Компьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте gerda и радиационной обстановки на поверхности Луны
Скачать 318 Kb.
|
| 1 gbu = 10-4 событий/год/кэВ/кг Фон в детекторной сборке можно также понизить, изменяя расстояния между детекторами. Например, внутренний фон от 60Co может быть понижен, если это потребуется, в 1.5 2 раза применением активной защиты и сближением детекторов. Основной фактор, ограничивающий сближение детекторов – опасность электрического пробоя. Еще один фактор, влияющий на величину фона от удаленных внешних источников и рассмотренный в диссертации – это тип криогенной жидкости. В качестве альтернативных вариантов рассматривались жидкий аргон и жидкий азот. Установлено, что в аргоне эффект в подавлении фона от удаленных внешних источников в 1.5 раза лучше, чем в азоте. При максимально допустимом сближении малых детекторов и использовании аргона достигается такой же уровень подавления фона, что и в случае больших сегментированных детекторов. Наконец из оценки фона от мюонов следует, что он будет примерно одинаков для обоих вариантов детекторной сборки. Третья глава диссертации посвящена оптимизации транспортного контейнера для перевозки обогащенного германия – материала для изготовления детекторов в эксперименте GERDA. Требовалось минимизировать воздействие протонов и нейтронов космогенного происхождения на образец германия при его транспортировке из Красноярска в Мюнхен наземным путем. Время транспортировки – 20 дней, масса контейнера не более 15 т. Авиатранспорт невозможен из-за высокой интенсивности космического излучения в верхних слоях атмосферы. Обосновывается выбор железа, как материала для изготовления контейнера, из нескольких доступных материалов. Объясняется, почему изотопы 60Co и 68Ge являются основными источниками внутреннего фона детекторов, изготовленных из германия, подвергшегося воздействию космогенного излучения: оба изотопа имеют достаточно большой период полураспада (более полугода) и энергию распада, превышающую энергию распада  . Для понимания процесса активации представляют интерес функции возбуждения 68Ge и 60Co при взаимодействии протонов и нейтронов с изотопами германия. Для расчета указанных функций возбуждения использовались генератор неупругих взаимодействий MSDM (Multi Stage Dynamical Model) и программа расчета полных и неупругих нуклон-ядерных сечений CROSEC, входящие в состав транспортного кода SHIELD. Для детального изучения защитных свойств контейнера применялось непосредственное моделирование облучения контейнера с германием. Схема моделирования приведена на Рис. 13. Железный контейнер диаметром 140 см, высотой 126.5 см обладает полной массой 14 тонн. В контейнере имеется полость, куда помещается германий. Полость – цилиндрическая, диаметром 54 см и высотой 40 см. Образец германия имеет цилиндрическую форму: диаметр 42 см, высота 27 см. Контейнер приподнят над землей на 120 см, что имитирует его транспортировку в кузове грузового автомобиля, и окружен нормирующей сферой. Протоны и нейтроны космических лучей, прежде чем достигнуть контейнера, проходили через поверхность нормирующей сферы радиусом R=1.5 м, которая необходима, чтобы связать число испытаний Монте-Карло с реальным временем облучения. Контейнер окружен вакуумом, грунт, как источник альбедных частиц, представлен цилиндром с размерами R = 5 м, H = 4 м. Контейнер облучался потоками нейтронов и протонов, присутствующими на уровне моря. Спектры представлены на Рис. 24. Угловое распределение пропорционально cos3.5(), где - зенитный угол.  Р  ис. 13. Геометрическая конфигурация расчета облучения контейнера по программе SHIELD.Рис 24. Спектры нейтронов и протонов космогенного происхождения на уровне моря и интегральные по энергии потоки частиц. В диссертации представлены рассчитанные функции возбуждения изотопов 60Co и 68Ge в германии под действием протонов и нейтронов с энергиями до ~6 ГэВ. Проведено сравнение с аналогичными расчетами и экспериментальными данными. Функции возбуждения, рассчитанные с использованием генератора ядерных реакций кода SHIELD, показали хорошее согласие с экспериментом для протонов (см., например, Рис 35). Поэтому есть все основания надеяться, что расчетные функции возбуждения под действием нейтронов также близки к реальности. К сожалению, экспериментальные данные о сечениях образования радионуклидов под действием нейтронов с энергиями порядка 100 МэВ и выше полностью отсутствуют в литературе. 101  Рис. 35. Пример сравнения функции возбуждения реакции NatGe(p,X)68Ge, рассчитанной с помощью кода SHIELD с экспериментальными данными. Скорости наработки вредных изотопов в образце германия рассчитывались в диссертации путем прямого моделирования. Регистрировались все случаи образования 60Co и 68Ge в образце под действием протонов и нейтронов заданного спектра Рис. 24, как внутри контейнера, так и в отсутствие защиты. Моделирование проводилось отдельно для каждого стабильного изотопа германия (т.е. при 100% обогащении образца каждым стабильным изотопом). Окончательные результаты облучения нейтронами и протонами в сумме представлены в Табл. 3. Таблица 3. Наработка 68Ge и 60Co в образце германия, под воздействием нейтронов и протонов космогенного происхождения на уровне моря, без контейнера и внутри контейнера.
Полученные данные позволяют вычислить скорости наработки для любого изотопного состава образца. Обогащенный германия имеет примерно следующий состав: 87% 76Ge, 13% 74Ge. Для такой смеси выход 68Ge от ядерно-активной компоненты составляет 5.62 /кг/день без защиты и 0.54 /кг/день (0.6 /кг/день принимая во внимание вклад мюонов) внутри контейнера. Выход 60Co составляет 3.35 /кг/день без защиты и 0.13 /кг/день (0.2 /кг/день, принимая во внимание вклад мюонов) внутри контейнера. Таким образом, при обогащении германия до уровня ~87% 76Ge и ~13% 74Ge достигается подавление активности 60Co в 20 раз, а активности 68Ge в 10 раз по сравнению с транспортировкой без защиты. Указанная степень подавления активации удовлетворяет требованиям эксперимента GERDA. Дается сравнение с другими известными оценками для натурального и обогащенного германия. Далее в диссертации рассматриваются потоки нуклонов внутрь полости с германием через различные стенки полости. Отмечается, что поток с дна полости значительно ниже остальных потоков. Поэтому было предложено перенести защиту с дна контейнера на его крышу. Расчеты показали, что это приводит к увеличению эффективности защиты на 15-20%. В диссертации предложены также дальнейшие возможные шаги по увеличению эффективности защиты. Так, изучение профиля потоков нейтронов через боковую поверхность полости позволяет предложить схему более эффективной формы защитного контейнера, см. Рис. 46. Однако в связи с отсутствием необходимости дальнейшая оптимизация защиты не проводилась. Цилиндрическая форма была выбрана также в связи с простотой в изготовлении. На основе расчетов, выполненных в диссертации, контейнер был изготовлен и успешно использован для транспортировки, Рис. 57. (а) (б)  Рис. 46. Цилиндрическая форма (а) и более эффективная (б) форма защитного контейнера.  Рис. 57. На фотографии показан процесс изъятия из контейнера образца германия после его транспортировки в Мюнхен Четвертая глава посвящена оценке радиационной обстановки на поверхности Луны, обусловленной галактическими (ГКЛ) и солнечными (СКЛ) космическими лучами. В связи с отсутствием атмосферы и собственного магнитного поля на Луне, плотности потоков частиц на ее поверхности практически совпадают с таковыми в ближнем космосе. В диссертации, в качестве входной информации для расчетов, использовались модели потоков протонов и ядер космического излучения (t,E) в солнечной системе, разработанные в НИИЯФ МГУ для всех периодов цикла солнечной активности (СА). На Рис. 58 представлены дифференциальные энергетические спектры (E) частиц ГКЛ и СКЛ, бомбардирующих поверхность Луны в годы минимума и максимума СА. Предполагалось изотропное угловое распределение для всех снарядов.   Рис. 58. Энергетические спектры (E) протонов ГКЛ и СКЛ в годы минимума и максимума СА (слева) и ядер ГКЛ при минимуме СА (справа). Согласно модели НИИЯФ МГУ, показанный годовой поток солнечных протонов может быть превышен с вероятностью 1%. Модель лунного грунта, предложенная в диссертации, основана на данных аппаратов «Луна 16» и «Луна 20». Лунный грунт вблизи поверхности разбивался на 5 слоев, плотность которых увеличивалась с глубиной. Верхний пылевой слой толщиной 0.5 см имеет плотность 0.6 г/см3. Далее идут слои с большей плотностью, как показано на схеме Рис. 69. Глубже 5 метров лежит скальная порода с плотностью 3.35 г/см3. Химический состав всех слоев одинаков и представлен в Табл. 5.  Рис. 69. Схема лунного грунта Таблица 5. Химический состав лунного грунта (весовые %)
Схема моделирования показана на Рис. 710. Лунный грунт представлен цилиндром высотой H1=9 м и радиусом R1=5 м. Цилиндр разбит по высоте на слои в соответствии с Рис. 69 (на Рис. 710 слои не показаны). Такие размеры массива грунта выбраны исходя из опыта использования программы SHIELD для аналогичных расчетов. При моделировании адронных каскадов в горных породах брать толщину грунта более 4 м не имеет смысла, т.к. это приводит к увеличению затрат компьютерного времени, но практически не влияет на результаты.  