Введение к работе
Объект исследования и актуальность темы
Интерес к пространственному распределению вторичных космических лучей связан прежде всего с проблемами радиационной безопасности при межконтинентальных перелетах.
Известно, что некоторые трассы межконтинентальных перелетов проходят вблизи северной полярной области. Эта область наименее защищена от вторжения энергичных частиц, и поэтому во время солнечных вспышек опасность радиационного облучения экипажа и пассажиров возрастает. Солнечные вспышки увеличивают дозы радиации на высотах, где проходят трассы пассажирских самолётов, в 20 - 30 раз. Так, во время гигантской солнечной вспышки 23 февраля 1956 г. мощность дозы возросла в 45 раз.
Вопрос о радиационной безопасности при полетах в области высоких широт до последнего времени не подвергался серьезному научному исследованию. Исключение составляют исследования влияния солнечных космических лучей на радиационную безопасность при космических полетах, при этом принимали во внимание только общеионизующий компонент.
Особую актуальность приобретает исследование пространственного распределения вторичных нейтронов, т.к. именно нейтроны наиболее активно взаимодействуют с ядрами атомов воздуха и поэтому вносят значительный вклад в естественный радиационный фон планеты. Интенсивность вторичных нейтронов измеряется нейтронными мониторами. Так, эквивалентная доза, получаемая полубесконечным слоем биологической ткани толщиной 20 см при облучении его изотропным потоком нейтронов на уровне моря, равна 162±5 Зв/год, что приблизительно составляет 50% от общего радиационного фона Земли. Более того, вторичные нуклоны, в отличие общеионизующего компонента вторичных космических лучей, обладают значительным широтным эффектом D максимальная интенсивность вторичных нуклонов приходится на полярные широты. Следовательно, для вторичных нуклонов эффект солнечной модуляции в сотни раз больше, чем для обшеионизующего компонента (электронов и мюонов), т.е. интенсивность вторичных нуклонов во время солнечных вспышек увеличивается в десятки раз (во время некоторых вспышек D в сотни), соответственно увеличивается и уровень естественного радиационного фона Земли.
Выбор объектов исследования определялся непосредственно задачей данной работы: контроль естественного радиационного фона планеты в различные периоды солнечной активности преимущественно на высотах, где проходят маршруты пассажирских самолетов (10-14 км). Такими объектами стали вторичные космические лучи (преимущественно нуклонный компонент), которые генерируются первичными высокоэнергетичными космическими лучами (в основном протонами) при взаимодействии с ядрами атомов атмосферы.
Интенсивность / компонента космического излучения и мощность эквивалентной дозы связаны линейной зависимостью. Поэтому для оценки
степени радиационной опасности при авиационных перелетах очень важно знать пространственное распределение каждого компонента вторичного космического излучения: ядерно-активного (вторичные нейтроны, протоны Е>ЪГэВ, я-мезоны), общеионизующего компонента (мюоны, вторичные электроны) и гамма-квантов.
Цели и задачи исследования
Целью работы является
Разработка методов расчета интенсивности вторичных нейтронов на
основе марковских процессов.
построение математической модели пространственного
распределения вторичных нуклонов на основе марковских процессов
и метода коэффициентов связи с учетом солнечной активности;
определение уровня естественного радиационного фона в периоды
минимальной и максимальной солнечной активности.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
Обобщить данные натурных измерений интенсивности нуклонов, мюонов и электронов на разных географических координатах и различной высоте на уровне моря полученных измерительными приборами: нейтронными мониторами, мюонными телескопами др. и провести качественный анализ физических явлений лежащих в основе взаимодействия нуклонов с ядрами атомов атмосферы.
Разработать метод вычисления интенсивности вторичных космических лучей, основанный на синтезе каскадного метода и метода коэффициентов связи, для получения высотного, широтного и долготного распределений вторичных нейтронов и электронов в атмосфере Земли.
Построить модель пространственного распределения вторичных нейтронов и электронов в атмосфере.
Построить распределение нейтронов и электронов в атмосфере при минимальной и максимальной солнечной активности.
На основе пространственного распределения вторичных нейтронов и электронов в зависимости от периода солнечной активности выявить характерные географические зоны риска и временные интервалы
превышения предельно допустимой дозы облучения экипажей и пассажиров летательных аппаратов. Научная новизна работы заключается в следующих новых результатах:
1. Разработан метод построения пространственного распределения
вторичного космического излучения являющийся синтезом
каскадного метода и метода коэффициентов связи.
2. Выявлен доминирующий вклад вторичных нейтронов в естественный
радиационный фон Земли.
3. Выявлены географические зоны риска в периоды максимальной
солнечной активности для экипажа и пассажиров летательных аппаратов
Теоретическая и практическая ценность результатов
Теоретическая ценность работы заключается в разработке нового метода вычисления пространственного распределения интенсивности вторичных космических лучей, нахождении пространственного распределения вторичных нейтронов с использованием марковских процессов и метода коэффициентов связи. К достоинству предложенного метода следует отнести существенное упрощение вычислительных процедур в сравнении с методом, основанным на решении уравнений переноса. Например, поток нейтронов может быть описан в диффузионном приближении. Практическая ценность работы состоит в выявлении географических
областей и временных интервалов, представляющих радиационную
опасность для пассажиров и экипажей самолетов. Предполагаемая модель
может быть использована для оценки эффекта солнечной модуляции и
возрастания уровня радиационной дозы в максимум солнечной активности.
Нами предложен комплекс нейтронных мониторов для контроля вариаций
радиационного фона.
Достоверность научных положений
Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на сравнении полученных результатов с некоторыми известными экспериментальными данными, а также на данных ряда проведенных экспериментов, подтверждающих предсказания теории.
Личный вклад диссертанта
Личный вклад диссертанта состоял в сборе натурных измерительных, в обобщении этого материала, в разработке нового методы вычислений интенсивности вторичного излучения, в построении пространственно-временной модели распределения интенсивности вторичного излучения в атмосфере Земли, в выявлении географических зон риска для пассажиров и экипажей самолетов.
На защиту выносятся:
Метод вычисления интенсивности вторичных космических лучей.
Пространственно-временное распределение интенсивности вторичных космических лучей. Результаты исследования влияния солнечной активности на распределение интенсивности вторичпых нейтронов и электронов.
Выделение географических и высотных зон риска для экипажей и пассажиров летательных аппаратов. Во время солнечных вспышек балла 3 и выше географические зоны риска располагаются в области широт: 60-90 N, 65-90 S. Полеты через указанные географические широты крайне нежелательны (следует запретить) в первые 8-10 часов после начала вспышки, т. к. мощность дозы в этот временной период превышает предельно допустимую (для нейтронов 0,5 Зв/час) в 40 и более раз. При минимальной солнечной активности доза превышает предельно допустимую дозу в 1,2 раза - и поэтому пассажиры и экипаж не подвергаются серьезной радиационной опасности.
4. Предложен комплекс аппаратуры, необходимой для вычисления
вариаций интенсивности вторичного космического излучения в атмосфере.
Апробация результатов
Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях и симпозиумах:
Научная конференция аспирантов и молодых ученых-физиков, Сибирский Федеральный Университет, 18 апреля 2005, Красноярск.
Научная конференция аспирантов и молодых ученых-физиков, Сибирский Федеральный Университет, 10 апреля 2007, Красноярск.
3. Решетневские чтения, международная конференция, Сибирский
государственный аэрокосмический университет, 7 ноября, 2007 Красноярск.
4. Конференция молодых ученых, КНЦ СО РАН, 3 апреля 2009, Красноярск.
5. V Северный социально-экологический конгресс, 21 апреля 2009,
Российская академия наук, Москва.
6. Международная конференция «Ресурсная экономика, изменение климата и
рациональное природопользование», Сибирский Федеральный Университет,
2 июля 2009, Красноярск.
7. Всероссийская ежегодная конференция по физике Солнца «Год
астрономии: солнечная и солнечно-земная физика D 2009», 5 июля 2009,
Санкт-Петербург.
8. VII Международная конференция «Ядерная и радиационная физика», 26
октября 2009, Алматы, Казахстан.
Публикации
Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 9 работах, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 7 - в материалах и трудах конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа без библиографического списка содержит 105 страниц машинописного текста и библиографический список из 50 наименований. Работа содержит 4 таблицы, 25 рисунков.
