معرفی کمیت سما (CEMA) یا انرژی تبدیلی در واحد جرم هوا
CEMA یا CE-MA مخفف Converted Energy per unit Mass in Air است که در فارسی به "انرژی تبدیلی در واحد جرم هوا" ترجمه میشود. این یک کمیت مهم در دوزیمتری نوترونی است.
فهرست مطالب
- ۱. تعریف و مفهوم پایه
- ۳. چرا CEMA برای نوترونها مهم است؟
- ۴. محاسبه CEMA
- ۵. کاربردهای عملی CEMA
- ۵.۱ کالیبراسیون دوزیمترهای نوترونی
- ۵.۲ طراحی حفاظهای نوترونی
- ۵.۳ درمان BNCT (Boron Neutron Capture Therapy)
- ۶. تبدیل CEMA به دوز جذبی در بافت
- ۸. دوزیمترهای عملی برای اندازهگیری CEMA
- ۹. استانداردهای بینالمللی
- ۱۰. مثال عددی
- ۱۱. جمعبندی
۱. تعریف و مفهوم پایه
CEMA انرژیای است که نوترونها در واحد جرم هوا به ذرات ثانویه باردار (عمدتاً پروتونها، ذرات آلفا، و یونهای سنگینتر) منتقل میکنند. این کمیت مستقیماً با دوز جذبی در بافت مرتبط است.
رابطه ریاضی:
که در آن:
: انرژی کل منتقلشده به ذرات باردار در هوا
: جرم هوا
۲. تفاوت CEMA با کرما (Kerma)
|
ویژگی |
کرما (برای فوتون) |
CEMA (برای نوترون) |
|
پرتو اولیه |
فوتون |
نوترون |
|
ذرات ثانویه |
الکترونها |
پروتون، آلفا، هستههای واکنشپذیر |
|
مکانیسم اصلی |
اثر فوتوالکتریک، کامپتون، تولید زوج |
پراکندگی الاستیک، واکنشهای (n,p)، (n,α) |
|
وابستگی به ماده |
متوسط |
بسیار وابسته به ترکیب هستهای |
۳. چرا CEMA برای نوترونها مهم است؟
نوترونها ذرات بیبار هستند و مستقیماً یونسازی نمیکنند. آنها از طریق برهمکنش با هسته ها، ذرات باردار ثانویه تولید میکنند که این ذرات هستند که باعث یونسازی میشوند. CEMA این انتقال انرژی را کمّی میکند.
مکانیسمهای اصلی تولید ذرات باردار توسط نوترون:
- پراکندگی الاستیک: با پروتونهای هیدروژن (بافت، پلیاتیلن)
- واکنشهای هستهای:
در هوا و بافت
در درمان BNCT- واکنشهای (n,α) با اکسیژن، کربن
۴. محاسبه CEMA
برای طیف نوترونی 
:
که:
- : شار انرژی نوترونی تفکیکشده
: ضریب انتقال انرژی جرمی برای نوترون در هوا
ضریب انتقال انرژی جرمی برای نوترون:
: کسر جرمی عنصر i در هوا
: سطح مقطع انتقال انرژی
: انرژی متوسط منتقلشده در هر برهمکنش
۵. کاربردهای عملی CEMA
۵.۱ کالیبراسیون دوزیمترهای نوترونی
دوزیمترهای نوترونی معمولاً در واحد CEMA کالیبره میشوند، زیرا:
- اندازهگیری مستقیم دوز در بافت مشکل است
- هوا محیط استاندارد قابل دسترس است
- از CEMA میتوان به دوز در بافت تبدیل کرد
۵.۲ طراحی حفاظهای نوترونی
CEMA برای محاسبه کاهش میدان نوترونی در مواد مختلف استفاده میشود.
۵.۳ درمان BNCT (Boron Neutron Capture Therapy)
در BNCT، CEMA برای محاسبه دوز حاصل از نوترونهای حرارتی و واکنش بور استفاده میشود.
۶. تبدیل CEMA به دوز جذبی در بافت
برای تبدیل CEMA به دوز در بافت (مثلاً بافت نرم):
که 
ضریب تصحیح برای تفاوتهای ترکیب شیمیایی و طیف انرژی است.
۷. چالشهای اندازهگیری CEMA
۷.۱ وابستگی شدید به انرژی
سطح مقطع برهمکنش نوترون با هوا به شدت وابسته به انرژی است:
|
محدوده انرژی نوترون |
مکانیسم غالب در هوا |
|
حرارتی (< 0.5 eV) |
|
|
اپیحرارتی (0.5 eV - 10 keV) |
پراکندگی با نیتروژن و اکسیژن |
|
سریع (10 keV - 20 MeV) |
پراکندگی الاستیک با نیتروژن و اکسیژن |
|
بسیار سریع (> 20 MeV) |
واکنشهای شکافت، اسپالیشن |
۷.۲ نیاز به طیفسنجی دقیق
بدون دانستن طیف انرژی نوترون، تبدیل CEMA به دوز با عدم قطعیت زیاد همراه است.
۸. دوزیمترهای عملی برای اندازهگیری CEMA
۸.۱ اتاقکهای یونیزاسیون پر شده با هوا
- برای نوترونهای سریع
- نیاز به تصحیح برای پاسخ گاما
۸.۲ دوزیمترهای TE (Tissue Equivalent)
- پر شده با گاز معادل بافت
- اندازهگیری مستقیمتر
۸.۳ سیستمهای Bonner Sphere
- برای طیفسنجی و اندازهگیری CEMA در میدانهای نوترونی مختلط
۸.۴ دوزیمترهای تبلیغی (Activation Foils)
- اندازهگیری غیرمستقیم از طریق فعالیتهای القاشده
۹. استانداردهای بینالمللی
- ISO 8529: استانداردهای میدانهای نوترونی مرجع
- ICRU Report 66: دوزیمتری نوترونی
- IAEA Technical Reports Series No. 403: کالیبراسیون دوزیمترهای نوترونی
۱۰. مثال عددی
محاسبه CEMA برای نوترونهای ۱ MeV:
- شار نوترونی:
- ضریب انتقال انرژی جرمی در هوا برای ۱ MeV:
۱۱. جمعبندی
CEMA:
۱. کمیت بنیادی در دوزیمتری نوترونی
۲. پل ارتباطی بین شار نوترونی و دوز جذبی
۳. مبنای کالیبراسیون دوزیمترهای نوترونی
۴. وابسته به طیف انرژی و نیازمند طیفسنجی دقیق
۵. تبدیلپذیر به دوز بافت با ضرایب مناسب
این کمیت نقشی مشابه کرما در دوزیمتری فوتونی را برای نوترونها ایفا میکند، اما با پیچیدگی بیشتر به دلیل تنوع مکانیسمهای برهمکنش هستهای.
