next_inactive up previous


Разработка метода расчета вторичного излучения из рабочего тела двигателей (аргон, ксенон), используемого как защита от галактических космических лучей (ГКЛ) и солнечных космических лучей (СКЛ), и его вклада в поглощенную и эквивалентную дозу

НИИЯФ МГУ, ГНЦ РФ ИМБП РАН


Date: Москва, 2008

Содержание

Введение2

Модель космического аппарата2

Моделирование спектра космических лучей4

Методика анализа данных6

Выход вторичного излучения из слоев аргона и ксенона7

Выход вторичного излучения из атмосферы аргона13

Выход вторичного излучения из слоя меди17

Расчет поглощенных доз от первичного и вторичного излучения22

Заключение28

Список литературы29

Введение

Представляемая работа выполнялась по договору между государственным научным центром Российской Федерации «Институт медико-биологических проблем Российской академии наук» и научно-исследовательским институтом ядерной физики имени Д.",В.",Скобельцина (МГУ). По договору требовалось разработать метод расчета вторичного излучения из рабочего тела двигателей и вещества корабля и магнитной защиты и его вклада в поглощенную и эквивалентную дозы. В работе требовалось изучить возможность создания модели, позволяющей рассчитывать воздействие космических лучей на материалы, используемые в межпланетной космической технике, и получить характеристики вторичного излучения, рождаемого при этом взаимодействии.

Для расчета взаимодействия частиц космического излучения с веществом модели космического аппарата был использован пакет GEANT. Компьютерное моделирование методом Монте-Карло с помощью пакета GEANT часто производится в задачах расчета дозовых нагрузок в космических полетах. При работе с GEANT создается геометрическое описание, адекватно воспроизводящее объекты реальности, что позволяет рассчитать распределения излучений и доз в любой точке исследуемого объема. При этом учитываются состав и физические свойства применяемых материалов, магнитные и электрические поля. С помощью GEANT моделируются электромагнитные процессы, а также адронные взаимодействия на основе библиотеки экспериментальных сечений.

Программа, созданная на основе библиотеки GEANT, позволяет получить информацию о распределении частиц вторичного излучения внутри моделируемых объемов, их энергии, о процессах взаимодействия этих частиц со средой. Доступно большое количество пакетов физических процессов, основанных на различных моделях и аппроксимациях экспериментальных данных, включая электромагнитные, адронные и ядерные взаимодействия. Также GEANT позволяет учитывать влияние магнитных и электрических полей на траектории частиц. При выполнении данной работы использовалась библиотека GEANT версии 4.9, полученная с сайта CERN (www.cern.ch/geant4).

Модель космического аппарата

В моделировании было учтено два варианта геометрии космического аппарата (КА). Более точное воспроизведение реального космического аппарата требует учета его реальной формы и размеров. Однако значительная часть исследуемых явлений позволяет использовать для расчета упрощенную уменьшенную модель, что резко уменьшает требуемое процессорное время.

Точная модель космического аппарата представляет собой цилиндр с внешним радиусом 2 м, длиной 32 м. Оболочка космического аппарата состоит из внешней и внутренней металлических стенок толщиной 1,5 см и слоя сжиженного газа (рабочего тела двигателя) между ними. В качестве материала стенок был использован алюминий. Рассматривались случаи, когда рабочее тело двигателя представляет собой жидкий аргон, либо жидкий ксенон с разными толщинами. Внутри космический аппарат заполнен воздухом. Состав и свойства материалов модели космического аппарата приведены в табл.",1.

Рис.: Модель космического аппарата.
\includegraphics[width=90mm]{01.eps}

На рис.",1 показан результат моделирования, в котором цилиндрическая модель космического аппарата облучается изотропными космическими лучами.

Для расчета состава и спектральных характеристик вторичного излучения из материала стенок не требуется проводить моделирование такого большого объема. Это неэффективно с точки зрения определения доз в фантоме небольшого объема, находящегося внутри космического аппарата. Поэтому дополнительно была создана геометрическая модель меньшего размера, где космический аппарат представлен сферой радиусом 2 м. В остальном параметры уменьшенной модели соответствуют основной: стенки состоят из двух слоев алюминия толщиной 1,5 см, между которыми находится сжиженный газ. Уменьшенная модель космического аппарата изображена на рис.",2.

