فيلم بج

فيلم بج 

فيلم بج شامل بسته اي از فيلم عكس برداري است كه در يك نگهدارنده با فيلترهاي تضعيف كننده است. تابش يونيزان مانند يك عكس پرتوX- فيلم را سياه مي كند. فيلتراسيون براي انجام ميزان سياه شدن فيلم تا حد ممكن نزديك به تابعي معلوم از پرتوگيري پرتو- گاما مستقل از انرژي پرتوهاي گاماي فرودي طراحي مي گردد. پس از اينكه بج بوسيله پرتوكار براي مدت معيني مورد استفاده قرار گرفت، فيلم به همراه فيلم هاي كاليبراسيون با لایه حساس يكسان كه به مقدار معيني تحت تابش پرتو قرار گرفته است دز تابش ظاهر مي گردد. دز تابش پرتو كار براي مدت معيني ارزيابي شده و معمولاً در پرونده پرتوگيري طول عمر وي نگهداري مي شود. در برخي موارد از فيلترهاي تضعيف كننده خاصي براي مرتبط كردن سياهي قسمت تابيده شده از فيلم به ذره بتا و يا حتي دز نوترون بكار مي رود. نگهدارنده هاي ويژه بج به شكل حلقه انگشتر يا دستبند براي كنترل پرتوگيري دست، مچ و قوزك مورد استفاده قرار مي گيرند.

 

8-4-3: دزيمتر ترمولومينسانس (گرما تابشي)

دزيمتر گرما تابش (TLD) يك آشكار ساز پرتو حالت جامد است، كه در آن دز پرتو را مي توان با اندازه گيري، نور در اثر گرم شدن آشكار ساز پس از پرتوگيري ارزيابي كرد.  TLD ها بلورهای معدني همچون LiF يا CaSO₄ هستند كه به آنها عناصر ناخالصي، همچون Mn، P، Mg يا Cu با غلظتهاي كم افزوده­ مي­شوند. ماتريس TLD يك عايق است ولي آلاينده حفره ودامهای الكترون با ترازهاي انرژي در حدود فاصله پيوند عايق اضافه مي كند. در پرتوگيري تابش، دامها پر مي شوند. اين دامها تا زماني كه TLD گرم مي شود باقي  مي مانند، و از اين رو حامل هاي بار بدام افتاده را رها مي كنند. تركيب مجدد حاملهاي بار كه به حركت افتاده اند منجر به گسيل نورمي شود. Li طبيعي، كه در آن فراواني ⁶Li برابر 4/7 % است براي نوترونهاي حرارتی كم و بيش حساس است. حساسيت نوتروني TLD مي تواند با افزودن ايزوتوپ سبك تر حاصل گردد. بطور مشابه، LiF غير حساس به نوترون تنها ⁷Li را مورد استفاده قرار مي دهد. دزيمتري تابش نوترون و پرتو- گاما ممكن است با بكارگيري جفتهاي TLDهاي حساس به نوترون و غيرحساس به نوترون انجام پذيرد.

 

8-5: تئوري اندازه گيري

8-5-1: انواع عدم قطعيت در اندازه گيري ها

تحليل هرنوع داده تجربي نياز به ارزيابي عدم قطعيت همراه با هر كدام از اندازه گيري ها دارد. بدون يك چنين تخميني ، داده ها ارزش بسيار محدودي دارند. چندين نوع عدم قطعيت همراه با ارزيابي وجود دارد. اين­ها شامل عدم قطعيت هاي آماري و عدم قطعيت هاي نمونه برداري و نيز خطاهاي سيستماتيك مي­باشد. مثلاً، واپاشی اتمهاي راديواكتيو بطور اتفاقي رخ داده يا بطور آماري است و لذا اندازه گيري تعداد واپاشی در يك زمان معين عدم قطعيت ذاتي دارد. اندازه گيريهاي تكراري نتايج كم و بيش متفاوتي به دست مي دهند. خطاهاي سيستماتيك بوسيله بعضي گرايش يا خطاهاي ثابت در سيستم اندازه گيري اعمال شده و غالباً بدليل اينكه از گرايشهاي نامعلوم براي آزمايشگر حاصل مي شوند براي ارزيابي بسيار مشكل هستند. خطاهاي نمونه برداري از اندازه گيريها در جمعيت هاي گوناگون از يك جمعيت معين حاصل مي شوند. اين گرايشها را به آساني نمي توان ديد چه اينكه ارزيابي شوند.

مهندسين و محققين بايد هميشه اختلاف دقت[1]  و كمي سازي[2] آگاه باشند اگرچه بكارگيري اين دو لغت بطور عام باعث از بين رفتن تفاوت آنها شده است مشهور غالباً تشخيص مهم را بهم ريخته و يا  از آن صرف نظرمي كند.  كمي سازي عبارت است از درجه كمي سازي اندازه گيري تعيين شده، مثلا، بوسيله تعدادي از ارقام معني دار عبارت است از اينكه يك اندازه گيري با مقدار اندازه گيري تا چه حد به مقدار واقعي نزديك است. يك اندازه گيري بسيار كمي نيز ممكن است بسيار غير دقيق باشد.

---

[1] . Accuracy

[2] . Precision

آشكار سازهاي سنتيلاسيون (سوسوزن)

آشكار سازهاي سنتيلاسيون (سوسوزن)

دو نوع آشكار ساز سوسوزن وجود دارد (1) بلورهای معدني جامد و (2) پلاستيك و مايعات آلي. در اين سوسوزنها نوع برانگيختگي متفاوت بوده ولي نتيجه نهائي يكسان است. با عبور ذرات باردار از ميان ماده انرژي از دست رفته بوسيله آنها به انرژي برانگيختگي بلورهای معدني يا برانگيختگي مولكولي مولكولهاي آلي تبديل مي گردد. انرژي برانگيختگي بصورت فلورسانس يا سوسوزني رها مي شود. تعداد فوتونهاي نوري گسيل شده در هر واقعه متناسب با انرژي از دست رفته بوسيله ذره باردار اوليه در واقعه است. وابستگي زماني گسيل فلورسانس، و لذا شكل پالس خروجي وابسته به نوع خاص ماده است.

اگر چه ماده سوسوزن از يكصد سال پيش براي آشكارسازي تابش يونساز مورد استفاده قرار گرفته، كاربرد گسترده آنها به زمان توسعه لامپ تكثير كننده نوري (فوتومولتي پلاير PMT) يعني به حدود 50 سال پيش بر مي گردد. اين لامپ خلاء اندازه گيري مقدار بسيار كم نور را امكان پذير مي سازد. در يك PMT فوتونهاي فرودي به يك فوتوكاتد برخورد مي كنند كه در اين صورت فوتوالكترون آزاد مي گردد. سپس فوتو الكترونها بطرف الكترود ديگري در پتانسيل بيشتر شتاب داده مي شوند كه در آنجا الكترونهاي برخورد كننده پرانرژي موجب گسيل الكترونهاي بيشتري مي گردند. اين فرايند تكثير الكترون در طي يك سري الكترودها، ادامه پيدا مي كند. تعداد الكترونها كه در نهايت در الكترود نهائي جمع آوري شده ممكن است. ميليونها برابر بيشتر از تعداد الكترونها باشد كه آبشار را شروع كرده اند. در اصل يك تقويت كننده فوتون به الكترون است.

يك مجموعه ويژه آشكار ساز سنتيلاتور داراي يك ماده سنتيلاسيون بسته است كه از نظر اپتيكي روي يك فوتوكاتد PMT سوار شده است. يك رشته تقسيم کننده ولتاژ (VDS) در (PMT) و يك پيش تقويت كننده جهت توليد يك پالس ولتاژ از الكترونهاي جمع آوري شده در الكترونهائي PMT بكار رفته است. اين اجزاء تشكيل دهنده معمولاً بصورت يك مجموعه به هم وصل شده اند. با بكاربردن اين آرايه معمولي، مجموعه آشكارساز يك دستگاه كاملي است كه تنها نياز به يك ولتاژ خارجي براي PMT و يك منبع تغذيه خارجي براي پيش تقويت كننده دارد. چنين مجموعه اي غالباً آشكارساز سوسوزني ناميده مي شود.

اندازه پالسهاي ولتاژ خروجي متناسب با انرژي انتقال يافته بوسيله ذرات باردار توليد شده در ماده سوسوزني است. يك پرتو گاماي نفوذي به ماده سوسوزني ممكن است انرژي خود را از طريق برهم كنش هاي فوتوالكتريك، پراكندگي كامپتون و توليد جفت انرژي خود را به سوسوزن بدهد. چنانچه همه(تمام) انرژي پرتو- گاماي فرودي به ماده سوسوزن انتقال يابد، تعداد فوتونهاي سنتيلاسيون توليد شده متناسب با انرژي پرتوگاماي فرودي مي باشد. لذا، با اندازه گيري توزيع اندازه هاي پالس يا توزيع ارتفاع پالس (PHD) توليد شده بوسيله آشكار ساز سوسوزن، توزيع انرژي پرتوهاي گاماي فرودي مي تواند ، تعيين گردد. لذا يكي از مهم ترين كاربردهاي آشكار سازهاي سنتيلاسيون اسپكتروسكوپي پرتو- گاما است. خواص آشكار سازهاي معمول سوسوزن در جدول 8-2 داده شده است.

