CC BY
31проектирование и производство летательных, аппаратов, космические исследования и проекты
УДК 539.12.04
ОПТИМИЗАЦИЯ СООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ В СЛОЯХ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНОГО ЭКРАНА*
О. Н. Драганюк, С. В. Телегин
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: don-oks@mail.ru
Рассмотрен процесс оптимизации радиационно-защитного экрана, предназначенного для защиты бортовой аппаратуры космических аппаратов от электронов ЕРПЗ. Приведено сравнение характеристик, рассчитанных методом Монте-Карло, разработанных экранов с аналогом из алюминия.
Ключевые слова: радиационная защита, спутник, моделирование.
OPTIMIZATION OF THE COMPONENT RATIO IN LAYERS OF RADIATION SHIELD
O. N. Draganyuk, S. V. Telegin
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: don-oks@mail.ru
The research considers the process of radiation shield optimization, designed to protect from electrons of natural radiation belts of Earth. It compares the characteristics calculated by Monte-Carlo method, the developed screens with analog from aluminum is proposed.
Keywords: radiation protection, the satellite, modeling/
Для создания радиационно-защитных экранов для космических аппаратов необходимо решить задачу об оптимизации толщин и состава слоев. Моделирование проводилось в программе «Компьютерная лаборатория» методом Монте-Карло [2]. Рассматриваемая в данной работе модель представляет собой трехслойную композицию [1], состоящую из внешнего слоя -
лакового покрытия с карбидом бора, конструкционного - из алюмоборосиликатного волокна, внутреннего слоя - лакового покрытия с никелевым порошком.
Для оптимизации рассматриваемой модели была изучена зависимость числа частиц, прошедших за экран, от процентного соотношения веществ в материале слоев (см. рисунок).
Зависимость числа электронов от приведенной толщины слоя с карбидом бора. Масштаб по оси ординат логарифмический, нормировка на 1 частицу
'Работа поддержана Министерством образования и науки Российской Федерации № 168.
<Тешетневс^ие чтения. 2016
Коэффициенты отношений характеристик алюминиевых экранов к оптимизированным многослойным при одном ослаблении по электронам
Экран Коэффициент отношения по дозе Коэффициент отношения по прошедшему вторичному излучению Коэффициент отношения по массе Коэффициент по защите
507550 1.21 1.56 1.37 1.84
507570 1.41 2.12 1.32 2.39
707550 1.31 1.88 1.37 1.27
707570 1.23 1.73 1.32 2.08
407550 0.91 1.76 1.33 2.04
407570 1.23 1.90 1.31 2.57
607550 1.24 2.73 1.37 1.35
607570 1.30 2.55 1.32 2.23
На графике видно, что при малых толщинах число прошедших частиц не зависит от соотношения компонентов (лака и карбида бора) в слое. Расхождение значений находится в пределах погрешностей. Толщине слоя будет соответствовать участок с наибольшим коэффициентом ослабления потока частиц. Для получения более однородной смеси необходимо создавать защитные экраны с содержанием порошкового вещества около 50 %.
Изучение зависимостей числа электронов в слое с никелем и фотонов в обоих слоях показало аналогичные результаты.
По графикам были определены приведенные толщины, соответствующие наибольшему ослаблению потока частиц.
Реальные толщины для первого слоя составили от 0,32 до 0,40 мм в слоях с 40-70 % содержанием карбида бора.
Для третьего слоя с 50 % никеля - 0,20 мм, с 70 % -0,15 мм. Слой из алюмоборосиликатного волокна будет иметь толщину 2 мм, так как он является конструкционным и должен удовлетворять техническому заданию.
После оптимизации были смоделированы 8 различных многослойных радиационно-защитных экранов. Каждому из них было присвоено числовое название. Например, 507550 - 50 % карбида бора в первом слое, 75 % алюмоборосиликатного волокна во втором слое и 50 % никеля в третьем слое.
Сравнение экранов проводилось по нескольким параметрам, результаты приведены в таблице. Все многослойные экраны обладают лучшим ослаблением электронов, чем алюминиевый аналог. Самым эффективным по этому параметру является экран 407570. Также можно отметить, что экраны с 70 % содержанием никеля имеют большее ослабление электронов, чем с 50 % содержанием.
Таким образом, после оптимизации удалось получить экраны с улучшенными защитными характеристиками и меньшей массой. Самыми эффективными
экранами, обладающими высокими показателями по всем параметрам, являются экраны 607570 и 507570.
Использование для создания радиационно-защитного экрана многослойной структуры, материалов с высокой экранирующей способностью [3], а также оптимизация соотношения компонентов в слоях экрана и их толщин позволили создать экраны, обладающие преимуществами перед алюминиевым аналогом по всем рассмотренным в работе параметрам.
Библиографические ссылки
1. Драганюк О. Н., Телегин С. В. Расчет гетерогенного радиационно-защитного экрана для космических аппаратов // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 4. С. 969-974.
2. Беспалов В. И. Пакет программ ЕРНСА для статистического моделирования поля излучения фотонов и заряженных частиц // Изв. Вузов. Физика, Приложение. 2000. № 4. С. 159-165.
3. Кимель Л. Р., Машкович В. П. Защита от ионизирующих излучений : справочник. 2-е изд. М. : Атомизтдат, 1972. 312 с.
References
1. Draganyuk O. N., Telegin S. V. [The heterogeneous radiation shield for spacecrafts] // Vestnik SibGAU. 2015. Vol. 16, № 4. P. 969-974.
2. Bespalov V. I. Paket programm EPHCA dlya statisticheskogo modelirovaniya polya izlucheniya fotonov i zaryazhennykh chastits [EPHCA software package for the statistical modeling of the radiation field of photons and charged particles] // Proceedings of Univ. Physics, Annex. 2000. № 4. P. 159-165.
3. Kimel L. R., Mashkovich V. P. Zashchita ot ioniziruyushchikh izlucheniy [Protection the Ionising Radiation]. Moscow : Atomiztdat, 1972. 312 p.
© Драганюк О. Н., Телегин С. В., 2016
