فروشگاه اینترنتی فایل ها این وبلاگ در زمینه فروش انواع مختلف فایل های آموزشی تحصیلی و دانشگاهی فعالیت می نماید

مطالعه اثر تشعشعات رادیواکتیو بر روی سینتیک تخریب حرارتی و طول عمر برخی از پیشرانه ها92

فهرست مطالب

عنوان صفحه

چکیده.... 1

فصل اول: مقدمه و پیشینه....

1-1مقدمه:.. 2

1-2 کشف رادیو اکتیویته. 2

1-2-1رادیواکتیویته.... 2

1-2-2واحد های اکتیویته.... 3

1-2-3واپاشی... 4

1-2-4برهمکنش تابش با ماده... 4

1-2-5خواص نوترونهای آزاد..... 5

1-2-5-1تقسیم بندی نوترونها از لحاظ انرژی. 6

1-2-5-2 برهمکنش نوترون با ماده.... 6

1-2-5-3 فعالسازي نوتروني.................................. 7

1-2-6پرتوγ (Gamma ray).................................... 7

1-2-6-1برهمکنش گاما با ماده............................... 8

1-2-6-1-1 اثر فوتوالكتريك................................. 9

1-2-6-1-2 اثركامپتون...................................... 10

1-2-6-1-3 تولید جفت یون................................... 11

1-2-6-2 تابش دهی گاما و تولید ساختارهای شیمیایی جدید...... 12

1-3 پیشرانه ها:........................................... 13

1-3-1 کلیات............................................... 13

1-3-2 خصوصيات پیشرانه جامد................................ 15

1-4 تعریف واکنش های حالت جامد............................. 18

1-4-1 سینتیک واکنش های حالت جامد.......................... 18

1-4-2 قوانین سرعت در سینتیک حالت جامد..................... 19

1-4-2-1مدلها و مکانیسم ها در سینتیک حالت جامد............. 22

1-4-2-1-1 طبقه بندی مدلها................................. 22

1-4-2-1-2طبقه بندی و استخراج مدلها بر اساس مفروضات مکانیسمی24

1-5 روشهای بررسی سینتیک حالت جامد......................... 25

1-5-1روشهای تجربی......................................... 25

1-5-1-1 روشهای همدما...................................... 26

1-5-1-2روشهای غیرهمدما.................................... 26

1-5-2روشهای محاسباتی...................................... 28

1-5-2-1روشهای وابسته به مدل............................... 28

1-5-2-2روشهای مستقل از مدل................................ 30

1- 6 تغییر انرژی فعالسازی با پیشرفت واکنش................. 32

1-6-1 تغییرات حقیقی انرژی فعالسازی........................ 32

1-6-1-1 واکنش های بنیادی.................................. 32

1-6-1-2 واکنش های پیچیده.................................. 32

1-6-2 تغییرات تصنعی در انرژی فعالسازی..................... 33

1-7 پیش بینی طول عمر...................................... 33

1- 8 مقدمه ای بر روش های آنالیز حرارتی.................... 34

1-8-1تاریخچه روش های آنالیز حرارتی........................ 34

1-8-2کاربرد ها............................................ 34

فصل دوم مواد و روش کار....................................

2-1 تکنیک ها:............................................. 36

2-2 مواد مصرفی:........................................... 36

2-3 دستگاه ها:............................................ 36

2-4 نرم افزارهای مورد استفاده:............................ 36

فصل سوم: بحث و نتایج......................................

3-1 مطالعه حرارتی K25:................................... 38

3- 1-1نمودارهای DSC نمونه های مورد آزمایش................. 38

3-1-2پیشرفت واکنش......................................... 40

3-1-3سرعت واکنش........................................... 41

3-1-4سرعت واکنش برحسب پیشرفت واکنش........................ 42

3-1-5تحلیل داده های حرارتی با روش کیسینجر................. 43

3-1-6تعیین پارامترهای سه گانه ی سینتیکی................... 46

3-1-7تغییرات Ea با پیشرفت واکنش........................... 48

3-1-8نمودارهای اثر جبرانی................................. 49

3-1-9محاسبه بستگی Ea به α................................ 50

3-1-10تعیین طول عمر پیشرانه K25........................... 51

3-2مطالعه حرارتیK30....................................... 52

3-2-1نمودار DSC پیشرانه K30............................... 52

3-2-2پیشرفت واکنش......................................... 53

3-2- 3 سرعت واکنش......................................... 54

3-2-4سرعت واکنش برحسب پیشرفت واکنش........................ 55

3-2-5تحلیل داده های حرارتی با معادله کیسینجر.............. 56

3-2-6تعیین پارامترهای سه گانه ی سینتیکی................... 58

3-2-7تغییرات Ea با پیشرفت واکنش........................... 60

3-2-8نمودارهای اثر جبرانی:................................ 62

3-2-9محاسبه بستگی Ea به α................................ 63

3-2-10 پیش بینی طول عمر پیشرانه.......................... 63

3-3نتیجه گیری:............................................ 65

3-4پیشنهادات:............................................. 66

فهرست شکل ها

عنوان صفحه

شکل ‏1‑1 اثر فتوالکتریک.................................. 10

شکل ‏1‑2 اثر کامپتون....................................... 11

شکل ‏1‑3 تولید زوج یون..................................... 12

شکل ‏1‑4: مکانهای انجام واکنش در فاز همگن (الف) و فاز غیرهمگن (ب) 19

شکل ‏1‑5: تبدیل پارامترهای اندازه گیری جرم در TGA(الف) و شار گرمایی در (DSC) (ب) به کسر تبدیل (ج)............................... 21

شکل ‏1‑6 نمودارهای α-tصعودی (الف)، نزولی(ب)،سیگموئیدی(ج) و خطی(د) در بررسی های همدما........................................... 23

شکل ‏1‑7 نمودارهای dα/dt صعودی (الف)،نزولی (ب)،سیگموئیدی(ج) و خطی (د) در بررسی های همدما........................................... 23

شکل ‏1‑8 : نمایش شماتیک منحنی های هم دما، T7<T6<T5<T4<T3<T2<T1 26

شکل ‏1‑9 نمونه ای از نمودار DSC با چندین حالت تغییر فاز.... 35

شکل ‏2‑1: نرم افزارهای استفاده شده......................... 37

شکل ‏3‑1: نمودار DSC تخریب K25 سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) ......................... 39

شکل ‏3‑2: نمودارDSC تخریب حرارتی سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای K25 تحت تابش نوترون گرمایی (راست)، تحت تابش گاما(چپ)................................ 39

شکل ‏3‑3: نمودارپیشرفت واکنش(α-T) بر حسب دما در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتیK25.......................................................... 40

شکل ‏3‑4: نمودارپیشرفت واکنش(α-T) بر حسب دما در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتیK25 تحت تابش نوترون گرمایی (راست)، تحت تابش گاما(چپ)......... 40

شکل ‏3‑5: نمودار سرعت واکنش(dα/dt-T) بر حسب دما در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتیK25.......................................................... 41

شکل ‏3‑6: نمودار سرعت واکنش(dα/dt-T) بر حسب دما در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتیK25 تحت تابش نوترون گرمایی (راست)، تحت تابش گاما(چپ)......... 41

شکل ‏3‑7: نمودار سرعت واکنش بر حسب پیشرفت واکنش (dα/dt-α)در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتیK25................................................. 42

شکل ‏3‑8: نمودار سرعت واکنش بر حسب پیشرفت واکنش (dα/dt-α) در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتیK25 تحت تابش نوترون گرمایی (راست)، تحت تابش گاما(چپ)42

شکل ‏3‑9:نمودار محاسبه انرژی فعالسازی به روش کیسینجر K25... 43

شکل ‏3‑10: نمودار محاسبه انرژی فعالسازی به روش کیسینجر K25 تحت تابش نوترون گرمایی............................................. 44

شکل ‏3‑11: نمودار محاسبه انرژی فعالسازی به روش کیسینجر K25 تحت تابش گاما.......................................................... 45

شکل ‏3‑12 نمودارهای خطی روش کوتس – ردفرن با مدلهای مختلف در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتی K25................................................ 46

شکل ‏3‑13: نمودارهای خطی روش کوتس – ردفرن با مدلهای مختلف در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتی K25 تحت تابش نوترون گرمایی......................... 47