 

 

جدول8-2: مواد معمولي سنتيلاسيون

ماده	ثابت واپاشی (نانو ثانيه  10^-9 s)	كاربردهاي عمده	توضيحات
معدني: NaI(Tl)	230	1)آشكار سازهاي پرتو x و 2)طيف سنج ها پرتو x و	1- رطوبت گير
			2- ماده با Z زياد
			3- 3 اينچ در 3 اينچ معمولترين براي پرتو
			4- قدرت تفكيك پرتو  با 6 تا 8%
			5- شكل عمودي استوانه اي معمولترين شكل، استوانه اي
			6- نوع- چاهي داراي كارآئي برجسته است.
آلي:	4/2	1)آشکارسازهای پرتوx و 2)آشکارسازهای دروازه ها و سطوح بزرگ 3) آشکارسازهای a و b و نوترونهای سریع 4) طیف سنج های b	1- غير رطوبت گير
BC-400			2- هزينه كم
NE-102			3- Z كم، حداقل اثر فوتوالكتريك
پلاستيك			4- بازدهي زياد براي ذرات باردار
			5- قابل دسترسي در اندازه ها و شكلهاي گوناگون

 

آشكار سازهاي سنتيلاسيونNaI

متداول­ترين ماده معدني سوسوزن NaI(TI) است. اين آشكارسازها در اندازه ها و اشكال گوناگوني قابل دسترسي هستند با توجه به اينكه حداكثر طول موج نور گسيل شده بوسيله اين ماده برابر 415nm است، پيدا كردن PMT هاي قابل دسترسي تجاري كه حداكثر حساسيت آنها با طيف گسيل فلورسانس منطبق باشد آسان است ثابت زماني واپاشی نسبتاً زياد معمولاً مسئله اي نيست چرا كه كارآئي بسيار زياد براي پرتو-X و پرتوگاما برتري زيادي بر پاسخ نوري آنها دارد. از آشكار سازهاي گوناگون (NaI(Tl  موجود كه براي مشخص نمودن ميدانهاي تابش پرتوگاما استفاده مي شود، آشكارساز استوانه اي دايره­اي با اندازه 3×3  اينچ، از نظر تاريخي مناسب مطلوب بوده است. اين نوع آشكار ساز  NaI(Tl)  بطور  گسترده اي بكار رفته و داده هاي كارآئي گسترده در كتابها و مجلات وجود دارد. توزيع ارتفاع پالسي معمول با)  NaI(Tl در شكل 8-6 نشان داده شده است.

با توجه به بازدهي بسيار زياد براي تابش الكترو مغناطيسي (شكل 8-7 را ملاحظه كنيد)، NaI(Tl)  بطور گسترده اي جهت اندازه گيري پرتوهاي- X و پرتوهاي –  بكار رفته است. آشكارسازهاي پرتوX-  با پنجره اي نازك حاوي آشكارساز بسيار نازك (NaI(Tl  غالباً براي اندازه گيري شدت و يا طيف انرژي  تابش الكترومغناطيسي با انرژي كم مورد استفاده قرار مي گيرد، با توجه به اينكه آشكار ساز هاي) NAI(Tl  نياز به خنك شدن ندارند، دازاي كاربردهاي زيادي هستند. كاربردهاي صحرائي با اين آشكار سازها امكان پذير است چرا كه مي توانند در مدت زمان طولاني در محيط گرم و مرطوب بكار گرفته شوند و بطور قابل ملاحظه اي در مقابل ضربه مقاومت نشان مي دهند و در مقابل تخريب تابشی هم مقاوم هستند.

اساساً براي هر كاربرد نياز به يك آشكار ساز با كارآئي زيادي پرتو گاما و با قدرت تفكيك متوسط، آشكار ساز) NaI(Tl  بوضوح انتخاب مناسبي است.

 

مقايسه سوسوزن هاي معدني

پيشرفتها در توموگرافي رایانه ای پرتو-X (CTX) و توموگرافي گسيل پوزيترون (PET) نيازهاي جديدي را در رابطه با سرعت، كارآئي، و عدد اتمي موثر سوسوزن هاي بكاررفته براي پرتوX- و فوتون نابودي را مطرح كرده است. جدول 8-3، NaI را با چند سنتيلاتورجديد معدني مقايسه مي كند.

 

جدول 8-3: مقايسه مواد معدني سوسوزن

سوسوزن	NaI(Tl)	BGO Bi4Ge3O12	LSO Lu2(SiO4)O	GSO Gd2siO5
بهره نسبي نور	100	20-15	75	25-20
طول موج قله (nm)	410	480	420	440
ثابت واپاشی (ns)	230	300	42و12	60-30
چگالي((g/cm^3	3/67	13/7	40/7	71/6
عدد اتمي موثر	51	75	66	59
ضريب شکست	85/1	15/2	82/1	85/1

 

آشكار سازهاي سوسوزن آلي

آشكارسازهاي سنتيلاسيون آلي نيز بسيار متداول هستند. وقتي كه آشكار ساز بزرگتر با هزينه كم مورد نياز باشد عالي ترين انتخاب هستند. اين سوسوزن براي طيف نهائي تابش الكترو مغناطيسي با انرژي زياد كاربردي ندارند چرا كه عدد اتمي كوچك حساسيت فوتوالكتريك آنها را محدود مي سازد. لذا، پراكندگي كامپتون از تقريباً 60keV تا 10MeV غالب است. علاوه بر آن، از آنجا كه آشكارسازها حاوي تنها هيدروژن و اكسيژن با چگالي 1/032g/cm³ باشند،  يك آشكار ساز ″نزديك معادل بافت″  تشكيل مي دهند. كاربردهاي معمول شامل دستگاههاي بازرسي قابل حمل و نقل ؛ مونيتورهاي قابل حمل و طيف سنج های ذره- بتا مي باشد.

8-3: آشكار سازهاي نيمه هادي پرتو- يونيزان

طرز كار اين آشكارسازهاي پرتو براساس جديدترين فناوري ها استوار است. تاثير اين آشكارسازها بر اندازه گيري پرتو با توجه به خواص يگانه نيمه­ هادي، مخصوصاً قدرت تفكيك انرژي برجسته آنها بسيار زياد بوده است.

 

جدول 8-4: آشكار سازهاي معمولي  نيمه هادي تابش يونساز

ماده	قدرت تفكيك انرژي(FWHM)	كاربرد اصلي	توضيحات
HPGe	2KeV در 1/33MeV 1KeV در 122KeV 0/15KeV در 5/9KeV	انرژي پرتو-X و پرتو گاما، اندازه گيري ها	1- قدرت تفكيك عالي
			2- عدد اتمي متوسط
			3- هزينه بالا با بازدهي پرتو ،  متغير است
			4- هنگام استفاده خنك شدن لازم دارد
			5- حجم كوچك
Si(Li)	0/14KeV در 5/9KeV  از ^55Fe	اندازه گيريهاي انرژی پرتو-   X (KeV پائين) و ذرات باردار  (مخصوصا α)	1- قدت تفكيك عالي
			2- عدد اتمي پائين
			3- هزينه پائين
			4- نياز به خنك شدن ندارد
			5- حجم پائين
			6- پنجره هاي ورودي نازك
تلورايد Cd/Zn/ (CZT)	1/5KeV در 122KeV از ^57CO	براي اندازه گيريهاي انرژي پرتوX- و انرژي كم پرتو	1- قدرت تفكيك خوب
			2- عدد اتمي بالا
			3 پر هزينه
			4- حداقل خنک شدن لازم دارد
			5- تنها در اندازه هاي پائين قابل دسترسي است

آشكارسازهاي جديد نيمه هادي ، پيوسته به بازار عرضه مي شوند. سه نوع از معمولترين اين آشكارسازها در جدول 8-4 توضيح داده شده اند.

 

 آشكارسازهاي نيمه هادي ژرمانيوم

دو نوع اصلي آشكارسازهاي نيمه هادي ژرمانيوم وجود دارند: (1) Ge(Li)، يك بلور ژرمانيوم همراه با رانش فاصله دار يونهاي ليتيوم براي حذف اثر، ناخالصي هاي طبيعي در بلور ژرمانيوم و (2) بلور ژرمانيوم با خلوص زياد HPGe كه اخيراً معرفي شده و در آن غلظت اتم ناخالص كمتر از 10¹⁰cm^-3  است. آشكارسازهاي گرانتر HPGe جايگزين فناوري Ge(Li) قديمي تر شده اند چرا كه مي توانند هنگامي كه مورد استفاده قرار نمي گيرند در دماي اتاق نگهداري شوند در حاليكه بلورهای Ge(Li) لازم است هميشه در دماي نيتروژن مايع نگهداري شوند.

