکل ٨) و میزان اتلاف فیبر به طور چشم گیری کاهش پیدا می کرد. به این طریق می توان حسگر ها را پس از هر بار استفاده بازیابی کنیم . مدت زمان صرف شده برای بازیابی فیبر در این روش حدود ۶٠ دقیقه می باشد

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 10700 تومان در 13 صفحه
107,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد