مقاله طراحی و شبیه سازی آشکارساز اتاقک یونش برای سیستم های پرتودهی با دوزبالا

بخشی از مقاله

چکیده

یکی از پرکاربردترین گسیلکنندههای پرتوهای گاما که برای پرتودهی صنعتی محصولات مختلف از آن استفاده میشود، رادیوایزوتوپ کبالت 60 است. کبالت 60دارای پرتوهای گامای نسبتاً پرانرژی و نیمهعمر تقریباً بالا 5/27 - سال - میباشد. سنگ معدن کبالت، ایزوتوپ پایدار کبالت 59 است که پس از جذب یک نوترون به رادیوایزوتوپ کبالت 60 تبدیل شده، و سپس با گسیل دو پرتوی گامای متوالی با انرژیهای 1/17 MeV و 1/33 MeV به ایزوتوپ پایدار نیکل60 واپاشی می کند.

پرتوهای گامای پرانرژی تابش شده از کبالت60، توان از بین بردن ارگانهای زنده را دارند. لذا، می توان از آنها با اهداف گوناگون صنعتی نظیر استریلیزه کردن تجهیزات پزشکی و محصولات بهداشتی، سترون سازی باکتریهای فسادزا در مواد غذایی مختلف و نیز از بین بردن آفات و نگهداری از محصولات کشاورزی استفاده کرد. پارامترهای نوع چشمه، هندسه ی چشمه تا محصول و زمان پرتودهی، مقدار دز جذب شده را تعیین میکنند.

مقادیر دز کمینه که به ازای دزهای کمتر از آن، اثر مورد نظر در محصول صورت نمیگیرد و دز بیشینه که دزهای بیش از آن موجب تغییر خواص محصول میشود، محدودهی دز جذبی را برای ماده مورد پرتودهی تعیین میکنند. با توجه به اینکه نرم افزار گارفیلد توانایی پیشبینی سیگنال خروجی را بر خلاف سایر نرم افزار ها دارد، می-توان برای شبیه سازی اتاقک یونش استفاده کرد. بنابراین هدف در این مقاله طراحی و شبیهسازی آشکارساز اتاقک یونش با کد گارفیلد، مناسب برای سیستم پرتودهی گاما با دوز بالا میباشد که به اهداف فوق میل کند.

-1 مقدمه

یکی از پرکاربردترین گسیلکنندههای پرتوهای گاما که برای پرتودهی صنعتی محصولات مختلف از آن استفاده میشود، رادیوایزوتوپ کبالت 60 است. کبالت 60دارای پرتوهای گامای نسبتاً پرانرژی و نیمهعمر تقریباً بالا 5/27 - سال - میباشد .

سنگ معدن کبالت، ایزوتوپ پایدار کبالت 59 است که پس از جذب یک نوترون به رادیوایزوتوپ کبالت60 تبدیل شده، و سپس با گسیل دو پرتوی گامای متوالی با انرژیهای 1/17 MeV و 1/33 MeV به ایزوتوپ پایدار نیکل60 واپاشی میکند. پرتوهای گامای پرانرژی تابش شده از کبالت60، توان از بین بردن ارگانهای زنده را دارند. لذا، میتوان از آنها با اهداف گوناگون صنعتی نظیر استریلیزه کردن تجهیزات پزشکی و محصولات بهداشتی، سترون سازی باکتریهای فسادزا در مواد غذایی مختلف و نیز از بین بردن آفات و نگهداری از محصولات کشاورزی استفاده کرد

برای بررسی شدت تابش و اثر تابشهای یونیزان، کمیات کرما و دوزجذبی در مواد پرتودهی اندازهگیری میشود. یکی از دوزیمترهای معمول برای اندازهگیری دوز جذبی و آهنگ دوز جذبی، استفاده از آشکارسازهای گازی است. یکی از آشکارسازهای گازی، اتاقک یونش میباشد که به دلیل سادگی ساختار و محدودهی عمل گزینهی مناسبی برای دوزیمتری میباشد. نحوهی عملکرد آشکارسازهای اتاقک یونش به این صورت میباشد که هنگامی که باریکه پرتو های یونیزان از پنجره ورودی وارد هوای محبوس در حجم اتاقک یونش می شود، درصدی از انرژی خود را صرف تولید زوج یون در حجم هوای درون اتاقک یونش می نمایند .