آشكارسازهاي ژرمانيوم علاوه بر مزيت قدرت تفكيك انرژي استثنائي، براي آشكارسازي فوتونها كارآئي زياد دارند. كارآئي آنها براي پرتوهاي X- با انرژي هاي كم عالي بوده و براي پرتوهاي با انرژي گاما از 1KeV تا 10MeV خوب است. كيفيت اين آشكارسازها غالباً با NaI(Tl) و تلوريد روي (CZT)Cd/Zn مقايسه مي گردد. با توجه به عدد اتمي زيادتر و اندازه بزرگتر، آشكار سازهاي NaI(Tl) غالباً داراي كارآئي بيشتري براي پرتو گاما با انرژي زياد نسبت به آشكارسازهاي ژرمانيوم هستند ولي داراي قدرت تفكيك ضعيف انرژي مي باشند.

اطاقكهاي يونش

 اطاقكهاي يونش

اطاقكهاي يونش يا اطاقك يون بطور گسترده اي بعنوان مونيتورهاي تابش مورد استفاده قرار مي گيرند. اين دستگاهها مي توانند براي شمارش يا آشكارسازي ذرات آلفا، ذرات بتا، پرتو گاما، پرتويX و نوترون طراحي شوند. اطاقكهاي اصلي ترين نوع آشكارساز پرتو گازي است. چرا كه بدون تكثير گازي كار مي كند. اين محفظه ها بطور گسترده اي به نام اطاقكهاي جريان هستند چرا كه آنها غالباً با اندازه گيري مستقيم جريان خروجي كار مي كنند. هنگام كار در سطح جريان اشباع (ناحيه II شكل 8-2) اندازه يا مقدار جريان خروجي متناسب با شدت تابش فرودي بوده، و اندازه گيري مستقيم آهنگ پرتوگيري را امكان پذير مي سازد. در يك اطاقك يون با الكترودهاي ورقه هاي موازي و ميدان يكنواخت الكتريكي، پالسهاي جريان از هروزه بطور جداگانه مي تواند ثبت شده، لذا طیف نگاری انرژي تابش فرودي را مجاز مي سازد ليكن يا اما در معمولترين هندسه استوانه­اي ، محفظه هاي يونيزاسيون نمي تواند براي اين منظور بكار رود چرا كه اندازه يا ارتفاع پالس به محلي بستگي دارد كه در آن جفت يون- الكترون در آشكارساز تشكيل مي شوند.

 

اطاقك يونش پرتو- گاما

اطاقك يون پرتو گاما كه در حالت جريان كار ميكند، بسيار پايداربوده و داراي عمر طولاني است. اين اطاقكها مي توانند در اندازه ها و شكلهاي گوناگون ساخته شود. اطاقكهاي يوني بزرگ بعنوان مونيتورهاي محيط براي تابشهاي يونساز بكاررفته و محفظه هاي با فشار بالا حساسيت زيادي از خود نشان داده ، اندازه گيري آهنگهاي دز را تا 1μR/h امكان پذير  مي كند. اطاقكهاي كوچك با فشارهاي كم گاز مي توانند در ميدانهاي تابش آهنگهاي پرتوگيري تا 10⁷R/h كاركنند.

اطاقكهاي يونيزاسيون پر شده از هوا مرتبط با فشار اتمسفر غالباً براي اندازه گيري مفدار پرتوگيري بكار مي روند. پس از تشكيل يك جفت الكترون- يون، الكترونها و يونها از ميان گاز بطرف الكترودها ، جمع آوري آنها شروع به حركت مي كنند. با وجود اين اكسيژن الكترونگاتيو الكترون آزاد را براي توليد يك يون منفي سنگين سريعاً گير اندازي مي كند. با توجه به اين گيراندازي بخش اعظم الكترونهاي آزاد ناپديد شده و جريان محفظه بوسيله حركت يونهاي منفي و مثبت توليد مي گردد. هنگامي كه يك آشكار ساز در مد جريان كار ميكند تا زماني كه اختلاف پتانسيل كافي براي جلوگيري از تركيب مجدد وجود داشته باشد مشكل و مسئله اي نيست. با وجود اين، يك چنين اطاقكي براي كار در حالت- پالس مناسب نيست چرا كه يونهاي مثبت و منفي در مقايسه با سمت الكترون در ميدان الكتريكي يكسان بسيار آرام حركت كرده، و پالسهاي بسيار عريض از نظر زمان و غير قابل تفكيك از هم توليد مي شوند.

 

اطاقکهای یونش حساس به نوترون

با توجه به اينكه نوترونها مستقيماً توليد زوج يون – الكترون نمي كنند، يك اطاقك يوني حساس به نوترون بايد بهمراه بعضي از ايزوتوپهائي باشند كه با سطح مقطع بزرگ نوترون براي يك واكنش هسته اي توليد ذرات باردار كنند كه بنوبه به خود توليد زوج يون- الكترون در گاز محفظه مي نمايند. معمولترين گازهاي مصرف شده ³He  و BF₃ هستند. يا اينكه، ممكن است داخل لوله با يك لايه اي از ماده حساس به نوترون همچون B يا ²³⁵U پوشانده شود، كه در هنگام جذب نوترون ذرات باردار همچون ذرات آلفا يا پاره هاي شكافت در داخل گاز توليد كند اطاقك هائي كه با مواد قابل شكافت پوشانده شده اند به اطاقك شكافت معروف اند. چنين محفظه هائي غالباً در حالت شمارشگر تناسبي كار مي كنند.

محفظه هاي شكافت غالباً در جائي بكار مي رود كه ميدان تابش مخلوط همراه با بخش زيادي از پرتو گاما وجود داشته باشد. از آنجا كه اين آشكارسازها در مد پالس كار مي كنند، پالس بزرگ ولتاژ تشكيل شده بوسيله بار زياد توليد شده بوسيله يونيزاسيون محصولات شكافت باردار و سنگين يا راديواكتيويته حاصل از آنها شناسائي را در مقابل پالس كوچكتر ولتاژ حاصل از پرتو گاما امكان پذير مي سازد. محفظه­هاي شكافت پوشيده از لايه ²³⁵U يا ²³⁹PU آشكار سازهاي نوترون حرارتی كارآيي هستند كه غالباً براي كانالهاي شروع قلب راكتور هسته اي بكار مي روند.

يك اطاقك يوني جبراني يك آشكارساز نوتروني است كه بطور موثر جريان القائي پرتوگاما را تبعيض مي كند. معمولاً محفظه داراي سه الكترود متمركز بوده، يكي با ماده اي حساس به نوترون همچون ²³⁵U، يا تركيبي داراي ¹⁰B پوشش داده شده است. محفظه هاي يوني جبراني بطور گسترده اي در راكتورهاي هسته اي با توجه به توانائي آنها براي پاسخ به ميدانهاي نوتروني كه تا 10¹⁰ برابر متغيير است بكار مي روند، يعني اين آشكار سازها داراي "برد ديناميك" بسيار بزرگي هستند.

مباني راكتورهاي هسته اي

مباني راكتورهاي هسته اي

 

از دوم دسامبر 1942، هنگامي كه اولين راكتور هسته­اي ساخت بشر يك واكنش زنجيره­اي خود نگهدار را توليد نمود، تا کنون چند صد نوع راكتور ساخته شده اند. عليرغم اختلافات ممكن در طراحي، تعدادي ويژگي عمومي وجود دارند كه در كليه راكتورها مشترك است. مركز هر راكتور يك قلب فعال است كه واكنش زنجيره شكافت در آن پايدار مي گردد. قلب فعال داراي(1) سوخت شكافت پذير كه در حین شكافت منبع اصلي تولید نوترونها است، (2) ماده كند كننده در صورتيكه نياز به كند نمودن نوترونها باشد (3) خنك كننده در صورتيكه گرماي توليد شده بوسيله شكافت نياز به خروج  از قلب داشته باشد و (4) ماده ساختماني كه نگهدارنده تماميت فيزيكي قلب است. معمولاً محاط بر قلب فعال یک بازتابنده وجود دارد كه هدف از آن برگشت نوترونهای پراکنده شده به طرف قلب بوده و يا ناحيه پوشش بارور مي باشد كه نوترونهاي نشت يافته از قلب براي توليد ايزوتوپهاي مفيد همچون ⁶⁰Co يا ²³⁹Pu را  گیر می اندازد. قلب راكتور و بازتابنده يا پوشش بارور بنوبه خود جهت به حداقل رساندن پرتوگيری افراد و تجهيزات نزديك راكتور بوسيله يك حفاظ احاطه مي­گردد. در نهايت، كليه راكتورها بايد بطريقي داراي كنترل باشند تا واكنش زنجيره­اي شروع شده تا حد مورد نياز حفظ شده و با امنيت خاموش شود.