شکل ‏3‑14: نمودارهای خطی روش کوتس – ردفرن با مدلهای مختلف در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتی K25 تحت تابش گاما.................................. 47

شکل ‏3‑15: نمودار تغییرات Ea (قرمز)و LnfA (آبی) بر حسب α برای K25 با استفاده از روش فریدمن..................................... 48

شکل ‏3‑16: نمودار تغییرات Ea (قرمز)و LnfA (آبی) بر حسب α برایK25تحت تابش نوترون گرمایی(راست) و گاما(چپ) با استفاده از روش فریدمن... 49

شکل ‏3‑17: وجود اثر جبرانی با استفاده از روش فریدمن در تخریب حرارتی K25.......................................................... 49

شکل ‏3‑18:وجود اثر جبرانی با استفاده از روش فریدمن در تخریب حرارتی K25تحت تابش نوترون گرمایی(راست)-گاما(چپ).................. 50

شکل ‏3‑19: نمودارDSC تخریب حرارتی سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای K30................. 52

شکل ‏3‑20: نمودارDSC تخریب حرارتی سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای K30 تحت تابش نوترون گرمایی (راست)، تحت تابش گاما(چپ)................................ 52

شکل ‏3‑21: نمودارپیشرفت واکنش(α-T) بر حسب دما در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتیK30.......................................................... 53

شکل ‏3‑22: نمودارپیشرفت واکنش(α-T) بر حسب دما در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتیK30 تحت تابش نوترون گرمایی (راست)، تحت تابش گاما(چپ)......... 53

شکل ‏3‑23: نمودار سرعت واکنش(dα/dt-T) بر حسب دما در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتیK30.......................................................... 54

شکل ‏3‑24: نمودار سرعت واکنش(dα/dt-T) بر حسب دما در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتیK30 تحت تابش نوترون گرمایی (راست)، تحت تابش گاما(چپ)......... 54

شکل ‏3‑25: نمودار سرعت واکنش بر حسب پیشرفت واکنش (dα/dt-α) در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتیK30................................................. 55

شکل ‏3‑26: نمودار سرعت واکنش بر حسب پیشرفت واکنش (dα/dt-α) در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتیK30 تحت تابش نوترون گرمایی (راست)، تحت تابش گاما(چپ)55

شکل ‏3‑27: نمودار برای محاسبه انرژی فعالسازی به روش کیسینجر K3056

شکل ‏3‑28: نمودار برای محاسبه انرژی فعالسازی به روش کیسینجر K30 تحت تابش نوترون گرمایی............................................. 57

شکل ‏3‑29: نمودار برای محاسبه انرژی فعالسازی به روش کیسینجر K30 تحت تابش گاما...................................................... 58

شکل ‏3‑30: نمودارهای خطی روش کوتس – ردفرن با مدلهای مختلف در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتی K30................................................ 59

شکل ‏3‑31: نمودارهای خطی روش کوتس – ردفرن با مدلهای مختلف در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتی K30 تحت تابش نوترون گرمایی......................... 59

شکل ‏3‑32: نمودارهای خطی روش کوتس – ردفرن با مدلهای مختلف در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) برای تخریب حرارتی K30 تحت تابش گاما.................................. 60

شکل ‏3‑33: نمودار تغییرات Ea (قرمز)و LnfA (آبی) بر حسب α برای K30 با استفاده از روش فریدمن..................................... 61

شکل ‏3‑34: نمودار تغییرات Ea (قرمز)و LnfA (آبی) بر حسب α برای K30 تحت تابش نوترون گرمایی(راست) و گاما(چپ) با استفاده از روش فریدمن 61

شکل ‏3‑35: وجود اثر جبرانی با استفاده از روش فریدمن در تخریب حرارتیK30.......................................................... 62

شکل ‏3‑36: وجود اثر جبرانی با استفاده از روش فریدمن در تخریب حرارتیK30تحت تابش نوترون گرمایی(راست)-گاما(چپ).................. 62

 فهرست جدول ها

عنوان صفحه

جدول ‏1‑1: مدلهای مختلف سینتیک حالت جامد................... 25

جدول ‏3‑1: نتایج محاسبات به روش کیسینجرK25................. 43

جدول ‏3‑2: نتایج محاسبات به روش کیسینجر K25 تحت تابش نوترون گرمایی 44

جدول ‏3‑3 : نتایج محاسبات به روش کیسینجر K25 تحت تابش گاما. 45

جدول ‏3‑4: محاسبه بستگی انرژی فعالسازی به درجه پیشرفت واکنش K2550

جدول ‏3‑5: محاسبه بستگی انرژی فعالسازی به درجه پیشرفت واکنشK25تحت تابش نوترون گرمایی............................................. 50

جدول ‏3‑6: محاسبه بستگی انرژی فعالسازی به درجه پیشرفت واکنشK25 تحت تابش گاما...................................................... 50

جدول ‏3‑7 پارامترهای سینتیکیK25 با استفاده از روشASTM..... 51

جدول ‏3‑8 پارامترهای سینتیکی K25 تحت تابش نوترون گرمایی با استفاده از روش ASTM................................................. 51

جدول ‏3‑9 پارامترهای سینتیکی K25 تحت تابش گاما با استفاده از روش ASTM.......................................................... 51

جدول ‏3‑10 نتایج محاسبات به روش کیسینجرK30................. 56

جدول ‏3‑11 نتایج محاسبات به روش کیسینجرK30 تحت تابش نوترون گرمایی 57

جدول ‏3‑12 نتایج محاسبات به روش کیسینجرK30تحت تابش گاما.... 58

جدول ‏3‑13: محاسبه بستگی انرژی فعالسازی به درجه پیشرفت واکنشK3063

جدول ‏3‑14: محاسبه بستگی انرژی فعالسازی به درجه پیشرفت واکنشK30تحت تابش نوترون گرمایی............................................. 63

جدول ‏3‑15: محاسبه بستگی انرژی فعالسازی به درجه پیشرفت واکنشK30 تحت تابش گاما...................................................... 63

جدول ‏3‑16: پارامترهای سینتیکیK30: با استفاده از روشASTM.. 63

جدول ‏3‑17 پارامترهای سینتیکیK30 تحت تابش نوترون گرمایی با استفاده از روش ASTM................................................. 64

جدول ‏3‑18 پارامترهای سینتیکیK30 تحت تابش گاما با استفاده از روش ASTM.......................................................... 64

 چكيده

در این پروژه اثر تابش نوترون گرمایی و گاما بر روی سینتیک تخریب حرارتی پیشرانه های K25 وK30 مورد مطالعه قرار گرفته است.به منظور مطالعه خواص حرارتی ترکیب مورد نظر از تکنیک آنالیز حرارتی DSCو TGA استفاده گردید. پارامتر­های سینتیک حرارتی این ماده بر اساس روشهای کیسینجر، فریدمن، کوتس ردفرن و ازاوا- فیلین- وال تعیین و بررسی شده است.نتایج حاصله نشان میدهد که انرژی فعالسازی و فاکتور فرکانس پیشرانه های فوق الذکر در اثر تابش دهی نوترون گرمایی و گاما تغییر قابل ملاحظه ای داشته است.به کمک روش فریدمن بستگی انرژی فعالسازی و حاصلضرب فاکتور فرکانس در مدل واکنش با کسر تبدیل بدست آمده ، و اثر جبرانی به وضوح مشاهده گردید و در نهایت تک مکانیسم بودن تخریب تایید شد بر اساس محاسبات انجام یافته طول عمر پیشرانه های فوق الذکر در اثر تابش های اعمالی تغییر چشمگیری داشته است.

 واژه‌ هاي كليدي:

تابش نوترون، گاما، آنالیز حرارتی، پارامترهای سینتیک حرارتی

 فصل اول:

مقدمه و پیشینه

1-1 مقدمه:

حساسیت، پایداری و سمیت سه فاکتور اصلی ایمنی هستند که باید در انتخاب ماده منفجره برای کاربردهای خاص در نظر گرفته شود، بطور کلی پیشرانه ها می توانند در طول انبارش تحت تاثیر فرآیند های فیزیکی و شیمیایی گوناگون قرار گیرند تحت این فرآیندها ممکن است که خصوصیات این مواد بطور تدریجی تغییر کند.

