دانلود پایان نامه ارشد:بهینه سازی تولید رادیوایزوتوپ های کوتاه عمر در سامانه پلاسمای کانونی

بررسی و مطالعه شرایط بهینه تولید رادیوایزوتوپ های کوتاه عمر با استفاده از دستگاه پلاسمای کانونی موضوع مورد تحقیق پروژه حاضر است. رادیوایزوتوپ‌های کوتاه عمر که درپزشکی کاربرد دارند شامل:18F (110 دقیقه)؛ 13N (10دقیقه)؛ 15O (5/2 دقیقه)؛ 11C (20دقیقه) هستند. تکنیک تصویربرداری گسیل پوزیترونی با استفاده از این رادیوایزوتوپ ها مزایای گسترده ای نسبت به سایر روش ها دارد. برخی از کاربردهای آن عبارتند از : آشکارسازی بافت های سرطانی ، تعیین گسترش آن در بدن ، بررسی موثر بودن عمل درمان، تعیین بازگشت مجدد سرطان پس از عمل، تعیین اثرات حمله قلبی. استفاده از سیکلوترون تصویربرداری گسیل پوزیترونی را به روشی گرانقیمت تبدیل کرده است. بنابراین لازم است سایر روش ها مورد بررسی قرار گرفته تا هزینه ها را کاهش داده و امکان استفاده از آن را برای همه فراهم کرد. به همین منظور دستگاه پلاسمای کانونی به دلایل گفته شده مورد توجه جدی قرار گرفته است. اهداف مورد بررسی در این تحقیق شامل: 1) آشنایی با دستگاه پلاسمای کانونی و مطالعه فازهای مختلف آن. 2) بررسی مکانیسم های شتاب و مطالعه طیف دوترون های پر انرژی شامل روش های اندازه گیری طیف های دوترون 3) بررسی تولید رادیوایزوتوپ های کوتاه عمر در دستگاه پلاسمای کانونی. 4) شرایط بهینه سازی شامل: محاسبه اکتیویته طیف های آزمایشگاهی، رابطه بین توان تابع نمایی و اکتیویته و همچنین برای بهینه سازیِ تولید رادیوایزوتوپ ها می توان در مد تکرار کارکرده و یا انرژی دستگاه را بالا برد و یا شرایط دیگر را بررسی کرد.

فهرست مطالب

عنوان…………………………………………………………………………………………………… شماره صفحه

چکیده………………………………………………………………………………………………………… 1

1- آشنایی با دستگاه پلاسمای کانونی و کاربردهای آن………………………………………… 2

1-1 ساختار کلی دستگاه پلاسمای کانونی…………………………………………………………. 4

1-1-1 دینامیک پلاسمای کانونی………………………………………………………………… 6

الف)فازشکست…………………………………………………………………………………….. 7

ب)فاز شتاب گیری محوری……………………………………………………………………… 8

ج)فاز شعاعی………………………………………………………………………………………. 9

1-2 کاربردهای پلاسمای کانونی……………………………………………………………………. 13

2 سازوکارشتاب یون ها و مطالعه طیف دوترون های پرانرژی در دستگاه پلاسمای کانونی……………………. 15

