ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ РАДИАЦИОННАЯ
ЭКИПАЖА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
В КОСМИЧЕСКОМ ПОЛЕТЕ.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОГЛОЩЕННОЙ
И ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗЫ ОТ МНОГОЗАРЯДНЫХ
ИОНОВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
РД 50-25645.207-85
Москва
ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ
1986
ИСПОЛНИТЕЛИ
Г.А. Варлашова; Ю.А. Винтенко, канд.
техн. наук; А.И. Вихров, канд. физ.-мат. наук; В.А. Гончарова; Е.В.
Горчаков, д-р физ.-мат. наук; А.И. Григорьев, д-р мед. наук; В.Е.
Дудкин, канд. физ.-мат. наук; О.Н. Карпов; Е.Е. Ковалев, д-р техн.
наук; В.С. Литвиненко, канд. техн.
наук; М.И. Панасюк, канд. физ.-мат. наук; В.А. Панин; Ю.В. Потапов, канд.
физ.-мат. наук; И.Я. Ремизов, канд. техн. наук; В.Д. Степнов, канд.
физ.-мат. наук; В.И. Шумшуров
УТВЕРЖДЕНЫ И ВВЕДЕНЫ В
ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 19
ноября 1985 г. № 3619
РУКОВОДЯЩИЙ НОРМАТИВНЫЙ ДОКУМЕНТ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Безопасность
радиационная экипажа космического
аппарата в космическом полете.
Методика
расчета поглощенной и эквивалентной
дозы от многозарядных ионов космических лучей
|
РД
50-25645.207-85
Введены
впервые
|
Утверждены Постановлением
Госстандарта от 19 ноября 1985 г. № 3619, срок введения установлен
с 01.01.87
Настоящие методические указания устанавливают методику расчета
поглощенных и эквивалентных доз в произвольной точке тканеэквивалентного
фантома от многозарядных ионов космических лучен (МЗИ КЛ) с энергией на
нуклон ниже 104 МэВ.
Термины, применяемые в настоящих методических указаниях, и их
пояснения приведены в справочном приложении.
1. ОБЩИЕ
ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Под многозарядными ионами космических лучей понимают ядра
химических элементов, входящих в состав галактических космических лучей (ГКЛ),
с зарядом 2 и выше.
1.2. Расчеты поглощенной и эквивалентной дозы (далее по тексту -
дозы) проводят для представительных ядер групп ГКЛ, которые определяют
следующим образом:
группа ядер гелия, представительное ядро 4Не;
группа легких ядер, представительное ядро 9Ве;
группа средних ядер, представительное ядро 14N;
группа тяжелых ядер, представительное ядро 28Si;
группа очень тяжелых ядер, представительное ядро 56Fe.
1.3. При изотропном падении МЗИ КЛ на тканеэквивалентный фантом дозу
в его произвольной точке определяют
по формуле
где D(x) - доза за слоем тканеэквивалентного
вещества толщиной (x);
- функция
экранированности точки , определяемая по ГОСТ
25645.204-83.
1.4. Под тканеэквивалентным фантомом понимают антропоморфный тканеэквивалентный
гомогенный фантом или его упрощенные модели (цилиндр и шар) согласно ГОСТ 25645.203-83. Химический состав тканеэквивалентного вещества
принимают по ГОСТ 18622-79.
1.5. В качестве значений D(x) берут значения доз на глубине
x плоского
полубесконечного слоя тканеэквивалентного
вещества при нормальном падении на него МЗИ КЛ
с заданным энергетическим спектром.
1.6. Принимают, что доза в тканеэквивалентном веществе создается как
падающими МЗИ КЛ, так и ядерными фрагментами и нейтронами срыва, образующимися
в результате фрагментации падающих ядер.
1.7. Принимают, что формирование доз обусловлено только следующими
процессами:
ионизационными потерями заряженных частиц;
ослаблением первичного и вторичного излучений за счет ядерных взаимодействий;
образованием ядерных фрагментов и нейтронов срыва при
взаимодействии первичных ядер и ядерных фрагментов с ядрами, входящими в состав
тканеэквивалентного вещества.
2. МЕТОД
РАСЧЕТА ДОЗ В ПРОИЗВОЛЬНОЙ ТОЧКЕ ТКАНЕЭКВИВАЛЕНТНОГО ФАНТОМА
2.1. Для функции экранированности, заданной в кусочно-постоянном
виде, дозу в точке фантома определяют по формуле
(1)
где - значение
функции экранированности относительно точки , постоянное на
отрезке [xl-1, xl],
x'l = 0,5 · (xl-1 + xl). (2)
2.2. Номерам групп МЗИ КЛ и ядерных фрагментов присваивают следующие
значения:
i =
1 для группы протонов;
i = 2 для
группы ядер гелия;
i =
3 для группы легких ядер;
i = 4 для группы средних ядер,
i = 5 для
группы тяжелых ядер;
i =
6 для группы очень тяжелых ядер.
2.3. Дозу от МЗИ КЛ на произвольной глубине x определяют по формуле
(3)
где Di(x) - вклад в
дозу на глубине x от падающих МЗИ КЛ i-й группы.
2.4. Дозу от падающих МЗИ КЛ i-й
группы
определяют по формуле
(4)
где Dii(x) - доза,
обусловленная ионизационными потерями первичных МЗИ КЛ;
Dij(x) -
доза, обусловленная ионизационными
потерями вторичных ядерных фрагментов j-й группы;
Di0(x) - доза, обусловленная нейтронами
срыва.
Верхний индекс относится к группе падающих МЗИ КЛ, нижний - к
группе ядерных фрагментов, приходящих в точку на глубине x.
2.5. В последующих пунктах методических указаний дозы на глубине x представлены в виде линейных
функционалов от пространственно-энергетического флюенса - Fij(x, Е). Функция Fij(x, Е) является решением системы
уравнений:
(5)
В системе уравнений (5):
j = 1, ..., i -
1;
Sj(x) - ионизационные потери ядер группы j с энергией Е, определяемые
по РД
50-25645.206-84;
k -
номер группы ядер, из которых образуются ядра
группы j;
Pkj - параметры фрагментации ядер группы k в ядра группы j;
где λj
- средняя длина свободного пробега до ядерного
взаимодействия;
где φi(t, Е) - энергетический спектр МЗИ КЛ группы i (интегрирование проводится по
данному промежутку времени космического полета);
δ(x) - дельта-функция.
2.6. Вводим функцию ионизационного пробега:
(6)
2.7. Дозу от первичных МЗИ КЛ определяют по формуле
(7)
где Gi(E) = Si(E) - в случае
поглощенной дозы;
Gi(E) = Si(E) · K[Si(E)] - в случае эквивалентной дозы (K - коэффициент качества);
E0 - энергия МЗИ КЛ, падающих
на фантом;
Е = Ri-1[Ri(E0) - x],
Ri-1 - функция, обратная функции Ri, введенной
в п. 2.6;
Eimax и Eimin -
соответственно максимальная и минимальная энергии МЗИ КЛ.
2.8. Дозу от вторичных ядерных фрагментов j-й группы (j < i)
определяют по формуле
(8)
где Gj(E) имеет тот же
смысл, что и в п. 2.7;
E* - энергия фрагментов,
образующихся в точке взаимодействия на глубине x*;
E = Rj-1[Rj(E*) + x - x*].
Верхнюю и нижнюю границы интегрирования для k-й
группы определяют по формулам:
E*max = Rk-1[Rk(Eimax) - x*].
E*min = Ri-1[Ri(Eimin) - x*].
2.9. Дозу от нейтронов срыва определяют по формуле
(9)
где H(x, E) - функция глубинного
распределения доз от моноэнергетических нейтронов, нормально падающих на
полубесконечный слой тканеэквивалетного вещества.
3.
ОПИСАНИЕ ВХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ
3.1. Значения средних пробегов ядер i-й группы до ядерного взаимодействия λi и параметров фрагментации Pij для различных значений зарядов Zi и массовых чисел Ai представительных ядер
определяют по ГОСТ 25645.212-85.
3.2. Таблицы значений ионизационных потерь Siμ и ионизационных пробегов Riμ в тканеэквивалентном веществе на
сетке значений энергии Еμ рассчитывают согласно РД 50-25645.206-84.
Значения Si(E) и Ri(E) для промежуточных значений энергий определяют интерполяцией.
Энергию ядра i-й группы с
заданным ионизационным пробегом определяют обратной интерполяцией таблицы Еμ.
3.3. Значения функции глубинного распределения поглощенных и эквивалентных
доз для нейтронов Н(x,Е) из п. 2.9 берут согласно «Атласу дозовых характеристик внешнего
ионизирующего излучения». Значения этой функции в промежуточных точках по глубине
и энергии определяют путем двойной интерполяции.
3.4. Значение коэффициента качества от полной линейной передачи
энергии K(L∞) определяют
согласно регламентированной зависимости по ГОСТ 8.496-83. В данных методических указаниях при определении K(L∞) принимают, что L∞(E)
= Si(E) для ядер i-й группы.
3.5. Энергетический спектр i-й группы МЗИ КЛ за промежуток времени T космического полета представляют в интегральном виде
На сетке значений Ev задают величины:
Фiv =Фi(Еv), где v = 1, …, vmax;
Фi0 =Фi(Еimin).
4.
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ДОЗ В ПРОИЗВОЛЬНОЙ ТОЧКЕ ТКАНЕЭКВИВАЛЕНТНОГО ФАНТОМА
4.1. Задание исходных данных.
4.1.1. Задать таблицу зарядов Zi и массовых чисел Ai представительных ядер i-й группы, значений их средних длин свободного пробега до ядерного
взаимодействия λi и параметров фрагментации Pij (i = 2,..., 6; j = 1,..., 6).
4.1.2. Вычислить величины
и
4.1.3. Задать разбиение по глубине xl (l = 0, ..., lmax), значения функции экранированности ωl постоянных на отрезке {xl-1, xl} (l = 1, ..., lmax).
4.1.4. Вычислить величины:
x'l = 0,5 · (xl
+ xl-1) и Δxl = xl -
xl-1,
где l = 1, ..., lmax.
4.1.5. Задать узлы сетки Eμ, таблицы величин Siμ, Riμ (μ = 1, ..., μmax, i =
1, ...,
6).
4.1.6. Задать узлы сетки xp, Eq и таблицу величин Hpq (p = 1, ..., pmax; q = 1, ..., qmax).
4.1.7. Присвоить i = 1.
4.2. Определение начальных данных для i-й группы МЗИ КЛ.
4.2.1. Присвоить i = i + 1.
4.2.2. Задать узлы сетки значений Ev и величин Фiv (v = 0, ..., vmax).
4.2.3. Задать полное число статистических испытаний для i-й группы - N.
4.2.4. Присвоить начальные значения накопителей для статистической
оценки дозы Vil = 0 и для статистической оценки квадрата дозы Uil = 0.
4.2.5. Присвоить начальное значение номеру текущего статистического
испытания n = 0.
4.3. Определение начальных значений величин для п-го статистического испытания.
4.3.1. Присвоить начальные значения:
номеру ядерного взаимодействия m =
1;
координате ядерного взаимодействия h0 = 0;
номеру зарядовой группы фрагмента, образующегося в ядерном
взаимодействии j = i;
статистическому весу ядерного взаимодействия Q1
= 1.
4.3.2. Положить n = n +
1.
4.3.3. Определить номер узла v энергетической сетки из соотношения
Здесь и далее η - случайное число, равномерно распределенное в интервале [0, 1].
4.3.4. Определить начальное значение энергии падающего ядра МЗИ КЛ:
4.4. Расчет вклада в дозу на глубине x'l от первичного излучения для n-го испытания - Dinl.
4.4.1. Определить ионизационный пробег первичного (j =
i) МЗИ КЛ Rj = Rj(E0).
4.4.2. Для глубин x'l >
Rj присвоить Dinl = 0, для x'l ≤
Rj вычислить:
где E = Rj-1[Rj(E0) - x'l].
4.5. Определение точки ядерного взаимодействия.
4.5.1. Определить пробег до ядерного взаимодействия
τ = -λ'j
·
lnη.
4.5.2. Если τ >Rj, то перейти к п. 4.3.
4.5.3. Определить координату взаимодействия
hm = hm-1 + τ.
Если hm > xlmax, то
перейти к п. 4.3.
4.5.4. Определить энергию ядерного фрагмента в точке взаимодействия:
Em = Rj-1[Rj(Em-1) - τ].
4.6. Расчет вклада в дозу на глубине x'l от вторичных излучений.
4.6.1. Присвоить начальное значение для накопителя оценок дозы по
точкам ядерного взаимодействия υil = 0.
4.6.2. Рассчитать значения ионизационных пробегов:
Rk = R(Em) для k
= 1, ..., j - 1.
4.6.3. Рассчитать вклад в дозу от вторичных ядерных фрагментов - Dnlj.
Если x'l - hm > Rk, то положить Dinlk
= 0, если x'l - hm ≤ Rk, то вычислить
где E = Rk-1[Rk(Em) - x'l +
hm].
4.6.4. Рассчитать вклад в дозу от нейтронов срыва
Dinl0 = Qm · Pjl · H(x'l - hm, Em-1).
4.6.5. Положить υil = υil + Dinlj + Dinl0.
4.6.6. Если j = 1, то перейти к п. 4.8.
4.7. Определение характеристик процесса ядерного взаимодействия.
4.7.1. Определить номер группы k ядерного фрагмента, образующегося при взаимодействии. Номер группы
определяют из условия:
4.7.2. Положить m = m +
1 и
вычислить Qm = Pj · Qm-1.
4.7.3. Положить Pj = Pk, j = k и определить
Rj = Rj(Em-1).
4.7.4. Перейти к п. 4.5.
4.8. Определение вклада в оценку дозы от n-го испытания.
4.8.1. Положить
Vil = Vil + Dinl + υil,
Uil = Uil + (Dinl + υil)2.
4.8.2. Если n < N, то перейти к п. 4.3.
4.9. Определить средние значения доз на глубине
Dil = Vil/N
и их средние квадратические отклонения
Если i < 6, то перейти к п. 4.2.
4.10. Вычислить среднее значение дозы от МЗИ КЛ в точке
тканеэквивалентного фантома
Примечания:
1. Оценку значений доз,
представленных в виде линейных функционалов от функции Fij(x, Е), проводят методом статистических испытаний.
2. Число статистических испытаний
выбирают в диапазоне от 1000 до 10000 историй.
3.
Считают, что зависимость функции Фi(Е)
между узлами сетки Ev имеет степенной вид.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Справочное
ТЕРМИНЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МЕТОДИЧЕСКИХ УКАЗАНИЯХ, И ИХ
ПОЯСНЕНИЯ
Термин
|
Пояснение
|
Поглощенная доза ионизирующего
излучения
|
По ГОСТ 15484-81
|
Эквивалентная доза ионизирующего
излучения
|
То же
|
Космические лучи (КЛ)
|
По ГОСТ 25645.103-84
|
Энергетический спектр космических
лучей
|
По ГОСТ 25645.104-84
|
Галактические космические лучи (ГКЛ)
|
То же
|
Группа ядер космических лучей
|
»
|
Представительное ядро группы ядер
ГКЛ
|
Ядро, заряд которого наиболее
близок к величине средневзвешенного по составу группы ядер ГКЛ заряда
|
Коэффициент качества ионизирующего
излучения
|
По ГОСТ 15484-81
|
Ионизационные потери заряженных
частиц
|
Средние потери энергии на единицу
пути в среде, обусловленные взаимодействием заряженных частиц с электронными
оболочками атомов тормозящей среды
|
Ионизационный пробег
|
Средний путь, проходимый заряженной
частицей с данной энергией до остановки, т.е. до полной потери энергии
|
Средний пробег ядер до ядерного
взаимодействия λi
|
Расстояние, проходимое ядрами в
веществе, на котором происходит ослабление плотности потока ядер группы i
за счет ядерных взаимодействий в е раз
|
Ядерные фрагменты
|
Вторичные ядра, образующиеся из налетающего
ядра в ядро-ядерных взаимодействиях и имеющие скорость, близкую к скорости
налетающего ядра
|
Параметр фрагментации Pij
|
Среднее число фрагментов группы j,
образующихся в единичном акте взаимодействия ядер группы i
с ядрами атомов вещества
|
Нейтроны срыва
|
Нейтроны, образующиеся из
налетающего ядра в ядро-ядерных взаимодействиях и имеющие скорость, близкую к
скорости налетающего ядра
|
СОДЕРЖАНИЕ
1. Общие положения. 1
2. Метод расчета доз в произвольной точке
тканеэквивалентного фантома. 2
3. Описание входной информации. 4
4. Алгоритм расчета доз в произвольной точке
тканеэквивалентного фантома. 4
Приложение Термины, применяемые в
методических указаниях, и их пояснения. 7
|