*394

دانشکده علوم پایه
گروه فیزیک
پایاننامهی دوره کارشناسی ارشد
(فیزیک هستهای)
موضوع:
تعیین تابع پاسخ غیرخطی آشکارسازهای 2 اینچی و 3 اینچی CsI(Tl)
اساتید راهنما: دکتر محمود سخائی
دکتر علیرضا وجدانی نقرهئیان
استاد مشاور:
دکتر عطیه ابراهیمی خانکوک
نگارنده:
محمد درودی
2127885415925اسفند 1393
184213599695
79565517335500
262318564452500
21278853202305سپاسگزاری
از اساتید با کمالات و شایسته جناب آقای دکتر سخـائی و دکتر وجدانی نقرهئیان که در کمال سعه‌صـدر، با حسن خلق و فروتنی، از هیچ کمکی در این عرصه بر من دریغ ننمودند و زحمت راهنمایی این رساله را بر عهده گرفتند، از استاد صبور و دلسوز، سرکار خانم دکتر ابراهیـمی که زحمت مشاوره این رساله را در حالی متقبل شدند که بدون مساعدت ایشان، این پروژه به نتیجـه مطلوب نمی‌رسید و از اساتید فرزانه جناب آقای دکتر حقیقی و سرکار خانم دکتر نظیف کار که زحمت داوری این رســــاله را متقبل شدند؛ کمال تشکر و قدردانی را دارم.باشد که این خردترین، بخشی از زحمات آنان را سپاس گوید.
با سپاس بی‌دریغ خدمت دوست گران‌مایه‌ام آقای محمدحسن پور که مرا صمیمانه و مشفقـــانه یاری داده‌اند.
پروردگارا، از تو می‏خواهم همه کسانی را که حتی ذره‌ای در انجام این امر مرا یاری نموده‌اند، در سـایه لطف و محبت بی‏کرانت، سلامت، شادکام و موفق بداری.
22231356985
2527935285750
تقدیم به:
پدرم به استواری کوه
مادرم به زلالی چشمه
و
همسرم به صمیمیت باران
246126086995
2337435427355
چکیده
تعیین تابع پاسخ آشکارسازها همواره یکی از ملزومات استفاده از آشکارسازهای پرتوی گاماست. با توجه به اینکه خصوصیت‌های آشکارسازهای سوسوزن با یکدیگر متفاوت است و با توجه به تأثیر ساختمان آشکارساز بر طیف، لازم است که برای هر آشکارساز، تابع پاسخ آن معین شود. پاسخ آشکارساز به انرژی فرودی بر آن نیز وابسته است. علاوه بر انرژی پرتوی فرودی، تابع پاسخ به جنس و ابعاد آشکارساز نیز بستگی دارد. در این پایان‌نامه، تابع پاسخ غیرخطی آشکارسازهای 2 و 3 اینچی CsI(Tl) به‌منظور فراهم آوردن امکان تحلیل طیف گاماهای حاصل از آشکارساز و بررسی اثر ابعاد آشکارساز بر تابع پاسخ آن تعیین‌شده است. پس از انجام آزمایش طیف‌نگاری گاماهای چشمه‌های استاندارد، مقادیر FWHM و سپس ضرایب پهن‌شدگی گاوسی (GEB) محاسبه‌شده‌اند تا با استفاده از آن در تالی F8 کد مونت‌کارلوی MCNPX، بتوان توابع پاسخ آشکارساز را شبیه‌سازی کرد. چشمه‌های استانداردی که طیف‌های آن‌ها هم به روش تجربی و هم به روش محاسباتی به‌دست‌آمده‌اند عبارت‌اند از: Co60، Cs137، Na22 و Zn65. طبق این پژوهش، نتایج حاصل از شبیه‌سازی به‌وسیله‌ی کد MCNPX 2.6 توافق خوبی با داده‌های تجربی دارند.
واژه‌های کلیدی: آشکارساز CsI، تابع پاسخ، کد MCNP، پهن‌شدگی گاوسی انرژی
18992851361440
فهرست مطالب
TOC o “1-3” h z u فصل اول PAGEREF _Toc411886163 h 11-1مقدمه PAGEREF _Toc411886165 h 2فصل دوم (کلیات فیزیکی آشکارسازها( PAGEREF _Toc411886166 h 72-1مقدمه PAGEREF _Toc411886168 h 82-2برهمکنش تابش با ماده PAGEREF _Toc411886169 h 82-3برهمکنش ذرات باردار PAGEREF _Toc411886170 h 92-3-1برهمکنش‌های کولنی PAGEREF _Toc411886171 h 92-3-2گسیل تابش الکترومغناطیسی (تابش ترمزی) PAGEREF _Toc411886172 h 102-4برهمکنش فوتون با ماده PAGEREF _Toc411886173 h 112-4-1اثر فوتوالکتریک PAGEREF _Toc411886174 h 122-4-2پراکندگی کامپتون PAGEREF _Toc411886175 h 132-4-3تولید زوج PAGEREF _Toc411886176 h 152-5اصول پایه در آشکارسازی تابش PAGEREF _Toc411886177 h 162-6آشکارسازهای سوسوزن PAGEREF _Toc411886178 h 172-7لامپ تکثیر کننده ی فوتونی PAGEREF _Toc411886179 h 182-8پیش تقویت کننده PAGEREF _Toc411886180 h 202-9تقویت کننده PAGEREF _Toc411886181 h 212-10تحلیلگر چند کاناله PAGEREF _Toc411886182 h 21فصل سوم ) اصول آشکارسازهای سوسوزن و آشنایی با روش مونت‌کارلو و کد (MCNPX PAGEREF _Toc411886183 h 223-1مقدمه PAGEREF _Toc411886185 h 233-2لومینسانس PAGEREF _Toc411886186 h 243-3فلوئورسانس و فسفرسانس PAGEREF _Toc411886187 h 243-4سوسوزن‌ها PAGEREF _Toc411886188 h 243-5سوسوزن‌های غیرآلی PAGEREF _Toc411886189 h 253-6فرآیند سوسوزنی در مواد غیر آلی PAGEREF _Toc411886190 h 253-7آشکارساز CsI، به‌عنوان یک سوسوزن غیرآلی PAGEREF _Toc411886191 h 273-8روش مونت کارلو و استفاده از کد MCNPX PAGEREF _Toc411886192 h 283-8-1منشأ روش مونت کارلو PAGEREF _Toc411886193 h 283-9روش مونت کارلو PAGEREF _Toc411886194 h 293-10اساس روش محاسبه PAGEREF _Toc411886195 h 293-11 کد MCNPX PAGEREF _Toc411886196 h 303-11-1استفاده از کد PAGEREF _Toc411886197 h 303-11-2کارت سلول PAGEREF _Toc411886198 h 333-11-3کارت سطوح PAGEREF _Toc411886199 h 343-11-4کارت داده PAGEREF _Toc411886200 h 353-11-5کارت نوع مسأله (MODE) PAGEREF _Toc411886201 h 353-11-6کارت اهمیت (IMP) PAGEREF _Toc411886202 h 363-11-7چشمه PAGEREF _Toc411886203 h 363-12انواع خروجی استاندارد (تالی ها) PAGEREF _Toc411886204 h 373-13 تالی F8 PAGEREF _Toc411886205 h 373-14 متغیر GEB PAGEREF _Toc411886206 h 38فصل چهارم (طیف سنجی پرتوهای گاما به وسیله ی آشکارسازهای 2 و 3 اینچی (CsI(Tl) PAGEREF _Toc411886207 h 404-1مقدمه PAGEREF _Toc411886209 h 414-2اندازه گیری طیف چشمه های تک انرژی گاما PAGEREF _Toc411886210 h 414-3کالیبراسیون PAGEREF _Toc411886211 h 424-4طیف مشخصه PAGEREF _Toc411886212 h 454-5FWHM (تمام پهنا در نیم ارتفاع) PAGEREF _Toc411886213 h 474-6ضرایب GEB PAGEREF _Toc411886214 h 494-7شبیه سازی طیف ها به وسیله ی کد MCNPX PAGEREF _Toc411886215 h 524-7-1مقایسه ی طیف های شبیه سازی شده با طیف های تجربی PAGEREF _Toc411886216 h 524-8تابع پاسخ در محدوده ی فوتوپیک PAGEREF _Toc411886217 h 574-8-1مقایسه ی توابع پاسخ تجربی و محاسباتی PAGEREF _Toc411886218 h 574-9اندازه ی بلور سوسوزن PAGEREF _Toc411886219 h 604-9-1تأثیر ابعاد سوسوزن بر تابع پاسخ PAGEREF _Toc411886220 h 604-9-2سهم قله ها در طیف ها PAGEREF _Toc411886221 h 63فصل پنجم ) بحث و نتیجه گیری( PAGEREF _Toc411886222 h 645-1مقایسه ی طیف های تجربی و شبیه سازی شده در انرژی های پایین PAGEREF _Toc411886224 h 655-2مقایسه ی طیف های تجربی و شبیه سازی شده در انرژی های بالا PAGEREF _Toc411886225 h 665-3مقایسه ی توابع پاسخ نظری و تجربی PAGEREF _Toc411886226 h 665-4بررسی اثر ابعاد بلور سوسوزن بر تابع پاسخ PAGEREF _Toc411886227 h 665-5مقایسه ی FWHM PAGEREF _Toc411886228 h 675-6سهم هر قله در کل طیف (Cph/CT) PAGEREF _Toc411886229 h 67منابع: PAGEREF _Toc411886230 h 69
فهرست شکل‌ها
TOC h z c “شکل” شکل ‏11: طیف نوعی آشکارساز سوسوزن در (الف) انرژی بالا و (ب) انرژی پایین PAGEREF _Toc418432371 h 4شکل ‏21: مسیر ذره سنگین و مسیر ذرات سبک درون ماده PAGEREF _Toc418432372 h 10شکل ‏22: اثر فوتوالکتریک PAGEREF _Toc418432373 h 12شکل ‏23: تک قله با انرژی جنبشی کل متناظر با انرژی پرتوی گامای فرودی PAGEREF _Toc418432374 h 13شکل ‏24: وابستگی سطح مقطع کامپتون به (الف) عدد اتمی ماده پراکننده و (ب) انرژی فوتون فرودی PAGEREF _Toc418432375 h 14شکل ‏25: توزیع انرژی الکترون مربوط به پدید ه ی کامپتون PAGEREF _Toc418432376 h 15شکل ‏26: وابستگی سطح مقطع تولید زوج به (الف) عدد اتمی ماده پراکننده و (ب) انرژی فوتون فرودی PAGEREF _Toc418432377 h 16شکل ‏27: طرح‌واره آشکارساز سوسوزن و الکترونیک آن PAGEREF _Toc418432378 h 18شکل ‏28: طرحی از لوله تکثیر کننده ی فوتونی PAGEREF _Toc418432379 h 19شکل ‏31: نمایش ترازهای انرژی مجاز در سوسوزن غیر آلی PAGEREF _Toc418432380 h 26شکل ‏32: کارت سلول در شبیه سازی PAGEREF _Toc418432381 h 34شکل ‏33: کارت سطوح در شبیه سازی یدور سزیم PAGEREF _Toc418432382 h 35شکل ‏34: مثالی از تعریف چشمه در MCNP PAGEREF _Toc418432383 h 37شکل ‏35: نمونه ای از فایل متنی برای شبیه سازی آشکارساز PAGEREF _Toc418432384 h 39شکل ‏41: خروجی MCA ( شمارش ها برحسب کانال) PAGEREF _Toc418432385 h 43شکل ‏42: منحنی کالیبراسیون آشکارساز 2 اینچی PAGEREF _Toc418432386 h 44شکل ‏43: منحنی کالیبراسیون آشکارساز 3 اینچی PAGEREF _Toc418432387 h 44شکل ‏44: طیف زمینه ثبت شده بوسیله ی آشکارساز 3 اینچی PAGEREF _Toc418432388 h 46شکل ‏45: طیف سدیم-22 بهمراه زمینه حاصل از آشکارساز 3 اینچی PAGEREF _Toc418432389 h 46شکل ‏46: طیف مشخصه ی سدیم-22 حاصل از آشکارساز 3 اینچی PAGEREF _Toc418432390 h 47شکل ‏47: فوتوپیک گاوسی به همراه زمینه PAGEREF _Toc418432391 h 48شکل ‏48: فوتوپیک گاوسی PAGEREF _Toc418432392 h 49شکل ‏49: منحنی برازش FWHM برای آشکارساز 2 اینچی PAGEREF _Toc418432393 h 50شکل ‏410: منحنی برازش FWHM برای آشکارساز 3 اینچی PAGEREF _Toc418432394 h 50شکل ‏411: طیف کبالت-60 حاصل از شبیه سازی آشکارساز CsI PAGEREF _Toc418432395 h 51شکل ‏412:مقایسه طیف های تجربی و شبیه سازی آشکارساز 2 اینچی برای چشمه Co60 PAGEREF _Toc418432396 h 53شکل ‏413:مقایسه طیف های تجربی و شبیه سازی آشکارساز2 اینچی برای چشمه Cs137 PAGEREF _Toc418432397 h 53شکل ‏414:مقایسه طیف های تجربی و شبیه سازی آشکارساز 2 اینچی برای چشمه Na22 PAGEREF _Toc418432398 h 54شکل ‏415:مقایسه طیف های تجربی و شبیه سازی آشکارساز 2 اینچی برای چشمه Zn65 PAGEREF _Toc418432399 h 54شکل ‏416:مقایسه طیف های تجربی و شبیه سازی آشکارساز 3 اینچی برای چشمه Co60 PAGEREF _Toc418432400 h 55شکل ‏417:مقایسه طیف های تجربی و شبیه سازی آشکارساز 3 اینچی برای چشمه Cs137 PAGEREF _Toc418432401 h 55شکل ‏418: مقایسه طیف های تجربی و شبیه سازی آشکارساز 3 اینچی برای چشمه Na22 PAGEREF _Toc418432402 h 56شکل ‏419: مقایسه طیف های تجربی و شبیه سازی آشکارساز 3 اینچی برای چشمه Zn65 PAGEREF _Toc418432403 h 56شکل ‏420: مقایسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز2 اینچی برای انرژی keV 511 Zn-65 PAGEREF _Toc418432404 h 57شکل ‏421: : مقایسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز2 اینچی برای انرژی keV 1115Zn-65 PAGEREF _Toc418432405 h 58شکل ‏422: : مقایسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز2 اینچی برای انرژی keV 1173 Co-60 PAGEREF _Toc418432406 h 58شکل ‏423: مقایسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز2 اینچی برای انرژی keV 1332 Co-60 PAGEREF _Toc418432407 h 59شکل ‏424: مقایسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز2 اینچی برای انرژی keV 1275 Na-22 PAGEREF _Toc418432408 h 59شکل ‏425: مقایسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز2 اینچی برای انرژی keV 662 Cs-137 PAGEREF _Toc418432409 h 60شکل ‏426: مقایسه طیف 137-Cs ثبت شده با هر دو آشکارساز PAGEREF _Toc418432410 h 61شکل ‏427: مقایسه طیف 22-Na ثبت شده با هر دو آشکارساز PAGEREF _Toc418432411 h 61شکل ‏428: مقایسه طیف 65-Zn ثبت شده با هر دو آشکارساز PAGEREF _Toc418432412 h 62شکل ‏429:مقایسه طیف 60-Co ثبت شده با هر دو آشکارساز PAGEREF _Toc418432413 h 62
فصل اول مقدمه205168555880
مقدمهاستفاده از یدور سدیم فعال‌شده با ناخالصی تالیم از سال 1948 میلادی توسط هافشتادتر به‌عنوان ماده سوسوزن، سرمنشأ تحولات جدیدی در طیف‌سنجی گاما شد. این ماده سوسوزن به‌عنوان آشکارساز، بازده بالایی برای آشکارسازی پرتوی گاما و قدرت تفکیک انرژی مناسبی برای جداسازی مشارکت چشمه‌های گامای چند انرژی دارد.
سوسوزن NaI(Tl)، اولین ماده‌ی جامدی است که برای طیف‌سنجی فوتون‌های گاما مورداستفاده قرار گرفت. علت استفاده‌ی گسترده از این سوسوزن، خروجی نوری بسیار خوب، خطی بودن و عدد اتمی بالای عنصر ید موجود در آن است. بازده بالا، قیمت پایین و کاربری آسان، تحلیلگران را برای استفاده از آشکارسازهای سوسوزن جهت کار اسپکترومتری گاما جذب کرده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Anilkumar</Author><Year>2014</Year><RecNum>29</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>29</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>29</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>Anilkumar, S</author><author>Narayani, K</author><author>Verma, AK</author><author>Singh, Rajvir</author><author>P–eepkumar, KS</author></authors></contributors><titles><title>Application of simulated standard spectra for the analysis of complex sample spectra from NaI (Tl) detectors</title><secondary-title>Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry</full-title></periodical><pages>1449-1454</pages><volume>302</volume><number>3</number><dates><year>2014</year></dates><isbn>0236-5731</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1].آشکارسازی پرتوی گاما، منوط به انجام برهمکنش با ماده آشکارساز و انتقال همه یا بخشی از انرژی گاما در آن است. فوتون‌های گامای اولیه، نامرئی هستند و درواقع آنچه آشکارسازی می‌شود الکترون‌های سریع خلق‌شده در برهمکنش‌ها هستند. در این پژوهش برای طیف‌سنجی گاما و بررسی اهداف از سوسوزن CsI(Tl) استفاده‌شده است.
یک آشکارساز جهت طیف‌سنجی دو وظیفه به عهده دارد:
به‌عنوان یک محیط تبدیل عمل می‌کند که در آن فوتون‌های گامای فرودی، واکنش‌هایی با ماده آشکارساز انجام دهند که منجر به تولید یک یا چند الکترون سریع شود.
الکترون‌های ثانویه تولیدشده را آشکار کند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tsoulfanidis</Author><Year>2013</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>34</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>Tsoulfanidis, Nicholas</author><author>Landsberger, Sheldon</author></authors></contributors><titles><title>Measurement and detection of –iation</title></titles><dates><year>2013</year></dates><publisher>CRC press</publisher><isbn>1439894655</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
به دست آوردن توابع پاسخ آشکارساز در آشکارسازی تابش، برای اهداف طیف‌سنجی مفید است. توابع پاسخ آشکارساز سوسوزن CsI(Tl) هم می‌تواند به‌صورت تجربی و هم با محاسبات مونت‌کارلو به‌وسیله‌ی کدهای شبیه‌سازی مونت‌کارلو مانند ETRAN، EGS، MARTHA و MCNP به دست آید. محاسبات مونت‌کارلو دیرزمانی است که برای تولید تابع پاسخ آشکارسازهای سوسوزن استفاده می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Saito</Author><Year>1981</Year><RecNum>33</RecNum><DisplayText>[3]</DisplayText><record><rec-number>33</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>33</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>Saito, Kimiaki</author><author>Moriuchi, Shigeru</author></authors></contributors><titles><title>Monte Carlo calculation of accurate response functions for a NaI (Tl) detector for gamma rays</title><secondary-title>Nuclear Instruments and Methods in Physics Research</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Instruments and Methods in Physics Research</full-title></periodical><pages>299-308</pages><volume>185</volume><number>1</number><dates><year>1981</year></dates><isbn>0167-5087</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[3].
هدف بسیاری از اندازه‌گیری‌های تابش، به دست آوردن توزیع انرژی تابش فرودی است. ازاین‌رو لازم است تا پاسخ آشکارساز را برای تابش ورودی به آشکارساز بدانیم. تابع پاسخ آشکارساز فوتون‌های گاما، به برهمکنش‌های فوتون با ماده بستگی دارد. اثر فوتوالکتریک، پراکندگی کامپتون و تولید زوج پدیده‌هایی هستند که در طیف تابع پاسخ آشکارساز مشارکت دارند. در شکل1-1 طیف نوعی یک آشکارساز سوسوزن نمایش داده‌شده است.
قله‌ی تمام انرژی درنتیجه‌ی اثر فوتوالکتریک و جذب تمام انرژی در برهمکنش‌های چندگانه به وجود می‌آید. اگر فوتون فرودی به‌وسیله‌ی یک الکترون پراکنده شود، بخشی از انرژی‌اش را از دست می‌دهد و این رویداد در پیوستار کامپتون ثبت می‌شود. قله تکفراری و دوفراری از پدیده‌ی تولید زوج ناشی می‌شوند (تولید زوج برای انرژی‌های گامای بزرگ‌تر از MeV 022/1 رخ می‌دهد).