زوج یون های تولید شده تحت تاثیر میدان الکتریکی قوی که از اعمال پتانسیل به الکترودها تولید شده است، شتاب گرفته و به ترتیب به سمت الکترود های با پلاریته ی مخالف روانه می شوند. با توجه به اینکه جرم الکترون های تولیدی از یون های مثبت کمتر می باشد درنتیجه سرعت روانه شدن و جمع آوری آن ها بسیار بالاتر از یون های مثبت می باشد. با توجه به اینکه جریان یونیزاسیون تواید شده رابطهی مستقیمی با آهنگ دوز جذبی دارد، میتوان با اندازه گیری مقدار بار ناشی از جمع آوری الکترون ها توسط الکترود جمع کننده و با دانستن مقدار حجم هوایی که در آن یون سازی صورت گرفته است

می توان جریان حاصل از یونیزاسیون و درنتیجه کمیت پرتو را مشخص نمود. درمحاسبه جریان حاصل از یونیزاسیون هوای داخل حجم حساس آشکارساز عوامل محیطی همچون دما و فشار محوطه اطراف اتاقک یونش بر مقدار بار جمع آوری شده توسط الکترود جمع کننده تاثیر گذار است. بنابراین برای تصحیح مقدار جریان حاصل از یونیزاسیون، از فاکتور تصحیح استفاده و درنتیجه جریان واقعی حاصل از یونیزاسیون توسط پرتو های یونیزان محاسبه می شود. روش متداولی که برای دزیمتری محصولات و تجهیزات در سیستمهای پرتودهی صنعتی گاما استفاده میشود، به صورت غیرفعال - passive - است. به این ترتیب که دزیمترها، پس از خروج از اتاق پرتودهی قرائت میشوند. دزیمترهایی که هماینک در سیستم پرتودهی گاما مورد استفاده قرار میگیرند، دزیمترهای پرسپکس و دزیمتر فریک میباشند

از آنجا که اندازهگیری توزیع دز توسط این دزیمترها مستلزم استفاده از تعداد زیادی از آنها میباشد، استفاده از این دزیمترها وقتگیر، پر هزینه و انرژی بر است و به تعداد زیادی از کارکنان نیاز دارد، بهکار بردن دستگاهی که بتواند آهنگ دز را در هر مکان در سیستم پرتودهی به صورت همزمان اندازهگیری نماید، تسهیلات قابل توجهی را در آگاهی ازآهنگ دز دریافتی توسط محصولات به صورت بههنگام، ارزیابی عملکرد سیستم، طراحی سیستمهای پرتودهی و محکزنی برنامههای کامپیوتری فراهم میسازد.

از این رو با توجه به سادگی ساختار و نوع و محدودهی عملکرد اتاقک یونش، این نوع آشکارساز میتواند گزینه ی مناسبی برای دزیمتری بههنگام در سیستمهای پرتودهی گامای کبالت60 باشد. با اندازه گیری جریان یونیزاسیون ناشی از اندرکنش فوتون با مولکول های گاز درون اتاقک، میتوان آهنگ دز را در محیط تعیین نمود . گرچه اتاقک یونش قادر به دزیمتری آهنگهای دز بالا نیز میباشد، ولیکن پدیدهی بازترکیب یونی با افزایش آهنگ دز زیاد میشود و بر پاسخ اتاقک تأثیر منفی میگذارد. لذا لازم است با اعمال تمهیدات لازم، بر این پدیده، غلبه شود

-2بازترکیب و اثرات آن بر طراحی اتاقک یونش برای دزیمتری در ناحیهی آهنگ دز بالا

بازترکیب یونهای مثبت و الکترونهای تولید شده - یونهای منفی در گازهای با تمایل جذب الکترونی بالا - موجب کاهش جریان یونیزاسیون در اتاقک های یونش میشود. از بین انواع اصلی بازترکیبها، بازترکیب اولیه مستقل از آهنگ دز است، ولی بازترکیب حجمی با افزایش آهنگ دز، زیاد میشود و مانع رسیدن جریان یونیزاسیون به ناحیهی اشباع میگردد. با توجه به بالا بودن آهنگ دز در سیستمهای پرتودهی صنعتی گاما، این نوع بازترکیب بر طراحی اتاقک یونش مورد نظر، به ویژه ابعاد، نوع گاز و هندسهی آن بسیار تأثیرگذار است. لذا ، بازترکیب حجمی در هندسه، ابعاد و انواع گازهای مختلف اتاقک مورد بررسی قرار خواهد گرفت و از نتایج آن در طراحی نهایی اتاقک یونش جهت دزیمتری در ناحیهی آهنگ دز بالا استفاده خواهد شد 

-3 طراحی اتاقک یونش برای دزیمتری پرتوهای گامای کبالت شصت با آهنگ دز بالا

در این بخش با هدف طراحی اتاقک یونشی مناسب برای دزیمتری در ناحیهی آهنگ دز بالا در سیستم‎های پرتودهی گامای ، پارامترهای مهم و تأثیرگذار مانند نوع گاز، هندسه، ابعاد، مادهی مناسب برای الکترودها، ضخامت قسمت های مختلف، نوع عایق و روشهای کاهش جریان نشتی مورد بررسی قرار گرفته و انتخاب نهایی صورت میگیرد. نوع گاز درون اتاقک از دو وجه اصلی بر پاسخ اتاقک یونش اثر میگذارد. وجه اول مربوط به بازترکیب یونی در گازهاست. با توجه به آهنگ دز بالا در سیستمهای پرتودهی گاما و روند رو به رشد بازترکیب حجمی نسبت به افزایش آهنگ دز، لازم است از گازی استفاده شود که کمترین بازترکیب را به همراه داشته باشد.

برای تعیین هندسهی مناسب اتاقک یونش، علاوه بر سادگی ساخت به بازترکیب هم پرداخته میشود. درصورتی که میدان الکتریکی در دو اتاقک صفحه موازی با فاصلهی بین الکترودهای d و اتاقک استوانهای با d = b-a یکسان باشد - در این صورت ولتاژ اعمالی به اتاقک استوانهای بیشتر از اتاقک صفحه موازی است - ، در شرایطی که بازده جمعآوری بار در هر دو اتاقک برابر باشد جریان اندازهگیری شده در اتاقک صفحه موازی، qpp، برابر با برابر جریان در اتاقک استوانهای، qcyl، است. به عبارتی در ناحیهی اشباع، اتاقک استوانهای، سریعتر و در جریان پایینتری به اشباع میرسد و بازده جمع آوری بار واحد را تولید می کند. لذا در آهنگ دز بالا که جریان اشباع زیاد است، استفاده از هندسهی استوانهای در مقایسه با اتاقک صفحه موازی، موجب کاهش جریان اشباع میشود و مناسبتر میباشد.

برای بررسی ابعاد اتاقک یونش مورد نظر باید توجه کرد که افزایش حجم اتاقک، جریان اشباع را زیاد می کند و در آهنگ دز بالا این مسئله مورد نظر نیست. انتخاب مادهای مناسب برای الکترودهای اتاقک، نقشی اساسی بر روند کار اتاقک دارد. انتخاب جنس ماده دیواره، بستگی به کمیت مورد اندازه گیری دارد. اگر اتاقک یونش برای اندازه گیری پرتوگیری بر حسب رونتگن بهکار رود، جنس دیواره باید معادل هوا باشد. برای تعیین ضخامتهای مختلف دیواره از نقطه نظر تئوری حفره، ضخامت دیواره باید برابر با برد بیشینه ی پرانرژیترین الکترونها در مادهی دیوارهی معادل با یک محیط نامتناهی باشد؛ چون هر الکترونی که در فواصل طولانیتر تولید میشود نمی تواند به حفره برسد. دیوارهی اتاقک علاوه بر عملکردش به عنوان یک منبع الکترونهای ثانویه، پرتوهای اولیه را نیز جذب و پراکنده می کند. لذا ضخامت بیش از حد لازم دیواره، مناسب نیست. عایق مناسب برای برقراری اختلاف پتانسیل بین الکترود مرکزی و دیوارهی اتاقک لازم است آنها با یکدیگر هیچگونه اتصال الکتریکی نداشته باشند. لذا مابین آنها با یک عایق پوشانده میشود که این دو را از نظر الکتریکی جدا از هم نگه دارد

.4 نتایج

ولتاژ کار اتاقک یونش، ولتاژی است که در آن، قطعاً اتاقک در ناحیهی اشباع یونیزاسیون است. تعیین ولتاژ کار مربوط به اتاقک یونش به حد بالایی آهنگ دز سیستم پرتودهی و نوع گاز درون اتاقک بستگی دارد. در صورتی که به اتاقک یونش ولتاژ کاری مناسبی اعمال نشود، ممکن است زوج یون های تولید شده در حجم حساس قبل از اینکه توسط الکترود ها جمع شوند