M. S. Khalifa, S. F. Aloraby and N. A. Shahbon 1 The Center of Renewable Energy and Water Desalination, Tajoura, Libya

Transcript

1 Ninth Arab Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, Beirut, 3 6 December 008 Use of Plastic detectors (CR-39) for Characterization of the linear Energy Transfer (LET) of α-particles in Air M. S. Khalifa, S. F. Aloraby and N. A. Shahbon 1 The Center of Renewable Energy and Water Desalination, Tajoura, Libya Abstract: In this paper plastic nuclear track detectors (CR-39) were used to characterize the LET of alpha particles in air. Making use of the track density as a measure of the radiation intensity from an alpha source ( 41 Am) we were able to establish the transmission curve, determine the range of alpha particles in air, and to establish Bragg curve and determine the position of the peak that corresponds to the occurrence of maximum energy loss in air. The method may have important applications in terms of its use in the field of radiotherapy for studying tissue equivalent materials in order to determine the depth at which charged particles, such as protons, significantly loss their energy, and hence one can determine the depth at which a radiation dose can be delivered. استخدام الكواشف البلاستيكية (CR-39) لتوصيف خصاي ص الفقد الخطي 1 شهبون لطاقة جسيمات ألفا في الهواء مسعود. ص. خليفة سعاد. ف. الع اربي نجاة. ع. مركز بحوث الطاقات المتجددة وتحلية المياه تاجو ارء ليبيا. الملخص في هذه الورقة است خدمت كواشف الا ثر النووي البلاستيكية (CR-39) لوصف الفقد الخطي لطاقة جسيمات ألفا في الهواء. باستخدام الكثافة العددية لا ثار ألفا كوسيلة لقياس شدة الا شعاع استطعنا رسم منحنى الا متصاص وتحديد متوسط مدى ألفا في الهواء واستطعنا 1 Presently student at the academy of graduate study, Libya. 1

2 رسم منحنى ب ارج وتحديد موضع القمة التي يحدث عندها أكبر فقد لطاقة جسيمات ألفا في الهواء. دلت النتاي ج على إمكانية استخدام كواشف الا ثر النووي البلاستيكية في تحديد عمق الجرعة الا شعاعية من حزمة جسيمات مشحونة مثل البروتونات في معالجة الا وارم السرطانية وذلك عن طريق د ارسة مكافي ات النسيج البشري وتحديد العمق الذي يحدث عنده أكبر فقد خطي لطاقة الجسيمات المتعجلة. المقدمة: عند سقوط جسيم ثقيل مشحون مثل جسيمات ألفا على مادة ما فا نه يفقد طاقته عن طريق تفاعله مع إلكترونات الوسط على امتداد مساره مسببا إثارة وتا ين ذ ارت الوسط الذي يمر فيه. نتيجة لهذا التفاعل يترك الجسيم الساقط أثر تخريبي على امتداد مساره (Trail of Track) [1]. damage or يبقى هذا الا ثر التخريبي بصفة مستديمة بالمادة الصلبة الغير موصلة مثل كواشف الا ثر النووي البلاستيكية (CR-39) ويكون على نطاق أبعاد التركيبة الذرية للمادة. يتم تكبير الا ثار باستخدام محلول كيمياي ي مناسب Etchant) (Chemical يعمل على تا كل مسار الجسيم المشحون بمعدل أكبر من بقية سطح الكاشف فيصبح مري ي تحت المجهر الضوي ي. يعتمد قطر الا ثر بعد الحك الكيمياي ي على كتلة وشحنة وطاقة الجسيم الساقط ] &1] ولكن لا تشير أي م ارجع إلى علاقة قطر الا ثار النووية بالمسافة التي يقطعها الجسيم الساقط في وسط ما قبل اصطدامه بكاشف الا ثر وهي المشاهدات التي بنيت عليها فكرة هذا العمل الذي يهدف إلى استخدام كواشف الا ثر النووي لوصف خصاي ص الفقد الخطي لطاقة جسيمات ألفا في الهواء. تفاعل الجسيمات الثقيلة المشحونة مع المادة: عند سقوط الجسيمات الثقيلة المشحونة مثل حسيمات ألفا على مادة ما فا نهم يفقدون طاقتهم عن طريق تفاعلات قوى كولوم بين الجسيمات الساقطة و ا لكترونات الوسط متسببين في إثارة وتا ين الذ ارت على امتداد مسا ارتهم بالمادة. يحدث أيضا التا ثير المباشر للقوى الكهروستاتيكية بين الجسيم الساقط وأنوية المادة قينتج عن ذلك إ ازحة بعض الذ ارت عن مواضعها بالتركيبة البلورية للمادة أو من السلاسل الجزيي ية في حالة المواد البلمرية [].

