بخشی از مقاله
چکیده:
در این تحقیق به بررسی مساله اندازه گیری پرتو های بتا و گاما در اطراف کاربران صنعتی و پژوهشگران پرداخته شده است. با مطالعه مهم ترین مشکلات استفاده از این اشکار سازی ها بر روی بدن های بشرسعی دربهبود پارامترهایی که در این کاربری اثر مستقیم دارند،شده است . اهم این پارمتر های اندازه گیری پرتوهای کم انرژی بتا می باشد. طرح نهایی با شمای فیزیکی و عینی که دارای قابلیت نصب بر روی مچ دست را دارد با ابعاد بهینه 7cmشعاع و 14cm ارتفاع ارائه شده است. بعد از محاسبات و همگرایی داده ها این نکته اشکار می شود که هر چه قدر حجم سیستم بزرگتر باشد احتمال ورود پرتو به محفظه بالاتر بوده و در نتیجه سیستم قادر خواهد بود تابشهایی با دز کمتر را هم آشکارسازی و اندازهگیری کند معلوم می شود.
مقدمه:
در چند دهه اخیر با افزایش چشمگیر استفاده از پرتوهای بتا و گاما در کاربردهای صنعتی، پزشکی و تحقیقاتی، مسئله اندازهگیری این پرتوها در محیط اطراف کاربر از اهمیت ویژهای برخوردار شد. در اوایل ظهور فناوری آشکارسازی پرتوهای گاما و بتا، سیستمهای اندازهگیری وارد بازار تجاری شد که در آن زمان، بسیار مورداستفاده صنعتگران و پژوهشگران قرار میگرفت. از مهمترین مشکلات استفاده از آشکارسازهای نسل اول این بود که توانایی اندازهگیری پرتوهای کم و یا متوسط انرژی بتا را نداشته و از طرفی به دلیل حجیم و سنگین بودن، قابلیت قرار گرفتن بر روی بدن انسان و قابلحمل بودن را نداشتند؛ بنابراین مهمترین نکتهای که متخصصان امور طراحی و ساخت آشکارسازها از همان سالهای آغازین پیدایش آشکارسازها بدان توجه میکردند، کم کردن ابعادو وزن سیستم و همچنین بالا بردن توانایی آن برای اندازهگیری پرتوهای کم انرژی بوده است.[1]
نکته مهمی که در اینجا باید بدان اشاره شود این است که مهندسان طراح سیستمهای آشکارسازی خیلی زود موفق به تولید آشکارسازی شدند که میتوانست پرتوهای کم انرژی ایکس و گاما را اندازهگیری کند. این در حالی است که این سیستمها خیلی نمیتوانستند برای پرتوهای کم انرژی بتا مورداستفاده قرار گیرند. چراکه دیواره محفظه این آشکارسازها باید بسیار نازک - از مرتبه چند میلیمتر - باشد. این در حالی است که دیواره محفظه در حین نازک بودن، باید از مقاومت قابل قبولی نیز برخوردار باشد که در هنگام کار دچار شکستگی نشود.
