معرفی XCOM نرم افزار داده های سطح مقاطع فوتونی

  XCOM یک نرم افزار تحت وب است که کوشیده است با استناد به مقالات علمی داده های مربوط به سطح مقطع های مواد مختلف را تولید و چاپ کند.

1) معرفی XCOM

داده های مربوط به پراکندگی و جذب فوتون ها (اشعه ایکس،اشعه گاما و برمزاشترالنگ) برای بسیاری از کاربردهای علمی،مهندسی و پزشکی موردنیاز است. تعداد روش هایی که لازمه آن سطح مقطع فوتون میباشد، بسیار زیاد و روز به روز در حال افزایش است. جداول موجود [1-11] شامل سطح مقطع بسیاری (نه همه) از عناصر میباشد. همچنین برخی از جداول [1،2،6،11] شامل داده هایی برای تعداد محدودی از ترکیبات و مخلوط ها هستند. در عمل برآوردن کلیه الزامات سطح مقطع به اندازه کافی از طریق جداول چاپی امکان پذیر نیست. علاوه بر این ، سطوح مقطع غالباً در انرژی فوتونی غیر از انرژی موجود در جداول مورد نیاز است.

سطح مقطع فوتون برای ترکیبات می تواند به طور دقیق (به جز در انرژی های نزدیک به لبه های جذب) به عنوان مقادیر وزنی سطح مقطع برای اجزای اتمی بدست آید. با این حال ، محاسبات مورد نیاز خسته کننده است ،واقعیت اینکه سطح مقطع فوتوجذب و ضرایب تضعیف کل در لبه های جذب ناپیوسته هستند ، کار بیشتر پیچیده است. وجود این ناپیوستگی ها باعث می شود كه جداول سطح مقطع برای تركیبات شامل انرژی های فوتون درست بالا و پایین تر تمام لبه های جذب برای تمام مواد سازنده اتمی باشد ، و نیاز به درون یابی اضافی دارد.

یک روش جایگزین مناسب جهت ایجاد سطوح مقطع و ضرایب تضعیف برای ترکیبات و مخلوط ها در صورت نیاز میباشد. در این مقاله یک برنامه وب به نام XCOM معرفی شده است که این کار را به سرعت برای هر عنصر ، ترکیب یا مخلوط با انرژی هایی بین 1 کیلوولت و 100 گیگا بایت انجام می دهد.

برنامه XCOM می تواند سطوح مقطع را روی یک شبکه انرژی استاندارد (با فاصله تقریباً لگاریتمی) ، یا در یک شبکه انتخاب شده توسط کاربر ، یا برای ترکیبی از هر دو شبکه ایجاد کند. سطوح مقطع در انرژی درست بالا و پایینتر تمام لبه های جذب به طور خودکار گنجانده می شوند. XCOM دو شکل از خروجی را فراهم می کند: (الف) جداولی که از نظر فرمت با جداول موجود در منابع مطابقت دارند. (ب) نمایش گرافیکی داده های جدولی.

این برنامه سطوح مقطع کلی و ضرایب تضعیف و همچنین سطوح مقطع جزئی برای فرآیندهای زیر را ارائه می دهد: پراکندگی ناهمدوس ، پراکندگی همدوس ، جذب فوتوالکتریک و تولید جفت در میدان هسته اتمی و در میدان الکترونهای اتمی. برای ترکیبات ، مقادیر جدول بندی شده ضرایب برهمکنش جرم جزئی و کلی هستند ، که برابر با حاصل سطوح مقطع مربوطه با تعداد مولکولهای هدف در واحد سطح ماده است. متقابل این ضرایب برهمکنش میانگین مسیرهای آزاد بین پراکندگی ها، بین رویدادهای جذب فوتوالکتریک یا بین رویدادهای تولید جفت است. مجموع ضرایب برهم کنش برای فرایندهای منفرد برابر با ضریب تضعیف کل است. ضرایب تضعیف کل بدون توزیع از پراکندگی همدوس نیز آورده شده است ، زیرا از انها اغلب در محاسبات انتقالات اشعه گاما استفاده می شود.

ضرایب برهم کنش و ضرایب تضعیف کل برای ترکیبات یا مخلوط ها به صورت مجموع مقادیر مربوطه برای ترکیبات اتمی بدست می آیند. فاکتورهای وزن دهی ، یعنی کسرهای وزنی ساختار، توسط XCOM از فرمول شیمیایی وارد شده توسط کاربر محاسبه می شوند. برای مخلوط ها ، با این وجود ، کاربر باید کسرهای وزنی اجزای مختلف را ارائه دهد.

برخی از محدودیت ها باید ذکر شود. سطوح مقطع عناصر موجود در پایگاه داده XCOM مربوط به اتمهای خنثی جدا شده است و اثرات حالت مولکولی و حالت جامد را که سطوح مقطع را اصلاح می کند ، خصوصاً در مجاورت لبه های جذب ، در نظر نمی گیرد. سطوح مقطع نسبتاً کوچک ، مانند مواردی که برای پراکندگی دلبراک ، پراکندگی کامپتون دو فوتونی یا تولید فوتو_مزون وجود دارد. همچنین اثر فوتو هسته ای حذف شده در منطقه تشدید دو قطبی از 5 مگا ولت تا 30 مگا الکترون ولت ، می تواند چند درصد به ضریب تضعیف کل سهیم شود. درنهایت، XCOM ضرایب جذب انرژی را نشان نمی دهد که بیانگر تبدیل انرژی فوتون به انرژی جنبشی الکترون های ثانویه کامپتون- ، فوتوالکترون- و جفت ااکترون است.

2) بانک اطلاعاتی عناصر

یک بانک اطلاعاتی جامع برای همه عناصر در طیف گسترده ای از انرژی از طریق ترکیبی از سطوح مقطع پراکندگی ناهمدوس و همدوس در رفرنسهای{12-13} ساخته شد. جذب فوتوالکتریک از Scofield [14] ، و سطوح مقطع تولید جفت در رفرنس {8}.برای پراکندگی و تولید جفت ، از همان سطوح مقطع مانند سایر جدول بندی های اخیر در رفرنسها استفاده می شود. [6،8،11] ، در حالی که برای جذب فوتوالکتریک اختلاف کمی وجود دارد (حذف یک اصلاح مجدد) که در زیر مورد بحث قرار گرفته است.

سطوح مقطع پراکندگی(کامپتون) ناهمدوس در رفرنس{12}از ترکیب فرمول Klein-Nishina و توابع پراکندگی ناهمدوس Hartree-Fock به دست آمد. اصلاحات تابشی و پراکندگی کامپتون دوگانه نیز گنجانده شد. سطوح مقطع پراکندگی همدوس (رایلی) در رفرنس {13} از ترکیبی از فرمول تامسون و فاکتورهای اتمی نسبیتی Hartree-Fock محاسبه شد. سطوح مقطع فوتوالکتریک توسط اسکوفیلد [14] با محاسبه تغییر فاز برای یک پتانسیل مرکزی و یک مدل اتمی Hartree-Slater بدست آمد. نتایج Scofield فقط تا 1.5 مگا ولت ارائه می شود. در انرژی های بالاتر ، جایی که سطح مقطع فوتوالکتریک کاملاً کوچک است ، یک فرمول نیمه تجربی دررفرنس{2} مقادیر Scofield را در 1.5 مگا الکترون ولت به حد پر انرژی مجانبی که توسط پرات محاسبه می شود متصل می کند [15]. سطوح مقطع برای تولید جفت در رفرنس {8} بر اساس ترکیبات پیچیده فرمولهای نظریه Bethe-Heitler  با مدلهای نظری دیگر برای در نظر گرفتن اثرپوششی، کولنی و اصلاحات تابشی است. برای دستیابی به بهترین توافق ممکن با سطوح مقطع تجربی ، ترکیبات مختلفی در نواحی نزدیک به آستانه ، متوسط ​​و پرانرژی استفاده شد.

برای عناصر با عدد اتمی از 2 تا 54 Scofield ، [14]   فاکتورهای تصحیحی را برای زیرلایه های اتمی اختصاصی ارائه داد ، که با استفاده از آنها می توان سطوح مقطع فوتون موثر را تغییر داد به طوری که آنها تقریباً با مدل نسبیتی Hartree-Fock مطابقت دارند تا مدل  Hartree-Slater  استفاده شده در محاسبه اصلی. این تجدید ساختار برای پوسته اتمی بیرونی قابل توجه است. سطح مقطع کل با انرژی بیش از 1 کیلو ولت بیشتر از 10 درصد کاهش نمی یابد.  Scofield در واقع تجدید ساختار در سطوح مقطع ارائه شده در جداول خود را اعمال نکرد. با این وجود ، در جدول بندی در رفرنس ها از تجدید ساختار استفاده شده است. [6،8،11] بررسی های اخیر [16،17] نشان می دهد که ، در کل ، توافق با آزمایش بهتر است وقتی که عمل بازسازی انجام شود. بنابراین ، ما از نوسازی مجدد در پایگاه داده برای برنامه XCOM صرف نظر کرده ایم.

3. درون یابی و ترکیب

به منظور درون یابی با توجه به انرژی فوتون ، سطوح مقطع پراکندگی همدوس و ناهمدوس و ضرایب تضعیف کل با log-log cubic-spline به عنوان توابع انرژی تقریب می یابند. برای سطوح مقطع تولید جفت ، مقدار مناسب لگاریتم مقدار (1-E / E ′) 3 σPAIR (E) است ،که E انرژی فوتون است ، E ‘ انرژی آستانه برای تولید جفت و σPAIR (E) سطح مقطع است. رابطه ای مجزا برای تولید جفت در میدان هسته اتمی (E ′ = 1.022 MeV)  و در میدان الکترون های اتمی (E ′ = 2.044 MeV)  انجام می شود.

 سطوح مقطع جذب فوتوالکتریک ترکیبی برای همه لایه ها) فقط در انرژی بالاتر از لبه جذب لایهK ( به طور مشابه با log-log cubic-spline متناسب است.  در زیر این انرژی ، درون یابی به لگاریتم سطح مقطع جذب فوتوالکتریک برای هر لایه بصورت جداگانه اعمال می شود ، که به عنوان یک تابع خطی از لگاریتم انرژی فوتون متناسب است. رابطه مجزا برای هر لایه لازم است تا از خطایی که در اثر نفوذ در لبه های جذب ایجاد می شود ، جلوگیری شود. رابطه log-log  خطی برابر است با سطح مقطع فوتوالکتریک  که متناسب با توان انرژی فوتون است و مشخص شد که تناسبات رضایت بخش بیشتری نسبت log-log cubic-spline  در نزدیکی لبه های جذب دارد.

ضرایب برهمکنش و ضرایب تضعیف کل برای ترکیبات به صورت مجموع وزنی بیش از ضرایب مربوطه برای عناصر بدست می آیند. XCOM به طور خودکار فاکتورهای وزنی ، یعنی کسرها را بر حسب وزن مواد سازنده اتمی ، از فرمول شیمیایی ترکیب وارد شده توسط کاربر محاسبه می کند. برای مخلوط ها ، کاربر باید کسرها را از نظر وزن اجزا وارد کند.

4) نحوه اجرای برنامه XCOM

 4.1 بررسی اجمالی

دو روش برای استفاده از بانک اطلاعاتی XCOM وجود دارد. نسخه مبتنی بر متن یک جدول متنی اساسی از داده ها را ارائه می دهد. نسخه دیگر گزینه ها و ویژگی های بیشتری به کاربر می دهد (به عنوان مثال ، جداول بارگذاری پرونده ، نمودارها و نمودارها). بقیه اطلاعات این سند برای هر دو راه خروجی مناسب است.

برای بازیابی داده ها دو فرم وجود دارد. فرم اول، فرم دوم مناسب را تولید می کند. فرم اول مربوط به اطلاعات عمومی (نوع ماده: عنصر ، ترکیب یا مخلوط) ((Z≤100  است. مورد دوم خاص تر است (مقادیر انرژی و گزینه های نمودار). قسمتهای ورودی خاص در زیر شرح داده شده است.

4.2. فرم اول

ماده ای که برای آن سطوح مقطع محاسبه می شود می تواند به عنوان یک عنصر ، ترکیب یا مخلوط معرفی شود. این برنامه مقادیر انرژیهای استاندارد را محاسبه می کند ، اما کاربر ممکن است انرژیهای اضافی را نیز وارد کند. این کار با وارد کردن مقادیر دستی یا با استفاده از بارگذاری فایل انجام می شود (توجه: مرورگر شما باید با آپلود فایل سازگار باشد). این اطلاعات برای تهیه یک فرم خاص با گزینه های شرح داده شده در زیر استفاده می شود.

4.3 عناصر

عناصر ممکن است با اعداد اتمی یا نماد شیمیایی آنها انتخاب شوند. فقط عناصر 1 تا 100 در دسترس هستند.

4.4 ترکیبات

فرمولهای شیمیایی ترکیبات باید با علامت استاندارد شیمیایی همراه با موارد مناسب بالا و پایین وارد شوند. اما ، به دلیل محدودیت های سخت افزاری ، اشتراک ها باید به صورت خط نوشته شوند. به عنوان مثال ، فرمول تنگستات کلسیم باید به عنوان CaWO_4 وارد شود. ممکن است از پرانتز ، اسپیس و نقاط استفاده نشود. به عنوان مثال ، فرمول کلسیم فسفات باید به صورت 〖Ca〗_3 P_2 O_8 وارد شود.

ساختار مولکولهایی که تنها یک نوع اتم دارند می توانند به عنوان عناصر یا ترکیبات تعیین شوند. به عنوان مثال ، ازت مولکولی می تواند به عنوان "عنصر" با نماد N یا به عنوان "ترکیب" با فرمول N2 بیان شود.

4.5 مخلوط ها

مخلوط ها ممکن است از اجزای "عنصری" و / یا "ترکیب" تشکیل شده باشند. این یک امر ساده است زیرا نتایج را تغییر نمی دهد.

کاربر باید نماد شیمیایی یا فرمول (همانطور که در بالا مشخص شد) و همچنین کسروزنی برای هر مؤلفه را مشخص کند. سپس برنامه با استفاده از این داده های ورودی برای محاسبه کسروزنی اجزای اتمی اختصاصی و همچنین جمع این کسرها را محاسبه می کند. اگر در داده های ورودی ، مقدار کسروزنی به واحد اضافه نشود ، داده های ورودی پذیرفته می شوند و برنامه کلیه کسروزنی را بازسازی می کند تا بر واحد افزوده شود.

4.6 عنوان خروجی اختیاری

این عنوان که ممکن است شامل جاهای خالی نهفته باشد ، در بالای صفحه خروجی ظاهر می شود.

4.7 لیست انرژی

کاربران می توانند 1) خروجی را به شبکه انرژی استاندارد محدود کنند ، 2) انرژی مورد نظر خود را به شبکه استاندارد اضافه کنند یا 3) خروجی را به مجموعه انرژی های انتخابی محدود کنند. در حالت 2) ، انرژی های اضافی با توجه به اندازه در شبکه انرژی استاندارد ادغام می شوند. که با رنگ دیگری در جدول خروجی نشان داده می شوند تا از مقادیر استانداردشبکه متمایز شوند. در مورد 3) ، انرژی ها به صورت عددی مرتب می شوند و تکراری ها برداشته می شوند.

انرژی اضافی می تواند توسط کاربر از طریق صفحه کلید یا از یک فایل ورودی قبلاً آماده شده وارد شود. این فایل (هر پوشه مورد نظر در یک فلاپی یا هارد دیسک ذخیره می شود) باید دارای لیستی از انرژی ها باشد ، با مواردی که توسط Return یا Enter جدا شده اند. هشدار: بیش از 75 انرژی برای یک عنصر امکان اضافه شدن ندارد. حتی اگر چندین ماده تشکیل دهنده نیز وجود داشته باشد ، امکان کمی دارد که قابل قبول باشد. در صورت وجود ترکیبات زیاد ، شبکه استاندارد به تنهایی ممکن است انرژی زیادی داشته باشد.

4.8 واحدهای خروجی

برای عناصر ، سه انتخاب به کاربر داده می شود: 1) تمام مقادیر در cm2 / g ؛ 2) تمام مقادیر موجود در barns/atom ، جایی که 1barn= 24-24 سانتی متر مربع است. 3) ضرایب برهم کنش جزئی در barns/atom و ضرایب تضعیف کل در cm2 / g. برای ترکیبات و مخلوط ها ، تمام مقادیر در cm2 / g است.

4.9 نمودار

هر عدد از این هفت ضریب  ممکن است به طور همزمان تهیه شود. اگر گزینه "هیچکدام" علامت گذاری شود ،همه ی گزینه ها لغو میشودو هیچ نموداری نمایش داده نمیشود. توجه: در صورت عدم استفاده از نمودار می توان داده ها را سریعتر نشان داد. بزرگنمایی با تعریف مجدد محدوده انرژی امکان پذیر است. با این حال ، حداقل دامنه انرژی (حداکثر بزرگنمایی) یک مرتبه بزرگ است (به عنوان مثال ، 0.01 تا 0.1). از دکمه های سمت راست می توان برای تغییر اندازه تصویر استفاده کرد ، که ممکن است برای چاپ مفید باشد. مقادیر داده شده برای عرض تصویر در پیکسل ها است.

4.10 جدول خروجی

اعداد اتمی و کسرهای وزنی ساختار اتمی در بالای جدول آورده شده است. شکل اصلی جدول با سرفصل های کافی تهیه می شود تا قابل توصیف باشد. ستون سمت چپ مشخصه های لبه های جذب (K ، L1 ، L2 ، L3 ، M1 ، M2 ، ...) و همچنین اعداد اتمی ساختار اتمی مربوطه را نشان می دهد. داده های مربوط به انرژی  زیر و بالای هر لبه ، در دو خط آورده شده است. لازم به ذکر است که شبکه انرژی استاندارد به طور خودکار بین هر دو لبه جذب پی در پی حداقل یک انرژی دیگر را شامل می شود. برای مواد با عدد اتمی Z ≤ 10 ، هیچ لبه جذبی بالاتر از حداقل انرژی ، 1 کیلو ولت وجود ندارد.

اعلام

این کار توسط انستیتوی ملی استاندارد و برنامه استاندارد مرجع فناوری و از طرف وزارت انرژی ایالات متحده (OHER) پشتیبانی شده است.

منابع

[1] Hubbell, J.H. and Berger, M.J., Sections 4.1 and 4.2 in Jaeger, R.G. (ed.): Engineering Compendium on Radiation Shielding (IAEA, Vienna), Vol. 1, Ch. 4, pp. 167-202, Springer, Berlin (1968).

[2] Hubbell, J.H., Photon Cross Sections, Attenuation Coefficients and Energy Absorption Coefficients from 10 keV to 100 GeV, Natl. Stand. Ref. Data Ser. 29 (1969).

[3] McMaster, W.H., Del Grande, N.K.,Mallett, J.H, and Hubbell, J.H., Compilation of X-ray Cross Sections, Lawrence Livermore Lab., Report UCRL-50174, (1969).

[4] Storm, E. and Israel, H.I., Photon Cross Sections from 1 keV to 100 MeV for Elements Z=1 to Z=100, Nucl. Data Tables A7, 565-681 (1970).

[5] Veigele, W.J., Photon Cross Sections from 0.1 keV to 1 MeV for Elements Z=1 to Z=94, Atomic Data 5, 51-111 (1973).

[6] Hubbell, J.H., Photon Mass Attenuation and Mass Energy-Absorption Coefficients for H,C,N,O,Ar and Seven Mixtures from 0.1 keV to 20 MeV, Radiat. Res. 70, 58-81 (1977).

[7] Leroux, J, and Thinh, T.P., Revised Tables of X-ray Mass Attenuation Coefficients, Corporation Scientifique Classique, Quebec (1977).

[8] Hubbell, J.H., Gimm., H.A., and Overbo, I., Pair, Triplet and Total Atomic Cross Sections (and Mass Attenuation Coefficients) for 1 MeV-100 GeV Photons in Elements Z=1 to 100, J. Phys. Chem. Ref. Data 9, 1023-1147 (1980).

[9] Plechaty, E.F., Cullen, D.E., and Howerton, R.J., Tables and Graphs of Photon-Interaction Cross Sections from 0.1 keV to 100 MeV Derived from the LLL Evaluated-Nuclear-Data Library, Report UCRL-50400, Vol. 6, Rev. 3 (1981).

[10] Henke, B.L., Lee, P., Tanaka, T.J., Shimabukuro, R.L. and Fujikawa, B.K., Low Energy X-ray Interaction Coefficients: Photoabsorption, Scattering and Reflection, Atomic Data and Nuclear Data Tables, 27,1-144 (1982).

[11] Hubbell, J.H., Photon Mass Attenuation and Energy Absorption Coefficients from 1 keV to 20 MeV, Int. J. Appl. RadiatIsotopes, 33, 1269-1290 (1982).

[12] Hubbell, J.H., Veigele, W.J., Briggs, E.A., Brown, R.T., Cromer, D.T., and Howerton, R.J.,Atomic Form Factors, Incoherent Scattering Functions, and Photon Scattering Cross Sections, J. Phys. Chem. Ref. Data 4, 471-538 (1975); erratum in 6, 615-616 (1977).

[13] Hubbell, J.H. and Overbo, Relativistic Atomic Form Factors and Photon Coherent Scattering Cross Sections, J. Phys. Chem. Ref. Data 8, 69-105, (1979).

[14] Scofield, J.H., Theoretical Photoionization Cross Sections from 1 to 1500 keV, Lawrence Livermore National Laboratory Rep. UCRL-51326 (1973).

[15] Pratt, R.H., Atomic Photoelectric Effect at High Energies, Phys. Rev. 117, 1017-1028 (1960).

[16] Saloman, E.B. and Hubbell, J.H., Critical Analysis of Soft X-ray Cross Section Data, Nucl. Instr. Meth. A255, 38-42 (1987).

[17] E.B. Saloman and J.H.Hubbell, X-ray Attenuation Coefficients (Total Cross Sections): Comparison of the Experimental Data Base with Recommended Values of Henke and the Theoretical Values of Scofield for Energies between 0.1-100 keV, National Bureau of Standards Report NBSIR 86-3431 (1986).