شکل STYLEREF 1 s ‏1 SEQ شکل * ARABIC s 1 1: طیف نوعی آشکارساز سوسوزن در (الف) انرژی بالا و (ب) انرژی پایینتابع پاسخ R(E’,E) عبارت است از توزیع انرژی پرتوهای گامای تک انرژی، E’، انرژی ارتفاع پالس و E، انرژی گامای فرودی است. تابع پاسخ، تابع توزیع احتمالی را نمایش می‌دهد که همیشه بزرگ‌تر یا مساوی صفر است و انتگرال آن بر روی کل بازه‌ی انرژی مساوی یک است.
5375910-2540(1-1)
(1-1)
0E’RE’,EdE’=1شبیه‌سازی مونت‌کارلو وقتی می‌تواند به‌طور کامل انجام شود که همه ویژگی‌های آشکارساز را بدانیم. در این پایان‌نامه، شبیه‌سازی تابع پاسخ آشکارساز با استفاده از کد مونت‌کارلوی چندمنظوره MCNPX انجام می‌شود.
در کد MCNP برای بررسی واکنش‌ها، از کتابخانه‌های سطح مقطع مربوط به عناصر مختلف موجود در کد شبیه‌ساز استفاده می‌شود. برای فوتون‌های گاما، سطح مقطع کل برابر جمع سطح مقطع‌های فوتوالکتریک، پراکندگی کامپتون و تولید زوج می‌باشد.
51473105080(1-2)
(1-2)
σT=σpe+σcomp+σppσpe سطح مقطع برهمکنش فوتوالکتریک، σcomp سطح مقطع کامپتون و σpp سطح مقطع تولید زوج است. هر تاریخچه با فوتونی با انرژی فرودی آغاز می‌شود و یکی از سه برهمکنش به‌طور تصادفی از توزیع گسسته‌ی بهنجار شده‌ی سطح مقطع‌ها انتخاب می‌شود. دو عدد C1 و C2 به شکل زیر تعریف می‌شوند:
C1=σpeσT و C2=σcomp+σpeσT. برای انتخاب نوع برهمــکنش، عدد تصـادفی R بین صفر و یک تولید می‌شود. اگر R<C1 باشد، برهمکنش فوتوالکتریک انتخاب می‌شود و اگر R<C2≥C1 باشد برهمکنش پراکندگی کامپتون انتخاب می‌شود و درنهایت اگر R>C2 شود پدیده‌ی تولید زوج رخ می‌دهد.
وقتی برهمکنش فوتوالکـتریک انتخاب شود، تاریخـچه فوتون پایان می‌پذیرد و انرژی فوتوالکترون به انرژی‌های قبلی افزوده می‌شود تا نتیجه نهایی برای این تاریخچه به دست آید. اگر برهمکنش کامپتون انتخاب شود، انرژی الکترون کامپتون به دست می‌آید و انرژی متناظر با آن به انرژی‌های الکترون قبلی اضافه‌شده و برهمکنش نوعی دیگری انتخاب می‌شود و درنهایت اگر تولید زوج اتفاق بیفــتد، انرژی‌ها برای الکترون و پوزیترون‌ها به‌دست‌آمده و به انرژی‌های قبلی اضافه می‌شود و دو فوتون نابودی با انرژی MeV 511/0 جداگانه ردیابی می‌شوند تا هردوی آن‌ها با برهمکنش فوتوالکتریک خاتمه یابند.
برای همه سوسوزن‌ها، بازده سوسوزنی با میزان نور تولیدشده به ازای اتلاف انرژی، هم به نوع ذره و هم به انرژی جنبشی ذره بستگی دارد. بازده سوسوزنی الکترون‌ها در آشکارساز CsI(Tl)، تغییرات بسیار اندکی با انرژی دارد. به‌طور کلی می‌توان انرژی انباشته‌شده توسط الکترون‌های ثانویه را متناظر با نور تولیدشده در داخل آشکارساز دانست.
آشکارسازی هنوز به پایان نرسیده است. درواقع نور تولیدشده در آشکارساز باید ترابرد شود تا به PMT برسد و درنهایت با تولید سیگنال الکتریکی آشکارسازی فوتون‌های گاما به پایان برسد. ترابرد نور بخشی از مسئله آشکارسازی ذره توسط آشکارساز سوسوزن می‌باشد. نور تولیدشده ناشی از برهمکنش ذره با ماده سوسوزن، در همه راستاها گسیل می‌شود و تنها کسری از آن به PMT می‌رسد. نور جمع‌آوری‌شده، خروجی نوری می‌باشد که به سیگنال الکتریکی متناظر تبدیل خواهد شد. انتشار نور معمولاً بر اساس اصول اپتیک هندسی صورت می‌گیرد.
برای به دست آوردن تابع پاسخ آشکارسازهای CsI در ابتدا به سراغ تالی F8 رفتیم تا انرژی انباشته‌شده در بلور سوسوزن را ثبت کنیم. سپس هندسه‌ای که در آزمایشگاه داشته‌ایم را عیناً در شبیه‌سازی تکرار و پس ‌از آن خروجی MCNPX را رسم کردیم و پس از بهنجارش داده‌های شبیه‌سازی با داده‌های تجربی، طیف‌های آن‌ها را با یکدیگر مقایسه کرده‌ایم.
فصل دوم
کلیات فیزیکی آشکارسازها2023110432435
2251710222885
مقدمهدر این فصل ابتدا برهمکنش تابش یوننده با ماده و سازوکار اتلاف انرژی آن را در محیط مادی که از آن عبور می‌کند بررسی می‌کنیم. سپس به اختصار نحوه عملکرد یک آشکارساز سوسوزن را ذکر می‌کنیم.
برهمکنش تابش با مادهاهمیت بررسی سازوکار انرژی تابش در ماده از این نظر است که بدین طریق می‌توان درک بهتری از پاسخ آشکارساز به هر یک از انواع تابش پیدا کرد. ازاین‌رو تابش یوننده را به سه دسته کلی تقسیم‌بندی می‌کنند:
ذرات باردار
فوتون‌ها
نوترون‌ها
این دسته‌بندی از این نظر حائز اهمیت است که هر گروه به شیوه‌ی متفاوتی انرژی خود را در محیط از دست می‌دهند. ذرات باردار از طریق برهمکنش کولنی با الکترون‌های اتمی محیط جاذب (که ذره در آن حرکت می‌کند) انرژی از دست می‌دهند و پس از پیمودن راه معینی موسوم به برد می‌ایستند. درحالی‌که برای فوتون‌ها و نوترون‌ها نمی‌توان برد معینی تعریف کرد، چون برای اندرکنش این دو تابش با محیط، سطح مقطع تعریف می‌شود که معیاری است از احتمال برهمکنش موردنظر با ماده. لذا احتمال غیر صفری وجود دارد که یک نوترون یا گاما بدون هیچ برهمکنشی از هر ضخامت از ماده عبور کند.
برهمکنش ذرات باردارمطالعه ذرات بارداری که به‌ویژه در آشکارسازی و اندازه‌گیری تابش‌های هسته‌ای اهمیت دارند به دو گروه ذرات باردار سبک مانند الکترون و پوزیترون، و ذرات باردار سنگین مانند آلفا محدود می‌شود. به‌طورکلی ذرات باردار بر اثر عواملی نظیر برهمکنش‌های کولنی با الکترون‌ها و هسته‌ها، گسیل تابش الکترومغناطیسی، برهمکنش‌های هسته‌ای و گسیل تابش چرنکوف انرژی از دست می‌دهند که در اینجا دو مورد اول را بررسی کرده و از بقیه چشم‌پوشی می‌کنیم.
برهمکنش‌های کولنیذره باردار معینی را در نظر بگیرید که در ماده حرکت می‌کند. ابعاد اتم از مرتبه‌یm 10-10 و ابعاد هسته از مرتبه‌ی m 10-15 است. لذا حجم اتم 1015 برابر حجم هسته است. اکنون به این نتیجه مهم می‌رسیم که احتمال برخورد (تابش) با الکترون‌های اتمی بسیار محتمل‌تر از هسته است. بنابراین صرفاً برخوردهای اتمی را در نظر می‌گیریم.
ذره باردار هنگامی‌که مسیری را در ماده می‌پیماید انرژی خود را از طریق نیروی کولنی به‌صورت F=kze2r2 صرف یونش و برانگیزش الکترون‌های محیط جاذب می‌کند. که در آن Ze بار الکتریکی ذره باردار فرودی و r فاصله ذره‌ی باردار با الکترون اتمی است. یونش زمانی رخ می‌دهد که الکترون انرژی کافی برای ترک اتم را، در اثر جذب انرژی از ذره‌ی باردار فرودی و تبدیل‌شدن به یک الکترون آزاد، به دست آورده باشد. در این صورت انرژی جنبشی الکترون عبارت است از:
(KE)e= انرژی پتانسیل یونش – انرژی جذب‌شده از تابش یوننده
این الکترون می‌تواند مانند هر ذره باردار متحرک دیگری با داشتن انرژی کافی موجب یونش اتم دیگری شود. برانگیزش هنگامی رخ می‌دهد که الکترون انرژی لازم برای یونیده شدن را دریافت نمی‌کند، اما انرژی کافی برای رفتن به یک حالت خالی در تراز انرژی بالاتر در اتم خود را به دست می‌آورد. این الکترون هنوز مقید است و در یک زمان کوتاه از مرتبه‌یs 10-8تا s 10-10 به حالت انرژی پایین‌تر می‌رود که در اثر آن انرژی برانگیختگی به شکل تابش الکترومغناطیسی گسیل می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tsoulfanidis</Author><Year>2013</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>34</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>Tsoulfanidis, Nicholas</author><author>Landsberger, Sheldon</author></authors></contributors><titles><title>Measurement and detection of –iation</title></titles><dates><year>2013</year></dates><publisher>CRC press</publisher><isbn>1439894655</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
مسئله دیگر هم جرم بودن الکترون‌های تابشی با الکترون‌های اتمی است و به این علت الکترون‌های تابشی (پرتوی β) طی برخوردهای اتمی کسر بزرگی از انرژی خود را می‌توانند در یک تک برخورد از دست بدهند به‌طوری که مسیر آن‌ها درون ماده به‌صورت زیگزاگی خواهد بود. درحالی‌که یک ذره باردار سنگین، مانند ذره α، در هر برخورد به‌طور متوسط انرژی کمتری از دست می‌دهد و با توجه به جرم چند هزار برابری آن نسبت به الکترون، مسیر آن درون ماده تقریباً یک خط راست است ( REF _Ref418415146 h شکل ‏21) ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tsoulfanidis</Author><Year>2013</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[2, 4]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>34</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>Tsoulfanidis, Nicholas</author><author>Landsberger, Sheldon</author></authors></contributors><titles><title>Measurement and detection of –iation</title></titles><dates><year>2013</year></dates><publisher>CRC press</publisher><isbn>1439894655</isbn><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Knoll</Author><Year>2010</Year><RecNum>16</RecNum><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>16</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>Knoll, Glenn F</author></authors></contributors><titles><title>Radiation detection and measurement</title></titles><dates><year>2010</year></dates><publisher>John Wiley &amp; Sons</publisher><isbn>0470131489</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2, 4].