حال مسئله مهمی که وجود دارد این است که تمامی این تمهیدات باید بهگونهای در نظر گرفته شود که ساخت سیستم تا حدی ارزان و مقرونبهصرفه باشد تا بتواند توانایی وارد شدن به بازار تجاری را داشته باشد. در این مقاله بهتفصیل در مورد طراحی مفهومی و امکانسنجی ساخت یک سیستم آشکارسازی پرتوهای ایکس، گاما و بتا که موارد بالا را تحت پوشش قرار دهد، پرداخته شده است.3]،[ 2 در طراحی چنین سیستمی باید فاکتورهای بسیار متفاوتی را ازنظرگذراند. از مهمترین این فاکتورها میتوان به موارد ذیل اشاره کرد:
- میدان الکتریکی بالا: طراحی الکتریکی سیستم باید به نحوی باشد که با شکلدهی یک میدان الکتریکی مناسب بتواند کلیه یونهای تولیدشده توسط تابش رسیده به آن را جمع کند؛
- ظرفیت و حجم مناسب: طراحی هندسی سیستم باید بهگونهای باشد که بتواند حجم قابلتوجهی از پرتوهای یونیزان را جذب کند. این امر سبب ارتقای دقت سیستم آشکارسازی خواهد شد؛
- کمینه بودن ابعاد فیزیکی: ابعاد و وزن سیستم باید تا حد ممکن کاهش یابد، بهنحویکه کاربر بتواند آن را بهراحتی بر روی بدن خود نصب کند و اختلالی در نحوه عملکرد کاربر ایجاد نشود؛ طرح نهایی این سیستم بهگونهای خواهد بودکه محفظه اصلی سیستم بهصورت استوانهای بوده و ابعادی برابر 3/8 cm قطر و 1/9 cm ارتفاع داشته باشد. در این صورت میتوان گفت ابعاد این سیستم در حد یک ساعت مچی است که در این صورت میتوان این دزیمتر را بر روی مچ دست بست.
قسمت فوقانی و کلاهک سیستم از جنس نایلون و به ضخامت 2 mm میلیمتر انتخاب میشود که در این صورت پرتو بتا میتواند از طریق 50% از کل سطح مقطع سیستم وارد محیط شود. کلاهک محفظه با یکلایه پلاستیکی بسیار نازک با چگالی سطحی 7mg/cm پوشانده نشانده میشود که تقریباًبهاندازه چگالی سطحی لایه بیرونی پوست بدن انسان میباشد. در این صورت میتوان گفت تمامی تابشهایی که میتوانند در لایه بیرونی پوست انسان نفوذ کنند، توسط %50 سطح مقطع سیستم، وارد دزیمتر میشود.[5]
روش کار:سیستم دزیمتری بر اساس روش محفظه یونیزاسیون میباشد. درواقع این دستگاه از یک محفظه پر از گاز و دو الکترود به نام کاتد و آند تشکیلشده است. روند دوزیمتری در این سیستم بهگونهای است که بهمحض ورود پرتوهای یونیزان به محفظه، گاز موجود در آن یونیزه شده و الکترون تولید میشود. ذرات بارداری که توسط پرتو یونیزان تشکیلشده، سریعاً تحت تأثیر میدان الکتریکی موجود بین دو الکترود قرار میگیرند.
در این صورت است که الکترونها به سمت قطب مثبت - آند - و یونهای مثبت به سمت قطب منفی - کاتد - شتاب میگیرند. بدین ترتیب پرتو یونیزان با ایجاد تخلیه الکتریکی در فضای گاز سبب شکلگیری جریان الکتریکی در درون گاز و یا بهنوعی در مدار الکتریکی متصل به الکترود خواهد شد9 ]،[8 فرایند دزیمتری درروش محفظه یونیزاسیون بر اساس تخلیه الکتریکی است. بنابراین فهم دقیقی از چگونگی شکلگیری این تخلیه الکتریکی و محاسبه پارامترهای الکتریکی آن نظیر اختلافپتانسیل الکتریکی، چگالی جریان الکتریکی، چگالی تعداد الکترونها و غیره میتواند بسیار هائز اهمیت باشد. روند انجام این طرح بر این اساس خواهد بود که در آن ابتدا با استفاده از نرمافزار کامسول - COMSOL 5.1 - 5/1 تخلیه الکتریکی مورد شبیهسازی قرار خواهد گرفت. سپس با استفاده از نتایج بهدستآمده از این شبیهسازی و مطالعات اولیه انجامشده بر روی این دزیمترها طراحی دقیق مهندسی آن از طریق نرمافزار سالید ورک - Solid Work - انجام خواهد شد.[10]
روابط فیزیکی حاکم بر مساله
رابطه 1
که ضریب ثابت، me جرم الکترون، انرژی الکترون، N سطح مقطع برخورد و f تابع توزیع انرژی الکترون میباشد. وقتی از ضرایب تاونسند استفاده میشود، اتلاف انرژی الکترون اینگونه محاسبه میشود:
رابطه 2
برای گونههای دیگر بهجز الکترون، رابطه زیر برای پایستگی جرم حاکم میباشد:
رابطه 3
چگالی بارفضایی بهصورت خودکار از فرمول زیر که مربوط به شیمی پلاسما میشود به دست میآید:
رابطه 4
شرایط مرزی
انرژی الکترونها در طی برخورد آنها با سطح دیواره محفظه اتلاف میشود. بنابراین برای شارش الکترونی میتوان چنین شرایط مرزی را در دیوارهها در نظر گرفت:
رابطه 5
و شارش انرژی الکترونی نیز به این صورت خواهد شد:
رابطه 6
جمله دوم در سمت راست مربوط به ازدیاد الکترون در طی اثرات تابش ثانویه، S ضریب تابش ثانویه میباشد. جمله دوم شارش انرژی تابش ثانویه، S انرژی متوسط الکترونهای ثانویه میباشد. برای ذرات سنگینتر از الکترونها نیز، یونها به دلیل واکنش های سطحی و این حقیقت که میدان الکتریکی به سمت دیواره ها است، اتلاف میشود:
رابطه 7
ازآنجاییکه این مساله دارای تقارن محوری میباشد، میتوان آن را بهصورت دوبعدی با تقارن محوری حل کرد. بنابراین برای رسم هندسه سیستم در کامسول، یکنیمه آن را رسم کرده که در این صورت کامسول نیمه دیگر آن را موردمحاسبه قرار می دهد.[10] هندسه این سیستم بسیار ساده است و از سه مستطیل تشکیلشده است: الکترودهای آند و کاتد و محیط تخلیه الکتریکی. ارتفاع و عرض الکترودها به ترتیب برابر 6 mm و 3,75 cm میباشد. ارتفاع و عرض محیط تخلیه نیز برابر cm 10 و 5 cm میباشد. تصویر این هندسه در شکل نشان دادهشده است
مش بندی
مش بندی این سیستم فقط برای تخلیه الکتریکی انجام خواهد شد که شامل دو قسمت لبهها و محفظه تخلیه میباشد. بدنه اصلی سیستم با استفاده از هندسههای کوچک سهضلعیمش بندی میشود و ابعاد آن را بهصورتextra fineدر نظر می گیریم. ازآنجاییکه در نزدیکی لبههای محفظه مثل نزدیک سطح الکترودها، حل مساله با حساسیت بیشتری انجام خواهد شد، ابعاد مش در لبهها را بهصورتextremely fineتعیین میکنیم. همانطور که در Error> Unknown switch 2argument. مشخص است، ابعاد مش در نزدیکی الکترودها کمتر و تراکم خطوط بیشتر است.
نتیجه گیری:مهمترین هدف این مقاله طراحی و شبیهسازی سیستم دزیمتری بود که بهراحتی قابلحمل باشد و بتوان از آن برای دزیمتری پرتوهای یونیزانی چون گاما و بتا استفاده کرد. پس مهمترین مسالهای که در طراحی این سیستم مدنظر است، کوچک بودن ابعاد و پایین بودن وزن آن میباشد. به همین خاطر سعی بر آن شد از موادی با چگالی کم مثل آلومینیوم و تفلون در طراحی این سیستم استفاده شود. این مواد نهتنها وزن بسیار کمی دارند، بلکه اتلاف پرتوهای یونیزان در آنها نیز بسیار کم است. نکته بسیار مهمی که ذکر آن در اینجا ضروری است این است که هرچه قدر ابعاد سیستم دزیمتری کوچکتر باشد حمل آن آسانتر خواهد بود.