Рис.: Уменьшенная модель космического аппарата.
\includegraphics[width=90mm]{small_model.eps}

Необходимо отметить, что все приводимые результаты отвечают случаю, когда модель находится в вакуумной среде без каких-либо магнитных и электрических полей.

Моделирование спектра космических лучей

Для создания потока излучения, соответствующего космическому излучению в межпланетном пространстве, был создан специальный генератор событий.

Частицы, входящие в состав космических лучей, генерируются на сфере с радиусом на 10 см больше размера модели. Направление импулся выбирается случайно. Тип генерируемых частиц и их энергия соответствуют данным из [1], и в этих диапазонах также генерируются случайно. В процессе работы программы создается файл kontrol.txt, в который записывается тип и энергия каждой созданной частицы, что позволяет проконтролировать правильность получающихся распределений. В табл.",1 приведены частоты генерации различных частиц в одном из реальных запусков программы. Энергия генерируемых в этом случае частиц показана на рис.",3.

Рис.: Спектр генерируемых частиц КЛ. Масштаб относительный.
\includegraphics[width=120mm]{ispec.eps}

Ниже приводится описание использованного в генераторе событий приближения. Из экспериментального распределения энергий космических лучей, взятого из PDG [1], были извлечены точки, соответствующие энергии протонов. По этим точкам была сделана аппроксимация полиномом, по которой и производится расчет в программе. Протонный спектр используется для расчета энергии и других частиц, поскольку их спектры совпадают по форме. Получаемые энергии в МэВ/нукл домножаются на число нуклонов в ядре. Доля каждого типа частиц в спектре выбирается в соответствии с таблицей, приведенной в техническом задании.


Таблица: Распространненость ядер в космическом излучении. Результат генерации в программе.
Тип ядра Число ядер $ ^{59}$ Co

Для расчета поглощенных доз была произведена нормировка потока излучения на 1 сек. Нормировка генератора событий производилась следующим образом. В максимуме спектра протонов (215,4 МэВ) на сферу диаметром 4 м падает 1590 протонов с энергией $ E_{max}\pm 0,5$ МэВ в секунду. Максимум сгенерированного спектра в этой области составляет 60 протонов на 100000 начальных частиц. Таким образом одной секунде реального времени соответствует $ \approx$ 2,5 млн начальных частиц. В случае полномасштабной модели"-- 160 млн начальных частиц в секунду. Все данные приводятся в пересчете на это количество начальных частиц, и, таким образом, автоматически нормированны на 1 сек.

Методика анализа данных

При работе программы создается файл данных flux2.dat, содержащий строки следующего вида:

proton 4103.629679 proton 4273.972713 primary

e- 0.018093 proton 4273.972713 secondary

e- 5.985964 proton 4273.972713 secondary

gamma 0.191637 proton 4273.972713 secondary

В первой колонке указывается тип частицы, дошедшей до внутренней части космического корабля. Вторая колонка содержит энергию этой частицы. Третья и четвертая колонки содержат тип и энергию первоначально влетевшей в объем частицы космического излучения. Путем фильтрации данных стандартной программой grep и выделения нужной колонки из файла можно построить необходимые распределения.

Выход вторичного излучения из слоев аргона и ксенона

В первой фазе работы требовалось оценить, какие частицы и какой энергии из состава космических лучей наиболее опасны в отношении генерации вторичного излучения из аргона и ксенона. Для этого была построена таблица, содержащая данные по всем вторичным частицам, зарегистрированным внутри модели КА. Для каждого типа и толщины защиты приводится число зарегистрированных вторичных частиц наиболее опасных типов: нейтроны, электроны и гамма-кванты, и список первичных частиц, за счет которых была рождена данная частица.

В табл.",2 приведены параметры слоя сжиженного газа для каждого промоделированного случая.


Таблица: Свойства слоя сжиженного газа (рабочего тела двигателя).
Аргон Ксенон
Плотность, г/см$ ^3$ 1,396 2,953
Толщина слоя, г/см$ ^2$ Толщина, см  
30 21,49 10,16
50 35,82 16,93
75 53,72 25,40
100 71,63 33,86

Были получены характеристики потока вторичного излучения за слоем вещества защиты, приведенные в табл.",3.


Таблица: Характеристики потока вторичного излучения за слоем вещества защиты. Таблица приведена в сокращенном виде, см. эл. прил.
\begin{table}\centering \includegraphics[width=150mm]{tabl-second.eps}\end{table}


Из этой таблицы следует, что вторичное излучение в основном состоит из фотонов, нейтронов, электронов. Также имеется большое количество протонов и альфа-частиц, изначально присутствующих в космических лучах. В этой таблице также приведено значение выхода вторичного излучения от каждого типа первичных частиц и удельный выход на одну частицу.

Видно, что генерация нейтронов происходит почти исключительно за счет протонов, в то время как рождение электронов и фотонов происходит также за счет взаимодействия более тяжелых ядер из состава космических лучей. Кроме того видно, что удельный выход нейтронов и гамма-квантов превышает единицу и растет при увеличении толщины защиты.

Лишь начиная с толщины $ 100~ {\text{г}}/{\text{см}^2}$ в аргоне происходит снижение удельного выхода нейтронов. В ксеноне, вероятно, снижение удельного выхода нейтронов будет наблюдаться в более толстых слоях защиты.


Таблица: Суммарный выход основных типов вторичного излучения из слоев защиты различной толщины.
\begin{table}\centering \includegraphics[width=150mm]{tabl_vyhod_sum.eps}\end{table}


Значения суммарного выхода вторичного излучения из стенок космического корабля приведены в табл.",4.

Спектры основных типов частиц, составляющих радиационный фон внутри космического аппарата, указаны на рис.",4--8. На рис.",4 изображен спектр нейтронов вторичного излучения, соответствующий $ 100~ {\text{г}}/{\text{см}^2}$ ксенона. Так как нейтроны существенным образом взаимодействуют с веществом и при низких энергиях, также приводится спектр нейтронов вторичного излучения с энергией от 0 до 10 МэВ (рис.",5). На рис.",6 показан вид спектра нейтронов при разной толщине слоя жидкого аргона в защите. С увеличением толщины выход нейтронов возрастает за счет низкоэнергетичной части спектра. Спектры гамма-квантов и электронов для той же геометрии защиты приведены на рис.",7 и 8.

Рис.: Спектр нейтронов вторичного излучения.
\includegraphics[width=130mm]{neutron-big.eps}

Рис.: Спектр нейтронов вторичного излучения. Большой масштаб.
\includegraphics[width=130mm]{neutron-little.eps}

Рис.: Спектры нейтронов при разной толщине аргона.
\includegraphics[width=130mm]{neutron3.eps}

Рис.: Спектр гамма-квантов вторичного излучения.
\includegraphics[width=130mm]{gamma-spectr.eps}

Рис.: Спектр электронов вторичного излучения.
\includegraphics[width=130mm]{electron.eps}

Выход вторичного излучения из атмосферы аргона

Атмосфера внутри космического корабля также является источником вторичного излучения. В качестве одного из компонентов искуственной атмосферы рассматривается аргон. Для оценки выхода вторичного излучения из атмосферы внутри космического аппарата было проведено моделирование выхода вторичного излучения из аргона.

Геометрия модели космического аппарата, использованная в данном случае, основана на выше описанной полномасштабной геометрической моделью. Цилиндр с радиусом 4 м и длиной 32 м заполнен газообразным аргоном. Поток радиационного излучения фиксируется на расстоянии 2 м от поверхности цилиндра.

В табл.",5 приведен состав радиационного фона в 1 сек.


Таблица: Состав радиационного фона в атмосфере аргона после толщины 2 м.
Тип частиц Поток, с$ ^{-1}$
$ e^-$ 6516792
p 5328929
$ \alpha$ 816891
$ \gamma$ 172861
n 128720
deuteron 23892
$ ^{16}$ O 22842
$ ^{12}$ C 21731
$ \pi^+$ 12779
triton 10619
$ \pi^-$ 10001
$ ^{40}$ Ar 7840
$ ^{14}$ N 5556
$ \pi^0$ 5248
$ ^7$ Li 4322
$ ^{24}$ Mg 3519
$ ^{28}$ Si 2531
$ ^{20}$ Ne 2531
$ ^{56}$ Fe 2469
$ \nu_\mu$ 2408
$ \mu^+$ 2161
$ ^9$ Be 1976
$ \bar{\nu_\mu}$ 1729
$ e^+$ 1296
Тип частиц Поток, с$ ^{-1}$
$ \mu^-$ 1235
$ ^{27}$ Al 864
$ ^{23}$ Na 803
$ ^{40}$ Ca 803
$ ^{19}$ F 679
$ ^{52}$ Cr 617
$ ^{32}$ S 370
$ \nu_e$ 370
$ ^{55}$ Mn 309
$ ^{48}$ Ti 247
$ ^{45}$ Sc 247
$ ^{39}$ K 247
$ ^{38}$ Ar 185
$ ^{31}$ P 123
$ ^{37}$ Cl 123
$ ^{35}$ Cl 123
$ \bar{\nu_e}$ 123
$ ^{51}$ V 62
$ ^{31}$ Si 62
$ ^{36}$ S 62
$ ^{58}$ Ni 62
$ K^+$ 62
$ ^{38}$ Cl 62
$ ^{39}$ Ar 62
$ ^{36}$ Ar 62


Таблица: Удельный выход вторичного излучения из слоя газообразного аргона толщиной 2 м в 1 сек.
Тип Фотоны Электроны Нейтроны
proton 90196 4793431 128720
alpha 28090 1016051 0
$ ^{56}$ Fe 12841 154772 0
$ ^{16}$ O 10433 142178 0
$ ^{12}$ C 5248 87603 0
$ ^{24}$ Mg 3828 52599 0
$ ^{28}$ Si 3828 45993 0
$ ^{52}$ Cr 1976 29448 0
$ ^{14}$ N 2222 25374 0
$ ^{20}$ Ne 2099 23645 0
$ ^{40}$ Ca 1790 22163 0
$ ^{27}$ Al 1173 14323 0
$ ^{32}$ S 1482 13026 0
$ ^{55}$ Mn 926 12532 0
$ ^{23}$ Na 803 11668 0
$ ^{48}$ Ti 926 10372 0
$ ^{19}$ F 494 9569 0
$ ^{7}$ Li 185 8087 0
$ ^{40}$ Ar 617 7779 0
$ ^{45}$ Sc 679 7223 0
$ ^{39}$ K 494 6482 0
$ ^{58}$ Ni 988 4939 0
$ ^{51}$ V 617 4815 0
$ ^{35}$ Cl 370 4198 0
$ ^{9}$ Be 247 4075 0
$ ^{31}$ P 123 2778 0
$ ^{59}$ Co 185 1667 0

На рис.",9, 10 и 11 приведены энергетические спектры основных компонентов вторичного излучения. Отметим, что масштаб на этих графиках относительный. Расчет соответствует примерно 0,016 сек (2,5 млн начальных частиц).

Рис.: Спектр электронов вторичного излучения.
\includegraphics[width=130mm]{argon-e.eps}

Рис.: Спектр гамма-квантов вторичного излучения.
\includegraphics[width=130mm]{argon-gamma.eps}

Рис.: Спектр нейтронов вторичного излучения.
\includegraphics[width=130mm]{argon-neutron.eps}

В целом, из полученных результатов следует, что генерация вторичного излучения в атмосфере аргона гораздо ниже, чем выход вторичного излучения из слоя защиты, поскольку толщина слоя газообразного аргона (3,6 г/см$ ^2$ ) существенно меньше толщины защиты. В частности необходимо отметить низкий уровень выхода нейтронов.

Выход вторичного излучения из слоя меди

Для расчета выхода вторичного излучения из перспективных конструкционных материалов было проведено моделирование облучения слоя меди толщиной 1 см. Расчет проводился для уменьшенной (сферической) модели космического аппарата, описанной в разделе 2.

На рис.",12, 13, 14 и 15 приведены энергетические спектры основных компонентов вторичного излучения. Масштаб графиков соответствует 1 сек (2,5 млн начальных частиц).


Таблица: Выход вторичного излучения из слоя меди толщиной 1 см в 1 сек.
Название Выход за 1 сек
alpha 27038
anti_nu_e 73
anti_nu_mu 7421
Ar36 1
Ar38 3
Ar39 1
Ar40 55
B10 5
B11 175
Be10 2
Be7 1
Be8 61
C10 1
C11 1
C12 255
C13 123
C14 73
deuteron 14616
e- 816142
e+ 30203
gamma 575662
He3 4
kaon- 29
kaon+ 125
kaon0L 93
Название Выход за 1 сек
kaon0S 76
lambda 108
Li7 2
mu- 1176
mu+ 1727
N13 22
N14 9912
N15 47
N16 1
neutron 462516
nu_e 6113
nu_mu 7945
O14 2
O15 4
O16 2189
O17 4
O18 1
pi- 21600
pi+ 30455
pi0 658
proton 102273
sigma- 16
sigma+ 48
triton 6128


Таблица: Удельный выход вторичного излучения из слоя меди в 1 сек.
Тип Фотоны Электроны Нейтроны
proton 554836 699307 462505
alpha 7028 103790 9
$ ^{16}$ O 2625 3405 0
$ ^{12}$ C 1667 3186 1
$ ^{56}$ Fe 3206 1169 0
$ ^{14}$ N 683 943 0
$ ^{24}$ Mg 810 707 0
$ ^{28}$ Si 1001 688 0
$ ^{20}$ Ne 872 639 0
$ ^{7}$ Li 74 516 0
$ ^{9}$ Be 37 280 0
$ ^{52}$ Cr 419 201 0
$ ^{27}$ Al 266 173 0
$ ^{32}$ S 223 142 1
$ ^{48}$ Ti 319 136 0
$ ^{40}$ Ca 218 126 0
$ ^{55}$ Mn 253 124 0
$ ^{39}$ K 405 118 0
$ ^{23}$ Na 148 112 0
$ ^{40}$ Ar 190 93 0
$ ^{19}$ F 69 87 0
$ ^{58}$ Ni 110 64 0
$ ^{45}$ Sc 49 33 0
$ ^{35}$ Cl 31 29 0
$ ^{59}$ Co 51 27 0
$ ^{51}$ V 46 26 0
$ ^{31}$ P 26 21 0

Рис.: Спектр нейтронов вторичного излучения, рождаемых в слое меди.
\includegraphics[width=130mm]{cuprum-neutron-big.eps}

Рис.: Спектр нейтронов вторичного излучения, рождаемых в слое меди. Большой масштаб.
\includegraphics[width=130mm]{cuprum-neutron.eps}

Рис.: Спектр гамма-квантов вторичного излучения, рождаемых в слое меди.
\includegraphics[width=130mm]{cuprum-gamma.eps}

Рис.: Спектр электронов вторичного излучения, рождаемых в слое меди.
\includegraphics[width=130mm]{cuprum-electron.eps}

Расчет поглощенных доз от первичного и вторичного излучения

Созданные модели космического аппарата позволяют производить расчет поглощенных доз в единицу времени. Для этого в центре космического аппарата помещается фантом (модель человеческого тела, по ГОСТ 25645.203--83). Выделенная в объеме фантома энергия, приведенная к массе фантома, дает поглощенную дозу. Программа позволяет вычислять общую поглощенную дозу, а также разделять энерговыделение от частиц первичного и вторичного излучения.

Согласно ГОСТ 25645.203--83 для приближенных расчетов обобщенной дозы может использоваться шаровой фантом. Он представляет собой сферический слой, ограниченный поверхностями концентрически расположенных сфер с радиусами соответственно 50 и 170 мм. Внутренняя полость, соответствующая внутренним органам грудной клетки, заполнена воздухом. Химический состав тканеэквивалентного вещества внутри самого фантома был выбран в соответствии с ГОСТ 18622--79 (см. табл.",9).


Таблица: Химический состав тканеэквивалентного вещества.
Химический элемент Массовая доля, %
Водород 10,0
Углерод 23,1
Азот 2,6
Кислород 61,3
Фосфор 1,1
Сера 0,2
Калий 0,2
Кальций 1,4

Плотность вещества фантома составляет 1 г/см$ ^3$ , таким образом масса фантома равна 20,1 кг.

Первоначально расчет доз был выполнен для уменьшенной (сферической) модели космического аппарата, описанной в разделе 2. Была получена зависимость поглощенной дозы от толщины вещества защиты, приведенная в табл.",10.


Таблица: Доза, поглощенная в фантоме за 1 сек в сферической геометрии.
Толщина слоя, см Суммарная доза, МэВ/кг Доза от первичного излучения, МэВ/кг Доза от вторичного излучения, МэВ/кг
Аргон      
21,49 40094,68 19951,22 20143,46
35,82 39671,54 16061 23610,55
53,72 39912,89 12904,62 27008,26
71,63 38166,72 9960,97 28205,75
107,45 31318,07 6967,82 24350,25
143,27 28140,7 7193,88 20946,82
179,08 23720 4786,75 18933,26
Ксенон      
10,16 35709,05 20518,88 15190,17
16,93 37899,25 18418,32 19480,93
25,4 36244,68 15766,86 20477,82
33,86 34830,05 11657,51 23172,54
50,8 30806,09 8183,8 22622,29
67,73 29598,82 6816,96 22781,87
84,66 26110,56 5734,95 20375,61
101,59 22592,2 5693,12 16899,08

Зависимость поглощенной дозы от толщины и типа материала в защите космического корабля приведена на рис.",16 и 17. Отдельно изображен ход дозы от вторичного излучения и первичного. Видно, что с увеличением толщины слоя материала доля первичного излучения постепенно снижается, в то время, как доза от вторичного излучения"-- повышается. Начиная с некоторой толщины защиты доза от вторичного излучения также снижается. В аргоне эта толщина составляет около 70 см, а в ксеноне"-- около 40 см. При малой толщине защиты ксенон обеспечивает более качественное экранирование от космического излучения. При увеличении толщины ксенона с 10 до 100 см поглощенная в фантоме доза уменьшается почти в 2 раза.

Рис.: Зависимость поглощенной дозы в фантоме от толщины и типа защиты. Толщина в см.
\includegraphics[width=130mm]{dozasp_cm.eps}

Рис.: Зависимость поглощенной дозы в фантоме от толщины и типа защиты. Толщина в г/см$ ^2$ .
\includegraphics[width=130mm]{dozasp_gcm2.eps}

Отметим, что, несмотря на большую интенсивность излучения внутри космического аппарата (см. табл.",4), поглощенная доза в случае ксенона оказалась меньшей, чем в случае защиты из аргона с теми же параметрами. Также из приведенных в работе [3] графиков зависимости эквивалентной дозы в фантоме от вещества защиты следует, что лучшими защитными свойствами обладают более легкие вещества. На наш взгляд здесь нет противоречия, поскольку нами приводятся данные о поглощенной дозе, а не об эквивалентной. На рис.",18 показаны спектры мягких нейтронов, рождающихся в защите из аргона и ксенона при толщине 100 г/см$ ^2$ . Видно, что нейтронов с энергией от 100 кэВ до 10 МэВ в ксеноне рождается в несколько раз больше, чем в аргоне. Биологический коэффициент нейтронов с такой энергией равен 20, поэтому эквивалентная доза в случае защиты из ксенона будет существенно больше.

Рис.: Энергетические спектры нейтронов, рождающихся при толщине защиты 100 г/см$ ^2$ .
\includegraphics[width=130mm]{100neutron.eps}

Также был выполнен расчет доз в полномасштабной (цилиндрической, см. раздел 2) геометрии. Следует заметить, что эффективное количество начальных частиц в этом случае было таким же, как и в случае сферической геометрии (2,5 млн начальных частиц). Это связано с большой ресурсоемкостью вычислений. Дозы были пересчитаны на 1 сек, но при этом недостаточность статистики приводит к недостаточно высокой точности результатов.


Таблица: Доза, поглощенная в фантоме за 1 сек в цилиндрической геометрии.
Толщина слоя, см Суммарная доза, МэВ/кг Доза от первичного излучения, МэВ/кг Доза от вторичного излучения, МэВ/кг
Аргон      
21,49 29224,23 12795,42 16428,81
35,82 30703,01 12095,92 18607,09
53,72 23766,43 5310,98 18455,45
71,63 25909,56 4200,05 21709,52
Ксенон      
10,16 23008,12 7958,87 15049,26
16,93 24231,26 5193,84 19037,42
25,4 23840,61 8633 15207,61
33,86 21867,54 5603,98 16263,56
50,8 18421,33 638,62 17782,72
84,66 17964,99 3817,54 14147,46

Зависимость поглощенной дозы от толщины и типа материала в защите космического корабля для цилиндрической геометрии приведена на рис.",19 и 20. Несмотря на низкую статистику, видно что и в случае цилиндрической геометрии ксенон обеспечивает лучшую защиту от космического излучения. Результаты расчета в полномасштабной геометрии примерно совпадают с результатами, полученными с упрощенной моделью, поэтому расчеты доз возможно проводить на упрощенной модели.

Рис.: Зависимость поглощенной дозы в фантоме от толщины и типа защиты (цилиндрическая геометрия). Толщина в см.
\includegraphics[width=130mm]{dozacyl_cm.eps}

Рис.: Зависимость поглощенной дозы в фантоме от толщины и типа защиты (цилиндрическая геометрия). Толщина в г/см$ ^2$ .
\includegraphics[width=130mm]{dozacyl_gcm2.eps}

Заключение

Основным итогом выполненной работы можно считать создание программного обеспечения для выполнения моделирования потоков фонового излучения внутри космического аппарата методом Монте-Карло. Программа включает в себя несколько геометрических моделей космического аппарата, генератор событий, моделирующий спектр космического излучения, процедуры расчета характеристик вторичного излучения, а также модуль для расчета поглощенных доз.

С помощью написанной программы был проведен ряд расчетов и накоплен значительный массив данных. Часть из них была обработана и представлена в данном отчете и в приложении.

Показано, что потоки излучения внутри космического аппарата состоят в основном из вторичных частиц, образованных при взаимодействии космического излучения с веществом корабля. При этом значительную часть вторичного излучения составляют электроны, гамма-кванты и такие опасные по своему биологическому действию частицы, как нейтроны. В энергетическом спектре нейтронов преобладают частицы с энергией ниже 10 МэВ, для которых интенсивность взаимодействия с биологическими тканями очень высока.

Для экранирования космического излучения предлагается применять слои сжиженного газа двигателей"-- аргона или ксенона. Нами показано, что при небольшой (до 100 г/см$ ^2$ ) толщине слоя защиты выход вторичного излучения увеличивается с ростом толщины слоя жидкого газа в корпусе корабля, причем спектр нейтронов смещается в сторону низких энергий. При дальнейшем увеличении толщины защиты выход вторичного излучения падает.

Был проведен расчет поглощенных доз, то есть энергий, выделяемых жестким излучением в фантоме. Расчет поглощенных доз показал, что при одной и той же толщине слоя жидкого газа уровень дозовых нагрузок в случае ксеноновой защиты ниже.

Тем не менее, вследствие повышенного выхода нейтронного потока и особенно потока низкоэнергетических нейтронов итоговая эквивалентная доза, получаемая фантомом, оказывается примерно равной (что по сути совпадает с выводами работ Wilson et al. 1997--2001).

Отдельно был проведен расчет выхода вторичного излучения из атмосферы аргона и конструкционных материалов космического аппарата. Подтверждается, что выход вторичного излучения из атмосферы газообразного аргона значительно ниже, чем из защиты.

Список литературы

  1. C. Amsler et al., Physics Letters B667, 1 (2008).
  2. В. С. Мурзин. Астрофизика космических лучей. М., 2008.
  3. J.W. Wilson, F.A. Cucinotta, M.-H.Y. Kim, W. Schimmerling. Optimized Shielding for Space Radiation Protection. Physica Medica - Vol. XVII, Supplement 1, 2001
  4. Revolutionary Concepts of Radiation Shielding for Human Exploration of Space. NASA/TM-2005-213688
  5. J. W. Wilson, J. Miller, A. Konradi, and F. A. Cucinotta. Shielding Strategies for Human Space Exploration. NASA Conference Publication 3360, 1997.
  6. L. C. Simonsen, J. E. Nealy. Radiation Protection for Human Missions to the Moon and Mars. NASA Technical Paper 3079, 1991.
  7. A. V. Dementyev, N. M. Sobolevsky and R. A. Nymmik. Secondary protons and neuterons generated by galactic and cosmic ray particles behind 1 - 100 $ g/cm^2$ aluminium shielding. Adv. Space Res. Vol. 21, No. 12, pp. 1793 - 1796, 1998.

Об этом документе ...

Разработка метода расчета вторичного излучения из рабочего тела двигателей (аргон, ксенон), используемого как защита от галактических космических лучей (ГКЛ) и солнечных космических лучей (СКЛ), и его вклада в поглощенную и эквивалентную дозу

This document was generated using the LaTeX2HTML translator Version 2002-2-1 (1.71)

Copyright © 1993, 1994, 1995, 1996, Nikos Drakos, Computer Based Learning Unit, University of Leeds.
Copyright © 1997, 1998, 1999, Ross Moore, Mathematics Department, Macquarie University, Sydney.

The command line arguments were:
latex2html -split 0 -white -address ' ' spaceship

The translation was initiated by Kostya Stopani on 2009-01-13

next_inactive up previous