بخشی از مقاله
چکیده
فعالسازی نوترونی یکی از روشهای مورد استفاده در درمان و تشخیص بیماری ها است. در این روش با توجه به انرژی و تعداد گامای گسیلی، نوع و مقدار عناصر کم مقدار بدن تعیین می گردد. دقت اندازهگیری، یکنواختی فعالسازی و دز دریافتی بدن از نکات مورد توجه این روش می باشد. لذا گروههای متعددی با در نظر
گرفتن این نکات، به مطالعه در زمینه بهینهسازی چیدمانهای مورد استفاده در روش IVNAA میپردازند.
هدف از این پژوهش بهینهسازی چیدمان IVNAA مورد مطالعه در مرکز فعالسازی نوترونی دانشگاه فردوسی مشهد می باشد. برای این منظور اثر جنس و ضخامت لایهی افزوده شده روی هم خطساز، بر افزایش شار نوترونهای حرارتی رسیده به فانتوم آب و بافت نرم و یکنواختی آن بررسی شده است. در نهایت لایهای از بیسموت با ضخامت 3 cm بر روی همخطساز به عنوان بهترین انتخاب معرفی میگردد.
مقدمه
فعالسازی نوترونی 1NAA، که در سال 1936 ابداع شد، شیوه ای نسبتا جدید و کارآمد برای تحلیل کمّی و کیفی عناصر و ایزوتوپ - های موجود در نمونه های مختلف است .[1] این ر وش یکی از بارزترین نمونه های کاربرد صلح آمیز دانش هسته ای می باشد. قدرت نفوذ زیاد نوترون در ماده، امکان آنالیز نمونه های با حجم زیاد، غیر مخرب بودن و عدم نیاز به آماده سازی قبلی نمونه، از مزیت های این روش استتعیین. کمّی عناصر تشکیل دهنده ی بدن انسان می تواند اطلاعات با ارزشی در مورد سلامتی شخص ارائه دهد، ضمن این که در درمان برخی بیماری ها نیز مفید باشد .[2]
برای این منظور از روش فعالسازی نوترونی در موجودات زنده 2IVNAA، استفاده میشود. در برهمکنش گیراندازی که اصلی ترین برهمکنش در روش IVNAA است، با جذب نوترون توسط هسته با عدد جرمی A، ایزوتوپ جدیدی با عدد جرمی A+1 تولید میشود که ناپایدار است و با گسیل گاما به حالت پایدار میرسد. استفاده از گامای آنی ناشی از برهم کنش گیراندازی نوترون برای تشخیص عناصر موجود در نمونه، PGNAA نامیده میشود. در این روش با استفاده از طیف - سنجی پرتو گامای گسیل شده از نمونه فعال شده، می توان اطلاعات دقیقی در مورد نوع و درصد عناصر و ایزوتوپ های نمونه به دست آورد.
سه نکته مهم در این روش دقت اندازه گیری، یکنواختی فعالسازی و دز دریافتی توسط بدن است . با توجه به این که سطح مقطع گیراندازی نوترون در ناحیه حرارتی بیشتر است، بنابراین برای افزایش آهنگ فعالسازی باید شار نوترون های حرارتی افزایش یابد . از سوی دیگر هر چه تعداد گاماهای گسیل شده بیشتر باشد در این صورت خطای آماری نیز کاهش یافته و دقت اندازه گیری افزایش مییابد. در نتیجه مدت زمان کمتر ی برای پرتودهی لازم است و دز دریافتی کاهش خواهد یافت . همچنین فرض می شود توزیع ماده در نمونه یکنواخت است . با این فرض یکنواختی آهنگ فعالسازی با یکنواختی شار نوترونهای حرارتی ارتباط پیدا میکند.
با توجه به اینکه حدود %75 از بدن انسان را آب تشکیل میدهد، در این مقاله ابتدا تلاش می شود با تغییر در هم خطساز، مناسبترین یکنواختی و افزایش شار نوترون حرارتی در عمق فانتوم آب فراهم شود و سپس بهترین چیدمان برای فانتوم بافت نرم انتخاب میشود. در این پژوهش از کد محاسباتی 0&13; 2.4.0 برای شبیهسازی استفاده شده است . با قرار دادن لایه هایی از مواد مختلف و با ضخامتهای متفاوت بر روی هم خطساز اولیه، یکنواختی و میزان افزایش شار نوترون حرارتی بررسی میشود.
مواد و روشها
شاخص یکنواختی برای بررسی چگونگی یکنواختی در هدف می توان مقدار انحراف دادهها از مقدار میانگین را محاسبه کرد. پارامتر ضریب تغییرات - CV - که بر حسب درصد بیان می شود، میتواند میزان یکنواختی دادهها را نشان دهد. این پارامتر به صورت زیر تعریف می شود: در این رابطه میانگین دادهها و SD انحراف معیار است که با توجه به رابطه زیر محاسبه میشود: که در آن n تعداد دادهها میباشد.