2-1 سازوکارشتاب یون ها………………………………………………………………………….. 16

2-1-1 فرآیند شتاب………………………………………………………………………………. 17

2-1-2 مدل های شتاب…………………………………………………………………………… 18

2-1-2-1 ناپایداری ها………………………………………………………………………… 18

2-1-2-2 مقاومت غیر عادی………………………………………………………………… 21

2-1-2-3 موج پلاسما…………………………………………………………………………. 22

2-1-2-4 موج شوک………………………………………………………………………….. 23

2-2 مطالعه طیف دوترون های پرانرژی…………………………………………………………….. 24

2-2-1 روش های اندازه گیری دوترون های پر انرژی ………………………………………. 24

2-2-1-1 طیف سنج مغناطیسی……………………………………………………………….. 24

2-2-1-2 فعال سازی هسته ای……………………………………………………………….. 31

فهرست مطالب

عنوان…………………………………………………………………………………………………… شماره صفحه

چکیده………………………………………………………………………………………………………… 1

1- آشنایی با دستگاه پلاسمای کانونی و کاربردهای آن………………………………………… 2

1-1 ساختار کلی دستگاه پلاسمای کانونی…………………………………………………………. 4

1-1-1 دینامیک پلاسمای کانونی………………………………………………………………… 6

الف)فازشکست…………………………………………………………………………………….. 7

ب)فاز شتاب گیری محوری……………………………………………………………………… 8

ج)فاز شعاعی………………………………………………………………………………………. 9

1-2 کاربردهای پلاسمای کانونی……………………………………………………………………. 13

2 سازوکارشتاب یون ها و مطالعه طیف دوترون های پرانرژی در دستگاه پلاسمای کانونی……………………. 15

2-1 سازوکارشتاب یون ها………………………………………………………………………….. 16

2-1-1 فرآیند شتاب………………………………………………………………………………. 17

2-1-2 مدل های شتاب…………………………………………………………………………… 18

2-1-2-1 ناپایداری ها………………………………………………………………………… 18

2-1-2-2 مقاومت غیر عادی………………………………………………………………… 21

2-1-2-3 موج پلاسما…………………………………………………………………………. 22

2-1-2-4 موج شوک………………………………………………………………………….. 23

2-2 مطالعه طیف دوترون های پرانرژی…………………………………………………………….. 24

2-2-1 روش های اندازه گیری دوترون های پر انرژی ………………………………………. 24

2-2-1-1 طیف سنج مغناطیسی……………………………………………………………….. 24

2-2-1-2 فعال سازی هسته ای……………………………………………………………….. 31

2-2-1-3 تحلیل گر سهمی تامسون………………………………………………………….. 37

2-2-1-4 زمان پرواز یون……………………………………………………………………… 44

3- بررسی تولید رادیوایزوتوپ های کوتاه عمر در دستگاه پلاسمای کانونی……………. 46

3-1 فرآیند تولید رادیوایزوتوپ در دستگاه پلاسمای کانونی………………………………… 47

3-1-1 روش درونی…………………………………………………………………………… 48

3-1-2 روش بیرونی…………………………………………………………………………… 49

3-1-3 مقایسه روش درونی با روش بیرونی…………………………………………….. 49

3-2 رادیوایزوتوپ های تولید شده در دستگاه پلاسمای کانونی……………………………… 50

3-3 فرایند تولید نیتروژن13 از طریق واکنش12C(d,n)13N ………………………………. 52

4- بهینه سازی تولید رادیوایزوتوپ های کوتاه عمر در دستگاه پلاسمای کانونی……… 55

4-1 فرآیند محاسبه اکتیویته طیف دوترون………………………………………………………… 56

4-1-1 نرخ واکنش……………………………………………………………………………….. 56

4-1-2 محاسبه تعداد هسته های نیتروژن13………………………………………………… 60

4-1-3 محاسبه اکتیویته…………………………………………………………………………… 63

4-2 مقایسه اکتیویته آزمایشگاهی با اکتیویته محاسبه شده از طیف دوترون………………… 63

4-3 بررسی رابطه توان تابع نمایی(n) واکتیویته(A) ………………………………………….. 64

4-3-1 محاسبه اکتیویته طیف های آزمایشگاهی ……………………………………………. 64

4-3-2 رابطه تئوری بین اکتیویته(A) وتوان(n)……………………………………………… 71

4-4 بهینه سازی تولید رادیوایزوتوپ های کوتاه عمر در دستگاه پلاسمای کانونی……… 78

4-4-1 عوامل موثر بر میزان اکتیویته …………………………………………………………… 78

4-4-1-1 نرخ تکرار………………………………………………………………………….. 78

4-4-1-2 انرژی دستگاه……………………………………………………………………… 86

5- نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………. 88

6-مراجع…………………………………………………………………………………………………… 92

شکل(1-1):نمایی ساده از دستگاه پلاسمای کانونی نوع مدر(سمت چپ) و نوع فیلیپوف(سمت راست)………… 5

شکل(1-2): حرکت لایه جریان و فازهای مختلف آن در پلاسمای کانونی نوع مدر……….. 6

شکل(1-3): واپاشی ستون پلاسما وگسیل پرتوهای مختلف……………………………………. 12

شکل(1-4): مراحل تشکیل پینچ پلاسما…………………………………………………………….. 12

شکل(2-1): اغتشاش در ستون پلاسما به صورت شماتیک……………………………………… 18

شکل(2-2): اختلال در پینچ……………………………………………………………………………. 19

شکل(2-3): ناپایداری سوسیسی(m=0)، سمت چپ؛ ناپایداری کینک(m=1)، سمت راست؛……………………. 20

شکل(2-4): محفظه طیف سنج مغناطیسی به طور شماتیک……………………………………… 26

شکل(2-5): ویژگی ردها در نواحی مختلف طیف روی آشکارساز CR-39 ……………… 30

شکل(2-6): فعال سازی هسته ای به عنوان تابعی از عمق……………………………………….. 32

شکل(2-7): سیستم استخراج یونی در تحلیل گر سهمی تامسون برای مطالعه باریکه های یونی در دستگاه پلاسمای کانونی………………………………………………………………………………………………………………… 41

شکل(2-8): تصویری از تحلیل‌گر تامسون مورد استفاده در مطالعات پلاسمای کانونی…… 42

شکل(2-9): مثالی از طیف نگار تامسون در فشارهای مختلف…………………………………. 43

شکل(2-10): طیف انرژی دوترون اندزه گیری شده با تحلیل گر سهمی تامسون………….. 43

شکل(2-9): زمان پرواز به صورت شماتیک(دایره های سیاه نشان دهنده ذرات سبکتر و دایره های تو خالی نشان دهنده ذرات سنگین)……………………………………………………………………………………………… 44

شکل(3-1): نمایی از فعال سازی گرافیت در دستگاه NX2 ………………………………….. 53

شکل(2-3): آشکارسازی گرافیت به صورت شماتیک……………………………………………. 54

شکل(4-1): توان توقف دوترون ها در گرافیت…………………………………………………… 58

شکل(4-2): سطح مقطع واکنش 12C(d,n)13N گرفته شده از EXFOR ………………… 59

شکل(4-3): نرخ واکنش،thick target yield………………………………………………….. 59

شکل(4-4): طیف دوترون……………………………………………………………………………… 62

شکل(4-5):اکتیویته محاسبه شده برای گزیده ای از طیف های دوترون در فشار4mbar . 65

شکل(4-6):اکتیویته محاسبه شده برای گزیده ای از طیف های دوترون در فشار6mbar.. 66

شکل(4-7):اکتیویته محاسبه شده برای گزیده ای از طیف های دوترون در فشار8mbar.. 67

شکل(4-8): یک طیف دوترون با nهای مختلف و اکتیویته متفاوت………………………….. 70

شکل(4-9): زاویه بین هدف و دوترون های خارج شده از پینچ………………………………. 72

شکل(4-10): اکتیویته بر حسب n……………………………………………………………………. 76

شکل(4-11): رابطه n وA ……………………………………………………………………………. 77

شکل(4-12): نمودار اکتیویته بر حسب نرخ تکرار……………………………………………….. 80

شکل(4-13): نمودار اکتیویته بر حسب زمان بمباران هدف…………………………………….. 81

شکل(4-14): نمودار اکتیویته بر حسب نرخ تکرار برای طیف شماره 1 مجموعه 4mbar 82

شکل(4-15): اکتیویته بر حسب نرخ تکرار(فرکانس های بالا)…………………………………. 83

جدول(2-1): پارامتر های واکنش هسته ای از هدفB4C ……………………………………… 34

جدول(2-2): پارامترهای مربوط به واکنش هسته ای هدفBN……………………………….. 35

جدول(3-1): رادیوایزوتوپ های قابل تولید در دستگاه پلاسمای کانونی……………………. 51

جدول(4-1): مقادیر n گزارش شده در مراجع مختلف………………………………………….. 61

جدول(4-2): گزیده ای از طیف های دوترون در فشار4mbar ……………………………… 68

جدول(4-3): گزیده ای از طیف های دوترون در فشار6mbar………………………………. 68