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

مطالعه و امکان سنجی ساخت آشکارساز گازی حساس به مکان دو بعدی (Position Sensitive Detector) و ساخت نمونه اولیه word

چکیده

کلید واژه: آشکارساز­های گازی حساس به مکان چند سیمی، تابش ایکس نرم، نرم­افزار گارفیلد++،
نرم­افزار Elmer، نرم­افزار Gmsh.

 آشکارساز­های گازی حساس به مکان چند سیمی، آشکارسازی­هایی هستند که علاوه بر شمارش تعداد برهمکنش­های فوتون با اتم­های گاز، مکان برهمکنش را نیز با دقت خاصی در یک یا دو بعد تعیین می­کنند، به همین دلیل گزینه مناسبی برای استفاده در تصویر برداری اشعه ایکس هستند. آشکارساز­های گازی تناسبی، به دلیل داشتن بازده بالا، نویز کم، امکان ساخت در اندازه دلخواه برای فوتون­های کم انرژی (تابش ایکس نرم) از گذشته تا کنون مورد استفاده قرار می­گیرند. در این رساله برای شبیه­سازی آشکارساز گازی دوبعدی از نرم­افزار گارفیلد++ و نرم­افزار­های کمکی Elmer و Gmsh استفاده شده است. پس از شبیه­سازی، نمونه اولیه این آشکار­ساز ساخته و توسط چشمه تابش ایکس مشخصه، تست و حساس به مکان بودن این آشکارساز در هر دو بعد بررسی و نتایج آن در این پایان­نامه گزارش شده است.

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول: مقدمه

1-1- آشکارسازی تابش ایکس کم انرژی... 2

1-2- عملکرد پراش و آشکارسازی... 3

1-3- فرآیند آشکارسازی... 4

1-4- عملکرد درست آشکارساز. 8

 

فصل دوم: آشکارسازهای گازی

2-1- مقدمه. 11

2-2- تولید جفت­های الکترون – یون.. 12

2-3- انتشار و حرکت بارها در گاز. 13

2-3-1- انتشار در عدم حضور میدان الکتریکی... 13

2-3-2- انتشار در حضور میدان الکتریکی... 14

2-4- حرکت یون­ها15

2-5- حرکت الکترون­ها17

2-6- اثرات ناخالصی بر حرکت بار. 17

2-7- نواحی عملکرد آشکارسازهای گازی... 18

عنوان صفحه

فصل سوم: شمارنده های تناسبی

3-1- مقدمه. 27

3-2- ضریب تکثیر. 30

3-3- انتخاب گاز. 33

3-3-1- آستانه­ای برای تکثیر بهمنی... 33

3-3-2-خاموش کننده. 35

3-3-3- ضریب تکثیر گاز. 37

3-4- نوع­های خاص از شمارنده­های تناسبی... 37

3-4-1- شمارنده تناسبی B. 37

3-4-2- شمارنده­های هلیومی... 38

3-4-3- شمارنده­های تناسبی چند سیمی... 38

 

فصل چهارم: آشکارساز های حساس به مکان

4-1- مقدمه. 40

4-2- خط تأخیر. 42

4-3- الکترونیک وابسته. 43

4-4- پیش­تقویت کننده. 46

4-5- تقویت کننده و تبعیضگر. 46

4-6- تبدیل­گر زمان به دامنه TAC48

4-6-1- خط تأخیر خارجی... 49

4-7- تبدیلگر آنالوگ به دیجیتال ADC.. 49

4-8- آشکارساز حساس به مکان یک بعدی با استفاده از خط تأخیر 49

4-9- آشکارساز حساس به مکان دو بعدی... 50

4-9-1- روش خط تأخیر. 50

4-9-2- روش چند لایه ای... 50

4-9-3- استفاده از دو کاتد.. 51

عنوان صفحه

 

4-9-4- استفاده از نوارهای میکرو. 52

4-9-5- استفاده از روش تقسیم بار. 53

 

فصل پنجم: مقدمه ای بر نرم افزارهای بکار گرفته شده در این پایان نامه و نتایج شبیه سازی

5-1- مقدمه. 55

5-2- استفاده از نرم­افزار Gmsh. 56

5-3- استفاده از نرم­افزار Elmer. 62

5-3-1- نرم­افزار ElmerGrid. 63

5-3-2-نرم­افزار Elmer Solver. 64

5-4- تولید فایل با پسوند sif.64

5-5- استفاده از نرم­افزار ++Garfield. 66

5-6- وارد کردن Field Maps به نرم­افزار ++Garfield:67

5-7- پتانسیل­های وزنی و بازخوانی سیگنال.. 69

5-8- نتایج شبیه­سازی... 71

 

فصل ششم: ابعاد و نحوه ساخت

6-1- اجزاء آشکارساز. 74

6-1-1- کاتد و خط تأخیر. 74

6-1-2- صفحه­ی آند.. 76

6-1-3- فاصله دهنده. 78

6-2- محفظه. 79

6-2-2-پنجره ورودی... 80

6-3- گاز و چگونگی ترکیب آن.. 80

6-3-1- نوع گاز. 81

عنوان صفحه

 

6-3-2- تعیین درصد گازها و چگونگی ترکیب آنها83

6-3-3- فشار گاز. 84

6-4- چشمه. 85

 

فصل هفتم: نتیجه گیری و پیشنهادات... 86

 

مراجع.. 96

 

پیوست­ها98

چکیده و صفحه عنوان به انگلیسی

فهرست جدول­ها

عنوان صفحه

جدول (2-1) مسیر آزاد میانگین λ، ضریب انتشار D، روان روی µ یون­ها در گازهای
خودشان تحت شرایط استاندارد دما و فشار. 14

جدول (2-2) مقادیر تجربی پارامترهایی که در معادلات ‏(2-19)‏(2-20) ظاهر شده اند.23

فهرست شکل­ها

عنوان صفحه

شکل (1-1) طیف انرژی تابش الکترومغناطیسی به همراه طول موج و فرکانس مربوطه. 3

شکل (1-2) شمایی از پراش و آشکارسازی به صورت خلاصه. 4

شکل (1-3) شمایی کلی از هندسه آشکارساز. 5

شکل (1-4) ایجاد سیگنال در دو مکان مختلف برای یک بعد.5

شکل (1-5) ایجاد سیگنال در دو مکان مختلف برای یک بعد با وجود خط تأخیر خارجی.6

شکل (1-6) کاتد مورد استفاده در روش چند لایه­ای، کاتدهای صورتی کاتدهای x هستند که به صورت افقی به یکدیگر متصل شده­اند و کاتدهای سبز کاتدهای y هستند که به صورت عمودی به یکدیگر متصل شده­اند.8

شکل (2-1) تغییرات ارتفاع پالس تولید شده توسط انواع مختلف آشکارسازها بر حسب ولتاژ اعمال شده. دو نمودار مربوط به دو انرژی مختلف تابش ورودی است.... 19

شکل (2-2) تغییرات ضریب تاون­زند بر حسب شدت میدان الکتریکی برای یک گاز معمولی 22

شکل (3-1) شکل شمارنده تناسبی استوانه­ای... 28

شکل (3-2) شمای مقطعی از شمارنده تناسبی استوانه­ای، سیم نازک مرکزی به عنوان آند و دیواره خارجی به عنوان کاتد عمل می­کند.28

شکل (3-3) رفتار شدت میدان الکتریکی شعاعی درون محفظه استوانه­ای... 29

شکل (3-4) نشان دهنده محدوده پدیده بهمنی حول سیم آند، شعاع حدی و شدت میدان الکتریکی حدی در شمارنده تناسبی استوانه­ای. در واقعیت ناحیه پدیده بهمنی به سیم آند خیلی نزدیک است.31

عنوان صفحه

 

شکل (3-5) وابستگی اولین ضریب تاون­زند بر حسب شدت میدان الکتریکی برای سه مخلوط گاز 80% + 20% Ne (خط صاف) و 90% + 10% Ar (خط چین) و 70% و 30% Ar (خط نقطه نقطه)34

شکل (3-6) اثرات مثبت استفاده از خاموش کننده در شمارنده­های تناسبی... 35

شکل (4-1) شکل آشکارساز و خط تأخیر. 41

شکل (4-2) مدار خط تاخیر. 43

شکل (4-3) مدار معادل آشکارساز + خط تأخیر. 44

شکل (4-4) مبدل دامنه به زمان + ذخیره­سازی داده­ها + نمایش داده­ها45

شکل (4-5) نمایشی از تبعیض دامنه­های سیگنال.. 46

شکل (4-6) پالس ورودی... 47

شکل (4-7) تضعیف پالس ورودی... 47

شکل (4-8) معکوس کردن پالس ورودی و ایجاد تأخیر در آن.. 48

شکل (4-9) ترکیب دو پالس قبلی و ایجاد پالس دو قطبی... 48

شکل (4-10) شکل آشکار ساز حساس به مکان یک بعدی... 49

شکل (4-11) طراحی در روش خط تأخیر. 50

شکل (4-12) طراحی در روش چند لایه ای... 51

شکل (4-13) طراحی استفاده از دو کاتد.. 52

شکل (4-14) طراحی استفاده از نوارهای میکرو. 52

شکل (4-15) طراحی استفاده از روش تقسیم بار. 53

شکل (5-1) فایل نوشتاری geo. برای یک شش ضلعی با طول 1cm... 58

شکل (5-2) شکل دیداری شش ضلعی با طول 1cm... 58

شکل (5-3) فایل .geo برای چند بار تکرار یک صفحه. 59

شکل (5-4) شکل دیداری چند بار تکرار یک صفحه. 59

شکل (5-5) تصویر هندسه آشکارساز با استفاده از نرم­افزار Gmsh. 60

عنوان صفحه

 

شکل (5-6) تصویر انتخاب یک حجم فیزیکی به عنوان یکی از کاتدها61

شکل (5-7) طریقه مِش­بندی فایل هندسه در ترمینال.. 61

شکل (5-8) شکل دیداری فایل مِشبندی شده. 62

شکل (5-9) توصیف مختصری از نرم­افزارهای استفاده شده.67

شکل (5-10) پالس­های کاتدهای x و y آشکارساز شبیه­سازی شده با استفاده از نرم­افزار گارفیلد ++ 71

شکل (5-11) تصویر پدیده بهمنی در شبیه­سازی آشکارساز با استفاده از
نرم­افزار Garfield++. 72

شکل (6-1) طراحی کاتد به همراه خط تأخیر توسط نرم افزار Altium Designer. 75

شکل(6-2) تصویر کاتد و خط تأخیر بعد از ساخت.... 76

شکل (6-3) طراحی آند توسط نرم افزار Altium Designer. 77

شکل (6-4) تصویر صفحه آند بعد از ساخت و لحیم کردن سیم­ها77

شکل (6-5) طراحی فاصله دهنده توسط نرم افزار Altium Designer. 78

شکل (6-6) تصویر صفحه فاصله دهنده بعد از ساخت.... 78

شکل (6-7) طراحی محفظه با استفاده از نرم افزار SolidWorks79

شکل (6-8) تصویر محفظه بعد از ساخت.... 80

شکل (6-9) بازدهی تبدیل تابش ایکسِ گاز زنون بر حسب انرژی (طول موج) و ضخامت
ناحیه فعال در دما و فشار معمولی، از این نمودار تنها برای پیشبینیِ تقریبی بازده آشکارسازها استفاده می­شود. 81

شکل(6-10( بازدهی تبدیل تابش ایکسِ گاز آرگون بر حسب انرژی (طول موج) و ضخامت ناحیه فعال در دما و فشار معمولی، از این نمودار تنها برای پیشبینیِ تقریبی بازده آشکارسازها استفاده می­شود 82

عنوان صفحه

شکل(6-11) بازدهی تبدیل تابش ایکسِ گازهای آرگون، کریپتون، زنون بر حسب انرژی
(طول موج) و ضخامت ناحیه فعال mm6 در دما و فشار معمولی، از این نمودار تنها برای پیشبینیِ تقریبی بازده آشکارسازها استفاده میشود. 82

شکل (6-12) چگونگی ترکیب گاز. 83

شکل (6-13) دستگاه ترکیب کننده گاز. 84

شکل (7-1) اجزاء الکترونیکی متصل به آشکارساز به صورت طرح­وار. 87

شکل (7-2) تصویر اجزاء الکترونیکی متصل به آشکارساز. 88

شکل (7-3) تصویر پیشتقویت کننده چهارکاناله.88

شکل (7-4) شماتیکی از کارکرد MCA.90

شکل (7-5) طیف حاصل از جابجایی چشمه در جهت عمودی به میزان 20 میلیمتر نسبت به مکان قبلی.91

شکل (7-6) طیف حاصل از جابجایی چشمه در جهت افقی به میزان 20 میلیمتر نسبت به مکان قبلی.93

شکل (7-7) تصویری از حساس به مکان بودن آشکارساز نسبت به مکان چشمه.94

مقدمه

1-1- آشکارسازی تابش ایکس کم انرژی

برای آشکارسازیِ تابش ایکس کم انرژی آشکارساز­هایی اعم از شمارنده­های تناسبی گازی، آشکارساز­های حالت جامد[1] و آرایه­های میکروکانال[2] موجود هستند، ولی به دلیل مزیت­هایی که در زیر ذکر شده­است آشکارسازهای تناسبی گازی از گذشته تا کنون به طور گسترده مورد استفاده قرار می­گیرند[1]:

1. بازدهی بالا
2. پهنای باند گسترده
3. امکان ساخت در اندازه­های بزرگ
4. تابش پس زمینه کم
5. امکان ساخت برای بدست آوردن قدرت تفکیک پذیری مکانی
6. امکان به دست آوردن قدرت تفکیک پذیری انرژی

آشکارسازهای گازی حساس به مکان چند سیمی زیر مجموعه­ای از شمارنده­های تناسبی گازی هستند که می­توان توسط آن­ها علاوه بر شمارش تعداد برهمکنش­ها، مکان برهمکنش را نیز به دست آورد، به همین دلیل یکی از کاربرد­های آن­ها استفاده در شتابدهنده یا به عبارت دیگر استفاده از آن­ها در تصویربرداری از نمونه­ای که در معرض تابش قرار می­گیرد است، به این صورت که نمونه­ای در معرض تابش قرار می­گیرد و تابش پراشیده شده از نمونه توسط آشکارساز آشکار می­شود و ساختار آن نمونه مشخص می­شود. آشکارساز­هایِ دیگری اعم از آشکارساز­های سوسوزن هم برای این هدف موجود هستند ولی در این آشکارساز­ها باید برای بدست آوردن نرخ سیگنال به نویز قابل قبول، انرژی ذره ورودی زیاد باشد. از طرفی هم در تصویربرداری اگر ماده هدف نازک باشد دیگر نمی­توان از انرژی­های زیاد استفاده کرد زیرا برای اینکه بتوان ساختار ماده را مشخص کرد، تابش ابتدا باید توسط نمونه جذب شود و پراکندگی یا پراش اتفاق بیافتد و سپس توسط پراش به وجود آمده به ساختار نمونه پی برده شود در حالی که اگر انرژی تابش زیاد باشد، تابش کاملاً از هدف عبور می­کند. به همین دلیل انرژی­های پایین مد نظر هستند که تابش X نرم بهترین گزینه است.‏شکل (1-1) محدوده تابش­های الکترومغناطیسی را نشان می­دهد که محدوده تابش X نرم در آن مشخص است:

 شکل (1-1) طیف انرژی تابش الکترومغناطیسی به همراه طول موج و فرکانس مربوطه

 1-2- عملکرد پراش و آشکارسازی

آشکارسازهای گازی حساس به مکان چند سیمی به دلیل عملکرد خوبی که در محدوده­ی انرژی­های پایین دارند مورد توجه قرار گرفته اند. عملکرد پراش و آشکارسازی به صورت خلاصه در ‏شکل (1-2) مشخص است :

 [1]Solid State Detector

[2]microchannel arrays