1-8-1تاریخچه روش های آنالیز حرارتی34
1-8-2کاربرد ها34
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 آزمایش38
3-1-2پیشرفت واکنش40
3-1-3سرعت واکنش41
3-1-4سرعت واکنش برحسب پیشرفت واکنش42
3-1-5تحلیل داده های حرارتی با روش کیسینجر43
3-1-6تعیین پارامترهای سه گانه ی سینتیکی46
3-1-7تغییرات Ea با پیشرفت واکنش48
3-1-8نمودارهای اثر جبرانی49
3-1-9محاسبه بستگی Ea به α50
3-1-10تعیین طول عمر پیشرانه K2551
3-2مطالعه حرارتی K3052
3-2-1نمودار DSC پیشرانه K3052
3-2-2پیشرفت واکنش53
3-2- 3 سرعت واکنش54
3-2-4سرعت واکنش برحسب پیشرفت واکنش55
3-2-5تحلیل داده های حرارتی با معادله کیسینجر56
3-2-6تعیین پارامترهای سه گانه ی سینتیکی58
3-2-7تغییرات Ea با پیشرفت واکنش60
3-2-8نمودارهای اثر جبرانی:62
3-2-9محاسبه بستگی Ea به α63
3-2-10 پیش بینی طول عمر پیشرانه63
3-3نتیجه گیری:65
3-4پیشنهادات:66
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل ‏11 اثر فتوالکتریک10
شکل ‏12 اثر کامپتون11
شکل ‏13 تولید زوج یون12
شکل ‏14: مکانهای انجام واکنش در فاز همگن (الف) و فاز غیرهمگن (ب)19
شکل ‏15: تبدیل پارامترهای اندازه گیری جرم در TGA(الف) و شار گرمایی در (DSC) (ب) به کسر تبدیل (ج)21
شکل ‏16 نمودارهای α-tصعودی (الف)، نزولی(ب)،سیگموئیدی(ج) و خطی(د) در بررسی های همدما23
شکل ‏17 نمودارهای dα/dt صعودی (الف)،نزولی (ب)،سیگموئیدی(ج) و خطی (د) در بررسی های همدما23
شکل ‏18 : نمایش شماتیک منحنی های هم دما، T7<T6<T5<T4<T3<T2<T126
شکل ‏19 نمونه ای از نمودار DSC با چندین حالت تغییر فاز35
شکل ‏21: نرم افزارهای استفاده شده37
شکل ‏31: نمودار DSC تخریب K25 سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡)39
شکل ‏32: نمودارDSC تخریب حرارتی سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡)برای K25 تحت تابش نوترون گرمایی (راست)، تحت تابش گاما (چپ)39
شکل ‏33: نمودارپیشرفت واکنش(α-T) بر حسب دما در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡)برای تخریب حرارتیK2540
شکل ‏34: نمودارپیشرفت واکنش(α-T) بر حسب دما در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡)برای تخریب حرارتیK25 تحت تابش نوترون گرمایی (راست)، تحت تابش گاما (چپ)40
شکل ‏35: نمودار سرعت واکنش(dα/dt-T) بر حسب دما در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡)برای تخریب حرارتیK2541
شکل ‏36: نمودار سرعت واکنش(dα/dt-T) بر حسب دما در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡)برای تخریب حرارتیK25 تحت تابش نوترون گرمایی (راست)، تحت تابش گاما (چپ)41
شکل ‏37: نمودار سرعت واکنش بر حسب پیشرفت واکنش (dα/dt-α)در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡)برای تخریب حرارتیK2542
شکل ‏38: نمودار سرعت واکنش بر حسب پیشرفت واکنش (dα/dt-α) در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡)برای تخریب حرارتیK25 تحت تابش نوترون گرمایی (راست)، تحت تابش گاما (چپ)42
شکل ‏39:نمودار محاسبه انرژی فعالسازی به روش کیسینجر K2543
شکل ‏310: نمودار محاسبه انرژی فعالسازی به روش کیسینجر K25 تحت تابش نوترون گرمایی44
شکل ‏311: نمودار محاسبه انرژی فعالسازی به روش کیسینجر K25 تحت تابش گاما45
شکل ‏312 نمودارهای خطی روش کوتس – ردفرن با مدلهای مختلف در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡) برای تخریب حرارتی K2546
شکل ‏313: نمودارهای خطی روش کوتس – ردفرن با مدلهای مختلف در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡) برای تخریب حرارتی K25 تحت تابش نوترون گرمایی47
شکل ‏314: نمودارهای خطی روش کوتس – ردفرن با مدلهای مختلف در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡) برای تخریب حرارتی K25 تحت تابش گاما47
شکل ‏315: نمودار تغییرات Ea (قرمز)و LnfA (آبی) بر حسب α برای K25 با استفاده از روش فریدمن48
شکل ‏316: نمودار تغییرات Ea (قرمز)و LnfA (آبی) بر حسب α برای K25تحت تابش نوترون گرمایی(راست) و گاما(چپ) با استفاده از روش فریدمن49
شکل ‏317: وجود اثر جبرانی با استفاده از روش فریدمن در تخریب حرارتی K2549
شکل ‏318:وجود اثر جبرانی با استفاده از روش فریدمن در تخریب حرارتی K25تحت تابش نوترون گرمایی(راست)-گاما(چپ)50
شکل ‏319: نمودارDSC تخریب حرارتی سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡)برای K3052
شکل ‏320: نمودارDSC تخریب حرارتی سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡)برای K30 تحت تابش نوترون گرمایی (راست)، تحت تابش گاما (چپ)52
شکل ‏321: نمودارپیشرفت واکنش(α-T) بر حسب دما در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡)برای تخریب حرارتیK3053
شکل ‏322: نمودارپیشرفت واکنش(α-T) بر حسب دما در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡)برای تخریب حرارتیK30 تحت تابش نوترون گرمایی (راست)، تحت تابش گاما (چپ)53
شکل ‏323: نمودار سرعت واکنش(dα/dt-T) بر حسب دما در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡)برای تخریب حرارتیK3054
شکل ‏324: نمودار سرعت واکنش(dα/dt-T) بر حسب دما در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡)برای تخریب حرارتیK30 تحت تابش نوترون گرمایی (راست)، تحت تابش گاما (چپ)54
شکل ‏325: نمودار سرعت واکنش بر حسب پیشرفت واکنش (dα/dt-α) در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡)برای تخریب حرارتیK3055
شکل ‏326: نمودار سرعت واکنش بر حسب پیشرفت واکنش (dα/dt-α) در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡)برای تخریب حرارتیK30 تحت تابش نوترون گرمایی (راست)، تحت تابش گاما (چپ)55
شکل ‏327: نمودار برای محاسبه انرژی فعالسازی به روش کیسینجر K3056
شکل ‏328: نمودار برای محاسبه انرژی فعالسازی به روش کیسینجر K30 تحت تابش نوترون گرمایی57
شکل ‏329: نمودار برای محاسبه انرژی فعالسازی به روش کیسینجر K30 تحت تابش گاما58
شکل ‏330: نمودارهای خطی روش کوتس – ردفرن با مدلهای مختلف در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡) برای تخریب حرارتی K3059
شکل ‏331: نمودارهای خطی روش کوتس – ردفرن با مدلهای مختلف در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡) برای تخریب حرارتی K30 تحت تابش نوترون گرمایی59
شکل ‏332: نمودارهای خطی روش کوتس – ردفرن با مدلهای مختلف در سرعتهای حرارت دهی 10(آبی)-15(سبز)-20(قرمز)-25(زرد)-30(مشکی) (℃/min⁡) برای تخریب حرارتی K30 تحت تابش گاما60
شکل ‏333: نمودار تغییرات Ea (قرمز)و LnfA (آبی) بر حسب α برای K30 با استفاده از روش فریدمن61
شکل ‏334: نمودار تغییرات Ea (قرمز)و LnfA (آبی) بر حسب α برای K30 تحت تابش نوترون گرمایی(راست) و گاما(چپ) با استفاده از روش فریدمن61
