بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله امکان سنجی ساخت سیستم رادیوگرافی نوترونی با استفاده از چشمه فوتونوترونی بر پایه شتابدهنده الکترون 10MeV رودترون یزد برر سی شده ا ست. بدین منظور با ا ستفاده از کد MCNP هدف های الکتروفوتونی و فوتونوترونی بهینه انتخاب و سپس با قرار دادن کولیماتور رآکتور 40 مگا واتی اراک در مقابل هدف فوتونوترونی بهینه شده، پارامترهای رادیوگرافی نوترونی اعم از شار نوترون حرارتی، TNC ونسبت n/ محاسبه شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهد که پارامترهای اندازه گیری شده تطابق خوبی با پارامترهای بدست آمده در رآکتور و استانداردهای جهانی دارد و چشمه فوتونوترونی طراحی شده می تواند جایگزین مناسبی برای رآکتور 40 مگا واتی اراک باشد.
مقدمه:
آزمون رادیوگرافی1یکی از روش های مهم آزمون های غیر مخرب2است که برای شناسایی عیوب داخلی اعم از فلزی و غیر فلزی به کار می رود. با وجود تفاوت طبیعت عملکرد فوتون و نوترون اصول تصویربرداری با نوترون دارای تشابهات زیادی با تصویربرداری فوتونی می باشد. ضرایب جذب جرمی پرتو ایکس با افزایش عدد اتمی، به طور منظم افزایش می یابد درحالی که این ضرایب برای نوترون ها ناگهان تغییر می کند و با افزایش عدد اتمی ماده جاذب، اعداد به صورت ت صادفی تغییر می کنند.[1]
بنابراین رادیوگرافی نوترونی می تواند قطعات محتوی عنا صر سبک مثل پلیمر، پلاستیک، لاستیک و مواد شیمیایی را آشکار کند حتی اگر آنها توسط عناصر سنگین احاطه شده باشند.[2] به طور کلی تصویربرداری نوترونی و تصویربرداری فوتونی مکمل یکدیگر می باشند.[1] چ شمه هایی که تاکنون برای رادیوگرافی نوترونی ا ستفاده شده اند راکتور، پلا سمای کانونی ، چ شمه نوترون تلا شی، شتاب دهنده دوترون و پروتون و رادیوایزوتوپ نوترونی می باشد. در تحقیقی در دانشگاه پکینگ3چین در تجهیزات رادیوگرافی نوترونی از شتاب دهنده خطی دوترون با انرژی دوترون 2 MeV استفاده شده است .[3]
در سیستم رادیوگرافی نوترونی موسسه کاوالا4 از سه ژنراتور DD, TT, DT استفاده شده است و باریکه های پرتو یون تا انرژی تقریباkeV 120 شتاب داده شده و به هدف تانتالیومی برخورد داده می شوند .[4] یکی از جدیدترین منابع نوترون که مورد توجه قرار گرفته، چ شمه های فوتونوترون با ا ستفاده از شتابدهنده الکترونی ا ست. بطور مثال در تحقیقاتی در دان شگاه های منگلر5و تیسونگها6به ترتیب از باریکه الکترونی12 MeV و 15 MeV برای تولید نوترون استفاده شده است.[5-6]
در روش ت صویربرداری نوترونی ج سم در معرض باریکه موازی نوترونی قرار می گیرد و آ شکار ساز در پ شت ج سم تمام نوترون های عبوری چه آنهایی که با ج سم برهم کنش کرده و ت ضعیف شده و چه آنهایی که برهم کنش نکرده اند را ثبت می نماید .[7] در این تحقیق امکان سنجی ساخت سیستم رادیوگرافی نوترون بر پایه شتاب دهنده 10 MeV رودترون یزد به عنوان جایگزینی برای چشمه نوترونی رآکتور 40 مگاواتی اراک می باشد. بدین منظور چشمه فوتونوترونی طراحی و پارامترهای رادیوگرافی، شار نوترون حرارتی، TNC و نسبت n/ محاسبه و با پارامترهای سیستم رادیوگرافی راکتور اراک [12] مقایسه و ارزیابی شده است.