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 1: مسیر ذره سنگین و مسیر ذرات سبک درون مادهگسیل تابش الکترومغناطیسی (تابش ترمزی)هر ذره باردار فرودی که شتابش در محیط در اثر تغییر مسیر ناشی از برهمکنش کولنی کاهش یابد، بخشی از انرژی جنبشی خود را با گسیل تابش الکترومغناطیسی از دست می‌دهد که به آن تابش ترمزی گویند. طیف گسیلی تابش ترمزی یک طیف پیوسته است که از صفر تا بیشینه‌ی انرژی جنبشی ذره را دربرمی گیرد.
ذره‌ی با بار ze و جرم M را در نظر بگیرید که درون ماده‌ای با عدد اتمی Z حرکت می‌کند. با توجه به نیروی کولنی بین ذره باردار و هسته ماده هدف F=kze2r2 و شتاب ذره باردار فرودی a=F⁄M~zZe2r2، شدت تابش گسیل شده از عبارت
4775835144145(2-1)
0(2-1)
I∝a2~zZe2M2به دست می‌آید که نشان‌دهنده‌ی این موضوع است که تابش برای ذرات باردار سبک مانند الکترون و پوزیترون در محیط با عدد اتمی بالا قابل توجه است. لذا برای الکترون و پوزیترون که با انرژی جنبشی T در ماده‌ای با عدد اتمی Z حرکت می‌کنند اتلاف انرژی ناشی از گسیل تابش ترمزی برحسب اتلاف انرژی یونشی و برانگیزشی با رابطه زیر داده می‌شود،
524256036195(2-2)
0(2-2)
(dEdx)–=ZT(MeV)750(dEdx)ion5252085957580(2-3)
0(2-3)
این رابطه کسری از اتلاف انرژی در ماده را نشان می‌دهد که به‌صورت تابش ترمزی نمایان می‌شود. کل انرژی که به‌صورت تابش ترمزی گسیل می‌شود برحسب MeV برابر است با:
T–=4×10-4ZT2برهمکنش فوتون با مادهفوتون‌ها یا به عبارتی پرتوهای ایکس و ، تابش الکترومغناطیسی هستند که گستره‌ی انرژی آن‌ها از چند keV تا چند MeV می‌باشد.تنها تفاوت بین آن‌ها از منشأ تولید این پرتوهاست، پرتو منشأ هسته‌ای و پرتو X منشأ اتمی دارد به‌طوری که از واانگیزش الکترون‌های لایه داخلی اتم‌ها پرتو X مشخصه گسیل می‌شود که طیف گسسته‌ای دارند، همچنین از شتاب دادن ذرات باردار سبک مانند الکترون، پرتوهای X ترمزی گسیل می‌شود که انرژی آن‌ها می‌تواند تا چند صد MeV نیز باشد. از سوی دیگر واپاشی یک حالت انرژی برانگیخته هسته‌ای به حالت پایه‌ی خود منجر به گسیل پرتوی گاما می‌شود که گستره‌ی انرژی آن از چند keV تا چند MeV است.
در این پایان‌نامه سه مورد از مهم‌ترین برهمکنش‌های فوتون با ماده را مورد بررسی قرار می‌دهیم که عبارت‌اند از : اثر فوتوالکتریک، پراکندگی کامپتون و تولید زوج که هریک به‌اختصار شرح داده می‌شود.
اثر فوتوالکتریکاثر فوتوالکتریک برهمکنشی است که در آن فوتون گامای فرودی ناپدید می‌شود. در این حالت یک فوتوالکترون از یکی از پوسته‌های الکترونی اتم جاذب با انرژی جنبشی برابر با انرژی فوتون فرودی hf منهای انرژی بستگی الکترون در پوسته‌ی الکترونی (Eb) آزاد می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Knoll</Author><Year>2010</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>16</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>Knoll, Glenn F</author></authors></contributors><titles><title>Radiation detection and measurement</title></titles><dates><year>2010</year></dates><publisher>John Wiley &amp; Sons</publisher><isbn>0470131489</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[4]. این فرآیند در REF _Ref418415247 h شکل ‏22 نشان داده‌شده است. در این فرآیند، انرژی بستگی یا به شکل پرتوهای ایکس مشخصه یا به شکل الکترون اوژه آزاد می‌شود.در اتم ید، در 88 درصد موارد پرتوی ایکس مشخصه گسیل می‌شود.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 2: اثر فوتوالکتریک ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Knoll</Author><Year>2010</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>16</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>Knoll, Glenn F</author></authors></contributors><titles><title>Radiation detection and measurement</title></titles><dates><year>2010</year></dates><publisher>John Wiley &amp; Sons</publisher><isbn>0470131489</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[4]
نتیجه جذب فوتوالکتریک، آزاد شدن یک فوتوالکترون است که بیشترین بخش از انرژی فوتون فرودی را حمل می‌کند و یک یا چند الکترون کم انرژی که متناظر با جذب انرژی بستگی فوتوالکترون هستند. در اندازه‌گیری مربوط به گامای تک انرژی، انرژی جنبشی کل الکترون همواره ثابت و برابر انرژی فوتون گامای فرودی است ( REF _Ref418415301 h شکل ‏23).

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 3: تک قله با انرژی جنبشی کل متناظر با انرژی پرتوی گامای فرودیپراکندگی کامپتونپراکندگی کامپتون برخوردی است بین یک فوتون و یک الکترون نامقید و آزاد. چون الکترون‌های لایه‌های خارجی اتم بستگی از مرتبه‌ی eV دارند و انرژی فوتون در گستره‌ی keV تا MeV است، الکترون را می‌توان تقریباً آزاد در نظر گرفت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Knoll</Author><Year>2010</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>16</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>Knoll, Glenn F</author></authors></contributors><titles><title>Radiation detection and measurement</title></titles><dates><year>2010</year></dates><publisher>John Wiley &amp; Sons</publisher><isbn>0470131489</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[4]. در اثر این برهمکنش فوتون ناپدید نمی‌شود بلکه انرژی آن به مقدار معینی کاهش یافته و راستای حرکت آن تغییر می‌کند. رابطه‌ی بین زاویه‌ی پراکندگی پرتوی گاما و انرژی گامای پراکنده‌شده به‌صورت زیر است:
5175885-23495(2-4)
0(2-4)
E’=Eγ1+1-cosθEγ/mc2که در آن E’ انرژی گامای پراکنده شده و زاویه‌ی انحراف پرتوی گاما می‌باشد. انرژی از دست رفته پرتوی گاما به الکترون داده می‌شود. اگر زاویه‌ی پراکندگی 180 درجه باشد بیشترین انرژی به الکترون کامپتون داده می‌شود. این انرژی معادل انرژی لبه کامپتون در طیف ارتفاع تپ است و با قرار دادن = در رابطه‌ی فوق به‌صورت زیر درمی‌آید
506158546990(2-5)
(2-5)
E’=Eγ1+2Eγ/mc2احتمال وقوع پراکندگی کامپتون را سطح مقطع کامپتون یا ضریب کامپتون می‌گوییم. REF _Ref411277637 h شکل ‏24 وابستگی سطح مقطع کامپتون (σ) را به عدد اتمی محیط و انرژی پرتوی گاما نشان می‌دهد.
36137851328420الف
0الف
8801101271270ب

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 4: وابستگی سطح مقطع کامپتون به (الف) عدد اتمی ماده پراکننده و (ب) انرژی فوتون فرودی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tsoulfanidis</Author><Year>2013</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>34</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>Tsoulfanidis, Nicholas</author><author>Landsberger, Sheldon</author></authors></contributors><titles><title>Measurement and detection of –iation</title></titles><dates><year>2013</year></dates><publisher>CRC press</publisher><isbn>1439894655</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2]
296608528733760019335753078480 لبه کامپتون
0 لبه کامپتون
10401302468880پیوستار کامپتون
0پیوستار کامپتون
1042035199707500طبق شکل‌های بالا احتمال پراکندگی کامپتون تابعی است از انرژی فوتون و با افزایش انرژی کاهش می‌یابد اما در گستره‌ی وسیعی مستقل از Z است. در هر انرژی گاما، توزیع انرژی الکترون یک ‌شکل کلی خواهد داشت که در زیر نشان داده‌شده است ( REF _Ref418415668 h
شکل ‏25).
شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 5: توزیع انرژی الکترون مربوط به پدیدهی کامپتون [4]تولید زوج50996851861820(2-6)
(2-6)
سومین برهمکنش مهم پرتوهای گاما تولید زوج است. براثر این برهمکنش یک فوتون نابود می‌شود و یک زوج الکترون-پوزیترون خلق می‌شود. برای خلق یک زوج الکترون-پوزیترون حداقل m0c22 انرژی لازم است، برای اینکه برهمکنش به لحاظ انرژی امکان‌پذیر باشد، حداقل انرژی پرتوی گاما باید m0c22 باشد. پایستگی انرژی ایجاب می‌کند که:
Te-+Te+=E-2m0c2=E-1.022 MeVاز این معادله پیداست که یک انرژی آستانه برای این رویداد وجود دارد که برابر است با مجموع انرژی‌های سکون الکترون و پوزیترون. هنگامی که پوزیترون خلق شده در ماده با یک الکترون نابود می‌شود حاصل آن دو پرتوی گامای MeV511/0 است.
احتمال وقوع پدیده‌ی تولید زوج را سطح مقطع تولید زوج ()می‌گویند که تابعی است از انرژی فوتون تابشی و عدد اتمی محیط جاذب. REF _Ref418415721 h شکل ‏26 وابستگی سطح مقطع تولید زوج را به Z و E نشان می‌دهد. همان‌طور که ملاحظه می‌شود تولید زوج یک انرژی آستانه دارد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tsoulfanidis</Author><Year>2013</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>34</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>Tsoulfanidis, Nicholas</author><author>Landsberger, Sheldon</author></authors></contributors><titles><title>Measurement and detection of –iation</title></titles><dates><year>2013</year></dates><publisher>CRC press</publisher><isbn>1439894655</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
5943601157605MeV 022/1
0MeV 022/1
40519351357630الف
0الف
16421101357630ب

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 6: وابستگی سطح مقطع تولید زوج به (الف) عدد اتمی ماده پراکننده و (ب) انرژی فوتون فرودیاصول پایه در آشکارسازی تابشهنگامی که تابش یوننده از محیط آشکارساز می‌گذرد به‌موجب سازوکارهای اتلاف انرژی، موجب تغییراتی در ماده می‌شوند. این تغییرات شامل یونش و برانگیزش ماده به‌صورت مستقیم یا غیرمستقیم می‌باشد. سیستم یک آشکارساز متشکل از یک محیط حساس به تابش و یک الکترونیک وابسته به آن است. سیستم به نحوی طراحی می‌شود که بتواند این اثرات تابش را به‌صورت یک علامت الکتریکی، به‌عنوان پاسخی از آشکارساز دریافت کند و سپس آن را توسط الکترونیک مربوطه تحلیل و پالس نهایی را در حافظه خود ذخیره کرده و یا در صفحه نمایش ظاهر کند.
در مورد پرتوهای ایکس و گاما باید گفت که یک فوتون بسته به اینکه در برهمکنش با ماده چه اتفاقی برایش رخ دهد تمام یا بخشی از انرژی خود را می‌تواند در محیط بگذارد. در پدیده‌ی فوتوالکتریک، فوتون تمام انرژی خود را در محیط آشکارساز می‌گذارد و ناپدید می‌شود. فوتوالکترون آزاد شده غالب انرژی را حمل می‌کند که برای آشکارساز قابل بازیابی است. اما می‌دانیم برای کندن همین فوتوالکترون باید بر انرژی بستگی الکترون در اتم غلبه کرد. پس از ترک الکترون با بستگی Eb از اتم، اینک Eb انرژی برانگیختگی اتم است و چون اتم نمی‌تواند در این حالت بماند، یا پرتویی از اتم گسیل می‌شود و یا یک الکترون از لایه‌های خارجی اتم به بیرون پرتاب می‌شود که این انرژی برانگیختگی را با خود به خارج از اتم می‌برد. این الکترون‌ها را الکترون اوژه می‌گویند. در هر ماده متراکم تابش ثانویه با احتمال زیاد جذب می‌شود، این امر در مورد اغلب سوسوزن‌هایی که برای آشکارسازی گاما بکار می‌روند رخ می‌دهد.
در پدیده‌ی کامپتون، فوتون بخشی از انرژی خود را در محیط می‌گذارد که مقدار آن بستگی به زاویه‌ی پراکندگی دارد. هنگامی‌که زاویه‌ی پراکندگی پرتو 180 درجه باشد فوتون بیشترین مقدار انرژی خود را در محیط می‌گذارد که در طیف آشکارسازی گاما این نقطه لبه پیوستار کامپتون می‌باشد. در پدیده‌ی تولید زوج هم فوتون، بسته به اینکه گاماهای نابودی پوزیترون در محیط چه سرنوشتی پیدا می‌کنند، می‌تواند تمام یا بخشی از انرژی خود را در محیط آشکارساز بگذارد.
آشکارسازها برحسب خواص و ویژگی‌های محیط حساس به تابش آن‌ها، به سه دسته‌ی کلی آشکارسازهای گازی، نیمه‌رسانا و سوسوزن تقسیم می‌شوند که در ادامه به بررسی آشکارسازهای سوسوزن می‌پردازیم.
آشکارسازهای سوسوزناساس کار آشکارسازهای سوسوزن، به‌طور خلاصه، مبتنی بر جذب انرژی از تابش یوننده و گسیل نور در ناحیه‌ی مرئی می باشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tsoulfanidis</Author><Year>2013</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>34</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>Tsoulfanidis, Nicholas</author><author>Landsberger, Sheldon</author></authors></contributors><titles><title>Measurement and detection of –iation</title></titles><dates><year>2013</year></dates><publisher>CRC press</publisher><isbn>1439894655</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2]. مثلاً پرتوی گاما از طریق برهمکنش‌هایی که با ماده دارد، همان‌طور که در بخش‌های قبل گفته شد انرژی خود را در محیط سوسوزن می‌گذارد. سپس انرژی الکترون‌های تولیدی به‌سرعت صرف یونش و تحریک ماده می‌شود و در پی این تحریکات ماده‌ی سوسوزن با گسیل نور به حالت پایه‌ی خود بازمی‌گردد. درنهایت نور تولیدشده به‌وسیله‌ی یک لامپ تکثیرکننده‌ی فوتونی (PMT) به یک تپ الکتریکی تبدیل می‌شود که این علامت به‌عنوان پاسخ آشکارساز سوسوزن شناخته می‌شود. شکل 2-7 طرح‌واره آشکارساز سوسوزن و الکترونیک بکار رفته در آن را نشان می‌دهد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 7: طرح‌واره آشکارساز سوسوزن و الکترونیک آنلامپ تکثیر کننده ی فوفونیلامپ تکثیرکننده‏ی فوتون یا لامپ نور بخشی از یک شمارنده‏ی سوسوزن است که وظیفه تقویت نور حاصل از سوسوزنی را بر عهده دارد. تکثیرکننده‏ی فوتون اصولاً یک تقویتکننده‏ی سریع است، که در زمانی در حدود s 9-10 یک تپ فرودی نور مرئی را با ضریب 106 یا بیشتر تقویت می‏کند. تکثیرکننده‏ی فوتون از یک لوله‏ی شیشه‏ای تهی از هوا، یک فوتو کاتد در ورودی، و چندین داینود در درون ساخته می‏شود ( REF _Ref418415814 h شکل ‏28). فوتون‏های تولید شده در سوسوزن، وارد لامپ شده و به صفحه‏ی فوتوکاتد برخورد می‏کنند. فوتوکاتد از ماده‏ای ساخته می‏شود که نور را دریافت کرده و الکترون گسیل می‏کند. الکترون‏های گسیلی از فوتوکاتد به یاری یک میدان الکتریکی به سوی اولین داینود که با یک ماده تکثیرکننده الکترون اندود شده است، راهنمایی می‏شوند.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 8: طرحی از لوله تکثیرکنندهی فوتونیالکترون‏های ثانویه از اولین داینود به سوی داینود دوم، وازآنجا به سومی حرکت می‏کنند این روند تا رسیدن الکترون به آخرین داینود ادامه دارد. لامپ‏های تکثیر کننده‏ی تجارتی ممکن است تا 15 داینود داشته باشند. الکترون‏های تولید شده در لامپ تکثیرکننده توسط یک میدان الکتریکی، که با اعمال یک پتانسیل مثبت بر هر داینود تامین می‏شود، از یک داینود به داینود دیگر راهنمایی می‏شوند. اختلاف پتانسیل بین دو داینود متوالی از مرتبه‏ی 80 تا 120 ولت است.
ماده‏ی فوتوکاتد که در بیشتر لامپ‏های تکثیرکننده‏ی تجاری به کار می‏رود ترکیبی از سزیم و آنتیموان (Cs – Sb) می‏باشد. ماده‏ای که برای اندودن داینودها به کار می‏رود یا (Cs – Sb)یا نقره و منیزیم (Ag- Mg) است. آهنگ گسیل الکترون‏های ثانوی داینودها نه تنها به نوع سطح بستگی دارد بلکه به ولتاژ اعمالشده هم وابسته است. یک پارامتر مهم هر لامپ تکثیرکننده، حساسیت طیفی فوتوکاتد آن است. برای رسیدن به بهترین نتیجه‏ها، طیف سوسوزن باید با حساسیت فوتوکاتد هم‏خوانی داشته باشد. ترکیب سزیم و آنتیموان درnm 440 دارای بیشترین حساسیت است که به خوبی با پاسخ طیفی بیشتر سوسوزن‏ها همساز است.
پارامتر مهم دیگر تکثیرکننده‏ی فوتون، اندازه‏ی جریان در تاریکی آن است. جریان در تاریکی بیشتر از الکترون‏هایی تشکیل می‏شود که پس از جذب انرژی گرمایی به وسیله‏ی کاتد تشکیل می‏شوند. این فرایند به گسیل گرمایونی معروف است، و یک فوتوکاتد به قطر mm 50 ممکن است درتاریکی و در دمای اتاق تا 105 الکترون در هر ثانیه آزاد کند. سرد کردن کاتد، این چشمه نوفه را بهازای هر 10 تا 15 درجه کاهش در دما، تقریباً نصف می‏کند.
یادآوری می‏شود که الکترون‏ها از یک داینود به داینود دیگر توسط یک میدان الکتریکی راهنمایی می‏شوند. اگر میدان مغناطیسی حضور داشته باشد، ممکن است الکترون‏ها را به گونه‏ای منحرف کند که همه‏ی آن‏ها به داینود دیگر برخورد نکنند، و تقویت کاهش یابد. حتی میدان مغناطیسی ضعیف زمین ممکن است گاهی موجب این اثر ناخواسته شود.
پیش تقویت کننده
منظور اصلی در ساخت پیش تقویت کننده، ایجاد یک جفت شدگی بهینه بین خروجی آشکار ساز و بقیه‏ی دستگاه شمارنده است. پیش تقویت کننده همچنین برای کمینه کردن هر چشمه‏ی نوفه که ممکن است باعث تغییر پالس شود مورد نیاز است. پالسی که از آشکار ساز خارج می‏شود خیلی ضعیف، از مرتبه میلی ولت است. پیش از اینکه این پالس بتواند ثبت شود، باید آنرا با یک ضریب هزار یا بیشتر تقویت کرد. برای این منظور، باید آنرا توسط یک کابل به قسمت بعدی، که تقویت کننده است، منتقل کرد. انتقال هر نوع پالس از طریق کابل آن را تا حدودی ضعیف می‏کند. اگر پالس در خروجی آشکار ساز ضعیف باشد، ممکن است در میان نوفه‏ی الکتریکی همراه با انتقال گم شود. برای پرهیز از این امر پیشتقویتکننده را تا جایی که ممکن است نزدیک به آشکار ساز قرار می‏دهند. به همین خاطر امروزه در بازار، آشکارسازهای سوسوزن را یا بهصورت بلورهای با اندازه دلخواه مشتری و یا به صورت یک پک کامل سوارشده بر یک تکثیرکننده‏ی فوتونی مناسب عرضه می‏کنند.
تقویتکنندهوسیله اصلی برای تقویت، تقویتکننده است. تقویت کننده، پالس را 1000 بار یا بیشتر افزایش می‏دهد. علاوه بر تقویت علامت، نقش مهم دیگر تقویت کننده‏ی واگرداندن پالس خروجی پیش تقویت کننده به شکلی است که برای اندازه‏گیری موردنظر، مناسب باشد.
تحلیلگر چندکانالهتحلیلگر چندکاناله‏ (MCA) تپ‏ها را بر اساس ارتفاع آنها ثبت و ذخیره می‏کند. هر واحد انباشت پالس، یک کانال نامیده می‏شود. ارتفاع تپ رابطه‏ی معلومی – معمولاً تناسبی- با انرژی ذره‏ای که وارد آشکارساز می‏شود دارد. هر تپ در کانال خاصی که هم‏خوان با یک انرژی معین است ذخیره می‏شود. توزیع تپ‏ها در کانال‏ها، تصویری است از توزیع انرژی ذرات. در پایان یک دوره‏ی شمارش، طیفی که ثبت شده است را می‏توان بر یک صفحه‏ی MCA ظاهر ساخت. در این صفحه محور افقی، شماره‏ی کانال‏ها، یا انرژی ذره، و محور عمودی، تعداد ذرات ثبت شده در هر کانال است.

فصل سوماصول آشکارسازهای سوسوزن و آشنایی با روش مونت‌کــارلو و کد MCNPX2194560317500
مقدمهسوسوزن‌ها موادی هستند که وقتی تابش یوننده از آن‌ها عبور می‌کند، نور تولید می‌کنند. اساس تولید نور توسط سوسوزن بر این است که یک تابش فرودی در محیط سوسوزن با برهمکنش با مولکول‌های آن موجب برانگیختگی مولکول‌ها می‌شود. این مولکول‌ها به هنگام بازگشت به حالت پایه‌ی خود با گسیل فوتون واانگیخته می‌شوند که این اساس پدیده‌ی لومینسانس است.
اولین کاربرد سوسوزن به آزمایشی برمی‌گردد که در سال 1903 میلادی توسط ویلیام کروکس انجام شد که با برخورد ذرات آلفا با یک صفحه‌ی ZnS این ذرات را توانست آشکار کند. اما مقدار نور تولیدشده در سوسوزن بسیار اندک است به‌طوری‌که آشکار کردن آن با چشم غیرمسلح ممکن نیست. بدین منظور از وسیله‌ای به نام لامپ تکثیرکننده‌ی فوتونی استفاده می‌شود که درنتیجه آن نور تولیدشده با ضریب 106 یا بیشتر تقویت شده و به یک تپ الکتریکی تبدیل می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tsoulfanidis</Author><Year>2013</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>34</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>Tsoulfanidis, Nicholas</author><author>Landsberger, Sheldon</author></authors></contributors><titles><title>Measurement and detection of –iation</title></titles><dates><year>2013</year></dates><publisher>CRC press</publisher><isbn>1439894655</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2]. کاربردهای طیف‌سنج‌های سوسوزنی شامل تصویربرداری‌های پزشکی، فیزیک هسته‌ای و ذرات، آزمون‌های غیر مخرب، فیزیک بهداشت، اکتشاف نفت و غیره می‌باشد.
لومینسانسبه‌طورکلی هرگاه یک ماده که با یک عامل خارجی تحریک‌شده است، از حالت برانگیخته به حالت پایه‌ی خود با گسیل فوتون واانگیخته شود به این پدیده لومینسانس گفته می‌شود. اگر عامل برانگیختگی فوتون باشد به این پدیده فوتولومینسانس، و اگر عامل برانگیختگی حرارت باشد ترمولومینسانس گفته می‌شود
فلوئورسانس و فسفرسانسپدیده‌ی لومینسانس بر اساس طول عمر حالات برانگیخته به دودسته فلورسانس و فسفرسانس تقسیم می‌شود. فلورسانس به گسیل سریع معروف است و زمان واپاشی آن از مرتبه‌ی s 10-9 تا s 10-5 می‌باشد. فسفرسانس به گسیل تأخیری معروف است و زمان واپاشی آن در گستره‌ی s 10-4 است.
سوسوزن‌هامواد سوسوزن ازلحاظ فیزیکی به‌صورت جامدهای بلوری، مایع و گاز وجود دارند که هرکدام ویژگی‌های خاص خود را دارند. مثلاً بلورهای سوسوزن از بازده‌ی آشکارسازی بالایی برای پرتوهای گاما برخوردارند. در عوض سوسوزن‌های گازی، که مخلوطی از گازهای بی‌اثر هستند، برای آشکارسازی ذرات سنگین باردار مانند آلفا مفید هستند. سوسوزن‌های مایع برای اندازه‌گیری‌هایی که در آن‌ها به آشکارساز با حجم بالا برای افزایش بازده آشکارسازی موردنیاز است، مانند آشکارسازی پرتوهای کیهانی و اندازه‌گیری طیف انرژی نوترون‌های پرانرژی بسیار مفید هستند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tsoulfanidis</Author><Year>2013</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>34</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>Tsoulfanidis, Nicholas</author><author>Landsberger, Sheldon</author></authors></contributors><titles><title>Measurement and detection of –iation</title></titles><dates><year>2013</year></dates><publisher>CRC press</publisher><isbn>1439894655</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
ازنظر شیمیایی سوسوزن‌ها به دودسته‌ی سوسوزن‌های آلی و غیرآلی تقسیم می‌شوند.
سوسوزن‌های غیرآلیمواد سوسوزن غیرآلی بلورهای معدنی هستند که متداول‌ترین آن‌ها NaI(Tl)، CsI(Tl)، CsI(Na)، LiI(Eu) و CaF2(Eu) هستند که هریک مقدار بسیار کمی ناخالصی به‌عنوان فعال‌ساز در ساختار خود دارند، به‌طوری‌که گسیل نور بلور ناشی از آن است.
فرآیند سوسوزنی در مواد غیرآلیحالت‌های مجاز انرژی الکترونی در بلور پهن‌شده و به‌صورت نوارهایی درمی‌آیند. در حالت پایه‌ی بلور، بالاترین نوار مجاز که توسط الکترون‌ها اشغال‌شده نوار ظرفیت نامیده می‌شود. نوار مجاز بعدی که خالی از الکترون بوده نوار رسانش است. یک الکترون با جذب انرژی کافی از تابش فرودی می‌تواند به نوار رسانش برود و در نوار ظرفیت یک حفره از خود به‌جا بگذارد. الکترون آزاد در نوار رسانش می‌تواند در شبکه‌ی بلور حرکت کند، متقابلاً حفره نیز می‌تواند حرکت کند. ممکن است انرژی داده‌شده به الکترون کافی نباشد تا آن را به نوار رسانش برساند و در عوض الکترون ازنظر الکترواستاتیکی در قید حفره در نوار ظرفیت بماند. زوج الکترون-حفره که به این صورت حاصل شوند اکسیتون نامیده می‌شود. ازنقطه‌نظر انرژی حالت‌های اکسیتونی تشکیل نوار سومی می‌دهند که بخش بالایی آن منطبق با بخش پایینی نوار رسانش هست ( REF _Ref411477162 h شکل ‏01).

