Grasp: A program to calculate some gamma shielding parameters = Grasp: Bazı gamma koruma parametrelerini hesaplayan bir program

Abstract

Radyasyon, uzayda veya madde içinde dalgalar ya da parçacıklar şeklinde hareket eden enerjidir. Bir atom veya molekülden bir elektronu uzaklaştırma yeteneğine bağlı olarak radyasyon, iyonlaştırıcı ve iyonlaştırıcı olmayan şeklinde iki temel gruba ayrılabilir. İyonlaştırıcı olmayan radyasyon (radyo dalgaları, görünür ışık ve mikrodalgalar) atomlardan elektron sökmek için yeterli enerjiye sahip değilken, iyonlaştırıcı radyasyon sahiptir. İyonlaştırıcı radyasyonların oluşturdukları iyonlar DNA'ya zarar verme ve dolaylı olarak kansere neden olma potansiyeli taşırlar. Bu tür radyasyonlar da ayrıca yüklü parçacıklar ve nötr radyasyon olmak üzere iki alt gruba ayrılabilir. Yüklü parçacıklar arasında elektronlar, pozitronlar ve ağır yüklü parçacıklar (protonlar, mezonlar, alfa parçacıkları vb.) yer alır. Nötron ve elektromanyetik radyasyon (örneğin gama ışınları) ise nötr (elektrik yükü olmayan) radyasyon grubundadır. Bu tür rasyasyonların madde içine giricilikleri yüklü radyasyonların maddeye nüfuz kabiliyetlerine kıyasla çok daha yüksektir. Iyonlaştırıcı radyasyonun zararlı etkilerinden korunmak veya bu etkiyi kabul edilebilir seviyelere düşürmek için üç ana yöntem mevcuttur; radyasyon kaynağına olan mesafeyi artırmak, radyasyonun bulunduğu ortamda geçirilen zamanı en aza indirmek ve radyasyonun türüne göre uygun zırhlama yapmak. Bu tez çalışmasında iyonlaştırıcı mahiyette elektromanyetik radyasyon olan gama ışınlarına odaklanılmıştır. Gamma ışınları yüksek enerjili (~keV/MeV mertebesinde) olup atom çekirdeğinden kaynaklanır. Diğer iyonlaştırıcı radyasyonlar gibi gama ışınının madde ile nasıl etkileştiğini anlamak, ona karşı korunmak ve genel olarak radyasyon maruziyetini kontrol etmek için önemlidir. Bir malzemenin gama ışınlarına karşı zırhlama kabiliyeti gama zırhlama parametrelerinin (gamma shielding parameters-GSP) incelenmesiyle anlaşılabilir. Bu parametrelerin arasında kütle azaltma katsayısı, ortalama serbest yol ve etkin atom numarası sayılabilir. Günümüzde gama ışınlarına kaşı zırhlama potansiyeli yüksek malzemelerin geliştirilmesi yönünde yoğun çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Birden fazla çeşitte element içeren bileşikler veya birden fazla bileşik içeren karışımlar bu tür malzemeler arasında yer alır. Bu tür malzemeler için gama zırhlama parametrelerinin hesaplanması zaman alabilen, tekrarlanan süreçler olduğu gibi, hesaplayıcının hata yapma ihtimalini de içinde barındırır. Bu nedenle hesaplamaların bir bilgisayardan yararlanılarak yapılması işlem süresini önemli ölçüde kısalttığı gibi hata olasılığını da en aza indirger. Günümüzde yukarıda sözü edilen parametreleri hesaplayabilen çeşitli programlar mevcuttur. Element, bileşik ve karışımlar için 1 keV – 100 GeV gama enerjisi aralığında kısmi ve toplam azaltma katsayılarını hesaplayan bir foton tesir kesiti veri tabanı olan XCOM 1987 yılında geliştirilmiştir. XCOM'un web tabanlı sürümü 2010 yılından beri erişime açıktır. Kullanıcı, varsayılan enerjilerin yanı sıra 1 keV – 100 GeV enerji aralığındaki herhangi bir enerjiyi manuel olarak ekleyebilir. Bu program kısmı ve toplam kütle azaltma katsayılarını detaylı olarak hesaplayabilmekle beraber diğer zırhlama parametrelerine dair hesaplama yapmamaktadır. Auto-Zeff adı verilen bir program önemli gama zırhlama parametrelerinden biri olan etkin atom numaralarını incelemek için geliştirilmiştir. Bu program 10 keV – 1 GeV enerji aralığında foton enerjisinin bir fonksiyonu olarak etkin atom sayılarını hesaplamak için bir enterpolasyon yöntemi kullanmaktadır. Program aynı zamanda tek değerli etkin atom numaralarının hesaplanmasını da sağlar. Phy-X/PSD, bir dizi gama zırhlama parametresinin hesaplanması için geliştirilmiş çevrimiçi bir yazılımdır. Phy-X aynı anda birden fazla numune için hesaplama yapabilir ve kullanıcıya farklı enerji seçenekleri sunar: XCOM tarafından kullanılan standart enerji aralığı (1 keV – 100 GeV), daha dar aralıktaki (15 keV – 15 MeV) "seçilmiş enerjiler" ve birçok karakteristik X-ışını ve radyoaktif izotop enerjileri. Literatürde bulunan diğer benzer programlar arasında ParShield, The Rad Toolbox, BXCOM, ve EXABCal sayılabilir. Günümüzde GEANT4, MCNPX ve FLUKA gibi simülasyon programları da birçok araştırmacı tarafından malzemelerin zırhlama parametrelerini incelemek için kullanılmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında malzemelerin kütle azaltma katsayısı, ortalama serbest yol ve etkin atom numarası gibi bir dizi gama zırhlama parametresini 1 keV – 100 GeV foton enerjisi aralığında hesaplayan yeni bir program geliştirilmiş ve test edilmiştir. Gamma Ray Attenuation Shielding Parameters'ın kısaltması olan GRASP isimli bu program Python programlama dilinde (sürüm 3.9.13) yazılmış olup Windows işletim sisteminde çalışabilmektedir. İncelenmekte olan belirli bir malzeme için program, kullanıcının malzemenin bileşimini, yoğunluğunu ve ilgilenilen enerji aralığını tanımladığı ayrı bir girdi dosyasından gerekli bilgileri okur. Daha sonra XCOM programı kullanılarak oluşturulan veri tabanından malzemeyi oluşturan elementlerin kütle azaltma katsayılarına ulaşır. Bu katsayıları gama zırhlama parametrelerini hesaplamak için gerekli denklemlere yerleştirerek tablo ve grafikler üretir. GRASP kullanılarak elde edilen kütle azaltma katsayılarının XCOM'dan elde edilen değerlerle büyük bir uyuma sahip olduğu gözlemlenmiştir. Program, incelenen bileşik ya da karışımda yer alan elementlerin karakteristik soğurma enerjilerine karşılık gelen ek enerjilerde de kütle azaltma katsayılarını söz konusu XCOM değerleriyle genel uyum içinde tahmin edebilmektedir. Sonuç olarak, bu tez çalışması kapsamında geliştirilen GRASP programı, bazı gama zırhlama parametrelerinin eldesi için diğer mevcut programlara bir alternatif olarak kullanılabilir. Bu tezin hazırlanması aşamasında yalnızca çevrimdışı olarak kullanılabilen program, istenilmesi durumunda diğer araştırmacılarla paylaşılabilir.

A new program was developed and tested to calculate a number of gamma-shielding parameters, such as mass attenuation coefficients, linear attenuation coefficients, half value layers, tenth value layers, mean free paths, and effective atomic numbers, for any element, compound, and mixture, in the gamma energy range of 1 keV – 100 GeV. The program is called GRASP, acronym for Gamma Ray Attenuation Shielding Parameters, it is written with the Python programming language (version 3.9.13) and can function on the Windows operating system. For a given material under study, the program reads the necessary information from a separate input file, where the user defines the composition of the material, the density, and the energy range of interest. Then it looks up cross section values of the elements constituting the material from its database, which is constructed using the XCOM program as a source. The cross-section values of the elements are inserted into built-in equations to calculate the gamma shielding parameters. Tables and graphs are produced and displayed in the output, and options of saving data are given. The results are observed to have great accuracy with theoretical values of mass attenuation coefficients and its derivatives, such as mean free paths and half value layers. Meanwhile for the effective atomic numbers the program is seen to have good accuracy in intermediate energies, a steady overestimation in high energies, and unpredictable uncertainty in the lower energies where absorption edges of elements of high atomic number reside. In comparison to most programs in the literature, GRASP can calculate mass attenuation coefficients at additional energies corresponding to characteristic absorption edges of elements. This gives more definition to its mass attenuation curves. The program is available upon request, it can aid other researchers as a primary or secondary tool to obtain or verify their gamma shielding data.