جعبه‌ابزار پرتوها
استفاده از تکنیک‌های هسته‌ای در فرایندهای پزشکی و صنعتی
فناوری پرتویی شامل استفاده از پرتوهای یون‌ساز و غیر یون‌ساز برای ایجاد تغییرات مفید در مواد و فرایندها است. این فناوری با استفاده از انرژی ساطع‌شده از مواد رادیواکتیو یا غیر رادیواکتیو، نقش مهمی در زمینه‌های مختلف ایفا می‌کند.
س. م. سادات‌کیایی*
فناوری پرتویی شامل استفاده از پرتوهای یون‌ساز و غیر یون‌ساز برای ایجاد تغییرات مفید در مواد و فرایندها است. این فناوری با استفاده از انرژی ساطع‌شده از مواد رادیواکتیو یا غیر رادیواکتیو، نقش مهمی در زمینه‌های مختلف ایفا می‌کند. پرتوهای یون‌ساز شامل پرتوهای گاما و اشعه ایکس هستند که انرژی کافی برای تغییر ساختار اتم‌ها را دارند. پرتوهای غیر یون‌ساز مانند امواج مایکروویو، اتم‌ها را یونیزه نمی‌کنند، اما همچنان می‌توان آنها را برای طیف وسیعی از کاربردها استفاده کرد.
دستگاه تولیدکننده پرتو گاما
دستگاه‌های تولیدکننده گاما برای کاربرد در استریل‌کردن، درمان پزشکی و آزمایش مواد ضروری هستند. تولید این دستگاه‌ها شامل ادغام اجزای با دقت بالا است که برای کنترل و هدایت پرتوهای گاما به طور ایمن و مؤثر طراحی شده‌اند. هسته اصلی دستگاه‌های پرتو گاما یک منبع رادیواکتیو، معمولا کبالت-60 است. این ماده در رآکتورهای هسته‌ای تولید می‌شود که در آن کبالت-59 با نوترون بمباران می‌شود تا کبالت-60 تولید شود و نهایتا از آن پرتوهای گاما ساطع می‌شوند. چشمه رادیواکتیو سپس در یک محفظه فلزی دو‌جداره مقاوم در برابر خوردگی، که اغلب از فولاد ضد زنگ یا تیتانیوم ساخته شده است، محصور می‌شود. این امر مهار ایمن مواد رادیواکتیو را تضمین می‌کند و از نشت آن جلوگیری می‌کند. منبع محصور‌شده در یک محفظه با محافظ قوی ساخته‌شده از موادی مانند سرب یا تنگستن قرار می‌گیرد. این محافظ از قرار‌گرفتن غیر‌ضروری در معرض اشعه گاما جلوگیری می‌کند و ایمنی اپراتورها و محیط را تضمین می‌کند.
دستگاه تولیدکننده اشعه ایکس
دستگاه‌های اشعه ایکس به طور گسترده در تشخیص پزشکی، غربالگری امنیتی و بازرسی صنعتی استفاده می‌شود. تولید اشعه ایکس شامل ایجاد سیستم‌های پیچیده‌ای است که قادر به تولید و هدایت پرتوهای ایکس با دقت هستند. قلب دستگاه اشعه ایکس لوله اشعه ایکس است که در آن الکترون‌ها شتاب گرفته و با یک هدف فلزی (معمولا تنگستن) برخورد کرده و اشعه ایکس تولید می‌کنند. ساخت این لوله برای جلوگیری از پراکندگی الکترون و اطمینان از خلوص پرتو اشعه ایکس به محیط‌های با خلأ بالا نیاز دارد. لوله حاوی یک آند و کاتد است که از مواد با خلوص بالا ساخته شده است. کاتد هنگام گرم‌شدن، الکترون ساطع می‌کند که سپس با ولتاژ اعمال‌شده به سمت آند شتاب می‌گیرد. طراحی و تراز این اجزا برای تولید کارآمد اشعه ایکس حیاتی است.
دستگاه تولیدکننده پرتو الکترونی
دستگاه‌های پرتو الکترونی در کاربردهایی مانند جوشکاری، عملیات سطحی و ساخت مواد افزودنی استفاده می‌شوند. تولید این دستگاه‌ها نیازمند مهندسی دقیق برای تولید و کنترل پرتوهای الکترونی پرانرژی است. تولید با ایجاد منبع الکترونی آغاز می‌شود، معمولا یک رشته تنگستن (کاتد) هنگام گرم‌شدن، الکترون ساطع می‌کند. طراحی منبع الکترونی برای دستیابی به یک پرتو الکترونی متمرکز و پایدار حیاتی است. پرتوهای الکترونی باید در خلأ حرکت کنند تا به وسیله مولکول‌های هوا پراکنده نشوند. یک محفظه با خلأ بالا با استفاده از موادی مانند فولاد ضد زنگ ساخته می‌شود که فشار خلأ معمولا در محدوده تور حفظ می‌شود. تفنگ الکترونی که شامل کاتد، آند و عناصر کانونی‌کننده است، در داخل محفظه خلأ مونتاژ شده.
دستگاه تولیدکننده پرتوهای مایکروویو
ژنراتورهای مایکروویو در طیف گسترده‌ای از کاربردها ازجمله پردازش صنعتی، درمان‌های پزشکی و سیستم‌های ارتباطی استفاده می‌شوند. تولید این ماشین‌ها مستلزم ایجاد سیستم‌های قابل اعتماد و کارآمد برای تولید و کنترل پرتوهای مایکروویو است. تولید ژنراتورهای مایکروویو با استفاده از مگنترون، جزء اصلی که امواج مایکروویو را تولید می‌کند، شروع می‌شود. مگنترون از یک بلوک آند مسی و یک کاتد مرکزی ساخته شده است که برای انتشار الکترون در هنگام اعمال میدان مغناطیسی طراحی شده است. مگنترون شامل کاواک تشدید است که فرکانس امواج مایکروویو تولیدشده را تعیین می‌کند. این کاواک‌ها دقیقا ماشین‌کاری شده‌اند تا از خروجی مایکروویو ثابت در فرکانس مدنظر اطمینان حاصل شود. امواج مایکروویو تولیدشده به وسیله مگنترون از طریق موج‌برها هدایت می‌شوند که به دقت مهندسی شده‌اند تا تلفات را به حداقل برسانند و از انتقال کارآمد انرژی اطمینان حاصل کنند. موج‌برها معمولا از مس یا آلومینیوم ساخته می‌شوند و دارای پوشش داخلی برای افزایش رسانایی هستند.
دستگاه تولیدکننده پرتو پروتون
دستگاه‌های پرتو پروتون در خط مقدم درمان سرطان پیشرفته هستند و به تولید و کنترل دقیق پرتوهای پروتون نیاز دارند. فرایند ساخت این دستگاه‌ها بسیار تخصصی است و عناصر فیزیک ذرات و مهندسی را ترکیب می‌کند. اولین گام در تولید دستگاه پرتو پروتون، ساختن شتاب‌دهنده ذرات است که معمولا یک سیکلوترون یا سینکروترون است که پروتون‌ها را به انرژی‌های بالا شتاب می‌دهد. این شتاب‌دهنده‌ها از آهن‌رباهای ابررسانا و کاواک‌های فرکانس رادیویی ساخته شده‌اند که پروتون‌ها را هدایت و شتاب می‌دهند. منبع پروتون با یونیزه‌کردن اتم‌های هیدروژن ایجاد و پروتون‌ها را جدا می‌کند و سپس به شتاب‌دهنده تزریق می‌شود. این منبع برای تولید یک جریان ثابت و پایدار از پروتون‌ها برای شتاب طراحی شده است. پس از شتاب، پرتو پروتون از طریق یک خط پرتو هدایت می‌شود؛ مجموعه‌ای از میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی که پرتو را متمرکز و هدایت می‌کند. خط پرتو به دقت تراز و کالیبره شده است تا اطمینان حاصل شود که پروتون‌ها به طور دقیق به منطقه درمان تحویل داده می‌شوند. به دلیل انرژی بالای پرتوهای پروتون، محافظ تابشی گسترده در سراسر دستگاه، به‌ویژه در اطراف شتاب‌دهنده و خط پرتو مورد نیاز است. محافظ معمولا از بتون، سرب یا دیگر مواد متراکم برای محافظت از اپراتورها و بیماران ساخته می‌شود. مرحله نهایی شامل کالیبراسیون گسترده پرتو پروتون است تا اطمینان حاصل شود که انرژی و تمرکز مورد نیاز دقیق برای درمان مؤثر را برآورده می‌کند. آزمایش‌های اعتبارسنجی با استفاده از فانتوم‌ها و دیگر اشیای آزمایشی برای شبیه‌سازی شرایط درمان و تأیید صحت انجام می‌شوند.
* عضو هیئت علمی سابق و عضو پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای