بهینه‌سازی دستگاه تشخیص فلزات کمیاب با استفاده از شبیه‌سازی مونت کارلو

در این پژوهش، ابتدا یک سیستم طیف‌سنجی اشعۀ ایکس فلورسانس با هدف تشخیص و اندازه‌گیری عناصر کمیاب طراحی شد و سپس به روش مونت کارلو در نرم‌افزار mcnpx، شبیه‌سازی و توسعه داده شد. با توجه به نتایج اجراهای متفاوت کد شبیه‌سازی، بهترین عملکرد سیستم تشخیص عناصر کمیاب در فواصل حدود cm3 و cm30، به ترتیب برای فاصلۀ چشمه تا نمونه (ssd) و فاصلۀ چشمه تا آشکارساز (sdd) تعیین شد. به علاوه، مقدار بیشینۀ شدت پرتوی اشعۀ ایکس واردشده به آشکارساز برای موازی‌ساز به قطر mm 3 حاصل شد. همچنین نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که عدم حضور محافظ سربی در اطراف دیواره‌های فلزی خارجی آشکارساز، حتی با وجود استفاده از موازی‌ساز سربی در ورودی پنجرۀ آشکارساز، باعث افزایش ورود پرتوهای زمینه به آشکارساز و در نتیجه کاهش دقت طیف‌سنجی در تشخیص عناصر کمیاب خواهد شد. حد کمینۀ تشخیص غلظت فلزات زرنیخ، سرب، جیوه، روی، مس و آهن به ترتیب mg/kg 0.17، 0.40، 18.40، 20.00، 146.00 و 266.67 محاسبه شد. با توجه به غلظت و حد آلایندگی این عناصر، دستگاه تشخیص فلزات کمیاب طراحی‌شده برای نمونه‌های تحقیقاتی و آموزشی، به ویژه در نمونه‌های محیط زیستی و کشاورزی، بسیار کاربردی و مفید خواهد بود.

Research Paper :Optimization of Trace Metals’ Detection Device Using Monte Carlo Simulation

In this study, a fluorescence Xray spectroscopy system was designed by the Solidworks computer code to detect and measure trace metals. Then, the designed device was simulated and developed by the Monte Carlo method in MCNPX software. The most excellent performance of the trace element detection system was respectively found at 3 cm and 30 cm for sourcetosample distance (SSD) and sourcetodetector distance (SDD), respectively. According to the results of different runs of the simulation code, the largest intensity of absorbed Xray by the detector was obtained for the collimator’s diameter of 3 mm. In addition, the absence of lead shielding around the surrounding metal walls of the detector, even with the use of a lead collimator at the entrance of the detector window, increases the entrance of background beams to the detector and so, it will cause the reduction of spectroscopic accuracy in detecting trace elements. The least amounts of concentration for detecting arsenic, lead, mercury, zinc, copper, and iron were calculated as 0.17 mg/kg, 0.40, 18.40, 20.00, 146.00, and 266.67 mg/kg, respectively. Due to the concentration and level of pollution of these elements, the rare metal detection device designed for research and educational samples, especially in environmental and agricultural samples, will be extremely practical and useful.