Рис. 710. Расчетная схема Ось Z декартовой системы координат направлена к центру Луны, нулевое значение Z координаты находится на поверхности. Вдоль оси Z расположены шаровые объемы для регистрации флюенса. При выборе радиусов rj этих шаров приходится прибегать к компромиссу. Слишком малый радиус затрудняет набор статистики, а слишком большой приводит к огрублению результатов. В настоящих расчетах радиусы регистрирующих сфер rj на разных глубинах могли различаться и находились в пределах от 5 см на малых глубинах до 40 см на максимальной глубине, т.е. были сравнимы со средней длиной ядерного пробега нуклона в грунте. Сферы располагались на 16 глубинах hj. Частицы космических лучей, прежде чем войти в лунный грунт, проходили через поверхность нормирующей полусферы радиусом R=3 м. Это необходимо, чтобы связать число испытаний Монте-Карло с реальным временем облучения. Далее в диссертации представлены рассчитанные интегральные и дифференциальные потоки протонов и нейтронов ГКЛ и СКЛ для минимума и максимума солнечной активности, как на поверхности Луны, так и на различных глубинах в лунном грунте. В качестве иллюстрации на Рис. 811 и 912 представлены дифференциальные потоки протонов и нейтронов, генерируемые протонами и ядрами ГКЛ в минимуме СА.   (а) (б) Р  ис. 811. Потоки протонов (а) и нейтронов (б) на различных глубинах, инициированные протонами ГКЛ в минимуме СА. (а) (б) Рис. 912. Потоки протонов (а) и нейтронов (б) на глубине 76 см, инициированные протонами и ядрами ГКЛ в минимуме СА. В результате расчетов установлено, что на уровне поверхности Луны интегральные по энергии потоки протонов и нейтронов, инициированные ГКЛ, сравнимы по величине. На глубине около 1 м потоки нейтронов имеют выраженный максимум и превосходят потоки протонов почти на 2 порядка величины. На больших глубинах различие в потоках протонов и нейтронов достигает 500 раз. На глубинах более 2 м интегральные потоки нейтронов от СКЛ превосходят потоки протонов от СКЛ на 3 порядка величины. Максимального развития адронные каскады достигают на глубине около 80 см. На Рис. 811 видно, что в области энергий 5-500 МэВ поток протонов от ГКЛ на глубине 76 см превышает поток протонов над поверхностью Луны, а потоки нейтронов на этой глубине максимальны при всех энергиях. Потоки протонов от СКЛ сильнее убывают с глубиной и круче падают с увеличением энергии, чем потоки протонов от ГКЛ, что определяется формой начальных спектров. Были рассчитаны также энергетические спектры некоторых вторичных ядер, образовавшихся под действием ядер ГКЛ, например, спектры вторичного гелия 4He от первичных ядер 16O. Однако вклад таких вторичных ядер в дозовые характеристики мал, также как и вклад от ядер СКЛ в целом. В диссертации проведено сравнение полученных результатов с известными экспериментальными и расчетными данными. Обнаружено удовлетворительное согласие профиля плотности нейтронов в грунте с экспериментом LNPE и альбедо нейтронов с расчетами по MCNPX. Таким образом, несмотря на полную независимость используемых моделей, данных и кодов, наши результаты не обнаруживают серьезных расхождений с данными других авторов, что повышает доверие ко всем обсуждаемым результатам. На основе рассчитанных дифференциальных потоков протонов и нейтронов в лунном грунте был проведен расчет поглощенной и эквивалентной локальных доз в тканеэквивалентной среде. Локальные среднетканевые дозы  и  для протонов вычислялись по формулам: (1) (2)где L(E) – линейная передача энергии (ЛПЭ) в тканеэквивалентном веществе (мягкая биологическая ткань) в зависимости от энергии протонов, Q(L(E)) – коэффициент качества излучения, зависящий от ЛПЭ протонов,  - дифференциальный флюенс протонов. Расчет локальных среднетканевых доз для нейтронов  и  проводился по формулам: (3) (4)где KD(E) – удельная керма для нейтронов в тканеэквивалентном веществе, KH(E) – удельная эквивалентная керма для нейтронов в тканеэквивалентном веществе,  - дифференциальный флюенс нейтронов. Результаты вычислений по формулам (1)-(4) представлены на Рис. 103. Как видно, эквивалентная доза от ГКЛ на поверхности Луны составляет около 10-20 сЗв/год и не превышает профессионального предела для космонавтов (50 сЗв/год), превышая при этом допустимую дозу для населения (0.5 сЗв/год) примерно в 30 раз. Из Рис. 103 также хорошо видно, что солнечные события крайне опасны для человека из-за прямого воздействия первичных протонов. Поэтому необходимо обеспечить укрытие для персонала базы во время солнечных вспышек, причем на достаточно большой глубине по следующей причине.  (а) (б)    Рис. 913. Вклады в поглощенную (а) и эквивалентную (б) среднетканевые дозы от протонов (p) и нейтронов (n) в зависимости от глубины в лунном грунте. Отдельно показан вклад только от протонов ГКЛ. На рис. (б) также показан профессиональный предел годовой дозы космонавтов 50 сЗв/год и рекомендуемый предел 20 сЗв/год. Из Рис. 103 видно, что начиная с глубины 0.5 м, главный вклад в дозу вносят нейтроны ГКЛ. Длительное пребывание в грунте на глубинах 0.5 1.5 м может привести к превышению максимально допустимой дозы. Подчеркнем, что учет вклада нейтронов от ядер ГКЛ приводит к увеличению дозы в полтора раза по сравнению с нейтронной дозой только от протонов ГКЛ. Таким образом, длительное использование естественных укрытий, а также рабочих помещений, находящихся в грунте на глубинах менее 2.5 3 м опасно для персонала базы. Длительное пребывание на поверхности Луны возможно в случае наличия эффективной системы заблаговременного оповещения о солнечных вспышках и обеспечения возможности быстрого укрытия от частиц СКЛ. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 | Программа элективного курса «Компьютерное моделирование» Учебный курс «Компьютерное моделирование» пред назначен для изучения в старших классах профильной школы. Курс является элективным,... |  | Математическое и компьютерное моделирование для неразрушающего... Они изготавливаются в форме тонких пластин различной геометрии, монтаж которых с учетом современного развития технологий изготовления... |
| Компьютерное моделирование атомных механизмов деформации и разрушения... Компьютерное моделирование атомных механизмов деформации и разрушения тугоплавких карбидов | | Элективный курс «Компьютерное моделирование свободных и вынужденных электромагнитных колебаний» Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Н. В. Бордовская В лицее №2 им. Абдуллаева С. Г. 28 декабря было проведено заседание методического объединения учителей информатики по теме: «Компьютерное... | | «Компьютерное моделирование» Составитель: Подчиненов И. Е., кандидат физико-математических наук, с н с, профессор кафедры информатики и вычислительной техники... |
| Рабочая программа учебной дисциплины «компьютерное моделирование художественных изделий» Направление подготовки: 261400. 62 Технология художественной обработки материалов | | Компьютерное моделирование реализации транспортных проектов федерального уровня чиркунов К. С Рабочая программа утверждена на заседании кафедры «Связи с общественностью» протокол № от 20 г |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Протокол согласования рабочей программы дисциплины «компьютерное моделирование» | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Тема: Компьютерное конструирование и моделирование одежды с помощью прикладных программ |
| Реферат На тему: “поверхности второго Поверхности второго порядка – это поверхности, которые в прямоугольной системе координат определяются алгебраическими уравнениями... | | «Соковская средняя общеобразовательная школа» «Согласовано» «Утверждаю» В лицее №2 им. Абдуллаева С. Г. 28 декабря было проведено заседание методического объединения учителей информатики по теме: «Компьютерное... |
| Введение в практическую астрономию. Учебный курс Основы небесной механики. Устройство телескопов разных типов. Обслуживание и эксплуатация телескопов. Основные правила проведения... | | Компьютерное моделирование Просто учитель должен помнить о сквозном характере дидактических линий и в подходящей форме демонстрировать учащимся связи изучаемого... |
| Семинар для участников бэп «Моделирование условий для духовно- нравственного... Циклограмма выполнения работ по созданию продуктов деятельности бэп «Моделирование условий для духовно- нравственного воспитания... | | Тюменский государственный университет «утверждаю»: Проректор по учебной работе Вычислительные, программные, информационные системы и компьютерные технологии", "Математический анализ и приложения", "Математическое... |