شکل ‏335: وجود اثر جبرانی با استفاده از روش فریدمن در تخریب حرارتی K3062
شکل ‏336: وجود اثر جبرانی با استفاده از روش فریدمن در تخریب حرارتی K30تحت تابش نوترون گرمایی(راست)-گاما(چپ)62
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول ‏11: مدلهای مختلف سینتیک حالت جامد25
جدول ‏31: نتایج محاسبات به روش کیسینجر K2543
جدول ‏32: نتایج محاسبات به روش کیسینجر K25 تحت تابش نوترون گرمایی44
جدول ‏33 : نتایج محاسبات به روش کیسینجر K25 تحت تابش گاما45
جدول ‏34: محاسبه بستگی انرژی فعالسازی به درجه پیشرفت واکنش K2550
جدول ‏35: محاسبه بستگی انرژی فعالسازی به درجه پیشرفت واکنش K25تحت تابش نوترون گرمایی50
جدول ‏36: محاسبه بستگی انرژی فعالسازی به درجه پیشرفت واکنش K25 تحت تابش گاما50
جدول ‏37 پارامترهای سینتیکی K25 با استفاده از روشASTM51
جدول ‏38 پارامترهای سینتیکی K25 تحت تابش نوترون گرمایی با استفاده از روش ASTM51
جدول ‏39 پارامترهای سینتیکی K25 تحت تابش گاما با استفاده از روش ASTM51
جدول ‏310 نتایج محاسبات به روش کیسینجر K3056
جدول ‏311 نتایج محاسبات به روش کیسینجر K30 تحت تابش نوترون گرمایی57
جدول ‏312 نتایج محاسبات به روش کیسینجر K30تحت تابش گاما58
جدول ‏313: محاسبه بستگی انرژی فعالسازی به درجه پیشرفت واکنش K3063
جدول ‏314: محاسبه بستگی انرژی فعالسازی به درجه پیشرفت واکنش K30تحت تابش نوترون گرمایی63
جدول ‏315: محاسبه بستگی انرژی فعالسازی به درجه پیشرفت واکنش K30 تحت تابش گاما63
جدول ‏316: پارامترهای سینتیکی K30: با استفاده از روشASTM63
جدول ‏317 پارامترهای سینتیکی K30 تحت تابش نوترون گرمایی با استفاده از روش ASTM64
جدول ‏318 پارامترهای سینتیکی K30 تحت تابش گاما با استفاده از روش ASTM64
چکیده
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 DSC و 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 های کلیدی:
تابش نوترون، گاما، آنالیز حرارتی، پارامترهای سینتیک حرارتی
فصل اول:
مقدمه و پیشینه
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.
کشف رادیو اکتیویته
قبل از ارائه مدل هایزنبرگی هسته مطالعه روی اتم بسیار رواج داشت. بکرل1 در ضمن مطالعه خواص فلورسانی و فسفرسانی2 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.
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.
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 3.7×〖10〗^10 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 آن با 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 تابش اشعه 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 گری3 (GY)، یا در سیستم قدیمی CGS بر حسب واحد راد(rad) بیان می شود.(1 گری برابر 100 راد است).
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 اوژه4 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]
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 چرنکوف5 و تولید تابش ترمزی. [3]
خواص نوترونهای آزاد
نوترونها ذرات خنثی بوده و در هسته وجود دارند. این ذرات در سال 1932 توسط چادویک6 کشف گردیدند. نوترونها بار الکتریکی ندارند و جرمشان کمی زیادتر از جرم پروتون است.m((_0^1)n )=1.0086654amu در حالیکه m((_1^1)P )=1.007276amu نوترون آزاد با نیمه عمری برابر 12±1.5 دقیقه به پروتون تجزیه می شود.