همچنین پیشرانه هایی که در تکنولوژی هایی از قبیل نیروگاه های هسته ای، فضاپیماها و ... استفاده می شوند مرتباً تحت تابش پرتوهای مختلف قرار می گیرند و تغییر خواص حرارتی آنها عاملی برای محدود نمودن طول عمر و کارایی پیشرانه هاست. با تعیین پارامترهای سه گانه سینتیکی و طول عمر پیشرانه ها تحت تابش های هسته ای نوترون گرمایی و گاما می توان اثر این تابش ها را برروی کارایی و عملکرد پیشرانه مورد نظر پیش بینی نمود.

1-2 کشف رادیو اکتیویته

قبل از ارائه مدل هایزنبرگی هسته مطالعه روی اتم بسیار رواج داشت. بکرل^[1]در ضمن مطالعه خواص فلورسانی و فسفرسانی^[2]املاح مختلف، خاصیت جدیدی در املاح اورانیوم مشاهده کرد که آن تابش مربوط به املاح تهیج شده بوسیله نور نبود. وی دریافت نمک های اورانیومی که ماهها دور از اشعه تهیج کننده قرار داشتند هنوز اشعه نافذی را از خود تابش می کنند، بدون آنکه کاهش محسوسی در شدت آنها دیده شود. [1]

بکرل تشابه این تابش را با اشعه X درک نمود و دریافت که تابش املاح اورانیومی ناشی از خواص فلورسانی ماده نبوده بلکه منشا آن فلز اورانیوم است. چنین خاصیت تشعشع خودبخودی اجسام رادیواکتیویته نامیده شد. عناصری که چنین خاصیتی دارند را عنصر رادیواکتیو می نامند. بررسی تفضیلی خواص مختلف این تشعشع نظیر قدرت نفوذ و یونیزاسیون نشان میدهد :

چهار نوع تابش اصلی وجود دارد

ذرات α: دارای بار مثبت(2واحد) و جرم 4U هستند.

ذرات β : دارای بار منفی (1واحد) و جرم قابل صرف نظر هستند.

پرتو γ : فاقد بار و جرم هستند.

نوترون ها: دارای بار نیستند اما جرمی معادل 1U دارند.

1-2-1 رادیواکتیویته

مواد رادیواکتیو از اتم های ناپایدار تشکیل می شوند که تجزیه شده و انرژی سطح بالایی به نام تابش رادیواکتیو آزاد می کنند. این اتم ها نهایتا عنصر جدیدی را تشکیل می دهند. این خاصیت را که ایزوتوپ های ناپایدار اتم ها ذراتی از خود گسیل می کنند، خاصیت رادیواکتیویته می گویند. قسمت قابل توجهی از تفاوت انرژی هسته دختر و هسته مادر در تجزیه رادیواکتیو، بصورت اشعه در طول تجزیه تابش می شود.[2]

در اغلب تجزیه ها محصولات بوجود آمده در تراز تحریکی بوده و ضمن انتقال به تراز پایدار اشعه گاما را گسیل می کنند. در تجزیه جذب الکترونی فقط دو محصول وجود دارد (نوترینو و هسته دختر) و بنابراین توزیع انرژی نوترینو پیوسته نخواهد بود. به هر حال، انرژی بستگی الکترون بر حسب اینکه الکترون متعلق به کدام لایه الکترونی است، متفاوت می باشد. برای هر انرژی بستگی، نوترینویی با انرژی معین تابش می شود، بنابراین طیف انرژی نوترینو ناپیوسته می باشد. جذب یک الکترون، جای خالی در لایه اتمی ایجاد می کند و وقتی پر شود یک فوتون ایکس مشخصه تابش خواهد شد. آشکارسازی این اشعه ایکس مشخصه از اتم دختر، یکی از راه های تعیین جذب الکترونی است.

1-2-2

تعدادفروپاشی 1 ثانیه

واحد های اکتیویته

میزان تابش

برای بیان میزان تابش یک عنصر از واژه های اکتیویته استفاده می شود که به معنی تعداد واپاشی یک عنصر در یک ثانیه از یک نمونه هسته رادیواکتیو می باشد که به افتخار هنری بکرل، واحد آن بکرل(Bq) است. بنابراین یک واپاشی در هر ثانیه برابر با یک بکرل است.

واحد قدیمی تر، کوری( Ci ) است که به یاد پیر و ماری کوری نامگذاری شده است. یک کوری تقریبا برابر با اکتیویته یا فعالیت، یک گرم رادیوم و معادل با بکرل می باشد. (1Ci = 3.7×10¹⁰ Bq)

اکتیویته تنها به تعداد واپاشی ها در یک ثانیه مربوط است و به نوع واپاشی، انرژی فرآورده های محصول واپاشی و یا تاثیرات بیولوژیکی تابش بستگی پیدا نمی کند، در یک جرم ثابت از مواد رادیو اکتیو ، مقدار اکتیویته آنبا گذشت زمان تغییر می کند.

شدت تابش

از آنجا که اندازه گیری قدرت یک منبع رادیو اکتیو بر اساس اکتیویته آن سخت است، یعنی اندازه گیری تعدادی از اتم ها که فروپاشی کرده و تابش در یک ثانیه منتشر می کنند، بنابراین قدرت یک منبع را اغلب براساس شدت آن بیان می کنند. اندازه گیری شدت یک منبع یعنی نمونه برداری از تعداد فوتون ساطع شده از منبع در بعضی از دوره زمانی خاص است، که به طور مستقیم به تعداد واپاشی ها در مدت زمان مشابه (اکتیویته) مربوط می شود.

شدت تابش، میزان عبور انرژی از یک ناحیه مفروض عمود بر جهت تابش در یک واحد زمانی معین است.شدت یک منبع اشعه ایکس یا اشعه گاما به راحتی می تواند با آشکارساز مناسب اندازه گیری شود.یک راه برای اندازه گیری شدت اشعه ایکس یا اشعه گاما این است که مقدار یونیزاسیون آنها در هوا را اندازه گیری می کنند.

رونتگن (R) واحد اندازه گیری شدت تابشاشعه x و یا اشعه گاما است و به عنوان شدت تابش مورد نیاز برای تولید و یونیزاسیون 0.000258 کولن در هر کیلوگرم از هوا در دمای صفر درجه سانتی گراد و فشار اتمسفر تعریف شده است. این واحد یکی از واحد های استاندارد برای دوزیمتری تابش است. اما برای آلفا، بتا، و یا انتشار ذرات دیگر قابل استفاده نیست و نمی تواند به درستی پیش بینی اثرات بافتی اشعه گاما با انرژی بسیار بالا را نماید. رونتگن به طور عمده برای کالیبراسیون ماشین آلات xray استفاده می شود.

 دوز جذب شده

دوز جذب شده ( تحت عنوان مجموع دوز یونیزه کننده TID) برابر میزان انرژی جذب شده در واحد جرم یک ماده توسط پرتو یونیزان می باشد. این معادل است با ژول در کیلوگرم که در سیستم SI برحسب گری^[3] (GY)، یا در سیستم قدیمی CGS بر حسب واحد راد(rad) بیان می شود.(1 گری برابر 100 راد است).

1-2-3 واپاشی

یک هسته برانگیخته همواره می تواند با گسیل تابش الکترومغناطیسی یا تبدیل داخلی به حالت کم انرژی تر وا بپاشد. در ساده ترین حالت که در آن هر دو تراز مورد نظر حالت های تک پروتونی هستند. واپاشی شامل گذار پروتون از تراز بالاتر به تراز پایین تر است که مشابه گذار یک الکترون برانگیخته در یک اتم از یک تراز بالاتر به یک تراز پایین تر است که با گسیل امواج الکترومغناطیسی یا بیرون انداختن الکترون اوژه^[4] همراه است. اما بطور کلی حالت های هسته ای حالت های تک ذره ای نیستند یعنی در خلال واپاشی گاما آرایش نوکلئون ها به طرز پیچیده ای دگرگون می شود.

