Исследование образования и распространения излучений на высокоэнергетических ускорителях протонов путем математического моделирования адронных каскадов в веществе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Исследование закономерностей образования и распространения ионизирующих излучений относится к области радиационной физики и представляет собой одно из важнейших направлений современной ядерной физики. Область применения результатов исследований обширна и связана как с развитием фундаментальной ядерной физики и физики частиц, так и с решением глобальных проблем развития цивилизации: энергетики, медицины, экологии.

Многие прикладные области радиационной физики выделились в самостоятельные научные направления: например в энергетике - электроядерные методы получения энергии; в медицине - лучевая терапия, лучевая томография; в экологии - радиационная экология внешней среды, пучковая трансмутация радиоактивных отходов ядерной промышленности.

Роль радиационной физики в развитии ускорительной техники достаточно значима и увеличивается с ростом основных параметров (энергии и интенсивности протонов) ускорителей. Указанные параметры строящихся и действующих в настоящее время ускорителей на сверхвысокие энергии, предназначенных для целей фундаментальных исследований, составляют: УНК (Россия) Ер = 0,6 ТэВ, ТЕВАТРОН (США) Ер = 0,9 ТэВ, LHC (CERN) Ер = 8 ТэВ; интенсивности порядка 1014 -г- 1015 прот./импульс; светимости в местах встреч (в ускорительных комплексах на встречных пучках) ~ 1031 -г- 1034 см~2с-1. Проектируемые ускорители для прикладных целей (производство энергии электроядерным методом, трансмутация радиоактивных отходов и пр.) имеют сравнительно небольшие энергии ~ Ev = 1 ГэВ, но беспрецедентно высокие значения токов ~ Ip = 1 -f- ЗООмА. Следует ожидать, что работа ускорителей с такими высокими параметрами будет сопряжена с качественно новыми (по сравнению с ускорителями предыдущего поколения) радиационными проблемами и радиационными эффектами, которые необходимо предвидеть на стадии проектирования.

Далеко не полный перечень проблем радиационной физики на ускорителях, включающий в себя задачи обеспечения радиационной безопасности персонала и задачи подготовки и технологии проведения физического эксперимента, следующий:

- проектирование радиационной защиты;

- дозиметрия излучений;

- прогнозирование полей ионизирующего излучения как на самих ядерно-физических установках, так и за их пределами;

- прогнозирование радиационной обстановки на космических аппаратах и при высотных полетах;

- регламентация уровней излучения;

- прогнозирование фоновых условий в физическом эксперименте и выработка рекомендаций по минимизации фона;

- определение характеристик детекторов частиц;

- радиационная стойкость оборудования.

Наиболее эффективно решение указанных задач и развитие перечисленных научных направлений может быть реализовано на основе комплексного экспериментально-теоретического подхода. В то же время, учитывая большую стоимость экспериментальных исследований, их техническую сложность и, во многих случаях принципиальную невозможность на сегодняшнем уровне развития экспериментальной физики получения с их помощью необходимой детальной информации, представляется разумным в исследованиях сделать акцент на теоретические методы, тестируя результаты по наиболее достоверным экспериментальным данным, что и было сделано в настоящей работе.

Для решения указанных выше радиационно-физических задач в первую очередь необходим исследовательский инструмент - аппарат расчета переноса высокоэнергетического излучения в веществе. При этом требования, предъявляемые к расчетному аппарату, должны быть следующими:

- область энергий исследуемых излучений: от тепловой до 10 ТэВ для нейтронов, 10 МэВ - 10 ТэВ для протонов и пионов;

- толщины сред, в которых изучается распространение излучения, до ~ 50 Н- 70 длин ослабления;

- точность рассчитываемых величин по основным функционалам не хуже 30%;

- тип частиц, учитываемых в расчетах, - п, р, тг, К, 7, ц]

- аппарат должен позволять рассчитывать перенос излучения в делящихся и не делящихся средах;

- объем получаемой информации должен включать как дифференциальные (по энергии) распределения, так и интегральные.

Таким образом, основной целью диссертации является проведение расчетных исследований закономерностей образования и распространения ионизирующего излучения на высокоэнергетических ускорителях протонов, получения достаточной информации для решения задач радиационной физики: расчета радиационной защиты ускорителей и каналов частиц, определения фоновых условий на детектирующую аппаратуру в физических экспериментах, эффективностей и функций чувствительности детекторов частиц, а также исследование физических характеристик электроядерного метода производства энергии. Для успешной реализации поставленной цели необходимо разработать соответствующий расчетный аппарат, отвечающий вышеперечисленным требованиям.

На момент начала работ по теме диссертации (1979 г.) информация по расчетным исследованиям и алгоритмам расчета переноса высокоэнергетического излучения в веществе, имевшаяся в мировой литературе, была явно недостаточна для решения указанных задач в необходимом объеме. И в настоящее время, несмотря на достигнутый в последние годы значительный прогресс в развитии расчетных методов исследования переноса излучения, алгоритмов и программ, отвечающих в полной мере всем перечисленным требованиям, в мире нет. Соответственно, отсутствуют и исследования, дающие исчерпывающие ответы на вопросы о формировании энергетического и компонентного состава излучения на ускорителях, о его дозовых характеристиках, о составе фонового излучения на экспериментальных установках на ускорителях, об адекватности показаний дозиметрических приборов в полях высокоэнергетического излучения. Также остается много неисследованных областей в проблеме взаимодействия высокоэнергетического излучения с размножающей средой.

Для достижения поставленной цели в диссертации последовательно решаются следующие методические и исследовательские задачи, определяющие в данном случае ее структуру:

1.Разработка системы константного обеспечения расчетов переноса частиц (п,р, 7г,7 с энергией в диапазоне: 10~2эВ - 10 ТэВ для нейтронов, 10 МэВ - 10 ТэВ для заряженных частиц и 0,1 - 20 МэВ для фотонов) в веществе.

2.Разработка методов решения задачи переноса нейтральных и заряженных частиц, генерируемых под действием высокоэнергетических адронов.

3.Исследование компонентного состава, пространственных и энергетических характеристик излучения в защите.

4.Исследование закономерностей формирования полей излучения за защитой высокоэнергетического протонного ускорителя.

5.Исследование дозовых характеристик излучений высокоэнергетических ускорителей.

6.Расчетное исследование откликов детекторов частиц (дозиметров, нейтронных спектрометров) .

7.Научно-прикладные исследования: проектирование радиационной защиты синхротрона и экспериментальной базы У-70, определение параметров электроядерного метода производства энергетики.

Научная новизна данного исследования состоит в следующем:

• разработан новый алгоритм для расчета дифференциальных сечений рождения каскадных и испарительных частиц (20 МэВ< Е <10 ТэВ), позволяющий получать результаты с точностью не хуже 50%;

• создан программный комплекс подготовки многогрупповых констант для нейтронов, протонов, пионов, каонов и фотонов, охватывающий диапазон энергий: 0,02 эВ - 10 ТэВ для нейтронов, 10 МэВ - 10 ТэВ для заряженных частиц (п, р, 7Г,К), 0,1 -20 МэВ для фотонов;

• разработан программный комплекс расчета переноса нейтронов, протонов, пионов, каонов, фотонов и мюонов указанных энергий через "толстые" защиты с погрешностью не хуже 30% в одномерной геометрии методом дискретных ординат (Р03-400, РОЗ-6Н);

• разработана быстродействующая программа, реализующая решение кинетического уравнения для указанных частиц и диапазона энергий методом Монте-Карло"" МОЭКП";

• исследован компонентный состав, спектральные угловые и пространственные характеристики излучения за защитами из стали, бетона, а также гетерогенными защитами сталь+бетон для геометрии боковой и торцевой защит. Установлен факт равновесия спектра в бетонной защите и его отсутствие в стальной защите;

• предсказан эффект формирования поля излучения с доминирующим содержанием фотонов за "толстыми" гетерогенными "сталь+бетон" защитами;

• предсказан и исследован эффект возникновения нейтронного источника на больших глубинах мюонного поглотителя высокоэнергетических адронных пучков;

• исследованы и установлены физические закономерности формирования характеристик полей излучения вокруг ускорителей протонов с энергией до 10 ТэВ;

• предложен и разработан метод расчета коэффициентов конверсии для определения поглощенной дозы от высокоэнергетических адронов, рассчитаны с погрешностью менее 20% дозовые характеристики высокоэнергетических адронов;

• рассчитаны с погрешностью менее 10% функции чувствительности шаровых детекторов спектрометра Боннера, предложены модифицированные гетерогенные шаровые детекторы с лучшим разрешением;

• предложен и разработан новый тип детектора высокоэнергетических адронов на основе шарового детектора с медным конвертером;

Актуальность и практическая значимость данного исследования определяется недостатком имеющейся сегодня в мировой литературе информации о закономерностях прохождения высокоэнергетического излучения в средах, которая позволила бы с точностью по крайней мере не хуже 30% определять основные функционалы от поля излучения, необходимые для решения задач по фоновым загрузкам на детекторы, радиационным проблемам, регламентации дозовых пределов высокоэнергетического излучения на ускорителях и в условиях высотных полетах, чувствительности дозиметров.