تقسيم بندي راكتورها مطابق انرژي نوترونها كه موجب حداکثر شكافتها مي­شوند انجام مي پذيرد. در يک راکتور سريع، نوترونهای شکافت سريع قبل از جذب بوسيله سوخت به منظور توليد نسل جديدی از نوترونهای شکافت به اندازه زيادی کند نمی شوند. بر عکس، در يك راكتور حرارتی تقريباً كليه شكافتها بوسيله نوترونهائي انجام مي شود كه كند شده و با سرعتهاي قابل مقايسه با سرعت اتمهاي موجود در ماده قلب حركت مي كنند، يعني نوترونها در تعادل گرمائي با ماده محيط هستند.

در اين فصل، مباني اصل راكتورهاي هسته اي و واكنش هاي زنجيره اي شكافت مورد بحث قرار مي گيرند. در ابتدا، جمعيت نوتروني حالت پايا در قلب يك راكتور را ملاحظه نموده، و روشهايي براي كمي سازي شرايط لازم براي يك واكنش زنجيره­اي خود نگهدار با جمعيت ثابت نوتروني و رهائي قدرت شكافت را پي جوئي مي كنيم. بويژه، روي راكتورهاي حرارتی تمرکز می کنيم، اگر چه مباني براي راكتورهاي سريع نيز كاملاً يكسان است. در انتهاي اين فصل، ديناميك راكتورها را با افزايش يا كاهش قدرت در پاسخ به تغييرات فيزيكي در راكتور در نتيجه تغييرات اعمال شده خارجي يا از اثرات بازخور مورد بررسي قرار مي دهيم.

 

 کند شدن نوترون

در يك راكتور حرارتی نوترونهای سريع شكافت انرژي جنبشي خود را در ابتدا از طريق پراكندگي الاستيك از هسته­هاي با اعداد جرمي كوچك كند كننده از دست مي دهند. در بحث هاي ابتدائي سينماتيك پراكندگي کشسان نوترون از يك هسته ثابت[1]، ملاحظه نموديم كه انرژي نوترون پراكندگي بينE_max=E وE_min=α E است كه در آن E انرژي نوترون فرودي وα≡ (A-1)²/(A+1)²  است. تعداد پراكندگي ها، بطور ميانگين، مورد نياز براي اين نوتروني با انرژي اوليه E₁ به انرژي پائين تر E₂ برسد از معادله (6-30) داده مي شود. خلاصه اي از اين خواص مهم براي چندين كند كننده در جدول6-1 داده شده است. از مقادير جدول 6-1 مشاهده مي گردد كه هسته هاي پراكندگي با اعداد كوچك A موجب از دست رفتن انرژي ميانگين بزرگتري شده و لذا نوترونهاي سريع را با چند پراكنده كننده بمراتب بهتر از هسته هاي اعداد جرمي بالا كند مي نمايند. علاوه بر آن براي داشتن يك عدد جرمي كوچك، يك كند كننده خوب بايد داراي سطح مقطع بزرگ پراكندگي E_s (براي تأمين پراكندگي) و سطح مقطع كوچك جذبي ∑_α  (براي اجتناب از دست رفتن نوترون قبل از ايجاد شكافت) باشد. و بخش اعظمي از ماده قلب راكتورهاي حرارتی، را كند كننده ای مانند آب سبك يا سنگين، گرافيت يا بريليم تشكيل مي دهد. علاوه بر آن بعنوان يك كند كننده، آب سبك در يك راكتور قدرت مي تواند عامل خنك كننده باشد و بهمين دليل تعجب آور نيست كه راكتورهاي آب سبك (LWR) نوع غالب راکتورهاي قدرت در حال كار در جهان هستند.

 

خواص نوترون حرارتی در سوختها

در راكتورهاي حرارتی تنها ايزوتوپهای شكافت پذير همچون ²³³U، ²³⁵U، ²³⁹Pu مورد استفاده قرار مي گيرند. تا كنون سوختهاي هسته اي بكار رفته غالباً دي اكسيد اورانيوم، با اورانيوم غني شده در ²³⁵U از مقدار طبيعي 720/0% تا چند درصد بوده است. تنها برخی راکتورهای آب – سنگین و کند کننده – گرافیت می تواند از اورانیوم طبیعی استفاده کند. اغلب راکتورها از اورانیوم غنی شده، معمولاً 2 تا 3 درصد، در u²³⁵ استفاده می کنند. نوكليد شكافت پذير ²³⁹Pu در طي عمليات يك راكتور هسته اي قدرت كه سوخت آن حاوي ²³⁸U است (بخش 6-5-3 را ملاحظه كنيد) توليد شده  و در انتهاي عمر سوخت (معمولاً سه سال) تقريباً نصف قدرت بوسيله شكافت ²³⁹Pu حاصل مي گردد. بعضي از راكتورهاي قدرت ²³⁹Pu با اورانيوم غني شده به شكل سوخت "اكسيد مخلوط" مخلوط مي گردد. بعضي از خواص مهم سوختهاي هسته اي در جدول 10-1 داده شده اند. داده ها راهنمائي براي يافته هاي زير هستند.

1- ²³³U داراي بزرگترين مقدار η ، تعداد نوترونهاي شكافت توليد شده بازای جذب یک نوترون حرارتی، بوده و لذا بهترين چشم انداز براي يك راكتور زاينده حرارتی با توليد سوخت شكافت پذير با جذب نوترون از آنچه كه در واكنش زنجيره اي مصرف مي شود، است. در يك راكتور زاينده يك η معادل حداقل 2، مورد نياز است چرا كه يك نوترون براي پايدار نمودن زنجيره واكنش و يك نوترون با جذب در ماده بارور جهت زايش يك اتم سوخت شكافت پذير جديد لازم است. مواد بارور موادي هستند همانند ²³²Th و ²³⁸U كه در هنگام جذب نوترون حرارتی ممكن است توليد مواد شكافت پذير کنند (بخش 6-5-3 را ملاحظه كنيد).

2- اگر چه ايزوتوپهاي پلوتونيوم توليد تقريباً 3 نوترون شكافت بر هر شكافت حرارتی مي كنند. بدليل سطح مقطع هاي بالاي جذب تابشي) (n, gآنها نشان داده شده بوسيله نسبت كم و بيش بالاي (s_g/s_ƒ) منجر به مقادير پائين η مي گردد. با وجود اين براي شكافت هاي حاصل بوسيله نوترونها با انرژيهاي بالاتر از چند صد η،KeV براي هر دو ²³⁹Pu و ²⁴¹Pu بزرگتر از 3 مي­باشد. لذا در راكتورهاي سريع كه در آنها پلوتونيوم به عنوان سوخت مورد استفاده قرار مي گيرد بعنوان راكتورهاي زاينده قابل توجه هستند.

3- ايزوتوپهاي بارور ²³²Thو ²³⁸U داراي سطح مقطع جذب حدود 1 درصد يا كمتر، از آنهائي هستند كه به ايزوتوپهاي شكافت پذير ²³³U و ²³⁹Puتبديل مي شوند.

4- ايزوتوپ بارور ²⁴⁰Pu داراي سطح مقطع بالاي گیراندازی براي توليد ايزوتوپ شكافت پذير ²⁴¹Pu است.

5-  اگر چه در اين جدول نشان داده نشده، سطح مقطع هاي شكافت و جذب براي واكنش هاي نوترونهاي شكافت با انرژي بالا با ايزوتوپهاي شكاف پذير چند صد برابر كمتر از واكنش هاي با نوترونهاي حرارتي است

---

[1] - حركت حرارتی هسته در مقايسه با سرعت نوترونهاي سريع قابل صرف نظر است.

 

چرخه عمر نوترون در يك راكتور حرارتی

در يك راكتور حرارتی، بعضي از نوترونهاي سريع (~2MeV) توليد شده از شكافت، تا انرژيهاي حرارتی (eV025/0~) کند شده، بوسيله سوخت جذب شده و موجب مي گردد تا سوخت شكافته شود، و لذا توليد نسل دومي از نوترونهاي سريع پديد مي­آيد. باقيمانده نوترونهاي سريع كه منجر به شكافت نمي گردد سرنوشتهاي گوناگوني را متحمل مي شوند.