جنبه های اساسی گسیل امواج الکترومغناطیسی را می توان به کمک مفاهیم کلاسیک و بر پایه ی معادلات ماکسول درک کرد ولی توجیه جزئیات دقیقتر آن به کمک مکانیک کوانتومی میسر است. اختلاف بین تکانه های زاویه ای و پاریته های نسبی حالت های هسته ای شرکت کننده در گذار نقش قاطعی در تعیین احتمال بازی می کنند. [3]

1-2-4 برهمکنش تابش با ماده

هر نوع تابش قادر است به مدت نامعینی در درون یک خلاء کامل در حرکت باشد، به شرط آنکه وانپاشد اتلاف انرژی تابش میتواند تنها از راه برهمکنش آن با یک گاز، یک مایع یا یک جامد ضمن عبور از درون آنها صورت بگیرد تنها در طول فرآیند برهمکنش با ماده است که می توان نوع تابش را تشخیص داده و شدت و انرژی آنرا اندازه گرفت، نوع برهمکنشی که در طول آن انرژی تلف میشود بستگی به نوع تابش دارد .

تابش با ماده به 5 حالت اساسی برهمکنش می کند:

یونیزاسیون، انتقال انرژی جنبشی، برانگیختگی مولکولی و اتمی، واکنش های هسته ای و فرآیندهای تشعشعی.

یونیزاسیون: یونیزاسیون عبارتست از جدا نمودن یک الکترون اتمی از یک اتم جذب کننده برای تشکیل یک جفت یون حاوی یک الکترون منفی و یک یون مثبت با جرم بالاتر، یونیزاسیون اولیه مستقیما بوسیله تشعشع فرودی شروع میشود. یونیزاسیون ثانویه متعاقباً بوسیله یون های تولید شده در پدیده یونیزاسیون اولیه بوجود می آیند. مقدار انرژی مورد نیاز برای تشکیل یک جفت یون بسته به نوع ماده جذب کننده تغییر میکند.

انتقال انرژی جنبشی : انتقالات انرژی جنبشی بر همکنش هایی هستند که انرژی را بیشتر از مقدار مورد نیاز برای تشکیل جفت به جفت یون می رسانند. انتقالات انرژی جنبشی همچنین ممکن است به دلیل برخوردهای الاستیک بین تشعشع ورودی و هسته های جذب کننده رخ دهد.

برانگیختگی مولکولی و اتمی: برانگیختگی مولکولی و برانگیختگی اتمی حالت های برهمکنشی هستند که ممکن است حتی زمانیکه انرژی انتقال یافته کمتر از انرژی یونیزاسیون جذب کننده باشد نیز رخ دهد. با برگشتن الکترونهای اتمی به ترازهای انرژی پایین تر، اشعه ایکس و الکترونهای اوژه منتشر میشوند، برانگیختگی مولکولی در حین فرایندهای انتقالی، چرخشی و ارتعاشی و نیز در حین برانگیختگی الکترونی رخ میدهد. انرژی برانگیختگی مولکولی در حقیقت بوسیله شکستن پیوند، لومینانس یا ایجاد حرارت پراکنده میشود.

واکنش های هسته ای : واکنشهای هسته ای تشعشعات ورودی، هسته های اتم های جذب کننده می توانند حالت های مهمی از برهمکنش باشند. این امر مخصوصا برای ذرات باردار و نوترونها با انرژی بالا صحیح است.

فرآیندهای تشعشعی : فرآیندهایی هستند که در آنها انرژی الکترومغناطیسی از طریق کند شدن ذرات با انرژی بالا آزاد می شود. این فرآیندهای مورد نظر عبارتند از: تولید تشعشع چرنکوف^[5] و تولید تابش ترمزی. [3]

1-2-5 خواص نوترونهای آزاد

نوترونها ذرات خنثی بوده و در هسته وجود دارند. این ذرات در سال 1932 توسط چادویک^[6] کشف گردیدند. نوترونها بار الکتریکی ندارند و جرمشان کمی زیادتر از جرم پروتون است. در حالیکه نوترون آزاد با نیمه عمری برابر دقیقه به پروتون تجزیه می شود.

یک اندازه گیری دقیق جرم نوترون، همانطور که چادویک و گلد هابر^[7] نشان داده اند از روی انرژی همبستگی^[8] دوترون می تواند انجام شود. این روش بر مبنای واکنش زیر انجام می شود:

یعنی در اثر جذب نوترون توسط هیدروژن، دوترون و فوتون تولید میشود، در صورتیکه فعل و انفعال فوق طوری انجام شود که نوترون و هسته اتم هیدروژن در حال سکون باشند، در این صورت انرژی گامای آزاد شده برابر با انرژی همبستگی دوترون خواهد بود.

جرم دوترون برابر است با مجموع جرم های پروتون و نوترون منهای کسر جرم دوترون که معادل انرژی همبستگی است، بنابراین:

نیمه عمر نوترون آزاد، طبق اندازه گیری اسپیواک^[9] برابر با 3/0±7/11دقیقه بدست آمده است، بنابراین چنین نتیجه میشود که نوترون دارای نیمه عمر طولانی بوده و می توان آنرا یک ذره پایدار در نظر گرفت. اسپین نوترون برابر با است. برای اولین بار در سال 1940 وجود گشتاور مغناطیسی نوترون توسط دو محقق به نام های آلوارز و بلوچ^[10] ثابت شد. بر اساس این گشتاور مغناطیسی، نوترون می تواند با اتم های عناصر فرومغناطیس اثر متقابل مغناطیسی انجام دهد. این عمل را اصطلاحا پراکندگی مغناطیسی نوترون نامیده اند. برای تعیین بار الکتریکی نوترون، آزمایش های مختلفی انجام شده است. فرمی و مارشل^[11] از آزمایش های پراکندگی نوترون در اثر برخورد با زنون، مقدار بار نوترون را تا حداکثر e ^18-10 بدست آوردند.

نوترون ها در واکنش های هسته ای و شکافت بوجود می آیند. دو نمونه از واکنش های نوترون عبارتند از:

یک چشمه متداول نوترونها از تشکیل میشود که پوششی از آن را در بر میگیرد.

نوترونها در نتیجه واکنش ذرات آلفای پولونیوم با هسته های برلیوم به وجود می آیند. یک چنین چشمه نوترون را می توان با بکار بردن هر ماده رادیو اکتیو آلفا نظیر , , تهیه نمود. این نوع چشمه نوترون شاری حدود 10⁶ نوترون بر ثانیه به ازاء یک کوری از چشمه آلفا، بدست می دهد .

شکافت چشمه ی دیگری از نوترون می باشد، در هر واکنش شکافت حدود 2-5 نوترون بوجود می آید. ایزوتوپ ²⁵²Cf که بطور مصنوعی تهیه می شود، با شکافت خودبخودی تعداد زیادی نوترون با نیمه عمر نسبتا زیاد تابش می کند. بنابراین از این ایزوتوپ می توان بعنوان چشمه نوترون استفاده نمود. چنین چشمه ای دارای امتیازات ایجاد حرارت کمتر و حجم کوچکتر، در مقایسه با چشمه آلفا-بریلیوم، می باشد. [4]

1-2-5-1 تقسیم بندی نوترونها از لحاظ انرژی

نوترونها که انرژی آنها از رابطه بدست می آید از لحاظ انرژی به سه دسته کلی تقسیم میشوند. دسته اول نوترونهای کند هستند که انرژی آنها است. دسته دوم نوترونها با انرژی متوسط که انرژی آنها در بازه قرار دارد. گروه سوم که انرژی آنها بزرگتر از است. نوترونهای سریع نامیده می شوند. نوترونهایی که انرژی آنها است نیز به سه گروه، نوترونهای حرارتی، نوترونهای فوق حرارتی و نوترونهای کند تقسیم میشوند .[3]

1-2-5-2 برهمکنش نوترون با ماده

با وجود آنکه نوترونها به سنگینی پروتونهایند، به سبب خنثی بودنشان با الکترونهای اتمی وارد بر همکنش نمی شوند. گشتاور مغناطیسی نوترونها فقط بر همکنش بسیار ضعیفی را سبب می شود با این وجود، خنثی بودن نوترونها مزیتی برای آنها محسوب میشود که به سبب آن مواجه با سد کولنی نخواهند شد، لذا حتی نوترونهای کند نیز می توانند بدون برخورد به مشکلی خود را به هسته برسانند. مهمترین فرآیندی که طی آن ها نوترون ها کند و عاقبت جذب می شوند پراکنش آنهاست که می تواند کشسان یا غیر کشسان باشد. بعنوان یک تعریف فرآیندی که در آن هسته پس از واکنش با نوترون چه از نظر ترکیب ایزوتوپی و چه از نظر انرژی داخلی تغییر نکرده باشد پراکندگی کشسان گویند.

از طرف دیگر هرگاه هسته پس از واکنش در حالت تحریک شده باقی بماند ولی ترکیب ایزوتوپی آن تغییری نکند فرآیند را پراکندگی غیر کشسان گویند.

وقتی نوترونها تحت برخورد های غیر کشسان قرار گیرند هسته هدف به حالت بر انگیخته در می آید و سپس با گسیل پرتوهای گاما وامیپاشد. وقتی نوترونها با پروتون ها برخوردهای کشسان انجام می دهند، سرعتشان به مقدار قابل ملاحظه ای کم میشود. نوترونهای کند به سادگی توسط هسته های جاذب گرفته میشوند. این هسته ها با گسیل پرتو های گاما حالت بر انگیزش خود را ترک می کنند، سپس وارد برهمکنش می شوند.[3]

دراينبرخوردهاکسریازانرژیکهبهمحيطباجرماتمی M منتقلميشودازرابطهزيربدستمیآيد:

ملاحظهميشودهرقدرمحيطسبکترباشدانرژیبيشتریازنوترونبهآنمنتقلميشود.

1-2-5-3 فعالسازينوتروني

فعالسازينوترونيعبارتستازتوليديكنوعايزوتوپپرتوزاازطريقجذبنوترون، فعالسازيبدينمعنياستكههرمادهايكهتحتتابشنوترونقرارميگيردممكن استبهمادهايپرتوزاتبديلشوديعنيپسازخاتمهيتابشنوترونهمممكناست خطرتابشهمچنانباقيبماند.همچنينبااستفادهازفعالسازيميتوانبهروشسادهاي شارنوترونهارااندازهگيريكرد .

آهنگواپاشي - آهنگتوليد = آهنگافزايشاتمهايپرتوزا

: شار یا تعداد نوترون ها در سانتی متر مربع در ثانیه ،: سطح مقطع فعالسازی بر حسب سانتی متر مربع، : ثابت واپاشی نمونه پرتوزای حاصل، N: تعداد اتم های پرتوزا، n: تعداد اتم های هدف.[5]

1-2-6 پرتوγ (Gamma ray)

اشعه گاما نوعی از امواج الکترومغناطیسی است. طول موج آن بسیار کوتاه است و از ۱ تا 01/0 آنگستروم تغییر می‌کند. جرم آن در مقیاس اتمی صفر، سرعت آن برابر سرعت نور، بار الکتریکی آن صفر است. انرژی اشعه گاما از ۱۰ کیلو الکترون ولت تا ۱۰ مگا الکترون ولت تغییر می‌کند.

برد اشعه گاما بسیار زیاد است. مثلاً در هوا چندین متر است. خاصیت ایجاد یونیزاسیون و برانگیختگی در اشعه گاما نیز وجود دارد. ولی به مراتب کمتر از ذرات آلفا و بتا است. مثلاً اگر قدرت یونیزاسیون متوسط اشعه گاما را یک فرض کنیم، قدرت یونیزاسیون متوسط ذره بتا۱۰۰ و ذره آلفا۱۰۴ خواهد بود. قدرت نفوذ این اشعه به مراتب بیشتر از ذرات بتا و آلفا است. طیف انرژی اشعه گاما، همانند ذرات آلفا تک انرژی است یعنی تمام فوتون‌های گامای حاصل از یک عنصر رادیواکتیو دارای انرژی یکسانی هستند وبه علم كمك بسيار اساسي مي كند.

این اشعه تنها از یک تکه فلز سرب به طول ۴۰ سانتی متر نمی‌تواند عبور کند. اين پرتو از لحاظ انر‍ژي شباهت بسياري با اشعه ايكس دارد ولی مهمترين تفاوت اين اشعه با اشعه ایکس در این است كه اولاً منشا توليد اشعه ايكس يك واكنش اتمي است در حالي كه منشا توليد اشعه گاما يك برهمكنش هسته اي و انتقالات بین حالت های مختلف درون هسته می باشد و دوم اينكه طيف اشعه گاما نسبت به اشعه ايكس همدوس تر و متمركز تر مي باشد.

1-2-6-1 برهمکنش گاما با ماده

 الکترودینامیک نشان میدهد که هر ذره باردار شتاب دار تشعشع می کند از اینرو وقتی تابش الکترومغناطیسی با فرکانس به یک الکترون نه چندان مقید اصابت میکند شتاب القایی باعث میشود که الکترون مقداری از انرژی الکترومغناطیسی را با همان فرکانس دوباره تابش کند این پدیده به پراکندگی تامسون موسوم است که تعمیم کوانتومی آن اثر کامپتون است اگر این پرتوها را به صورت ذره در نظر بگیریم وقتی با سرعت نور حرکت میکند جرم سکون و بار آنها صفر است.[6]

فرآیندهایی که در طول آنها پرتو گاما حین برهمکنش با ماده انرژی از دست میدهد متفاوت از برهمکنش ذرات باردار سنگین یا الکترونهایند. کاهش شدت در باریکه فرودی پرتو گاما تناسب مستقیم با شدت فرودیI و با ضخامت ماده معبر دارد یعنی:

که در آن I شدت باریکه بعد از گذشت از درون ماده به ضخامت X است. معادله فوق نشان میدهد کاهش در شدت باریکه به طور نمایی با ضخامت ماده در تغییر است، و میتوان نتیجه گرفت که شدت فقط وقتی برابر صفر خواهد شد که X بی نهایت باشد. از این رو سخن از نیمه ضخامت به میان می آید، که طبق تعریف ضخامتی از ماده است که شدت پرتو فرودی را به نصف مقدار اولیه آن کاهش میدهد یعنی:

پرتو گاما به طرق متعددی وارد برهمکنش با ماده میشود، اما تنها سه فرآیند وجود دارد که در طی آن ها کاهش عمده ای در شدت باریکه فرودی گاما به وجود می آید. این سه فرآیند عبارتند از:

الف: اثرفوتوالكتريك

ب: اثر كامپتون

ج: توليد جفت یون

اهميت هريك از اين برهمكنشها به انرژي فوتون و عدداتمي ماده مورد برخورد بستگي‌دارد. ويژگي مهم برهمكنش پرتو γ با ماده از طريق سه سازوكار فوق، توليد ذره باردار پرانرژي ( الكترون و پوزيترون ) است كه انرژي خود را با توليد يونسازي و برانگيختگي، از دست مي‌دهند. به‌همين دليل گاهي اوقات پرتو‌ γ را پرتوي يونساز غير‌مستقيم مي‌نامند

1-2-6-1-1 اثر فوتوالكتريك^[12]

اثر فتوالکتریک برای انرژی های فوتون بین 0.5-0.01 Mevبارز است. اگر فوتون ورودي از طريق فوتوالكتريك با اتم هدف برخورد ‌كند، تمام انرژي خود را به يكي از الكترونهاي اتم مي‌دهد( يعني، فوتون كاملاً جذب اتم مي‌شود ). اتم با جذب انرژي و پرتاب يك الكترون كه داراي انرژي جنبشي( Ee ) برابر با اختلاف انرژي فوتون( Eγ ) وانرژي بستگي‌الكترون درلايه استيونيزه مي‌شود. که خود این فوتوالکترون هم می تواند باعث جدا نمودن الکترونهای سایر اتم ها شود. الكترون مي‌تواند از هريك از لايه‌هاي اتم پرتاب شود.

فوتون فرودی یکی از الکترون های درونی را خارج میسازد و حفره بوجود آمده با پرش یک الکترون خارجی به آن پر میشود. حفره حاصل در اتم توسط یکی از الکترونهای خارجی تر آن، به صورت پرش پر میشود، و همراه این پرش یک پرتو مشخصه گسیل میشود.

وابستگي به E _γ

احتمال وقوع برهمكنش فوتوالكتريك τ _(atom) با افزايش انرژي پرتوي γ ، با عكس توان سوم انرژي به ‌شدت كاهش مي‌يابد؛

بعنوان مثال احتمال برهمكنش پرتوي گامايkeV45 هشت برابر پرتوي گاماي keV90 ( ) است.

در قانون عكس توان سوم، يك استثنا وجود دارد؛ يعني اگر انرژي پرتوي γ مساوي انرژي بستگي الكترون‌ در لايه‌هاي مختلف اتم شود، احتمال برهمكنش فوتوالكتريك به‌شدت بالا مي‌رود.

بستگي بهZ

احتمال برهمكنش فوتوالكتريك، τ _(atom) با عدد اتمي نيز وابستگي شديد دارد. يعني با توان سوم عدداتمي رابطة مستقيم دارد:

(1‑13)

τ (atom) Z3

شکل 1‑1 اثر فتوالکتریک

    1-2-6-1-2 اثركامپتون^[13]

این اثر مستقیم ترین گواه بر خاصیت ذره ای نور می باشد، احتمال برهمکنش کامپتونی برای الکترونهایی که پیوند ضعیف دارند زیاد است، برای انرژی فوتون بین 10Mev > E > 0.1Mev به صورت بارزی دیده میشود.

در اين فرآيند، فوتون پرانرژي با الكترون، مشابه توپ بيليارد برخورد مي‌كند. فوتون ورودي انرژي ازدست مي­دهد و الكترون با جذب انرژي پراكنده مي­شود. مقدار دقيق كسب انرژي الكترون و يا از دست دادن انرژي فوتون به زاوية پراكندگي و انرژي فوتون ورودي E_γبستگي دارد. به‌طور كلي، افزايش زاوية پراكندگي فوتون با افزايش انتقال انرژي فوتون به الكترون همراه است؛ بنابراين با پراكندگي فوتون تحت زاوية 180 درجه ( يعني بازگشت فوتون )، حداكثر انتقال انرژي به الكترون اتفاق مي‌افتد.

وابستگي به Z

احتمال وقوع كامپتون تقريباٌ مستقل از عدد اتمي ولي متناسب با دانسيتة الكتروني است. بنابراين هيدروژن كه داراي بيشترين دانسيتة الكتروني بيشترين احتمال وقوع كامپتون را دارد. به همين ترتيب وقوع پديدة كامپتون در آب بسيار زياد است.

در اثر کامپتون، برخلاف اثر فتوالکتریک، فوتون نابود نمی شود بلکه فوتون بوسیله الکترون پراکنده میشود. در این صورت مقداری از اندازه حرکت فوتون به الکترونی که در ابتدا ساکن است منتقل می شود. بنابراین اندازه حرکت و در نتیجه انرژی فوتون پراکنده کمتر از اندازه حرکت و انرژی فوتون فرودی بوده و الکترون نیز دیگر ساکن نخواهد بود.

اگر الکترون مورد بررسی را آزاد و ساکن در نظر بگیریم، اصل پایستگی، تکانه خطی و انرژی روابط زیر را می دهد:

انرژی فوتون خروجی:

انرژی فوتون فرودی:

زاویه خروجی فوتون پراکنده :

  شکل 1‑2 اثر کامپتون

1-2-6-1-3 تولید جفت یون[14]

در این فرآیند فوتون فرودی ناپدید میشود و بجای آن یک زوج الکترون-پوزیترون تشکیل میشود. یعنی اگر باشد داریم:

یکی از نتایج اصل هم ارزی جرم و انرژی این است که این دو می توانند به هم تبدیل شوند. در پدیده تولید زوج تابش الکترومغناطیسی در مجاورت یک هسته سنگین به دو ذره الکترون و پوزیترون واپاشیده می شود اما پوزیترون نمی تواند طول عمر زیادی داشته باشد چون فضا پر از الکترون است، لذا پوزیترون بعد از مدت کوتاهی از تولید شدن با یک الکترون ترکیب شده و از بین می رود و به جای آن فوتون یا تابش الکترومغناطیسی ایجاد می شود که به این پدیده نابودی زوج می گویند. در تولید زوج اندازه حرکت ذره و پادذره نمی توانند پایسته بماند مگر اینکه فوتون در نزدیکی ذره سنگینی، همچون هسته یک اتم باشد. به عنوان مثال: فرض می کنیم که در یک فضای تهی، فوتون ناپدید شده و یک زوج الکترون حفره آفریده شود. همچنین فرض کنید که ناظر نسبت به مرکز جرم الکترون و پوزیترون ساکن است. در این صورت اندازه حرکت کل الکترون و پوزیترون نسبت به این ناظر صفر خواهد بود. اما فوتونی که زوج را تولید می کند، در این چارچوب مرجع دارای اندازه حرکت غیر صفر خواهد بود، چون فوتون در هر چارچوب مرجعی همواره با سرعت نور (C) حرکت می کند. بنابراین باید قبل از برخورد اندازه حرکت فوتون را داشته باشیم، نه اندازه حرکت خالص بعد از برخورد را .

یک فوتون نمی تواند خودبخود در فضای تهی به یک زوج الکترون-پوزیترون واپاشیده شود.

نابودی زوج های ذره و پادذره و همراه با آنها آفرینش فوتونها، عمل عکس تولید زوج است. نابودی ماده و آفرینش انرژی الکترومغناطیسی را برای حالتی در نظر می گیریم که الکترون و پوزیترون نزدیک بهم و اساسا ساکن باشند. در آغاز اندازه حرکت خطی کل این دو ذره صفراست، بنابراین وقتی این دو ذره به هم می پیوندند و نابود میشوند یک تک فوتون نمی تواند آفریده شود، زیرا این عمل باعث نقض قانون بقای اندازه حرکت خطی میشود ولی اگر دو فوتون آفریده شوند که با اندازه حرکت مساوی و در جهت های مخالف حرکت می کنند، اندازه حرکت خطی می تواند پایسته بماند، چنین فوتونهایی دارای فرکانس ها و انرژی های یکسان هستند. در واقع می توان گفت که سه یا چند فوتون می توانند آفریده شوند ولی با احتمال به مراتب کمتر ازآفرینش دو فوتون. همین طور وقتی چندین زوج الکترون و پوزیترون در نزدیکی یک هسته سنگین نابود می شوند، تعداد کمی از این نابودی ها یک تک فوتون تولید خواهند کرد.

انرژی جنبشی حاصل برابر با انرژی فوتون منهای است که برای تولید دو جرم سکون مورد نیاز است.

تولید زوج، فوتون اولیه را حذف میکند، اما وقتی پوزیترون نابود شود دو فوتون تولید میشود احتمال رخداد تولید زوج، به نام ضریب تولید زوج یا سطح مقطع تولید زوج، تابع پیچیده ای از و Z است.[6]

وابستگي بهE

احتمال توليد جفت k _(atom)، براي انرژيهاي كمتراز MeV1.02 صفر است. k _(atom)در انرژيهاي بيش از اين حد با افزايش انرژي، زياد مي‌شود و در انرژيهاي بيش ‌ازMeV 10 برهمكنش غالب خواهد بود.

وابستگي بهZ

این تبدیل انرژی به جرم فقط در حضور میدانهای الکتریکی قوی رخ می دهد و اولین میدانهای قوی، نزدیک هسته اتم ها پیدا می شود. و برای مواد با عدد اتمی بالا شدت آن افزایش پیدا میکند. دراین حالت در نزدیکی هسته اشعه γ ناپدید شده و به جای آن یک جفت الکترون و پادالکترون ظاهر میشود که جرم این جفت طبق رابطه ی معروف اینشتین یعنی E=m بر حسب انرژی فوتون بدست می آید. احتمال توليد جفت k _(atom) ، براي يك اتم با ²Zمتناسب است.

شکل 1‑3 تولید زوج یون

 1-2-6-2 تابش دهی گاما و تولید ساختارهای شیمیایی جدید

مفهوم پیوند شیمیایی مرتبط با رد و بدل کردن و یا به اشتراک گذاری الکترونهای لایه ظرفیت اتمها در دست یابی به ساختارهایی پایدارتر میباشد، وقتی که پرتوها از طریق برهمکنش های ذکر شده در بخش های قبلی بر این دسته ازالکترونها تاثیر بگذارند نتیجه این برهمکنش میتواند تولید رادیکالهای آزاد، یونها و یا مولکولهای برانگیخته باشد که هریک از این نتایج از طریق فرآیندهای شیمیایی گوناگونی میتوانند منجربه تولید ساختارهای جدید در نمونه تابش داده شده بشوند [6]

1-3 پیشرانه ها:

1-3-1 کلیات:

علوم مختلف در جهان امروز با سرعت فزاینده‌ای توسعه پیدا می‌کنند. در چند دهه اخیر، بشر شاهد ارتباط هرچه بیشتر علوم در شاخه‌های مختلف آن بوده است و هرچه این ارتباطات بیشتر شده منجر به پیدایش دانش و تکنولوژی نوینی گردیده است.

شناسایی تحولات تکنولوژیک در عرصه کسب و کارها به ویژه صنایع نظامی از اهمیت ویژه ای برخوردار میباشد.امروزه برای صنایع نظامی هرکشور بخصوص کشورهایی که در موقعیت استراتژیک خاص قرار دارند و هر از چندگاهی بخاطر موقعیت ژئوپلوتیک تهدیدات منطقه ای و فرامنطقه ای را متوجه خود می بینند، شناخت مشخصه ها و ویژگی های محصولات نظامی در مرز تکنولوژی ضروری مینماید.

یک انفجار شیمیایی نتیجه یک واکنش شیمیایی یا تغییر حالتی است که در یک فاصله زمانی فوق العاده کوتاه رخ میدهد و با تولید مقدار زیادی گرما و معمولا مقدار زیادی گاز همراه است. انفجارهای شیمیایی بوسیله ترکیباتی که حاوی مواد انفجاری و به هم فشرده اند اما لزوما نیاز به محبوس شدن ندارند حاصل میشود. در طی یک واکنش شیمیایی یک انتقال گرمازایی فوق العاده سریع همراه با تشکیل گازها و بخارهای خیلی گرم انجام میشوند. به خاطر بی نهایت سریع بودن واکنش (یک صدم ثانیه)گازها بلافاصله منبسط نمیشوند بلکه برای کسری از ثانیه درون ظرف خود باقی می مانند و آن حجمی را که در ابتدا اشغال کردند پر میکنند بنابراین به علت فضای فوق العاده کوچک دمای انفجار بسیار بالا (چندین هزار درجه) فشار زیادی (چند صد اتمسفر) حاصل میشود. این فشار به قدری زیاد است که قادر است یک موج انفجار تولید کند و دیواره ظرف را بشکند و باعث خسارت به اشیاء اطراف شود. اکثر موادی که در گروه مواد منفجره شیمیایی قرار میگیرند معمولا حاوی اکسیژن و نیتروژن و عناصر قابل اکسید شدن از قبیل کربن و هیدروژن هستند. در این مواد معمولا اکسیژن به نیتروژن متصل است مانند گروه های NO₂و NO و NO₃مواردی نظیر آزیدها مانند سرب آزید (PbN₆) و ترکیبات نیتروژنی مانند تترایدیدنیتروژن (NI₄) و آزوایمید (NH₃NI₃) که حاوی اکسیژن نیستند از این قاعده مستثنی هستند. با وقوع یک واکنش شیمیایی مولکولهای نیتروژن و اکسیژن از هم جدا میشوند همانطورکه در واکنش زیر نشان داده میشود.

درطی واکنش مقادیر زیادی انرژی آزاد میشود که معمولا با خروج گازهای گرم همراه است. گرمای آزاد شده در طی واکنش (گرمای واکنش) برابر اختلاف میان گرمای مورد نیاز برای شکستن مولکولهای ماده منفجره به عناصر آن و گرمای آزاد شده از ترکیب مجدد این عناصر برای تشکیل N₂، H₂O،CO₂ و غیره هستند.

انرژی بدست آمده از یک انفجار اتمی یا هسته ای یک میلیون تا یک بیلیون برابر انرژی بدست آمده از یک واکنش شیمیایی است. موجهای شوک حاصل از یک انفجار اتمی مشابه امواج تولید شده توسط یک واکنش شیمیایی است و اما دوام بیشتری خواهند داشت و دارای فشار بالاتر در امواج ضربانی مثبت و فشار کمتر در امواج ضربانی منفی اند. جریان شدید نوترونهای بدست آمده از یک انفجار اتمی برای هر فرد نزدیک به انفجار مهلک است در حالیکه افرادی که قدری از محل انفجار فاصله دارند در اثر تشعشع پرتو گاما صدمه خواهند دید . انفجارهای اتمی همچنین تشعشعات ماورای بنفش و مادون قرمز شدیدی منتشر میکنند . یک انفجار فیزیکی وقتی بوجود می آید که یک ماده در حالیکه فشرده شده دستخوش یک تبدیل فیزیکی آنی شود،در همان زمان انرژی پتانسیل سریعا به انرژی جنبشی تبدیل شده و دمای آن فورا بالا رفته و منجر به تولید یک موج شوک در محیط اطراف آن می شود.

پیشرانه^[15] : اسم فاعل Propulsion، مواد پرانرژی (شامل سوخت و اکسید کننده) هستند که برای سوختن یکنواخت و بدون خطر، جهت تامین انرژی پیشرانش طراحی می‌شوند.

پیشرانش^[16] : رانشی که در اثر خروج گاز تولید شده درمحفظه احتراق از نازل و انبساط آن در سطح بیرونی نازل پدید می‌آید.

یکی از مهمترین پارامترهای یک پیشرانه، میزان گرمای انفجار و پایداری آن است. گرمای انفجار پیشرانه می تواند ناشی از میزان گرمای انفجار در اجزای سازنده یک پیشرانه باشد، به نحوی که اگر اجزای سازنده پیشرانه دارای گرمای انفجار بالایی باشد، در نهایت پیشرانه از کارایی بالاتری برخوردار خواهد بود. پایدارکننده ها ترکیباتی هستند که به مقدار کم در کنار ترکیبات سوختی یا سایر مخلوط ها به کار رفته و باعث پایدار شدن آن ها می گردند. پایداری یک ماده شیمیایی را می توان به عنوان توانایی آن ماده جهت جلوگیری از تغییرات مضر در طی یک مدت نگهداری طولانی تلقی کرد. وجود ناخالصی ها،آب و گرما از عوامل موثر در تجزیه نیتروسلولز (NC) و نیتروگلیسیرین (NG) میباشد.[7]

تجزیه نیترات استرها باعث تغییر در خواص مکانیکی، حرارتی، شیمیایی و فیزیکی پیشرانه شده و موجب کاهش کارایی پیشرانه می شود. تجزیه گرمایی نیتروسلولز و نیتروگلیسیرین با شکستن پیوند و آزاد شدن اکسید نیتروژن شروع می شود. برای جلوگیری از تجزیه نیترات استرها بایستی کاری کرد که در همان مراحل اولیه آزاد شدن NO₂ آن را مهار نمود تا از شروع واکنش های زنجیره ای تجزیه ای جلوگیری گردد. حضور پایدار کننده ها جهت رسیدن به همین هدف می باشد.[8,9]

زمانیکه گاز NO₂ از پیشرانه متصاعد می شود دو واکنش رقابتی زیر می تواند انجام پذیرد:

الف- واکنش NO₂ با NC و NG و تجزیه آنها (اثر اتوکاتالیستی)

ب- واکنش NO₂ با پایدار کننده

پایدار کننده ها نمی توانند مانع تجزیه شوند اما مانع از واکنش های کاتالیستی محصولات تجزیه ای از قبیل NO₂ ، NO، HNO₂ و HNO₃ می شوند. ثابت سرعت واکنش پایدار کننده با NO₂ خیلی بیشتر از ثابت سرعت واکنش NC و NG با NO₂ می باشد. لذا تا زمانیکه پایدار کننده موثر در داخل پیشرانه وجود دارد واکنش های اتوکاتالیستی انجام نمی پذیرد به عنوان مثال ثابت سرعت واکنش NG با NO₂ حدود^{10 -}10×12است. این ثابت برای سنترالیت^6-10×6 بوده که در حدود 5000 مرتبه سریعتر از واکنش NO₂ با پایدار کننده می باشد.[10]

1-3-2 خصوصيات پیشرانه جامد

كاربردمهمپيشرانه هايجامد،بهحركتدرآوردنيكپرتابهباسرعتبالاازيكتفنگياوسيله ايمشابه،تأمينتوانورانشيك راكتوتوليدگازبرايبكارانداختنتجهيزاتمكانيكياست.انواعبسيارمتنوعيازپيشرانه هايجامدبرايپاسخگوييبه اينكاربردهانيازميباشد.پيشرانةجامدابتداييباروتسياهبودكهبرايمدتكوتاهيبهعنوانخرجاسلحهمورداستفادهقرارگرفت.

بااستفادهازخصوصياتفيزيكيدانه هايپيشرانه،ميتوانآنهارابهحالتيخاصدركناريكديگرقراردادوبايكديگرتركيب نمود؛بهگونه اييكهفرآينداحتراقآنهامتناسبباشدباانتظاراتيكهازمجموعهوجوددارد.نرخسوزش باتوجهبهشرايطخاصي كهمدنظرميباشد،انتخابميگردد.ضريبپخشحرارتي بهداخلپيشرانه،عاملمهميدركنترلنرخپسرويميباشد.درشرايط عاديِاحتراقسوخت،فرآينداحتراقدريكشرايطكنترلشدهايجادميگردد.اينامكانوجودداردتادرشرايطخاصي فرآينداحتراقشتابپيداكندكهدراينشرايطيكموجفشارايجادميگرددكهآنبهصورتيكموجشوكانتقالپيدامينمايدكهدرنهايتمنجربهايجاديكانفجارناگهانيميگردد. بهفرآيندتبديلاحتراقناگهانيبهانفجارناگهاني ^[17]DDT گفتهميشود. اينامربراييكپيشرانهكهدرآنآزادشدنانرژيبهصورتكنترلشدهموردنظرومطلوبميباشد،نامطلوبخواهدبود.

عليرغمتفاوتيكهپيشرانه هايجامدوموادمنفجرهدرآزادنمودنانرژيخودتحتشرايطنرمالكاريدارند،هردويآنهاباهمبهلحاظشيمياييپيوستگينزديكيدارند. هردويآنهاحاويسوختواكسيدكننده ازپيشمخلوطشدهميباشند.تفاوت آنهابيشتربهلحاظنيرويمحركهجنبشياستتاترموديناميكي درحقيقتتركيباتبسياريهستندكهميتوانندبهعنوانيك پيشرانيامادهمنفجرهبكاربردهشوند،كهاينامرتنهابهحالتشروعآنهابستگيدارد. علاوهبرپركلراتآمونيوموآلومينيوم اجزايتركيبيبسياريهستندكهدرهردوبكارميروند؛مانندسيكلومتيلن تري نيترامين RDX، سيكلومتيلن تترانيترامين HMX، نيتروگوانيدين و نيتراتآمونيوم. پيشرانه هايجامدتقريباًهميشهبهصورتمخلوطميباشند،درحاليكهموادمنفجره،بستهبه كاربردشان،ميتوانندطيفگستردهايازتركيباتمنفرد )غيرمخلوط ( مانند HMX يا RDXباشند.باوجوداينكهقابليتانفجارناگهانيوسريع يكويژگيمهمواساسيدرموادمنفجرهاست،اماهمينويژگيبرايپيشرانه هانامطلوبميباشد.لازمبذكراستكهمقياسونسبتيكهاكسندهوسوختبايكديگرتركيبميشوند،اثرعميقيبرخاصيتپيشرانميگذارد. درتركيباتي مانند HMX ونيتروگليسيرين،سوختواكسندهدرساختارمولكوليشانازپيشمخلوطميباشند )درمقياسآنگستروم(. اينمواد يكموجانفجارناگهانيِپايدارراايجادمي نمايندكهسرعتآندرحدود10كيلومتربرثانيهوقطربحرانيآنكمترازيكسانتي مترميباشد.درمقابلدرپيشرانه هايكامپوزيت( اغلبازپركلراتآمونيوموبايندرهايپليمريساختهميشوند( اكسندهوسوختدرمولكولهايمجزاقرارگرفته اندواختلاطآنهادرمقياسميكرومترميباشد.اينتركيباتدارايقطربحرانيدرحدود5فوت هستند.لازمبذكراستكهفشارشوكموردنيازبرايآغازيكانفجارناگهاني،نسبتبهپيشرانه هايكامپوزيتيبسياربيشترمي باشند.

پيشرانه هايتفنگازنيتروسلولزاجزايديگرتشكيلشده اند پيشرانه هاييكهنيتروسلولزجزءتركيبياصليآنهابهشمارميرود،سوختتك پايه ناميدهميشوند،درحاليكهپيشرانه هايدوپايه حاوينيتروسلولزبهصورتپلاستيكهمراهبا نيتروگليسيرينميباشند،وپيشرانه هايسه پايهباافزودننيتروگوانيدينبهيكتركيبدوپايهبدستمي آيند.ازديفنيل آمينيا اتيل سنتراليت بهعنوانپايداركنندهدراينپيشرانه هااستفادهميشود.دينيتروتولوئن،ديبوتيلفتالات،اتيلنديمتاكريلاتومتيلسنتراليتبهعنوانبازدارندهوبرايجلوگيريازنرخسوزشاوليهدانه هايپيشرانهبهآنافزودهميشوند.ديگرافزودنيهابه عنوانروان كننده ها،بازدارنده هايخوردگي،اصلاحكننده هايسرعتسوزشوعوامليبرايبهبودويژگي هايپروسهآمادهسازي مخلوط هايپيشرانهوبرايتسريعفرآيندتبديلآنهابهتركيباتيباوزنمولكوليبالاتربكاربردهميشوند.پيشرانه هاي تفنگ بهگونه ايفرمولهشده اندكهدرآنهابجاينيتروسلولزپرانرژي،ازبايندرپليمرياكريليكي غيرانرژيزااستفادهشده است.ازپیشرانه هايدوپايهبهعنوانيكبايندردرپيشرانهبرخيراكتهااستفادهميشود، وايندرحاليستكهنمونه هاي پلاستيكي،رزينيياپليمريآنهارايجترميباشد.دربيشتراوقاتازبايندرهايپليمريپلي اورتانوپلي بوتادي ان،برايپيشرانه هايكامپوزيتيموشكهااستفادهميشود.بسياريازپيشرانه هايكامپوزيتيحاويپركلرات آمونيومپودرشده )پودريشكل( به عنواناكسيدايزر،وذراتفلزآلومينيومبااندازهريزبهعنوانسوختميباشند.اينپيشرانه هادارايساختاريناهمگن هستندكه درآنذراتاكسيدايزرتوسطنواحيغنيازسوختاحاطهشده اند هنگاميكهبهيكپيشرانهدوپايه،پركلرات آمونيوموفلزآلومينيوماضافهگردد،بهآنپيشرانهكامپوزيتيدوپايهاصلاحشده گفتهميشود.درپيشرانه هايراكتوتفنگ،استحكام مكانيكيبسيارمهمميباشد.درموردتفنگها،چنانچهدردانه هايپيشرانهدرهنگاماحتراقجدايشرخدهد،نرخسوزشميتواند بهشكلخطرناكيشتاببگيردكهبهنوبهخودموجبافزايشبيشازحدفشارواحتمالاًانفجاروتركيدنلولهتفنگميگردد. تركهاوياعيوبريزدردانه هاييكراكتموتورميتواندمعمولاًبهنتايجخطرناكوفاجعه آميزيمنجرگردد.

[1] Becquerel

[2] فسفرسانس و فلوئورسانس پدیده هایی هستند که در آنها یک ماده خاص که به طور عام به آن فسفر گفته میشود پس از قرار گرفتن در مقابل نور مرئی یا غیرمرئی یا حرارت، تحریک شده و این انرژی را در خود ذخیره میکند و سپس آنرا به صورت طیفی از امواج مرئی در طول مدت زمانی منتشر می کند در فسفرسانس تحریک طولانی تر و تشعشع طولانی تری داریم و در فلوئورسانس تحریک کوتاه تر و تشعشع کوتاه تری داریم.

[3] GRAY

[4] Auger Electron

اثر اوژه به فرآیند بدون تابشی گفته می شود که در آن اتم یا یونی که پیشاپیش با از دست دادن یکی از الکترون های پوسته داخلی یونیده شده است و جای خالی پوسته ی داخلی را با یک الکترون پوسته ی خارجی پر میکند و همزمان یکی دیگر از الکترون های پوسته ی خارجی را به بیرون می فرستد. الکترون آزاد حاصل از فرآیند اخیر، الکترون اوژه نامیده می شود.

[5] Cherenkov Radiation

[6] James chadwick

[7] Goldhaber

[8] Binding Energy

[9] Spivak

[10] Alvarez&Bloch

[11] Fermi&Marshall

[12] Photoelectric effect

[13] Compton Scattering

[14] Pair Production

[15] Propellant

[16] Propulsion

[17] Deflagration to Detonation Transation