В первой главе проведен обзор мировой литературы по теме исследования. Дано краткое изложение современных методов и моделей расчета ядерных реакций при высоких энергиях: испарительной, экситонной, гибридной для Е < 50 МэВ, каскадной для Е < 10 ГэВ, реджевской и партонной для Е > 10 ГэВ. Рассмотрены основные направления развития расчетных методов исследования распространения высокоэнергетического излучения за последние годы. Показаны достоинства и недостатки наиболее распространенных современных методов решения задачи переноса высокоэнергетичн-ского излучения- метода дискретных ординат и метода Монте-Карло. Дан краткий обзор и аннотации наиболее крупных исследований в области радиационной физики на протонных высокоэнергетических ускорителях. Сформулированы цель, задача и основные направления исследований данной работы.

Во второй главе изложена разработанная параметризация для расчета каскадной и испарительной частей дважды дифференциальных сечений неупругих адрон-ядерных взаимодействий. Путем многочисленных сравнений с экспериментальными данными показана надежность разработанного метода расчета сечений. Разработанная параметризация дважды дифференциальных сечений легла в основу системы адронных констант (САДКО), предназначенной для подготовки файлов групповых сечений для расчета переноса частиц с помощью методов, использующих многогрупповое приближение. Изложен алгоритм подготовки групповых сечений, представлена структура системы адронных констант САДКО-2.

Третья глава посвящена развитию сеточных методов решения кинетического уравнения для плотности потоков высокоэнергетического заряженного и нейтрального компонента излучений ускорителя. Предложен метод сведения кинетического уравнения для адронов с сильно анизотропным упругим и неупругим рассеянием к уравнению Больцмана-Фоккера-Планка. Получены в явном виде коэффициенты Фокк<ч>а-Планка. Разработан алгоритм расчета члена, описывающего нерассеянный компонент заряженного излучения и, соответственно, источник первого столкновения. Использование этого алгоритма в программах численного решения кинетического уравнения методом дискретных ординат позволяет значительно улучшить точность расчетов.

Для решения задач переноса излучений в 3-х мерной геометрии разработана новая программа -"МОБЮТ", реализующая метод Монте-Карло. Модификация предложенного алгоритма, отличающая его от традиционно используемого в подобных высокоэнергетических программах и значительно увеличивающего его быстродействие, является моделирование траекторий частиц в фазовом пространстве, переменные которого принимают лишь дискретные значения. При этом выборки характеристик частиц после рассеяния осуществляются с помощью заранее подготовленных матриц интегральных распределений вероятностей переходов.

В четвертой главе проводятся расчетные исследования характеристик излучения за защитами высокоэнергетических ускорителей - компонентного, спектрального и пространственных распределений. Проведены многочисленные сравнения расчетных характеристик излучения как с экспериментальными данными, так и с данными, полученными по лучшим зарубежным программам.

Показано наличие равновесия между высокоэнергетическим и низкоэнергетическим компонентами в водородсодержащих средах (бетоне) и отсутствие такого равновесия в средах из тяжелых элементов (железе). Получены асимптотические соотношения между потоковыми и дозовыми компонентами излучения за защитой из бетона. Получены значения длин релаксации нейтронов в различных защитных материалах. Теоретически предсказаны и исследованы два новых эффекта, касающихся формирования полей ионизирующих излучений на высокоэнергетических ускорителях:

- поле излучения с доминирующим содержанием фотонов за "толстыми" гетерогенными "сталь+бетон" защитами сильноточных высокоэнергетических ускорителей;

- поле нейтронного излучения в мюонных фильтрах нейтринных каналов.

Пятая глава диссертации посвящена исследованию пространственных характеристик поля излучения в типичных геометриях "источника - защита" на высокоэнергетических ускорителях протонов. Рассмотрено формирование поля излучения вокруг открытых мишеней, за радиационной защитой мишенных станций и трактов транспортировки пучков, в защитных лабиринтах, а также формирование рассеянного в атмосфере излучения вокруг ускорителя. Предложены параметризации потоковых и дозовых функционалов от поля излучения в указанных геометриях.

В шестой главе изучаются дозовые характеристики излучения, генерируемого на высокоэнергетических ускорителях. По гибридной модели проведены детальные расчеты керма-факторов для нейтронов с энергией в диапазоне 15 - 150 МэВ. Для определения поглощенной дозы от высокоэнергетических адронов (нейтронов, протонов и пионов с энергией 20 МэВ - 100 ГэВ) предложен, разработан и реализован метод расчета коэффициентов конверсии "поток-поглощенная доза". Проведенные сравнения рассчитанных с помощью полученных коэффициентов конверсии распределений поглощенной дозы в тканеэквивалентных фантомах с экспериментальными данными свидетельствуют о надежности разработанного метода. Рассчитаны и представлены коэффициенты конверсии для 20 наиболее распространенных элементов и 15 сложных веществ, в том числе для биологической ткани и детекторов частиц. Проведены детальные расчеты глубинных распределений поглощенной и эквивалентной доз от нейтронов с энергией в диапазоне от 10~2 эВ до 20 МэВ в тканеэквивалентных фантомах плоской, цилиндрической и сферической форм.

В седьмой главе проводятся расчетные исследования функций отклика детекторов нейтронов и фоновых загрузок мюонных идентификаторов. Рассчитаны функции чувствительности спектрометра Боннера. Предложены и исследованы модифицированные шаровые детекторы нейтронов, имеющие лучшее разрешение и более высокую чувствительность к высокоэнергетическим адронам. Изучены функции чувствительности наиболее употребимых в практике радиометров нейтронов, сделаны выводы о степени адекватности их показаний.

Восьмая глава посвящена решению практических радиационно - физических задач экспериментальной физики - проектированию радиационной защиты ускорительно-экспериментального комплекса У-70; и электроядерной энергетики -определению параметров энергетической системы "протонный ускоритель - подкри-тический реактор".

Основные результаты диссертации докладывались на Ш-ей Всесоюзной конференции по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок (Тбилиси, 1981), на VI 1-ом (Дубна,1981), VIII-ом (Протвино, 1982), ХИ-ом (Протвино, 1990), XIII-ом (Дубна, 1992), XIV-ом (Протвино, 1994), XVI-ом (Протвино, 1998) Совещаниях по ускорителям заряженных частиц, на V-ой (Протвино, 1989), VI-ой (Обнинск, 1994) и VII-ой (Обнинск, 1998) Российских научных конференциях по защите от излучений ядерно-технических установок, на IV-ой Европейской конференции по ускорителям ЕРАС'94 (Лондон, 1994), на 8-ой Международном конференции по нетрадиционным ядерным энергетическим системам ICENS'96, (Обнинск, 1996), на Международном симпозиуме "Численные методы решения уравнения переноса" (Москва, 1992), на 21-ом, 22-ом и 25-ом Международных симпозиумах по радиационной защите (Дрезден, 1989-1994), на научном семинаре кафедры "Радиационная физика" (МИФИ), на семинарах в Институте физики высоких энергий, одобрялись в их итоговых документах и решениях и опубликованы в работах [1-58].

Библиография

1] Е.А.Белогорлов, Д.В.Горбатков, Г.И.Крупный, А.А.Кузнецов, В.П.Крючков, Я.Н.Расцветалов, Г.И.Семенова. Модификация мультисферного спектрометра для измерения высокоэнергетических спектров нейтронов. В кн.: V Всесоюзная научная конференция по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок. Протвино, 1990.

2] В.П.Крючков, Г.И.Семенова Разработка системы константного обеспечения расчета переноса нейтронов и протонов с энергией до 600 МэВ в веществе. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерные константы. Выпуск 1, Москва, 1990 г.

3] А.М.Волощенко, Т.А.Гермогенова, Д.В.Горбатков, В.П.Крючков Комплекс программ для расчета переноса высокоэнергетических адронов в веществе методом дискретных ординат Труды XII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Москва, 1990 г.

4] Voloschenko A.M., Gorbatkov D.V., Kryuchkov V.P., Yuldashev M.M. Numerucal Solution of the Boltsmann-Fokker-Planck Equation for Charged Particle Transport. In: International Symposium "Numerical Transport Theory", Moscow, 1992, p.252.

5] Д.В.Горбатков, В.П.Крючков, С.И.Стриганов Дифференциальные сечения рождения адронов в неупругих hA-взаимодействиях для энергий первичных частиц 20 МэВ-10 ТэВ. Препринт ИФВЭ 92-172. Протвино, 1992 г.;

Д.В.Горбатков, В.П.Крючков Аппроксимация дважды дифференциальных сечений неупругих адрон-ядерных взаимодействий в диапазоне энергий 20 МэВ-10 ГэВ. Труды XIII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1992 г.

6] Д.В.Горбатков, В.П.Крючков Особенности применения сеточных методов для расчета переноса высокоэнергетических адронов. Препринт ИФВЭ 92-171. Протвино, 1992 г.

7] Д.В.Горбатков, В.П.Крючков Поле фонового п-7 излучения за радиационными защитами радионуклидных источников нейтронов. Препринт ИФВЭ 93-51. Протвино, 1993 г.

8] Д.В.Горбатков, В.П.Крючков Характеристики фонового излучения за одномерными защитами пучков высокоэнергетических частиц. Препринт ИФВЭ 94-47. Протвино, 1994 г.;

D.V.Gorbatkov, V.P.Kryuchkov Space-energy characteristics of radiation component behind high-energy accelerator shielding. In: Proceedings of the Fourth European Particle Accelerator Conference EPAC'94, v 2, p.2591, London, 1994

9] В.П.Крючков, С.Л.Кучинин, В.Н.Лебедев, Н.В.Мохов, Я.Н.Расцветалов, Полуэмпирический метод расчета радиационной защиты ускорителей протонов. В кн.: Труды третьей Всесоюзной конференции по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок, Тбилиси, 1985, Т.VI, стр. 97

10] В.П.Крючков, А.М.Волощенко, Г.И.Семенова Численное решение уравнений переноса адронов с энергией до 400 МэВ в одномерной защите. Препринт ИФВЭ 83-164, Серпухов, 1983.

11] В.П.Крючков, И.С.Байшев, В.Т.Головачик, В.Н.Кустарев, В.Н.Лебедев, Н.В.Мохов, М.Хеферт Чувствительность борных детекторов в замедлителях к адронам высоких энергий. Препринт ИФВЭ 76-134, Серпухов, 1976.

12] В.П.Крючков, Г.И.Бритвич, Е.А.Белогорлов, Г.И.Крупный, В.Н.Лебедев, В.С.Луканин, Н.В.Мохов Оптимизация толщины водородсодержащего поглотителя в гетерогенных боковых защитах ускорителей высокой энергии. В кн.: Седьмое Всесоюзное совещание по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1981, т.2, стр.180.

13] В.П.Крючков, В.Н.Лебедев, Я.Н.Расцветалов, М.Н.Чиманков Поле излучения вокруг Серпуховского ускорителя протонов. Препринт ИФВЭ 83-21, Серпухов, 1983.

14] В.П.Крючков. Исследование закономерностей формирования полей излучения за защитой Серпуховского синхротрона на 76 ГэВ. Препринт ИФВЭ - 83-166, Серпухов, 1983.

15] В.П.Крючков, Г.И.Семенова. Роль реакции /л~ захвата ядрами железа в формировании полей нейтронов вокруг поглотителей мюонов высокоэнергетических адронных пучков. Атомная энергия, т.63, вып.З, 1987.

16] В.П.Крючков, Г.И.Семенова. Функции чувствительности многошарового спектрометра нейтронов. Препринт ИФВЭ 87-191, Серпухов, 1987.

17] В.П.Крючков, О.В.Суманеев. Дозовые характеристики и компонентный состав поля излучения вокруг мишеней пучков высокоэнергетических частиц. В кн.: XIV Совещание по ускорителям заряженных частиц, т.4, стр. 117, Протвино, 1994.

18] D.V.Gorbatkov, V.P.Kryuchkov, O.V.Sumaneev Program complex for high energy hadron transport calculations to solve radiation problems in accelerators. In: Proceedings of the Fourth European Particle Accelerator Conference EPAC'94, v.2, p.2588, London, 1994;

19] Д.В.Горбатков, В.П.Крючков Компонентный состав эквивалентной дозы за радиационной защитой ускорителей протонов на высокие энергий. В кн.: Труды

XIV совещание по ускорителям заряженных частиц, Сборник докладов, Протвино, 1994, т.4, с.111.

20] Д.В.Горбатков, В.П.Крючков САДКО-2 - система адронных констант для обеспечения расчетов переноса высокоэнергетического излучения групповыми методами. Препринт ИФВЭ 95-22, Протвино, 1995;

Д.В.Горбатков, В.П.Крючков Система САДКО-2 для обеспечения расчета переноса высокоэнергетического излучения групповыми методами. Атомная энергия, Т.79, вып.4, 1995;

21] D.V.Gorbatkov, V.P.Kryuchkov SADCO-2: a modular system for generating coupled nuclear data libraries to provide high-energy particle transport calculation by multigroup method. NIM A 372, 1996, p.297

22] D.V.Gorbatkov, V.P.Kryuchkov A comparison of computational data, obtained with a variety of well-known radiation transport codes. NIM A 374, 1996, p.95;

Д.В.Горбатков, В.П.Крючков. Сравнение результатов расчета переноса излучения различными программами. Атомная энергия, Т.79, вып.4, 1995

23] Д.В.Горбатков, В.П.Крючков, О.В.Суманеев. Керма-факторы для расчета поглощенной дозы от нейтронов с энергией 15-150 МэВ в детекторах частиц и биологической ткани. Препринт ИФВЭ 95-148, 1995;

Д.В.Горбатков, В.П.Крючков, О.В.Суманеев. Керма-факторы для расчета поглощенной дозы от нейтронов энергией 15-150 МэВ. Атомная энергия, Т.80, вып.4, 1996

24] Yu.M.Ado, D.V.Gorbatkov, V.P.Kryuchkov, V.N.Lebedev Some advantages and disadvantages of electronuclear power system based on a two-section blanket. Proceedings of the Eighth International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems ICENES'96, Obninsk, 1996, v.l, p.587.

25] Yu.M.Ado, V.P.Kryuchkov, V.N.Lebedev Power production by Atomic Power-Accelerator station Based on Accelerator and Subcritical Nuclear Reactor, In: Proceedings of the Fourth European Particle Accelerator Conference EPAC'94, v 1, p.267, London, 1994;

Ю.М.Адо, В.П.Крючков, В.Н.Лебедев. Энергетический подкритический реактор с подсветкой пучком ускоренных протонов.- Атомная энергия, 1994, т.77, вып.4.

26] В.П.Крючков, В.П.Лебедев. Предварительный анализ радиационных проблем электроядерного энергетического реактора. В кн.: Труды XIV совещание по ускорителям заряженных частиц, Сборник докладов, Протвино, 1994, т.4, с. 138.

27] В.П.Крючков, О.В.Суманеев. Подготовка групповых констант для расчетов переноса п, 7— излучения методом Монте-Карло. Препринт ИФВЭ 94-134, Протвино 1994;

28] В.П.Крючков, О.В.Суманеев. Ослабление эквивалентной дозы нейтронов в геометрии вентиляционной шахты УНК. В кн.: XIII совещание по ускорителям заряженных частиц. ОИЯИ, Дубна, 1992.

29] В.П.Крючков, О.В.Суманеев. Программа расчета переноса частиц (п,р, 7г,7) в веществе методом Монте-Карло (МОБЮТ). В кн.:ХШ совещание по ускорителям заряженных частиц. ОИЯИ, Дубна, 1992;

В.П.Крючков, О.В.Суманеев. МОЭКГП-программа для решения задачи переноса частиц (п,р, 7Г,7) в веществе методом Монте- Карло. (Алгоритм, инструкция). Препринт ИФВЭ 92-132 ОРИ, Протвино, 1992

30] В.П.Крючков, О.В.Суманеев. Расчетное исследование формирования дозы нейтронов в защитных лабиринтах. Препринт ИФВЭ 92-173 ОРИ Протвино, 1992

31] В.Н.Лебедев, Г.И.Семенова, Оптимизация конструкции шаровых детекторов для интерпретации показаний нейтронных радиометров. Препринт ИФВЭ 89-230 ОРИ Протвино,1989

32] Д.В.Горбатков, В.П.Крючков, О.В.Суманеев. Дозовые характеристики нейтронов с энергией от тепловых до 20 МэВ в тканеэквивалентных фантомах. Препринт ИФВЭ 96-78, Протвино, 1996.

33] Д.В.Горбатков, В.П.Крючков, О.В.Суманеев. Коэффициенты конверсии поток-доза для расчета поглощенной дозы высокоэнергетических адронов. Препринт ИФВЭ 99-20, Протвино, 1999.

34] В.Е. Бородин, В.Н. Запольский, В.П. Крючков, С.Л. Кучинин, В.Н.Лебедев, Б.А.Серебряков Радиационная защита ускорительно-экспериментального комплекса У-70. Препринт ИФВЭ 98-42, 1998.

35] В.Е.Бородин, Г.И.Крупный, В.П.Крючков, С.Л.Кучинин, В.Н.Лебедев, В.С.Луканин, Я.Н.Расцветалов, Е.Ф.Соколов, М.Н.Чиманков Нейтринный канал ИФВЭ. Журнал технической физики, т.48, в.1, стр 109;

В.Е.Бородин, Г.И.Крупный, В.П.Крючков и др. Препринт ИФВЭ ЛРИ 76-90, Серпухов, 1976.

36] В.П.Крючков. Адронный дозиметр. Патент изобретения N 1521075, Госкомизо-бретений, Москва, 1989.

37] В.П.Крючков, О.В.Суманеев. Расчетное исследование формирования дозы нейтронов в защитных лабиринтах. Препринт ИФВЭ 92-173 ОРИ, Протвино, 1992

38] В.П.Крючков, В.Н.Лебедев, Г.И.Семенова. Оптимизация конструкции шаровых детекторов для интерпретации показаний нейтронных радиометров. Препринт ИФВЭ 89-230 ОРИ, Протвино,1989

39] A.Alexeev, D.Gorbatkov, T.Kosako, V.Kryuchkov, K.Mio, E.Savitskaya, O.Sumaneev. Shielding Calculation for Design of Target Station for High Power Spallation Neutron Source. Preprint IHEP 98-43, Protvino, 1998.

40] В.П.Крючков. Константное обеспечение расчетов переноса нейтронов в области энергий 0,02 эВ - 400 МэВ. (Библиотека БНД -400). Препринт 80-35, Серпухов, 1980.

Выводы к главе 1

В главе 1 Проведен обзор работ по моделям расчета сечений неупругого адрон-ядерного взаимодействия с веществом, необходимых для расчета переноса адронов. Наиболее современными и надежными моделями для расчета дифференциальных сечений неупругого /гЛ-взаимодействия являются: экситонная и гибридная модели (область энергий ~ 5 — 100 МэВ); каскадно-испарительная, каскадно-экситонная (0,05 - 10 ГэВ); партонная ( более 10 ГэВ). Однако, несмотря на значительные возможности данных моделей, ввиду громоздкости и трудоемкости расчетов по ним их непосредственное использование в программах рггсчета переноса излучений затруднительно, а результаты расчета по указанным моделям невозможно впрямую использовать с программами, ориентированными на инклюзивную форму представления сечений.

Проведенный обзор программ расчета адронного каскада показал, что в своем большинстве они реализуют метод Монте-Карло. Многие из них имеют очень хороший уровень описания физики взаимодействий частиц и техники моделирования их траекторий. В решении многих задач, требующих расчета переноса излучений в блоках 3-х мерной геометрии и не очень больших размеров (менее 10 оптических длин), эти программы не имеют конкуренции. В то же время их серьезным недостатком, не позволяющим решать большой класс задач на ускорителях, является невозможность решения проблемы глубокого проникновения. Показано, что для решения этих задач актуальной является проблема развития метода дискретных ординат на область высоких энергий.

Многочисленные исследования в области радиационной физики, краткий обзор которых также был сделан в 1-ой главе, внесли большой вклад в понимание закономерностей распростргшения излучений. Однако развитие ускорительной техники в направлении увеличения энергии и интенсивности ускоряемых частиц ставит качественно новые радиационно-физические задачи, связанные, например, с решением проблем фона и радиационных нагрузок на экспериментальное оборудование, функций чувствительности нейтронных детекторов, конструирования радиационной защиты.

Решение этой проблемы связано с разработкой системы групповых сечений для обеспечения расчета переноса адронов в веществе, а также с решением задач, связанных с особенностями использования сеточных методов при высоких энергиях.

Сформулирована задача исследования полей ионизирующего излучения за защитой ускорителей протонов.

1. Glauber R.J. 1.: Lectures in Theoretical Physics. Ed. by Britten W.F. et al. N.-Y., Interscience Publishers, 1959.

2. Сычев B.C. //Вести Академии Наук БССР. Серия "Физико-энергетические науки". 1986, N4, с.13.

3. Bethe Н.А. //Ann. Phys. Ser. 5, 1930, V.5, р.325-341.; Bloch F. //Ann. Phys. (Leipz.), 1933, V.16, p.275-296.; Review of Particle Properties/Data particle group. Rev. Mod. Phys., 1980, vol.52, N2.

4. R.M.Sternheimer. Phys. Rev. 118, 1045 (1960).

5. Барашенков B.C., Тонеев В.А. Взаимодействия высокоэнергетических частиц и атомных ядер с ядрами. М.: Атомиздат, 1980.

6. Никитин Ю.П., Розенталь И.Л. Ядерная физика высоких энергий. М.: Атомиздат, 1980.

7. Живописцев Ф.А., Кэбин Э.И., Сухаревский В.Г. Модели предравновесных ядерных реакций. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987.

8. Bertini H.W. Low-Energy Intranuclear Cascade Calculation. //Phys. Rev., V.131, 1963, p.1801.

9. Chen C. et al. //Phys. Rev., 168, 1968, p.943.

10. Денисов Ф.П., Мехедов H.B. Ядерные реакции при высоких энергиях. М., Атомиздат, 1972.

11. Weisskopf V.F., Ewing D.H. //Phys. Rev., V.57, 1940, p.472.

12. Griffin J.J. //Phys. Rev. Lett., v.17, 478, 1966.

13. Гудима К.К., Тонеев В.Д. В кн.: Расчеты структуры ядра и ядерных реакций.' - Кишинев: Штиинца, 1977, с.З.

14. Лебедев В.Н., Санников А.В. Препринт ИФВЭ 86-1, Серпухов, 1986.

15. Барашенков B.C., Соболевский Н.М., Тонеев В.Д. Прохождение пучков высокоэнергетических частиц через толстые слои вещества. Атомная энергия, 1972, т.32, с.217.

16. Соболевский Н.М. Публикация ОИЯИ Б1-2-5458, Дубна, 1972;

17. Dementyev A.V. Sobolevsky N.M. SHIELD a Monte Carlo Hadron Transport Code: Препринт ИЯИ PAH 0874/94, 1994.

18. Barashenkov V.S., Bertini H.W., Chen K. et al. //Nucl. Phys. A187, 531, 1972. IS] Blann M. //Phys. Rev. Lett., v.27, 337, 1971.

19. Blann M. //Phys. Rev. Lett., v.28, 757, 1972.

20. Blann M., Bisplinghoff J. Code ALICE/LIVERMORE 82. UCID-19614, Livermore, CA, 1982;

21. Blann M., Reffo G., Fabbri F. Code ALICE. LLNL Report UCRL 95371, 1986.

22. Heisenberg W. Kosmische Strahlung. Berlin, 1943.

23. Serber R. //Phys. Rev., V.72, 1947, p.1114.

24. Goldberger M.L. //Phys. Rev., V.74, 1948, p.1268.

25. Николаев H.H. Кварки во взаимодействиях лептонов, фотонов и адронов высокой энергии с ядрами.- Успехи физ. наук, 1981, т. 134, вып. 3, стр. 369-4-30.

26. Z.Koba et.al, Nucl.Phys. В40 (1972) 317

27. Фейнман Р. Взаимодействие фотонов с адронами: Пер. с англ. М.: Мир, 1975.

28. Анисович В.В. Составляющие кварки и партоны в мягких процессах. В кн.: Материалы 14-й Зимней школы ЛИЯФ по физике ядра и элементарных частиц. -Л.: Изд. ЛИЯФ АН СССР, 1979, вып.2, т.1, с.З.

29. A.Ferrari, J.Ranft, S.Roesltr, P.R.Sala Cascade particles, nuclear evaporation, and residual nuclei in high energy interactions. Z.Phys. С 70. 413-426 (1996).

30. A.Capella, U.Sukhatme, C.I. Tan and Tran Tranh Van: Phys.Rep. 236(1994) 227

31. P.Aurench,F.W.Bopp, R.Engel, D.Pertermann, J.Ranft and S.Roesler. Comput. Phys. Commun. 83(1994) 107

32. T.Sjostrand: Comput. Phys.Commun. 39(1989)347

33. T.Sjostrand and Bengtson: Comput. Phys.Commun. 43(1987)367

34. L.Stodolski:Proc. Vth Colloquium on Multiparticle Reactions, Oxford( 1975)577 -34] J.Ranft:Z.Phys. C43(1989) 439

35. Field K., Feinman R., Nucl.Phys. V. B136, 1978. p.l

36. Paige R., Protopopescu V. Proc. of the Ucll Workshop on SSC Physics, 1986.37 38 [39 [40 [4142