چرخه عمر يك نسل از نوترونها را كه در يك راكتور حرارتی توليد مي شوند ذيلاً در نظر بگيريد. در اينجا n نوترون سريع در قلب توليد مي گردد. اين نوترونها سريع مي توانند موجب چند پديده شكافت سريع شوند (لذا تعداد نوترونهاي نسل دوم بوجود مي آيند)، كه از قلب نشت پيدا كرده، يا مي توانند در هنگام كند شدن به انرژيهاي حرارتی، جذب شوند آن نوترونهائي كه به انرژيهاي حرارتی مي رسند در كل قلب پخش مي شوند بعضي از اين نوترونهاي حرارتی ممكن است بوسيله نشت از قلب يا جذب بوسيله مواد غير سوخت از دست بروند. با وجود اين بسياري از نوترونهاي حرارتی در سوخت جذب مي شوند، ولی تنها کسری از اين جذبها موجب شكافت شده و n نوترون نسل دوم بر شكافت رها   مي گردد. لذا در انتهاي چرخه نسل جديدي از n´ نوترون سريع وجود دارد که مجدداً چرخه را شروع می کنند. آشکارا برای جمعيت نوترون جهت نامگذاری مجدد چرخه ثابت پس از چرخه n´ بايد برابر n گردد ، يعني واكنش زنجيره خود نگهدار خواهد بود.

 

کاربرد برخی رادیوایزوتوپها

کاربرد برخی رادیوایزوتوپها2

H-3

تريتيوم به روش های اقتصادی با واکنش هسته ای  توليد مي شود.  حاصل از این واکنش به صورت تجارتی به شکل گاز تريتيوم و  در دسترس است.  در حین آماده سازی و ذخيره بايد تمهيدات خاصی برای جلوگيری از رسيدن رطوبت هوا به محصول و رقيق شدن با هيدروژن غير اکتيو انديشيده شود.

ماکزیمم اکتيويته ويژه قابل دستيابی از نظر تئوری معادل  و مربوط به تريتيوم بدون  حامل است که معادل می باشد که  آبی است که حاوی هیدروژن به شکل   می باشد.

غلظت در تحقيقات زيست محيطی با واحد (نرخ تريتيوم)  استفاده مي شود.  وقتی به ازای  اتم هيدورژن، 1 تريتيوم وجود داشته باشد، غلظت تريتيوم  است. ) (رديابی تريتيوم با استفاده از روش انجام مي شود

اين روش  شامل برقراری ارتباط ميان ماده ای که تريتيوم داده می شود و گاز پرفشار تريتيوم در يک سيستم بسته است.  تبـادل يونی موجب تغيير ترکيبات نشاندار مي شود.  نشاندار کردن ويژه با فرآيندهای تبادل کاتاليست  با روشهای اصلاح شده مناسب مورد استفاده در تجزيه يا تجزيه بيولوژيکی نيز قابل انجام است.

در مطالعه رديابی تريتيوم بايد به اين نکته توجه شود که اين ايزوتوپ موجب بزرگترین اثر ايزوتوپی شده و اين امکان بايد هنگام تفسير نتايج، مد نظر قرار گيرد.

آشکارسازی پرتوهای بسيار نرم  بسيار مشکل است اما کارهای متداول دقيق مناسب با استفاده از تکنيکهای سوسوزن مايع قابل انجام است.  اکتيويته با استفاده از آماده سازی مناسب نمونه ها و نيز آشکارسازی در محل قابل انجام است.

 ⁶⁷Cu

⁶⁷Cu تنها رادیوایزوتوپ مس است که دارای نیمه عمر متجاوز از چندین ساعت است. ( محصول تقریبا بدون حامل از واکنش  بدست می آيد.  تنها با خنک کردن محصولات، از واکنش رقابتی قابل استخراج است.  اکتیویته قابل حصول محدود بوده و  خالص بسیار گران است.

دارای مزیت نیمه عمر بیشتر نسبت به  است.

 

⁸²Br

این ایزوتوپ دارای نیمه عمر یک روز و نیم است و گامای با شدت بالای قابل توجهی
]   [ ساطع می کند.  لذا در تحقیقاتی که جذب پرتو مورد انتظار است استفاده می شود. آماده سازی متداول، محلول
    است که در واکنش( (n,ɣ با اکتیویته بالا تولید می شود اما برخی کاتالوگها ترکیبات آلی نشاندار شده با ⁸²Br را پیشنهاد می کنند.

 

 

⁸⁵Kr

کریپتون راديو اکتيو بعد از  به طور گسترده ای بعنوان ردياب گازی خنثی مورد استفاده است.  با این وجود بعلت نیمه عمر نسبتاً بلند بهترین گزینه برای مطالعات مکانیک سیالات محسوب نمی شود.  این رادیوایزوتوپ از فرآیند مستقیم (n,ɣ) قابل تولید است.  چشمه های تابش سیلد شده حاوی  بدلیل پرتوی بتا با انرژی   که به سختی فوتون دیگری همراه آن دیده می شود اهمیت زیادی پیدا کرده است .  بطور خاص بعنوان جانشین چشمه پرتودهی استفاده شود،  زيرا اثرات خودجذبی آن قابل چشم پوشی است.  ترکیبات ملکولی نوع " اندرون گیر"  (cluthrate) در دو دهه اخیر مورد استفاده فراوانیقرار گرفته اند. گازهای نجیب می توانند بعنوان ظرفیت در ترکیبات آلی حاوی حلقه های آروماتیک بکار روند.  روش مشهور به krypton مربوط به همین موضوع است. آزاد سازی کریپتون رادیواکتیو که در ترکیبات گوناگون و آلیاژها وجود دارد تابعـی از شرایط تجربـی (به ويژه دما) است و این قانـون در تحقیقات متعدد می تواند مفید باشد (اندازه گیری دما- تست  فرسایش - رادیوآنالیز و...).

 

⁸⁶Rb

 ⁸⁶Rb  بعنوان ردياب در زمینه های گوناگون کاربرد دارد،  زیرا  گاماهای قابل آشکارسازی ساطع می کند و نیز دارای نیمه عمر مطلوبی است .  در بسیاری شرایط از این رادیوایزوتوپ به جای  و  استفاده می شود که علت آن نیز نیمه عمرمناسب آن و خواص شیمیایی مشابه با رادیوایزوتوپهای نام برده است.  همچنین این رادیو ایزوتوپ به صورت ارزان تر با میزان اکتیویته ویژه بالاتر با واکنش(n,ɣ)  قابل تولید است.

 

⁸⁵Sr

در برخی شرایط خاص، بر اساس دلائل شیمیایی یا سایر دیدگاهها، تصمیم مبنی بر استفاده از استروسینوم بعنوان ردیاب مناسب است،  گامای ساطع شده از  با نیمه عمر متوسط به جای  مناسب تر است،  زیرا اکتیویته کمتر آن برای شمارش توسط شمارنده سوسوزن مناسب تر است و خطر پرتو آن نیز بعلت نیمه عمر کوتاهترکمتر است.   بطور کلی با واکنش (n,ɣ) و با استفاده از هدف غنی شده  تولید می شود.

استفاده از هدف غنی شده بـرای کاهـش اکتیویتـه حاصـل از  تشکیل شده در واکنش های رقابتی ضروری است ولی ماده خام گران باعث افزایش هزینـه محصول می شود.

پرتو گامای تک انرژی به راحتی قابل آشکارسازی است و به این ترتیب، زمینه کاربرد این رادیوایزوتوپ با وجود هزینه تولید بالا رو به گسترش است.

 

⁹⁰Sr

این ایزوتوپ دارای نیمه عمر بالای قابل توجهی است و لذا برای استفاده به عنوان چشمه های سیلـد شده مناسب است.  از محصولات شکافت است و جداسازی آن کار نسبتاً ساده ای است و هزینه ایزوتوپ بدون حامل آن نیز نسبتاً کم است.

محصول واپاشی آن⁹⁰Y با نیمه عمر 64 ساعت است لذا در تعیین اکتیویته   ذرات پرانرژی  از محصولات واپاشی اندازه گیری می شوند.

در طراحی چشمه های پرتوزای سیلد شده، توجه خاص باید روی بسته بندی آن صورت گیرد زیرا در دسته بسیار خطرناک  قراردارد.  معمولاً در شیشه یا لعاب با درجه گداخت بالا قرار داده می شود وقتی که ماده ی ذوب شده تا دمای بالاتر از گداخت گرم شد، یونهای استرونسیوم در میان کاتیون های دو ارزشی شیشه وارد می شوند(  را ببینید).

 

⁹⁰Y

استفاده از این ایزوتوپ در چشمه های سیلد شده است که موجب بهره بالای یونیزاسیون می شود.  به همین منظور با وجود آنکه همراه مادر خود،  استفاده می شود که اگر این امر محقق شود نیمه عمرظاهری آن معادل مادر خود است.

انرژی مربوط به ذرات کاربری این ایزوتوپ را در اندازه گیری ضخامت های متوسط ممکن می سازد.

    تنها ذرات ساطع می کند که در میان سایر ساطع کنندگان بتا دارای بیشترین انرژی است (  ) درهنگام جداسازی از  ، ایزوتوپ  می تواند بصورت بدون حامل نیز تهیه شود ولی اکتیویته ویژه محصول واکنش (n,ɣ)  از          100 بیشتر است.

 

⁹⁹TC^m

این ایزوتوپ دارای نیمه عمر 05/6 ساعت است و گامای با انرژی  ساطع می کند.  در روش های تشخیص انسانی کاربرد دارد.

در زمینه مطالعات و تحقیقات ردیابی صنعتی که نیاز به ایزوتوپ گسیلنده گامای نرم با نیمه عمر کوتاه است و تابش های جزئی مطلوب نیستند،   می تواند دارای اهمیت باشد.  بعلت نیمه عمر کوتاه تکنسیوم، این ایزوتوپ در محل کاربرد از مولد ایزوتوپ  بدست می آید.  این روش شامل رقت های انتخابی از ستون کروماتوگرافی شامل با اسید رقیق شده است.

روش کاری بر اساس واکنش (n,ɣ)  و ساطع شدن  با ماده اولیه  است یا بر اساس واکنش هسته ای زیراست:

در اندرکنش اخیر بهره شکافت تجمعی از 6% متجاوز است.

وقتی که   از   با نیمه عمر 67 ساعتی جدا شد، بــه صورت محلول حاوی یون های  بدون حامل پرتکنتات  بدست می آید.  مزیت مولد ایزوتوپ در این است که را می توان به دفعات شسشو داد و در هر بار حالت گذرای تعادل میان مادر و دختر برقرار شود.

 

¹²⁴Sb

وقتی که نیاز بـه نیمــه عمـر متوسط و فوتون های گامای پرانرژی باشد  استفــاده می شود.  نظیر این الزامات در ردیابی جرم های بزرگ ماده برآورده می شود.این ایزوتوپ با واکنش (n,ɣ)  و انتخاب مـدت زمـان پرتودهـی مناسـب حاصـل می شود.

 می تواند داخل ترکیبات آلی نظیر تری فنیل استیبن  ساخته شود.  این مواد شیمیایـی به خصـوص در مطالعات ردیابـی در صنایـع نفـت کاربرد دارد.  بـه دفعات در چشمـه هـایتابش استفاده می شود اگر آشکار سازی در پشت لایه های ضخیم جاذب است صورت گیرد.

این ایزوتوپ از انواع نسبتاًارزان گسیلنده گاما است که انرژی گامای آن بیشتر از مقدار آستانه  است و می تواند بعنوان پر کننده(filling) چشمه های گاما- نوترون بر اساس واکنش ⁹Be (n,ɣ) ⁸Be بکار رود.                                                                 

 

 

¹²⁵I

ید 125 دارای نیمه عمر  روز است و گامای بسیار کم انرژی ساطع می کند که در مقایسه با رادیوایزوتوپ کلاسیک ید  اهمیت آن روز به روز افزایش می یابد.

 به صورت رقیق شده قلیایی یا محلول تیوسولفات عرضه می شود.  علاوه بر مطالعات ردیاب،  بعنوان چشمه های اشعه  قابل حمل و نقل نیز کاربری دارد.

 از هدف زینان با واکنش هسته ای  ((n,ɣ  تولید می شود.  روش های جداسازی بکار رفته باعث تولید بدون حامل با خلوص رادیونوکلئیدی بالای 99% و حداقل آلودگی   می شود.  محلول  دارای خلوص رادیوشیمیایی بالاتر از محصولات  است.  بعلت نیمه عمر بالاتر و حد کمتر رادیولیز، محلول می تواند برای مدت زمان طولانی تری نگهداری شود.

پرتو نرم گاما مربوط به این ایزوتوپ در برخی آزمایشها مزیت و دراغلب موارد عیب محسوب می شود.  عیب آن بدلیل ناتوانی در اندازه گیری دقیق حتی با آشکار سازهای سوسوزن حساس بدلیل تلفات جذب است.

 

¹³¹I

 از مهم ترین رادیوایزوتوپ ها است.  به صورت  و یا هر نوع ترکیب نشاندار آلی وجود دارد.  در مطالعات فیزیولوژیکی (تشخیص تیروئید) ، زمین شناسی و نیز بررسی آبهای سطحی کاربرد گسترده ای دارد.

متیل یدید  نشاندار به راحتی تبخیر می شود و لذا در مطالعات سیالات گازی کاربرد دارد.  هر چند که  در واکنش شکافت با بهره بالا تولید می شود ،  اما تولید آن بر اساس هدف دی اکسید تلوریوم است که در معرض واکنش هسته ای (n,ɣ)  و سپس  قرار می گیرد و با جداسازی از ماده هدف با استفاده از تقطیر بدست می آید.

بدلیل آنکه  بدون حامل بسیار فرار است،  لذا  برای اجتناب از آلودگی  در مقدار کمی بافر محلول قلیایی عرضه می شود.  در محلول مایع،  بصورت آنیونی است و در واکنش های  نامتناسب در ارتباط با فرآیندهای پرتودهی شیمیایی شرکت می کند.

خلوص رادیوشیمیایی محلول برای مدت زمان طولانی قابل تضمین نیست.

 

¹³³Xe^m, ¹³³Xe

از ایزوتوپهای گازهای  نجیب،  مخلوط ایزوتوپهای زینان بیشترین کاربرد را دارد.  تست نشتی تیوپها و نیز تحقیقات جریان گازها از بیشترین کاربرد این رادیوایزوتوپ در صنایع است.  مخلوط این ایزوتوپها از واکنش (n,ɣ) و یا واکنش شکافت قابل حصول است.  دو جزء مخلوط قابل جداسازی نیست،  زیرا دارای نیمه عمر بسیار نزدیک هم هستند.

 

 

¹³⁷CS

از پرمصرف ترین رادیوایزوتوپهای سزیم است که دارای گامای بــا انـرژی متوسط

 است که در پی واپاشی بتای منفی   حاصل می شود.  به علت رابطه  میان نیمه عمرها  سیستم  - سیستم در تعادل عام است.  بعبارت دیگر اکتیویته مادر معادل اکتیویته دختر است و کل اکتیویته بر اساس نیمه عمر ایزوتوپ مادر کاهش می یابد.

 بطور عمده در چشمه های سیلد شده کاربرد دارد و گاهی نیز با اکتیویته بالا در چشمه های تابش بکار می رود. از محصولات شکافت بصورت تقریباً بدون حامل و یا سرانجام با باریوم بعنوا ن حامل تولید می شود.  متداولترین نوع تجاری محلول هیدروکلریک و اسید نیتریک آن است.

 

¹⁴⁷Pm

از آنجایی که پرومیتیـوم  در طبیعـت یافت نمی شود در مطالعات ردیابـی شیمیایی استفــاده نمـی شـود، امـــا مزایایــی را در برخــی زمینـه هـا (نظیـــر رنگ هـای شــب نمـا  ، گیج های ضخامت سنج وحذف کننده های استاتیک و... )که نیاز به ایزوتوپهای گسیلنده  ضعیف با نیمه عمر بالاتر است دربر دارد.

از محصولات شکافت و یا از نئودیمیوم  با واکنش  (n,ɣ ) و سپس جداسازی قابل حصول است.  هر دو روش محصول بدون حامل تولید می کنند.

 

¹⁹²Ir

چشمه های تابش  در زمینه های آزمونهای های غیرمخرب مواد، دارای اهمیت زیادی هستند.  درکنار الزامات کلی سیلد کردن درست، نیاز اصلی با توجه به چشمه این است که اکتیویته ویژه تا آنجا که ممکن است بالا باشد و چشمه ها دارای اکتیویته کل در حد  و ابعاد نقطه ای باشند. برآورده کردن کل الزامات به خصوص بدلیل قابل قیاس بودن سطح مقطع فعالسازی با سطح مقطع جذب ایریدیوم فلزی در  واکنش (n,ɣ) ماده هدف ، مشکل است.  در کنار آن شدت پرتوهای گاما چشمه 20%  از آنچه که برای واپاشی محاسبه شده کمتر است که علت آن چگالی  بالا است که موجب افزایش خودجذبی می شود.

البته وجود راکتورهای با شار نوترونی بالا و نیز انتخاب مناسب ابعاد هدف موجب شده است که بیشتر این مشکلات حل شوند.

 

¹⁹⁸Au

طلای رادیواکتیو علاوه بر درمان در مطالعات ردیاب ها نیز کاربرد گسترده ای دارد و مقاومت شیمیایی آن، در کنار پرتو گامای با انرژی متوسط و نیمه عمر 7/2 روز ، مزیت این ایزوتوپ محسوب می شود.

این موضوع در بررسیهای صورت گرفته روی رسوبهای رودخانه با شنهای دانه ریز نشاندار شده با تحقق یافته است.

   بدلیل سطح مقطع فعالسازی بالا از  واکنش (n,ɣ) با اکتیویته ویژه بالا قابل حصول است.  در حین تولید ،وجود واکنش های موفقیت آمیز (n,ɣ) اجتناب ناپذیر است بنابراین همیشه آلودگی با از 5% تا 15% که دارای نیمه عمر معادل  است وجود دارد ولی بطور کلی مشکلی بوجود نمی آورد.  ایروتوپ بصورت حالت جامد فویل فلزی یا کلوئید فلزی با اندازه  تا  یا بصورت محلول آبی به شکل تتراکلرواورات هیدروژنШ قابل تهیه است.

 

 

¹⁹⁷Hg^m-¹⁹⁷Hg

از آنجایی که جیوه یکی از فلزات مایع است ایزوتوپ آن دارای کاربردهایی در زمینه های خاص است.  متاسفانه از بین ایزوتوپهای مورد استفاده جیوه ،¹⁹⁷Hg دارای نیمه عمر 65 ساعت و اکتیویته ویژه نسبتا" بالایی است که همیشه حاوی ایزومر  با نیمه عمر 24 ساعت اسـتکه  باعث بروز مشکلاتـی در تفسیـر اطلاعات می شود.  درصدی کم از نیز وجـود دارد کـه اکتیویته کـل آن بـا زمان افزایـش می یابد.

این ایزوتوپ بصورت تجاری به شکل فلزی و نیز محلول (آبی) اسیدی در ترکیبات گوناگون قابل دسترس است.

 

²⁰³Hg

آماده سازی و تهیه این ایزوتوپ با ایزوتوپهای شامل  و که در فرآیند(n,ɣ)   تولید می شود متفاوت است، بخصوص اینکه  دارای نیمه عمر بالاتر 9/46 روز است و گامای پرانرژی تر ، خلوص رادیونوکلئیدی بالاتر و اکتیویته ویژه کمتری دارد.  زمینه کاربرد  با خواصی که در بالا گفته شد تعیین می شود.

 

²⁰⁴Tl

این ایزوتوپ بعنوان چشمه تابش بتای با انرژی متوسط و با اکتیویته ویژه نسبتاً کم که با واکنش(n,ɣ)  قابل دستیابی است و دارای خودجذبی زیادی نیز هست، شناخته می شود. این ایزوتوپ به تدریج اهمیت خود را در مقایسه با چشمه های  گسیلنده بتا با انرژی مشابه که دارای پرتو گامای قابل اغماضی هستند از دست می دهند.

تالیوم نفتنات نشاندار شده بـا
 از محلول  ساخته می شود که در صنعت نفت بعنوان ردیاب کاربرد دارد.

 

²¹⁰Po

در کنار عناصر فرا اورانیومی  ²¹⁰Po تقریباً گسیلنده خالص است که بصورت مصنوعی ساخته شده و دارای کاربردهای فراوانی است.  ایزوتوپ مذکور دارای نیمه عمر 128 روز است و بعنوان چشمه تابش  و نیز بعنوان پر کننده چشمه ها ی قابل حمل آلفا-نوترون بر اساس واکنش هسته ا ی
 استفاده می شود.

 اهمیت زیاد آن در میان ایزوتوپ های گسیلنده  تولید آن از تبدیل هسته ای    (n,ɣ) ²¹⁰ Bه  ²⁰⁹ Bi است که محصول بدون حامل تولید می شود.

 

²⁵²Cf

از عناصر فرا اورانیومی ²⁵²Cf در روش های ایزوتوپی دارای اهمیت فراوانی است زیرا دارای واپاشی خودبخودی است که با ساطع شدن نوترون پرتوهای  و مقداری نیز پرتو گاما صورت می گیرد.

این ایزوتوپ دارای نیمه عمر 65/2 سال است که توسط پرتودهی ²³⁹ Pu یا Cm  ²⁴⁴ در راکتور با شار نوترونی بسیار بالا تهیه می شود.

زمینه کاربرد آن مربوط به تولید چشمه های نوترون در مقیاس آزمایشگاهی است ( mg1 از آن  نوترون بر ثانیه گسیل می کند).

کاربرد برخی رادیوایزوتوپها

 کاربرد برخی رادیوایزوتوپها

¹⁴C

کاربرد فراوانی در تحقيقات راديوايزوتوپ دارد.  از آنجا کاربرد عمده آن در رديابی ترکيبات آلی است، لذا به طور عمده در داروسازی و قسمتی نيز در صنايع شيمی آلی که امکان انجام  مکانيزم واکنش ها در فرآيند های  بيولوژيکی برای آشکارسازی وجود دارد مورد استفاده قرار می گیرد.

آماده سازی و تهيه محصولات¹⁴C  بر پايه واکنش هسته ای  است.  در خلال آماده سازی و بويژه انتقال ماده خام، بايد توجهات خاصی برای عدم ورود هوا و دي اکسيد کربن در آن صورت گيرد زيرا حضور ردیابهای با تبادل ايزوتوپی به طور موثری باعث کاهش اکتيويته ويژه محصول مي شود.

حداکثــر اکتيويتــه ويــژه قابل دستیابی بصورت تئوری معادل  است که در صورت لحاظ کردن بازدهی %100 برای تک اتم نشاندار، اکتیویته مولی مربـوط بــه کربــــــن     خواهد بود.  هر چند که اين عدد بصورت عملی قابل دستيابی نيست، با اين وجود اکتيويته ويژه که بعنوان ماده خام در تجزيه آلی استفاده می شود بجای مقدار اندازه گیری شده   در بهترین حالت که برابر  برابر   است.  اندازه گيری پرتوهای بسيار نرم  مربوط به  در گذشته با بازدهی کم صورت مي گرفت تا امروز که شمارنده های سوسوزن مايـع در روشهای اخير اندازه گيری اطلاعات و داده های دقيق تـری را فراهم مي کنند.

 

²²Na

در موارد خاصی بویژه در صنعت سیلیکات و مطالعات طولانی مدت استفاده از
 به دلیل نیمه عمر کوتاهش مفید نیست و از   با نيمه عمر سال استفاده مي شود.  یکی از محصولات سيکلوترون است و کاربردهای فراوانی دارد.

علاوه بر تابش پوزیترونی و واپاشی همراه با گیراندازی الکترون ، فوتونهای گامای  با انرژی متوسط گسیل می کند ثابت دز آن تقریبا مانند  است

 برای توليد آن از واکنش  ²⁴Mg استفاده مي شود.  بعلت نيمه عمر بالا، به پرتودهی بلند مدت نياز دارد و بعلت گران قیمت بودن کار با سيکلو ترون، يک محصول گران قيمت محسوب می شود.

خلوص راديونوکلئيدي آن معمولاً بالا است زيرا نيمه عمر ساير محصولات توليد شده با آن، از کوتاهتراست.  با اين وجود در فرآوری و خالص سازی محصول،  امکان آلوده شدن با ناخالصی های غير اکتيو وجود دارد و وجود مقادیری از نمکها نیز انتظار می رود.

 

²⁴Na

معمولاً در صنايع از بعنوان ردياب استفاده می شود.  علت عمده  استفاده از آن، طول عمر آن  و نيز آشکارسازی مطلوب اين ايزوتوپ و تا اندازه ای نيز ارزان بودن آن است.

در حقيقت  تنها يک ردياب خاص برای نشاندار کردن اتم ها ويونهای سديم نيست بلکه در زمينه های گوناگون مطالعاتی مانند پخش (Diffusion )، مخلوط کردن (mixing)، انتقال جرم (mass transport ) و...  مفيد است.  اين راديوايزوتوپ با اندرکنش²³Na(n,ɣ) ²⁴Na  توليد مي شود که سطح مقطع مناسب جذب نوترون باعث توليدآن بااکتيويته ويژه بالا مي شود.

نيمه عمر کوتاه و پرتوهای گامای پر انرژی از مزايا و معايب هستند.  بعلت واپاشی سريع معمولاً  از اکتيويته های بالا درکارهای عملی استفاده می شود، لذا در کارهای عملی نياز به مراقبت و طراحی حفاظ وجود دارد.

 

³²P

با وجود اينکه فسفر راديواکتيو بيشتر در تحقيقات فرآيندهای بيولوژيکی استفاده می شود، پرتوهای  پر انرژی آن باعث مفید شدن این ايزوتوپ به عنوان ردياب در مطالعات صنعتی و چند زمينه تحقيقاتی شده است.

در برخی کاربردهای صنعتی بصورت فسفر قرمزعنصری که در اندرکنش
 ايجاد می شود مورد استفاده قرار  می گیرد.  با اين وجود،  بيشتـر کاربـران بـه آماده سازی فسفـات بدون حامل  نياز دارند.  فسفـات بدون حامل در واکنش هستـه ای  و با جداسازی،استخراج و تقطير تولید می شود.

محصول اولیه، محلول اسيد هيدروکلريک  است، در صورتی که محلولهای با مقادیر PH متفاوت بستــه بــه مقــدار ثابـت مربـوط بـه اسيـد مخلوط دارای ليگاندهـای گوناگــون خواهـد بود لذا  ليگانـدهای
 به ترتيب در محدوده  و بزرگتر از 13 وجود خواهد داشت.

بدليل واکنش های هسته ای رقابت کننده، تشکيل  غير قابل اجتناب است، با اين وجود حضور اين نوکلئاید که گسیلنده ذرات کم انرژی  است و نیمه عمر طولانی تری دارد ، در اندازه گیری ها ایجاد مزاحمت نمی کند و مشارکت آن در کل اکتيويته بسيار ناچيز است.

 

³⁵S

ايزوتوپ گوگرد ذرات کم انرژی ساطع می کند و در صنایع کشاورزی و داروسازی مورد استفاده است.  توليد آن توسط  واکنش
 است که بازدهی پایینی دارد،  لذا محصول بدون حامـل بـه صورت تجـاری از واکنش  
توليـد می شود.  اکتيويته ويژه بالا در آشکار سازی ذرات  بـا انرژی .0  مطلوب است که در غيــر ايــن صورت مشکلات جــدی بـه علـت خـودجـذبـی پـديــد مـی آيــد. مراکز تولید ایزوتوپ  ،تولید  را در قالــب سـايــر تــرکيبــات نظیر   و ... بر اساس نیاز پیشنهاد می کنند.

 

⁴²K

 تنهـا ايزوتـوپ پتاسيـم کـه معمـولا" استفــاده می شـود  اسـت کـه حاصـل واکنـش  (n,ɣ) می باشد.  هما ن نکاتی که پیشتر برای  بیان شد برای این رادیو ایزوتوپ نیز صادق است و بعنوان ردیاب استفاده می شود. گامای گسیل شده از  دارای شدت بسیار کمتری نسبت به گامای حاصل از  است،  اما پرتوی بتای پرانرژی ای دارد و قسمت عمده این پرتو دارای انرژی معادل  است.

مانند ، بصورت محلول مایع و نمک کلرید عرضه می شود.

 

⁴⁵Ca

این ایزوتوپ کلسیم دارای نیمه عمر 165 روز است که بیشتر  برای تشخیص های انسانـی بـکـار می رود تا استفاده  در صنایع سیلیکات.  این ایزوتوپ با واکنش  (n,ɣ)و اکتیویته ويژه متوسط و بصورت بـدون حامـل  از اندرکنش                                    تولید می شود.   واکنش اخیر بسیـار هزینـه بر است امـا در حالت های خاصی آشکارسـازی بسیار پر بازده ذرات  با انـرژی  بــرای کاهـش تاثیــر خـودجــذبی ضـروری است.  ایزوتـوپ کلسیم در میــان ایـزوتـوپهـای فلـزات قلیایی خاکی نظیر,⁴⁵Ca, ⁸⁵Sr, ⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr ,¹³³Ba,¹⁴⁰Ba  ²⁸Mg نقش ثانویـه ای  بازی می کند و میتواند جایگزین ایزوتوپی شود که به راحتی آشکارسازی می شود. ⁴⁷Ca گسیلنده گاما دارای نیمه عمر 54/4 روز است و به عنــوان ردیـاب نیز مـــورد استفاده قرار می گیرد.

 

⁵¹Cr

کروم رادیواکتیو در مطالعات خوردگی و متالوژیکی مورد استفاده قرار می گیرد اما کاربرد آن در تست های فرسایش (wearing test)  نیز از نکات بارز آن محسوب می شود.  این موارد استفاده برخلاف کاربردهـای تشخیصـی نیـاز بـه اکتیویتـه ویژه بالا ندارد،  لذا محلول های تجاری موجود
   Na₂ ⁵¹ Cro _4,توسط پرتودهـی هـدف های غنی شده
تهیه می شوند که اکتیویته ویژه آنها به 1PBq/Kg می رسد و یا از آن تجاوز می کند.  بهره فوتون های 0.32MeV کم است ولی در کل به خوبی قابل آشکار سازی است.  

برای مصارف صرفاً صنعتی یا چشمه های سیلد (seald) شده ،کروم فلزی مورد استفاده قرار می گیرد که دارای اکتیویته ویژه پایین تری است.

 

⁵⁵F

 از 2 ایزوتوپ آهن، یکی از آنها که از واکنش(n,ɣ)^, حاصل می شود ⁵⁵F است که دارای نیمه عمر بالاتری است ولی بعلت انرژی کم پرتو کمتر به عنوان ردیاب استفـاده می شود و بیشتر بعنوان پرکننده چشمه های سیلد شده ویژه، استفاده می شود.  در چشمه های سیلدشده، آهن با روش الکتروپلتینگ (electroplating) تعبیه می شود.   برای کاهش مقدار خود جذبی لایه ای از کوچکترین ضخامت ممکن برای الکترولیز آماده می شود. پوشش آن نیز طبق نیازهای موجود طراحی می شود.

 

⁵⁹Fe

⁵⁹Fe با نیمه عمر6/45 روز  در صنعت بخصوص صنایع ریخته گری و نیز تحقیقات، برای نشاندار کردن آهن بکار می رود.  این ایزوتوپ با اکتیویته ویژه بالا در واکنش(n,ɣ)^, با استفاده از هدف غنی شده
 و یا بصورت  بدون حامل (carrier free) از واکنش Co (n, p)⁵⁹Fe ⁵⁹  قابل تهیه است.  عیب واکنش (n, p) این است که واکنش های رقابتی آن یعنی (n,ɣ) موجب پیدایش مقدار زیادیCo ⁶⁰ خواهد شد.

جداسازی ⁵⁹Fe و نیزتعیین دقیق میزان آلودگی Co ⁶⁰ در محصول بدلیل شباهت بسیار زیاد طیف گامای دو ایزوتوپ بسیار سخت است .

محصول نهایی که بصورت تجاری قابل عرضه است ⁵⁹Fe Cl₃ است.

محصول بدست آمده از هر دو روش بسیار گران است، لذا در برخی مطالعات از مخلوط ⁵⁹Fe و ⁵⁵Fe استفاده می شود که به مراتب ارزان تر هستند.

 

⁵⁸Co

در مطالعات ویژه ردیاب ها
 جایگزین مناسب  است بویژه هنگامیکه نیمه عمر کوتاهتـر برای نشاندار کردن کبالـت مد نظر باشد.  ایزوتـوپ بدون حامل از واکنش هسته ای  حاصل می شود. هم فوتون گامای  حاصل از نوکلئایــد  و هم پرتو نابودی ناشی از واپاشی پوزیترون با دقت کافی قابل آشکارسازی است.  علاوه بر آن،  نیمه عمر 3/71 روز امکان مطالعات بلند مدت را میسر می سازد. آماده سازی آن بصورت محلول نیترات و یا نمک کلراید     عرضه می شود.

 

⁶⁰Co

از ایزوتوپهای مصنوعی که بـه عنـوان چشمـه های پرتـوزا مـورد استفاده قرار می گیرند می توان را  نـام بـرد که دارای تاریخچه طولانی است و توجه خاصی به آن شده است. چندین چشمه پرتوزای بزرگ (که تجهیزات پرتودهی نامیده می شوند) با   با اکتیویته  تجهیز شده اند.

یکی از مهم ترین مزایای  که بر رادیوم ارجحیت یافته است سهولت ارزیابی نرخ دز و دقت بیشتر است.  علت آن نیز وجود دو انرژی گامای گسسته   کبالت رادیواکتیو است کـه در محاسبات باید لحاظ شود.  مقـدار ثابت دز آن برابر  است که  این مقدار برای رادیوم می باشد.

از واکنش (n,ɣ) تولید می شود.  هدف استفاده شده برای تولید چشمه های کوچکتر از آلیاژی با ترکیب  نیکل و کبالت تشکیل شده است.   بـرای ساخت چشمـه هـای بـا اکتیویته های بالاتر از فلز خالص کبالت استفاده می شود.  برای اکتیو نگهداشتن چشمه در کوچک ترین ابعاد ممکن باید مقدار اکتیویته ویژه در حد  باشد.

 

⁶⁴Cu

رادیو ایزوتوپ مس به طور عمـده در صنایـع الکتروپلتینگ  استفــاده می شود.  یکی از دو رادیو ایزوتوپ مفید مس که دارای نیمه عمر کوتاهتـری است  

است که به مشکل بدون حامل  از واکنشZn (n, p)⁶⁴Cu  ⁶⁴ یا با اکتیویته ویژه بالا از واکنش (n,ɣ) قابل تهیه است.

محصول بدون حامل با اثر زیلارد – چالمرز قابل دستیابی است. با این وجود بهره کم  این روش باعث کم اهمیت بودن روش شده است.  نوکلئاید، علاوه بر گاما و پرتو نابودی و  ساطع می کند که بسته به نوع تحقیقات ،آشکارسازی پرتوی موردنظر صورت می گیرد. آماده سازی ها ( محلول هیدروکلرواسید  یا فلز خالص  ) از خلوص بالایی برخوردارند و تنها شامل مقادیر کم آلودگی
 می باشند .