اصولاً کالریمتر یک روش اساسی اندازه گیری دوز جذب است ، ولی غیر حساس بوده و معمولاً نیاز به وسائل پیچیده ای دارد ، به آسانی قابل حمل نبوده و به طور تجاری در دسترس نمی باشد ، به کندی عمل نموده و از زمانی که برای اندازه گیری تنظیم می شود مدتی طول می کشد تا به پایداری حرارتی برسد .
در نتیجه کالریمتر معمولاً برای کارهای استاندارد و یا کاربردهای تحقیقاتی محدود می شود .
کالریمترها از نظر اندازه گیری به دو نوع هم دما ( ایزوترم ) و غیر هم دما تقسیم می شوند .
کالریمترهای هم دما ، مانند کالریمتر یخی ، تغییرات فازی در یک درجه حرارت مشخص را که در اثر جذب انرژی به وجود می آید ، اندازه گیری می نمایند .
حال آنکه کالریمترهای غیر هم دما مقدار انرژی جذب شده را توسط تغییرات درجه حرارت اندازه گیری نموده ، و معمولاً به دو صورت با درجه حرارت محیط ثابت و بی دررو ( آدیاباتیک ) مورد استفاده قرار می گیرند .
کالریمتر های هم دما : از دیر باز برای اندازه گیری فرآیند های حرارتی طولانی مدت استفاده می شده است .
مخلوط آب و یخ جدا شده از محیط اطراف ، قادر است درجه حرارت ثابت و تکرارناپذیری تا حدود ˚C4-10 را ایجاد نماید .
در این گونه کالریمترها ماده جاذب انرژی مخلوط آب و یخ بوده که عملاً هیچگونه تبادل انرژی با پوشش آب_یخ اطراف آن نداشته و با جذب انرژی تغییراتی در حجم یخ کالریمتر در اثر تغییر فاز یخ به آب به وجود می آید .
بنابراین چنانچه آب و یخ در تعادل ترمودینامیکی باشند ، مقدار یخی که تغییر فاز می دهد متناسب با انرژی توزیع شده در ماده جاذب است .
این نوع کالریمترها در اندازه گیری های میکروکالیمتری( برای اندازه گیری اشعه ) مناسب نیستند .
کالریمترهای غیر هم دما : الف _ با توجه حرارت محیط ثابت : در این نوع کالریمترها ماده جاذب انرژی در پوششی با درجه حرارت ثابت و یکنواخت محصور بوده و معمولاً از آن برای اندازه گیری فرآیندهای حرارتی کوتاه مدت ، خصوصاً با تندی ثابت استفاده می شود .
مزیت این کالریمترها در این است که انرژی مبادله شده توسط جاذب کالریمتر با پوشش توسط قوانین شار انرژی قابل محاسبه و اصلاح است .
برای پوشش درجه حرارت ثابت معمولاً از مخلوط آب و یخ استفاده می شود .
ب _ کالریمترهای بی دررو : چنانچه جسمی هیچگونه تبادل حرارتی با محیط نداشته باشد ، بنا به تعریف تعادل بی دررو دارد .
و این در صورتی است که درجه حرارت جسم و محیط اطرافش همواره یکسان باشد .
در یک سیستم کالریمتری چنانچه تغییرات درجه حرارت در اثر اتلاف حرارت نسبت به درجه حرارت قابل اندازه گیری ناچیز باشد ، عملاً آن را سیستم بی دررو می نامند .
در این سیستم ها ماده ای که دوز جذب در آن اندازه گیری می شود ، به نام ماده جاذب یا عنصر حرارتی ، با توده ای از مواد ، معمولاً به نام پوشش ، محصور شده و مجموعه در داخل جرم بیشتری از مواد به نام محافظ محصور وجدا می شود .
بسته به نحو کار کالریمتر در داخل یا برخی قسمتها ، اعم از عنصر حرارتی ، پوشش و حفاظ وسایل حساس به درجه حرارت ( ترمیستر یا ترموکوپل ) و گرم کن الکتریکی نصب شده است .
با استفاده از این وسائل پوشش اطراف ماده جاذب به گونه ای کنترل می شود که همواره درجه حرارت ماده جاذب را داشته باشد .
مزیت این سیستم ها کاهش اتلاف حرارتی و اشکال آن عدم امکان ارزیابی یا اصلاح این اتلاف ، هر چند جزئی ، می باشد .
ج – کالریمترهای شبه بی دررو : در این سیستم برای کاهش اتلاف حرارت ، درجه حرارت پوشش به گونه ای تغییر داده می شود که همواره تبادل حرارتی با ماده جاذب کالریمتر ناچیز باشد .
به علاوه در این سیستم می توان اتلاف حرارتی هر چند ناچیز را با استفاده از منحنی درجه حرارت _ زمان در عنصر حرارتی ارزیابی نمود .
اصول این نوع کالریمتر را می توان به راحتی با شکل شماتیکی10-1 توضیح داد .
ملاحظه می شود عنصر حرارتی ( ماده جاذب کالریمتر ) توسط پوشش احاطه شده و تغییر درجه حرارت پوشش توسط حفاظ اطراف آن و از طریق یک مکانیزم کنترلی بیرونی انجام می شود .
در این شکل منحنی های تغییرات درجه حرارت ماده حاجب ، پوشش و حفاظ اطراف آن نسبت به زمان برای یک اندازه گیری کالریمتری نشان داده شده است .
درجه حرارت حفاظ قبل از آغاز اندازه گیری برای مدتی ثابت نگه داشته می شود تا درجه حرارت ماده جاذب و پوشش ان نیز به درجه حرارت تعادل برسد .
چنانچه این زمان به قدر کافی باشد ، میزان تغییرات درجه حرارت به مقادیر بسیار ناچیزی کاهش می یابد .
به عبارت دیگر مبادله حرارت با پوشش ناچیز می شود .
در این لحظه می توان تابش پرتو به کالریمتر را آغاز نمود .
همزمان با تابش پرتو با تندی معین ، بایستی درجه حرارت پوشش نیز با اعمال انرژی با همان تندی افزایش یابد.
زیرا چنانچه افزایش میزان درجه حرارت در هر دو یکسان باشد ، مبادله حرارت کماکان ناچیز باقی می ماند .
برای این کار درجه حرارت حفاظ در طول تابش پرتو بایستی درجه حرارت ماده جاذب را به طور خطی تعقیب نموده و با همان تندی افزایش یابد .
کنترل بی دررو درجه حرارت حفاظ می تواند به طور دقیق توسط کنترل فیدبک خودکار انجام شود .
در انتهای زمان تابش اشعه ، به طور همزمان کلیه اعمال حرارتی قطع می شود .
در این حالت سیستم در وضعیت جدیدی از حالت تعادل بوده و می تواند اندازه گیری جدیدی را شروع نماید .
در صورت کنترل صحیح درطول اندازه گیری مبادله ناجیز حرارت نبایستی تغییر نماید .
اگر مبادله حرارتی بین ماده جاذب و پوشش در آغاز آزمایش صفر بوده و میزان افزایش درجه حرارت در هر دو دقیقاً یکسان باشد، سیستم آدیاباتیک کامل بوده و نیازی به هیچگونه اصلاحی ندارد .
ولی عملاً آغاز آزمایش مبادله حرارتی ناچیزی وجود داشته و میزان افزایش درجه حرارت جاذب و پوشش و حفاظ کاملاً یکسان تنظیم نمی شود ، بنابراین در انتهای اندازه گیری مبادله حرارتی متفاوتی وجود دارد .
با ثبت منحنی های درجه حرارت –زمان در کالریمتر و مشخص شدن سابقه درجه حرارت پوشش ، هر گونه اتلاف انرژی می تواند ارزیابی شده و اصطلاحاً مربوط به آن در محاسبه دوز جذب اعمال شود .
کالریمتری که در 1956 برای اندازه گیری دوز جذب استفاده شد ، یک کالریمتر همگن بود که به روش شبه بی دررو عمل می نمود .
در این نوع کالریمترها جرم کمی از ماده جاذب با جرم بیشتری از همام ماده محصور شده و به وسیله یک شکاف باریک و تخلیه شده از هوا از نظر حرارتی جدا می گردد .
پوشش به نوبه خود با جرم بیشتری از مواد به صورت حفاظ محصور و جدا می شود .
هنگام تابش به روش شبه بی دررو عمل شده و درجه حرارت پوشش دقیقاً درجه حرارت عنصر حرارتی را تعقیب می نماید .
با افزایش درجه حرارت پوشش تا درجه حرارت عنصر حرارتی ، می توان اتلاف حرارتی آن را کاهش داد .
اتلاف حرارت از پوشش به طرف حفاظ پدیده مرتبه دوم است .
در این کالریمترها هنگام درجه بندی مقدار معینی انرژی حرارتی به گرم کن نصب شده در عنصر حرارتی داده می شود .
چنانچه عنصر حرارتی در کالریمتر آب با ظرفیت حرارتی ویژه در حدود J/kg˚C4200 باشد ، برای دوز جذب 2 گری ( rad 200 )، معادل دوز جذب روزانه در یک نمونه رادیوتراپی ، افزایش درجه حرارت برابر ˚C 0005/0 خواهد بود .
برای اندازه گیری این درجه حرارت با دقت 1% بایستی سیستم اندازه گیری قادر به آشکارسازی تغییرات درجه حرارت تا حدود چند میلیونیم درجه سانتی گراد باشد .
اگر ماده تحت تابش مانند بسیاری از کالریمترها کربن باشد ، افزایش درجه حرارت حدود 6 مرتبه بزرگتر خواهد بود ، ولی هنوز اندازه گیری دقیق دارای مشکلاتی می باشد .
در اندازه گیری مقدار کم انرژی ، یک تبادل بسیار ناچیز حرارت بین جرم جدا شده با محیط اطرافش می تواند تاثیر قابل توجهی بر روی اندازه گیری داشته باشد .
چنانچه برای بهتر مشخص نمودن نقطه اندازه گیری عنصر حرارتی کوچک ساخته شود ، نسبت سطح به حجم آن افزایش یافته و این امر سبب تشدید پدیده تبادل حرارتی می شود .
در عمل دلایل دیگری هم برای عدم کاهش جرم عنصر حرارتی وجود دارد .
همان گونه که قبلاً ذکر شد ، عنصر حرارتی نیاز به ترمیستور و گرم کن دارد و اینها از موادی متفاوت با آن ساخته شده و بنابراین پرتو را به طریقه دیگری جذب می نمایند .
بنابراین جرم عنصر حرارتی در مقایسه با جرم مواد داخل آن بایستی بزرگ باشد تا سبب اختلال جدی در اندازه گیری ها نشود .
پیچیدگی بیشتر به خاطر آن است که تمام آثار حرارتی در عنصر حرارتی الزاماً به خاطر انرژی انتقالی ، آن گونه که در تعریف دوز جذب ذکر شده ، نمی باشد .
تابش می تواند در عنصر حرارتی تغییرات شیمیایی حرارت زا یا حرارت گیر ایجاد نماید و یا انرژی می تواند در شبکه کریستالی ذخیره شود .
جنس عنصر حرارتی می بایستی با دقت انتخاب شود به طوری که دارای نقص حرارتی ناچیز و یا دقیقاً شناخته شده باشد .
معادله اصلی که دوز جذب D ، در یک نقطه در عنصر حرارتی را با انرژی آزاد شده Eh به صورت حرارت ، و انرژی ذخیره شده Es به صورت شیمیایی یا فیزیکی ، در عنصر حرارتی ارتباط می دهد ، به صورت زیر است : Es نقص حرارتی نامیده شده و چنانچه انرژی در شبکه کریستالی ذخیره شده و یا یک واکنش انرژی خواه به وجود آید مثبت است .
مقدار آن برای واکنشهای انرژی زا منفی می باشد .
از این جهت مواد ساده مانند فلزات یا کربن کمترین مشکل را دارند .
چنانچه ماده کالریمتر متفاوت از ماده ای باشد که در نظر است دوز جذب در آن به دست آید ، انتقال دوز جذب از ماده کالریمتر به ماده مورد نظر دارای مشکلاتی می باشد .
اولاً مواد متفاوت به طرق مختلف برروی میدان تابش تاثیر گذاشته و تولید شارهای تابشی متفاوتی در دو ماده می نماید .
ثانیاً بر طبق ضرائب جذب انرژی و قدرت توقف در مواد مختلف ، نسبتهای مختلفی از انرژی تابشی جذب می شود .
مشکل دوم در تمام دوزیمترهائی که مواد جاذب آنها متفاوت از ماده دوزیمتر است ، مشترک می باشد .
ساختن کالریمترهای دوز جذب مشکل است ، زیرا از چندین قسمت ساخته شده که می بایستی از یکدیگر از نظر حرارتی نارسانا بوده ولی تمامی آنها دارای سیمهای الکتریکی برای سنسورهای درجه حرارت و المانهای حرارتی می باشند .
یک کالریمتر ساده دوز جذب آب توسط ( 1980 ) Domen معرفی شده که اساساً شامل یک ترمیستور با قطر mm2/0 بین دو لایه بسیار نازک پلی اتیلن می باشد ، و به طور افقی در داخل چهارچوب پلاستیکی نصب شده و درداخل یک تانک آب جدا قرار می گیرد .
پرتو از بالا به سطح آب می تابد و بنابراین لایه پلی اتیلن مانع از جابه جایی آب در اثر گرادیان حرارتی در داخل تانک می شود .
نفوذپذیری حرارتی کم آب ، امکان اندازه گیری تندی دوز جذب در آن را تا حدود Gy.min-1 4 ( 400 راد در دقیقه ) با دقت 5% فراهم می نماید .
اندازه گیری با این وسیله پس از توسعه در ساختمان و نحوه کار آن مقادیر دوز جذب پرتوCo 60 را حدود 5/3 % بیشتر از مقادیر اندازه گیری شده با کالیمتر کربنی نشان می دهد .
این اختلاف به نقص حرارتی در آب مربوط شده و استفاده بیشتر از کالیمترهای آبی نیاز به تحقیقات بیشتر در زمینه نقص حرارتی دارد .
در دوزیمتری به روشهای کالریمتری مشکلات اصلی عدم حساسیت آنها و کمی اطمینان از تبادل حرارتی ناچیز بین عنصر حرارتی و محیط اطرافش در شرایط آزمایش می باشد .
در حالتهای ویژه ای این مسائل می تواند نادیده گرفته شود .
مثلاً هنگام اندازه گیری پرتوهای شدید در پرتو پالسی می توان از کالریمتر استفاده نمود .
زیرا مقدار زیادی انرژی برای جذب شدن وجود داشته و زمان تابش به قدری کوتاه است که فرصت کمی برای تبادل حرارتی وجود دارد .
البته برای اندازه گیری تندی دوز جذب از روشهای دیگری استفاده می شود .
به هر حال از دوزیمتری به روش کالریمتری در بخش کوچکی از اندازه گیری ها استفاده شده و بایستی روشهای دیگری با حساسیت بیشتر مورد مطالعه قرار گیرد .
Perkin Elmer DSC-7 Calorimeter with Chiller unit and cables