روش کار:
در این تحقیق از کد MCNPX جهت انجام محاسبات استفاده شده است. در این کد ترابرد 34 ذره مختلف در هندسه سه بعدی، وابسته به مکان، انرژی، جهت و زمان به روش مونت کارلو انجام می گیرد. کتابخانه سطح مقطع کد برای نوترون و پروتون تا 150 MeV موجود می باشد. واکنش های Q - و - برای تولید فوتونوترون نیز در این کد شبیه سازی می شود. همچنین این کد قابلیت تعریف چ شمه هایی از نوترون، فوتون، الکترون و پروتون را ب صورت همزمان دارد.[8] چشمه الکترونی در این پروژه شتابدهنده الکترونی رودترون TT200 با قطر دهانه بیم 1 cm و جریان الکترونی10 mA و انرژی10 MeV می با شد.
چ شمه فوتونوترونی برا ساس روش هدف نازک طراحی شده ا ست. برای هدف الکتروفوتونی از دو ماده تنگستن و تانتالیوم به علت عدد اتمی بالا استفاده شده است.[1] این مواد با هندسه ا ستوانه برش دار با ضخامت های0/0-05/5 cm شبیه سازی شده ا ست. به نظر می ر سد که با قرار گرفتن چ شمه الکترونی در داخل هدف مهار سازی الکترون بهتر صورت گیرد در نتیجه میزان تولید فوتون بی شتر خواهد شد.
به این منظور برای تعیین قرارگیری موقعیت چشمه الکترونی، استوانه ای به شعاع 0/5 cm در درون هدف الکتروفوتونی برش داده شده ا ست. چ شمه الکترونی به صورت یک قرص به شعاع 0/5 cm و درموقعیت 0/02 cm از لبه سطح مقطع استوانه قرار گرفته است. پس از تعیین ضخامت بهینه در این مرحله، ماکزیمم شار فوتون تولیدی برای هدف های ا ستوانه ای در شعاع های 0/5 - 3 cm مورد برر سی قرار گرفته ا ست. برای انتخاب هدف فوتونوترونی برر سی دو شرط انرژی آ ستانه Q - و - و سطح مقطع برهم کنش فوتونوترون ضروری ا ست.
اتم های سنگین نظیر تنگ ستن و تانتالیوم دارای انرژی آستانه - Q و - در حدود 8-6 MeV وmax =400 mbarn و برای اتم های سبک مثل هیدروژن و برلیوم انرژی آستانه Q - و - در حدود1/2-5/5 MeV وmax=2/5 mbarn می باشد.[9] برای تولید نوترون استوانه ای حول چشمه الکتروفوتونی قرار داده و با توجه به موارد مذکور دو هدف سنگین - تانتالیوم و طلا - و دو هدف سبک - اکسید دوتریوم و برلیوم - در ضخامت های0/10-5 cm مورد ارزیابی قرار گرفته است و هدف فوتونوترونی بهینه با معیار بازده نوترونی ماکزیمم برا ساس جنس، ضخامت و شعاع آن بد ست آورده شده ا ست.
به منظور مهار سازی نوترون های ایزوتروپ از12 cm سرب به عنوان بازتابنده در اطراف چ شمه فوتونوترونی ا ستفاده شده ا ست .[10 ] برای رسیدن به پارامترهای رادیوگرافی نوترون، شار نوترون حرارتی، TNC ونسبت n/ ، لازم است شار نوترون های حرارتی تقریبا105 n/cm2.s با شد .[2] مطالعات انجام شده در مورد هدف های فوتونوترونی ن شان می دهد که انرژی نوترون های تولیدی در محدوده نوترون های سریع می باشد.[2] لذا طراحی کند کننده بهینه ضروری می باشد.
