دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

دانشکده فیزیک

پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد فیزیک-هسته‌ای کاربردی

 طراحی چشمه پروتون جهت درمان تومورهای چشمی و محاسبات دوزیمتری با استفاده از کد MCNP

استاد راهنما:

دکتر سید فرهاد مسعودی

بهمن 1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

در این پایان‌نامه، شبیه‌سازی درمان ملانومای چشم با استفاده از پرتو پروتون، به‌عنوان یک روش درمانی مطلوب بررسی شده است؛ به‌همین منظور ابتدا با استفاده از پرتوهای تک انرژی پروتون، محدودۀ انرژی مورد نیاز جهت درمان یک تومور چشمی محاسبه شده و با توجه به نتایج محاسبات دوزیمتری، به نحوۀ ساختن SOBP به روش ماتریسی پرداخته شده است؛  سپس شبیه‌سازی و تحلیل یک نازل پروتونی، جهت آماده‌سازی پرتو اولیه با انرژی بالا و انجام محاسبات دوزیمتری و ایجاد SOBP به‌منظور تولید دوز یکنواخت در منطقۀ تومور، در دو جهت عمقی و عرضی انجام گرفته است. برای داشتن شرایط بهینه در درمان در روش سوم، با استفاده از انتقال‌دهندۀ برد و با پرتوهایی با انرژی اولیۀ پایین، به شبیه‌سازی پیش از درمان پرداخته شده است. همچنین اثر تعریف محیط واقعی بافت چشم بر روی محاسبات دوزیمتری و نحوۀ طراحی خط پرتو مطالعه شده است. طبق نتایج به دست آمده، اختلاف بیشینه دوز در بافت واقعی نسبت به تعریف آب به‌عنوان مادۀ معادل چشم در روش اسکن پرتو به‌عنوان یک روش ایده‌آل از حدود 15% تا 31% و در روش انتقال‌دهندۀ برد از 12% تا 15% می‌باشد. انتقال پیک براگ در عمق نیز در آب نسبت به بافت واقعی تنها حدود mm2/0 می‌باشد که در قیاس با عدم‌قطعیت موجود در سیستم پروتون‌تراپی قابل چشم‌پوشی است. به‌علاوه اختلاف ضرایب وزنی بهینه‌کنندۀ پیک‌های براگ در بافت واقعی نسبت به آب، در روش اسکن پرتو از حدود 1% تا 18% و در روش انتقال‌دهندۀ برد تا حدود 7% می‌باشد. میزان اختلاف‌ها در نتایج، با تغییر روش تحویل پرتو و با روش‌های کنش‌پذیر کاهش می‌یابد و از آنجایی که در سیستم‌های پروتون‌تراپی از روش دوم برای درمان تومورهای چشمی استفاده می‌شود، تفاوت‌ها قابل صرف‌نظر است. مطابق با نتایج این رساله می‌توان گفت که استفاده از فانتوم آب،  دقت کافی جهت انجام طراحی پیش از درمان را دارا است.

 

کلید واژه: پروتون‌تراپی، ملانومای چشم، پیک براگ، SOBP، ضرایب وزنی.

 

 

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                               صفحه

     فصل اول تومورها و روش‌های مختلف درمان با پرتو

1-1-تعریف تومور و انواع آن. 2

1-2-پرتودرمانی…….. 3

1-2-1-مزایای پرتودرمانی….. 3

1-2-2-فرآیند کلی پرتودرمانی   4

1-2-3-انواع پرتودرمانی………….   4

1-3-مقایسۀ فوتون‌تراپی و پروتون‌تراپی.. 8

1-4-توزیع دوز برحسب عمق برای ذرات مختلف.. 11

1-5-تومورهای چشم  12

1-5-1-ملانوما…. 13

1-5-2-روش‌های مختلف درمان تومورهای چشمی.. 14

     فصل دوم مشخصات فیزیکی و زیستی پروتون‌ها و روش به‌کارگیری آن‌ها در پروتون‌تراپی

2-1-تاریخچۀ پروتون‌تراپی.. 21

2-2-انواع مختلف برهم‌کنش پروتون با ماده 24

2-2-1-تئوری توقف پروتون.. 25

2-2-2- تئوری پراکندگی پروتون.. 31

2-2-3-برهم‌کنش‌های هسته‌ای پروتون.. 37

2-2-4-توزیع دوز عمقی پروتون و پیک براگ… 41

2-3-مشخصات فیزیکی دوز پروتون جهت طراحی درمان. 43

2-4-تحویل پرتو با استفاده از سیستم پراکندگی کنش‌پذیر 44

2-4-1-روش‌های مدولاسیون برد پروتون.. 45

2-4-2-روش‌های پراکندگی پروتون.. 52

2-5-تحویل پرتو با استفاده از سیستم اسکن مغناطیسی.. 56

2-6-کمیت‌های فیزیکی پایه در پروتون‌تراپی.. 59

2-6-1-سینماتیک پروتون.. 59

2-6-2-ارتباط بین آهنگ دوز و جریان پرتو پروتون.. 60

2-7-اثرات زیستی پروتون‌. 62

    فصل سوم مشخصات فیزیکی شتاب‌دهنده‌های پروتونی

3-1-مقدمه 65

3-2-سیکلوترون. 66

3-2-1-سیستم بسامد تابشی (RF) 67

3-2-2-میدان مغناطیسی.. 68

3-2-3-چشمۀ پروتونی.. 69

3-2-4-معرفی پارامترهای مرتبط با فرآیند درمان در پروتون‌تراپی برای یک سیکلوترون.. 70

3-2-5-معرفی پارامترهای توصیف‌کنندۀ مشخصات تعدادی از شتاب‌دهنده‌های سیکلوترونی.. 71

3-3-سینکروترون. 72

3-4-شتاب‌دهنده‌های خطی برپایۀ پروتون‌تراپی.. 74

3-5-سیکلوترون لابراتوار هاروارد (HCL) 74

3-5-1-مشخصات فنی سیکلوترون HCL. 75

3-5-2-سیستم شکل‌دهندۀ پرتو پروتونی برای HCL جهت درمان تومورهای چشمی.. 76

    فصل چهارم شبیه‌سازی نازل و محاسبات دوزیمتری در پروتون‌تراپی تومورهای چشمی

4-1-مقدمه 78

4-2-استفاده از روش اسکن پرتو پروتون جهت تحویل دوز به تومور چشمی.. 78

4-2-1-بررسی اثر تعریف بافت تومور روی تخلیۀ دوز و پیک براگ… 81

4-2-2-نحوۀ محاسبۀ ضرایب وزنی بهینه، جهت ساختن SOBP در شبیه‌سازی درمان.. 83

4-2-2-1-محاسبۀ SOBP برای پروتون‌های تحویلی در روش اسکن پرتو. 85

4-3-شبیه‌سازی نازل HCL. 87

4-3-1-انرژی اولیۀ پرتو پروتون.. 89

4-3-2-کاهندۀ انرژی (انتقال‌دهندۀ برد) در نازل.. 91

4-3-3-صفحات آلومینیومی در نازل.. 92

4-3-4-طیف پرتو خروجی از نازل.. 94

4-3-5-محاسبات دوزیمتری در فانتوم چشم به کمک طیف خروجی از نازل.. 95

4-3-6-بررسی آهنگ دوز تحویلی به تومور چشم براساس جریان خروجی از شتاب‌دهنده 98

4-4-استفاده از روش انتقال‌دهندۀ بردجهت تحویل دوز به تومور چشمی.. 99

4-4-1-بررسی اثر تعریف بافت تومور روی تخلیۀ دوز و پیک براگ… 102

4-4-2-محاسبۀ SOBP برای پروتون‌های تحویلی در روش انتقال‌دهندۀ برد. 104

4-4-3-تعیین پارامترهای درمانی برای SOBP. 107

4-5-بررسی میزان نوترون‌های ثانویۀ تولید شده در نازل HCL. 108

4-6-نتیجه‌گیری.. 109

4-7-پیشنهادات.. 112

فهرست مراجع ……………………………………………………………………………………………………………………………………311

فهرست جدول‌ها

عنوان                                                                                                                               صفحه

جدول ‏2‑1. فهرستی از مراکز پروتون‌تراپی [33] 23

جدول 2‑‏2. برد پروتون متناظر با انرژی جنبشی ذرۀ فرودی [39] 29

جدول ‏2‑3. درصد ذرات ثانویۀ تولید شده طی برخوردهای ناکشسان پروتون‌های 150MeV با هستۀ اتم اکسیژن [48] 38

جدول 3-1. بخشی از پارامترهای اصلی و توصیف‌کنندۀ مشخصات فیزیکی شتاب‌دهنده برای تعدادی از سیکلوترون‌ها در IBA، ACCEL و JINR LNP [105]……………………………………………………………………………………………………………………………………..74

جدول 4-1. عناصر سازندۀ ترکیبات به‌کار گرفته شده در فانتوم چشم در روش اسکن مغناطیسی پرتو [119]…………… 82

جدول 4-2. ضرایب وزنی بهینه‌کنندۀ پرتوهای تابیده شده به فانتوم چشم و آب جهت ساختن SOBP در روش اسکن پرتو ………………  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………89

جدول 4-3. مشخصات کلی نازل شبیه‌سازی شده براساس نازل HCL……………………………………………………………………………….93

جدول 4-4. انرژی متوسط پرتو پروتون روی سطح خروجی لگزان به‌عنوان مادۀ کاهندۀ انرژی………………………………………..96

جدول 4-5. انرژی متوسط طیف نهایی پرتو پروتون پس از خروج از نازل………………………………………………………………………….99

جدول 4-6. ضرایب وزنی جهت بهینه‌سازی پیک‌های براگ‌ اولیه متناظر با ضخامت‌های مختلف استوانۀ لگزان…………….102

جدول ‏4‑7. ساختارهای داخلی چشم و ابعاد آن‌ها [104] 100

جدول ‏4‑8. ترکیبات اصلی ساختارهای داخلی چشم، نسبت جرم اتمی و چگالی آن‌ها [104] 100

جدول 4-9. انرژی متوسط پروتون خروجی از انتقال‌دهندۀ برد متناظر با ضخامت‌های مختلف ستون آب…………………….106

جدول ‏4‑10. ضرایب وزنی بهینه کنندۀ پیک‌های اولیه جهت ساختن SOBP یکنواخت… 105

جدول ‏4‑11. تعیین پارامترهای درمانی برای SOBP ایجاد شده در روش اسکن پرتو. 107

جدول ‏4‑12. تعیین پارامترهای درمانی برای SOBP ایجاد شده در روش انتقال دهندۀ برد. 107

 

فهرست شکل‌‌ها

عنوان                                                                                                                               صفحه

شکل 1-1. پرتودرمانی با شدت مدوله شده با استفاده از فوتون (IMRT) 9

شکل 1-2. مقایسۀ توزیع دوز بین روش درمانی IMRT در سمت چپ وIMPT  در سمت راست… 10

شکل 1-3. افزایش دوز دریافتی توسط بافت سالم در ناحیۀ ابتدایی و انتهایی در فوتون‌تراپی در مقایسه با پروتون‌تراپی…. 10

شکل 1-4. نمودار توزیع دوز عمقی نسبی ذرات مختلف در فانتوم آب [4] 12

شکل 1-5. نمای کلی از یک سیستم پروتون‌تراپی برای تومورهای چشمی [13] 18

شکل 2-1. نمودار تغییرات توان توقف برحسب انرژی پروتون و الکترون فرودی برای مواد مختلف [38]…………………………27

شکل 2-2. نمودار تغییرات برد پروتون برحسب انرژی در مواد مختلف [39]…………………………………………………………………….28

شکل 2-3. نمودار دوز عمقی برای پرتو پروتون و پیک براگ و نمایش برد و پهن‌شدگی انرژی [4]………………………………..29

شکل 2-4. نمایش پاشیدگی برد براساس  [38]………………………………………………………………………………………………………..30

شکل 2-5. پاشیدگی برد پروتون برحسب انرژی پرتو فرودی در مواد مختلف [40]…………………………………………………………30

شکل 2-6. نمای کلی از پراکندگی رادرفورد. 31

شکل 2-7. نمایش زاویۀ پراکندگی و میزان انرژی از دست رفته برای پروتون‌های MeV160 در مواد مختلف [39] 32

شکل 2-8. پراکندگی کولنی چندگانه برای پروتون ناشی از یک ورقۀ نازک… 33

شکل 2-9. بررسی دقت فرمول هایلند در مقایسه با اندازه‌گیری‌های تجربی برای زاویۀ پراکندگی پروتون [45] 34

شکل 2-10. نمودار شار پروتون برحسب انرژی جهت بررسی ضخامت‌های مختلف لگزان از 5 تا 9 سانتیمتر که به‌وسیلۀ کد MCNPX محاسبه شده است. 36

شکل 2-11. نمایی از یک سیستم شکل‌دهندۀ پرتو پروتون با استفاده از کاهش‌دهنده‌های دوتایی؛ در این سیستم S1 پراکنندۀ اول، RM مدولاتور برد، SS پراکنندۀ دوم، AP، موازی مخصوص بیمار و RC متعادل کنندۀ برد جهت هماهنگی برد پروتون با مرزهای انتهایی تومور با بافت سالم است. 36

شکل 2-12. نمایش سهم پروتون‌های اصلی و ثانویه در توزیع دوز کل در پیک براگ… 39

شکل 2-13. سطح مقطع برهم‌کنش ناکشسان برحسب برد پروتون فرودی [40] 39

شکل 2-14. احتمال رخ دادن برهم‌کنش ناکشسان برحسب برد پروتون فرودی با انرژی اولیۀ MeV 209 [40] 40

شکل 2-15. نمودار توزیع دوز برحسب عمق و پیک براگ و نمایش انباشت هسته‌ای [4] 40

شکل 2-16. نمایش سهم هر کدام از پدیده‌های فیزیکی در شکل‌گیری پیک براگ [4] 41

شکل 2-17. مجموعه ای از پیک براگ‌های اندازه‌گیری شده برای پروتون‌هایی با انرژی MeV 69 تا MeV 231. 42

شکل 2-18. شکل پیک براگ در صورت حضور (منحنی مشکی) و عدم حضور (نقطه‌چین) برهم‌کنش‌های هسته‌ای [51] 42

شکل 2-19. نمایش پارامترهای فیزیکی توصیف‌کنندۀ توزیع دوز SOBP [4] 44

شکل 2-20. نمایش توزیع دوز عرضی و پارامترهای فیزیکی توصیف‌کنندۀ آن [4] 44

شکل 2-21. SOBP با پهناهای مختلف وابسته به تعداد پیک براگ‌های به‌کار گرفته شده [4] 46

شکل 2-22. نمایش کلی از برهم‌نهی پیک براگ‌های بهینه شده با فاکتورهای وزنی و تشکیل SOBP. 46

شکل 2-23. نمونه‌هایی از انتقال‌دهنده‌های برد که جهت مدولاسیون در مسیر پرتو پروتون قرار داده می‌شوند. 48

شکل 2-24. نمونه‌ای از چرخ مدولاتور برد. 49

شکل 2-25. نمودار شار نوترون برحسب فاصلۀ عرضی از ایزوسنتر [57] 49

شکل 2-26. مقایسۀ شار نوترون تولید شده در صورت حضور و عدم حضور چرخ مدولاسیون برد [57] 50

شکل 2-27. نمایی از یک فیلتر شیاردار در جهت‌های مختصاتی مختلف در دستگاه دکارتی[69] 51

شکل 2-28. نمایش یک فیلتر مدوله کنندۀ برد زمانی که محور آن به اندازۀ θ درجه چرخش داشته باشد. 51

شکل 2-29. نمایی از یک سیستم پراکندگی ساده با یک پراکنندۀ مسطح.. 53

شکل 2-30. نمایی از سیستم پراکندگی دوگانه با استفاده از پراکنندۀ منحنی‌شکل.. 53

شکل 2-31. نمایی از یک پراکنندۀ منحنی‌شکل که ترکیبی از سرب و لگزان در کنار یک‌دیگر است. 54

شکل 2-32. نمایی از سیستم پراکندگی دوگانه با استفاده از پراکنندۀ دوحلقه‌ای.. 55

شکل 2-33. نمایش توزیع دوز ایجاد شده توسط هر بخش از پراکنندۀ دو حلقه‌ای و برهم‌نهی آن‌ها [81] 55

شکل 2-34. نمایی از سیستم پراکندگی دوگانه با استفاده از حلقه‌های مسدودکننده 56

شکل 2-35. توزیع دوز ایجاد شده توسط حلقه‌های مسدودکننده در سیستم پراکندگی دوگانه [82] 56

شکل 2-36. نمای کلی از سیستم شکل‌دهندۀ پرتو که در اصلاح رابطۀ آهنگ دوز ( معادلۀ (‏2‑34) ) به‌کار گرفته شده است. 61

شکل 2-37. نمایش وابستگی f_MOD به زمان حضور عمیق ترین پیک در مدولاسیون برد [4] 62

شکل 3-1. میانگین میدان مغناطیسی به‌صورت تابعی از شعاع مدار پروتون در سیکلوترون IBA (بالا) [103]  و سیکلوترون PSI (پایین) [102] ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..69

شکل 3-2. شکل شماتیک از چشمۀ یونی مورد استفاده در یک سیکلوترون [4]………………………………………………………………70

شکل 3-3. بازده سیستم انتخاب انرژی مربوط به سیکلوترون IBA برحسب برد پروتون‌های ورودی به نازل [104] 71

شکل 3-4. نمای کلی از یک چرخه در سینکروترون که شامل تزریق پروتون‌های MeV 2 یا MeV 7، شتاب پروتون‌ها تا انرژی دلخواه در زمانی کمتر از 5/0 ثانیه، خروج آهستۀ پروتون‌های شتاب داده شده به خط پرتو در زمانی بین 5-5/0 ثانیه و در آخر کاهش سرعت و تخلیۀ پروتون‌های استفاده نشدۀ باقی‌مانده [4] 73

شکل 3-5. نمای کلی از نازل HCL که برای درمان تومورهای چشمی به‌کار گرفته شده است و به‌ترتیب شامل چرخ مدولاتور برد (K)، موازی‌ساز اول (F)، انتقال‌دهندۀ برد با ضخامت متغیر (L)، کاهندۀ انرژی با ضخامت ثابت (G)، موازی‌ساز دوم (H)، آشکارساز نظارت (B)، صفحات آشکارساز یونی (J)، محفظۀ خالی ©، موازی‌ساز مخروطی شکل (D) و موازی‌ساز مخصوص بیمار (E) می‌باشد [114]……………………………………………………………………………………………………………………………………….78

شکل 4-1. نمای کلی از فانتوم شبیه‌سازی شده و مورد استفاده در محاسبات دوزیمتری در روش اسکن مغناطیسی پرتو. 79

شکل 4-2. نمونه‌ای از پیک‌های براگ‌ تشکیل شده در فانتوم چشم با ترکیبات واقعی تومور در روش اسکن پرتو………….80

شکل 4-3. توزیع دوز نسبی برحسب عمق برای پروتون MeV 32 و MeV 24 و مقایسۀ آن‌ها در دو فانتوم چشم با ترکیبات واقعی تومور (نقطه‌چین) و آب (منحنی مشکی)………………………………………………………………………………………………………81

شکل 4-4. منحنی ایزودوز نسبی مربوط به تابش پرتو پروتون با انرژی MeV 32 در فانتوم آب ( منحنی قرمز رنگ) و محیط چشمی (منحنی نقطه‌چین)…………………………………………………………………………………………………………………………………………82

شکل 4-5. نمایی از یک ماتریس  به‌عنوان ماتریس توصیف‌کنندۀ پیک‌های براگ مشارکت‌کننده در تولید SOBP تعداد ستون‌ها بیانگر تعداد پیک‌ها و تعداد سطرها بیانگر تعداد وکسل‌ها است.. 83

شکل 4-6. تعیین درایۀ مربوط به بیشینه مقدار دوز برای هر پیک براگ ………………………………………………………………………….84

شکل 4-7. معادلۀ ماتریسی جهت محاسبۀ ضرایب وزنی در این شکل، ماتریس‌ها از چپ به راست به‌ترتیب برابر با ماتریس مربوط به پیک‌های براگ، ماتریس ضرایب وزنی و ماتریس مربوط به بخش مسطح SOBP می‌باشند. ماتریسی که دور آن خط کشیده شده، ماتریس مجهول مربوط به ضرایب وزنی است…………………………………………………………………………………………..84

شکل 4-8. SOBP حاصل از برهم‌نهی پیک‌های براگ بهینه شده داخل تومور در هر دو فانتوم منحنی مشکی مربوط به آب و منحنی نقطه‌چین مربوط به محیط چشمی است………………………………………………………………………………………………………….86

شکل 4-9. بررسی میزان یکنواختی توزیع دوز  SOBP به دست آمده با ضرایب وزنی بهینه شده به کمک فانتوم آب در محیط چشمی با ترکیبات واقعی تومور (منحنی نقطه‌چین)………………………………………………………………………………………………….87

شکل 4-10. نمای کلی از نازل شبیه‌سازی شده با کد MCNPX به‌عنوان سیستم کنش‌پذیر جهت تحویل پرتو پروتون به تومور………………………………………………………………………………………………………..          .           …        …                         88

شکل 4-11. توزیع دوز برحسب عمق برای پرتو پروتون تک انرژی MeV 159 در فانتوم سادۀ آب که بردی در حدود cm18 دارد…………………………………………………………………………………………………   ……….                   …              ……       .90

شکل 4-12. توزیع دوز عرضی گاوسی شکل برای پرتو پروتون تک انرژی MeV 159 در فانتوم سادۀ آب…………………….90

شکل 4-13. منحنی ایزودوز برای پرتو پروتون تک انرژی MeV 159 در فانتوم سادۀ آب. همان‌طور که از شکل نیز مشخص است، جهت تابش پرتو موازی محور Y می‌باشد…………………………………………………………………………………………….               ..90

شکل 4-14. شار پروتون برحسب انرژی روی سطح خروجی لگزان که از سمت راست به چپ به ترتیب متناظر با ضخامت‌های 3/9، 55/9 و 8/9 سانتیمتر برای استوانۀ لگزان می‌باشد………………………………………………………………………………………           …91

شکل 4-15. توزیع زاویه‌ای و میزان واگرایی پرتو پروتون بعد از عبور از لگزان روی سطح خروجی لگزان………………………92

شکل 4-16. مقایسۀ منحنی ایزودوز برای سطوح 56% و 89% در فانتوم آب در صورت حضور (منحنی قرمز) و عدم حضور (منحنی مشکی) صفحات آلومینیومی…………………………………………………………………………………………………………………………………….93

شکل 4-17. مقایسۀ توزیع دوز عرضی در بخش ورودی فانتوم آب در صورت حضور (منحنی قرمز) و عدم حضور (منحنی مشکی) صفحات آلومینیومی………………………………………………………………………………………………………………          ……………      .93

شکل 4-18. شار پروتون برحسب انرژی روی سطح خروجی نازل، نمودارها از راست به چپ متناظر با استوانۀ لگزان به ضخامت‌های 3/9، 55/9 و 8/9 سانتیمتر می‌باشند………………………………………………………………………………………………………………..94

شکل 4-19. توزیع زاوبه‌ای و میزان واگرایی طیف پروتون روی سطح خروجی نازل و قبل از ورود به فانتوم متناظر با لگزان به ضخامت 55/9 سانتیمتر…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..95

شکل 4-20. نمایی از فانتوم مورد استفاده جهت انجام محاسبات دوزیمتری برای طیف خروجی از نازل……………………..96

شکل 4-21. توزیع دوز عمقی و پیک‌های براگ اولیه در فانتوم چشم محتوای آب ناشی از طیف‌های خروجی از نازل، از راست به چپ به‌ترتیب متناظر با ضخامت‌های 3/9، 55/9 و 8/9 سانتیمتر…………………………………………………………………………96

شکل 4-22. توزیع دوز عمقی با درنظرگرفتن وزن مناسب برای هر کدام از طیف‌های خروجی از نازل و SOBP حاصل از برهم‌نهی پیک‌های براگ‌ بهینه شده با ضرایب وزنی…………………………………………………………………………………………………………….97

شکل 4-23. توزیع دوز عرضی بهینه شده با ضرایب وزنی. نقطۀ cm 4/0- در محور افقی نمودار، نقطۀ شروع فانتوم شبیه‌سازی شده است؛ از این‌رو دوز عرضی اندازه‌گیری شده نامتقارن دیده می‌شود…………………………………………………………98

شکل 4-24. سطح مقطع طولی مدل واقعی چشم برای شبیه‌سازی درمان در روش انتقال‌دهندۀ برد…………………………..99

شکل 4-25. توزیع دوز برحسب عمق و پیک‌های براگ اولیه در مدل واقعی چشم در روش انتقال‌دهندۀ برد پیک‌ها از راست به چپ به‌ترتیب متناظر با ضخامت‌های 3 تا 75/3 سانتیمتر ستون آب می‌باشند…………………………………………………..102

شکل 4-26. مقایسه‌ای بین توزیع دوز نسبی برحسب عمق و پیک‌های براگ‌ در دو  فانتوم چشم با ترکیبات واقعی و آب  از راست به چپ متناظر با ضخامت‌های 3، 35/3 و 65/3 سانتیمتر ستون آب…………………………………………………………………..103

شکل 4-27. مقایسه ای بین منحنی ایزودوز نسبی در فانتوم چشم با ترکیبات واقعی (نقطه‌چین) و آب (منحنی قرمز) مربوط به طیف پروتونی خروجی از ستون آب به ضخامت 3 سانتیمتر………………………………………………………………………………..104

شکل 4-28. SOBP حاصل از برهم‌نهی پیک‌های براگ بهینه شده با ضرایب وزنی در هر دو فانتوم چشم با ترکیبات واقعی (نقطه‌چین) و آب (منحنی مشکی)……………………………………………………………………………………………………………………………………….105

شکل 4-29. SOBP حاصل از اعمال فاکتورهای وزنی بهینه شده با فانتوم آب روی پیک‌های براگ ایجاد شده در بافت واقعی چشم (منحنی نقطه‌چین) و مقایسۀ آن با SOBP حاصل از شبیه‌سازی با فانتوم آب (منحنی مشکی) ………………………………………………………………………………………………………..        ………..  ……………..      …..   ……..    …………………..106

شکل 4-30. طیف انرژی مربوط به شار نوترون‌های تولید شده به ازای هر پروتون در نازل HCL……………………………………108

شکل 4-31. توزیع دوز ذرات ثانویه برحسب عمق در فانتوم آب برای فوتون (    )، نوترون (    ) و الکترون (   ) مربوط به نازل HCL……………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.

 

دانشگاه شیراز

دانشکده‌ی علوم

 

پایان‌نامه‌ی کارشناسی ارشد در رشته‌ی

 

فیزیک – اپتیک و لیزر

 

 

خواص بلور فوتونی دوبعدی متشکل از استوانه‌هایی با پوشش فراماده در یک شبکه مربعی

 

 

 

استاد راهنما

دکترمحمود حسینی فرزاد

 

 

اسفندماه 1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

 

خواص بلور فوتونی دوبعدی متشکل از استوانه هایی با پوشش

 فراماده در یک شبکه مربعی

 

 

 

در این رساله به بررسی خواص بلور فوتونی دوبعدی متشکل از آرایه‎های مربعی که از استوانه‌های طویل دی الکتریک با پوشش فراماده ساخته شده اند، پرداخته می‌شود. نکته حائز اهمیت این است که سلول واحد این بلور فوتونی برای پارامترهای خاص هندسی و اپتیکی انتخاب شده در محدوده مشخصی از فرکانس‌ها، خاصیت نامرئی شدن دارد. طیف عبور بلور فوتونی متشکل از این یاخته ها (سلول واحد)، با استفاده از روش بسط موج تخت، توسط نرم افزاد متمتیکا برای تعداد لایه های مختلف رسم شده است. در تعداد مشخصی از لایه ها، یکی از گاف‎های فوتونی (نسبت به بلور فوتونی بدون پوشش)، که قبلاً در تعداد کمتری از لایه های بلور ظاهر شده بود، از بین میرود. این پدیده، احتمال نامرئی شدن این نوع بلور فوتونی با پوشش فراماده را تقویت می‎کند. این خاصیت فقط در این نوع از بلور ها مشاهده می‎شود و در بلور فوتونی دیگری تا بحال گزارش نشده است. در این پدیده که منجر به حذف یکی از گاف های بلور فوتونی می‎شود، با تغییر دوره تناوب شبکه مربعی، شماره‎ی گاف حذف شده و محدوده فرکانسی آن جابجا می‎شود.

 

کلمات کلیدی: کاهش سطح مقطع پراکندگی از استوانه های طویل- بلور فوتونی- فراماده

فهرست مطالب

 

 

عنوان                                                                                                                      صفحه

 

فصل اول: مقدمه

1-1 فراماده چیست… 2

1-2 تاریخچه فرامواد. 2

1-3 کاربردهای فراماده. 4

1-4 مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه فراماده. 4

1-5 تاریخچه بلورهای فوتونی.. 6

1-6 مفهوم بلورهای فوتونی.. 6

1-7 زمینه های کاربردبلورهای فوتونی.. 9

1-7-1 موج برها 9

1-7-2 میکرو کاواک ها 10

1-7-3 فیلترها 10

1-7-4 فیبرهای  بلور فوتونی.. 10

 

فصل دوم: فرامواد

2-1 فرامواد و کاهش سطح مقطع پراکندگی.. 14

2-2 اصول نظری برای محاسبه ضریب پراکندگی استوانه بینهایت دی الکتریک… 15

2-2-1 روابط مربوط به میدان‎های الکتریکی.. 17

2-2-2 روابط مربوط به میدان های مغناطیسی.. 19

عنوان                                                                                                                      صفحه

 

2-2-3 شرایط مرزی میدان های الکتریکی و مغناطیسی.. 20

2-2-4 ماتریس پراکندگی.. 21

2-3 استوانه رسانا ( PEC ) 23

2-4 شرایط ایجاد شفافیت برای استوانه دی الکتریک و استوانه رسانا 24

2-4-1 دسته بندی شرایط شفافیت برای قطبش های مختلف استوانه  بینهایت
(دی الکتریک و رسانا) 24

2-4-2 اثبات رابطه ( ) برای شفافیت برای استوانه دی‎الکتریک بینهایت… 25

2-5 نتایج تجربی کاهش پراکندگی از استوانه بینهایت دی الکتریک پوشیده شده
با لایه ای از فراماده. 28

2-5-1 تحلیل حالت ایستا 31

2-6 کاهش پراکندگی از سطح اجسام کروی پوشیده شده با لایه ای از فراماده. 34

2-6-1 پنهان سازی کره با پوشش فراماده. 34

2-6-2 اصول نظری کاهش پراکندگی از سطح اجسام کروی.. 34

2-6-3 نمودارهای تجربی مربوط به کاهش پراکندگی از سطح کره با پوشش فراماده. 36

2-7 سیستم چند ذره ای و کاهش شدید سطح مقطع پراکندگی کروی.. 39

 

فصل سوم: خواص اپتیکی بلورهای فوتونی

3-1 خواص بلورهای فوتونی.. 43

3-1-1 شبکه بلور فوتونی: 43

3-1-2 طریقه رسم منطقه اول بریلوئن  یک شبکه: 45

3-2 تئوری بلاخ 47

3-2-1 اثبات تئوری بلاخ.. 48

3-3 امواج بلاخ و ناحیه بریلوئن.. 49

3-4 مد های ویژه بلور های فوتونی.. 50

عنوان                                                                                                                      صفحه

 

3-4-1 بردار های موج مساّله ویژه مقداری.. 51

3-4-2 بردارهای موج مساله ویژه مقداری در دو بعد. 54

3-5  منشاُ گاف نواری فوتونی: 55

3-6 روش های عددی در تحلیل بلورهای فوتونی.. 57

3-7 روش بسط امواج تخت… 59

3-8 محاسبات نظری مربوط به بسط امواج تخت… 59

3-8-1 قطبش…. 59

3-9 معادلات انتشار در بلور فوتونی به روش بسط موج تخت… 60

3-10 روش تئوری محاسبه طیف عبوری از بلور فوتونی به روش بسط موج تخت… 62

3-10-1 اثبات رابطه (3-57) 64

3-10-2 اثبات روابط (3-58) و (3-59) 67

3-11 تبدیل فوریه برای تابع دی‎الکتریک در یک شبکه مربعی.. 67

 

فصل چهارم: طیف عبوری از بلور فوتونی با پوشش فراماده

4-1 مقایسه طیف عبوری از بلور فوتونی با پوشش فراماده برای تعداد لایه‌های مختلف… 73

4-2 مقایسه طیف عبوری از بلور فوتونی با پوشش فراماده برای تعداد لایه‌‌های مختلف… 83

4-3 مقایسه طیف عبوری از بلور فوتونی با پوشش فراماده برای دو بلور فوتونی متفاوت.. 87

4-4 نتیجه گیری.. 89

 

 

 

 

 

 

عنوان                                                                                                                      صفحه

 

فصل پنجم: نتیجه‎گیری و پیشنهادات

5-1- نتیجه گیری.. 91

5-2- پیشنهادات.. 93

 

منابع.. 94

 

چکیده و صفحه عنوان به انگلیسی

 

 

فهرست شکل­ها

 

 

عنوان                                                                                                                      صفحه

شکل(1-1): نمونه‎هایی از ساختارهای بلور فوتونی.. 8

شکل(2-1). بردارهای قطبش برای استوانه دی الکتریک و پوشش فراماده. 15

شکل (2-2). استوانه نامحدود دیالکتریک، پوشیده شده با لایه ای از فراماده 16

شکل(2-3). جدول کاهش سطح مقطع پراکندگی.. 29

شکل(2-4). نمودار تابع  برحسب . 30

شکل(2-5). نمودار تابع  برحسب . 30

شکل (2-6). بازده پراکندگی برای حالت بدون پوشش و حالت با پوشش 31

شکل (2-7). بازده پراکندگی کل، برای استوانه بینهایت دی الکتریک سه زاویه مختلف تابشی. 32

شکل(2-8) ذره کروی پوشیده شده با لایه ای از فراماده. 35

شکل (2-9).  کاهش سطح مقطع پراکندگی برای کره. 36

شکل (2-10) پراکندگی میدان الکتریکی در صفحه xz. 37

شکل(2-11). بیشترین مقدار   در الگوی سطح مقطع پراکندگی، برای یک سیستم شامل دوذره کروی   39

شکل (3-1). شبکه های بلور و وارون در حالت یک بعدی. 44

شکل (3-2). در این شکل شبکه وارون مربعی.. 45

شکل(3-3). ناحیه بریلوئن اول و اولین منطقه تقسیم ناپذیر بریلوئن در یک شبکه مربعی.. 46

شکل(3-4).  ناحیه بریلوئن اول و اولین منطقه تقسیم ناپذیر بریلوئن در یک شبکه ملثی.. 46

شکل (3-5): ساختار باند فوتونی برای سه فیلم چند لایه. 57

 

عنوان                                                                                                                      صفحه

 

شکل (3-6) سطح مقطع بلور فوتونی دو بعدی متشکل از استوانه های طویل دی‌الکتریک 60

 

 

فهرست نمودارها

 

 

عنوان                                                                                                                      صفحه

نمودار(4-1). طیف عبور بلور فوتونی تک لایه. 74

نمودار(4-2). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی سه لایه. 75

نمودار(4-3). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی پنج لایه. 76

نمودار(4-4). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی هفت لایه. 77

نمودار(4-5). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی ده لایه. 78

نمودار(4-6). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی پانزده لایه 79

نمودار(4-7). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی بیست لایه. 80

نمودار(4-8). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی بیست پنج لایه. 81

نمودار(4-9). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی سی لایه 82

نمودار(4-10). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی بیست لایه. 84

نمودار(4-11). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی بیست پنج لایه. 85

نمودار(4-12). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی سی لایه. 86

نمودار(4-13). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی بیست لایه 87

نمودار(4-14). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی بیست لایه. 88

نمودار(4-15). طیف عبور بلور فوتونی دو بعدی با آرایه مربعی بیست لایه. 88

مقدمه

 

 

1-1 فراماده [1] چیست

 

واژه متامتریال در سال 1999 توسط رودگروالسر [2] از دانشگاه Texas نامگذاری شد]1[. واژه متا یک واژه یونانی به معنی فرا است. بنابراین می‎توان متامتریال را فرا ماده ترجمه کرد. نامی است با معنی برای موادی که ویژگی های آنها فراتر از محدودیت های مواد طبیعی است.

فرامواد متشکل از اجزایی (سلول واحد ) در ابعاد خیلی کوچکتر از طول موج تابشی هستند، که هرچند در ابعاد کوچکتر از طول موج ناهمگنند، ولی مانند مواد طبیعی به طور متوسط و مؤثر می‎توان ویژگی های یک محیط همگن را به آنها نسبت داد.

 

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.

 

دانشگاه شیراز

دانشکده علوم

بخش فیزیک

پایان­نامه کارشناسی ارشد فیزیک

(گرایش نظری و اختر فیزیک)

عنوان:

لایه­های سیاه گرانش گوس- بونه در حضور دو کلاس الکترودینامیک غیرخطی

استادان راهنما:

دکتر محمدحسین دهقانی

دکتر سیدحسین هندی

بهمن­ ماه 92

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

 

­ لایه­های سیاه گرانش گوس- بونه در حضور

دو کلاس الکترودینامیک غیرخطی

 

 

 

در این رساله، با در نظرگرفتن دو کلاس از الکترودینامیک غیرخطی، به بررسی جواب­های لایه­ی سیاه در گرانش گوس- بونه می­پردازیم. این دو کلاس از الکترودینامیک بورن- اینفلد گونه، که به الکترودینامیک غیرخطی لگاریتمی و نمایی معروفند دارای خصوصیات جالب توجه در مطالعه­ی میدان الکترومغناطیسی و نیز بررسی هندسی فضازمان می­باشند. پس از مطالعه­ی خصوصیات هندسی فضازمان، به بررسی کمیت­های پایا و ترمودینامیکی پرداخته و تاثیرات حضور این میدان غیرخطی را بررسی می­کنیم. در نهایت به بررسی قانون اول ترمودینامیک خواهیم پرداخت.

 

 

 

 

فهرست

 

عنوان                                                                                                                         صفحه

فصل اول. 1

مقدمه. 1

 

فصل دوم. 6

نظریه­ها­ی الکترودینامیک غیرخطی و معرفی دو کلاس جدید. 6

2-1  نظریه­ی خطی الکترودینامیک: نظریه­ی ماکسول. 7

2-2  نظریه­ی غیرخطی الکترودینامیک: نظریه­ی بورن- اینفلد(BI) 9

2-3  نظریه­ی الکترودینامیک غیرخطی: نظریه­ی توانی ناوردای ماکسول (PMI) 11

2-4  نظریه­ی غیرخطی الکترودینامیک: نظریه­ی لگاریتمی(LNEF) 14

2-5  نظریه­ی غیرخطی الکترودینامیک: نظریه­ی نمایی(ENEF) 16

 

فصل سوم. 20

نسبیت عام، گرانش گوس- بونه، هندسه و ترمودینامیک سیاه­چاله­ها 20

3-1    نسبیت عام و اصول اینشتین.. 21

3-1-1  اصل ماخ. 22

3-1-2  اصل هم­ارزی.. 23

3-1-3  اصل هموردایی عام. 23

3-1-4  اصل جفت شدگی گرانش کمینه. 24

3-1-5  اصل تناظر. 24

3-2  هندسه و متریک.. 24

3-3  تانسور اینشتین.. 26

3-4   گرانش مشتقات بالاتر. 28

3-5   گرانش لاولاک.. 30

3-6  کنش مرزی.. 33

3-7   بردارهای کیلینگ و تقارن­های فضازمان. 34

3-8  سیاه­چاله چیست؟. 36

3-9  خصوصیات هندسی سیاه­چاله. 37

3-10  ترمودینامیک سیاه­چاله­ها 38

3-10-1  چهار قانون مکانیک سیاه­چاله­ها 39

3-10-2  دما 40

3-10-3  آنتروپی.. 41

3-10-4  بار الکتریکی.. 43

3-10-5  پتانسیل الکتریکی.. 44

3-10-6  سرعت زاویه­ای.. 44

3-11  روش کانترترم در گرانش… 45

 

فصل چهارم. 47

جواب­های لایه­ی سیاه گرانش گوس- بونه در حضور دو کلاس جدید از الکترودینامیک غیرخطی   47

4-1  معادلات میدان. 48

4-2 گرانش گوس- بونه در حضور الکترودینامیک غیرخطی نمایی.. 50

4-3 گرانش گوس- بونه در حضور الکترودینامیک غیرخطی لگاریتمی.. 56

4-4  بررسی خصوصیات ترمودینامیکی سیاه­چاله گوس-بونه در حضور الکترودینامیک غیرخطی نمایی   58

4-4-1  کمیت­های ترمودینامیکی و پایا 59

4-4-2  انرژی به­عنوان تابعی از کمیت­های پایا 61

4-5 بررسی خصوصیات ترمودینامیکی سیاه­چاله گوس- بونه در حضور الکترودینامیک غیرخطی لگاریتمی   62

4-5-1 کمیت­های ترمودینامیکی و پایا 62

4-5-2 انرژی به­عنوان تابعی از کمیت­های پایا ………………………………………………64

 

فصل پنجم. 66

نتیجه­گیری و پیشنهادات.. 66

5-1 خلاصه و نتیجه­گیری.. 67

5-2 پیشنهادات.. 71

 

پیوست …………………………………………………………………………………………………………………72

مراجع. 73

 

 

 

 

فهرست جدول­ها و نمودارها

 

شکل 2-1: نمودار تابع  به ازای پارامترهای غیرخطی مختلف………………………………………..13

شکل 2-2: نمودار تابع  برحسب  به ازای ……………………………………..18

جدول 1: مقدار  برای  به ازای مقادیر مختلف های کوچک…………..19

شکل 5-1: نمودار تابع  برحسب ……………………………………………………………………….60

 

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.

 

دانشگاه شیراز

دانشکده علوم

پایان­ نامه کارشناسی ارشد در رشته­ ی  فیزیک نظری

گرایش اخترفیزیک

عنوان:

کرمچاله­ های باردار در حال انبساط در گرانش اینشتین – ماکسول – دایلتن

استاد راهنما:

دکتر نعمت­ ا… ریاضی

 

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب:

فصل اول: مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………….. 2

 

فصل دوم: شرایط انرژی کیهان

2-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………… 13

2-2-شرایط انرژی…………………………………………………………………………………………………………………. 14

2-2-1- شرایط انرژی نول (NEC)………………………………………………………………………………… 14

2-2- مواردی در فیزیک که این شرایط نقض می­شود و مواردی

که این شرایط صادق‌اند……………………………………………………………………………………………………….. 17

2-3- موارد متناقض با شرایط انرژی……………………………………………………………………………………. 18

 

فصل سوم: پاسخ­های کرمچاله­ای گرانش اینشتین­- ماکسول- دایلتون

3-1- کنش، رابطه­های میدان، برای گرانش اینشتین­- ماکسول­­- دایلتون……………………….. 22

3-2- بررسی تابعیت  بر حسب  برای سه دسته از جواب­ها از روی

نمودار و پیدا کردن شعاع گلوگاه کرمچاله………………………………………………………………………….. 42

3-2-1- دسته اول…………………………………………………………………………………………………………… 42

3-2-2- دسته دوم و سوم………………………………………………………………………………………………. 44

3-3- توضیح درمورد ویژگی­های سه دسته………………………………………………………………………… 45

3-5-1- شرط انرژی ضعیف (WEC) برای حل­های کلاس اول…………………………………. 47

3-5-2- شرط انرژی ضعیف (WEC)برای حل­های دسته دوم……………………………………. 47

3-5-3- شرط انرژی ضعیف (WEC) برای حل­های کلاس سوم……………………………….. 48

3-5- بار الکتریکی و میدان الکتریکی کرمچاله…………………………………………………………………… 49

3-6-1- میدان الکتریکی برای حل کلاس اول……………………………………………………………… 49

3-6-2- میدان الکتریکی برای جواب کلاس دوم…………………………………………………………. 49

3-6-3- میدان الکتریکی برای جواب کلاس سوم………………………………………………………… 49

 

فصل چهارم: خلاصه و نتیجه­گیری……………………………………………………………………………………. 51

 

فهرست منابع……………………………………………………………………………………………………………………………. 53

فهرست شکل ها

شکل 1-1 کرمچاله ویلر……………………………………………………………………………………………………………….. 5

شکل (3-1): نمودار  بر حسب  برای …………………………………….. 42

شکل (3-2): نمودار  برحسب  برای ………………………………………. 42

شکل (3-3): نمودار  برحسب  برای ………………………………… 43

شکل (3-4): نمودار  برحسب  برای ……………………………………………………….. 44

شکل (3-5): نمودار  برحسب  برای ……………………………………………………… 44

چکیده

این پایان­نامه به طور کلی شامل دو قسمت است. در قسمت اول تاریخچه­ی مختصری از معادلات کرمچاله­ها و این­که چگونه چنین ساختارهایی در دنیای فیزیک مطرح شده است، آورده شده است. این مباحث در
فصل­های اول و دوم می­باشد که تدریجاً از معادلات اولیه­ی کرمچاله تا معادلات کرمچاله در سطوح بالاتر نوشته شده است. همچنین در مورد تفکرات فلسفی که بعد از به وجود آمدن ساختارهای کرمچاله­ای در دنیای فیزیک مطرح شد، بحث شده است. در قسمت دوم پایان­نامه که از فصل سوم شروع می­شود، در مورد چگونگی به دست آوردن معادلات کرمچاله­ای برای گرانش اینشتین – ماکسول – دایلتون گفته می­شود. معادلات کرمچاله برای سه دسته از جواب­ها منطبق بر سه نوع پتانسیل مختلف به دست آمده است. سپس در تناقض و یا مورد تأیید بودن این ساختارها با شرایط انرژی کیهان بررسی شده است. بار الکتریکی کرمچاله نیز به خاطر جمله­ی مربوط به ماکسول در کنش این گرانش در پیش­زمینه­ی کیهان درحال انبساط نیز محاسبه شده است. شعاع گلوگاه کرمچاله و عبورپذیربودن اطلاعات از این ساختارها نیز مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.

 

دانشگاه شیراز

دانشکده علوم

پایان نامه ی کارشناسی ارشد در رشته­ ی فیزیک

گرایش اتمی( مولکولی)

عنوان:

طراحی لیزر فیبری رامان با بازده بالا در محدوده طول موجی 2-1 میکرومتر

استاد راهنما:

دکتر عبدالناصر ذاکری

 

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب:

فصل اول:  مقدمه

1-1-فیبرها……………………………………………………………………………………………………………………………… 6

1-2- مواد و ساخت………………………………………………………………………………………………………………… 7

1-2-1 روش ته نشینی بخار تصحیح یافته(MCVD)…………………………………………………… 9

1-3- تلفات فیبر……………………………………………………………………………………………………………………. 10

1-3-1جذب ماده…………………………………………………………………………………………………………….. 11

1-3-2 پراکندگی رایلی…………………………………………………………………………………………………… 13

1-4-نقص های موجبری………………………………………………………………………………………………………. 14

1-5 -غیر خطی بودن فیبرها……………………………………………………………………………………………….. 14

1-5-1 ضریب شکست غیر خطی………………………………………………………………………………….. 15

1-6-پراکندگی رامان ……………………………………………………………………………………………………………. 16

1-6-1 پراکندگی خود به خودی رامان………………………………………………………………………….. 16

1-6-2 پراکندگی القایی رامان………………………………………………………………………………………… 17

 

فصل دوم:

پراکندگی رامان در فیبرهای نوری

2-1 پراکندگی القایی رامان در فیبرها…………………………………………………………………………………. 22

2-1- 1طیف بهره رامان………………………………………………………………………………………………….. 22

2-1-2 آستانه رامان………………………………………………………………………………………………………… 25

2-1-3-تولید مولفه استوکس در اثر پراکندگی رامان با یک بار عبور…………………………. 26

2-1-4 لیزرهای فیبری رامان…………………………………………………………………………………………. 28

2-2 صفحات براگ فیبری…………………………………………………………………………………………………….. 29

2-2-1-پراش براگ………………………………………………………………………………………………………….. 30

 

فصل سوم:لیزرهای فیبری آبشاری رامان

3-1 انواع لیزرهای رامان فیبری بر اساس ناخالصی های درون فیبر………………………………… 33

3-2 انواع لیزرهای رامان فیبری بر اساس توان………………………………………………………………….. 34

3-3 طرح کلی لیزر رامان فیبری ………………………………………………………………………………………… 35

3-4 انواع طراحی های لیزرهای فیبری رامان …………………………………………………………………… 38

3-4-1 لیزرهای فیبری رامان برای کاربردهای پزشکی………………………………………………… 38

3-4-2 لیزر رامان فیبری چند طول موجی برای کاربردهای حسگری دور برد………….. 39

3-4 -3 لیزر رامان فیبری دو بار گذار با کاربرد زیست پزشکی…………………………………… 44

 

فصل چهارم:حل معادلا ت مربوط به لیزرهای فیبری آبشاری رامان

به روش تحلیلی

4-1 شکل کلی لیزر فیبری آبشاری رامان…………………………………………………………………………… 48

4-1-1 دستگاه معادلات مربوط به توان موج های پمپ و مولفه های استوکس ………. 49

4-1-2 ضرایب بازتاب صفحات براگ……………………………………………………………………………… 50

4-1-3 اعمال تغییر متغیردر دستگاه معادلات ……………………………………………………………. 51

4-1-4 اعمال تقریب برای حل دستگاه معادلات بالا……………………………………………………. 54

4-2 الگوریتم تقریب اولیه…………………………………………………………………………………………………….. 56

4-3 پیاده سازی الگوریتم تقریب اولیه برای چیدمان لیزر پیشنهادی …………………………….. 60

4-3-1 پارامترهای مورد نیاز……………………………………………………………………………………………. 60

4-3-2 نتایج بدست آمده با استفاده از الگوریتم تقریب اولیه……………………………………… 60

4-4 مقایسه روش تقریب اولیه با داده های تجربی…………………………………………………………….. 60

 

فصل پنجم:حل معادلا ت مربوط به لیزرهای فیبری آبشاری رامان به روش عددی

5-1  حل گر عددی ode45…………………………………………………………………………………………………. 67

5-2 روش طیفی……………………………………………………………………………………………………………………. 70

5-2-1 روش طیفی فوریه……………………………………………………………………………………………….. 72

5-2-2 روش طیفی چبیشف………………………………………………………………………………………….. 75

5-3 حل دستگاه معادلات توان توسط روش طیفی فوریه…………………………………………………. 76

5-4 مقایسه روش های تقریب اولیه، حل گر عددی ode45 و طیفی چبیشف با سایر

روش های عددی به کار رفته در مقالات……………………………………………………………………………… 81

 

نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………………………………………. 84

پیشنهاد برای ادامه کار ………………………………………………………………………………………………………………. 86

 

فهرست منابع ………………………………………………………………………………………………………………………….. 87

فهرست جدول ها

جدول2-1 طول موج مولفه های استوکس مختلف تولید شده طی فرآیند SRS…………………. 27

جدول3-1 مقایسه ویژگی های لیزرهای رامان فیبری با چیدمان های مختلف…………………….. 39

جدول 4-1 پارامترهای مربوط به چیدمان لیزر شکل 4-1……………………………………………………… 60

جدول 4-2 پارامترهای مورد نیاز مربوط به چیدمان آزمایشگاهی لیزر فیبری رامان …………… 63

فهرست شکل ها

شکل 1-1 فیبر با ضریب درجه ای و مرحله ای ………………………………………………………………………. 7

شکل 1-2  دستگاهی که برای کشیدن فیبر استفاده می شود………………………………………………… 8

شکل 1-3  روش ته نشینی بخار تصحیح یافته را نشان می دهد……………………………………………. 9

شکل1-4 جذب بر حسب طول موج یک فیبر تک مد با قطر هسته 9.4 میکرومتر…………….. 11

شکل1-5تلفات و پاشندگی فیبرها و فیبر خشک که میزان یون OHدر آن بسیار

پایین است……………………………………………………………………………………………………………………………………. 13

شکل1-6پایستگی انرژی پراکندگی القایی رامان………………………………………………………………………. 17

شکل1-7توصیف مولکولی پراکندگی القایی رامان……………………………………………………………………. 18

شکل2-1 طیف بهره رامان برای سیلیکای فیوز شده در طول موج پمپ 1 میکرومتر………….. 22

شکل2-2 طیف بهره رامان به عنوان تابعی از جابجایی فرکانسی برای مقادیر مختلف

ناخالصی اکسید ژرمانیم………………………………………………………………………………………………………………. 23

شکل2-3 نقاطs1 تا s5 مولفه های استوکس همزمان تولید شده را با استفاده از توان

پالسی 1.06 میکرومتر نشان می دهند………………………………………………………………………………………. 27

شکل 2-4 شمای یک لیزر رامان کوک پذیر…………………………………………………………………………….. 28

شکل2-5 شمای یک صفحه فیبری براگ را نشان می دهد. نواحی تیره و روشن درون

هسته فیبر تغییرات دوره ای ضریب شکست را نشان می دهند…………………………………………….. 30

شکل3-1 طیف بهره رامان برای فیبرهای سیلیکات فسفر و سیلیکات ژرمانیم…………………….. 33

شکل3-2 شمای کلی یک لیزر فیبری رامان…………………………………………………………………………….. 35

شکل3-3 شمای کلی یک لیزر فیبری آبشاری رامان……………………………………………………………….. 36

شکل3-4 شمای لیزر فیبری رامان ترکیبی………………………………………………………………………………. 38

شکل3-5 چیدمان آزمایشی لیزر فیبری رامان چند طول موجی که از چندین صفحه

براگ جابجایی فاز برای سیستم حسگری دوربردتشکیل شده است……………………………………… 40

شکل3-6(a) طیف بازتاب اندازه گیری شده یک صفحه براگ با جابجایی فاز

و شکل3-6 (b) طیف بازتاب اندازه گیری شده یک صفحه براگ

تنظیم پذیر را نشان می دهد……………………………………………………………………………………………………. 41

شکل3-7 طیف خروجی اندازه گیری شده لیزر رامان چند طول موجی با یک صفحه

براگ جابجایی فاز……………………………………………………………………………………………………………………….. 42

شکل3-8 جابجایی طول موج لیزر به عنوان تابعی از دما. حساسیت دمایی هر دو طول

موج یکسان است و حدود  است……………………………………………………………………………….. 43

شکل3-9 جابجایی طول موج لیزر به عنوان تابعی از فشار……………………………………………………… 43

شکل3-10 چیدمان لیزر رامان فیبری دوبار عبور تنظیم پذیر پرتوان……………………………………. 45

شکل 3-11 طیف مولفه های استوکس آبشاری در ناحیه 527-360 نانومتر تولید شده

در نتیجه گسیل پمپ لیزر یک بار عبور از فیبر رامان…………………………………………………………….. 45

شکل 3-12 مولفه های استوکس آبشاری در ناحیه1.01-0.54 میکرومتر تولید شده در

نتیجه گسیل پمپ لیزر یک بار عبور از فیبر رامان…………………………………………………………………… 46

شکل4-1 لیزر رامان فیبری سیلیکات فسفر با تولید دو مولفه استوکس……………………………….. 48

شکل 4-2 بازتاب پرتو از صفحه براگ0 را نشان می دهد. …………………………………………………….. 50

شکل 4-3 بازتاب صفحات براگ از جفت صفحات 1و4 را نشان می دهد. نوری

که درون کاواک تشکیل شده از صفحات 1 و 4 رفت و برگشت می کند

در هر بار عبور از 4 نقطه اتصال و 2 صفحه براگ عبور می کند……………………………………………. 50

شکل4-4  بازتاب صفحات براگ از جفت صفحات2و3 را نشان می دهد. …………………………….. 51

شکل 4-5 چیدمان آزمایشگاهی لیزرآبشاری فیبری رامان …………………………………………………….. 63

شکل5-1 شبکه نقاط گسسته روی بازه تناوبی ………………………………………………………. 72

شکل5-2 نقاط شبکه چبیشف روی بازه ………………………………………………………………….. 75

شکل5-3 لیزر رامان فیبری سیلیکات فسفر با تولید دو استوکس………………………………………….. 81

فهرست نمودارها

نمودار4-1 توان های رفت و برگشت موج های پمپ و مولفه های استوکس رسم شده

توسط نرم افزار مطلب با استفاده از روش تقریب اولیه…………………………………………………………… 61

نمودار4-2 توان های رفت و برگشت موج های پمپ و مولفه های استوکس رسم شده

توسط نرم افزار مطلب در مقایسه با یکدیگر………………………………………………………………………………. 62

نمودار4-3 توان خروجی مولفه دوم استوکس  بر حسب توان ورودی پمپ

نقاط مثلثی، داده های تجربی، خط چین نمودارعددی با ضریب عبور1درصد و خط صاف

نمودار عددی با ضریب عبور 15 درصد را نشان می دهد………………………………………………………… 64

نمودار4-4 توان خروجی مولفه دوم استوکس  بر حسب توان ورودی پمپ

با استفاده از روش تقریب اولیه…………………………………………………………………………………………………… 65

نمودار5-1 توان های رفت و برگشت موج های پمپ و مولفه های استوکس رسم شده

توسط نرم افزار مطلب با استفاده از حل گر عددی ode45……………………………………………………… 68

نمودار5-2 توان های رفت و برگشت موج های پمپ و مولفه های استوکس رسم شده

توسط نرم افزار مطلببا استفاده از حل گر عددی ode45 در مقایسه با یکدیگر ………………….. 69

نمودار5-3 توان های رفت و برگشت موج های پمپ و مولفه های استوکس رسم شده

توسط نرم افزار مطلببا روش تقریب اولیه به صورت خط و با استفاده از حل گر عددی

ode45به صورت ستاره……………………………………………………………………………………………………………….. 7

نمودار5-4 توان های رفت و برگشت موج های پمپ و مولفه های استوکس رسم شده

توسط نرم افزار مطلب با روش طیفی چبیشف……………………………………………………………………….. 78

نمودار5-5 توان های رفت و برگشت موج های پمپ و استوکس ها رسم شده توسط

نرم افزار مطلب با روش طیفی چبیشف به صورت خط صاف در مقایسه با روش

حل گر عددیode45 به صورت ستاره…………………………………………………………………………………….. 78

نمودار5-6 توان های رفت و برگشت موج های پمپ و مولفه های استوکس رسم شده

توسط نرم افزار مطلب با روش طیفی چبیشف به صورت علامت مثبت در مقایسه با

روش تقریب اولیه به صورت خطوط صاف سیاه رنگ………………………………………………………………. 80

نمودار 5-7 توان پمپ و مولفه های استوکس اول و دوم در مسیر رفت و برگشت………………. 8

چکیده

در دهه های اخیر لیزرهای فیبری آبشاری رامان به خاطر بازه فرکانسی وسیع و کاربردهای متنوعی که دارند بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.

در این بررسی چیدمان آزمایشگاهی لیزر فیبری رامان را در نظر گرفته و معادلات مربوط بهتوان پرتوهای پمپ و مولفه های استوکس اول و دوم را می نویسیم.سپس این معادلات را که به صورت دستگاه معادلات دیفرانسیل غیر خطی مرتبه اول با شرایط مرزی در ابتدا و انتهای فیبر هستند،با اعمال تغییر متغیر و با استفاده از الگوریتم تقریب اولیه به صورت دستگاه معادلات خطی با شرایط اولیه در آورده و با روش تحلیلی و تهیه برنامه آن در نرم افزار متلب، حل نموده ونمودارتوانپرتوهای پمپ و مولفه های استوکس رفت و برگشت را برحسب طول فیبر رسم می کنیم.

در مرحله بعد معادلات مربوطه را به دو روش عددی حل گرode45 و روش طیفی با استفاده از نرم افزار متلب حل نموده و نمودار توان پرتوهای پمپ و مولفه های استوکس رفت و برگشت را برحسب طول فیبر با این دو روش رسم می نماییم.

در نهایت می توان دید که نمودارهای رسم شده توان پمپ و مولفه دوم استوکس برحسب طول فیبر به روش تحلیلی، با نمودارهای مشابه به روش های عددی ode45 و روش طیفی بر هم منطبقند و نمودار رسم شده توان مولفه اول استوکسبه روش عددی ode45 با نمودار های مشابه با دو روش دیگر کاملا منطبق نیستند اما توافق خوبی با هم دارند.

هم چنین نمودار توان پمپ و مولفه های اول و دوم استوکس را که از طریق داده های تجربی مربوط به چیدمان آزمایشگاهی بدست آمده اند، با نمودارهای مشابه بدست آمده از روش های عددی مقایسه می نماییم. دیده می شود که نمودار تجربی نیز با نمودارهای رسم شده توسط روش های تحلیلی و عددی توافق نسبتا خوبی نشان می دهند. به گونه ای که برای مثال توان پمپ پیشرو در نمودار تجربی از مقدار حدود 5/4 واتدر ابتدای فیبر به مقدار 1 وات در انتهای فیبر می رسد. در حالی که سایر نمودارها متفقا این مقدار را  حدود  5/4 وات در ابتدای فیبر و 5/0 وات در انتهای فیبر پیش بینی می کنند.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.