یک اندازه گیری دقیق جرم نوترون، همانطور که چادویک و گلد هابر7 نشان داده اند از روی انرژی همبستگی8 دوترون می تواند انجام شود. این روش بر مبنای واکنش زیر انجام می شود:
(11) n^1+H^1→H^2+hν 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 m_d برابر است با مجموع جرم های پروتون و نوترون m_p+m_n منهای کسر جرم دوترون که معادل انرژی همبستگی است، بنابراین:
(12) m_d=m_n+m_p-E_d/C^2 (13) m_n=m_d-m_p+E_d/C^2 نیمه عمر نوترون آزاد، طبق اندازه گیری اسپیواک9 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 1/2 است. برای اولین بار در سال 1940 وجود گشتاور مغناطیسی نوترون توسط دو محقق به نام های آلوارز و بلوچ10 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 مارشل11 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:
(14) (_2^4)He+(_4^9)Be→(_6^12)C+(_0^1)n (15) (_1^2)H+(_1^3)H→(_2^4)He+(_0^1)n یک چشمه متداول نوترونها از (_81^220)Po تشکیل میشود که پوششی از (_4^9)Be 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 (_95^241)Am, (_ 88^226)Ra ,(_94^239)Pu 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]
تقسیم بندی نوترونها از لحاظ انرژی
نوترونها که انرژی آنها از رابطه E=1/2 〖mv〗^2 بدست می آید از لحاظ انرژی به سه دسته کلی تقسیم میشوند. دسته اول نوترونهای کند هستند که انرژی آنها E<1 KeV است. دسته دوم نوترونها با انرژی متوسط که انرژی آنها در بازه 1KeV<E<500KeV قرار دارد. گروه سوم که انرژی آنها بزرگتر از 500KeV است.( 0.5MeV<E<20MeV) نوترونهای سریع نامیده می شوند. نوترونهایی که انرژی آنها E<1 KeV است نیز به سه گروه، نوترونهای حرارتی( E~0.025eV)، نوترونهای فوق حرارتی ( E~1eV) و نوترونهای کند ( E~1KeV) تقسیم میشوند . [3]
برهمکنش نوترون با ماده
با وجود آنکه نوترونها به سنگینی پروتون هایند، 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]
در این برخوردها کسری از انرژی که به محیط با جرم اتمی M منتقل میشود از رابطه زیر بدست می آید:
)16) f=2M/〖(M+1)〗^2 ملاحظه میشود هر قدر محیط سبکتر باشد انرژی بیشتری ازنوترون به آن منتقل میشود.
فعالسازی نوترونی
فعالسازی نوترونی عبارتست از تولید یک نوع ایزوتوپ پرتوزا از طریق جذب نوترون، فعالسازی بدین معنی است که هر ماده ای که تحت تابش نوترون قرار می گیرد ممکن است به ماده ای پرتوزا تبدیل شود یعنی پس از خاتمه ی تابش نوترون هم ممکن است خطر تابش همچنان باقی بماند. همچنین با استفاده از فعالسازی میتوان به روش ساده ای شار نوترون ها را اندازه گیری کرد .
آهنگ واپاشی – آهنگ تولید = آهنگ افزایش اتم های پرتوزا
(17) dN/dt=∅σn-λN ϕ: شار یا تعداد نوترون ها در سانتی متر مربع در ثانیه ، σ: سطح مقطع فعالسازی بر حسب سانتی متر مربع، λ: ثابت واپاشی نمونه پرتوزای حاصل، N: تعداد اتم های پرتوزا، n: تعداد اتم های هدف.[5]
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 بتا ۱۰۰ و ذره آلفا ۱۰۴ 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 کمک بسیار اساسی می کند.
این اشعه تنها از یک تکه فلز سرب به طول ۴۰ سانتی متر نمی‌تواند عبور کند. این پرتو از لحاظ انر‍ژی شباهت بسیاری با اشعه ایکس دارد ولی مهمترین تفاوت این اشعه با اشعه ایکس در این است که اولاً منشا تولید اشعه ایکس یک واکنش اتمی است در حالی که منشا تولید اشعه گاما یک برهمکنش هسته ای و انتقالات بین حالت های مختلف درون هسته می باشد و دوم اینکه طیف اشعه گاما نسبت به اشعه ایکس همدوس تر و متمرکز تر می باشد.
برهمکنش گاما با ماده
الکترودینامیک نشان میدهد که هر ذره باردار شتاب دار تشعشع می کند از اینرو وقتی تابش الکترومغناطیسی با فرکانسν 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 ∆I در باریکه فرودی پرتو گاما تناسب مستقیم با شدت فرودیI و با ضخامت∆X ماده معبر دارد یعنی:
(18) ∆I∝-I∆X(19) ∆I=-μI∆X 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:
(110) I/I_0 =1/2=e^(〖-μX〗_(1/2) ) (111) X_(1/2)=Ln2/μ=0.693/μ 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: اثرفوتوالکتریک
ب: اثر کامپتون
ج: تولید جفت یون
اهمیت هریک از این برهمکنشها به انرژی فوتون و عدداتمی ماده مورد برخورد بستگی‌دارد. ویژگی مهم برهمکنش پرتو γ با ماده از طریق سه سازوکار فوق، تولید ذره باردار پرانرژی ( الکترون و پوزیترون ) است که انرژی خود را با تولید یونسازی و برانگیختگی، از دست می‌دهند. به‌همین دلیل گاهی اوقات پرتو‌ γ را پرتوی یونساز غیر‌مستقیم می‌نامند
اثر فوتوالکتریک12
اثر فتوالکتریک برای انرژی های فوتون بین 0.5-0.01 Mev بارز است. اگر فوتون ورودی از طریق فوتوالکتریک با اتم هدف برخورد ‌کند، تمام انرژی خود را به یکی از الکترونهای اتم می‌دهد( یعنی، فوتون کاملاً جذب اتم می‌شود ). اتم با جذب انرژی و پرتاب یک الکترون که دارای انرژی جنبشی( Ee ) برابر با اختلاف انرژی فوتون( Eγ ) وانرژی بستگی‌الکترون درلایه است یونیزه می‌شود. که خود این فوتوالکترون هم می تواند باعث جدا نمودن الکترونهای سایر اتم ها شود. الکترون می‌تواند از هریک از لایه‌های 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.
وابستگی به E γ
احتمال وقوع برهمکنش فوتوالکتریک τ (atom) با افزایش انرژی پرتوی γ ، با عکس توان سوم انرژی به ‌شدت کاهش می‌یابد؛
(112) τ(atom)∝1/(E_γ^3 ) بعنوان مثال احتمال برهمکنش پرتوی گامایkeV45 هشت برابر پرتوی گامای keV90 ( ) است.
در قانون عکس توان سوم، یک استثنا وجود دارد؛ یعنی اگر انرژی پرتوی γ مساوی انرژی بستگی الکترون‌ در لایه‌های مختلف اتم شود، احتمال برهمکنش فوتوالکتریک به‌شدت بالا می‌رود.
بستگی به Z
احتمال برهمکنش فوتوالکتریک، τ (atom) با عدد اتمی نیز وابستگی شدید دارد. یعنی با توان سوم عدداتمی رابطه مستقیم دارد:
(113) τ (atom) Z3
شکل 11 اثر فتوالکتریک
اثرکامپتون13
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 این فرآیند، فوتون پرانرژی با الکترون، مشابه توپ بیلیارد برخورد می‌کند. فوتون ورودی انرژی ازدست میدهد و الکترون با جذب انرژی پراکنده میشود. مقدار دقیق کسب انرژی الکترون و یا از دست دادن انرژی فوتون به زاویه پراکندگی و انرژی فوتون ورودی Eγ بستگی دارد. به‌طور کلی، افزایش زاویه پراکندگی فوتون با افزایش انتقال انرژی فوتون به الکترون همراه است؛ بنابراین با پراکندگی فوتون تحت زاویه 180 درجه ( یعنی بازگشت فوتون )، حداکثر انتقال انرژی به الکترون اتفاق می‌افتد.
وابستگی به Z
احتمال وقوع کامپتون تقریباٌ مستقل از عدد اتمی ولی متناسب با دانسیته الکترونی است. بنابراین هیدروژن که دارای بیشترین دانسیته الکترونی بیشترین احتمال وقوع کامپتون را دارد. به همین ترتیب وقوع پدیده کامپتون در آب بسیار زیاد 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: E_γ^’
انرژی فوتون فرودی: E_γ
زاویه خروجی فوتون پراکنده : θ
(114) E_γ^’=E_γ/(1+(1-Cosθ)E_γ/〖mc〗^2 )

شکل 12 اثر کامپتون
تولید جفت یون14
در این فرآیند فوتون فرودی ناپدید میشود و بجای آن یک زوج الکترون-پوزیترون تشکیل میشود. یعنی اگر hν>1.02Mev باشد داریم:

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

(115) hν=2m_0 C^2+K_(e-)+K_(e+) 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 1.022Mev 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 E_γ و Z است.[6]
وابستگی به E
احتمال تولید جفت k (atom)، برای انرژیهای کمتراز MeV 1.02 صفر است. k (atom) در انرژیهای بیش از این حد با افزایش انرژی، زیاد می‌شود و در انرژیهای بیش ‌ازMeV 10 برهمکنش غالب خواهد بود.
وابستگی به Z
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=mC^2 بر حسب انرژی فوتون بدست می آید. احتمال تولید جفت k (atom) ، برای یک اتم با 2Z متناسب است.

شکل 13 تولید زوج یون
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 از الکترونها 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]

پیشرانه ها:
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.

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید