PROTON HIZLANDIRICILARINDAPH ZIRH KALINLIKLARININ SMLASYON PROGRAMI LE NCELENMES

PROTON HIZLANDIRICILARINDA(PH) ZIRH KALINLIKLARININ SİMÜLASYON PROGRAMI İLE İNCELENMESİ DEMET SARIYER, RAHMİ KÜÇER X. THM YUUP ÇALIŞTAYI 9 -11 ARALIK 2011

Proton Hedef Etkileşmesi Protonlar, yüklü parçacık olduğundan yolları üzerindeki atomlarla Coulomb etkileşmesi yapar. Düşük enerjili protonlar hedef ile çekirdek tepkimesi yapar. Protonların, hedef ile etkileşme olasılıkları enerjileriyle doğru orantılı olarak değişir. Yüksek enerjili protonların hedef ile etkileşmesi sonucu hadronlar(proton, nötron, pion…) oluşur.

Hızlandırıcı Radyasyonu Protonlar, hedef(veya çevre) maddeler ile etkileşerek yüksek enerjili parçacıkların yayınlanmasına, oluşan bu parçacıklar da ikincil etkileşmelere neden olur. Doğrudan veya dolaylı olarak yüksek enerjili protonların hedefle etkileşmesi ile yüksek yoğunluklu ve yüksek enerjili radyasyonlu alanlar oluşur.

Zırhlama Radyasyondan korunmak için radyasyon kaynağı ile belirlenen konum arasına uygun kalınlıkta radyasyon soğurucu madde konularak zırhlama yapılır. Zırhlama, uygulama şekline göre bölgesel(iç) veya tamamen(dış) zırhlama şeklinde olabilir.

İç Zırhlama İç zırhlama, demet çevresine yapılan zırhlamadır. Hızlandırıcılarda bölgesel(iç) zırhlamaya örnek şematik gösterim.

Dış Zırhlama Dış zırhlama ise hızlandırıcının bulunduğu binanın dış yapısı ile çalışma ortamlarına uygulanır.

Radyasyon Zırh Tasarımı Zırh tasarımında amaç; çalışanları radyasyondan korumak, radyasyon zararlarını ve aletlerin radyasyondan etkilenmesini azaltmaktır. Hızlandırıcı binasının planında; tesisin genel kullanım amacı, yapısal planı, aletsel planı, düzenleme kriterleri, kontrollü alan ve yerleşim alan sınırlandırmaları bulunmalıdır. Böylece, hızlandırıcı için gerekli zırhlamanın büyük bir kısmı, yapının kurulum aşamasında yapılır.

Radyasyon Zırh Tasarımı

Maksimum Müsaade Edilen Doz Limitleri Radyasyonlu alanlarda çalışanlar ve halk için farklı maksimum müsaade edilen doz değerleri belirlenmiştir. Bu değerler, kontrolsüz alanlar(halk) için 0. 1 Sv/h, denetimli alanlar için 3 Sv/h, kontrollü alanlar için 10 Sv/h’dır. Normal durumlar için halk veya çalışanların maksimum müsaade edilen bu doz değerlerinden fazla doz almalarına izin verilmez. Anormal durumlarda ise durumun önemine göre doz değerleri, radyasyon güvenlik uzmanlarınca belirlenen anormal durum değerleri uygulanır. Büyük boyutta tehlike için ise <100 m. Sv/h kadar doz hızına izin verilir.

Zırhlama için Gerekli Doz Sınırlarının Yıllara Göre Değişimi

Zırh Kalınlığının Belirlenmesi Hızlandırıcılarda zırh kalınlıkları ile zırh dışındaki doz değerini belirlemek için FLUKA, MONTE CARLO gibi simülasyon programları veya ampirik bağıntılar kullanılır. Kullanılan ampirik bağıntılardan biri protonların enerjilerine bağlı olan Moyer Modelidir.

Moyer Modeli ile yapılan hesaplamalarda; • Kaynak, nokta kaynak alınır. • Genellikle kaynak ile doz değeri belirlenecek yer arası bir doğru olarak belirlenir. • Zırh maddesi ve yoğunluğu sabit tutulur. • Farklı proton enerjileri için işlem yapılabilir.

Moyer Modeline göre Zırh Dışındaki Doz Değeri

FLUKA, parçacık transportu ve parçacıkların madde ile etkileşmelerini hesaplamak için geliştirilmiş, Fortran programlama dilinde yazılmış ve Linux işletim sisteminde kullanılabilen, çok amaçlı bir programdır.

FLUKA • Proton ve elektron hızlandırıcılarının zırhlanması, • Hedef tasarımı, • Kalorimetre, • Aktivasyon, • Dozimetri, • Dedektör tasarımı, • Hızlandırıcı sürücü sistemleri, • Kozmik ışınlar, • Nötron fiziği, • Radyoterapi gibi pek çok uygulama alanlarına sahiptir.

FLUKA Bu program; • Kaynak-konum arasındaki gerekli zırh kalınlıkları, • Hızlandırıcının herhangi bir konumunda oluşan radyasyon dozları, • Demet-hedef etkileşmesi ile oluşan radyasyonlar ve bunların enerjileri, • Demet enerji kaybı hesaplamaları gibi işlemlerde kullanılmaktadır.

Proton Demeti İçin İç Zırh Uygulaması • Proton demetinden kaçan parçacıklar için demet çevresinde silindir şeklinde iç zırh tasarlandı. • İç zırh, demet hattının bulunduğu merkezden dışarıya doğru; Bakır (1 cm), Demir (2 cm), Standart Beton (4 cm) ve zırh dışı hava olarak düşünüldü. • Protonların enerjisi: 1 Ge. V • Proton demet akımı: 4. 25 E 10 • Hesaplamada parçacık sayısı: 1 E 7 x 5

İç Zırhın Yapısı Beton (4 cm) Demir (2 cm) Bakır (1 cm) Proton Demeti

Fotonlar Tarafından Depolanan Enerji Ge. V/cm 3/proton Önden dik kesit Yandan dik kesit

Müonlar Tarafından Depolanan Enerji Ge. V/cm 3/proton Önden dik kesit Yandan dik kesit

Nötronlar Tarafından Depolanan Enerji Ge. V/cm 3/proton Önden dik kesit Yandan dik kesit

DIŞ ZIRH UYGULAMALARI Proton enerjileri 100 -1000 -3000 Me. V olan bir hızlandırıcı için Moyer modeli ile belirlenen standart beton dış zırh kalınlık değerlerinin uygunluğu Fluka ile incelendi.

Moyer Modeli ile hesaplanmış standart beton minimum duvar kalınlıkları

Dış Zırh Uygulaması-1 Proton Enerjisi Zırh Maddesi Merkeze en yakın zırh uzaklığı Tasarlanan oda şekli : 100 Me. V : Standart Beton : 6 m : Kare Kontrolsüz, denetimli ve kontrollü alanlar için belirlenen standart beton zırh kalınlıkları Fluka ile incelendi.

Kontrolsüz, denetimli ve kontrollü alanlar için belirlenen standart beton zırh kalınlıklarının şematik gösterimi

Sv/h Beton zırh

Sv/h 2 cm demir + beton

Sv/h 2 cm kurşun + beton

Dış Zırh Uygulaması-2 Farklı enerjilerde(100, 1000, 3000 Me. V) protonların dış zırh standart beton kalınlıklarının Fluka ile incelenmesi

Geometri Zırh geometrik yapısının dik kesit görünüşü. Zırh geometrik yapısının üstten kesit görünüşü. Zırh geometrik yapısının yandan kesit görünüşü.

Geometride kaynak beton arasındaki hava ortamı için uzaklık, enerjiye bağlı olarak farklılık gösterir. Hesaplamalarda; 100 Me. V için r= 600 cm 1 Ge. V için r=1000 cm 3 Ge. V için r=1000 cm alındı.

Farklı enerjilerde(100, 1000, 3000 Me. V) protonların beton zırh doz dağılımları

100 Me. V için Doz Dağılımı Doz hızı Kalınlık(cm)

1 Ge. V için Doz Dağılımı Doz hızı Kalınlık(cm)

3 Ge. V için Doz Dağılımı Kalınlık(cm) Doz hızı Kalınlık(cm)

Sonuçlar Uygun iç zırhın, çevredeki alet ve sistemler için ne kadar önemli olduğu doz dağılımlarından görüldü. Ayrıca, proton hızlandırıcılarında zırhlama için en önemli radyasyonun, nötronlar olduğu da görüldü. Oda tasarımı için kontrolsüz, denetimli ve kontrollü alanlarda yalnız standart beton ile ek olarak demir ve kurşun kullanıldığında doz dağılımları incelendi. Özellikle, giriş koridorunda saçılmalar nedeniyle oluşan doz dağılımı bazı uygulamalar için önemlidir. Farklı enerjilerdeki protonlar için farklı konumlarda belirlenen minimum standart beton zırh kalınlıklarının uygunluğu simülasyon programı ile incelendiğinde zırh kalınlığının uygunluğu görüldü.

Kaynaklar • • • Agosteo, S. , Silari, M. , (2001), “Preliminary Shielding Calculations for a 2 Ge. V Superconducting Proton Linac”, European Organisation for Nuclear Research European Laboratory Particle Physics, TECHNİCAL MEMORANDUM TIS-RP/TM/2001 -028, CERN NUFACT Note 088 Ferrari A. , et al. , “FLUKA: A Multi-Particle Trnsport Code”, SLAC-R-773, October 2005. Folkert M. R. , (1998), “Monte carlo simulation of neutron shielding for proton therapy facilities”, June 1998. Küçer R. ; Türemen, G. ; Karaman, E. ; Sarıyer, D. ; Küçer, N. “Yüksek Enerjili Protonların iç Zırh Maddeleriyle Etkileşmesinin Simülasyon Programı ile İncelenmesi. ” 28 th International Physics Congress, 6 -9 September , Bodrum-Turkey(2011) Küçer, R. ; Türemen G. ; Küçer, N. " Proton Hızlandırıcılarında Radyasyon Güvenliği. " XIII. Ulusal Medikal Fizik Kongresi 17 -19 Kasım, p. 96 Çeşme-İzmir (2011). Moritz L. , (2001), “Radiation Protection at Low-Energy Proton Accelerator”, Radiation Protection Dosimetry Vol. 96, No 4, pp. 297 -309 (2001), Nuclear Technology Publishing. Moritz L. , “Radiation Protection at Low-Energy Proton Accelerator”, TRIUMF Erice, October 2 -9, 2001. Sarıyer, D. ; Küçer R. “Zırh Kalınlıklarının Moyer Modeli ve Fluka Simülasyon Programı ile İncelenmesi. ” 28 th International Physics Congress, 6 -9 September , Bodrum-Turkey(2011) Türemen, G. ; Küçer, R. “Fluka Simülasyon Programı ve Proton Hızlandırıcıları için Uygulama Alanları” 28 th International Physics Congress, 6 -9 September , Bodrum-Turkey(2011)