CC BY
24
УДК 539.12.04
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРОНОВ С РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫМИ ЭКРАНАМИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
В. С. Чеснокова Научный руководитель - С. В. Телегин
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: vika. chesnokova.95@mail.ru
Для вариантов предлагаемого многослойного радиационно-защитного экрана и российских аналогов проводилось сравнение результатов моделирования ослабления потока электронов и образования вторичного излучения в пакете программ ЕРНСА. Спектр излучения, задаваемого при моделировании, соответствует условиям на геостационарной орбите.
Ключевые слова: радиационная защита, спутник, моделирование, космические аппараты, многослойные экраны.
THE FORMATION OF SECONDARY RADIATION BRING ELECTRON CONTACT WITH THE RADIATION PROTECTION OF SPACECRAFT: A SIMULATION ASPECT
V. S. Chesnokova Scientific Supervisor - S. V. Telegin
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: vika. chesnokova.95@mail.ru
This paper discusses the results of simulating the performance of various types of radiation protection, in the Russian Federation, including multilayer radiation protection. The simulation focuses on the reduction of the flow of electrons and the formation of secondary radiation, using the EPHCA package. The simulated radiation spectrum is identical to the one on geostationary orbit.
Keywords: radiation protection, the satellite, modeling, multilayer.
Одним из элементов космические аппараты (КА), обеспечивающий длительный срок эффективной эксплуатации является радиационно-защитный экран (РЗЭ). В настоящее время в качестве РЗЭ используются сплавы алюминия, в особенности АМг6, и материалы с тяжелыми элементами. Это характерно для крупных исследовательских проектов, военных спутников связи и не выгодно для коммерческих запусков [1].
В продолжение работ [2; 3] рассмотрим трехслойный РЗЭ, где в качестве первого слоя используется карбид бора с эпоксидной смолой в соотношении 50/50 с толщиной 0,05 г/см2, второй слой выполненный из алюмоборосиликатного волокна с добавлением 15 % алюминия с толщиной 0,41 г/см2 и два варианта экрана, где в качестве третьего слоя используются никель или вольфрам имея толщину 0,18 и 0,38 г/см2 соответственно. Проведем сравнение ослабления потока электронов и образования вторичного излучения для предлагаемого РЗЭ и аналогов на территории РФ.
В результате патентного поиска экранов, обеспечивающих защиту КА от ионизирующего излучения, были найдены следующие изделия [4-6]. Все экраны смоделированы методом Монте-Карло в пакете программ EPHCA [7] со спектром излучения характерным для геостационарной орбиты с энергией электронов 0,04-5 МэВ с плоским изотропным источником излучения и угло-
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1
вым распределением 90 градусов. В табл. 1 представлен первый патент, экран которого состоит из гематита и алюминия в различном процентном соотношении.
Таблица 1
Состав изделия по патенту 1 (Яи 2470395 С2) [4]
Варианты исполнения Состав Процентное соотношение, % Плотность, г/см3
1 Гематит Металлический алюминий 50/50 3,47
2 70/30 3,92
В табл. 2 представлен второй патент, экран которого состоит из эпоксидного связующего, оксида кадмия, оксида церия, оксида гадолиния, оксида иттербия, оксида висмута в различном процентном соотношении. Так же представлены плотности для каждого варианта.
Таблица 2
Состав изделия по патенту 2 (Яи 2415485 С1) [5]
Варианты исполнения Состав ЭД-20 сао Се02 ва20э УЪ20э Б120э Плотность, г/см3
1 Процентное соотношение, % 29 31 31,5 5 0,5 3 3,02
2 24 32 33 6 1 4 3,37
В третьем патенте, который представлен в табл. 3, в состав экрана входят химические элементы и соединения такие как, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, вольфрам, карбид бора и технический углерод марки УМ-76 в различном процентном соотношении.
Таблица 3
Состав изделия по патенту 3 (№ 217.015.91 С7) [6]
Варианты исполнения Состав С2Н4 W Б4С С Плотность, г/см3
1 Процентное соотношение, % 52 18 20 10 1,44
2 40 20 20 20 1,61
Результаты моделирования всех выбранных РЗЭ, сравнивались между собой и со сплавом алюминия марки АМг6 (см. рисунок).
а (д/эт)
б
а
Зависимости:
а - доли вышедших электронов Тп(ё)/Тп(0); б - доли вторичных фотонов Щё)/Щ0)
от массовой толщины ё РЗЭ
Экраны, выполненные в виде однородной смеси, проявляют повышенное ослабление потока электронов по сравнению со слоистыми РЗЭ (см. рисунок, а), вследствие того, что тяжелые химические элементы распределены в таких экранах по объему равномерно. В многослойных же экранах ослабление потока электронов, которые многократно испытывали малое рассеивание на внешних слоях, происходит более интенсивно в слоях, расположенных с внутренней стороны РЗЭ и выполненных из тяжелых элементов.
Образование вторичных фотонов в объеме экрана происходит менее интенсивно при взаимодействии быстрых электронов с атомами легких элементов, что можно наблюдать в первом слое многослойных РЗЭ (толщина первого слоя 0,05 г/см2 на рисунке, б).
Библиографические ссылки
1. Особенности радиационной защиты сверхмалых космических аппаратов / Д. М. Зуев, Е. Я. Чесноков, С. А. Бабич и др. // Решетневские чтения : материалы XIX Междунар. науч.-практ. конф. Т. 1 / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. С. 559-561.
2. Телегин С. В., Драганюк О. Н., Драганюк М. Н. Расчет гетерогенного радиационно-защитного экрана для космических аппаратов // Вестник СибГАУ. Т. 16, № 4. Красноярск, 2015. С. 969-974.
3. Саунин В. Н., Телегин С. В., Чесноков Е. Я. Определение длины свободного пробега частиц бета-распад в порошковых материалах // Вестник СибГАУ. Т. 16, № 1. Красноярск, 2015. С. 969-974.
4 Пат. 2470395 Российская Федерация, МПК О 21Б 1/08, Н 0^ 17/00. Композиционный материал для радиационной защиты / П. В. Матюхин, В. И. Павленко, Р.Н. Ястребинский и др. ; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В. Г. Шухова. № 2010152157/07; заявл. 20.12.10; опубл. 20.12.12. Бюл. № 18. 5 с.
5. Пат. 2415485 Российская Федерация, МПК О 21Б 1/10. Рентгенозащитная композиция / Л. П. Дернова, В. Д. Клейменов, Ю. И. Плясунов и др.; заявитель и патентообладатель АО «ГРЦ Макеева». № 2009125009/07; заявл. 30.06.09; опубл. 27.03.11, Бюл. № 9. 8 с.
6. Пат. 21701591 Российская Федерация, МПК О 21Б 1/00, В 82В 3/00. Материал на полимерной основе для комбинированной радио- и радиационной защиты / А. А. Бойков, В. В. Чер-дынцев, В. Н. Гульбин; заявитель и патентообладатель НИТУ «МИСиС». № 0002605696; заявл. 17.11.15; опубл. 13.01.17.
7. Беспалов В. И. Пакет программ ЕРНСА для статистического моделирования поля излучения фотонов и заряженных частиц // Изв. Вузов. Физика. Приложение. 2000. № 4. С. 159-165.
© Чеснокова В. С., 2017
