Научная статья на тему 'Расчет гетерогенных материалов радиационной защиты с помощью пакета программ еphca'

Расчет гетерогенных материалов радиационной защиты с помощью пакета программ еphca Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
263
65
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РАДИАЦИОННАЯ ЗАЩИТА / RADIATION PROTECTION / СПУТНИК / SATELLITE / МОДЕЛИРОВАНИЕ / MODELING

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Драганюк О.Н., Телегин С.В.

Представлен расчет смоделированного защитного экрана для спутника SibCube типа CubSate, проведено сравнение полученного защитного экрана с защитой из алюминия при одинаковой приведенной толщине. Определены основные параметры и преимущества радиационного защитного экрана.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ABOUT CALCULATION OF HETEROGENEOUS MATERIALS OF RADIATION PROTECTION BY SOFTWARE PACKAGE ЕPHCA

In work is presented calculation of the simulated shield for satellite SibCube of type CubSate, comparison of the receved filter with protection from aluminium is lead at the identical resulted thickness. Defined primary parameters and advantages of a radiating protective shield.

Текст научной работы на тему «Расчет гетерогенных материалов радиационной защиты с помощью пакета программ еphca»

Секция

«ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»

УДК 539.12.04

РАСЧЕТ ГЕТЕРОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ С ПОМОЩЬЮ ПАКЕТА ПРОГРАММ ЕPHCA

О. Н. Драганюк 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: don-oks@mail.ru

Представлен расчет смоделированного защитного экрана для спутника SibCube типа CubSate, проведено сравнение полученного защитного экрана с защитой из алюминия при одинаковой приведенной толщине. Определены основные параметры и преимущества радиационного защитного экрана.

Ключевые слова: радиационная защита, спутник, моделирование.

ABOUT CALCULATION OF HETEROGENEOUS MATERIALS OF RADIATION PROTECTION BY SOFTWARE PACKAGE ЕPHCA

O. N. Draganyuk Scientific supervisor - S. V. Telegin

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: don-oks@mail.ru

In work is presented calculation of the simulated shield for satellite SibCube of type CubSate, comparison of the receved filter with protection from aluminium is lead at the identical resulted thickness. Defined primary parameters and advantages of a radiating protective shield.

Keywords: radiation protection, the satellite, modeling.

Радиационное излучение в космосе нередко становится причиной выхода из строя космических аппаратов. Для предотвращения возможных неполадок в работе спутников используются радиацион-но-защитные экраны. Критериями эффективности радиационной защиты являются поглощенная доза и массовые характеристики материалов в сравнении с алюминием, основным материалом защитных экранов.

В ходе работы был смоделирован защитный экран для студенческого спутника SibCube класса CubSate. Такие спутники выводятся на низкие орбиты высотой 400-1 000 км и углом наклонения 82°, поток частиц на этих высотах составляет 3-10 ■ 105 ч/с. Расчет производился в программе «Компьютерная лаборатория» [1] методом Монте-Карло, позволяющим рассмотреть процессы взаимодействия высокоэнергетических частиц с веществом.

Защитный экран будет представлять собой трехслойный барьер, включающий в себя корпус из сплава алюминия АМГ6. Толщина стенки корпуса составляет 2,5 мм. Она была выбрана исходя из результатов вычисления дозовой характеристики и требований по жесткости к конструкции аппарата. С обеих сторон на стенки корпуса будет нанесено лаковое покрытие (МЛ92) с использованием боро-содержащего материала с внешней стороны и никеля с внутренней.

Выбор данных материалов обусловлен значениями сечений реакций в этих веществах. Из недорогих легких и доступных материалов самое большое сечение захвата фотонов, равное 0,009 2 ■ 10-24 см2,

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1

и сечение рассеяния (3,6 • 10 24 см2) имеет бор [3]. Никель обладает лучшими характеристиками: сече-

24 2 24 2

ние захвата, равное 4,43 • 10- см , сечение рассеяния 17,3 • 10- см , что на порядок больше значений сечений реакций меди при приблизительно одной плотности веществ. Благодаря таким параметрам никель является хорошим материалом защиты от гамма-излучения и поэтому эффективен в качестве последнего слоя защиты.

Толщины слоев соответствуют слоям половинного ослабления и составляют 0,225 мм для боросодержащего покрытия и 0,4 мм для слоя с использованием никеля. Малая толщина обеспечивает техническую возможность нанесения покрытия на корпус и сохраняет небольшую массу защитного экрана.

На графике (рис. 1) видна зависимость поглощенной дозы от электронов и позитронов по толщине барьера. Угол наклона свидетельствует о большем коэффициенте ослабления бора и никеля по сравнению с алюминием, что объясняет эффективность применения составного барьера. Доза, прошедшая за барьер толщиной 3,125 мм составит 5,187 • 10-9 рад. За 10 лет накопленная доза будет иметь порядок 10 рад.

Для сравнения с соответствующим барьером из алюминия был вычислен коэффициент ослабления барьера [2] и найдена приведенная толщина: 1,94 г/см2. Этому значению соответствует защитный экран из алюминия реальной толщиной 0,756 см. Такой барьер будет иметь существенные недостатки: с ростом толщины увеличивается значение фактора накопления, и, как следствие, повышается вероятность появления вторичного излучения. В меньшей мере мы можем наблюдать такой эффект в слое алюминия 2.5 мм в составе нашего защитного экрана. На рис. 2 представлены траектории частиц в радиационном защитном экране. Синие линии соответствуют движению электронов, красные - фотонов.

Рис. 1. График зависимости поглощенной дозы (мкГр) от толщины защитного экрана (мм). Нормировка на одну частицу. По оси ординат логарифмический масштаб

Рис. 2. Траектории распространения частиц в веществе

В последней части защитного барьера наблюдается уменьшение количества траекторий фотонов, накопившихся в предыдущем слое. Следовательно, никель служит хорошей защитой от образовавшегося излучения, что также подтверждается зависимостью числа частиц от толщины. Число фотонов, выходящих из трехслойного барьера составило 0,313 частиц, из однородного барьера из алюминия - 0,756 частиц.

Для сравнения массовой характеристики было рассчитано соотношение при одинаковых площадях поверхности: исследуемый экран будет составлять 0,524 от массы алюминия при одинаковой приведенной толщине.

Таким образом, при одинаковой приведенной толщине и приблизительно равных экранирующих свойствах, барьер из боросодержащего материала, сплава АМГ6 и покрытия с никелем обладает рядом преимуществ: меньшее накопление вторичного излучения, меньшая масса и, как следствие, меньшие затраты на производство такого экрана. В дальнейшем возможно усовершенствование

Секция ««ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»

радиационного защитного экрана путем уменьшения толщины стенки корпуса, если это не нарушит требований к жесткости конструкции.

Библиографические ссылки

1. Беспалов В. И. Пакет программ ЕРНСА для статистического моделирования поля излучения фотонов и заряженных частиц // Изв. вузов. Физика, Приложение. 2000. № 4. С. 159-165.

2. Беспалов В. И. Лекции по радиационной защите : учеб. пособие. Томск : Изд-во Томск. поли-техн. ун-та, 2012. С. 40-42.

3. Кимель Л. Р., Машкович В. П. Защита от ионизирующих излучений : справочник. 2-е изд. М. : Атомтдат, 1972. 312 с.

© Драганюк О. Н., 2015

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.