Компьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте GERDA и радиационной обстановки на поверхности Луны

Денисов, Андрей Николаевич

Компьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте GERDA и радиационной обстановки на поверхности Луны тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Денисов, Андрей Николаевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.16 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Компьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте GERDA и радиационной обстановки на поверхности Луны»

Автореферат диссертации на тему "Компьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте GERDA и радиационной обстановки на поверхности Луны"

004609ÖÖ* На правах рукописи

ДЕНИСОВ АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

Компьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте GERDA и радиационной обстановки на поверхности Луны

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

~?он'т

004609882

На правах рукописи ДЕНИСОВ АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерных исследований РАН, Москва

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Н.М.Соболевский (ИЯИ РАН) профессор

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Е.Н.Алексеев (ИЯИ РАН)

кандидат физико-математических наук В.А.Шуршаков (ИМБП РАН)

Ведущая организация: Лаборатория радиационной

биологии (ЖЯИ, г. Дубна

Защита диссертации состоится « »

в часов на заседании диссертационного совета

Д 002.119.01

Учреждения Российской академии наук Института ядерных исследований РАН

Адрес; 117312, г. Москва, проспект 60-летия Октября 7а. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯИ РАН.

Автореферат разослан

2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.119.01, кандидат физико-математических наук Б. А. Тулупов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации. Математическое моделирование процесса взаимодействия частиц и ядер со сложными макроскопическими мишенями является необходимым этапом широкого круга исследований в фундаментальной и прикладной ядерной физике. При планировании, подготовке и интерпретации результатов экспериментов в физике атомного ядра, элементарных частиц, неускорительной физике, необходимо компьютерное моделирование экспериментальной установки с целью предсказания фоновых условий и изучения отклика детекторов.

Ряд важных научно-технических проблем включает, как необходимый этап их решения, компьютерное моделирование ядерно-каскадного и электромагнитного процессов в мишени. Имеются в виду расчеты потоков вторичных частиц и ядерных фрагментов, энерговыделения и образования нуклидов под действием пучка ускорителя, либо внешнего облучения космического происхождения. Достаточно упомянуть такие приложения, как создание интенсивных импульсных источников нейтронов, изучение возможностей ADS (Accelerator Driven Systems), адронная терапия в онкологии, радиационная защита на ускорителях и в космосе и др.

Основным методом теоретического описания взаимодействия частиц и ядер высоких энергий со сложными мишенями в настоящее время является статистическое компьютерное моделирование (метод Монте-Карло). Поэтому универсальные компьютерные программы, позволяющие проводить такое моделирование, являются обязательной частью современного инструментария в физике ядра и элементарных частиц. В качестве примера можно привести известные программы Geant4, FLUKA, MCNPX, PHITS и отечественный транспортный код SHIELD.

Диссертация посвящена применению методов компьютерного моделирования при реализации проекта GERDA по поиску двойного безнейтринного бета-распада изотопа 76Ge и для оценки радиационной обстановки на поверхности Луны в связи с проектами создания обитаемой лунной базы. Актуальность диссертации обеспечивается масштабностью и значимостью указанных проектов для фундаментальной физики и космонавтики. В качестве инструмента моделирования использовались пакет Geant4 и транспортный код SHIELD.

Цель и задачи работы

• Изучение вариантов компоновки массива германиевых детекторов в эксперименте GERDA по поиску двойного безнейтринного ß-распада изотопа '6Ge с целью обеспечения приемлемых фоновых условий.

• Расчетно-теоретическое обоснование конфигурации и радиозащитных свойств контейнера для наземной транспортировки обогащенного германия в эксперименте GERDA.

• Оценка радиационной обстановки на поверхности Луны под действием галактических (ГКЛ) и солнечных (CKЛ) космических лучей в контексте проектов обитаемой лунной базы.

Научная новизна

• Предложен и обоснован альтернативный вариант компоновки массива германиевых детекторов в эксперименте GERDA, более простой и дешевый в изготовлении и эксплуатации.

• Предложена и реализована конфигурация транспортного контейнера, обеспечивающая приемлемые радиационные условия при транспортировке обогащенного германия по поверхности земли длительностью 20-25 суток.

• Создана независимая и самодостаточная методика оценки радиационной обстановки на поверхности Луны, полностью основанная на отечественных моделях, данных и кодах.

• При моделировании радиационной обстановки на поверхности Луны впервые строго учтен вклад ядер ГКЛ.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Предложенная в диссертации конфигурация «малых» несегментирован-ных детекторов (массой 1 кг), альтернативная конфигурации «больших» сегментированных детекторов (массой 2 кг, исходный проект).

2. Результаты сравнения фоновых условий от внутренних и внешних источников фона для конфигураций «малых» несегментированных детекторов и «больших» сегментированных детекторов

3 Расчетные функции возбуждения реакций с образованием изотопов 68Ge и б0Со при взаимодействии протонов и нейтронов со стабильными изотопами германия при энергиях от порога до нескольких ГэВ.

4. Результаты численных экспериментов по подбору геометрической конфигурации транспортного контейнера из железа, обеспечивающей снижение космогенной активации до допустимого уровня.

5. Факт изготовления, на основе выполненных расчетов, транспортного контейнера и успешной перевозки 10 кг обогащенного германия из Красноярска в Мюнхен за 20 дней.

6. Методика оценки потоков частиц и локальной дозы в ткани на поверхности Луны и в лунном грунте под действием ГКЛ и СКЛ.

7. Модель лунного грунта.

8. Результаты расчета потоков частиц и локальной дозы в ткани на поверхности Луны и в лунном грунте на основе предложенной методики.

9 Рекомендации по глубине расположения в лунном грунте рабочих помещений и радиационных укрытий обитаемой лунной базы.

Апробация работы. Основные результаты диссертации представлялись на следующих конференциях: Международная конференция «NUFRA2009» (Кемер, Турция, 2009), 17-й международный симпозиум «Humans in Space» (Москва, 2009), Школа-семинар студентов и молодых учёных «Фундаментальные взаимодействия и космология» (Москва, 2007 и Москва, 2009), рабочих встречах коллаборации GERDA и семинарах ИЯИ РАН.

Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 8 публикациях, в их числе 4 публикации в ведущих научных журналах перечня Высшей аттестационной комиссии.

Структура и объем диссертационной работы Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 56 рис., 31 табл., список литературы из 123 названий. Общий объем диссертации составляет 106 страниц.

Личный вклад диссертанта Автор самостоятельно проводил расчеты спектров, потоков вторичных частиц, фонов и иных величин, используя программы Geant4 и SHIELD. В частности:

В Главе 2 автором проанализированы и предложены к рассмотрению опасные для эксперимента изотопы и другие источники фона, посчитаны фоновые условия во всех предполагаемых конфигурациях массивов детекторов.

В Главе 3 рассчитаны функции возбуждения 60Со и 68Ge нейтронами и протонами на изотопах германия, рассчитаны потоки нейтронов и протонов в полость защитного транспортного контейнера, скорости наработки указанных изотопов на изотопах германия внутри контейнера и без защиты, даны рекомендации по увеличению эффективности защиты контейнера.

В главе 4 предложена модель грунта Луны на основании отечественных данных аппаратов «Луна-16» и «Луна-20», рассчитаны потоки и дозы на поверхности Луны и в грунте.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обозначена роль компьютерного моделирования в исследованиях фундаментальной и прикладной ядерной физики. Подчеркнута важность метода Монте-Карло, как основного метода теоретического описания взаимодействия частиц и ядер высоких энергий со сложными мишенями. Перечислены известные программы моделирования методом Монте-Карло, в том числе используемые в диссертации коды SHIELD и Geant4. Вкратце представлено содержание последующих глав и цели работы.

