CC BY
60
УДК 539.12.04
ОПТИМИЗАЦИЯ ТОЛЩИНЫ МНОГОСЛОЙНОГО 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
Е-mail: don-oks@mail.ru
Рассмотрен процесс оптимизации толщин многослойного радиационно-защитного экрана с целью уменьшения массогабаритных характеристик и увеличения экранирующей способности. Гетерогенный экран представляет собой трехслойную структуру, имеющую высокую экранирующую способность и меньшую массу по сравнению с алюминиевым аналогом.
Ключевые слова: радиационная защита, спутник, моделирование, экранирующая способность. OPTIMIZATION OF THICKNESS OF THE MULTILAYERED RADIATION FILTER
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
This paper discusses the process of optimization of the thickness of the multilayer radiation-shielding screen to reduce the size and improve the shielding ability. Heterogeneous screen is a three-layer structure with high shielding ability and less weight compared to aluminum counterpart.
Keywords: radiation protection, the satellite, modeling, shielding ability.
Для защиты космических аппаратов на геостационарной орбите от ионизирующего излучения радиационных поясов Земли [1] необходимо использовать материалы, имеющие высокий коэффициент ослабления. Наиболее эффективными являются гетерогенные экраны, состоящие из нескольких слоев, расположенных по возрастанию атомного номера химического элемента, являющегося основным в слое [2]. Перспективным типом экрана является трехслойный барьер, состоящий из карбида бора, алюмоборосиликатного волокна и никеля [2]. Связующим веществом была выбрана эпоксидная смола, составляющая 50 % в каждом слое. В качестве основного конструкционного материала использовалась стеклоткань марки Т-10, имеющая больший коэффициент ослабления для данного спектра, чем алюминий.
Для создания экранов обычно используются слои половинного ослабления или другой кратности, в зависимости от необходимой степени ослабления и технических требований [1]. Толщина конструкционного среднего слоя (стеклоткани) составляет 2 мм и будет являться стенкой блока или прибора космического аппарата. Для определения наносимых на стенку слоев была рассмотрена зависимость числа прошедших частиц от толщины слоя (рис. 1, 2).
Для слоя из карбида бора наибольший коэффициент ослабления потока электронов соответствует толщинам до 0,35 мм. Для определения толщины слоя из никеля была рассмотрена зависимость числа гамма-частиц от толщины, так как его основной функцией является поглощение вторичного излучения. Толщина слоя составила также 0,35 мм.
В качестве образца для сравнения выбран алюминий, как основной материал радиационно-защитных экранов. Моделирование выполнено методом Монте-Карло в программе «Компьютерная лаборатория» [3; 4] для геостационарной орбиты с энергией излучения 0,04-5 МэВ. Основными критериями для сравнения являются коэффициенты ослабления и массовые характеристики. Структура защитного экрана до оптимизации и его характеристики (относительно алюминиевого аналога) представлены в табл. 1, 2.
Секция ««ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»
Рис. 1. Зависимость числа прошедших электронов от толщины слоя с В4С. Нормировка на 1 частицу. Масштаб по оси ординат логарифмический
Рис. 2. Зависимость числа прошедших гамма-квантов от толщины слоя с никелем
Структура защитного экрана до оптимизации
Таблица 1
1,7 мм 2,75 мм 1,75 мм
стеклоткань В4С N1
Характеристики защитного экрана до оптимизации
Таблица 2
Отношение по защите Отношение по массе
1,97 0,91
Результаты моделирования и расчета характеристик оптимизированного экрана дали результаты, представленные в таблицах 3-5. Для получения конкретных значений масс в качестве примера рассматривалась модель в виде цилиндра радиусом 5 см. Высота цилиндра соответствует толщинам слоев.
Многослойный экран имеет коэффициенты отношения по защите от потока первичного и вторичного излучения равные 1,49 и 2,04 соответственно. Разница в массе с алюминиевым аналогом составляет 9 %. Сравнение многослойного экрана до и после оптимизации показало, что оба экрана имеют высокую экранирующую способность, но при этом оптимизированный экран имеет массу, меньшую в 4 раза.
Таблица 3
Вычисление коэффициента отношения по доле прошедших электронов
Вещество Толщина, мм Доля прошедших электронов Отношение по защите
Б4С+Т10+№ 2,70 4,897Е-04 1,49
Алюминий 1,66 7,279Е-04
Таблица 4 Сравнение вторичного излучения
Вещество Толщина, мм Доля прошедших гамма-квантов Отношение по вторичному излучению
Алюминий 1,66 1,334Е-03 2,04
Б4С+Т10+№ 2,70 6,556Е-04
Таблица 5
Сравнение масс при одной доле пропущенных электронов
Вещество Масса, г Отношение по массе
Алюминий 39,21 0,91
Б4С+Т10+№ 35,88
В результате оптимизации многослойного радиационно-защитного экрана была подтверждена эффективность использования описанной структуры гетерогенного экрана, уменьшена его масса в 4 раза при сохранении высокой экранирующей способности по отношению к алюминиевому аналогу с равной массовой толщиной.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования РФ, № 168.
Библиографические ссылки
1. Кимель Л. Р., Машкович В. П. Защита от ионизирующих излучений : справ. 2-е изд. М. : Атомтдат, 1972. 312 с.
2. Телегин С. В., Драганюк О. Н., Драганюк М. Н. Расчет гетерогенного радиационно-защитного экрана для космических аппаратов // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 4. С. 969-974.
3. Беспалов В. И. Пакет программ ЕРНСА для статистического моделирования поля излучения фотонов и заряженных частиц // Изв. вузов. Физика. Приложение. 2000. № 4. С. 159-165.
4. Драганюк О. Н., Телегин С. В. Расчет гетерогенных материалов радиационной защиты с помощью пакета программ ЕРНСА // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : материалы XI Всерос. науч.-практ.конф. 2015. С. 163-165.
© Драганюк О. Н., Телегин С. В., 2015
