Методика восстановления спектральных характеристик потоков нейтронов по показаниям систем детекторов, установленных на орбитальной станции тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ~ ИНЗЕНЕРНО-ФЙИЯЕСЮШ ИНСТИТУТ '

.... • ?■•' ... На иравах рукописи

РЯБЕВЛ Елена Васильевна

МЕТОДИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ . СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКОВ НЕЙТРОНОВ ПО ПОКАЗАНИЯМ СИСТЕМ ДЕТЕКТОРОВ, УСТАНОВЛЕННЫХ НА ОРБИТАЛЬНОЙ СТАНЦИЙ.

01.04.01. — техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация•■ ■ физических исследований..

, ■' Автореферат • .

Дкссертащш на соискайиэ ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор: ____

Москва, 1992

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного . , '! Знамени кнкзнерно-фязическом институте

Научный руководитель: кандидат технических .

наук, доцент, В.Т.Самосадный ;

Сфинкалышо оппоненте: доктор фигжо-штекшткческих; ;. . ''.•"; : '

наук, Е.А.Кракер-Лгеев ' • !

'" • кандидат физино-математкчесглх. •„•,/. наук, D.W. Петров - *- '.';

Ведущая организация: . НПО "Энергия" . >V- ^

•Защита состоите я » ,'• 1992 у. в&чаа.

ßC?. на заседании спсдиализяроБагшого совета К053.03.05 ;в Московском етжеЕерно-фкзшеском институте по- адресу: • "• .' 115409, Кэйшрсксе дассе, д.31, тел. 324-84-98.

С диссзртацкой можно ознакомиться в бкОлиотеке. МИФИ. Автореферат разослан "" tg32r.

Просш принять участив в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, завереотый печатью организации. ' • ¡;

Ученый секретарь : • ^ -I: ' > : '' ^ ' ■ V;

слещхализирОЕашого совета Щ^Ь ; А.Н.Гудков

".кег.гиу з _

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ , >,

Актуальность работы определяется тем, что бурное развитие

ядерной энергетики, шрокоенримэнеяш ядерно-физичэских установок и ясточшикоз ионизирующих излучений потребовали создания новых и совершенствования имеющихся методов регистрации, нейтронного излучения. . /

' Необходимо создание ' высокочувствительных ■ детекторов, работающих в режиме реального времени. Возможным вариантом решения , этой задачи является создание многослойного детектора на основе гелиевых счетчиков, обладащего высокой / чувствительностью к. нейтронам различных энергетических груш, вследствие наличия замедлителя — полиэтилена. Изменяя толщину полиэтилена, возможно делать детектор наиболее чувствительным к характерным спектрам, . например, спектру деления и т.д. ;■

Измерешя плотности потоков нейтронов , в космосе проводились на аэртстатах, искусственных спутниках Бемли . и орбитальных . станциях. В настоящее . время,в связи с переспективами создания энергетической, базы на: околоземной орбите, ваяны - измерения плотности потоков нейтронов на борту орбитальной станции (ОС). Так как,; это важно на' только для защиты экипажа, но и для правильной оценки воздействия излучений на бортовую аппаратуру, более верной интерпретации экспериментов на борту,"6с.■•■Отличительной чертой эксперимента по измерении плотности потоков нейтронов на борту ОС, по сравнению с другими экспериментами в околоземном пространстве, является наличие локальных нейтронов, индуцированных протонами в . конструкционных, материалах станции^ Это вторичное излучение существенно, вследствие большой массы ОС. Следовательно, для . моделирования работы детекторов на.борту ОС,'необходимо рассчитать плотность потока локальных нейтронов, индуцированных протонами различных источшшов в материалах станция.

При разработка детекторных систем, позволяющих находить энергетическое распределение потоков нейтронов, сданным вопросом является восстановление информации по показаниям детекторных систем. В настоящее время разработано множество методов решения обратных задач физики. Однако, для каждого конкретного

эксперимента практически всегда приходится учитывать априорную информацию. В случае присутствия значительных погрешностей в экспериментальных данных, .лучше . всего использовать метод регуляризации. Важным вопросом метода регуляризации является метод' выбора параметра регуляризации.

Критерием работоспособности программа является возможность с '•.:■ хорошей точностью восстанавливать энергетические: спектры .по показаниям различных детекторных систем.

Цель работы состояла в определении потоков, нейтронов на борту

ОС, а также в разработке методики нахождения решения задачи восстановления энергетического распределения потока: нейтронов по показаниям двух различных систем детекторов. ; s "

Научная новизна и практическая значимость работы заклю- ;

чается в следующем:.'./ ; : -■■."- /

— проведены расчеты и получены значения плотности. потока •. вторичных нейтронов, \ индуцированных протонами: . различных источников на борту ОС; - -Г-.. '•-•':.;• ■•..;"

— впервые разработан и реализован метод .восстановления исходных спектральных характеристик . штоков нейтронов по показаниям систем детекторов, который включает'в себя: ; '

а) программу FIELD, реализующую метод регуляризации', с учетом статистической природа ршбок; " . {

0) выбор параметра регуляризации по перегибу функции обобщенной невязки. . - ;;,, •■ ;

Автор выносит на защиту: • • . ••' - ;

1. Результаты расчетов' плотности потоков вторичных нейтронов, индуцированных протонами в материалах

орбитальной станции, в зависимости от месгорасполо- V жения точки измерения. . .;,.•'. • :

2. Результаты моделирования . процесса , взаимодействия; .;. ;г потоков нейтронов и протонов с набором детекторов "Спектр-Н" на борту ОС. /'•■.• ■■V.

3. Методику восстановления энергетического распроделения потоков нейтронов по показаниям различных систем детекторов в присутствии значительной погрешности у

. экспериментальных данных. Методика включает в себя: ; — программу Р1ИЛЗ, реализующую метод- регуляризации ; с учетом статистической природы ошибок; -* - — выбор параметра регуляризации по перегибу. функции .

обобщенной навязки. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы

опубликованы в отчетах МИФИ, а также были доложены на выездной сессии "Ядерная физика" АН СССР в 1990г.,. на I Всесоюзной научно-технической конференции • "Радиационная стойкость бортовой ашаратуры и элементов космических аппаратов" (Томск, 1991г.), на Иездународном совещании по твердотельным детекторам и их применению (Одесса, 1991г.), Международной конференции студентов и молодых ученых "Современная физика и экология" (Москва, 1992г.). ' Структура и^объем диссертации. Диссертация состоит из'

введения, пятя глав, заключения иг списка литературы из 75 наименований, содержит 108 страниц, в том числе 32 рисунка и пять таблиц.-;, :•/■•■>'--. . ' •'' .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОМ '/...Л-:.;'

: В настоящей ^диссертации дан анализ "возможных источников нейтронов, на околоземных орбитах. Нойтроны, не являясь составляющей первичных космических лучей,; все-таки^ присутствуют в околоземном пространстве. В основном это нейтроны ..альбедо Земли, которяе являются продуктом взаимодействия первичных космических лучей о ядрами атомов атмосферы Земли., Спектр нейтронов альбедо рассчитан и измерен в экспериментах. . Значение плотности потока таких, нейтронов зависит от многих параметров: географической долготы и широты, высоты, периода солнечной активности. Кроме того, околоземного пространства могут достигать нейтроны высоких анергий, образуемые на Солнца во время солнечных вспышек.

При экспериментальных исследованиях потоков нейтронов на искусственных спутниках Земля всегда наблюдается значительный фзя, вносимый так называемыми "локальными" нейтропами. Эти нейтрона _ образуются в материале спутника или станции, в самом Дегейтера под

воздействием высокоэнергетичяых протонов. Щи проведении экспериментов на борту . станции важной задачей является расчет характеристик локальных нейтронов. N.

Расчет проводился в; предположении, что " материал

конструкции модуля, по атомному номеру близок к.алюминию' и,. '

что отсутствуют большие массы веществ, взаимодействующих с

нейтронами. ;У; •;/',..'' -Д' ": ■ >-■ у У: :'/.■'••

Сначала проводился У расчету,';'значения . объемной у модности вторичных источников, потом по его ' значении • вычислялся ' поток вторичных нейтронов;в любой ;части модуля.'

. Значение объемной мощности вторичных источников рассчитывался: по комплексу.' программ г: "НАМЬЕТ", который ■ -моделирует. процесс • взаимодействия ' адронов . с веществом . методом ' Монте-Карло, Адрон-ядерное ;взаимодействие рассчитывалось . в. рамках- модели внутриядерного каскада,, включаадего испарительную стадию. Таким образом, были рассчитаны у. спектры . вторичных нейтронов, у индуцированных в конструкции станции и . в детекторе,. применяемом для регистрации нейтронов, а также зависимости плотности' штока нейтронов от расстояния от стенки модуля в осевом и радиальном направлении внутри и вне модуля станции. . '

Разработка методики восстановления истинных спектральных характеристик по показаниям систем детекторов-'

В работе подробно рассматривается задача восстановления-спектральных характеристик по показаниям двух систем ' детекторов: набора, кошозиционных делящихся детекторов "Спектр-Н" и многослойного детектора'на основа гелиевых счетчиков.

Для восстановления спектра нейтронов по показаниям набора "Спектр-Н" необходимо решить уравнение Фредгольма 1-го рода:

■ «.

а1=|а1(Е)ф(Е)<1Е, о

где их — число делений в 1-ом детекторе на 1 /ядро детектора-мишени за 1 секунду, о1(Е) — энергетическая зависимость сечения 1-го детектора,.<р(Е).—.искомый,- спектр. Если разложить спектр нейтронов по ступенчатым или .ортогональным многочленам, возмокно свести решение уравнений Фредгольма к системе линейных уравнений вида: -

. -./ : «=а2

где —- средняя чувствительность 1-го детектора к нейтронам в 3-ой энергетической группе, плотность потока нейтронов,

принадлежащих группе ;}.

Практически приходится решать систему

: . ,-...■ .

где иб=и+5" А^А-Л" 0 и 11 — пох^ешносги экспериментальных данных. Погрешности неизбежны, вследствие .статистической природы флуктуации потоков нейтронов. Погрешности в операторе А усугубляются вследствие усреднения по энергетическому интервалу.

Задачу восстановления энергетического спектра по показаниям многослойного детектора тоже - можно свести к решению . систем: линейных уравнений со статистической ошибкой.в элементах матрицы й; элементах правой части.

/Для решения , полученной системы уравнений разработана программа РШЮ.

Программа основывается на методе регуляризации Тихонова, где для решения системы ищется минимум, сглаживающего функционала

М1*! % ]=| |2+а| й |2,

где а — параметр регуляризации.

Для отыскания минимума функционала разработана модификация • широко известного алгоритма Риюы, реализуодаго метод наименьших квадратов. В качестве показателей, характеризующих погрешность

решения использованы следуюцие величины: .- '

— след матрицы остаточной аппаратной функции БрАд, где

Aj^e (ATWA+aI)~1

Wnra=Wn6nm; ~~' дисперсия элемента правой части системы (1).

— функция обойденной невязки . : ' ■ . ..

p(a)=liz-ul?-<0+0i|zj >е ;

Решение некорректно поставленной задачи, выполненное с помощью метода регуляризации, зависит не только от входных данных, но и от параметра регуляризации. Поэтому для всех расчетных экспериментов" было найдено решение при •: различных значениях параметра а. Построены графики зависимости показателей решения oí а для тестовых расчетов. ' ' •' . '

Выбор : параметра регуляризации является важной составной частью решения задачи восстановления. \ ' " ■ ' *

В программе PiEED реализованы три метода выбора параметра регуляризации. В первом значение выбирается из условия равенстве нулю функции обобщенной невязки. Второй метод предполагает выбо! такого значения параметра регуляризации, при котором след матрице остаточной аппаратной функции с - ростом - а - начинает значительно убывать. Наиболее хорошие результаты' дает предложенный авторог. метод выбор параметра а в точке перегиба функции обобщенно! невязки. В работе . для ваадого восстанавливаемого спектрг приводятся графики зависимости р(а) и. Sp^ от а. Параметр с выбирается по характерная изменению функции обобщенной невязки. Такой метод логичен, что ' можно , подтвердить следувдиш соображениями. Зависимость функции обобщенной невязки от параметр? а для всех решений имеет характерный излом. Такое поведение функции объясняется тем, что : при небольших значениях параметрг регуляризации на , решение оказывает влияние в ochobhoí статистический член сглаживавдэго функционала. С увеличение) параметра постепенно возрастает влияние стабилизатора. Всл«дотш

этого, решение становится все более и более. смещенным, функция обобщенной невязки начинает сильно возрастать. Именно в области перегиба функции обобщенной невязки влияние. на решение обоих членов сглаживающего функционала взаимно уравновешено.

Для подтверждения работоспособности программы ЫШ) были проведены следующие модельные, расчета. Набор /композиционных делящихся детекторов предназначен для регистрации' нейтронов на

борту ОС, поэтому по его показаниям производилось -восстановление спектров локальных нейтронов и нейтронов альбедо Земли. Моделирование взаимодействия нейтронов с набором детекторов производилось по программе "НАМНИ1". Восстановление спектральных характеристик по программе ТЗШ>, ■ показало, - что спектры восстанавливаются хорошо. Истинное значение' спектра попадает в область погрешности решения. По показаниям многослойного детектора на основе гелиевых счетчиков произведено восстановление спектра локальных нейтронов. Расчеты взаимодействия нейтронного излучения с детектором проведены с помощьв. программы, реализующей метод Монте-Карло. Представлены результаты расчетов, из которых видно, что восстановленный . спектр хорошо & согласуется с .литературными данными. Поэтому можно сделать заключение, что программа Р1ЕЕЛ позволяет находить устойчивые решения.

Моделирование исследования плотности' штока

нейтронов на борту 00 "Мир"

В настоящее время на борт станции "Мир", в "жилой отсек помещены наборы "Сгоэктр-Н". Целью ' эксперимента является определение флюенсов и спектральных характеристик- нейтронов на ОС. С' . целью ; обработки „ результатов эксперимента проведено математическое моделирование • эксперимента. Рассмотрены возможные источники нейтронов на борту 00 л проведен расчет взаимодействия потоков нейтронов с набором детекторов. Рассмотрены возмокные источники протонов на борту ОС. Учтена:

— протоны галактических космических лучей; -

— протоны естественных радиационных поясов Земли; ;

— протоны солнечных вспышек. • ' • . ' Рассчитаны значения скорости реакций, т.е. число реакций на одно

ядро-мишени в секунду. Полученные в результате; математического моделирования значения скорости решсций.вызваншх протонами и нейтронами, приведены отдельно. По ' показаниям, набора > "Спактр-Н" произведено восстановление, модельного спектра нейтронов на борту 00. Показано» что набор "Стактр-Н" может регистрировать нейтроны

на борту 00 и по его показаниям возможно | восстановление энергетических спектров нейтронов. -

Эксперименты по. определению •. энергетического распределения

Для проверки работ систем детекторов в реальных условиях проводились эксперименты по . определению ". энергетического распределения плотности потока нейтронов. Восстановление истинных спектральных характеристик производилось с помощью? программы FIELD. Набор "Спектр-Н" регистрировал в эксперименте нейтроны, индуцированные прогонами с Ер=70 МэВ в толстой алюминиевой мишени. Спектр таких нейтронов близок к спектру локальных нейтронов, поэтому можно считать такой эксперимент близким к реальным условиям. По результатам_ эксперимента можно сделать вывод о пригодности набора : "Спектр-Н" . для: регистрации нейтронов со спектрами, близкими'к /спектрам локальных" нейтронов.. G - помощью шогослойного , детектора проводился эксперимент . по регистрации нейтронов лабораторного источника 2.S20f; и спектр - • нейтронов восстанавливался по программе^ FIELD. Из результатов ;эксперимента дсно, что детектор нейтронов пригоден для работы в полях нейтронов со спектром деления и програша FIELD хорошо' восстанавливает истинное'значение спектра. ;.'. . ; ,

выводи

Основной итог диссертационной работы заключается в физическом обосновании-, методики определения плотности . потока и энергетического состава нейтронов на орбите ОС и в наземных условиях. Восстановление энергетического "состава нейтронов с помощью разработанной программы FIELD позволяет, осуществлять идентификацию источников их излучений в рехимэ реального времени с

применением многослойных детектирующих систем на основе гелиевых . счетчиков.

Этот вывод подтверждается следующими результатами, полученными в работе.

1. Проведено впервые .в стране .математическое моделирование процессов генерации вторичных нейтронов под воздействием потоков протонов в конструкции 00 и многослойном детекторе. Расчеты значений плотности потоков дают величину 0.92 нейтр/с^с внутри станции на расстоянии болеэ 0.5 м .от стенки станции, и величину' >.20 нэйтр/см^с вблизи со стенкой станции для периода максимума ЗА. Эта величина неплохо . согласуется с данными;'; имеющимися в литературе,'Спектр вторичных нейтронов, полученный; в; результате расчетов по данной методике, согласуется со спектром вторичных нейтронов, • измеренным на'. ИСЗ \ "Космос" ,и спектром вторичных яейтронов для кораблей "Space Shuttle"' и MS, рассчитанным и приведенным в литературе. Следовательно, . методика"; предложенная в настоящей работэ, жжет быть использована для расчетов плотности готока вторичных, нейтронов", и результаты, приведенные в настоящей работе, можно использовать при интерпретации ¡экспериментов и для расчета, работы различной аппаратура на борту 00. '

2. Проведен анализ метода регуляризации для восстановления асходных характеристик нейтронного излучения по показаниям детектирующих устройств. При наличии статистических погрешностей в результатах измерений и калибровочных характеристиках . детекторов, иокет быть применен матод регуляризации при решении некорректно заставленной задачи. .х

3. Впервые предложен метод выбора параметра регуляризации по ?арахтерному изменению кривой функции обобщенной невязки.. С гомощью предложенной методики решались задачи восстановления различных спектров "по показаниям набора композиционных делящихся детекторов "Спэктр-Н" и многослойного детектора на основе гелиевых 1четчкков. :.Из работы ясно, что предложенный :метод . хорошо зосстанавливает исходный спектр, истинное значение попадает в область статистической ошибки решения. .

4. Б работе сделан анализ результатов экспериментов во определению энергетического распределенияплотности потока нейтронов с помощью двух систем детекторов. Результаты обработки- их , : с помощью предложенной методики показали хорошев согласив медду расчетными и

экспериментальными данными. Подтвердили работоспособность штодики и возможность определения исходных характеристик потоков излучений с помощью указанных систем детекторов.

Предложенные методики могут бвдь положены в основу разработки и создания детектирующих устройств нового типа, предназначенных . для решения ряда научных и практических . задач в области радиационной физики, физики приборов и радиометрии слабых потоков излучений. ' - ' ! ■ ■ . - -,

Основные результаты исследований были опубликованы в . работах: - - - - .

1. Рябева Е.В., Чаадаев В.А., Самосадный В.Т. iВосстановление энергетическо-углового распределения :, штоков . нейтронов. (//препринт 029-91. - М.: 1МШ, 1991. . ; : ; . '>Л :. .'''■/"'-' ;.

2. Рябева Е.В., Сибирцев A.A., Лакикз И.Ю., Самосадаый В.Т. Потоки нейтронов на борту, орбитальной станции.//Космические исследования. - 1992. - Т.38,.ВКП.Б. у...--'-' /. v//'^ V -f ■'

3. Рябева E.B., Тарновский Г.Б., Кадалин B.B. Методика восстановления спектра . нейтронов на г . борту! орбитальной <?тавшга. //Сб,: Радиационная стойкость бортовой аппаратуры и элементов космических аппаратов. I Всесоюзная научно-техническая конференция 25-27 ишя 1991. Материалы конференции. - Томск, 1991.

4. РябеваЕ.В., Лакина И.Ю., Самосадный В.Т. и др. Исследования характеристик вторичного нейтронного излучения, индуцированного протонами ГКЛ в космической станции.//Об.: Дсстнкения прикладной ядерной физики. - М.: Энергоатомиздат, 1992.

5. Рябева Е.В. Методика восстановления энергетического спектра нейтронов на борту. ОС,//Сб.: Современная физика и экология. Международная конференция студентов и молодых ученых. - Москва, 1992. - С. 43.

5. Рябова Е.В., Чаадаев В.А., Сейосадаяй В.Т. Прикзнэяаз иетсда регуляризации при восстановлении . заергетаческо-углонсй плотности потока н-зйтрсков./УСб.: Доеяшнзгя прикладной • ядерной ^к&йкя. -У.: Эзергозтсказдат, 1992. . '.

Подписано к тгтв&^^&авач- Тара» -/¡РЛ'ь

' Типография- Ж, Кашлрс:сее шоссе, д.21