ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО УПРАВЛЕНИЮ
КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ И СТАНДАРТАМ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

БЕЗОПАСНОСТЬ РАДИАЦИОННАЯ ЭКИПАЖА
КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА В КОСМИЧЕСКОМ ПОЛЕТЕ

МЕТОД РАСЧЕТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ПОГЛОЩЕННОЙ И ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗ
КОСМИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ПО ТОЛЩИНЕ
МАТЕРИАЛОВ НА ВНЕШНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА ОРБИТАХ,
ПРОХОДЯЩИХ ЧЕРЕЗ ЕРПЗ

 

РД 50-25645.216-90

 

 

Москва

ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ

1990

 

Настоящие методические указания устанавливают метод расчета поглощенной и эквивалентной доз от протонов и электронов естественного радиационного пояса Земли (ЕРПЗ) за защитой толщиной до 1,5 г/см² (в массовых единицах длины), выполненной из материалов с зарядом z £ 15 при космических полетах на высотах от 200 до 10³ км при разных наклонениях орбиты к плоскости экватора.

Методические указания предназначены для расчетов дозовых нагрузок на биологические и технические объекты, в том числе на космонавтов при их работе вне космического аппарата.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Метод расчета доз от протонов основан на предположении прямолинейного распространения и непрерывного торможения протонов в веществе. Ослабление первичного потока протонов за счет ядерных взаимодействий не учитывают.

1.2. Метод расчета доз от электронов основан на рассмотрении многократного рассеяния в веществе с учетом ионизационных потерь, пренебрегая их флуктуациями. Вклад в дозу от тормозного излучения не учитывают.

1.3. Входная информация, необходимая для проведения расчетов, должна содержать:

- дифференциальные энергетические спектры протонов и электронов dN/dE_p и dN/dE_c, вычисляемые в соответствии с ГОСТ 25645.138, ГОСТ 25645.139;

- заряд z и массовое число А для вещества защиты;

- значения пробегов R(E) и ионизационных потерь S(E) в веществе защиты и веществе-поглотителе, определяемые для протонов в соответствии с РД 50-25645.206 или приложением 1, для электронов - в соответствии с приложением 1. Разрешается использовать для определения R(E) и E(R) аппроксимационные выражения вида:

а) протоны (для защиты из алюминия):

R_A1(E) = 5,52×10²ln(1 + 2,219×10^-6E^0,421 + 5×10^-6E^1,78 + 8,66×10^-17×Е^4,9);

E_A1(R) = 7,18×10³ln(0,99977 + 3,878×10^-3R^0,5759 + 1,4455×10^-6R^1,649);

б) протоны (для тканеэквивалентного вещества).

R_тк(E) = 4,14×10²ln(1 + 1,19×10^-6E^0,5834 + 4,116×10^-6E^1,808 + 5,17×10^-17×Е^5,004);

Е_тк(R) = 5,50×10²ln(1 - 2,5515×10^-6R^-0,292 + 6,018×10^-3R^0,5623 + 2,123×10^-6×R^1,696);

в) электроны (для защиты из алюминия):

R_А1(E) = 0,4×E^1,32;

E_А1(R) = (2,50×R)^0,76;

г) электроны (для тканеэквивалентного вещества):

R_тк(E) = 0,353×E^1,32; E_тк(R) = (2,83×R)^0,76;

где Е в МэВ, R в г/см²;

- зависимость коэффициента качества K[S(E)] от ионизационных потерь S(E) для протонов, определяемую аппроксимацией регламентированных в НРБ-76/87 нормативных значений, в виде:

2. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ПОГЛОЩЕННОЙ И ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗ ОТ ПРОТОНОВ И ЭЛЕКТРОНОВ

2.1. За исходные данные принимают нормальное падение широкого пучка частиц на плоский полубесконечный слой толщиной d. Защита выполнена из материала с z £ 15, толщина защиты не превышает 1,5 г/см². Дозу определяют в точке вещества - поглотителя, располагающегося непосредственно за защитой.

2.2. Алгоритм расчета доз от протонов

2.2.1. Поглощенную дозу в веществе защиты от протонов, имеющих энергетический спектр dN/dE, за защитой толщиной d вычисляют по формуле

                                             (1)

где S₃(E) - ионизационные потери протонов в веществе защиты, МэВ×г^-1×см²;

В - коэффициент перехода от поглощенной энергии к дозе, равный В = 1,6×10^-10 Гр×МэВ^-1×г;

D - величина поглощенной дозы, Гр;

Е¢ - энергия протонов на глубине защиты d, связанная с энергией протонов, падающих на защиту Е, соотношением «пробег-энергия»

R₃(E¢) = R₃(E) - d,                                                             (2)

где R₃(E¢) и R₃(E) - ионизационные пробеги протонов с энергиями Е¢ и Е, соответственно, в веществе защиты;

E_min = 0,1 МэВ.

2.2.2. Поглощенную дозу в тканеэквивалентном веществе определяют по формуле

                                          (3)

где S_тк(Е¢) - ионизационные потери протонов в тканеэквивалентном веществе.

2.2.3. Эквивалентную дозу от протонов за плоским слоем толщиной d вычисляют по формуле

                                 (4)

2.2.4. Для расчета доз от протонов по формулам (1 - 4) задают расчетную сетку изменения энергий, равномерную в логарифмическом масштабе: Е_i = 1,122; 1,414; 1,778; 2,239; 2,818; 3,548; 4,467; 5,623; 7,079, 8,913 МэВ в каждом порядке изменения значений Е. При этом интервалы изменений DЕ равны: DE_i = 0,259; 0,326; 0,410; 0,517; 0,650; 0,819; 1,031; 1,298; 1,633; 2,057 МэВ.

2.2.5. Вычисляют значения доз, заменяя интегрирование суммированием по i.

2.2.6. Переходят к другим слоям защиты и (или) тканеэквивалентного вещества.

2.3. Алгоритм расчета доз от электронов

2.3.1. Определяют f^min и f^max, где f(E_e) - дифференциальный энергетический спектр электронов ЕРПЗ в интервале энергий электронов E_e^min = 0,04 МэВ и Е_e^max = 4,0 МэВ.

2.3.2. Задают полное число статистических испытаний N (от 1000 до 5000 историй), присваивают начальные значения накопителей для статистической оценки дозы V = 0 и квадрата дозы U = 0, присваивают начальное значение номеру текущего испытания n = 0.

2.3.3. Определение начальных значений величин для п-го статистического испытания

2.3.3.1. Присваивают начальные значения:

- глубине проникновения электрона в пластину х₀ = 0;

- косинусу угла падения электрона (a₀) на пластину, cosa₀ = l (нормальное падение).

2.3.3.2. Определяют начальное значение энергии падающего электрона Е₀ (метод Ноймана):

- генерируют h_i, здесь и далее h_i - случайные числа, равномерно распределенные в интервале [0; 1];

- вычисляют E = E_min + h₁(E_e^max - E_c^min), МэВ,                                                              (5)

где E_e^max и E_c^min - минимальное и максимальное значения энергии в спектре электронов;

- если f(E_с) > f^min + h₂(f^max - f^min), то переходят к генерации h₁ и h₂.

Начальной энергии электрона Е₀ присваивают значение Е; Е₀ = Е.

2.3.3.3. Полагают п = п+ 1.

2.3.4. Движение электрона через слои вещества в пластине

2.3.4.1. Вычисляют параметр экранирования Мольер e

                           (6)

где Т = E₀/0,511.

2.3.4.2. Определяют средний пробег электрона до рассеяния:

l₀ = A/(N_As₀), г/см²,                                                    (7)

где

N_A = 6,022×10²³, 1/моль;

                              (8)

где r₀ = 2,818×10^-13 см.

2.3.4.3. Определяют пробег электрона до рассеяния

l = -l₀lnh₃, г/см².                                                    (9)

2.3.4.4. Рассчитывают пробег электрона с энергией Е₀

R₀ = g(E₀), г/см²,                                                   (10)

где g(E) - аппроксимирующая функция, связывающая энергию электрона с его пробегом в веществе защиты.

2.3.4.5. Рассчитывают координату точки рассеяния x₁

x₁ = x₀ + cosa₀×l, г/см².                                          (11)

2.3.4.6. Рассчитывают энергию электрона в точке рассеяния

E =g^-1(R₀ - l), МэВ,                                                  (12)

где g^-1 - функция, обратная g(E).

Если l ³ R₀, перейти к п. 2.3.3.2.

2.3.4.7. Рассчитывают косинус угла рассеяния:

                                             (13)

2.3.4.8. Рассчитывают косинус угла между импульсом электрона после рассеяния и нормалью к пластине (cosa₁)

cosa₁ = cosa₀cosq + sina₀sinqcosj,                                 (14)

где j = 2ph₅.

2.3.4.9. Если x₁ < 0, то переходят к п. 2.3.3.2.

2.3.4.10. Если E₁ < E_min, то переходят к п. 2.3.3.2.

2.3.4.11. Если 0 < х < d, то присваивают Е₀ = Е;

cosa₀ = cosa₁; x₀ = x₁ и переходят к п. 2.3.4.

2.3.5. Определение вклада в поглощенную дозу от п-го испытания

2.3.5.1. Вычисляют

D = 1,6×10^-10S_i(E₁)cosa₁, Гр,                                           (15)

где S_i - аппроксимирующая функция, связывающая энергию электрона и ионизационные потери в веществе-поглотителе.

V = V + D;                                                             (16)

U = U + D².

2.3.5.2. Если n < N, то переходят к п. 2.3.3.

2.3.6. Определяют средние значения поглощенных доз

D_n = V/N, Гр                                                         (17)

и средние квадратичные отклонения

                                               (18)

2.3.7. Поглощенную (эквивалентную) дозу от спектра электронов, распределенных по закону dN/dE_e в интервале [E_min, Е_тах] вычисляют по формуле

                                                 (19)

2.4. Примеры расчета поглощенной и эквивалентной доз от протонов и электронов ЕРПЗ приведены в приложении 2.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Справочное

ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ И ПРОБЕГИ ПРОТОНОВ И ЭЛЕКТРОНОВ В АЛЮМИНИИ И ТКАНЕЭКВИВАЛЕНТНОМ ВЕЩЕСТВЕ

1. Протоны

Таблица 1

2. Электроны

Таблица 2

Примечание. При пользовании табл. 1 и 2 для промежуточных значений Е, S и R применяют линейную интерполяцию между двумя соседними значениями.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Справочное

1. Пример расчета поглощенной и эквивалентной дозы от протонов ЕРПЗ

1.1. Выбираем точку околоземного космического пространства с координатами В₀ = 0,2 Гс и L₀ = 2,0. Для эпохи максимума солнечной активности по ГОСТ 25645.138 находим коэффициенты для расчета энергетического спектра плотности потока протонов с энергией больше Е:

                                                       (20)

A₀ = 5,9910×10¹, A₁ = -8,6988×10¹, A₂ = 5,2703×10¹, A₃ = -1,5394×10¹, A₄ = 2,1688, A₅ = -1,1921.

Дифференциальный энергетический спектр dN/dE вычисляем из выражения (20).

1.2. Из ГОСТ 25645.138 для выбранных В₀, L₀ находим E_min = 0,1 МэВ, E_max = 200 МэВ.

1.3. Задаем заряд вещества защиты z = 13 и массовое число A = 27.

1.4. Задаем толщину защиты d = 0,01; 0,05; 0,1; 0,5; 1 г/см².

1.5. Вычисляем энергетический спектр плотности потока протонов в прот/(см²×с). Для значений энергий из п. 2.2.4 получаем:

Таблица 3

3.6. Вычисляя по полученным результатам дифференциальный энергетический спектр протонов и подставляя полученные значения в формулы (1 - 4), получаем мощности доз , рад/с, и , бэр/с.

Таблица 4

2. Пример расчета поглощенной (эквивалентной) дозы от электронов ЕРПЗ

1. Выбираем точку околоземного космического пространства с координатами В₀ = 0,2 Гс и L₀ = 2,0. Для эпохи максимума солнечной активности по ГОСТ 25645.139 находим коэффициенты для расчета энергетического спектра плотности потока электронов с энергией больше Е

                                                       (21)

где Е - энергия электрона, кэВ;

A₀ = -8,2008E+00; A₁ = 2,1010E+01; А₂ = - 9,5091E+00; A₃ = 1,6550E+00; A₄ = -1,3243E-01.

Дифференциальный энергетический спектр dN/dE вычисляем из выражения (21).

2. Из ГОСТ 25645.139 для выбранных В₀ и L₀ находим E_min = 0,04 МэВ, E_max = 4,0 МэВ.

3. Задаем заряд вещества защиты z = 13 и массовое число A = 27 г/моль.

4. Задаем толщины защиты d = 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5.

5. Задаем полное число статистических испытаний N = 1000.

6. Вычисляя по изложенному выше алгоритму, получаем значения мощности доз в ткани  за защитой из алюминия.

Таблица 5

 

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

 

1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Минздравом СССР

РАЗРАБОТЧИКИ

Н.А. Анфимов, член-корр. АН СССР; В.В. Архангельский; В.Н. Васильев, канд. техн. наук; А.А. Волобуев; В.А. Гончарова; А.И. Григорьев, д-р мед. наук; В.Е. Дудкин, д-р физ.-мат. наук; Е.Е. Ковалев, д-р техн. наук; В.В. Козелкин, д-р техн. наук; Е.Н. Лесновский, канд. техн. наук; В.Г. Митрикас, канд. физ.-мат. наук; В.А. Панин, Е.В. Пашков, канд. техн. наук; В.М. Петров, канд. физ.-мат. наук; Ю.В. Потапов, канд. физ.-мат. наук; В.А. Шуршаков, канд. физ.-мат. наук

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 28.03.90 № 660

3. Срок первой проверки - 1996 г., периодичность проверки - 5 лет

4. ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

5. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

 

СОДЕРЖАНИЕ