اتوراديوگرافی و راديوگرافی گاما

اتوراديوگرافی و راديوگرافی گاما

                                                                        

مقدمه

از بدو کشف رادیواکتیویته روشهای فوتوگرافی با آن همراه بوده اند. در روشهای اوتورادیوگرافی و رادیوگرافی با چشمه های خارجی آلفا، بتا و یا پرتوها گاما، تجهیزات مفیدی در زمینه تحقیقات و فناوری وجود دارند. این دو روش ازنظر تاثیر روی لایه های حساس (امولسیون)[1] فوتوگرافی مشترک بوده و برای هر دو روش دستگاههای بسیار ساده ای بکار می رود.

 اتو رادیوگرافی

اتو رادیوگرافی عبارت است از تولید یک تصویر دو یا سه بعدی توسط پرتوهای مواد رادیواکتیو در لایه های حساس فیلم فوتوگرافی. این تصویر      می تواند بصورت ناحیه ای از لکه های سیاه با چگالی متغیر که بسادگی با چشم غیر مسلح قابل رویت هستند، و یا  از دانه های[2] پرتو دیده یا اثرات که زیر میکروسکوپ قابل رویت هستند تشکیل شده باشد. بعضی از روشها امکان مطالعه تصاویری در رابطه با مواد حاوی اتمهای رادیواکتیو و کسب اطلاعاتی در مورد موقعیت اتمها یا مولکولها نشاندار شده را ارائه می دهند. اتورادیوگرافی فناوری گسترده ایی است و کار بردهای وسیعی در زیست شناسی، جانور شناسی، فیزیولوژی گیاهی، متالوژی، مهندسی و در بسیاری از رشته های دیگر دارد. روشهای غیرفوتوگرافیک نیز وجود دارند، مثلا بکاربردن ورقه های نازک پلاستیکی و فلزی برای ذرات آلفا و بعضی از محصولات شکافت و هسته های سنگین. ولی در اینجا فقط روشهای فوتوگرافی مورد مطالعه قرار خواهند گرفت. اساس اتورادیوگرافی بسیار ساده بوده و نیاز به تجهیزات خاصی ندارد. سه روش اصلی وجود دارند: تماس، پوشش دادن و فیلم برهنه. روش آخری قادر به پالایش قابل ملاحظه بوده و ممکن است برای نشان دادن برداشت یک عنصر بوسیله یک سلول تنها و برای آشکار سازی حضور معدودی اتم در یک عنصر مطرح گردد.

 اثر پرتوها بر روی لایه های حساس فوتوگرافی

وقتیکه نور روی کریستال هالید نقره بتابد، پدیده ای آغاز می گردد که در طول آن الکترونها آزاد می شوند. این الکترونها و به پیروی از آنها یونهایی جیوه که به اتمهای جیوه احیاء شده اند، به طرف محلهای خالی شبکه کریستالی حرکت نموده وتولید تصویر نهایی می کنند. این تصویر نهایی درظاهر سازی بعنوان کاتالیزور عمل نموده و احیاء موضعی هالید جیوه رابه جیوه فلزی تقویت می کند.

پرتوهای یونساز هم، با تولید الکترونها در اثر برخورد، موجب تشکیل تصویر نهایی می گردند، همچنانکه انواع دیگر انرژی که می توانند شبکه کریستالی را بهم ریخته و الکترون آزاد کنند، به همین نحو عمل خواهند نمود. یکی از این انواع اختلالات، فشار مکانیکی است. تیرگی فیلم  می تواند ناشی از متمرکز شدن یا خراشیدن لایه های حساس فیلم باشد. بعضی از مواد شیمیائی ایجاد سیاهی می کنند، و لذا برای کارهای دقیق، دقت زیادی لازم است تا ازتشکیل مه گرفتگی زمینه جلوگیری گردد.

انواع لایه های حساس

لایه های حساس بکار رفته برای اتورادیوگرافی در اندازه دانه[3]، چگالی هالید نقره، ضخامت، پایه و تکیه گاه با یکدیگر تفاوت دارند. بعضی از لایه های حساس متداول در جدول (20-1) دیده می شوند.

 

جدول 20-1  لایه های حساس فیلمهای راديو گرافي

لایه حساس	ضخامت (mm)	درصد هالید	اندازه  دانه ها (mm)	تعداد دانه ها در(mm1000)
فوتوگرافي	20-10	15-10	4-1	6
پرتو – X	30-10	20-110	4-1	6
هسته اي	1000-50	45	2/0	10000
فيلم برهنه	5	45	2/0	10000

 

فیلمهای لایه حساس برای پرتو ایکس، معمولاً ضخیمتر از لایه های حساس فوتوگرافی معمولی است و هر دو طرف تکیه گاه با آن پوشیده می شود. یک فیلم حساس  ردپای هسته ای به منظور نمایش مسیر یونش، بسیار ضخیم است و به همین دلیل دارای چگالی بالائی از هالید می باشد. برای اتورادیوگرافی با قدرت تفکیک بالا معمولا فیلمهای با دانه بندی ریز، چگالی بالای دانه ها، مقدار زیاد هالید و در عین حال بسیار نازکتر بکار می رود. دانه های هالید نقره توسط یک پایه ژلاتینی یا سلولزی بر روی صفحه اصلی فیلم که بعنوان یک تکیه گاه برای قرار گیری این ذرات بکار می رود، قرار می گیرند.  یک مثال از این نوع ورقه اتورادیوگرافی نوع کداک AR 10 است. نوع AR 50، بعنوان فیلمهای مورد کاربرد با  پرتو- ایکس با ضخامت µm 10 بکار می رود  که از نوع فیلمهای سریع است ولی قدرت تفکیک پائینی دارد. برای اتورادیوگرافی اتصالی، وقتیکه غلظت رادیوایزوتوپ  بالاست، اغلب ورقهای شفاف[1]  بکار می روند، چرا که آنها

---

[1] . Lantern

 

قدرت تفكيك[6]

از آنجا که مقصود از اتورادیوگرافی عبارت است از تعیین موقعیت عناصر رادیواکتیو در نمونه، بنابراین ضروری است دقتی که با آن این عمل انجام می گیرد و بعنوان قدرت تفکیک شناخته می شود در نظر گرفته شود(جدول20-2). وقتیکه به تصویر منفردی اشاره می شود، قدرت تفکیک به صورت فاصله بین نقطه ای که دارای حداکثر چگالی و نقطه ای که در آن چگالی نصف می شود، تعریف می گردد. با در نظر گرفتن دانه های مجاور، ملاک زیر می تواند برای تعریف قدرت تفکیک بکار رود. اگر دانه ها دارای قطر d بوده و مراکز آنها به اندازه d2 از هم فاصله داشته باشند در صورتی گفته می شود که قدرت تفکیک برابر d است، که مقادیر بتواند بعنوان «هسته های»[7] جدا از هم دیده شوند. فاکتورهای موثر در قدرت تفکیک عبارتند از :

1 – اندازه  ذرات ( با انرژی پائین بهتر است ). 

2 – ضخامت لایه حساس فیلم ونمونه .

3 – فاصله بین نمونه و فیلم.

4 – زمان پرتوگیری و زمان ظهور.

5- نوع فیلم.

  جدول 20-2  (ابعاد بر حسب میکرومتر : µm )

قدرت تفکیک	لایه حساس	نمونه	فاصله
2	2	0	1/2
2	2	5/0	4/3
5	5	0	1/5
5	5	5/0	4/6
20	5	0	3/9
2	5	4	6/20

جدول (20-3) مقادیر قدرت تفکیک قابل دسترسی رابرای ضخامتهای مختلف فیلم و نمونه ارائه می دهد. کلیه ابعاد بر حسب میکرومتر(µ_m) می باشند. قدرت تفکیک همچنین بستگی به روش فیلم بکار رفته نیز دارد .

 

جدول 20-3

	قدرت تفکیک (µm)
فیلم اتصالی پرتو – ایکس	30- 25
فیلم برهنه	3- 1
روش پوشش	7-5

 زمان پرتودهی

 زمان پرتودهی تا حد زیادی روش منطقی آزمایش و خطا است چرا که فاکتورهائی زیادی وجود دارند که باید در نظر گرفته شوند. بعضی از فاکتورها عبارتند از :

1 – اکتیویته ویژه.

2- بهره دانه به ازاء هر الکترون .

3- ضخامت برش و در نتیجه خود جذبی .

یک تجربه عملی عبارت است از پذیرفتن تماس نزدیک با یک فیلم برهنه با پوششی از لایه های حساس و اکتیویته ویژه ای معادل^1-KBq g37  (^1-g mci1) که بطور یکنواخت توزیع شده است. در این حالت پرتودهی به مدت تقریبا 14 روز، دانسیته قابل قبولی  را  ارائه خواهد داد. تعداد متوسط دانه های سیاه شده به ازاء هر ذره بتا بستگی به انرژی و نوع فیلم دارد. درفیلم برهنه 7/0 برای P³² و 8/1 برای P³⁵ می تواند فرض شود. اگر تعداد ذرات بتا که به فیلم می رسند بتواند محاسبه گردد، جدول (20-4) می تواند در تصمیم گیری اکتیویته ویژه در محاسبه زمان پرتودهی کمک نماید.

نیاز به پرتودهی زیاد اهمیت تاریکی های حقیقی را تایید می کند. همچنین لازم است از تخریب احتمالی نتیجه بوسیله تغییرات فیزیکی وبیولوژیکی در نمونه در مدت پرتودهی برحذر بود. بعضی جنبه های این مسئله می تواند با پرتودهی در جعبه ای تاریک در داخل یک یخچال در صفر الی 5 درجه سانتی گراد فراهم گردند، ولی باز، مقداری خشک شدگی یا تغییرات بیولوژیکی می توانند وجود داشته باشند.

 این مشکلات بوسیله بعضی از روشهای توضیح داده شده درمراجع ، کاهش می یابند، ولی علاج کلی وجود ندارد. البته می توان نمونه های مشابه متعدد یا برشهای مواد بیولوژیکی را، با قبول اینکه این امکان پذیر است، پرتودهی نموده و محصولات مصنوعی[8] را پی گیری نمود. جدول(4-20) می تواند فقط یک راهنمای تقریبی باشد. درعمل، به منظور طبقه بندی شرایط بهینه، پرتودهی های متعددی برای زمانهای مختلف انجام می گیرند.

 تعداد دانه ها می تواند به سبک بسیار حساسی برای تعیین مقدار اکتیویته بکار رود. درمورد P³² تقریبا 10⁶ اتم می توانند با شمارشگر گایگر آشکار شوند. اگر از  سلولی به وسعت²µm300 ^، پنج دانه شمارش شوند. و با فرض 14 روز پرتوگیری، این به معنی 10 الکترون اولیه یا 20 اتم p³² می باشد، چرا که فاکتور ژئومتری  است.

جدول 20-4 تعداد تجزيه  در سانتي متر مربع فیلم براي چگالی 6/0

ایزوتوپ	پرتو-ایکس	فیلم برهنه
C^14	10^7 ´ 2	10^8 ´ 5/2
P^32	10^7 ´ 7	10^9 ´ 5/2
Ca^45	10^7 ´ 4	10^8 ´ 6
I^131	10^7 ´ 5/2	10^8 ´ 9
Zn^65	10^9 ´ 1	10^10 ´ 6/1

---

[1] . Emulsion

[2] . Grains

[3] . منظور از دانه در این مبحث کریستالهای هالید نقره است که در فیلمهای رادیوگرافی وجود دارند.

[4] . Lantern

[5] . Contrast

[6] . Resoulution

[7] . Entities

[8] .  Artifacts

برهم كنش هاي تابش با ماده

برهم كنش هاي تابش با ماده

 

در محيطي زندگي مي كنيم كه با ريزش تابش همراه است. تابش گسيل شده بوسيله هسته های پرتوزا، در داخل يا خارج از بدن، با بافتهاي ما برهم كنش مي دهد. تابش الكترومغناطيسي با كليه طول موجها، شامل امواج راديوئي، امواج ميكروني (ميكروويوها)، رادار و نور ساخته شده توسط انسان و همچنين با منشاء طبيعي، بطور ثابت ما را بمباران مي كنند. در جهان ما تعداد فوتونها بسيار بيشتر از ماده بوده، براي هر نوكلئون تقريباً 10⁹ فوتون وجود دارد.

 پرتوهاي كيهاني و بقايای اجزای اتمي كه آنها در طي برهم كنش ها در اتمسفر توليد مي كنند نيز، با ما برخورد مي نمايند. نوترينوها از واكنش هاي گداخت در ستارگان با آن تعداد در جهان منتشرمي شوند كه ميلياردها بر ثانيه از آنها از ميان هر سانتيمتر مربع از پوست ما عبور مي كنند. خوشبختانه عبور بخش اعظم اين تابش همچون نوترونيوها و امواج راديوئي از ما بی خطر است. تابش هاي ديگر همچون نور و تابش الكترومغناطيس با طول موج بلند معمولاً با بافتهاي ما برهم كنش بی خطر مي دهند. با وجود اين، تابش الكترو مغناطيسي با طول موج كوتاه (نور ماوراء بنفش، پرتو هاي X و پرتوهاي گاما) و ذرات باردار توليد شده بوسيله برهم كنش ها مي توانند با درجات گوناگون سلولهاي ما را تخريب نمايند.

جهت تخريب بيولوژيكي، ابتدا لازم است اين تابش براي يونيزه نمودن اتمهاي سلولي بر هم كنش دهد كه بنوبه خود، پيوندهاي مولكولي را تغيير داده و شيمي سلولها را عوض مي كند. بهمين صورت، جهت تخريب در مواد ساختاری و الكتريكي، لازم است موجب بر هم كنش هائي گردد كه پيوندهاي كريستالي و مولكولي را بشكند. چنين تابشي بايد قادر به توليد زوج هاي يون- الكترون بوده و تابش يونيزان خوانده می شود. تابش يونيزان خود به دو دسته تقسيم مي گردد : تابش يونيزان مستقيم كه بر هم كنش آنها موجب يونيزاسيون و برانگيختگي ماده مي گردد و تابش يونيزان غير مستقيم كه نمي تواند اتمها را يونيزه كند ولي موجب برهم كنشهائي می گردد كه محصولات باردار آنها بنام تابش ثانوي، مستقيماً باعث يونيزاسيون مي شود. ذرات باردار با حركت سريع همچون، ذرات آلفا، ذرات بتا و پاره هاي شكافت مي توانند ماده را يونيزه كنند. ذرات خنثي، همچون فوتونها و نوترونها، نمي توانند بصورت كولوني، با الكترونهاي ماده ای که از آن عبور مي كنند بر هم كنش دهند آنها موجب بر هم كنش هائي مي شوند كه در طی آن مقداري انرژي جنبشي فرودي خود را به ذرات باردار ثانوي منتقل مي كنند. در اين فصل، چگونگي بر هم کنش اين دو نوع تابش يونساز با ماده را ارائه خواهيم داد، همچنين بر چگونگي تضعيف اين تابش ها هنگام عبور از ميان ماده و كمي سازي آهنگ بر هم کنش آنها و انتقال انرژی به ماده تأکيد ويژه شده است.

 

7-1: تضعيف باريكه هاي ذره خنثي

در برهم كنش يك فوتون يا نوترون با محتواي تشكيل دهنده يك ماده نيروهاي با برد محدود حكم فرما است. در نتيجه، ذرات خنثی بر عكس ذرات باردار، در خطوط مستقيم در ميان يک ماده حركت كرده، و بوسيله بر هم كنش هاي "نقطه اي" گاه به گاه كه در آن ذره خنثي ممكن است جذب يا پراكنده شده يا موجب واكنش نوع ديگر گردد، متوقف می شود. برهم كنش ها طبيعتاً ضمني هستند، يعني فاصله مسافرت بين برهم كنش ها با ماده را تنها می توان تا حد ميانگيني يا حس قابل منتظره ای ، پيش بيني کرد.

بر هم كنش يك نوع معلوم تابش خنثي با ماده ممكن است بر طبق نوع برهم كنش و ماده ای كه با آن برهم كنش انجام مي­پذيرد طبقه بندي گردد. برهم كنش ممكن است با يك الكترون انجام پذيرد، و در بسياري از حالات رفتار الكترون همانند حالتي است كه الكترونها آزاد باشند. مشابه آن برهم كنش ممكن است با هسته­اي انجام پذيرد كه در بسياري از موارد همانند حالتي است كه در يك مولكول يا شبكه كريستالي پيوند نباشد. با وجود اين، در برخی از موارد  بويژه براي ذرات تابشی با انرژي نسبتاً پائين، پيوند مولكولي يا شبكه اي بايد در نظر گرفته شوند.

برهم كنش ممكن است يك پراكندگي تابش فرودي به همراه تغييري در انرژي آن باشد. يك برهم كنش پراكندگي ممكن است کشسان يا ناکشسان باشد. بعنوان مثال، برهم كنش يك فوتون گاما، با الكترون كه پراكندگي كامپتون خوانده می شود در نظر بگيريد، بر هم کنش با کل اتم در حالتي كه الكترون در داخل آن پيوند است، بايد کشسان باشد، چرا كه مقداري از انرژي فوتون فرودي بايد انرژي بستگی الكترون در اتم را جبران نمايد. با وجود اين،  در بسياري از حالات عملي، انرژي هاي بستگی الكترون بطور قابل ملاحظه اي پائين تر از انرژي هاي فوتون-گاما بوده و برهم كنش ممكن است بصورت يك پراكندگي کشسان خالص فوتون بوسيله يك الكترون آزاد در نظر گرفته شود. پراكندگی نوترون بوسيله يك هسته اتمي ممكن است کشسان باشد كه در اين حالت انرژي جنبشي نوترون فرودي با انرژی جنبشی نوترون پراكنده و هسته پس زن شريك است، يا ممكن است ناکشسان باشد، كه در اين حالت، انرژي جنبشي نوترون فرودي به انرژي داخلي هسته و از آنجا به يك پرتو گامای، گسيل يافته از هسته برانگيخته، انتقال يابد. لازم است توجه نمود كه براي هر دو حالت پراكندگي کشسان و ناکشسان، روابط منحصر بفردي بين تبادلات انرژي و زواياي پراكندگي از بقاء انرژي و تکانه خطي ظهور مي كند.

انواع ديگر برهم كنش ها طبيعتاً جاذب هستند. هويت ذره فرودي از بين رفته و تکانه نسبيتي كل و انرژي باقي مانده ، مقداري بصورت انرژي برانگيختگي هسته اي، مقداري بصورت انتقالي، ارتعاشي و انرژي چرخشي ظاهر مي شوند. نتيجه نهائي ممكن است گسيل تابش خاص به همان صورتي كه در پديده فوتوالكتريك و گیراندازی تابشی نوترون رخ  مي دهد باشد.

بحث در اين بخش به چگونگي تضعيف باريكه­اي از تابش با عبور از ميان ماده بطور مساوي براي نوترونها و فوتونها مي پردازد. در بخشهاي بعدي، توضيحات مخصوص هر نوع بر هم كنش هاي مستلزم  تابش خنثي و تابش ويژه- ماده داده مي شود. مفهوم ضريب بر هم كنش براي توضيح چگونگي برهم كنش ذرات- تابش با ماده معرفي گرديده، و سپس آنرا براي كمي سازي تضعيف باريكه اي  از ذرات خنثي با عبور از ميان بعضي از مواد بكار مي بريم.

چشمه های رادیواکتیو با قدرت بالا

چشمه های رادیواکتیو با  قدرت  بالا

در این قسمت اساساً  کاربرد مقادیر زیاد پرتوها بمنظور از بین بردن یا استرلیزه کردن اورگانیزم های مضر مورد نظر است. مثالهای از بکار گیری موثر انرژی پرتوها برای کاتالیز نمودن واکنش های شیمیائی وجود دارند، اما اینها بسیار نادر هستند و تنها بعنوان قسمتی از کاربرد پرتوها در صنعت می باشند. جدول (21-2) دز تابشی جهت ایجاد اثرات معینی روی ارگانیزمهای زنده را نشان می دهد، و واضح است که برای نابودی  انواع ساده موجودات نیاز به بالاترین دز می باشد. به مراتب بزرگترین کاربرد چشمه های بزرگ گاما، استرلیزاسیون تجهیزات و ابزار عرضه در پزشکی است. دزهائی معادل     Gy10⁴´5/2 (5/2 مگا راد) برای استرلیزاسیون ابزاری از قبیل سرنگ، لوازم بخیه، چاقوهای جراحی و امثال آنها در کارخانه های که خود امکانات تابش گاما دارند، بکار می روند.

به منظور ارائه دز لازم برای استرلیزاسیون در مدت زمان کوتاه و امکان تولید متوالی، اقلام بسته بندی شده بین چشمه ها طوری عبور داده می شوند که در یک عبور، دز لازم به آنها داده شود. اکتیویته بکار رفته در محدوده TBq500 تاPBq 100(mCi4– Ci 10⁴)Co ⁶⁰ می باشد. این تاسیسات به نحوی حفاظ شده و مجهز به امکانات امنیتی هستند که می توانند به عنوان قسمتی از خط تولید معمولی بحساب آیند.  

کاربرد نشاندارکننده ها قبلاً توضیح داده شدند، یک دیسک پلاستیکی بطور مناسب رنگ شده، در دزی معادل Gy 10⁴×2 (10⁶×2 راد) از نارنجی به قرمز تغییر رنگ می دهد و بنابر این کانتینر اقلام استرلیزه شده می توانند شناسائی گردند و اقلام بزرگ می توانند اختصاصاً علامت گذاری شوند.

با توجه به قابلیت نفوذ پرتو گاما در محتویات کانتینر، اقلام می توانند قبل از استرلیزه شدن بسته بندی گردند، و هر سال میلیونها وسیله پزشکی  به این طریق استرلیزه شده و روشهای دیگر کنار گذاشته شده اند.  براحتی می توان از روی دز اعمال شده به ماده Gy10⁴×2 (10⁶×2 راد) محاسبه نمود که درجه حرارت حاصل از جذب این انرژی فقط چند درجه می باشد. و در انرژی های بکار رفته هیچگونه اکتیویته ای در مواد بوجود نمی آید .

 

جدول 21-2  اثر  پرتو  گاما روی ارگانیزم های زنده

ارگانیزم	دز برای ایجاد
	تغییر و تحول (راد)	عقیم سازی(راد)	مرگ(راد)
انسان	150-50	150	700-400
کرم	-	10 ×(10-5)	10^5 ×5/7
نرم تنان	-	-	10^4 ×(3-2)
حشرات	بیشتر از 70	10^3 ×(10-5)	10^5 ×(2-1)
تک سلولیها	5000	10^5 ×3- 10^5	10^5 × 3- 10^5
جلبکها	-	بیشتر از10^4 ×4	بیشتر از 10^4 ×4
قارچ	10^4	10^5	( 10 ×5/1 – 025/0)
باکتری	1000	10^6	10^6 ×(2 – 15/0)
ویروس	1000	10^5	10^6 ×(5 – 1/0)

 

            کاربردهائی از پرتوهای پر انرژی در صنایع پلاستیک سازی برای تغییر خواص وجود دارند ولی اکثراً این عمل توسط شتابدهندها صورت می گیرد. پرتودهی مواد غذای نیز ممکن است، ولی بررسی های فنی اقتصادی واثرات جانبی پرتوها بر ارگانیزم ضروری می باشد.

در این رابطه، مزه، بو، پذیرش عموم از عواملی هستند که باید مد نظر قرار گیرند. ممکن است تغییرات شیمیائی در سطوح مورد نیاز دز جهت نگهداری و انبار نمودن وجود داشته و طعم و بوی غیرقابل  قبولی را  ایجاد کند، ولی علیرغم آن به ارزش غذای آنها  آسیبی نمی رسد. هنوز هم در این موارد تحقیقات وسیعی در حال انجام است. چنانچه حبوبات را به این طریق تحت نفوذ پرتوها قرار دهند، به مدت زیادی قابل نگهداری بوده و از آسیب حشرات مصون خواهند بود. البته مسائلی در رابطه با سازماندهی و فناوری آن وجود دارند،  کاربرد  این روش را محدود  می سازد.

پرتوها در پلیمریزاسیون منومرها ، نگهداری چوب و نیز در بهبودی رنگ ارزش صنعتی فراوان دارد، ولی علیرغم داشتن امکانات، در هر کاربردی بررسی اقتصادی آن داری اهمیت است و باید در این مورد دقت کافی نمود.