هر چه ضریب تغییرات کمتر باشد انحراف داده ها از مقدار میانگین کمتر بوده و یکنواختی بیشتر است. توصیف چیدمان در چیدمان مربوط به دانشگاه فردوسی مشهد از پرتودهی دو طرفه استفاده شده است . در این دستگاه چهار چشمه 241Am-Beبهکار برده شده است؛ به این صورت که دو چشمه در بالا و دو چشمه در پایین فانتوم که به فاصله 60 cm از مرکز فانتوم و به فاصله 70 cm از یکدیگر قرار گرفته اند. همخطساز نیز مکعب مستطیلی از جنس گرافیت با ابعاد 50×60×120 cm3 است که حفره ای مکعبی به ابعاد 36×60×120 cm3 از آن خارج شده است.
این هم خطساز توسط حفاظ مکعبی از جنس بتون دارای ابعاد 80× 80×130 cm3 احاطه شدهاست. در این چیدمان از دو جفت آشکارساز NaI - Tl - استفاده شده است که توسط صفحاتی از جنس پارافین بوراندود به ضخامت 5 cm در مقابل نوترونهای چشمه حفاظت می شوند. هم- چنین در بالا و پایین این آشکارسازها دو صفحهی سربی به ضخامت 5 cm برای حفاظت آشکارساز از گامای چشمه قراردارد. در بالا و پایین فانتوم پیشکندکنندهای از جنس پلی اتیلن به ضخامت 1 cm و در اطراف آن نیز صفحات منعکس کننده از جنس گرافیت تعبیه شدهاست.
هشبیسازی مونت کارلو
در این مقاله برای بررسی یکنواختی و میزان افزایش شار کد محاسباتی 0&13; 2.4.0 بهکار برده شده است. برای این منظور، شار حجمی نوترون در آرایههای تعبیهشده در فانتوم، با خطای نسبی کمتر از %0/5 محاسبه میشود. سپس، با استفاده از روابط ذکر شده میزان یکنواختی تعیین می شود. تالی مورد استفاده در این پژوهش ، تالی - 4 است. محدوده نوترونهای حرارتی نیز از 0 تا 10-2MeV در نظرگرفتهشدهاست.
برای تعیین یکنواختی آهنگ فعالسازی در فانتوم آب، شار نوترون - های حرارتی در آرایهی عمقی تعریف شده در مرکز فانتوم محاسبه-شدهاست. آرایه مذکور، از مرکز مکعب با مختصات x=0 و z=20 میگذرد و به گونهای طراحی شده است که ابعاد سلول های آن 4×1×4 cm3 می دباش. فانتوم بافت نرم نیز مربوط به فانتوم ریاضی 5 سال است.
با توجه به اینکه اکثر اعضای داخلی بدن بافت نرم می باشد، صرفنظر از اعضای داخلی و استخوان بندی، تنها قالب بدن که حاوی بافت نرم می باشد روی تخت قرار می گیرد. اعضای فانتوم نیز شامل سر، گردن، تنه و پاها میباشد. برای بررسی یکنواختی، شار نوترون حرارتی در آرایه های تعریف شده در فانتوم بافت نرم محاسبه شده است و در نهایت CV برای تمام بدن مقایسه می شود. مشخصات این آرایه ها در جدول 1 ذکر شده است.
نتایج
مادهای که به عنوان هم خطساز انتخاب می شود باید دارای خاصیت کندکنندگی و منعکس کنندگی باشد تا بتواند شار نوترون های حرارتی رسیده به فانتوم را افزایش دهد، ضمن این که سطح مقطع جذب آن نیز پایین باشد . برای بهینه کردن هم خطساز طراحی شده در دانشگاه فردوسی [7]، این ایده به ذهن می رسد که افزودن یک لایه بر روی گرافیت مفید باشد.
برای افزایش شار نوترون حرارتی بررسی سه اندرکنش نوترون با ماده ضروری است : - 1 پراکندگی کشسان، - 2 پراکندگی ناکشسان و - 3 برهم کنش . - n,2n - افزایش پراکندگی کشسان قبلا بررسی شده است و این مورد سبب کاهش یکنواختی شده است .[7] به همین دلیل برای انتخاب جنس همخطساز، سطح مقطعهای پراکندگی ناکشسان و برهمکنش - n,2n - مواد مختلف با هم مقایسه شدند. در این مقایسه بریلیوم، بیسموت و سرب به عنوان عناصری که سطحمقطع برهمکنش - n,2n - آنها بالا است و آهن و تنگستن نیز با سطح مقطع پراکندگی ناکشسان بزرگ، در مرحله اول انتخاب شدند .
سپس برای تعیین ضخامت و ماده مناسب، لایههایی با ضخامت های متفاوت از این مواد بر روی هم - خطساز اولیه قرارداده شد و توزیع عمقی شار نوترون های حرارتی، در فانتوم مکعب آب محاسبه شد . البته با توجه به گران بودن و در دسترس نبودن بریلیوم، از این ماده صرف نظر شده است . همان طور که قبلا بیان شد، به دنبال افزایش شار و یکنواختی هستیم .