Первая глава имеет обзорный характер. В первом параграфе Главы 1 дается достаточно подробный обзор проблемы безнейтринного двойного ß-распада (Qvßß) как одного из главных источников информации о

свойствах нейтрино. Обсуждается связь между периодом полураспада Qvßß и массой нейтрино. Рассмотрена история вопроса, прошлые, текущие

и планируемые эксперименты по обнаружению безнейтринного двойного ß-распада. Представлен эксперимент GERDA, которому посвящены 2-я и 3-я главы.

Для эксперимента GERDA обсуждается связь между уровнем фона и достигаемыми при этом ограничениями на массу нейтрино. Представлены основные источники фона в эксперименте GERDA. Вкратце описана технология изготовления германиевых детекторов, которые в эксперименте одновременно будут являться также и источниками полезного сигнала Qvßß-

Ставится задача оптимизации транспортного контейнера для перевозки обогащенного германия из Красноярска в Мюнхен наземным путем, что является необходимым этапом в технологическом цикле изготовления детекторов. Важно, чтобы в процессе транспортировки, вследствие космо-генного облучения, в германии нарабатывалось как можно меньше вредных изотопов. Расчеты с целью оптимизации транспортного контейнера описаны в Главе 3 диссертации.

Существуют два альтернативных варианта конфигурации массива германиевых детекторов в эксперименте GERDA: массив 1-кг несегменти-рованных детекторов и массив 2-кг сегментированных детекторов. Каждый вариант имеет свои преимущества и недостатки. Обосновывается необходимость сравнения этих вариантов с точки зрения соблюдения условий на величину фона. Сравнение альтернативных вариантов конфигурации детекторов содержится в Главе 2 диссертации.

Во втором параграфе Главы 1 обсуждаются проблемы освоения Луны и строительства на ней обитаемой базы. В частности, радиационная обстановка на Луне является одним из серьезных препятствий для ее освоения. Ставится задача расчета потоков и доз на поверхности Луны и в глубине грунта. Подчеркивается новизна работы, в частности, использование только отечественных моделей и кодов и учет вклада ядер космических лучей, и рожденных ими вторичных частиц, в потоки и дозы на Луне. Оценка радиационной обстановки на Луне выполнена в Главе 4 диссертации.

В третьем параграфе Главы 1 кратко описаны инструменты для моделирования взаимодействия частиц и ядер с веществом - программы SHIELD и Geant4, которые используются в представленной диссертации.

Вторая глава посвящена минимизации фонов в детекторах эксперимента GERDA. Общий вид экспериментальной установки показан на Рис. 1. Моделирование проводилось с использованием Geant4.

Рис. 1. Общий вид установки GERDA

Источники фона в детекторах подразделяются на внутренние и внешние. Основными источниками внутреннего фона детекторов являются 60Со и иОе, возникающие в германии вследствие воздействия космогенно-го излучения.

Внешний фон объясняется следующими факторами:

• фон от окружения, находящегося в контакте с детектором, либо непосредственной близости к нему (электрические контакты, держатели и т.п.), где влияние могут оказывать не только у-кванты, но и [3- и даже а-частицы

• у-кванты от удаленных источников (материалы экспериментальной установки, стенки лаборатории, воздух и т.п.)

• мюоны космогенного происхождения, обладающие высокой проникающей способностью

Подробно объясняется, почему основными источниками внешнего фона от материалов из окружения детекторов являются изотопы и 208Т1, а, например, биСо не представляет особой опасности, хотя и может образоваться в меди.

При рассмотрении фона от удаленных источников оценивалась эффективность подавления фона от у-квантов, образовавшихся от первичного у-кванта с энергией 2.614 МэВ (максимальная энергия у-кванта, рожденного в распаде 208Т1) после прохождения им 20 длин свободного пробега.

Для оценки фона от мюонов использовался доступный авторам спектр вторичных частиц от них вблизи детекторов. Однако к данному спектру невозможно было применить методики снижения фона (метод антисовпадений). Поэтому в диссертации представлена оценка сверху фона от мюонов. Предполагается, что реальный фон будет в несколько раз ниже и зависит от среднего числа вторичных частиц, одновременно достигающих детекторной сборки.

Далее рассматриваются альтернативные варианты массивов детекторов: 57 несегментированных детекторов массой по 0.9 кг (1-кг детекторы), либо 21 сегментированный детектор массой по 2.1 кг (2-кг детекторы). На Рис. 2 показаны варианты детекторных сборок. Различие в массах массивов детекторов (~5 кг) объясняется большей эффективностью (следовательно, экономией материала) при выращивании 1-кг кристаллов германия в стандартных промышленных тиглях по сравнению с нестандартными 2-кг детекторами. Кроме того, сегментирование - новая и довольно сложная процедура, высока вероятность брака. Сегментированные детекторы

сложны в обслуживании и применении. Сегментирование производится в основном с целью применения методики антисовпадений (АС): два близких по времени энерговыделения в разных сегментах детектора отбрасываются как фон. Действительно ли сегментирование настолько необходимо в GERDA, чтобы вынудить коллаборацию нести немалые затраты на сегментирование детекторов? Выяснить это является одной из целей данной работы.

В расчетах учитывается также снижение массы окружающих деталей при переходе к несегментированным 1-кг детекторам.

Объясняется, почему уменьшение размеров детекторов уменьшает их внутренний фон (в пересчете на 1 кг), что подтверждается расчетом. Основную роль здесь играют условия облучения и геометрический фактор.

Рис. 2. Два массива детекторов примерно одинаковой массы. Массив больших 2-кг детекторов (а) и массив малых 1-кг детекторов (б).

В Табл. 1 представлены результаты вычисления внутреннего фона детекторов.

Таблица 1. Результаты вычисления фона от источников внутри детектора при предполагаемой активности германия в случае больших сегментированных детекторов и малых несегментированных детекторов. _

Источник фона Предполагаемая активность Сегм. АС, Мд„=2.1 кг, фон, gbu* Дет. АС, Мдет=0.9 кг, фон, gbu* Отношение

б0Со 0.507 мкБк/кг (20 сут. 6 яд/сут/кг) 0.9 5.3 6

68Ge 4.439 мкБк/кг (25 сут, 5.6 яд./сут/кг) 27 117 4.3

*1 gbu = 10"4 событий/год/кэВ/кг

Для сокращения записи фоновый индекс измерялся в единицах, предложенных членами колаборации GERDA, gbu (GERDA Background Units). При этом, 1 gbu = 10"4 событий/год/кэВ/кг. Отметим, что суммарный индекс фона должен быть не выше 10 gbu для второй фазы эксперимента GERDA.

Из Таблицы 1 видно, что для достижения приемлемого индекса фона после изготовления 1-кг детекторов до начала эксперимента их нужно выдержать 3-4 года под землей (для 2-кг детекторов ~1 год), для того чтобы внутренний фон от 68Ge стал ниже максимального значения. Судя по задержкам с запуском 1-й и, тем более, 2-й фаз эксперимента, сроки выдержки выполнятся автоматически. Как ввдно, сегментирование больших детекторов эффективно подавляет внутренний фон. В больших сегментированных детекторах фон от 60Со подавляется даже избыточно. При этом в малых несегментированных детекторах указанный фон будет находиться на приемлемом уровне.

Источником внешнего фона может служить специально обработанная поверхность детектора. Моделирование показало, что возможные источники а-частиц на поверхности детектора не дадут заметного вклада в фон. Основным источником фона на поверхности остаются долгоживущие изотопы, при распаде которых возникают у-кванты с суммарной энергией, превышающей 2039 кэВ. Таковыми являются только 214Bi, 208Т1, а также 611С о, который может образоваться в меди под воздействием космогенного облучения.

В Табл. 2 представлены наиболее существенные источники внешнего фона от окружающих деталей. Активности материалов выбирались максимально допустимыми, согласно существующей спецификации материалов.

В диссертации рассмотрено влияние положения детектора в массиве на эффективность подавления фона. Для детектора внутри массива окружающие его детекторы являются активной защитой. Внешние же детекторы такого преимущества не имеют. Поэтому эффективность внешних детекторов можно повысить, окружив их активной защитой. В качестве активной защиты предлагается использовать отходы обогащения германия. Внутренний фон активной защиты не будет влиять на фон в основных детекторах. В крайнем случае, активную защиту можно выдержать под землей некоторое время.

Таблица 2. Результаты вычисления фона от источников на поверхности и в окружении детектора при предполагаемой активности материалов в случае больших сегментированных и малых несегменшрованных детекторов.

Объект Источ Предполагае- Сегм. АС, Дет. АС, Отно-

ник мая активность Мдст=2.1 фон, дЬи Млст=0.9 фон, дЬи шение

Поверхн. 214в1 1.0 нБк/см2 1.0 2.0 2

детектора 1.0 нБк/см2 0.38 1.3 3.5

Кабель 1 214В£ 10 мкБк/кг 0.036 0.0064 0.18

208у| 10 мкБк/кг 0.032 0.0047 0.15

60Со 10 мкБк/кг 0.0064 0.0017 0.27

Держ-ль 2,4В1 10 мкБк/кг 0.32 0.59 1.86

медь 20аТ1 10 мкБк/кг 0.69 1.3 1.87

60Со 10 мкБк/кг - 0.54 -

Держ-ль 10 мкБк/кг 0.01 0.08 8

тефлон 208у| 10 мкБк/кг 0.052 0.23 4.4

Эл. Плата 214В1 10 мкБк/кг - 0.014 -

208у| 10 мкБк/кг 0.025 0.065 2.6

Эл. 2иВ1 10 мкБк/кг 0.044 - -

Стойка 208гр| 10 мкБк/кг 0.088 0.18 2.0

1 gbu = 10"4 событий/год/кэВ/кг

Фон в детекторной сборке можно также понизить, изменяя расстояния между детекторами. Например, внутренний фон от б0Со может быть понижен, если это потребуется, в 1.5-2 раза применением активной защиты и сближением детекторов. Основной фактор, ограничивающий сближение детекторов - опасность электрического пробоя.

Еще один фактор, влияющий на величину фона от удаленных внешних источников и рассмотренный в диссертации — это тип криогенной жидкости. В качестве альтернативных вариантов рассматривались жидкий аргон и жидкий азот. Установлено, что в аргоне эффект в подавлении фона от удаленных внешних источников в 1.5 раза лучше, чем в азоте. При максимально допустимом сближении малых детекторов и использовании аргона достигается такой же уровень подавления фона, что и в случае больших сегментированных детекторов.

Наконец из оценки фона от мюонов следует, что он будет примерно одинаков для обоих вариантов детекторной сборки.

Третья глава диссертации посвящена оптимизации транспортного контейнера для перевозки обогащенного германия - материала для изготовления детекторов в эксперименте GERDA. Требовалось минимизировать воздействие протонов и нейтронов космогенного происхождения на образец германия при его транспортировке из Красноярска в Мюнхен наземным путем. Время транспортировки - 20 дней, масса контейнера - не более 15 т. Авиатранспорт невозможен из-за высокой интенсивности космического излучения в верхних слоях атмосферы.

Обосновывается выбор железа, как материала для изготовления контейнера, из нескольких доступных материалов. Объясняется, почему изотопы б0Со и 6iiGe являются основными источниками внутреннего фона детекторов, изготовленных из германия, подвергшегося воздействию космогенного излучения: оба изотопа имеют достаточно большой период полураспада (более полугода) и энергию распада, превышающую энергию распада Ovßß-

Для понимания процесса активации представляют интерес функции возбуждения 6sGe и Ы)Со при взаимодействии протонов и нейтронов с изотопами германия. Для расчета указанных функций возбуждения использовались генератор неупругих взаимодействий MSDM (Multi Stage Dynamical Model) и программа расчета полных я неупругих нуклон-ядерных сечений CROSEC, входящие в состав транспортного кода SHIELD.

Для детального изучения защитных свойств контейнера применялось непосредственное моделирование облучения контейнера с германием. Схема моделирования приведена на Рис. 3.

Железный контейнер диаметром 140 см, высотой 126.5 см обладает полной массой 14 тонн. В контейнере имеется полость, куда помещается германий. Полость - цилиндрическая, диаметром 54 см и высотой 40 см. Образец германия имеет цилиндрическую форму: диаметр 42 см, высота 27 см. Контейнер приподнят над землей на 120 см, что имитирует его транспортировку в кузове грузового автомобиля, и окружен нормирующей сферой. Протоны и нейтроны космических лучей, прежде чем достигнуть контейнера, проходили через поверхность нормирующей сферы радиусом R=1.5 м, которая необходима, чтобы связать число испытаний Монте-Карло с реальным временем облучения. Контейнер окружен вакуумом, грунт, как источник альбедных частиц, представлен цилиндром с размерами R = 5 м, Н = 4 м.

Контейнер облучался потоками нейтронов и протонов, присутствующими на уровне моря. Спектры представлены на Рис. 4. Угловое распределение пропорционально cos3 5(0), где 0 - зенитный угол.

Simulation of Isotope Production Rate inside the GERDA Transport Container \i j Using the SHIELD Monte Carlo Hadron i

Transport Code s, /

i "i i

N.Sobolevsky and A.Denisov, INR RAS, Dec. 20M

Container. R,=7Q cm, H,=126.5 cm

Bottom depth 15 cm Cavity: R2=27 cm, H,=40 cm Ge-shipment: R3=21 cm, H3=27 cm

\ Normalizing sphere (4), R=150 cm

120 cm

Ground (55.

Depth-4 m . Zone numb« . shown in pa irs are renthesis

Рис. 3. Геометрическая конфигурация расчета облучения контейнера по программе SHIELD.

ю~ 10":

110" I 10-!

i 1 о"!

1 ю-"

10Г11

ю-1

-■— Protons -О— Neutrons

V ч.

Proton flux 1.46 10 1/cm sec

Neutron flux 3.51 10"31/cm" sec

10'

10J

Energy, MeV

10°

Рис 4. Спектры нейтронов и протонов космогенного происхождения на уровне моря и интегральные по энергии потоки частиц.

В диссертации представлены рассчитанные функции возбуждения изотопов б0Со и 68Ge в германии под действием протонов и нейтронов с энергиями до ~6 ГэВ, Проведено сравнение с аналогичными расчетами и экспериментальными данными. Функции возбуждения, рассчитанные с использованием генератора ядерных реакций кода SHIELD, показали хорошее согласие с экспериментом для протонов (см., например, Рис 5).

Поэтому есть все основания надеяться, что расчетные функции возбуждения под действием нейтронов также близки к реальности. К сожалению, экспериментальные данные о сечениях образования радионуклидов под действием нейтронов с энергиями порядка 100 МэВ и выше полностью отсутствуют в литературе.

1 ' !-rtl"!| t • 1

; NatGe(p,XlGe68 Расчетные SHIELD (ИЯИ РАН) —О- Эксперимент T.Horuguchi et al, Int. J.Appl.Rad.lsot.34(1983) 1531 •--

!■ /

: J .....

J0 100 1000

Энергия протонов, МэВ

Рис. 5. Пример сравнения функции возбуждения реакции NatGe(p,X)68Ge, рассчитанной с помощью кода SHIELD с экспериментальными данными.

Скорости наработки вредных изотопов в образце германия рассчитывались в диссертации путем прямого моделирования. Регистрировались все случаи образования б0Со и б8Ое в образце под действием протонов и нейтронов заданного спектра Рис. 4, как внутри контейнера, так и в отсутствие защиты. Моделирование проводилось отдельно для каждого стабильного изотопа германия (т.е. при 100% обогащении образца каждым стабильным изотопом). Окончательные результаты облучения нейтронами и протонами в сумме представлены в Табл. 3.

Таблица 3. Наработка 680е и 60Со в образце германия, под воздействием нейтронов и протонов космогенного происхождения на уровне моря, без контейнера и внутри контейнера.

Вне транспортного Впутри транспортного

контеннера контейнера

Наработка 6SGe, Наработка 6"Со, Наработка Ge, Наработка 60Со,

Изотоп 1/день/кг 1/день/кг 1/день/кг 1/день/кг

70Ge 281.39 1.73 32.96 0.118

i2Ge 55.34 2.89 6.20 0.256

73Ge 27.98 3.13 2.94 0.265

74Ge 14.53 3.35 1.46 0.230

76Ge 4.22 3.35 0.40 0.156

Полученные данные позволяют вычислить скорости наработки для любого изотопного состава образца. Обогащенный германий имеет примерно следующий состав: 87% 7GGe, 13% 74Ge. Для такой смеси выход ö8Ge от ядерно-активной компоненты составляет 5.62 /кг/дет без защиты и 0.54/кг/день (0.6/кг/день, принимая во внимание вклад мюонов) внутри контейнера. Выход б0Со составляет 3.35 /кг/день без защиты и 0.13 /кг/день (0.2 /кг/день, принимая во внимание вклад мюонов) внутри контейнера.

Таким образом, при обогащении германия до уровня -87% 76Ge и -13% 74Ge достигается подавление активности б0Со в 20 раз, а активности 68Ge - в 10 раз по сравнению с транспортировкой без защиты. Указанная степень подавления активации удовлетворяет требованиям эксперимента GERDA. Дается сравнение с другими известными оценками для натурального и обогащенного германия.

Далее в диссертации рассматриваются потоки нуклонов внутрь полости с германием через различные стенки полости. Отмечается, что поток с дна полости значительно ниже остальных потоков. Поэтому было предложено перенести защиту с дна контейнера на его крышу. Расчеты показали, что это приводит к увеличению эффективности защиты на 15-20%.

В диссертации предложены также дальнейшие возможные шаги по увеличению эффективности защиты. Так, изучение профиля потоков нейтронов через боковую поверхность полости позволяет предложить схему более эффективной формы защитного контейнера, см. Рис. 6. Однако в связи с отсутствием необходимости дальнейшая оптимизация защиты не

проводилась. Цилиндрическая форма была выбрана также в связи с простотой в изготовлении.

На основе расчетов, выполненных в диссертации, контейнер был изготовлен и успешно использован для транспортировки, Рис. 7.

Рис. 6. Цилиндрическая форма (а) и более эффективная (б) форма защитного контейнера.

Рис. 7. На фотографии показан процесс изъятия из контейнера образца германия после его транспортировки в Мюнхен

Четвертая глава посвящена оценке радиационной обстановки на поверхности Луны, обусловленной галактическими (ГКЛ) и солнечными (СКЛ) космическими лучами.

В связи с отсутствием атмосферы и собственного магнитного поля на Луне, плотности потоков частиц на ее поверхности практически совпадают с таковыми в ближнем космосе.

В диссертации, в качестве входной информации для расчетов, использовались модели потоков протонов и ядер космического излучения ф(1 Е) в солнечной системе, разработанные в НИИЯФ МГУ для всех периодов цикла солнечной активности (СА). На Рис. 8 представлены дифференциальные энергетические спектры (р(Е) частиц ГКЛ и СКЛ, бомбардирующих поверхность Луны в годы минимума и максимума СА. Предполагалось изотропное угловое распределение для всех снарядов.

1сГ ю3 ю3

Епегду, МеУ

1СГ

10" 105 10° 10' 102 103 10' 105 Епегду, МеУ/п

Рис. 8. Энергетические спектры ф(Е) протонов ГКЛ и СКЛ в годы минимума и максимума С А (слева) и ядер ГКЛ при минимуме С А (справа). Согласно модели НИИЯФ МГУ, показанный годовой поток солнечных протонов может быть превышен с вероятностью 1%.

Модель лунного грунта, предложенная в диссертации, основана на данных аппаратов «Луна-16» и «Луна-20». Лунный грунт вблизи поверхности разбивался на 5 слоев, плотность которых увеличивалась с глубиной. Верхний пылевой слой толщиной 0.5 см имеет плотность 0.6 г/см3. Далее идут слои с большей плотностью, как показано на схеме Рис. 9. Глубже 5 метров лежит скальная порода с плотностью 3.35 г/см3. Химический состав всех слоев одинаков и представлен в Табл. 5.

Пространство над поверхностью Луны Глубина 0+0.5 см, плотность р=0.6 г/см3 Глубина 0.5+20 см, плотность р=1.0 г/см3 Глубина 20+35 см, плотность р=1.75 г/см3 ! лубина 35-- 500 см, плотность р=2 0 г/' л Глубина >500 см, плотное«. р=3.35 г/см3 Рис. 9. Схема лунного фунта

Таблица 5. Химический состав лунного грунта (весовые %)

Соединение «Луна-16» «Луна-20»

Si02 42.95 44.2

тю2 5.5 0.32

А12ОЗ 13.88 19.1

FeO 20.17 6.91

MgO 6.05 13.37

CaO 10.8 13.3

Na20 0.23 0.48

K20 0.16 0.47

Total 99.74 98.15

Схема моделирования показана на Рис. 10. Лунный грунт представлен цилиндром высотой Н(=9 м и радиусом R|=8 м. Цилиндр разбит по высоте на слои в соответствии с Рис. 9 (на Рис. 10 слои не показаны). Такие размеры массива грунта выбраны исходя из опыта использования программы SHIELD для аналогичных расчетов. При моделировании адронных каскадов в горных породах брать толщину грунта более ~4м не имеет

смысла, т.к. это приводит к увеличению затрат компьютерного времени, но практически не влияет на результаты. з ^

Ось Z декартовой системы координат направлена к центру Луны, нулевое значение /.-координаты находится на поверхности. Вдоль оси Ъ расположены шаровые объемы для регистрации флюенса. При выборе радиусов г, этих шаров приходится прибегать к компромиссу. Слишком малый радиус затрудняет набор статистики, а слишком большой приводит к огрублению результатов. В настоящих расчетах радиусы регистрирующих сфер г, на разных глубинах могли различаться и находились в пределах от 5 см на малых глубинах до 40 см на максимальной глубине, т.е. были сравнимы со средней длиной ядерного пробега нуклона в грунте. Сферы располагались на 16 глубинах Ьг Частицы космических лучей, прежде чем войти в лунный грунт, проходили через поверхность нормирующей полусферы радиусом Я=3 м. Это необходимо, чтобы связать число испытаний Монте-Карло с реальным временем облучения.

Далее в диссертации представлены рассчитанные интегральные и дифференциальные потоки протонов и нейтронов ГКЛ и СКЛ для минимума и максимума солнечной активности, как на поверхности Луны, так и на различных глубинах в лунном грунте. В качестве иллюстрации на Рис. 11 и 12 представлены дифференциальные потоки протонов и нейтронов, генерируемые протонами и ядрами ГКЛ в минимуме СА.

Т—I—I I I I I—r j~GCR, min SA~|-

10' 102 1 03 1 04 1 0s 10"' 10"5 10J 10"1 10' 103 105 Energy, MeV Energy, MeV

Рис. 11. Потоки протонов (а) и нейтронов (б) на различных глубинах, инициированные протонами ГКЛ в минимуме СА.

ю'

10s

ю!

. ю" :> ■и

_ 10-

I10

Ш -7 2 107

10"

10""

10-"

■■»'. г

j_] I i,

-■¡-'ij GCR, min SA

-■!---i- I I I I I'-

I I I , I I I I I I I

10"' 10

10* 10a

10"3 10"' 10' Energy, MeV

Рис. 12. Потоки протонов (а) и нейтронов (б) на глубине 76 см, инициированные протонами и ядрами ГКЛ в минимуме СА.

В результате расчетов установлено, что на уровне поверхности Луны интегральные по энергии потоки протонов и нейтронов, инициированные ГКЛ, сравнимы по величине. На глубине около 1 м потоки нейтронов имеют выраженный максимум и превосходят потоки протонов почти на 2 порядка величины. На больших глубинах различие в потоках протонов и нейтронов достигает 500 раз.

На глубинах более 2 м интегральные потоки нейтронов от СКЛ превосходят потоки протонов от СКЛ на 3 порядка величины.

Максимального развития адронные каскады достигают на глубине около 80 см. На Рис. 11 видно, что в области энергий 5-500 МэВ поток протонов от ГКЛ на глубине 76 см превышает поток протонов над поверхностью Луны, а потоки нейтронов на этой глубине максимальны при всех энергиях.

Потоки протонов от СКЛ сильнее убывают с глубиной и круче падают с увеличением энергии, чем потоки протонов от ГКЛ, что определяется формой начальных спектров.

Были рассчитаны также энергетические спектры некоторых вторичных ядер, образовавшихся под действием ядер ГКЛ, например, спектры вторичного гелия 4Не от первичных ядер 1бО. Однако вклад таких вторичных ядер в дозовые характеристики мал, также как и вклад от ядер СКЛ в целом.

В диссертации проведено сравнение полученных результатов с известными экспериментальными и расчетными данными. Обнаружено удовлетворительное согласие профиля плотности нейтронов в грунте с экспериментом ЬЫРЕ и альбедо нейтронов с расчетами по МСМ'Х. Таким образом, несмотря на полную независимость используемых моделей, данных и кодов, наши результаты не обнаруживают серьезных расхождений с данными других авторов, что повышает доверие ко всем обсуждаемым результатам.

На основе рассчитанных дифференциальных потоков протонов и нейтронов в лунном грунте был проведен расчет поглощенной и эквивалентной локальных доз в тканеэквивалентной среде.

Локальные среднетканевые дозы !),, и Я,, для протонов вычислялись по формулам:

DP= \Ь(Е)-Фр(ЕЩ (1)

^ ИНП

'-■max ;

H~p = \Q(L(E)).L(E)-0p(E)dE (2)

ШШ

где L(E) - линейная передача энергии (ЛПЭ) в тканеэквивалентном веществе (мягкая биологическая ткань) в зависимости от энергии протонов, Q(L(E)) - коэффициент качества излучения, зависящий от ЛПЭ протонов, фр(/;) - дифференциальный флюенс протонов.

Расчет локальных среднетканевых доз для нейтронов Dn и //,,

проводился по формулам:

DtI= \KD(E)-0n(E)dE (3)

Етп Е

__max

"„ = (4)

Emi„

где - удельная керма для нейтронов в тканеэквивалентном веществе, Кц(Е) — удельная эквивалентная керма для нейтронов в тканеэквивалент-

ном веществе, Фп (Е) - дифференциальный флюенс нейтронов.

Результаты вычислений по формулам (1)-(4) представлены на Рис. 13. Как видно, эквивалентная доза от ГКЛ на поверхности Луны составляет около 10-20 сЗв/год и не превышает профессионального предела для космонавтов (50 сЗв/год), превышая при этом допустимую дозу для населения (0.5 сЗв/год) примерно в 30 раз.

Из Рис. 13 также хорошо видно, что солнечные события крайне опасны для человека из-за прямого воздействия первичных протонов. Поэтому необходимо обеспечить укрытие для персонала базы во время солнечных вспышек, причем на достаточно большой глубине по следующей причине.

—л-ГКП

— .рТО1

-п-ГКЛ_протоны

-----[Я"КП протоны

----гьСКП

— • рСКП

12 3 4 Глубина,м

¡5

$ ю

«Г

0 * <-»1 с* 10 к

га

£ ю°

«и

с;

(О

1 ю"

03 X

га Я

со о

с!

§ Ю-3

сс <и

& ю"4 ю-5

.1 ' 1 ' 1 ' 1 ■ 1 ' ' ■ $ 1 ! 1 1(6)1 1 . |\ 1 1 « 1 V / * 1 • | 1 1 1 1 гтг — -1----г----,----г----,----,

и ^ 1» 1 Г» «V 1 1 4 '^.»^Ч » Г+------ ! 1 1 :» 1 V 1 -4> .1 1 >.| 1 * 1 1 » ГТ----1----ГТ-Т •I 1 1 ч • .« 1 1 1 « 1 1 ; ^ОЦ. | 1 1 ( — \ 1 1 ^ч: --'^Ьч--;—| ! !

Г гкГКЛ : — .р-гкл -п-ГХЛ_прстоны Г .....р-ГКЦ_протоны : — • • • п-сКП '---р^СКЛ [ —— Проф. предел : — — Рекомвцд- предел Ч-!-—"¡-^ '¡\ ! п : к : 1 1 • » ' ч •--г----|-ЛГ| 1 1 < 1 1 .1.1.'

1 2 3 4 5 Глубина в фунте, м

Рис. 13. Вклады в поглощенную (а) и эквивалентную (б) среднетканевые дозы от протонов (р) и нейтронов (л) в зависимости от глубины в лунном грунте. Отдельно показан вклад только от протонов ГКЛ. На рис. (б) также показан профессиональный предел годовой дозы космонавтов 50 сЗв/год и рекомендуемый предел 20 сЗв/год.

Из Рис. 13 видно, что начиная с глубины 0.5 м, главный вклад в дозу вносят нейтроны ГКЛ. Длительное пребывание в грунте на глубинах: 0.5-1.5 м может привести к превышению максимально допустимой дозы.

Подчеркнем, что учет вклада нейтронов от ядер ГКЛ приводит к увеличению дозы в полтора раза по сравнению с нейтронной дозой только от протонов ГКЛ.

Таким образом, длительное использование естественных укрытий, а также рабочих помещений, находящихся в грунте на глубинах менее 2.5-3 м опасно для персонала базы. Длительное пребывание на поверхности Луны возможно в случае наличия эффективной системы заблаговременного оповещения о солнечных вспышках и обеспечения возможности быстрого укрытая от частиц СКЛ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ В ДИССЕРТАЦИИ

1. Изучены источники фона и предложены пути минимизации влияния фоновых событий в массиве детекторов эксперимента GERDA

1.2. Сегментирование детекторов сказывается, прежде всего, на уменьшен™ внутреннего фона. Сегментирование больших детекторов избыточно подавляет внутренний фон от б0Со.

1.3. Внутренний фон детекторов является доминирующим. Фон от окружения надежно подавляется.

1.4. Уменьшение расстояний между малыми детекторами и применение активной защиты позволит снизить фон в малых детекторах в 1.5-2 раза.

1.5. Применение жидкого аргона вместо азота позволит примерно в 1.5 раза эффективнее подавлять внешний у-фон при незначительном (несколько процентов) ухудшении фона от внутренних источников.

2. Выполнен расчет и оптимизация параметров контейнера для транспортировки обогащенного германия

2.1. С помощью генератора ядерных реакций кода SHIELD рассчитаны функции возбуждения реакций с образованием радиоизотопов 6SGe и биСо при взаимодействии протонов и нейтронов со стабильными изотопами германия при энергиях до нескольких ГэВ. Функции возбуждения для протонов хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными. Дано сравнение с расчетами функций возбуждения по программам LAHET и ISABEL.

2.2. Путем численных экспериментов подобрана геометрия транспортного контейнера из железа, обеспечивающая снижение космогенной активации до допустимого уровня. Оптимизация контейнера проводилась при ограничении на его массу, равном 15 т. Подавление активации зависит от изотопного состава транспортируемого германия. При обогащении до уровня ~87% 76Ge и ~13% 74Ge достигается подавление активности б0Со в 20 раз, а активности 68Ge в 10 раз по сравнению с транспортировкой без защиты, что удовлетворяет требованиям эксперимента

GERDA. Дается сравнение с оценками, сделанными коллаборацией Majorana.

2.3. На основе проведенных расчетов был изготовлен транспортный контейнер и проведена успешная пробная перевозка автотранспортом 10 кг обогащенного германия из г. Зеленогорск (Красноярский край) в г. Мюнхен (Германия) за 20 дней.

3. Сделана оценка радиационной обстановки на поверхности Луны в связи с обсуждаемыми проектами обитаемой лунной базы

3.1. Описана методика и представлены результаты оценки потоков частиц и локальной дозы в ткани на поверхности Луны и в лунном грунте под действием ГКЛ и СКЛ. Методика полностью основана на отечественных моделях, данных и компьютерных кодах.

3.2. Максимум развития адронного каскада (максимальные потоки) находится в Лунном грунте на глубине ~0.8 м.

3.3. Вклад в дозу от вторичных нейтронов, на глубинах, превышающих -0.5 м, превосходит вклад от протонов, как для ГКЛ, так и для СКЛ, особенно для эквивалентной дозы.

3.4. Учет ядер ГКЛ увеличивает дозу в 1.5 раза по сравнению с дозой только от протонов ГКЛ.

3.5. Вклад в дозы от ядер СКЛ составляет лишь несколько процентов дозы от протонов СКЛ

3.6. Мощность дозы от ГКЛ на поверхности Луны составляет около 1020 сЗв/год и не превышает профессионального предела для космонавтов (50 сЗв/год). При этом примерно в 30 раз превышает допустимую дозу для населения (5 мЗв/год).

3.7. Длительное пребывание персонала базы в естественных укрытиях (в грунте) рекомендовано на глубинах более 2.5-3 м. Особо опасными для длительного пребывания персонала базы являются глубины в грунте 0.51.5 м.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. I.Barabanov, S.Belogurov, L.Bezrukov, A.Denisov, V.Kornoukhov, N.Sobolevsky. Cosmogenic activation of Germanium and its reduction for low background experiments, arXiv:nucl-ex/0511049 vl 28 Nov 2005. Nucl.Instr.Meth.B251 (2006) 115-120.

2. А.Н.Шубин, А.Н.Гилев, Д.Б.Кононов, А.А.Миськов, Е.А.Никитина, Г.М.Скорьпшн, И.Р.Барабанов, Л.Б.Безруков, А.Н.Денисов, Н.М.Соболевский, С.Г.Белогуров, В.Н.Корноухов, М.Альтман, А.Калдвелл. Новые требования кобогащенньш изотопам для экспериментов по изучению безнейтринного двойного бета-распада (Эксперимент ГЕРДА). Атомная Энергия, 101 (2006) 135-140.

3. A.N.Denisov, N.V.Kuznetsov, R.A.Nymmik, M.I.Panasyuk, N.M.Sobolev-

sky. Assessment of the Radiation Environment on the Moon. Acta Astronáutica 2010, in print. Available online 6 February 2010.

4. А.Н.Денисов, Н.В.Кузнецов, Р.А.Ныммик, М.И.Панасюк, Н.М.Соболев-

ский. К проблеме радиационной обстановки па Лупе. Космические Исследования, 2010, №6, в печати.

5. A.Denisov, N.Kuznetsov, R.Nymmik, M.Panasyuk, N.Sobolevsky. Assess-

ment of Radiation Environment in the Moon Claused by Protons and Nuclei ofGCR and SEP. Invited talk at the NUFRA2009 International Conference Kemer, Turkey, September 28-October 430, 2009 http://fias.uni-frankfurt.de/historical/nufra2009/.

6. A.N.Denisov, N.V.Kuznetsov, R.A.Nymmik, V.I.Panasyuk, N.M.Sobolevsky.

Predicting of the Radiation Hazard in the Moon. Talk at the 17 th IAA Humans in Space Symposium, Moscow, Russia, in June 7-11,2009. http://iaa-his2009.imbp.ru/Sessions.pdf

7. А.Н.Денисов, Н.В.Кузнецов, Р.А.Ныммик, М.И.Панасюк, Н.М.Соболев-

ский. Оценка радиационной обстановки на Лупе. Труды 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», г. Долгопрудный, 27-30 ноября 2009. Часть VIII, Проблемы современной физики, стр.112.

8. А.Н.Денисов, Н.В.Кузнецов, Р.А.Ныммик, Н.М.Соболевский. Компью-

терное моделирование радиационной обстановки на Луне. 1. Воздействие протонов галактических и солнечных космических лучей. Препринт ИЯИ РАН 1220/2009, Москва, 2009.

Ф-т 60x84/16 Уч.-изд.л. 1,0 Зак. № 22093 Тираж 100 экз.

Бесплатно

Отпечатано на компьютерной издательской системе Издательский отдел Института ядерных исследований Российской академии наук 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Денисов, Андрей Николаевич

Введение.

Глава 1. Обзор проблем и методов.

§1.1 Эксперимент GERDA: цели проекта и схема эксперимента

§ 1.2 Перспективы и проблемы обитаемой базы на Луне

§ 1.3 Инструменты для моделирования взаимодействия частиц и ядер с веществом: Geant4 и SHIELD

Глава 2. Минимизация фонов в детекторах эксперимента GERDA

§2.1 Источники фоновых событий

§2.2 Варианты компоновки массива детекторов

§2.3 Минимизация внутреннего фона

§2.4 Минимизация внешних фонов

§2.5 Фон от мюонов

§2.6 Выводы

Глава 3. Оптимизация контейнера для транспортировки германия

§3.1 Активация германия космическим излучением

§3.2 Схема моделирования активации при транспортировке

§3.3 Функции возбуждения вредных реакций в германии

§3.4 Минимизация скоростей образования вредных изотопов путем подбора геометрии контейнера

§3.5 Выводы

Глава 4. Оценка радиационной обстановки на поверхности Луны

§4.1 Модели галактического и солнечного космического излучения в околоземном пространстве

§4.2 Модель лунного грунта

§4.3 Схема моделирования потоков частиц в лунном грунте и над поверхностью Луны

§4.4 Интегральные и дифференциальные потоки частиц на различной глубине

§4.5 Сравнение потока вторичных нейтронов с данными эксперимента LNPE и расчета по MCNPX

§4.6 Оценка поглощенной и эквивалентной локальной дозы в биологической ткани.

§4.7 Выводы

Введение диссертация по физике, на тему "Компьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте GERDA и радиационной обстановки на поверхности Луны"

Математическое моделирование процесса взаимодействия частиц и ядер со сложными макроскопическими мишенями является необходимым этапом широкого круга исследований в фундаментальной и прикладной ядерной физике.

При планировании, подготовке и интерпретации результатов экспериментов в физике атомного ядра, элементарных частиц, неускорительной физике, необходимо компьютерное моделирование экспериментальной установки с целью предсказания фоновых условий и изучения отклика детекторов.

Настоящая диссертации посвящена применению методов компьютерного моделирования при реализации проекта GERDA по поиску

7 f\ двойного безнейтринного бета-распада изотопа Ge и для оценки радиационной обстановки на поверхности Луны в связи с проектами создания обитаемой лунной базы. Актуальность диссертации обеспечивается масштабностью и значимостью указанных проектов для фундаментальной физики и космонавтики. В качестве инструмента моделирования использовались пакет Geant4 и транспортный код SHIELD.

Изложение построено следующим образом. Глава 1 имеет обзорный характер. В § 1.1 поясняется значение эксперимента GERDA для современной физики элементарных частиц, перечислены прошлые и планируемые эксперименты по поиску двойного безнейтринного бета-распада, описана схема и этапы эксперимента. Обозначены вопросы, на решение которых направлена настоящая диссертация. Следующий параграф касается перспектив и проблем создания обитаемой базы на Луне, с акцентом на оценку радиационных условий и историю этого вопроса. Сформулированы цели настоящей работы. В последнем параграфе Главы 1 дано краткое описание программ Geant4 и SHIELD как инструментов исследования.

Глава 2 содержит постановку задачи и результаты, полученные диссертантом, по расчету и минимизации фонов в массиве германиевых детекторов эксперимента GERDA. Рассмотрены внутренние и внешние источники фона, включая мюоны, а также пути подавления фона при разной конфигурации массива детекторов. Расчеты проводились с помощью пакета Geant4, настроенного под задачи проекта (принятое в коллаборации GERDA название пакета - MaGe). Полученные результаты обсуждаются в §2.6.

Глава 3 касается разработки транспортного контейнера для перевозки германия. Технологический цикл эксперимента GERDA включает транспортировку обогащенного германия по поверхности земли в течение значительного времени (не менее 20 дней). В это время германий подвергается облучению протонами и нейтронами космического происхождения. В отсутствие защиты это приводит к недопустимому уровню загрязнения германия радиоактивными изотопами 60Со и 68Ge. Диссертантом предложена наиболее оптимальная конфигурация защитного контейнера, позволяющая добиться максимального снижения радиоактивного загрязнения при заданной массе контейнера. Контейнер был изготовлен и успешно применялся для транспортировки. Расчеты по оптимизации контейнера проводились с помощью кода SHIELD.

Радиационные условия на поверхности Луны рассматриваются в Главе 4. Из-за отсутствия атмосферы и магнитного поля поверхность Луны подвергается интенсивной бомбардировке протонами и ядрами галактического (ГКЛ) и солнечного (СКЛ) космического излучения, что инициирует интенсивные потоки вторичных частиц в приповерхностных слоях лунного грунта. Диссертантом были вычислены дифференциальные потоки протонов и нейтронов, а также ядерных фрагментов, на разной глубине в грунте, под действием ГКЛ и СКЛ, в годы минимума и максимума солнечной активности. Рассчитаны поглощенная и эквивалентная среднетканевые дозы. Вычислены потоки вторичных нуклонов от ядер ГКЛ и их вклад в дозу. Расчеты проводились с помощью транспортного кода SHIELD.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Заключение диссертации по теме "Физика атомного ядра и элементарных частиц"

4.7 Выводы

Описана методика и представлены результаты оценки потоков частиц и локальной дозы в ткани на поверхности Луны и в лунном грунте под действием ГКЛ и СКЛ. Показано, что:

• вклад в дозу от вторичных нейтронов, на глубинах, превышающих ~0.5 м, превосходит вклад от протонов, как для ГКЛ, так и для СКЛ, особенно для эквивалентной дозы;

• учет ядер ГКЛ увеличивает дозу в полтора раза по сравнению с дозой только от протонов ГКЛ;

• вклад в дозы от ядер СКЛ составляет лишь несколько процентов от дозы от протонов СКЛ;

• максимум развития адронного каскада (максимальные потоки) находится в Лунном грунте на глубине ~0.8 м;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, методом математического моделирования, получены следующие результаты:

1.1. Рассмотрены варианты «малых» детекторов (массой 1 кг) и «больших» детекторов (массой 2 кг). Массив несегментированных детекторов массой 1 кг удовлетворяет условиям проведения фазы 2 эксперимента GERDA. Хотя фоновые условия в случае малых детекторов будут в 3-4 раза хуже по сравнению с базовым вариантом больших детекторов, но являются приемлемыми при условии, что набор статистики начнется не раньше 2009-2010 года, когда в основном распадется накопленный в германии изотоп 68Ge.

1.2. Сегментирование детекторов сказывается, прежде всего, на уменьшении внутреннего фона. Сегментирование больших детекторов избыточно подавляет внутренний фон от б0Со.

1.3. Внутренний фон детекторов является доминирующим. Фон от окружения надежно подавляется.

1.5. Применение жидкого аргона вместо азота позволит примерно-в 1.5 раза эффективнее подавлять внешний гамма-фон при незначительном (несколько процентов) ухудшении фона от внутренних.источников.

2. Выполнен расчет и оптимизация параметров контейнера для транспортировки обогащенного германия

2.1. С помощью генератора ядерных реакций кода SHIELD рассчитаны функции возбуждения реакций с образованием радиоизотопов 68Ge и

Со при взаимодействии протонов и нейтронов со стабильными изотопами германия при энергиях до нескольких ГэВ. Функции возбуждения для протонов хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными. Для нейтронов экспериментальные данные отсутствуют, но полученное согласие для протонов позволяет доверять расчетным функциям возбуждения для нейтронов. Дано сравнение с расчетами функций возбуждения по программам LAHET и ISABEL.

Подавление активации зависит от изотопного состава транспортируемого германия. При обогащении до уровня -87% 76Ge и -13% 74Ge достигается подавление активности 60Со в 20 раз, а активности 68Ge в 10 раз по сравнению с транспортировкой без защиты. Указанная степень подавления активации удовлетворяет требованиям эксперимента GERDA. Дается сравнение с оценками, сделанными коллаборацией Majorana.

3.2.Максимум развития адронного каскада (максимальные потоки) находится в Лунном грунте на глубине ~0.8 м.

3.3.Вклад в дозу от вторичных нейтронов, на глубинах, превышающих ~0.5 м, превосходит вклад от протонов, как для ГКЛ, так и для СКЛ, особенно для эквивалентной дозы.

3.4.Учет ядер ГКЛ увеличивает дозу в 1.5 раза по сравнению с дозой только от протонов ГКЛ.

3.5.Мощность дозы от ГКЛ на поверхности Луны не превышает профессионального предела для космонавтов (66.5 cSv/year), но близка к нему.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Денисов, Андрей Николаевич, Москва

1. White Paper on the Majorana Zero-Neutrino Double-Beta Decay Experiment, MAJORANA collaboration (2003), nucl-ex/0311013.

2. The GERmanium Detector Array for the search of neutrinoless ßß decays of 76Ge at LNGS. By GERDA Collaboration (I.Abt, M. Altmann et all.). P38/04, Sept. 2004.

3. A. Osipowicz et al., (the KATRIN Collaboration), arXiv: hep-ex/0109033.

4. D.N. Spergel el al., astro-ph/0302209.

5. Steven R. Elliott and Petr Vogel, Ann. Rev. Nucl. Part. Sei 52 (2002) 115

6. T. Toshito et al., the SuperKamiokande Collaboration, arXiv: hep-ex/ 0105023.

7. Q. R. Ahmad, et al., Phys. Rev. Lett. 87 (2001) 071301.

8. S. Fakuda et al., Phys. Lett. B539 (2002) 179.

9. K. Eguchi et al., Phys. Rev. Lett. 90, (2003) 021802.

10. H. V. Klapdor-Kleingrothaus et al., Nucl. Phys. (Proc. Suppl.) 100 (2001 ) 309; arXiv: hep-ph/0102276.

11. C. E. Aalseth et al., Phys. Rev. D65 (2002) 092007.

12. H.V. Klapdor-Kleingrothaus, et al., Mod. Phys. Lett. 16, (2001) 2409.

13. H.V. Klapdor-Kleingrothaus, Foundations of Physics 32, (2002) 1181.

14. C.E. Aalseth, et al., Mod. Phys. Lett. 17, (2002) 1475.

15. H.L. Harney, hep-ph/0205293 (2002).

16. F. Feruglio, A. Strumia, and F. Vassani, Nucl.Phys. B637, (2002) 345.

17. Yu.G. Zdesenko, F.A. Danevich, and V.l. Tretyak, Phys. Lett. B546, (2002) 206.

18. J. Schechter and J. W. F. Valle, Phys. Rev. D25 (1982) 2951.

19. K. Hagiwara et al, Phys. Rev. D66 (2002) 010001.

20. John N. Bahcall and Carlos Pefia-Garay, hep-ph/0305159.

21. M. Apollonio etal., Phys. Lett. B466 (1999) 415.

22. F. Boehm et al., (the Palo Verde Collaboration) Phys. Rev. D64 (2001) 112001.

23. V. Barger, S. L. Glashow, D. Marfatia, and K. Whisnant, Phys. Lett. B532 (2002) 15.

24. S. Pascoli and S. T. Petcov, Phys. Lett. B544 (2002) 239.

25. P. Vogel and M. R. Zirabauer, Phys. Rev. Lett. 57 (1986)3148.

26. E. Aalseth et al., Phys. Rev. C59 (1999) 2108.

27. H.V. Klapdor-Kleingrothaus et al., 'Data acquisition and analysis of the 76Gedouble beta experiment in Gran Sasso 1990-2003', Nucl. Instr. Meth. A522(2004) 371.

28. R. Arnold et al., preprint submitted to Nucl. Instr. Meth. A, physics/0402115.

29. C. Arnaboldi et al., (CUORE collaboration), Astropart. Phys. 20 (2003) 91.

30. C. Augier, International Workshop on Weak Interactions in Nuclei and Astrophysics:Standard Model and Beyond ECT, Trento, 16-21 June (2003)

31. A. Giuliani, TAUP 2003 conf. proceedings., Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.), inpress.

32. F.A. Danevich et al., Phys. Rev. C62 (2000) 044501.

33. V. A. Rodin, Amand Faessler, F. Simkovic and Petr Vogel, arXiv:nucl-th/0305005, vl 2 may 2003.

34. N.M.Sobolevsky. Conclusions of International Code Comparison for Intermediate Energy Nuclear Data. Thick Target Benchmark for Lead and Tungsten. Report NEA OECD NSC/DOC(96)15, Paris, 1996. http://www.nea.fr/html/science/pt/thickbench/con txt.pdf

35. A.V.Dementyev, N.M.Sobolevsky. SHIELD Universal Monte Carlo Hadron Transport Code: Scope and Applications. Radiation Measurements, 30 (1999) 553.

36. Radiation Safety Information Computational Center, ORNL. http:/Avww-rsicc.ornl.aov

37. Nuclear Energy Agency OECD. http://vvvvvv.nea.fr/abs/html/iaeal287.html

38. J.F. Ziegler IBM Journal of Research and Development 42 1998

39. I. Barabanov, A . Denisov et al. 'Cosmogenic activation of Germanium and its reduction for low background experiments', Nucl. Instr. And Meth B251(2006)l 15

40. A.H. Шубин, A.H. Денисов и др. ' Новые требования к обогащенным изотопам для экспериментов по изучению безнейтринного двойного бета распада' «Атомная Энергия»101(2006)135

41. Сайт разработчиков GEANT4. http://geant4.cern.ch/

42. P. Lipari, Т. Stanev, Phys. Rev. D 44 (1991) 3543.

43. L. Pandola, S. Belogurov, et al. 'Monte Carlo evaluation of the muon-induced background in the GERDA double beta decay experiment', Nucl. Instr. And Meth. A570(2007)149-158.

44. G.W.McKinney, D.J.Lawrence, T.H.Prettyman, R.C.Elphic, W.C.Feldman, J.J.Hagerty. MCNPX benchmark for cosmic ray interactions with the Moon. J. Geophys. Res. Ill (2006) E06004.

45. G. De Angelis, F.F.Badavi, J.M.Clem et al. Modeling of the Lunar Radiation Environment. Nucl. Phys. B(Proc. Suppl.) 166 (2007) 169-183.

46. R.A.Nymmik, M.I.Panasyuk, A.A.Suslov. Galactic Cosmic Ray Flux Simulation and Prediction. Adv. Space Res. 17 (1996) 19-30.

47. International Standard, ISO 15390. Space environment (natural and artificial) Galactic cosmic ray model. (First edition 2004-06-01), @ ISO 2004.

48. R.A.Nymmik. Probabilistic Model for Fluencies and Peak Fluxes of Solar Particles. Radiation Measurements 30 (1999) 287-296.

49. S.V. Viktorov, V.I. Chesnokov. Chemistry of lunar soil. Moscow, "Znanie", 1978 (in Russian).

50. Estimation of irradiation of professionals from external radiation sources. Safety instructions. № RS-G-1.3, IAEA, Vienna, 1999.

51. A.N.Denisov, N. V.Kuznetsov, R.A.Nymmik, N.M.SoboIevsky. Computer modeling of radiation environment on the Moon. 1. Influence of galactic cosmic rays protons and solar energetic particles. Preprint of INR RAS 1220/2009, Moscow, 2009 (in Russian).

52. Y. Shikaze, S. Haino, K. Abe, et al. Measurements of 0.2-20 GeV/n cosmic-ray proton and helium spectra from 1997 through 2002 with BESS spectrometer, Astroparticle Physics, 28, 154-167, 2007.

53. V.D.Toneev, K.K.Gudima. Particle Emission in Light and Heavy Ion Reactions. Nucl. Phys. A400 (1983) 173c.

54. N.S.Amelin, K.K.Gudima, V.D.Toneev. Ultrarelativistic Nucleus-Nucleus Collisions within a Dynamical Model of Independent Quark-Gluon strings. Yadernaya Fizika 51(1990)1730 (in Russian). Preprint GSI-89-52.

55. N.S.Amelin, K.K.Gudima, S.Yu.Siviklokov, V.D.Toneev. Further Development of the Quark-Gluon Strings Model for Describing High-Energy Collisions with Nuclear Target. Yadernaya Fizika 52(1990)272 (in Russian).

56. K.K.Gudima, S.G.Mashnik, V.D. Toneev. Cascade-Exciton Model of Nuclear reactions. Nucl. Phys. A401 (1983)329.

57. A.S.Botvina, A.S.Iljinov, I.N.Mishustin, J.P.Bondorf, R.Donangelo, K.Sneppen. Statistical Simulation of the Break-up of Highly Excited Nuclei. Nucl. Phys. A475 (1987) 663.

58. A.S.Botvina, A.S.Iljinov, I.N.Mishustin. Multifragment Break-up ofNuclei by Intermediate-Energy Protons. Nucl.Phys. A507 (1990) 649.

59. A.Dementyev, V.Gurentsov, O.Ryazhskaya, N.Sobolevsky. Production and Transport of Hadrons Generated in Nuclear Cascades Initiated by Muons in the Rock (Exclusive Approach). Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.) 70(1999)486.

60. GOST 25645.215-85. Space crew radiation safety during space flight. Safety standards under flight duration till three years. Gosstandart. 1987 (in Russian).

61. J.F.Ziegler, J.P.Biersack, U.Littmark. The Stopping and Range of Ions in Solids. Pergamon Press, New York, 1985.

62. ICRP 1990. Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. ICRP Publication 60. Annals of the ICRP 21, Pergamon Press, NY and Oxford, 1991.

63. A.K. Savinskiy, V.I. Popov, V.A. Kulyamin. LPE spectra and efficiency factors of incorporated radionuclides. The reference book. Energoatomizdat, Moscow, 1986 (in Russian).

64. D.S. Burnett, D. S. Woolum. Lunar neutron capture as a tracer for regolith dynamics, Proceedings of the Fifth Lunar Conference (Supplement 5, Geochimica et Cosmochimica acta), Vol. 2 pp 2061-2074 (1974).

65. А.Г.Сизенцев, В.В.Шевченко, В.Ф.Семенов, Г.М.Байдал. Концепция производственной лунной базы. Вселенная и мы. Электронный альманах, №3, 1997 год.71. http://www.lunarembassy.com, Mr. Dennis М. Hope, "The Lunar Embassy", 1980. The MoonShop

66. General Dynamics Convair Division report for NASA/JSC. Lunar resources utilization for space construction. Volume 3: Appendices final report, Apr. 1978-1979

67. JI. Горшков. Полет человека на Марс. Наука и жизнь. №7, 2007 год

68. Smith, D. S., and J. M. Scalo (2007), Risks due to X-ray flares during astronaut extravehicular activity, Space Weather, 5, S06004, doi:10.1029/2006SW000300