فهرست مطالب

فیزیک کاربردی - سال یازدهم شماره 1 (پیاپی 24، بهار 1400)

مجله فیزیک کاربردی
سال یازدهم شماره 1 (پیاپی 24، بهار 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/05/13
  • تعداد عناوین: 6
|
  • مهدی جامه بزرگی*، محمدحسین توکلی صفحات 7-22

    در فرایند رشد بلور به روش چکرالسکی قسمت پایین و هسته بلور گرم تر از قست های دیگر بلور و محیط آن است که این گرادیان دمایی سبب انبساط در قسمت های مختلف بلور می شود. نتیجه این گرادیان گرمایی، کرنش است که در نهایت باعث ایجاد تنش گرماکشسانی در بلور می شود. افزایش این تنش به گذار ماده از حد کشسان و وارد شدن به منطقه پلاستیک می انجامد. برای نشان دادن تنش گرماکشسانی در بلورها از معیاری با نام تنش فون مایسس استفاده می کنند. در این مقاله، با استفاده از معادلات ساختاری مناسب، شبیه سازی عددی میدان دمایی، تنش گرماکشسانی (گرماکشسانی) و چگالی نابه جایی های بلور درحال رشد ژرمانیوم توسط روش چکرالسکی برای طول های مختلف بلور انجام شده است. برای بررسی تراکم نابه جایی از یک تقریب ساده درجه یک، که در آن چگالی نابه جایی متناسب با گرادیان شعاعی دماست، استفاده کرده ایم. این روش در تمام محاسبات، روش عناصر متناهی حالت پایای دو بعدی است. نتایج حاکی از آن است که میدان دمایی و تنش گرمایی و چگالی نابه جایی بلور به طور صریح وابسته به ارتفاع بلور و انتقال گرمای تابشی و جریان گاز در سامانه رشد است. با افزایش ارتفاع بلور و تغییر شکل فصل مشترک بلور مذاب، تنش گرمایی و چگالی نابه جایی افزایش می یابد.

    کلیدواژگان: شبیه سازی عددی، تنش گرماکشسانی، روش چکرالسکی
  • علیدوست رستمی زاده* صفحات 23-33

    مقایسه کننده های تمام نوری می توانند نقش بسیار حیاتی در نسل بعدی مدارهای مجتمع تمام نوری ایفا کنند. در این مقاله، ساختار جدیدی برای طراحی و پیاده سازی یک مقایسه کننده تمام نوری ارایه شده است. برای طراحی این ساختار، از دو حلقه تشدید غیرخطی استفاده شده است. حلقه های تشدید به کاررفته می توانند پرتوهای نوری با طول موج مرکزی nm 1550و شدت نور W/m21/0 را به بین موجبرهای نوری انتقال دهند. نتایج شبیه سازی ها نشان داده است که ساختار پیشنهادی می تواند یک مقایسه کننده تمام نوری یک بیتی را پیاده سازی کند. در ساختار پیشنهادی در حالتی که درگاه X روشن و درگاه Y خاموش است (X>Y)، درگاه خروجی O1 روشن و درگاه خروجی O2 خاموش می ماند. در حالتی که درگاه X خاموش و درگاه Y روشن است (X<Y)، درگاه خروجی O1 خاموش و درگاه خروجی O2 روشن می شود. همچنین، در حالت هایی که درگاه های ورودی هر دو با هم روشن یا هر دو با هم خاموش هستند (X=Y) هر دو درگاه خروجی خاموش می مانند. برای ساختار پیشنهادی، حداکثر زمان صعود نیز برابر ps 5/1 است.

    کلیدواژگان: مقایسه کننده تمام نوری، بلور فوتونی، حلقه تشدید غیرخطی، اثر کر
  • ویدا خدابنده بایگی، لاله رفعت متولی*، علییه حسینیان ازغدی صفحات 34-70

    پرتودرمانی با شدت تعدیل شده، به عنوان یکی از فناوری های نوین پرتودرمانی خارجی در مراکز درمانی مختلف استفاده شده است. لیکن، با وجود مزیت های این روش در مقایسه با روش های پیشین پرتودرمانی خارجی و استفاده از فناوری های جدید در سیستم طراحی درمان و تحویل دز، همچنان خطاهای پرتودرمانی مانعی برای دستیابی به توزیع دز مطلوب در بیماران محسوب می شوند. در این نوشتار، خطاهای موثر در پرتودرمانی با شدت تعدیل شده و حساسیت روش های تضمین کیفیت مختلف در تشخیص و طبقه بندی آن ها بررسی شده است. بر اساس این مطالعات، علاوه بر اهمیت خطاهای انسانی در تحویل باریکه تابشی و مکان دهی صحیح بیماران، خطاهای ابزار های اصلاح باریکه، یکی دیگر از موثرترین منابع عدم قطعیت تحویل باریکه تابشی است، به طوری که در حدود 35%50% از خطاهای پرتودرمانی را شامل می شوند. به همین منظور، روش های تضمین کیفیت متنوعی، مانند آشکارسازهای دیودی، فیلم ها، تصاویر پرتال الکترونیکی، فایل های لاگ و هوش مصنوعی در بررسی خطاهای مکانی کلیماتورهای چندتیغه ای استفاده شده است. از طرف دیگر، برای کاهش عدم قطعیت در محاسبه دز پرتودرمانی، مدل سازی کلیماتورهای چندتیغه ای و تخت درمان در سیستم طراحی درمان نیز باید مدنظر قرار گیرد. بر اساس مطالعات متعدد، تضعیف باریکه تابشی در تخت های درمان مختلف در زاویه گانتری صفر درجه در محدوده بزرگ 4% تا 9% بوده است. این در حالی ا ست که در پرتودرمانی با شدت تعدیل شده، اغلب از باریکه های مایل خلفی استفاده می شود. بنابراین، با شناخت هوشمندانه عدم قطعیت های موجود در فرایند تحویل باریکه تابشی و روش های تضمین کیفیت بیمار، توانایی ما در پیشگیری از حوادث احتمالی و درمان مطلوب بیماران افزایش می یابد.

    کلیدواژگان: پرتودرمانی با شدت تعدیل شده، خطاهای پرتودرمانی، تضمین کیفیت بیمار، شاخص گاما
  • حمدالله صالحی*، نورالله بیننده صفحات 71-81

    در این مقاله، درهم تنیدگی حالت پایه اتم هلیوم و برخی اتم های هلیوم گونه بررسی شده است. محاسبات با در نظر گرفتن تابع موج شعاعی به صورت ترکیب خطی از توابع نمایی و استفاده از آنتروپی فون نیومن و آنتروپی خطی و ماتریس چگالی کاسته انجام شده است. ضرایب و توان های این تابع موج را با استفاده از روش وردشی محاسبه کرده و انرژی و درهم تنیدگی را با توجه به تابع موج بهینه به دست آورده ایم. نتایج نشان دهنده آن است که درهم تنیدگی با افزایش انرژی تمایل به افزایش دارد. همچنین، نتایج بیانگر آن است که با افزایش عدد اتمی (در اتم های هلیوم گونه) برهم کنش الکترون -الکترون ضعیف تر شده و در نتیجه درهم تنیدگی کمتر می شود.

    کلیدواژگان: درهم تنیدگی حالت پایه، اتم هلیوم، اتم های هلیوم گونه، روش وردشی
  • تایماز فتح الهی خلخالی* صفحات 82-95

    در این تحقیق یک بره بلور فوتونی با شبکه مثلثی شامل حفره های هوا در زمینه ماده ناهمسانگرد تلوریم بر زیرلایه ای از تفلون بررسی می شود. در این ساختار به منظور ایجاد یک کاواک غیر خطی، ابتدا اندازه یکی از حفره های هوا را تغییر می دهیم و درون آن را با ماده غیر خطی پلی استیرن پر می کنیم. در ادامه برای به دست آوردن بیشینه مقدار ضریب کیفیت کاواک، با استفاده از روش تفاضل های متناهی در حوزه زمان، تمامی پارامترهای ساختاری بهینه شد. نتایج محاسبات نشان می دهد به ازای پارامترهای بهینه، این کاواک دارای ضریب کیفیت    است. سپس این کاواک به صورت متقارن بین دو موجبر قرار داده شد و یک دستگاه کاواک موجبر ایجاد شد. نتایج نشان داد که می توان در ساختار فوق با تغییر دادن فاصله کاواک و موجبرها، جفت شدگی قوی بین کاواک و موجبرها به وجود آورد و در پایان نمودار دوپایایی نوری برای ساختار بهینه شده کاواک موجبر محاسبه شد. از نتایج می توان دریافت که شدت آستانه کلیدزنی در این ساختار به شکل چشمگیری ناچیز است. در پدیده کلیدزنی نوری شدت آستانه و زمان واکنش ماده غیر خطی استفاده شده دارای اهمیت فراوان است. زمان واکنش پلیمرها نسبت به نیمرساناها به طور چشمگیری کمتر است و با توجه به این که در این تحقیق از ماده پلی استیرن استفاده شده است، در مقایسه با دستگاه های ساخته شده از ماده غیر خطی نیمرسانا دارای مزیت های بیشتری است.

    کلیدواژگان: بره های بلور فوتونی، کاواک ها و موجبر های بلور فوتونی، مواد غیر خطی، روش تفاضل های متناهی حوزه زمان
  • عباس مبشری*، رسول ملک فر صفحات 96-107

    در پی توسعه سریع مکالمه نوری ضروری است که مواد جدید با پاسخ های نوری بسیار سریع و بزرگ برای ساخت کلیدهای نوری و تجهیزات پردازش یافته و تهیه شود. امروزه پژوهشگران بررسی‎های گسترده ای را در زمینه استفاده از مواد با اندازه کوچک تر از میکرومتر و نانومتر برای دامنه وسیعی از کاربردها انجام می دهند؛ مهم ترین این مواد نانوالیاف است. همچنین دی اکسید تیتانیم یکی از مواد بسیار مهمی است که از آن در مکالمه نوری استفاده می شود. در این تحقیق، نانوذرات دی اکسید تیتانیم با فاز آناتاز با استفاده از روش سل-ژل تهیه و با استفاده از تکنیک الکتروریسی به صورت نانوالیاف درآورده شد.  همچنین نانوالیاف با نانوذرات نقره آلاییده شد تا عملکرد بهتری پیدا کند. تجزیه و تحلیل طیف سنجی رامان نیز به منظور اطمینان از خلوص ذرات این ماده انجام شد. مشخص گردید که تمام نمونه ها پودر خالص دی اکسید تیتانیم (TiO2) در اندازه نانو است و هیچ گونه ناخالصی در ساختار آنها وجود ندارد. توزیع ذرات این نانومواد نشان داد که اندازه آنها در محدوده 20-10 نانومتر است. الکتروریسی نانوالیاف در شرایطی انجام شد که فاصله بین سوزن و جمع کننده 10 سانتی متر، سرعت تغذیه 2 میلی لیتر بر ساعت و ولتاژ حداکثر 5/15 کیلوولت بود. همچنین نانوذرات کلوییدی نقره نیز به روش آزمایشگاهی لی و مسیل آماده شد. ساختار الیاف از نظر نوع مواد با دستگاه طیف سنجی رامان، ریخت شناسی با دستگاه میکروسکوپ اپتیکی و قابلیت رسانندگی الیاف به کمک طیف سنجی FT-IR با تعیین ضرایب اپتیکی مورد بررسی و مطالعه قرار گرفت. میکروسکوپ اپتیکی نشان داد که سطح نانوالیاف هموار، مسطح و بدون مهره است. توزیع قطر نانوالیاف نیز بسیار باریک (5±155 نانومتر) بود. طیف سنجی FT-IR نشان دهنده حضور گروه های عاملی هیدروکسیلی بر روی سطح نانوالیاف بود که در طول تهیه نانوالیاف به وجود آمده بود. در نهایت طیف سنجی رامان وجود ناخالصی نانوذرات نقره (2±15 نانومتر) را نشان داد.

    کلیدواژگان: پلی(وینیل پیرولیدون)، الکتروریسی، طیف سنجی رامان، نانوذرات نقره، طیف FT-IR
|
  • Mehdi Jamebozorgi *, MohammadHossein Tavakoli Pages 7-22

    In the process of crystal growth by Czochralski technique, lower part and core of the crystal are warmer than other parts of crystal and its environment, which leads to expansion in different parts of the crystal. The result of this thermal gradient is strain, which eventually causes thermo-elastic stress in the crystal. Increasing this stress leads to transition of the material from elastic limit and entering plastic area. To show thermo-elastic stress in crystals, a criterion called Von Misses stress is used. Using the solid mechanics approach, the mechanical response of crystal to the stresses can be determined through appropriate structural equations. In this paper, using appropriate structural equations, a set of numerical simulations of temperature field, thermal stress and dislocation density for a Czochralski setup used to grow Ge single crystal have been done for different heights of crystal. In order to investigate dislocation density, using a simple first-order approximation, in which the dislocation density is proportional to radial gradient of temperature is used. A two-dimensional steady state finite element method has been applied for all calculations. The numerical results reveal that the thermal field and thermal stress are mainly dependent on the crystal height, heat radiation and gas flow in the growth system. As the height of the crystal increases and the shape of the crystal-melt interface changes, we see an increase in thermo-elastic stress and dislocation density.

    Keywords: Numerical simulation, Thermo-elastic Stress, Czochralski technique
  • Alidoost Rostamizadeh * Pages 23-33

    All-optical comparators can play crucial roles in the next generation of optical integrated circuits. In this paper, a novel structure was proposed for designing and implementing an all-optical comparator. Two nonlinear ring resonators were used for designing the proposed structure. These ring resonators can drop optical waves with central wavelength and optical intensities equal to 1550 nm and 0.1 W/m2, respectively. The simulation results show that the proposed structure can perform optical cooperation. At the proposed structure when X is ON and Y is OFF (i.e. X > Y) O1 will be ON and O2 will be OFF. When X is OFF and Y is ON (i.e. X < Y) O1 will be OFF and O2 will be ON. Finally, when X and Y are in similar states (i.e. X=Y) both output ports will be OFF. By Combining these output states one can implement optical comparison. The maximum rise time is about 1/5 ps.

    Keywords: Optical Comparator, Photonic Crystal, Nonlinear Ring Resonator, Kerr Effect
  • Vida Khodabandeh Baygi, Laleh Rafat Motavalli *, Elieh Hoseinian Azghadi Pages 34-70

    Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT) is one of the modern technologies of external radiotherapy, which underwent widespread clinical adoption in medical centers. Modern radiotherapy makes use of new technologies in design, treatment, and delivery systems. However, despite the advantages of IMRT compared to previous methods, radiotherapy errors are still an obstacle to achieving the desired dose distribution. In this paper, effective errors of the IMRT technique, together with the sensitivity of different quality assurance (QA) procedures in diagnosis are investigated and classified. According to these studies, in addition to the importance of human errors in delivery and patient positioning, beam correction device errors are other most effective sources of delivery errors, responsible for 35% to 50% of radiotherapy uncertainties. Thus, IMRT QA methods such as diode detectors, films, electronic portal images, log files, and artificial intelligence methods have been used extensively to investigate the MLC leaf positioning errors. Moreover, uncertainties of treatment couch design and MLC modeling in TPS should not be underestimated, since numerous studies have demonstrated that various couch tops include non-negligible beam attenuation, ranging from 4% to 9% for a gantry angle of 0. Whereas posterior oblique beams are often used in the IMRT process. This article aims to highlight the importance of recognition and correction of radiotherapy uncertainties and reduce possible accidents during an IMRT process by precisely knowing various IMRT QA procedures.

    Keywords: Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT), Radiotherapy Errors, Quality Assurance (QA), Gamma Index
  • Hamdollah Salehi *, Norallah Binandeh Pages 71-81

    The entanglement of the helium and helium-like atoms have been studied. The calculations are performed considering the radial wave function as a linear combination of exponential functions and making use of Von Neumann entropy, Linear entropy and reduced density matrix. The coefficients and powers of the wave function were calculated using variational method and the energy and entanglement are obtained considering the optimized wave function. The results show that the entanglement tends to increase with increasing energy. The results also show that with increasing atomic number (in helium-like atoms), the electron-electron interaction becomes weaker and as a result the entanglement decreases.

    Keywords: entanglement ground state, helium atom, helium-like atoms, variational method
  • Taymaz Fathollahi Khalkhali * Pages 82-95

    In this study, we consider a photonic crystal slab with a triangular lattice, which consists of air holes with a circular shape in a tellurium background on top of a Teflon substrate. In this structure, by enlarging the size of an air hole and infiltrating it with nonlinear polystyrene material we introduce a nonlinear cavity in the mentioned structures. Then, we optimize the geometrical parameters, using the finite-difference time-domain method, to obtain optimal parameters. The results reveal that the triangular lattice represents a nonlinear cavity with a large quality factor (). The mentioned value is much greater than the reported values in similarly designed structures. Then, the designed high-quality cavity is placed between two waveguides symmetrically, and thus a coupled cavity-waveguide structure is created. These waveguides are used to couple light in and out of the cavity. Our investigation shows that by changing the structural parameters such as distance between the cavity and waveguides, the strong coupling between the cavity and waveguides is obtained. In the end, the optical bistability diagram of the structure corresponding to optimum parameters is presented. It is observed that the threshold power is significantly low in the designed structure. In the optical switching phenomenon, the threshold intensity and the response time of the nonlinear materials are very important. The response time of polymers is significantly shorter than that of semiconductors and due to the use of polymers instead of semiconductors in the current study, the obtained results represent some advantages compared with the previously published results.

    Keywords: Photonic crystal slabs, Photonic crystal cavities, waveguides, Nonlinear material, Finite-difference time-domain method
  • Abbas Mobasheri *, Rasoul Malekfar Pages 96-107

    Regarding the rapid development of optical communication, finding and preparing new materials with very fast and large optical responses are essential for making optical switches and processing equipment. Recently the use of materials smaller than micrometers and nanometers has been studied by researchers for a wide range of applications. The most important of these materials are nanofibers. Also, titanium dioxide is used as one of the most important materials in the field of optical communication. In this research, titanium dioxide nanoparticles with anatase phase were prepared using the sol-gel method and transformed into nanofibers using the electrospinning technique. To improve the performance of these nanofibers, they were also doped with silver nanoparticles. Raman spectroscopy was performed to ensure the purity of the particles of this material. It was found that the samples are all pure titanium dioxide (TiO2) powder in nanoscale and there are no impurities in their structure. The particle distribution of these nanomaterials showed that their size is in the range of 10-20 nm. Conditions for nanofiber electrospinning are: 10 cm distance between the needle and the collector, the feed rate of 2 mL/h, and the maximum voltage used was 15.5 kV. Also, silver colloidal nanoparticles were prepared by Li and Masil experimental method. The structure of fibers was studied in terms of material type using Raman spectroscopy and morphology with an optical microscope and fiber conductivity by FT-IR spectroscopy by determining optical coefficients. Optical microscopy showed that the surface of the nanofibers was smooth and flat and without beads. The diameter distribution of nanofibers was also very narrow (155±5 nm). FT-IR spectroscopy showed that on the surface of nanofibers, there were hydroxyl functional groups that were formed during the preparation of nanofibers. Finally, Raman spectroscopy showed the presence of impurities of silver nanoparticles (15±2 nm).

    Keywords: Polyvinyl pyrrolidone, Electric spinning, Raman Spectroscopy, silver nanoparticles, FTIR spectrum