3 تعتمد قدرة أي مادة على ايقاف الجسيمات الثقيلة المشحونة على الالية التي يفقد بها الجسيم طاقته والتي يعبر عنها بقدرة الايقاف (S) أو بمعدل الفقد الخطي لطاقة الجسيم (LET) : de S = dx (1) -de الطاقة المفقودة خلال سمك من المادة حيث E طاقة الجسيم المشحون الساقط و يساوي.dX الصيغة الكلاسيكية التي تصف الفقد الخطي لطاقة الجسيمات الثقيلة المشحونة تعرف باسم معادلة بيث : (Bethe-Bloch Formula) 4 de 4 π z e = NB () dx m v B m0v Z ln I 0 v ln 1 c حيث B تعرف برقم الا يقاف ويعبر عنها بالمعادلة التالية: v c = أما ze فهي شحنة الجسيم الثقيل المشحون و m o كتلة السكون للا لكترون وe شحنة الا لكترون و v سرعة الجسيم الثقيل وZ العدد الذري لمادة الهدف و N عدد ذ ارت المادة بوحدة الحجوم وI تشير معادلة بث إلى متوسط جهد التا ين والا ثارة في المادة المار بها الجسيم وc سرعة الضوء. أن قدرة الا يقاف تزداد كلما انخفضت سرعة الجسيم وهذا يعني إن معدل الفقد الخطي لطاقة الجسيم الثقيل المشحون على امتداد مساره داخل المادة يتناسب عكسيا مع طاقته. المنحنى الذي يربط بين قدرة الا يقاف والمسافة التي يقطعها الجسيم المشحون داخل المادة يعرف باسم منحنى ب ارج ] 3 [. الشكل (1) يبين منحنى نمطي لمنحنى ب ارج الذي يمثل الفقد الخطي لطاقة جسيم ألفا على امتداد مساره في الهواء. من الواضح أن أكبر فقد لطاقة الجسيم تحدث عندما يقترب من نهاية مساره في المادة. يرجع الانحدار الشديد في نهاية المنحنى إلى إنخفاض شحنة الجسيم عندما يصل إلى نهاية مساره وذلك بسبب اكتسابه إلكترونات من الوسط المحيط وبالتالي انخفاض الفقد في طاقة الجسيم بشكل ملحوظ. 3

4 مدى الجسيمات الثقيلة المشحونة: عند سقوط الجسيمات الثقيلة على المادة فا نها لا تتعرض لا نح ارفات في مسارها وبالتالي يكون لها مدى محدد يمكن تعريفه بالمسافة المقطوعة في الوسط الذي تمر فيه قبل أن تتوقف. ونظ ار للطبيعة العشواي ية لعمليات فقد طاقة الجسيم على امتداد مساره مما يتسبب في اختلاف مدى الجسيمات أحادية الطاقة في الوسط الواحد لذلك يعرف متوسط المدى الذي يمكن قياسه عمليا با نه المسافة التي تعمل على ايقاف نصف عدد الجسيمات الساقطة على المادة. الشكل () يبين منحنى نمطي يعرف باسم منحنى النفوذية يربط بين نسبة شدة الا شعاع التى تخترق سمك من المادة إلى شدة الا شعاع المنبعث من المصدر( (I/I o وسمك المادة ] 3.[ الشكل 1: يبين منحنى نمطي لمنحنى براج الذي يمثل الفقد الخطي لطاقة جسيم ألفا على امتداد مسارھم في الھواء. في هذا العمل استخدمت الكثافة العددية لا ثار جسيمات ألفا مقاسه بعدد الا ثار بوحدة ) o (tracks cm - كمقياس لشدة الا شعاع و بالتالي فان رسم (ρ/ρ مقابل سماكات مساحة ) مختلفة من الهواء يعطي منحنى النفوذية. 4

5 الشكل : يبين منحنى نمطي يعرف باسم منحنى النفودية يربط شدة اإلشعاع المنبعث من المصدر( I/Io ) مقابل سمك المادة. بين نسبة شدة اإلشعاع التى تخترق سمك من المادة إلى استخدام كواشف الا ثر النووي لتوصيف الفقد الخطي لطاقة جسيمات ألفا في الهواء : جاءت فكرة استخدام كواشف الا ثر النووي لد ارسة الفقد الخطي لجسيمات ألفا في الهواء بناء على المشاهدات التالية : 1- ظهور آثار لجسيمات ألفا بقطرين مختلفين يمكن تمييزهما بالعين المجردة تحت المجهر على الكواشف البلاستيكية بعد تعريضهم لغاز ال اردون بالمنازل. - عند استخدام الكواشف البلاستيكية لقياس مدى جسيمات ألفا من مصدر عياري(- Am 41) لوحظ زيادة عدد الا ثار ذات الا قطار الكبيرة بالكواشف التي عرضت على مسافات. أكبر من.8 cm الا ثار الصغيرة حوالي 5.14 ± µm عند قياس قطري الا ثار الصغيرة والكبيرة تبين أن متوسط قطر والكبيرة حوالي 6.64 ± µm.0.35 هذه المشاهدات قادت إلى الاستنتاج أن السبب في زيادة أقطار أثار ألفا يرجع إلى الزيادة في معدل الفقد الخطي لطاقة الجسيم الساقط على الكاشف عندما يقترب من نهاية مداه في الهواء وهو ما يصفه منحنى ب ارج الذي سبقت الا شارة إليه. وحيث أن عدد الا ثار ذات القطر الكبير يزداد مع زيادة المسافة من المصدر فا ننا نستطيع القول أن النسبة بين الكثافة العددية للا ثار ذات القطر الكبير( ( ρ B إلى الكثافة العددية للا ثار ذات القطر الصغير( ρ) S تتناسب طردي ا مع معدل الفقد الخطي لطاقة جسيمات ألفا: 5

6 ρ ρ B α S de dx (3) أي أنه بالا مكان توصيف الفقد الخطي لطاقة جسيمات ألفا والحصول على منحنى ب ارج يرسم النسبة بين ρ B ρ/ S والمسافة من المصدر التي تمثل السمك الذي تقطعه جسيمات ألفا في الهواء. تجربة النفوذية: أجريت التجربة عند درجة ح اررة الحجرة والضغط الجوي العادي. الشكل (3) رسم تخطيطي يوضح مكونات التجربة. تضمنت التجربة تعريض مجموعة من الكواشف البلاستيكية (CR-39) لمصدر ألفا العياري Am) ( 41 على مسافات مختلفة من المصدر باستخدام سدادات( Collimators ) من الا لومنيوم ذات أطوال مختلفة من 4cm إلى 1cm وبقطر 1cm. تمثل أطوال السدادات سمك الهواء بين المصدر الا شعاعي والكاشف. بعد تعريض كل كاشف لمدة ساعة واحدة ثم حك الكواشف كيمياي يا بمحلول صودا كاوية ) 6N (NaOH عند درجة 70 o C ولمدة ثلاثة ساعات ونصف لا ظهار أثار جسيمات ألفا. يتم عد الكثافة العددية لاثار ألفا( - cm (tracks تحث المجهر الضوي ي بتكبير. 500X سدادات مصدر ألفا العياري (Am-41) (cm) كاشف بلاستيكي CR-39 الشكل 3: رسم تخطيطي لتجربة نفودية جسيمات ألفا في الھواء. النتاي ج والمناقشة: 6

7 الشكل (4) يبين متوسط النسبة بين الكثافة العددية ρ B ρ/ S للا ثار الكبيرة إلى الصغيرة من 35 حقل رؤية بكل كاشف من الكواشف التي تم تعريضها على مسافات مختلفة من مصدر ألفا العياري. نلاحظ أن النسبة تزداد بشكل ملحوظ بعد مسافة.8 cm من المصدر وتصل إلى أعلى قيمة لها عند حوالي 3.4 cm ثم تنحدر بشدة حتى تصل إلى الصفر عند حوالي. 3.9 cm المنحنى يتطابق في الشكل مع منحنى ب ارج النمطي المبين في الشكل (1) وهو يبين المسافة التي يحدث عندها اكبر فقد خطي لطاقة ألفا في الهواء والتي تناظر قمة المنحنى. الشكل (4) يمثل الفقد الخطي للطاقة ) S ( ρ B ρ/ على امتداد مسار جسيمات ألفا. الشكل (5) يوضح قيم ρ/ρ o مقابل المسافة من المصدر الذي يمثل منحنى النفوذية. نتيجة لحركة جسيمات ألفا في مسا ارت مستقيمة نلاحظ من المنحنى ان عدد الجسيمات التي تصل الى الكاشف لا تتغير الى أن تتجاوز المسافة حوالي 3.3 cm التي يصبح عندها الهواء قادر على ايقاف ابطىء الجسيمات وكلما ازد سمك الهواء بعد ذلك انخفضت شدة الا شعاع أكثر فا كثر حتى تصل الصفر. من المنحنى وجد أن متوسط مدى ألفا في الهواء حوالي 7

8 3.7 cm هذه القيمة تقع في نطاق حسابات المعادلات التجريبية لمدى ألفا في الهواء لجسيمات ألفا بطاقات تت اروح ما بين 4MeV و ] 8 MeV 4 [. عند مقارنة المنحنيين بالشكل (4) والشكل (5) نجد أن الانحدار الشديد في المنحنيين الشكل : 4 يوضح منحنى النفوذية لجسيمات ألفا في الهواء. حيث ρ الكثافة العددية لجسيمات ألفا التي تخترق سمك من الهواء( X ) و ρ 0 الكثافة العددية لجسيمات ألفا من المصدر. يحدث عندما تقترب جسيمات ألفا من نهاية المسار في الهواء أي أن تباطىء الجسيمات يؤذي إلى انخفاض شحنتهم بسبب اكتسابهم إلكترونات من الوسط فينتج عن ذلك الانحدار الملحوظ بالمنحنيين. الا ستنتاج: أوضحت التجربة إمكانية استخدام كواشف الا ثر النووي البلاستيكية (CR-39) لقياس مدى 8

9 جسيمات ألفا في الهواء عن طريق استخدام الكثافة العددية لجسيمات ألفا كمقياس لشدة الاشعاع ورسم منحنى النفودية ) 0 ρ/ρ مقابل المسافة المقطوعة في ا الهوء ). إمكانية استخدام كواشف الا ثر النووي في تحديد المسافة التي يحدث عندها أكبر فقد لطاقة جسيمات ألفا في الهوء ا والتي تناظر موضع قمة منحنى ب ارج وذلك من خلال رسم ρ B ρ/ S مقابل المسافة التي تقطعها جسيمات الفا في ا الهوء. استخدام كواشف الا ثر النووي البلاستيكية يمكن أن يكون ذو أهمية تطبيقية في مجال العلاج الا شعاعي باستخدام الجسيمات المشحونة مثل البروتونات المتعجلة لتحديد العمق الذي يحدث عنده أكبر فقد لطاقة الجسيمات في النسيج البشري وهذا يساعد على إعطاء جرعة مناسبة للورم تتفق مع منحنى ب ارج حتى تتوزع أكبر كمية من طاقة الجسيم المشحون بمنطقة الورم دون الضرر بالخلايا السليمة. النووي (CR-39) يمكن تبني هذه الطريقة واستخدام كواشف الا ثر لد ارسة مكافي ات النسيج الا نساني tissue) ( human لتحديد العمق المناسب مع طاقة حزمة التشعيع المستخدمة لا عطاء جرعات إشعاعية على أعماق مختلفة بجسم الا نسان. Acknowledgement: The authors of this paper would like to thank Alhashi M. Albyad for fruitfully discussing and sharing our thoughts with him. References: 1- Fleischer R. L., Price P. B. and Woker R. M."Nuclear Tracks in Solids (principals and Applications)." University of California Press, Ltd. (1975 ). - Durrani S. A. and Bull R. K. "Solid State Nuclear Track Detection: Principles, Methods and Applications." Pergamon Press, (1987). 3- Knoll G. F. "Radiation Detection and Measurement." John Wiley & Sons, Inc, (1979). 4- Sorenson J. A. and Phelps M. E. "Physics in Nuclear Medicine." Grune & Stratton Inc,(1980). 9