شکل STYLEREF 1 s ‏0 SEQ شکل * ARABIC s 1 1: نمایش ترازهای انرژی مجاز در سوسوزن غیرآلی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Leo</Author><Year>2012</Year><RecNum>45</RecNum><DisplayText>[5]</DisplayText><record><rec-number>45</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>45</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>Leo, William R</author></authors></contributors><titles><title>Techniques for nuclear and particle physics experiments: a how-to approach</title></titles><dates><year>2012</year></dates><publisher>Springer Science &amp; Business Media</publisher><isbn>3642579205</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5]
در بلورهای خالص، بازگشت به حالت پایه و گسیل فوتون یک فرآیند با بازدهی کم است. علاوه بر این، گاف انرژی بین حالت‌های مجاز ظرفیت و رسانش، و نوار اکسیتونی چنان بالاست که در صورت گسیل فوتون انرژی آن چندان زیاد است که در گستره‌ی مرئی طیف الکترومغناطیسی نمی‌باشد. ازاین‌رو برای بهبود این شرایط و نیز بالا بردن احتمال گسیل فوتون، در شبکه‌ی بلور مقدار کمی ناخالصی وارد می‌کنند که به آن فعال‌ساز می‌گویند. اثر ناخالصی ایجاد حالت انرژی پایه و برانگیخته از این اتم‌های فعال‌ساز بین نوارهای ظرفیت و رسانش بلور است. اکنون سوسوزنی مشاهده‌شده ناشی از لیانی بلور توسط اتم‌های فعال‌ساز است، و این در اثر یک برهمکنش و انتقال انرژی بین شبکه‌ی بلور و اتم فعال‌ساز رخ می‌دهد. درنتیجه‌ی فرآیند سوسوزنی به این قرار است که تابش فرودی توسط بلور جذب می‌شود و سبب برانگیختگی الکترون به نوارهای رسانش یا اکسیتونی و تشکیل زوج الکترون-حفره و یا اکسیتون می‌شود. سوسوزنی می‌تواند ناشی از جذب یک زوج الکترون-حفره و یا اکسیتون باشد که موجب برانگیختگی مراکز فعال‌ساز شده و هنگام واانگیزش به حالت پایه‌ی خود، فوتون مرئی گسیل می‌کنند.
آشکارساز CsI، به‌عنوان یک سوسوزن غیرآلییدور سزیم هالید قلیایی است که شهرت زیادی به‌عنوان یک ماده‌ی سوسوزن دارد. این ماده به‌صورت تجاری هم با فعال‌ساز سدیم و هم تالیم موجود است و ویژگی‌های سوسوزنی حاصل از این دو حالت با یکدیگر متفاوت است. ضریب جذب یدور سزیم برای پرتوهای گاما در واحد حجم، در مقایسه با یدور سدیم کمی بزرگ‌تر است. با توجه به آنکه یدور سزیم از یدور سدیم سخت‌تر است، می‌توان آن را در معرض تنش‌ها و نوسانات شدیدتری قرارداد. مفیدترین ویژگی CsI(Tl) زمان واپاشی متغیر آن برای ذرات تحریک‌کننده‌ی مختلف می‌باشد. بنابراین می‌توان از تکنیک‌های تمایز بر مبنای شکل پالس برای جدا کردن تابش‌های مختلف استفاده کرد.
پیک طیف گسیلی CsI(Tl) در طول موج بزرگ‌تری نسبت به NaI(Tl) قرار می‌گیرد و به‌خوبی با پاسخ لامپ‌های تکثیرکننده‌ی فوتونی با فوتوکاتد 11-S و یا فوتوکاتدهای دوقلیایی منطبق نمی‌شود. به همین خاطر گفته می‌شود که نور خروجی CsI(Tl) کمتر از یدور سدیم است. اما چنانچه پاسخ این سوسوزن به فوتوکاتدی اندازه‌گیری شود که حساسیت طیفی آن در ناحیه‌ی قرمز طیف باشد، بازده سوسوزنی آن از تمام سوسوزن‌های دیگر بزرگ‌تر است. بازده نوری مطلق اندازه‌گیری شده از این سوسوزن در این حالت در دمای اتاق فوتونMeV 65000 است، با بیشینه مقداری در حدود 6% بیشتر در دمای 35- سانتی‌گراد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Nagarkar</Author><Year>2008</Year><RecNum>36</RecNum><DisplayText>[6, 7]</DisplayText><record><rec-number>36</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>36</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>Nagarkar, VV</author><author>Brecher, C</author><author>Ovechkina, EE</author><author>Gaysinskiy, V</author><author>Miller, SR</author><author>Thacker, S</author><author>Lempicki, A</author><author>Bartram, RH</author></authors></contributors><titles><title>Scintillation Properties of CsI: Tl Crystals Codoped With</title><secondary-title>Nuclear Science, IEEE Transactions on</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Science, IEEE Transactions on</full-title></periodical><pages>1270-1274</pages><volume>55</volume><number>3</number><dates><year>2008</year></dates><isbn>0018-9499</isbn><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Grassmann</Author><Year>1985</Year><RecNum>37</RecNum><record><rec-number>37</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>37</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>Grassmann, H</author><author>Lorenz, El</author><author>Moser, H-G</author></authors></contributors><titles><title>Properties of CsI (TI)—Renaissance of an old scintillation material</title><secondary-title>Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment</full-title></periodical><pages>323-326</pages><volume>228</volume><number>2</number><dates><year>1985</year></dates><isbn>0168-9002</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6, 7].
حالت‌های لیانی در CsI(Tl) به‌صورت نمایی جمع می‌شوند. درنتیجه نور اولیه دارای زمان خیز طولانی 20 نانوثانیه است. واپاشی‌های تأخیری این حالت‌های لیانی در بین کندترین زمان‌های واپاشی مربوط به سوسوزن‌های معمول قرار می‌گیرد. سوسوزن CsI نسبت به NaI دارای چگالی (kg/m3 4.51103) و عدد اتمی بالاتری است، لذا بازده آن برای آشکارسازی گاما بالاتر است. در REF _Ref411383015 h جدول 1 مشخصات و ویژگی‌های برخی از سوسوزن‌های غیرآلی آورده شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tsoulfanidis</Author><Year>2013</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[2, 4, 8]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>34</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>Tsoulfanidis, Nicholas</author><author>Landsberger, Sheldon</author></authors></contributors><titles><title>Measurement and detection of –iation</title></titles><dates><year>2013</year></dates><publisher>CRC press</publisher><isbn>1439894655</isbn><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Knoll</Author><Year>2010</Year><RecNum>16</RecNum><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>16</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>Knoll, Glenn F</author></authors></contributors><titles><title>Radiation detection and measurement</title></titles><dates><year>2010</year></dates><publisher>John Wiley &amp; Sons</publisher><isbn>0470131489</isbn><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Miri Hakimabad</Author><Year>2007</Year><RecNum>2</RecNum><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>2</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>Miri Hakimabad, Hashem</author><author>Panjeh, Hamed</author><author>Vejdani-Noghreiyan, Alireza</author></authors></contributors><titles><title>Evaluation the nonlinear response function of a 3× 3in NaI scintillation detector for PGNAA applications</title><secondary-title>Applied –iation and isotopes</secondary-title></titles><periodical><full-title>Applied –iation and isotopes</full-title></periodical><pages>918-926</pages><volume>65</volume><number>8</number><dates><year>2007</year></dates><isbn>0969-8043</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2, 4, 8].
جدول SEQ جدول * ARABIC 1: مشخصات برخی از سوسوزن‌های غیرآلی
ماده
زمان واپاشی(sμ) بازده سوسوزنی
(نسبی%) بیشینه طول موج
گسیل(nm) چگالی
(kg/m3 103)
NaI(Tl) 23/0 100 410 67/3
CaF2(Eu) 94/0 50 435 18/3
CsI(Na) 63/0 80 420 51/4
CsI(Tl) 80/1 45 565 51/4
Bi4Ge3O12 30/0 8 480 13/7
CdWO12 90/0 20 530 90/7
6Lil(Eu) 94/0 30 470 49/3
روش مونت‌کارلو و استفاده از کد MCNPXمنشأ روش مونت‌کارلو
روش مونت‌کارلو در سال 1949 متولد شد. زمانی که مقاله‌ای به‌عنوان روش مونت‌کارلو توسط کلام و متروپولیس به چاپ رسید، ریاضی‌دانان آمریکایی جان ون نیومن و استنسیلاو اولام هم به‌عنوان پایه‌گذاران این روش شناخته می‌شوند. پایه‌ی تئوری این روش مدت‌ها قبل در مقاله نیومن-اولام به‌طور کنجکاوانه‌ای به چاپ رسیده بود. علاوه بر این قبل از سال 1949 مسائل مشخصی در آمار به‌وسیله‌ی نمونه‌برداری تصادفی که درواقع همان روش مونت‌کارلو است، حل می‌شدند.
اگرچه، به خاطر اینکه شبیه‌سازی دستی امکان‌پذیر نیست، استفاده از روش مونت‌کارلو به‌عنوان یک روش عددی جامع تنها با ظهور کامپیوتر عملی گردید. نام مونت‌کارلو برگرفته از نام شهر موناکو است که به خاطر کازینوهای فراوانش، مشهور شده است. یکی از وسایل مکانیکی برای تولید اعداد تصادفی چرخ رولت است. در دهه 1970 برگر و سلتزر شبیه‌سازی مونت‌کارلو را برای محاسبه‌ی تابع پاسخ آشکارساز NaI(Tl) استفاده کردند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Shi</Author><Year>2002</Year><RecNum>8</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>8</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>8</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>Shi, Hu-Xia</author><author>Chen, Bo-Xian</author><author>Li, Ti-Zhu</author><author>Yun, Di</author></authors></contributors><titles><title>Precise Monte Carlo simulation of gamma-ray response functions for an NaI (Tl) detector</title><secondary-title>Applied –iation and isotopes</secondary-title></titles><periodical><full-title>Applied –iation and isotopes</full-title></periodical><pages>517-524</pages><volume>57</volume><number>4</number><dates><year>2002</year></dates><isbn>0969-8043</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9].
روش مونت‌کارلو
روش مونت‌کارلو یک روش عددی برای حل مسائل ریاضی به‌وسیله‌ی نمونه‌برداری تصادفی است. این روش به‌عنوان یک تکنیک عددی جامع بعد از ورود کامپیوتر به زمینه محاسبات عددی ظهور پیدا کرد. زمینه‌های کاربردی این روش با ظهور کامپیوترهای پیشرفته و جدید، گسترش یافت.
اساس روش محاسبهبا توجه به سرشت کاتوره‌ای برهمکنش‌های هسته‌ای، شبیه‌سازی مونت‌کارلو برای محاسبات هسته‌ای، بسیار واقعی و دور از تقریب‌ها و خطاهای موجود است. در این روش تمام فرآیندها مطابق با آنچه در عالم اتفاق می‌افتد دنبال می‌شود و احتمال هر رویداد با توجه به داده‌های تجربی، در قالب سطح مقطع، تعیین می‌شود. در طیف‌های تجربی، اطلاعات دارای توزیع گاوسی شکل هستند. کدهای شبیه‌ساز، اثرات فیزیکی منجر به پهن‌شدگی گاوسی را شبیه‌سازی نمی‌کنند، اما مسیرهای ذرات را شبیه‌سازی می‌کند و برخی از جنبه‌های رفتار میانگینشان را ضبط می‌کند.
کد MCNPXاین کد، یکی از قوی‌ترین کدهای محاسباتی در انجام محاسبات هسته‌ای است و بر اساس روش مونت‌کارلو کار می‌کند. این کد در طراحی رآکتورهای هسته‌ای و بررسی ایمنی آن‌ها، حفاظ سازی، طراحی آشکارسازها، چاه پیمایی هسته‌ای، طراحی هدف در شتاب‌دهنده‌ها، پرتوپزشکی و غیره کاربردهای فراوانی دارد. این کد برای اولین بار در سال 1963 در آزمایشگاه لوس آلاموس، تحت عنوان MCS، تهیه شد و در سال 1977 برای اولین بار بانام MCNP ارائه شد و در ادامه در سال 2000 نسخه‌ی 4B آن به بازار آمد. پس‌ازآن نسخه‌های X، X2.6 و 5 ارائه گردید.
استفاده از کدبرای استفاده از این کد بایستی یک فایل ورودی شامل اطلاعات مسئله با ساختار مشخص تهیه گردد. هر فایل ورودی شامل سه بخش اصلی است که بخش اول مربوط به تعریف سلول‌ها، بخش دوم تعریف سطوح و بخش آخر داده‌های مسئله مانند چشمه، مواد، نوع خروجی و … است.
کد MCNPX نسبت به MCNP4C پیشرفته‌تر می‌باشد و می‌تواند تعداد ذرات بیشتری که تعداد آن‌ها به 34 ذره می‌رسد را شبیه‌سازی کند. این ذرات شامل نوترون، پروتون، الکترون، 5 لپتون، 11 باریون، 11 مزون و 4 یون سبک می‌باشند. همچنین در این کد علاوه بر دستورات MCNP، دستورات جدیدی نیز قابل اجرا می‌باشند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Pellowitz</Author><Year>2007</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText>[10, 11]</DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>30</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>Pellowitz, DB</author></authors></contributors><titles><title>MCNPX User’s Manual, version 2.6. 0</title><secondary-title>Los Alamos Report No. LA CP</secondary-title></titles><periodical><full-title>Los Alamos Report No. LA CP</full-title></periodical><pages>408</pages><volume>2</volume><dates><year>2007</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Hendricks</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>31</key></foreign-keys><ref-type name=”Report”>27</ref-type><contributors><authors><author>Hendricks, JS</author><author>McKinney, GW</author><author>Waters, LS</author></authors></contributors><titles><title>MCNPX User’s Manual, version 2.5. 0</title></titles><dates><year>2005</year></dates><publisher>LA-UR-05-2675, Los Alamos National Laboratory</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10, 11].
برای استفاده از کد MCNPX باید اطلاعات لازم و دقیق توسط یک فایل ورودی به برنامه داده شود که این امر باعث به دست آوردن جواب‌های دقیق و قابل‌اعتماد در فایل خروجی می‌گردد. بدیهی است که برای رسیدن به نتیجه‌ی مطلوب، این اطلاعات، اعم از هندسه سیستم، مواد بکار رفته و توزیع آن‌ها، چشمه و ویژگی آن، و … باید تا آنجا که امکان دارد منطبق بر سیستم آزمایش باشد.
اطلاعات موردنظر در فایل ورودی از میان کارت‌های ورودی کد MCNPX انتخاب و در فایل ورودی گنجانده می‌شود. منظور از یک کارت، یک خط ورودی در کد است که شامل دستورالعمل‌های لازم در مورد چگونگی شبیه‌سازی هندسه مسئله و … است.
کد MCNPX برای نوشتن فایل ورودی، دارای محیط خاصی مانند نرم‌افزار متلب و یا C نیست و این فایل به‌صورت یک فایل متنی در محیط wordpad یا notpad و … نوشته می‌شود. در حین اجرا با دستورالعمل خاصی که به کد داده می‌شود هر نتیجه‌ی به‌دست‌آمده در فایل خروجی با عددی به‌عنوان خطای نسبی همراه است که از تقسیم مقدار تخمینی انحرافمعیار بر میانگین تخمینی به دست می‌آید. بررسی یک نتیجه‌ی خروجی خوش‌رفتار خطای نسبی با 1N متناسب است که N تعداد تاریخچه‌های بررسی‌شده است. و بررسی نتایج بدرفتار خطای نسبی با زیادشدن تعداد تاریخچه‌ها افزایش می‌یابد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Hendricks</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>31</key></foreign-keys><ref-type name=”Report”>27</ref-type><contributors><authors><author>Hendricks, JS</author><author>McKinney, GW</author><author>Waters, LS</author></authors></contributors><titles><title>MCNPX User’s Manual, version 2.5. 0</title></titles><dates><year>2005</year></dates><publisher>LA-UR-05-2675, Los Alamos National Laboratory</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11].
در این کد، هر فایل ورودی شامل سه قسمت اصلی است که هر قسمت با یک خط خالی از قسمت قبلی و بعدی جداشده است. خط اول فایل ورودی می‌تواند خالی باشد و یا عنوان برنامه در آن نوشته شود. اولین قسمت اصلی بخشی است که شامل تعریف سلول‌های مسئله است. منظور از سلول، هر ناحیه‌ای از فضاست که توسط سطح یا سطوحی محدودشده است. مثلاَ فضای درون یک کره، یک سلول است و یا فضای داخل یک جعبه. بعد از تعریف سلول‌ها یک خط خالی درج می‌شود. دومین قسمت فایل ورودی شامل تعریف سطوحی است که در مسئله به کار گرفته‌شده است. سومین و آخرین قسمت اصلی فایل ورودی شامل داده‌های مسئله مانند چشمه، مواد، نوع خروجی و … می‌باشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Waters</Author><Year>2002</Year><RecNum>32</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>32</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”aedpze906dzpsbe9txk5t92rr2zfaspwxazs”>32</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>Waters, Laurie S</author></authors></contributors><titles><title>MCNPX user’s manual</title><secondary-title>Los Alamos.(Accesed in Apr 15, 2012 at http://mcnpx. lanl. gov/opendocs/versions/v230/MCNPX_2. 3.0 _Manual. pdf)</secondary-title></titles><periodical><full-title>Los Alamos.(Accesed in Apr 15, 2012 at http://mcnpx. lanl. gov/opendocs/versions/v230/MCNPX_2. 3.0 _Manual. pdf)</full-title></periodical><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12]. در پایان برنامه نیز یک خط خالی درج می‌شود در حالت کلی ساختار فایل ورودی کد به‌صورت زیر است:
عنوان یا خط خالی
کارت سلول
خط خالی
کارت سطوح
خط خالی
کارت دیتا
خط خالی
این کد قابلیت‌های زیادی در توصیف شکل‌های هندسی چشمه، چشمه‌های بحرانی، سطحی و قابلیت‌های گرافیکی نمایش هندسه مسئله و جواب‌ها و دسترسی آن به مجموعه‌ی وسیعی از اطلاعات کتابخانه‌ای همچنین مشخص کردن نوع خواسته‌های کاربر را دارا می‌باشد.
واحدهای فیزیکی به‌کاررفته در این کد برای کمیت‌ها به‌صورت زیر است:
طول برحسب سانتی‌متر
انرژی برحسب MeV
دما برحسب (KT) MeV
جرم برحسب گرم
چگالی اتمی برحسب اتم بر بارن سانتی‌متر (#/barn-cm)
چگالی جرمی برحسب (gr/cm3)
زمان ‌برحسب Shakes (10-8 s).
کارت سلولدر این کد، فضای شبیه‌سازی‌شده از سلول‌های مختلف تشکیل می‌شود که هر سلول توسط یک کارت سلول تعریف می‌شود. هر سلول توسط شماره‌ی سلول، شماره‌ی ماده، چگالی ماده و شماره‌ی سطوحی که ماده در آن قرار دارد توصیف می‌شود.
پس از تعریف هر سلول می‌توان درجه اهمیت سلول موردنظر را (با استفاده از کارت IMP) برای ترابرد ذرات مختلف مشخص کرد. در تمام برنامه‌های نوشته‌شده، بیرونی‌ترین لایه باید تهی در نظر گرفته شود و درجه‌ی اهمیت آن صفر در نظر گرفته شود تا ترابرد یک‌ذره به‌محض ورود به آن سلول خاتمه یابد.
فرم کلی تعریف کارت سلول به‌صورت زیر است:
J m d geometry parameters
J = شماره‌ی کارت سلول
m = شماره‌ی ماده‌ای که سلول را پر می‌کند
d = چگالی ماده‌ی درون سلول
geometry = کارت‌های مشخص‌کننده‌ی هندسه
parameters = پارامترهای مشخصه‌ی سلول
REF _Ref411408735 h شکل ‏02 کارت سلول مربوط به شبیه‌سازی یک سوسوزن یدور سزیم را نشان می‌دهد.

شکل STYLEREF 1 s ‏0 SEQ شکل * ARABIC s 1 2: کارت سلول در شبیه‌سازی
کارت سطوحهر سلول به‌وسیله‌ی سطوحی که آن را از سلول‌های دیگر مجزا می‌کند مشخص می‌شود. حداکثر تعداد سطوح در برنامه‌ی ورودی برابر 99999 عدد بوده و ساختار آن به شکل زیر است:
J n a list
j = شماره‌ی سطح
n = شماره‌ی کارت انتقال (در صورت نیاز)
a = مشخص‌کننده‌ی نوع سطح
list = پارامترهای سطح
شماره‌ی سطح (j) اولین عددی است که در سطر موردنظر وارد می‌شود و باید دریکی از ستون‌های 1 تا 5 قرار گیرد. پارامتر n شماره‌ی کارت انتقال است. شماره‌ی سطوح نمی‌تواند یکسان باشد و هر سلول شماره‌ی خاص خود را دارد. REF _Ref411409468 h شکل ‏03 مربوط به شبیه‌سازی سطوح آشکارساز CsI می‌باشد.

شکل STYLEREF 1 s ‏0 SEQ شکل * ARABIC s 1 3: کارت سطوح در شبیه‌سازی یدور سزیمکارت دادهکارت داده که آخرین بخش از فایل ورودی است، دربرگیرنده‌ی تعریف نوع ذرات، مواد، چشمه‌های تابش، نوع خروجی یا Tally، روش‌های کاهش واریانس و غیره است. نام کارت، اولین پارامتری است که در سطر موردنظر واردشده و باید در یکی از ستون‌های 1 تا 5 قرار بگیرد. نمی‌توان از دو کارت هم نام استفاده کرد. به‌طورکلی مهم‌ترین کارت‌های داده به‌صورت زیر طبقه‌بندی می‌شوند:
نوع مسئله
کارت هندسه
کاهش واریانس
مشخصات چشمه
مشخصات تالی
مشخصات ماده و سطح مقطع
رفتار انرژی
اتمام مسئله
کارت نوع مسئله (MODE)با استفاده از این کارت، کاربر نوع ذراتی را که نیاز است در مسئله تولید شوند را مشخص می‌کند. به‌طورکلی بنابر نیاز می‌تواند نوع ذرات ترابرد شده در مسئله را انتخاب کند. به‌طور مثال کارت زیر
MODE npیعنی چشمه فوتون فرض شده و فوتون و نوترون‌های تولیدشده دنبال می‌شوند.
کارت اهمیت (IMP)این کارت، تعیین‌کننده‌ی اهمیت سلول‌های مختلف برای ترابرد نوترون، فوتون و الکترون است. این پارامتر می‌تواند در تعریف هر سلول به‌طور جداگانه مورداستفاده قرار بگیرد و یا به‌صورت یک کارت جدا در قسمت کارت داده برنامه‌ی ورودی استفاده شود.
چشمه
هر فایل ورودی باید دارای یک چشمه ذرات باشد. چشمه‌های قابل‌تعریف در نسخه‌ی X2.6 به‌مراتب بیشتر از نسخه‌های قبلی است. همچنین در نسخه‌های جدید این کد امکان تعریف چشمه ذرات مختلف به‌طور همزمان در یک برنامه وجود دارد.
چشمه‌های عمومی (SDEF)یک چشمه به‌طورکلی با دستور SDEF در قسمت داده‌ها تعریف می‌شود. پارامترهای بسیاری وجود دارد که می‌توان برای SDEF تعریف کرد مانند نوع ذره، انرژی، مکان، جهت گسیل ذرات و … . ازجمله‌ی مهم‌ترین این پارامترها عبارت‌اند از:
پارامتر POS: برای تعریف مختصات مکانی یک چشمه‌ی نقطه‌ای به کار می‌رود.
پارامتر PAR: برای تعریف نوع ذره استفاده می‌شود.
ساختار کلی کارت SDEF به‌صورت زیر است
SDEF source specification
REF _Ref411413848 h شکل ‏04 تعریف چشمه‌ای را نشان می‌دهد که مختصات آن (-100.0.0) و انرژی آن MeV 95/1 است.

شکل STYLEREF 1 s ‏0 SEQ شکل * ARABIC s 1 4: مثالی از تعریف چشمه در MCNPانواع خروجی استاندارد (تالی‌ها)به کمک تعریف تالی‌ها در برنامه، می‌توان کمیت‌های موردنظر را محاسبه کرد. به‌طورکلی 7 نوع تالی در کد قابل‌تعریف است که برخی از آن‌ها برای الکترون و فوتون قابل‌تعریف نمی‌باشند. یک تالی با مشخص کردن نوع آن و نوع ذره به‌صورت Fn:pl تعریف می‌شود که n یک عدد حداکثر سه‌رقمی است که رقم آخر آن نوع تالی را مشخص می‌کند. pl نوع ذره را مشخص می‌کند و می‌تواند p برای فوتون، e برای الکترون و n برای نوترون باشد. در نسخه‌های بالاتر h برای پروتون، d برای دوترون و … قابل‌تعریف است.
تالی F8این تالی، تالی ارتفاع پالس (pulse height tally) نامیده می‌شود که درواقع مقدار فراوانی انرژی ثبت‌شده در هر سلول را بیان می‌کند. تالی F8، توزیع انرژی را که در آشکارساز تولید پالس می‌کند محاسبه می‌کند و واحد آن پالس است. در شبیه‌سازی صورت گرفته در این کار از تالی F8 برای تعیین توزیع ارتفاع پالس استفاده کرده‌ایم.
متغیر GEBFTn GEB a b c
این کارت را می‌توان برای محاسبه‌ی FWHM برای تالی F8 بکار برد که در کد به‌صورت تابع تعریف می‌شود.
a، b و c مقادیر ثابت هستند که از روی برازش منحنی تابع پاسخ انرژی به دست می‌آیند. دستور لازم برای محاسبه‌ی FWHM در کد به‌صورت زیر می‌باشد:
F8:<pl> 1
FT8 GEB a b c
شکل زیر یک فایلی متنی را نشان می‌دهد که برای شبیه‌سازی آشکارساز سوسوزن بکار رفته است.

