چکیدهکلید 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 مطالبعنوان صفحهفصل اول: مقدمه1-1- آشکارسازی تابش ایکس کم انرژی... 21-2- عملکرد پراش و آشکارسازی... 31-3- فرآیند آشکارسازی... 41-4- عملکرد درست آشکارساز. 8 فصل دوم: آشکارسازهای گازی2-1- مقدمه. 112-2- تولید جفتهای الکترون – یون.. 122-3- انتشار و حرکت بارها در گاز. 132-3-1- انتشار در عدم حضور میدان الکتریکی... 132-3-2- انتشار در حضور میدان الکتریکی... 142-4- حرکت یونها152-5- حرکت الکترونها172-6- اثرات ناخالصی بر حرکت بار. 172-7- نواحی عملکرد آشکارسازهای گازی... 18عنوان صفحهفصل سوم: شمارنده های تناسبی3-1- مقدمه. 273-2- ضریب تکثیر. 303-3- انتخاب گاز. 333-3-1- آستانهای برای تکثیر بهمنی... 333-3-2-خاموش کننده. 353-3-3- ضریب تکثیر گاز. 373-4- نوعهای خاص از شمارندههای تناسبی... 373-4-1- شمارنده تناسبی B. 373-4-2- شمارندههای هلیومی... 383-4-3- شمارندههای تناسبی چند سیمی... 38 فصل چهارم: آشکارساز های حساس به مکان4-1- مقدمه. 404-2- خط تأخیر. 424-3- الکترونیک وابسته. 434-4- پیشتقویت کننده. 464-5- تقویت کننده و تبعیضگر. 464-6- تبدیلگر زمان به دامنه TAC484-6-1- خط تأخیر خارجی... 494-7- تبدیلگر آنالوگ به دیجیتال ADC.. 494-8- آشکارساز حساس به مکان یک بعدی با استفاده از خط تأخیر 494-9- آشکارساز حساس به مکان دو بعدی... 504-9-1- روش خط تأخیر. 504-9-2- روش چند لایه ای... 504-9-3- استفاده از دو کاتد.. 51عنوان صفحه 4-9-4- استفاده از نوارهای میکرو. 524-9-5- استفاده از روش تقسیم بار. 53 فصل پنجم: مقدمه ای بر نرم افزارهای بکار گرفته شده در این پایان نامه و نتایج شبیه سازی5-1- مقدمه. 555-2- استفاده از نرمافزار Gmsh. 565-3- استفاده از نرمافزار Elmer. 625-3-1- نرمافزار ElmerGrid. 635-3-2-نرمافزار Elmer Solver. 645-4- تولید فایل با پسوند sif.645-5- استفاده از نرمافزار ++Garfield. 665-6- وارد کردن Field Maps به نرمافزار ++Garfield:675-7- پتانسیلهای وزنی و بازخوانی سیگنال.. 695-8- نتایج شبیهسازی... 71 فصل ششم: ابعاد و نحوه ساخت6-1- اجزاء آشکارساز. 746-1-1- کاتد و خط تأخیر. 746-1-2- صفحهی آند.. 766-1-3- فاصله دهنده. 786-2- محفظه. 796-2-2-پنجره ورودی... 806-3- گاز و چگونگی ترکیب آن.. 806-3-1- نوع گاز. 81عنوان صفحه 6-3-2- تعیین درصد گازها و چگونگی ترکیب آنها836-3-3- فشار گاز. 846-4- چشمه. 85 فصل هفتم: نتیجه گیری و پیشنهادات... 86 مراجع.. 96 پیوستها98چکیده و صفحه عنوان به انگلیسیفهرست جدولهاعنوان صفحهجدول (2-1) مسیر آزاد میانگین λ، ضریب انتشار D، روان روی µ یونها در گازهای خودشان تحت شرایط استاندارد دما و فشار. 14جدول (2-2) مقادیر تجربی پارامترهایی که در معادلات (2-19)(2-20) ظاهر شده اند.23فهرست شکلهاعنوان صفحهشکل (1-1) طیف انرژی تابش الکترومغناطیسی به همراه طول موج و فرکانس مربوطه. 3شکل (1-2) شمایی از پراش و آشکارسازی به صورت خلاصه. 4شکل (1-3) شمایی کلی از هندسه آشکارساز. 5شکل (1-4) ایجاد سیگنال در دو مکان مختلف برای یک بعد.5شکل (1-5) ایجاد سیگنال در دو مکان مختلف برای یک بعد با وجود خط تأخیر خارجی.6شکل (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.8شکل (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.... 19شکل (2-2) تغییرات ضریب تاونزند بر حسب شدت میدان الکتریکی برای یک گاز معمولی 22شکل (3-1) شکل شمارنده تناسبی استوانهای... 28شکل (3-2) شمای مقطعی از شمارنده تناسبی استوانهای، سیم نازک مرکزی به عنوان آند و دیواره خارجی به عنوان کاتد عمل میکند.28شکل (3-3) رفتار شدت میدان الکتریکی شعاعی درون محفظه استوانهای... 29شکل (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.31عنوان 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)34شکل (3-6) اثرات مثبت استفاده از خاموش کننده در شمارندههای تناسبی... 35شکل (4-1) شکل آشکارساز و خط تأخیر. 41شکل (4-2) مدار خط تاخیر. 43شکل (4-3) مدار معادل آشکارساز + خط تأخیر. 44شکل (4-4) مبدل دامنه به زمان + ذخیرهسازی دادهها + نمایش دادهها45شکل (4-5) نمایشی از تبعیض دامنههای سیگنال.. 46شکل (4-6) پالس ورودی... 47شکل (4-7) تضعیف پالس ورودی... 47شکل (4-8) معکوس کردن پالس ورودی و ایجاد تأخیر در آن.. 48شکل (4-9) ترکیب دو پالس قبلی و ایجاد پالس دو قطبی... 48شکل (4-10) شکل آشکار ساز حساس به مکان یک بعدی... 49شکل (4-11) طراحی در روش خط تأخیر. 50شکل (4-12) طراحی در روش چند لایه ای... 51شکل (4-13) طراحی استفاده از دو کاتد.. 52شکل (4-14) طراحی استفاده از نوارهای میکرو. 52شکل (4-15) طراحی استفاده از روش تقسیم بار. 53شکل (5-1) فایل نوشتاری geo. برای یک شش ضلعی با طول 1cm... 58شکل (5-2) شکل دیداری شش ضلعی با طول 1cm... 58شکل (5-3) فایل .geo برای چند بار تکرار یک صفحه. 59شکل (5-4) شکل دیداری چند بار تکرار یک صفحه. 59شکل (5-5) تصویر هندسه آشکارساز با استفاده از نرمافزار Gmsh. 60عنوان صفحه شکل (5-6) تصویر انتخاب یک حجم فیزیکی به عنوان یکی از کاتدها61شکل (5-7) طریقه مِشبندی فایل هندسه در ترمینال.. 61شکل (5-8) شکل دیداری فایل مِشبندی شده. 62شکل (5-9) توصیف مختصری از نرمافزارهای استفاده شده.67شکل (5-10) پالسهای کاتدهای x و y آشکارساز شبیهسازی شده با استفاده از نرمافزار گارفیلد ++ 71شکل (5-11) تصویر پدیده بهمنی در شبیهسازی آشکارساز با استفاده از نرمافزار Garfield++. 72شکل (6-1) طراحی کاتد به همراه خط تأخیر توسط نرم افزار Altium Designer. 75شکل(6-2) تصویر کاتد و خط تأخیر بعد از ساخت.... 76شکل (6-3) طراحی آند توسط نرم افزار Altium Designer. 77شکل (6-4) تصویر صفحه آند بعد از ساخت و لحیم کردن سیمها77شکل (6-5) طراحی فاصله دهنده توسط نرم افزار Altium Designer. 78شکل (6-6) تصویر صفحه فاصله دهنده بعد از ساخت.... 78شکل (6-7) طراحی محفظه با استفاده از نرم افزار SolidWorks79شکل (6-8) تصویر محفظه بعد از ساخت.... 80شکل (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. 81شکل(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 82عنوان صفحهشکل(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. 82شکل (6-12) چگونگی ترکیب گاز. 83شکل (6-13) دستگاه ترکیب کننده گاز. 84شکل (7-1) اجزاء الکترونیکی متصل به آشکارساز به صورت طرحوار. 87شکل (7-2) تصویر اجزاء الکترونیکی متصل به آشکارساز. 88شکل (7-3) تصویر پیشتقویت کننده چهارکاناله.88شکل (7-4) شماتیکی از کارکرد MCA.90شکل (7-5) طیف حاصل از جابجایی چشمه در جهت عمودی به میزان 20 میلیمتر نسبت به مکان قبلی.91شکل (7-6) طیف حاصل از جابجایی چشمه در جهت افقی به میزان 20 میلیمتر نسبت به مکان قبلی.93شکل (7-7) تصویری از حساس به مکان بودن آشکارساز نسبت به مکان چشمه.94مقدمه1-1- آشکارسازی تابش ایکس کم انرژیبرای 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]: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