بررسی اثر پرتوی الکترون بر مقاومت مکانیکی و حرارتی لوله های آبیاری قطره ای

لوله های آبیاری قطره ای به عنوان بخش مهمی از سامانه های نوین آبیاری، در معرض شرایط محیطی و تنش های مکانیکی قرار دارند و پایداری آنها نقش تعیین کننده ای در کارایی سیستم دارد. در سال های اخیر استفاده از پرتوی الکترون برای تغییر خواص پلیمرها، افزایش مقاومت مکانیکی و بهبود پایداری حرارتی مورد توجه بوده است، اما میزان و نحوه تاثیر این تابش بر مواد به کاررفته در لوله های آبیاری همچنان به صورت دقیق مشخص نیست. از سوی دیگر، تعیین دز مناسب و منطقه اثر تابش نیازمند ترکیب روش های تجربی و شبیه سازی پیشرفته است. بنابراین لازم است تاثیر پرتوی الکترون بر خواص مکانیکی و حرارتی این لوله ها با استفاده از آزمایش عملی (احتمالا در رودترون یزد) و شبیه سازی عددی با نرم افزارهای Geant4 و MCNP به طور هم زمان بررسی شود تا رابطه میان دز جذب شده، توزیع انرژی و تغییرات ساختاری پلیمر مشخص گردد. این تحقیق می تواند به بهینه سازی فرآیند پرتودهی و افزایش دوام لوله های آبیاری کمک کند. پرتودهی با الکترون طی دهه های اخیر به عنوان یک فناوری موثر برای اصلاح ساختار و بهبود خواص پلیمرها در صنایع مختلف از جمله بسته بندی، پزشکی، کشاورزی و الکترونیک به کار گرفته شده است. مطالعات مروری و گزارش های سازمان بین المللی انرژی اتمی نشان می دهند که استفاده از مدل سازی ریاضی و شبیه سازی مونت کارلو بخش جدایی ناپذیر از طراحی فرایندهای پرتودهی در صنعت است و نقش مهمی در تعیین توزیع دز، یکنواختی تابش و طراحی هندسی فرآیند دارد (IAEA, 2010) (فایل: STI_PUB_1474 - Pub1474_Web.pdf). این منابع تاکید می کنند که پیش بینی رفتار پرتوی الکترون در مواد پلیمری نیازمند ترکیب داده های تجربی و مدل سازی عددی است. از سوی دیگر، مطالعات دزیمتری انجام شده روی شتاب دهنده های 2٫5 تا 10 MeV نشان داده اند که پارامترهای باریکه، از جمله انرژی، توزیع زاویه ای، جریان پرتویی، فاصله پنجره تا نمونه و نوع حرکت اسکن، اثر مستقیمی بر توزیع دز در محصولات دارند. برای مثال، ارزیابی دزیمتری یک شتاب دهنده صنعتی 10 MeV نشان داده است که استفاده از فیلم رادیوکرومیک و کالری متر قادر است میزان دز و یکنواختی آن را با دقت مناسبی تعیین کند و این داده ها برای اعتبارسنجی شبیه سازی ضروری اند (Chilkulwar et al., 2012) (فایل: untitled.pdf). همچنین مدل سازی شتاب دهنده 2٫5 MeV نشان می دهد که انتخاب مدل مناسب برای منبع (نظیر منبع تک جهتی، مخروطی یا سه گوش) می تواند اختلاف قابل توجهی در نتایج MCNP ایجاد کند و بنابراین بازسازی دقیق منبع رودترون یزد نیز برای این پژوهش اهمیت دارد (Kang et al., 2023) (فایل: Characterization of the 2.5 MeV ELV.pdf). مطالعات متعددی نیز به بررسی رفتار نفوذ الکترون و توزیع دز در پلیمرهای متداول نظیر پلی اتیلن کم چگال، پلی اتیلن پرچگال و PVC پرداخته اند. نتایج نشان داده اند که الکترون های انرژی بالا (5 تا 10 MeV) قادر به نفوذ چندسانتی متری در پلیمرهای کم چگال هستند و توزیع دز در لایه های مختلف وابستگی شدیدی به چگالی، ضخامت و ترکیب ماده دارد (Behjat et al., 2003) (فایل: untitled.pdf). این یافته ها برای بررسی لوله های آبیاری قطره ای که عمدتا از پلی اتیلن ساخته می شوند، بسیار حائز اهمیت است؛ زیرا تعیین عمق نفوذ دز و یکنواختی آن به صورت مستقیم با خواص مکانیکی و حرارتی پس از پرتودهی ارتباط دارد. علاوه بر این، پژوهش ها نشان داده اند که پرتودهی می تواند سبب ایجاد cross-linking و بهبود خواص مکانیکی و حرارتی پلیمرها شود؛ با این حال، این اثرات کاملا وابسته به دز، نوع پلیمر و وجود افزودنی های تقویت کننده است. در برخی مطالعات نیز نشان داده شده که تابش بیش ازحد می تواند منجر به تخریب زنجیره های پلیمری و کاهش خواص شود؛ بنابراین تعیین محدوده بهینه دز برای لوله های آبیاری ضروری است (Mirani, 2018) (فایل: PhD_Thesis_Francesco_Mirani.pdf). به رغم وجود مطالعات گسترده در زمینه دزیمتری باریکه های الکترونی و رفتار پلیمرهای معمول، بررسی سیستماتیک تاثیر پرتودهی الکترون بر لوله های آبیاری قطره ای با هندسه استوانه ای، ضخامت های متفاوت و ترکیب های مختلف کمتر مورد توجه قرار گرفته است. همچنین مطالعات اندکی وجود دارند که توزیع دز حاصل از شبیه سازی را مستقیما با آزمون های مکانیکی و حرارتی نمونه های واقعی تابش شده مقایسه کنند. از این رو، پژوهش حاضر با استفاده از ترکیب دو شبیه ساز قدرتمند Geant4 و MCNP و همچنین انجام آزمایش پرتودهی احتمالی در رودترون یزد به دنبال پرکردن این خلا علمی است. این تحقیق علاوه بر ایجاد فهم عمیق تر از رفتار پرتوی الکترون در ساختار لوله های آبیاری، قادر است دستورالعمل های عملی برای تنظیم دز، طراحی تابش و افزایش دوام و کارایی لوله ها ارائه دهد

کلیدواژه ها:

پردازش پرتویی پلیمرها ، پرتوی الکترون ، دزیمتری / توزیع دز ، شبیه سازی مونت کارلو (MCNP ، Geant4) ، لوله های آبیاری قطره ای