شکل STYLEREF 1 s ‏0 SEQ شکل * ARABIC s 1 5: نمونه‌ای از فایل متنی برای شبیه‌سازی آشکارساز
فصل چهارمطیف‌سنجی پرتوهای گاما به‌وسیله‌ی آشکارسازهای 2 و 3 اینچی CsI(Tl)2242185457200
مقدمهدر این فصل مراحل به دست آوردن تابع پاسخ آشکارسازهای سوسوزن 2 و 3 اینچی CsI بیان می‌شود. طیف‌های تجربی به‌دست‌آمده از چهار چشمه‌ی استاندارد Co60، Cs137، Na22 و Zn65 که در آزمایشگاه هسته‌ای دانشگاه نیشابور موجود می‌باشند به‌طور دقیق به‌دست‌آمده و سپس این طیف‌ها با نتایج حاصل از شبیه‌سازی به‌وسیله‌ی کد مونت‌کارلوی MCNPX 2.6 مقایسه شده‌اند. در انتها طیف‌های اندازه‌گیری شده توسط آشکارساز 2 اینچی با طیف‌های آشکارساز 3 اینچی مقایسه شده‌اند.
اندازه‌گیری طیف چشمه‌های تک انرژی گامابرای اندازه‌گیری طیف چشمه‌های تک انرژی نیاز به چیدمان چندان پیچیده‌ای نیست، کافی است چشمه‌های پرتوی گاما در مقابل آشکارساز و در راستای محور آن قرار بگیرد و فاصله‌ی آن تا آشکارساز باید به‌اندازه‌ای باشد که زمان مرده کمتر از 5/1 % شود. به همین دلیل زمان اندازه‌گیری طیف‌ها با یکدیگر برابر نیست. سیستم طیف‌سنجی شامل دستگاه تحلیلگر چندکاناله و ولتاژ بالای HVMCA مدل NT-124، یک دستگاه رایانه رومیزی، آشکارسازهای سوسوزن 2 اینچی و 3 اینچی (به ترتیب مدل NT-203 و NT-204 ساخت شرکت نوین طیف گستر) و چهار چشمه‌های استاندارد می‌باشد.
برای طیف‌سنجی به‌وسیله‌ی آشکارساز 2 اینچی، ولتاژ تقویت‌کننده روی V 750 و برای آشکارساز 3 اینچی روی V 1050 قرار می‌گیرد. بهتر است برای طیف‌سنجی حداقل 10 دقیقه از روشن کردن MCA و تنظیم ولتاژ جهت گرم شدن الکترونیک دستگاه گذشته باشد. طیف گامای زمینه (گامای موجود در محیط) نیز به‌وسیله‌ی هر دو آشکارساز به‌طور مجزا ثبت شد. برای کاهش خطاهای مربوط به اندازهگیری طیف زمینه، زمان اندازه‌گیری آن نسبت به زمان اندازه‌گیری دیگر طیف‌ها به‌مراتب بیشتر در نظر گرفته‌شده است. فاصله‌ی چشمه از آشکارساز و زمان اندازه‌گیری طیف گامای هر چشمه در REF _Ref411354940 h جدول 2 آمده است.
جدول SEQ جدول * ARABIC 2: مختصات و زمان اندازه‌گیری طیف‌ها
چشمه فاصله چشمه از آشکارساز(cm) تعداد گسیل به ازای یک واپاشی انرژی گسیلی
(keV) زمان زنده طیف‏گیری
(S)
2 اینچی 3 اینچی 2 اینچی 3 اینچی
Cs 137 18 35 8499/0 662 7/1628 3/1719
Co 60 25 48 9998/0
9998/0 24/1173
5/1332 8/2963 1/4336
Zn 65 1 5 0284/0
5022/0 511
1115 7/1083 1/1481
Na 22 24 53 1807/0
9994/0 511
1275 4/2610 5/3547
زمینه – – – – 9/5992 2/6272
کالیبراسیون50996851445260(4-1)
(4-1)
خروجی MCA طیفی است که در آن شمارش‌ها برحسب کانال است ( REF _Ref411498643 h شکل ‏41). درصورتی‌که ما نیاز به طیفی داریم که در آن شمارش‌ها برحسب انرژی باشد. بنابراین باید کالیبراسیون انجام گیرد. 4852035948055(4-1)
0(4-1)
رابطهی بین کانال و انرژی به‌صورت
E=A×CH2+B×CH+Cبیان می‌شود که در آن CH شماره‌ی کانالی است که انرژی متناظر با آن E است. “کالیبراسیون”، به دست آوردن ضرایب A، B و C است که می‌توان با استفاده از آن توزیع ارتفاع پالس را برحسب انرژی بیان کرد. REF _Ref411498710 h شکل ‏42 و REF _Ref411498717 h شکل ‏43 به ترتیب نمودارهای انرژی برحسب کانال را برای آشکارسازهای 2 و 3 اینچی یدور سزیم نشان می‌دهند.

شکل STYLEREF 1 s ‏4 SEQ شکل * ARABIC s 1 1: خروجی MCA ( شمارش‌ها برحسب کانال)
شکل STYLEREF 1 s ‏4 SEQ شکل * ARABIC s 1 2: منحنی کالیبراسیون آشکارساز 2 اینچی
شکل STYLEREF 1 s ‏4 SEQ شکل * ARABIC s 1 3: منحنی کالیبراسیون آشکارساز 3 اینچیاز برازش حداقل مربعاتی این نمودارها با رابطه‌ی (1-4)، ضرایب A، B و C برای هر دو آشکارساز مقادیر زیر به‌دست‌آمده‌اند ( REF _Ref411498787 h جدول 3).
جدول SEQ جدول * ARABIC 3: مقادیر و ضرایب کالیبراسیون هر دو آشکارسازابعاد آشکارساز A B C
2 اینچی 0005/0- 3309/4 0999/3-
3 اینچی 0006/0 6737/3 0033/13-
لازم به ذکر است که مرتبه‌ی کالیبراسیون می‌تواند غیر از 2 باشد. اما مناسب‌ترین رابطه برای کالیبراسیون رابطهی 4-1 می‌باشد. چون با توجه به رابطه‌ی فوق که در آن انرژی برحسب تابع درجه‌دوی کانال است، خطاها نسبت به دیگر رابطه‌ها کمتر است و کالیبراسیون دقیق‌تری داریم.
طیف مشخصهطیف چهار چشمه‌ی استاندارد Co60، Cs137، Na22 و Zn65 به‌طور مجزا به دست آمد. اما این طیف‌ها طیف مشخصه‌ی گاما نیستند چون طیف گاماهای زمینه نیز به همراه آن‌ها در MCA ثبت‌شده است. بنابراین باید طیف گاماهای زمینه از هرکدام از طیف هل کم شود. همان‌طور که گفته شد زمان اندازه‌گیری طیف زمینه بسیار بیشتر از زمان اندازه‌گیری دیگر طیف‌هاست، بنابراین هنگام کم کردن شمارش‌های طیف زمینه از شمارش هر طیف، بهنجارش صورت گرفته است. به‌طور مثال REF _Ref411330907 h شکل ‏44، طیف زمینه، REF _Ref411330918 h شکل ‏45، طیف Na22 به همراه زمینه و REF _Ref411330928 h شکل ‏46 طیفی است که در آن شمارش‌های زمینه از شمارش‌های طیف ثبت‌شده به‌وسیله‌ی آشکارساز 3 اینچی کم شده است.

شکل STYLEREF 1 s ‏4 SEQ شکل * ARABIC s 1 4: طیف زمینه ثبت‌شده به‌وسیله‌ی آشکارساز 3 اینچی
شکل STYLEREF 1 s ‏4 SEQ شکل * ARABIC s 1 5: طیف سدیم-22 به همراه زمینه حاصل از آشکارساز 3 اینچی
شکل STYLEREF 1 s ‏4 SEQ شکل * ARABIC s 1 6: طیف مشخصه‌ی سدیم-22 حاصل از آشکارساز 3 اینچیFWHM (تمام پهنا در نیم ارتفاع)طیف‌های به‌دست‌آمده به‌وسیله‌ی آشکارسازهای سوسوزن در آزمایشگاه، دارای توزیع گاوسی شکل در محدوده‌ی فوتوپیک هستند. تابعی که این توزیع را توصیف می‌کند با رابطه‌ی
505206092710(4-2)
(4-2)
fE=Ce-(E-E0A)2داده می‌شود که در آن C، ضریب بهنجارش، E انرژی پهن‌شده، E0، انرژی پهن نشده و A پهنای گاوسی است.علاوه بر این، این توزیع شامل زمینه مربوط به فوتوپیک نیز می‌باشد. در نهایت معادله مربوط به این توزیع را می‌توان به‌صورت زیر نوشت
499491022860(4-3)
(4-3)
yE= Ce-(E-E0A)2+background(A,B)رابطه‌ی بین پهنای گاوسی و FWHM به‌صورت زیر است
A=FWHM2ln2پس از کم کردن شمارش زمینه از شمارش‌های هر طیف، تمام پهنا در نیم ارتفاع (FWHM) برای هر فوتوپیک با دقت اندازه‌گیری شد که مقادیر آن‌ها در REF _Ref411331571 h جدول 4 آمده است.
جدول SEQ جدول * ARABIC 4: مقادیر FWHM تجربی به‌دست‌آمده از هر دو آشکارساز
انرژی گاما (MeV) FWHM (keV)
آشکارساز 2 اینچی آشکارساز 3 اینچی
511/0 068/43 11/44
662/0 349/50 51/53
115/1 886/66 81/71
173/1 550/68 31/73
275/1 289/71 88/75
332/1 877/72 33/76

شکل STYLEREF 1 s ‏4 SEQ شکل * ARABIC s 1 7: فوتوپیک گاوسی به همراه زمینه
شکل STYLEREF 1 s ‏4 SEQ شکل * ARABIC s 1 8: فوتوپیک گاوسی REF _Ref411332325 h شکل ‏47 یک فوتوپیک را به همراه زمینه‌ی آن و REF _Ref411332336 h شکل ‏48 فوتوپیک را پس از کم کردن زمینه‌ی آن نشان می‌دهد.مقدار FWHM، تمام پهنای REF _Ref411332336 h شکل ‏48 در نصف ارتفاع قله‌ی آن است.
ضرایب GEB طیف‌های ثبت‌شده از چشمه‌های پرتوی گاما دارای توزیع گاوسی شکل در محدوده‌ی فوتوپیک هستند. برای شبیه‌سازی آشکارساز به‌وسیله‌ی کد MCNPX، نیازمند پارامتری هستیم که بتواند این توزیع گاوسی شکل را به‌خوبی بیان کند. این پارامتر به ضرایب GEB مشهورند که در کارت GEB تالی F8 کد MCNPX به‌منظور در نظر گرفتن تفکیک انرژی آشکارساز به کار می‌روند. کارت GEB، عملکرد مخصوص تالی‌ها برای شبیه‌سازی بهتر آشکارساز می‌باشد.
به‌منظور دست‌یابی به ضرایب GEB، نیازمند تکنیک برازش حداقل مربعاتی هستیم. بدین منظور، FWHMهای تجربی به‌عنوان تابعی از انرژی برای هر دو آشکارساز رسم می‌شود ( REF _Ref411332644 h شکل ‏49، FWHM برحسب انرژی برای آشکارساز 2 اینچی و REF _Ref411332652 h شکل ‏410، برای آشکارساز 3 اینچی).

شکل STYLEREF 1 s ‏4 SEQ شکل * ARABIC s 1 9: منحنی برازش FWHM برای آشکارساز 2 اینچی
شکل STYLEREF 1 s ‏4 SEQ شکل * ARABIC s 1 10: منحنی برازش FWHM برای آشکارساز 3 اینچیاز تطبیق دو نمودار فوق با تابع غیرخطی
4823460-71120(4-4)

Author:

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *