Метод определения дозовых нагрузок от нейтронного излучения на Международной космической станции Хулапко Сергей Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

1. Литературный обзор 16

1.1 Проблемы при регистрации нейтронов и основные типы детекторов 16

1.1.1 Детектирование по реакции типа 6Li(n,) 20

1.1.2 Детектирование по реакции типа 10В(n,) 21

1.1.3 Детектирование по реакции типа 3He(n,p) 21

1.1.4 Сферы Боннера 22

1.1.5 Активационные детекторы нейтронов 25

1.1.6 Тканеэквивалентные пропорциональные счетчики как детекторы нейтронов 27

1.1.7 Детекторы на основе перегретых дисперсных систем (пузырьковые детекторы) 28

1.2 Обзор характеристик нейтронных полей внутри космических аппаратов 32

Выводы к главе 1 52

2. Метод определения характеристик нейтронного излучения внутри отсеков МКС 55

2.1 Научная аппаратура «Баббл-дозиметр» 55

2.1.1 Детекторы НА «Баббл-дозиметр» 56

2.1.1.1 Физические принципы регистрации нейтронов в детекторах НА «Баббл-дозиметр» 61

2.1.1.2 Калибровка дозиметрических детекторов НА «Баббл-дозиметр» 61

2.1.1.3 Калибровка спектрометрических детекторов НА «Баббл-дозиметр» 62

2.1.1.4 Определение чувствительности детекторов НА «Баббл-дозиметр» к высокоэнергичным нейтронам 68

2.1.1.5 Определение чувствительности детекторов НА «Баббл-дозиметр» к протонам 71

2.1.1.6 Определение чувствительности детекторов НА «Баббл-дозиметр» к ТЗЧ 76

2.1.1.7 Определение энергетического спектра и дозы с использованием спектрометрических детекторов НА «Баббл-дозиметр» 82

2.1.2 Считывающий пульт НА «Баббл-дозиметр» 87 2.2 Метод проведения измерений 90

2.2.1 Общая последовательность работы космонавтов с НА «Баббл-дозиметр» на борту

МКС 90

2.3 Измерение характеристик нейтронного излучения внутри модулей МКС 91

2.4 Измерение характеристик нейтронных полей внутри и снаружи шарового фантома 93

2.4.1 Научная аппаратура «Комплект фантом» 93

2.4.2 Научная аппаратура «Люлин-5» 95

2.4.3 Метод измерений внутри НА «Комплект фантом» 97

2.5 Изучение защитных свойств укладки «Шторка защитная» 100

2.5.1 Научная аппаратура «Шторка защитная» 100

2.5.2 Компьютерный код MCNPX 102

2.5.3 Метод экспериментальных измерений на укладке «Шторка защитная» 103

2.5.3 Метод расчета с использованием кода MCNPX для проверки свойств укладки «Шторка защитная» 107

3 Результаты измерений характеристик нейтронных полей в отсеках МКС и их обсуждение 112

3.1 Карта доз МКС 112

3.1.2 Выводы по измерениям внутри модулей МКС 132

3.2 Результаты измерений характеристик нейтронных полей в шаровом тканеэквивалентном фантоме 133

3.2.1. Энергетический спектр нейтронного излучения на поверхности и внутри шарового фантома 133

3.2.2 Мощность дозы снаружи и внутри шарового фантома 140

3.2.3 Вклад нейтронного излучения в общую дозу внутри шарового фантома 142

3.2.4 Выводы по результатам измерений внутри шарового фантома 143

3.3 Измерения на «Шторке защитной» 144

3.3.1 Экспериментальные данные измерений на «Шторке защитной» 144

3.3.3 Выводы по результатам расчетов и измерений на «Шторке защитной» 146

Заключение 148

Список литературы 151

• Детектирование по реакции типа 10В(n,)
• Калибровка дозиметрических детекторов НА «Баббл-дозиметр»
• Результаты измерений характеристик нейтронных полей в шаровом тканеэквивалентном фантоме
• Выводы по результатам измерений внутри шарового фантома

Введение к работе

Актуальность работы. В настоящее время на борту Российского сегмента (РС) МКС мониторинг осуществляется штатными средствами: системой радиационного контроля (СРК) ([3]) и детекторы «Пилле-МКС» [4]. Кроме того, согласно долгосрочной программе научно-прикладных исследований на РС МКС проводится космический эксперимент (КЭ) «Матрешка-Р», целью которого является исследование динамики радиационной обстановки на трассе полета и в отсеках МКС.

Однако, как штатные средства радиационного контроля, так и большая часть детекторов и дозиметров КЭ «Матрешка-Р» нечувствительны к нейтронному излучению, и, следовательно, не позволяют оценить вклад нейтронов в общую эквивалентную дозу, получаемую экипажем МКС. Между тем, по различным данным этот вклад может достигать от 5 до 60% от общей дозы [5].

Актуальность настоящей работы обуславливается следующими факторами:

1. пределы доз для космонавтов существенно превышают пределы для наземного персонала, при этом непрерывный бортовой и индивидуальный контроль является обязательным. При полетах за пределы магнитосферы Земли доза облучения космонавтов будет увеличиваться;

2. необходимость разработки новых методов измерения дозовых нагрузок и новых методов защиты от ионизирующего излучения космического пространства (ИИ КП), в том числе нейтронов, при будущих межпланетных полетах;

3. невозможность регистрации нейтронного излучения в отсеках МКС имеющимися штатными средствами дозиметрического контроля и научной аппаратурой в рамках космических экспериментов;

4. большой разброс данных о вкладе нейтронного излучения в общую эквивалентную дозу внутри ПКА в зависимости от различных параметров (от 5-8% до 60%).

Цель работы состояла в разработке метода исследования основных характеристик нейтронного излучения (энергетического спектра, эквивалентной дозы и вклада в дозу от

нейтронов различной энергии) внутри отсеков МКС и анализе зависимости этих характеристик от различных факторов (гелиофизических параметров, условий защищенности модулей и параметров орбиты МКС). Научная новизна. В диссертационной работе:

впервые разработан и реализован метод, позволяющий выявить качественно новую закономерность исследуемого явления, заключающуюся в дополнительной генерации высокоэнергичных нейтронов внутри исследуемых объектов; позволяющий повысить точность измерений энергетического спектра нейтронов внутри исследуемых объектов за счет использования шести пороговых детекторов; вносящий вклад в расширение представлений и эквивалентной дозе нейтронов внутри и снаружи исследуемых физических объектов.

впервые разработан и реализован метод, позволяющий изучить и провести сравнительный анализ спектра нейтронного излучения в широком энергетическом диапазоне от 100 кэВ до 50 МэВ внутри различных космических аппаратов, а также провести анализ зависимости спектра нейтронов от характеристик защищенности этих аппаратов, параметров их орбиты и солнечной активности.

впервые получены экспериментальные данные об эквивалентной дозе нейтронов в модулях РС и АС МКС. Проведен анализ зависимости дозы нейтронного излучения от массы модулей и параметров солнечной активности (на примере модуля «Звезда» РС МКС);

впервые получены экспериментальные данные об эквивалентной дозе нейтронов внутри шарового тканеэквивалентного фантома на борту РС МКС, определен вклад в дозу внутри фантома от нейтронов различной энергии;

впервые проведено моделирование с веществом шарового тканеэквивалентного
фантома на борту РС МКС, показано, что внутри фантома происходит генерация
дополнительных высокоэнергичных нейтронов;

впервые в рамках совместных измерений с использованием детекторов НА «Баббл-дозиметр» и НА «Люлин-5» проведена оценка вклада нейтронного излучения в общую эквивалентную дозу (с учетом заряженных частиц) внутри шарового тканеэквивалентного фантома в модуле МИМ1 РС МКС;

впервые проведены измерения эквивалентной дозы нейтронного излучения в правой каюте СМ РС МКС на поверхности укладки «Шторка защитная», получены экспериментальные данные, подтверждающие ее свойства по ослаблению потока нейтронов. Проведено моделирование защитный свойств «Шторки» от нейтронного излучения методом Монте-Карло с использованием кода MCNPX, согласующееся с экспериментальными данными.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

разработан и внедрен универсальный метод измерений вклада нейтронов различных энергий в дозу внутри и снаружи исследуемых объектов. Разработанный метод позволяет изучать влияние нейтронов различных энергий на исследуемые объекты, что является важным фактором для обеспечения радиационной безопасности экипажей авиационных линий, а также при космических полетах, в том числе при будущих полетах за пределы магнитосферы Земли.

представлены методические рекомендации, предложения по дальнейшему совершенствованию радиационной защиты экипажей космических станций.

экспериментально и теоретически доказана перспективность использования дополнительной водосодержащей защиты в качестве дополнительной защиты экипажей орбитальных станций и пилотируемых космических аппаратов от ионизирующего излучения космического пространства - эквивалентная доза от нейтронного излучения снижается до 77±17% от дозы в незащищенном месте. Полученное экспериментальное и теоретическое подтверждение защитных свойств дополнительной водосодержащей защиты (укладка «Шторка защитная») позволяет рекомендовать ее использование в качестве прототипа штатного средства дополнительной защиты экипажей пилотируемых космических кораблей от ионизирующих излучений космического пространства (планируется изготовление второй укладки «Шторка защитная» для размещения в каюте космонавтов на борту Российского сегмента МКС). Для вновь доставляемого на МКС многоцелевого лабораторного модуля (МЛМ) введена дополнительная защита от радиации каюты космонавта из пластин полиэтилена.

Результаты, выносимые на защиту.

1. Универсальный метод измерений вклада нейтронов различных энергий в дозу внутри и снаружи исследуемых объектов. Данный метод позволяет выявить качественно новую закономерность исследуемого явления, заключающуюся в дополнительной генерации высокоэнергичных нейтронов внутри исследуемых объектов, и отличается от других методов использованием шести пороговых пузырьковых детекторов, впервые применяемых в условиях долговременных орбитальных станций и пилотируемых космических аппаратов;

2. Результаты измерений эквивалентной дозы нейтронного излучения в различных модулях РС и АС МКС, включая зависимость характеристик нейтронного излучения от солнечной активности и массы модулей;

3) Результаты измерений эквивалентной дозы нейтронного излучения в правой каюте
СМ РС МКС с использованием укладки «Шторка защитная», подтверждающие эффективность
ослабления потоков нейтронов;

4. Результаты расчетов ослабления потока нейтронов дополнительной защитой методом Монте-Карло с использованием кода MCNPX для условий эксперимента с укладкой «Шторка защитная»;

5. Результаты измерения дозы и энергетического спектра нейтронного излучения внутри шарового тканеэквивалентного фантома в модуле МИМ1 РС МКС, оценка вклада в дозу от высокоэнергичных нейтронов.

6. Экспериментальные результаты по определению вклада от нейтронного излучения в общую эквивалентную дозу ИИ КП внутри шарового тканеэквивалентного фантома в модуле МИМ1 РС МКС.

Личный вклад автора

Личный вклад автора заключается в:

разработке программы и методов экспериментальных исследований, определении мест размещения детекторов в модулях МКС и внутри и снаружи шарового тканеэквивалентного фантома;

участии в подготовке международных экипажей, разработке исходных данных для бортовых инструкций по проведению эксперимента на борту МКС;

обработке и анализе данных эксперимента, выполнении основного объема теоретических исследований;

разработке геометрической модели СМ РС МКС для расчета с использованием кода MCNPX на основе данных ОАО «РКК «Энергия» и ФГУП «ЦНИИМаш»;

проведении моделирования методом Монте-Карло с использованием кода MCNPX условий эксперимента на борту МКС с укладкой «Шторка защитная» и НА «Баббл-дозиметр»;

проведении наземных калибровочных испытаний детекторов НА «Баббл-дозиметр» в Технологическом институте при Университете штата Онтарио, Канада;

оформлении полученных результатов в виде публикаций и научных докладов в период с 2012 по 2015 гг..

Апробация работы.

Результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Седьмой Международный Аэрокосмический Конгресс (26 -31 августа 2012г.), г. Москва;

2. XII Конференция молодых ученых, специалистов и студентов ИМБП (16 апреля 2013г.), г. Москва;

3. XIV Конференция по космической биологии и авиакосмической медицине, посвященная 50-летию создания ИМБП (28-30 октября 2013 г.), г. Москва;

4. 10 Международная научно-практическая конференция «Пилотируемые полеты в космос» (27-28 ноября 2013 г.), Звездный городок, МО;

5. Multilateral Radiation Health Working Group meeting, Moscow, December 2013;

6. 40^th scientific assembly COSPAR-2014, Moscow, 2-10 August 2014.

7. ХХ Научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов в ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева, 10-14 ноября 2014 г., г. Королев, МО;

8. Ежегодный городской конкурс имени академика С.П. Королева, 22 – 26 декабря 2014 г.;

9. Международная научно-практическая конференция «Научные исследования и эксперименты на МКС», г. Москва, ИКИ РАН, 9-11 апреля 2015 г.

Результаты работы автора представлены в следующих публикациях:

1. M.B. Smith, S. Khulapko, H.R. Andrews et al. Bubble-detector measurements in the Russian segment of the International space station during 2009-12, Radiation Protection Dosimetry (индексируется в БД Scopus), 163(1), pp. 1-13, 2015;

2. Хулапко С.В., Лягушин В.И., Архангельский В.В. и др. Результаты измерения дозы и энергетического спектра нейтронов внутри Российского сегмента МКС в эксперименте «Матрешка-Р» с использованием пузырьковых детекторов в период экспедиций МКС-24/МКС-34. Авиакосмическая и экологическая медицина (индексируется в БД Scopus), т.48, №1, стр. 52-56, 2014г.;

3. M.B. Smith, S. Khulapko, H.R. Andrews et al. Bubble-detector measurements of neutron radiation in the International space station: ISS-34 to ISS-37, Radiation Protection Dosimetry (индексируется в БД Scopus), 168(2) pp. 154-166, 2016;

4. Хулапко С.В., Лягушин В.И., Архангельский В.В. и др. Определение дозы и энергетического спектра нейтронов внутри и снаружи тканеэквивалентного шарового фантома в эксперименте «Матрешка-Р» на Российском сегменте Международной космической станции с использованием пузырьковых детекторов. Космическая техника и технологии, № 2 (9), стр. 51-63, 2015;

5. Хулапко С.В. , Лягушин В.И., Архангельский В.В и др. «Сравнение эквивалентной дозы от заряженных частиц и нейтронов внутри шарового тканеэквивалентного фантома на борту РС МКС». Авиакосмическая и экологическая медицина (индексируется в БД Scopus), Т.50, №2, стр. 47-52, 2016г.

Объем и структура.

Диссертация изложена на 169 страницах машинописного текста, включая 30 таблиц и 135 рисунков, состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников из 110 наименований и трех приложений.

Детектирование по реакции типа 10В(n,)

Как видно из рисунка 3, сечение взаимодействия ядер 6Li с быстрыми нейтронами плавно спадает за исключением пика в районе энергии 250 кэВ. Захват тепловых нейтронов вызывает острый пик в спектре выделяющейся энергии, соответствующий значению Q=4,78 МэВ.

Для спектрометрии нейтронов атомами 6Li легируют различные материалы, чаще всего используются сцинтилляторы на основе монокристаллов Lil, активированных европием. Такие кристаллы можно использовать для спектрометрии быстрых нейтронов в области 5 - 15 МэВ. Если - энергия нейтрона, вызывающего (n,) - реакцию, то МэВ есть полная энергия, переданная кристаллу. Тогда энергия налетающего нейтрона Еп определяется из соотношения: , (3) где Еполн - полная энергия, переданная кристаллу с Li Кроме того, иногда в матрицы вещества детекторов помимо Li внедряют и атомы 7Li, который нечувствителен к нейтронам, определяя по разнице показаний детекторов с 7Li и 6Li поток нейтронов. Таким образом, можно выделять нейтронную компоненту в смешанных (например, гамма-нейтронных) полях излучений. Также иногда используют так называемые «стеклянные сцинтилляторы», которые получаются путем сплавления Li260, А1203, С1203 и Si02.

Пластиковые твердотельные трековые детекторы типа CR-39, активно используемые для индивидуальной дозиметрии в наземных условиях (АЭС и различные ускорители), трудно применять в космических условиях для дозиметрии нейтронов, т.к. они обладают очень хорошей чувствительностью к высокоэнергичным протонам. И хотя данные ТТД регулярно используются для индивидуальной дозиметрии в космосе для определения спектра ЛПЭ, до сих пор не разработано приемлемого метода для различия треков от ядер отдачи, образованных от взаимодействия с нейтронами, и заряженных частиц. 1.1.2 Детектирование по реакции типа 10В(n,)

Наиболее простым и часто используемым детектором нейтронов является борный счетчик. Как правило, это пропорциональный счетчик, наполненный газообразным трифторидом бора BF3, высокообогащенным изотопом B10. Иногда в качестве наполняющего газа используется триметил бора B(CH3)3. Реже используют детекторы с борным покрытием стенок. Борный счетчик пригоден только для детектирования медленных нейтронов. Для быстрых нейтронов можно использовать так называемые длинные счетчики, состоящие собственно из борного счетчика и парафинового замедлителя.

Отметим, что возможны две разновероятностные реакции взаимодействия ядра бора и налетающего нейтрона [21]: n + 10B 7Li + 7Li(0,83 МэВ) + (1,47 МэВ) + (0,48 МэВ) (вероятность 93%) и n + 10B 7Li + 7Li(1,0 МэВ) + (1,8 МэВ) (вероятность 7%) Борные счетчики имеют ряд недостатков, основные из которых, как уже упоминалось, низкая эффективность для быстрых нейтронов и невысокое разрешающее время. Поэтому часто используют сцинтилляционные счетчики с добавлением бора, как в виде кристаллов, так и в виде жидкостей с растворенными в них веществами с высоким содержанием бора. Получили распространение сцинтилляторы на основе смеси бора и веществ, имеющих относительно высокое сечение взаимодействия с быстрыми нейтронами (например, водородом) [22]. В таком детекторе один нейтрон может провзаимодействовать два раза (рассеяние на водороде с образованием протона отдачи и замедлением нейтрона, и его дальнейшее поглощение бором), каждое из этих событий приводит к испусканию световых импульсов в сцинтилляторе с разницей в несколько наносекунд.

Реакция вида 3He(n,p) также широко используется в детектировании нейтронов. Помимо того, что сечение взаимодействия с нейтронами падает с повышением энергии (см. рисунок 3) в реакциях данного типа необходимо учитывать также конкурирующие процессы, наиболее значимый из которых – упругое рассеяние нейтронов на ядрах гелия. Сечение упругого рассеяния всегда больше сечения взаимодействия реакции (n,p), и эта закономерность только увеличивается с ростом энергии падающего нейтрона (например, сечения примерно одинаковы при энергии нейтрона около 150 кэВ, но при энергии 2 МэВ сечение рассеяния в три раза больше сечения реакции). Кроме того, при энергии нейтрона выше 4,3 МэВ может происходить реакция вида 3He(n,d), но до энергии 10 МэВ эта реакция большой роли не играет.

Импульс выделившейся энергии в детекторе на основе 3He имеет три основные особенности (см. рисунок 4): пик энергии собственно от реакции (n,p), равный сумме энергии от падающего нейтрона и энергии реакции. Второй пик связан с упругим рассеянием нейтрона и передачей части энергии ядрам гелия. Третий пик обычно соотносят с нейтронами, которые замедлились до тепловых в материалах, окружающих детектор (результаты вычислений показывают, что эта энергия составляет, порядка 764 кэВ).

Как упоминалось выше, эффективность детекторов тепловых нейтронов крайне низка при дозиметрии в космосе. Поэтому для ее увеличения детекторы часто окружают замедлителем (например, водородосодержащим материалом). Пролетающий через замедлитель нейтрон в результате упругого взаимодействия с ядрами вещества теряет свою кинетическую энергию, и долетает к детектору с существенно меньшей энергией. При увеличении толщины замедлителя (и, следовательно, числа столкновений нейтрона с веществом замедлителя) можно увеличить эффективность регистрации детектора. Однако, одновременно с увеличением толщины замедлителя уменьшается и вероятность того, что нейтрон достигнет детектора. Рисунок 5 иллюстрирует поведение нейтрона в детекторе с замедлителем. Детектор тепловых нейтронов в центре окружен замедлителем разной толщины. Траектория (1) принадлежит налетающему нейтрону, который успешно регистрируется детектором. Траектория (2) принадлежит нейтрону, частично или полностью замедлившемуся, но так и не зарегистрированному детектором. Траектория (3) принадлежит нейтрону, который случайно захватывает замедлитель. Увеличение толщины замедлителя ведет к увеличению доли нейтронов, захваченных случайно и уменьшению доли нейтронов, достигших детектора.

Калибровка дозиметрических детекторов НА «Баббл-дозиметр»

При сравнении результатов измерений внутри станции в зависимости от защищенности детекторов отчетливо видно, что при увеличении толщины защиты поток низкоэнергичных нейтронов заметно снижается (за счет поглощения нейтронов в материале защиты), спектр становится более «жестким». Т.о., можно ожидать, что при увеличении защиты КА вклад от высокоэнергичных нейтронов в полную дозу от нейтронного излучения будет возрастать.

Также отчетливо выделяются два пика потока нейтронов в районе энергии 100 кэВ и 1 МэВ. Нейтроны с энергией около 100 кэВ авторы относят к нейтронам альбедо Земли, нейтроны же с энергиями порядка 1 МэВ – к испарительным нейтронам в «каскадно-испарительной модели» взаимодействия нуклонов в ядре.

Из рисунка 12 заметен еще один примечательный факт – поток нейтронов, особенно высокоэнергичных, внутри станции существенно превосходит потоки нейтронов снаружи, что можно объяснить образованием потоков вторичных нейтронов от взаимодействия частиц космических лучей с обшивкой станции. Попытки оценок характеристик нейтронного излучения внутри различных спутников предпринимались советскими и американскими исследователями. Подобные данные интересны в первую очередь из-за того, что спутники имеют различные орбиты, длительности полета и габаритно-массовые характеристики.

В работе [43] были сделаны оценки потоков нейтронов внутри спутника «Космос-53». Измерения проводились газовой камерой деления, окруженной парафиновым замедлителем.

В работах [44] и [45] исследовалась зависимость потоков и спектра вторичных нейтронов от траектории полета КА и его массы. Для определения характеристик нейтронных полей использовались приборы: СОНГ (Солнечные нейтроны и гамма-кванты) [46] установленный на борту ИСЗ «Коронас-И», НЕГА (Нейтроны и гамма-кванты) [47], установленный на ОК «Салют-7-Космос-1686», и НЕГА-1, располагавшийся на ОС «Мир».

Регистрация нейтронов во всех трех приборах осуществлялась сцинтилляционным кристаллом CsI(Tl), окруженным антисовпадательным экраном из пластикового сцинтиллятора, отделяющим заряженные частицы.

Зависимость потока нейтронов с энергией выше 20 МэВ от массы КА на различных широтах [44] Данные, приводимые авторами в работе [44], указывают на явную зависимость между массой КА и потоками нейтронов внутри этих КА (см рисунок 13). Рисунок 13 позволяет сделать предположение, что поток нейтронов с энергиями выше 20 МэВ в первом приближении прямо пропорционален массе КА. На экваторе эта зависимость может быть представлена в линейном виде: на средних же широтах – в виде линейной зависимости:

Совместные измерения характеристик нейтронных полей проводись советскими и американскими учеными на возвращаемом спутнике Космос-2044 (спутник «Бион-9») [48], [49]. Используя комплекты детекторов трех видов (термолюминесцентные детекторы с 6LiF, ядерные фотоэмульсии и делящиеся фольги) авторы определяли флюенс и дифференциальный энергетический спектр нейтронов в трех диапазонах энергии: ниже 0,2 эВ (тепловые нейтроны), 0,2 эВ-1,0 МэВ (резонансные) и нейтроны с энергией выше 1,0 МэВ (быстрые).

Измерение флюенса тепловых и резонансных нейтронов осуществлялось по реакции 6LiF(n,)T, затем флюенс альфа-частиц регистрировался в ТТД типа CR-39. Для разделения тепловых и резонансных нейтронов использовалась кадмиевая фольга, закрывающая один из детекторов.

Оценка флюенса быстрых нейтронов осуществлялась с использованием фольги из тория и специальных ядерных фотоэмульсий (с использованием спектра протонов отдачи). Однако из-за того, что приходилось визуально характеризовать треки протонов отдачи в фотоэмульсии, ошибка измерений является крайне высокой.

Результаты измерения спектров нейтронов снаружи и внутри КА «Космос-2044» с использованием фотоэмульсий представлены на рисунке 14. Рисунок 14 – Спектры нейтронов снаружи и внутри КА «Космос-2044». 1,3,5 – снаружи КА, 2,4 – внутри КА [48]

Из рисунка хорошо видно, что поток нейтронов внутри спутника на 15-20% выше потока снаружи спутника, что хорошо согласуется с приведенными выше данными.

В работе [48] авторы также попытались установить зависимость между потоками быстрых нейтронов и фазами солнечной активности. Их обобщение экспериментальных данных на различных КА (рисунок 15) показывает, что имеется явная зависимость между фазами солнечной активности и потоком быстрых нейтронов: уменьшение солнечной активности и, соответственно, увеличение потоков ГКЛ, ведет к увеличению потока вторичного нейтронного излучения.

В то же время явной зависимости между потоками нейтронов и параметрами орбиты КА (наклонение, апогей/перигей) авторам выявить не удалось: при наклонениях орбиты спутников с 620 до 820 и перепадах высот орбит от 250 км до 420 км потоки и мощность дозы нейтронного излучения оставались величинами одного порядка. Максимальное различие составляло порядка двух раз, что, учитывая большую погрешность измерений, не является значимым. Рисунок 15 – Зависимость потоков быстрых нейтронов от солнечной активности на околоземных орбитах для различных КА. Наклонение КА варьируется от 700 до 900, средняя высота орбиты – от 200 до 400 км. 1, 2 – расчетные кривые [48]

На Международной космической станции исследования характеристик нейтронных полей проводились не столь интенсивно, как на ОС «Мир». Экспериментальные результаты измерений на ОС «Мир» [42] расчетный дифференциальный спектр нейтронов внутри МКС [6] приведены на рисунке 16. Отметим, что данные результаты получены независимо российскими и американскими авторами и доложены на одной конференции, посвященной исследованию характеристик нейтронного излучения, в США в 1999 г.

Для расчетов использовалась упрощенная модель МКС: модули станции представлялись в виде полых цилиндров длиной 100 м, внешним радиусом 280 см и внутренним 100 см. При этом толщина стен модулей принималась равной около 20,7 г/см2 [6].

Результаты измерений характеристик нейтронных полей в шаровом тканеэквивалентном фантоме

Как упоминалось ранее, энергетический спектр нейтронов внутри КА простирается в широком диапазоне вплоть до сотен МэВ. С целью исследования чувствительности детекторов НА «Баббл-дозиметр» к высокоэнергичным нейтронам проводилась серия экспериментов на ускорителе CERF [77]. На этом ускорителе пучок частиц (протоны и пионы), бомбардируя медную мишень толщиной 50 см и диаметром 7 см, выбивает из нее вторичные частицы (нейтроны), которые затем отфильтровываются слоем защиты. Интенсивность первоначального пучка контролируется прецизионной ионизационной камерой, находящейся непосредственно перед медной мишенью. На рисунке 44 представлен спектр установки CERF. По оси ординат для задания интенсивность излучения используется количество «отсчетов» прецизионной ионизационной камеры (precision ionization chamber, PIC), стоящей перед слоем защиты (один «отсчет» соответствует пролету одного нейтрона).

Спектр нейтронного излучения установки CERF перед слоем защиты и после него [78] Нейтронное поле CERF хорошо изучено с использованием широкого круга методов и детекторов различных типов (сферы Боннера, пропорциональные счетчики, различные типы тканеэквивалентных счетчиков, ядерные эмульсии, трековые детекторы, пузырьковые детекторы и т.д.). Кроме того, высокоэнергичное поле нейтронов CERF имеет сходство со спектром нейтронов в космосе [42]. По этим причинам CERF используется с 1993г. исследовательскими группами, работающими над оценками радиационной опасности для человека на высотах маршрутов авиарейсов коммерческих компаний и на орбитах различных КА.

На установке CERF облучались дозиметрические и спектрометрические детекторы «Баббл-дозиметр». Результаты облучения спектрометрических детекторов (с порогами 10 кэВ, 100 кэВ, 600 кэВ, 1 МэВ, 2,5 МэВ и 10 МэВ) и сравнение с полем CERF (после слоя защиты) представлены на рисунке 45.

Несмотря на то, что детекторы НА «Баббл-дозиметр» представляют собой, по сути, только шестиканальный спектрометр, из полученных данных отчетливо видно, что полученный спектр обнаруживает те же особенности, что и поле CERF, а именно два максимума с центром в районе 2 МэВ и в диапазоне энергии нейтронов выше 10 МэВ. При калибровке дозиметрических детекторов на AmBe-источнике и определении их чувствительности использовался коэффициент для определения эквивалентной дозы согласно отчету NCRP-38. Такой поход оправдан для применения детекторов «Баббл-дозиметр» в наземной дозиметрии (АЭС и т.п.), где нейтронное излучение имеет сравнительно невысокую энергию (порядка десяти МэВ). Для космической же дозиметрии необходимо использовать конкретные формы кривых спектра нейтронного излучения.

Для определения различия между чувствительностью дозиметрических детекторов НА «Баббл-дозиметр» к нейтронному излучению в космических условиях и к излучению AmBe-источника необходимо определить специальный калибровочный коэффициент RH, который также позволит перейти к терминам амбиентной эквивалентной дозы H (10), рекомендованной МКРЗ в качестве основной величины при определении дозовых нагрузок [79]: где М – количество наблюдаемых пузырьков; Н – амбиентная эквивалентная доза; Rf – функция отклика детекторов на нейтронное излучение; FE – энергетический спектр нейтронного излучения; hf – коэффициент конверсии между амбиентной эквивалентной дозой и флюенсом нейтронов F. Коэффициенты hf публикуются в отчетах МКРЗ для различных видов излучений (нейтроны, электроны, альфа-частицы и др.) и для различных типов пространственного облучения.

С использованием коэффициентов конверсии, опубликованных в работах [80], [81], и спектра ускорителя CERF (рисунок 44) из уравнения (13) для детектора с номинальной чувствительностью 6 пузырьков/мкЗв (данные, полученные при калибровке на AmBe-источнике) был определен калибровочный коэффициент RH = 3,7 пузырька/мкЗв.

Таким образом, для оценки амбиентной эквивалентной дозы Н (10) на ускорителе CERF (а, следовательно, и для космической дозиметрии ввиду схожести энергетических спектров нейтронного излучения) для дозиметрических детекторов НА «Баббл-дозиметр» было принято решение ввести корректирующий коэффициент, равный 1,62. Эквивалентная доза, определяемая спектрометрическими детекторами НА «Баббл-дозиметр», вычисляется с использованием специальных конверсионных коэффициентов, заданных в отчетах NCRP-38 и ICRP-74 (см. рисунок 56) В таблице 11 представлены результаты измерений спектрометрических и дозиметрических детекторов НА «Баббл-дозиметр», а также результаты расчетов с использованием метода Монте-Карло.

Из данных таблицы хорошо видно, что результаты дозиметрических детекторов сходны с результатами спектрометрических (в пределах ошибки), и отлично сходятся с расчетными результатами, что еще раз подтверждает правильность выбранного коэффициента для спектра ускорителя CERF.

Для оценки вклада от высокоэнергичных протонов в образование пузырьков в детекторах НА «Баббл-дозиметр» необходимо знать а) потоки протонов внутри модулей МКС и б) чувствительность детекторов к протонам различных энергий.

Расчеты потоков протонов внутри модулей МКС проводились с использованием расчетного кода CREME [82], хорошо зарекомендовавшего себя как при расчетах радиационных условий на околоземных орбитах, так и оценки вклада от различных источников космического излучения внутри различных КА. Для определения условий внутри МКС выполняется ряд действий: 1. Определяется падающий на МКС поток частиц (используется функция FLUX кода CREME); 2. Определяется поток частиц, прошедших через обшивку МКС различной толщины (используется функция TRANS кода CREME); 3. Определяется поглощенная доза от потока прошедших через обшивку МКС частиц (используется функция DOSE кода CREME).

Результаты расчета для орбиты наклонением 51,60 с апогеем 342 км и перигеем 340 км представлены на рисунках 46-48 [76]. Как видно из рисунков 47 и 48, поток и мощность поглощенной дозы сильно зависят от толщины защиты модулей МКС (которая по разным данным может варьироваться от 1 до 100 г/см2 [5]). Для того чтобы понять, какова эффективная толщина защиты в местах, где располагаются детекторы НА «Баббл-дозиметр», были использованы данные дозиметров ДБ-8 в период экспедиций МКС-15 и МКС-16. По показаниям ДБ-8 средняя мощность дозы составляла в тот период около 240 мкЗв/сут, что соответствует толщине обшивки 8 г/см2 алюминия в расчетах CREME. Таким образом, в дальнейших расчетах использовалась именно такая толщина.

Выводы по результатам измерений внутри шарового фантома

Предположение о том, что внутри фантома происходит дополнительная генерация вторичных нейтронов, подтверждает и моделирование методом Монте-Карло с использованием кода MCNPX [108] и Geant4 [109].

В работе [109] был задан в виде сферы с параметрами, заданными в разделе 2.4.1, также была задана полая сфера в центре фантома с радиусом 5 см. На поверхность фантома направлялись параллельные пучки нейтронов, протонов и альфа-частиц, ТЗЧ в данном моделировании не рассматривались.

В качестве исходных спектров для протонов и нейтронов, падающих на фантом, использовались данные работы [6], для альфа-частиц спектр был определен в работе [76] с использованием кода CREME96.

На рисунке 132а приведены энергетические спектры нейтронов, протонов и альфа-частиц на поверхности шарового тканеэквивалентного фантома. На рисунке 132b приведен спектр нейтронов внутри фантома, произведенных от падающих нейтронов, протонов и альфа-частиц. При этом для удобства сравнения с экспериментальными данными спектры представлены в «летаргической» форме.

Энергетический спектр нейтронов, протонов и альфа-частиц на поверхности (а) шарового тканеэквивалентного фантома, и энергетический спектр нейтронов, рожденных внутри фантома от нейтронов, протонов и альфа-частиц (б) [109]. Полученные результаты говорят о том, что основная часть нейтронов внутри фантома рождается в ходе реакций типа (n, xn). Протоны и альфа-частицы также создают дополнительное нейтронное излучение внутри фантома в ходе реакций типа (p,xn) (, xn), однако этот вклад меньше вклада от нейтронов. Учитывая, что минимальный вклад вносят альфа-частицы, можно сделать предположение, что от ТЗЧ вклад будет еще менее заметным.

Как видно из рисунка 132, внутри фантома, кроме пика высокоэнергичных нейтронов наблюдается пик медленных нейтронов в районе 0,01 эВ. К сожалению, детекторы НА «Баббл-дозиметр» не чувствительны к нейтронам таких энергий, однако такой же пик наблюдался при измерениях внутри станции «Мир» [40]. Однако, учитывая, что конверсионные коэффициенты [58] для нейтронов такой энергии малы, вклад в общую дозу от них оценивается не более чем в 4%.

Расчетная мощность дозы от нейтронного излучения внутри фантома, которая определялись с использованием конверсионных коэффициентов [58], составляет около 91 мкЗв/сут, из которых 65 мкЗв/сут приходится на «первичные» нейтроны, 20 мкЗв/сут составляют нейтроны, рожденные от реакции типа (p,xn), и 6 Зв/сут составляют нейтроны от реакции типа (, xn). Эти результаты отлично сходятся с экспериментальными данными [109-110],.

При моделировании с использованием кода MCNPX [108] фантом задавался в виде восьми концентрических сферических ячеек с радиусами, увеличивающимися на 2,5 см каждый, радиус фантома составлял 18 см (рисунок 133). Фантом облучался нейтронами и высокоэнергичными протонами, и определялся флюенс нейтронов через каждую из восьми концентрических сфер.

По итогам моделирования были сделаны выводы, аналогичные выводам при моделировании с использованием Geant4: в веществе фантома на борту МКС происходят два конкурирующих процесса:

1. Эффективное замедление нейтронов, особенно низкоэнергичных, в веществе фантома. Это явление не удивительно, если учесть, что в фантоме содержание водорода и углерода составляет около 65%;

2. В то же время в фантоме происходит генерация вторичных высокоэнергичных нейтронов в ходе реакции типа (n, xn). Как видно из рисунка 131, сечение реакции нейтронов в кислороде достаточно велико для образования дополнительных нейтронов.

На рисунке 133 представлены результаты измерения мощности дозы нейтронного излучения в период экспедиций МКС -35/36 (данные дозиметрических детекторов) и для сравнения приведены результаты, полученные в работе [72]. Рисунок 133 - Мощность дозы от нейтронного излучения внутри шарового фантома, на его поверхности и в запанельном пространстве модуля МИМ1 РС МКС. – в запанельном пространстве МИМ1; – на поверхности фантома (МКС-35/36); – в каналах фантома (МКС-35/36); – в каналах фантома (МКС-15); – на поверхности фантома (МКС-13)

Из данных, представленных на рисунке 133, следует, что мощности дозы внутри и на поверхности фантома в период МКС-35/36 (2013 г.) несколько выше, чем в период МКС-13 - МКС-15 (2006-2007 гг.). Этот факт примечателен тем, что МКС-35/36 приходится на период возрастания солнечной активности (СА) в 24-ом цикле (среднее значение числа Вольфа W = 96), в отличие от МКС-13 - МКС-15, приходящихся на период спада 23 цикла СА ( W = 32). Повышенная СА, наблюдавшаяся для МКС-35/36 по сравнению МКС-13 - МКС-15, приводит к уменьшению потоков ГКЛ в области энергий до 0,5 ГэВ и протонов РПЗ, что, в свою очередь, должно вести к уменьшению образования вторичных нейтронов.

Однако, в связи с повышением на 40 км средней высоты орбиты МКС (в среднем с 360 км в 2006-2007 гг. до 400 км в 2013 г.) и, как следствие, увеличением потоков протонов РПЗ, следовало бы ожидать и некоторого увеличения потока вторичных нейтронов. Учитывая, что два вышеприведенных фактора являются взаимно компенсирующими друг друга, однозначной зависимости между средней высотой орбиты станции, гелиофизическими параметрами и дозой от нейтронного излучения установить не удается.

Отношение дозы на поверхности фантома к дозе в экваториальных каналах составляет в разных экспедициях от 0,64 [109] до 0,77 [72], что соответствует результатам моделирования [109] и [108].

Следует обратить внимание, что это отношение разительно отличается от результатов моделирования фантома в наземных условиях. Так, например, в отчете [90] доза от источника нейтронов 252Cf за 15см слоем тканеэквивалентного вещества в десять раз меньше дозы на поверхности этого слоя. Такая разница представляется логичной, если учесть отсутствие дополнительного вклада от высокоэнергичных протонов и нейтронов в наземных условиях.

Полученные данные подтверждают опасность нейтронного излучения высоких энергий при космических полетах. В наземных условиях, где энергетический спектр нейтронов не столь широк, как в космическом пространстве, доза, которую получают внутренние органы и системы человека (ЦНС, ЖКТ, КТС), существенно меньше дозы, например, на его коже. В то же время при космических полетах нейтроны с энергией в десятки МэВ проникают в центр фантома (а значит, достигают внутренних органов человека), практически не замедляясь.