-2.-
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5 '
ГЛАВА I. ЭКСПЕН'МЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВТОРИЧНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ,ОБРАЗУЕМЫХ ПОД ДЕЙСТШЕМ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР В ЗАПИТЕ И ТКАНИ (литературный обзор) №
§ 1,1, Исследование прохождения ядер через
вещество 11
§ 1.2. Неупругие столкновения ядер с ядрами 16
1.2.1. Общие характеристики ядерно-ядерных
. взаимодействий 17
.л
1.2.2. Параметры фрагментации тяжелых заряженных частиц
1.2.3. Множественности вторичных заряженных частиц
1.2.4. Угловые и энергетические распределения вторичных частиц 33
§ 1.3. Экспериментальные исследования ядерно-ядерных столкновений на ускорителях ионов высокой энергии 39
§ 1.4. Расчетные модели взаимодействия ядер при
высоких энергиях А 5
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ I (постановка задачи исследования) 50
ГЛАВА П. ЭКСПЕШШТАЛЫЮЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАШ0ДЕІЇСТВИЙ
ЯДЕР С 3 С ЯДРАМИ ФОТОЭМУЛЬСИИ 51
§ 2.1. Постановка и условия эксперимента. Отбор
ядерных взаимодействий 51
§ 2.2. Идентификация иошізирующего излучения методом ядерной фотоэмульсии 53
-3-
стр.
2.2.1. Определение .зарядов частиц
2.2.2. Определение энергий частиц и углов эмиссии
§ 2.3. Экспериментальное изучение характеристик вторич-•ного излучения в столкновениях ядер с легкими ядрами § 2.4. Анализ полученных экспериментальных данных
2.4.1. Частицы первичного ядра; Однозарядные ливневые частицы
2.4.2. Частицы ядра-мишени ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ П
ГЛАВА Ш. РАСЧЕТ ПРОХОЖДЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО С УЧЁТОМ ЯДЕРНЫХ СТОЛКНОВЕНИЙ § 3.1. Методика расчёта потоков и доз тяжелых заряженных частиц в веществе с учётом неупругих взаимодействий
3.1.1. Потоки фрагментов тяжелых ионов высоких энергий
3.1.2. Дозы, обусловленные тяжелыми ионами и их фрагментами
3.1.3. Оценка доз вторичного излучения в тканеэквивалентном фантоме
§ 3.2. Результаты расчетов удельных тканевых доз ядер высокой энергии с учётом вклада вторичного излу^ чения
§ 3.3. Расчёт переходных коэффициентов поток-доза частиц с 2 в тканеэквивалентном веществе ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ Ш
ГЛАВА 1У. РАСЧЕТ ЗАЩИТЫ ОТ ГАЛАКТИЧЕСКОГО КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
§ 4.1. Дифференциальные энергетические спектры и флю-енсы ГКИ
§ 4.2. Расчёт доз ШИ в биологической ткани за
53
59
61'
66
66
71
89
91
93
94 100 105
111
122
130
131 131
стр.
защитой (кривые ослабления) 135
§ 4.3. Оценка радиационной обстановки, обусловленной частицами ГКИ на околоземных орбитах 148
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 155
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ 155
ЛИТЕРАТУРА 160
5
1
Вопросы обеспечения радиационной безопасности при длительных космических полетах имеют большое практическое значение. Имеющиеся в литературе оценочные данные /1-7 / указывают на существенный вклад в дозу тяжелых ядер галактического космического излучения (ГКИ), несмотря на то, что они составляют лишь ~2% от полного потока частиц ГКИ. Это обусловлено высокими значениями линейной передачи энергии (ЛИЭ) и коэффициентами качества (КК) тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ). Важную роль играют также неупругие взаимодействия ядер ГКИ в веществе защиты и биологической ткани, приводящие к образованию вторичных частиц. Так, по данным работы / 1 /, оценки, основанные на изучении высотного хода ионизации космических излучений в атмосфере, показывают, что учёт вторичных излучений приводит к удвоению дозы. Тогда для периода минимума солнечной активности полная доза составляет ~100 -2 . Учитывая ограниченность веса защиты космичес-
ких кораблей, такие дозы могут служить серьезным препятствием для осуществления полетов длительностью 2-3 года. Следует, однако, отметить, что приведенные в работе / 1 / данные носят весьма приближенный оценочный характер к нуждаются в уточнении. Отсюда вытекает актуальность и практическая значимость такой важной задачи как изучение формирования доз тяжелых ядер ГКИ за защитой с учётом вклада вторичных излучений. От итогов этой работы зависит не только успешное обеспечение радиационной безопасности длительных космических полетов, но стоимость проекта, обусловленная весом защиты объекта, выводимого в космическое пространство. Очевидно, что проведение корректных расчетов защиты космических кораблей невозможно без детального исследования закономерностей формирования поля излучения за защитой от ТЗЧ ГКИ. На момент
-6-
проведения настоящей работы систематические данные о характеристиках вторичных излучений, возникающих в биологической ткани за защитой от ТЗЧ ГКй в литературе практически отсутствовали. Особенно скудны и отрывочны данные о вторичных излучениях, образуемых в неупругих взаимодействиях ядер с ядрами, входящими в состав биологической ткани, тканевых дозах тяжелых ядер и о ослаблении ТЗЧ ГКИ защитой.
Основной целью настоящей работы является исследование формирования доз, создаваемых высокоэнергетичными частицами с зарядом более трех и продуктами их неупругого взаимодействия в тканеэквивалентном веществе. Дополнительная цель работы заключается в проведении расчетов кривой ослабления доз, обусловленных частица™ ГКЙ.
Решение поставленной задачи включало в себя работу по следующим основным направлениям:
- для получения необходимых исходных данных проводилось экспериментальное изучение и систематизация различных характеристик неупругих столкновений ядер;
- разработка методики и проведение расчетов поглощенных и эквивалентных доз частиц с зарядом более трех и продуктов их взаимодействия в тканеэквивалентном веществе;
- проведение расчетов кривых ослабления доз ПИ для различных фаз солнечной активности и оценка радиационной обстановки на околоземных орбитах.
Конкретные результаты работы сформулированы в конце каждой главы и в заключении.
Автор защищает:
I. Результаты экспериментального исследования характеристик вторичных частиц, образуемых в неупругих столкновениях тяжелых ядер, полученные методом ядерных фотоэмульсий;
-7-
2. Приближенную методику расчета прохождения высокоэнер-гетичных ядер через вещество;
3. Результаты расчета глубинных распределений удельных тканевых доз ядер бериллия, азота, кремния и железа в диапазоне энергий от 0,2 до 20,0 ГэВ/нукл с учётом вторичного излучения
и полученные на их основании значения переходных коэффициентов поток-доза ТЗЧв щироком диапазоне энергий.
4. Результаты расчетов тканевых поверхностных доз за плос-
о
кой защитой из легкого ( $ = I г/см ) вещества толщиной до 30 г/см^ при нормальном падении широкого пучка частиц ГКИ для периода минимума и максимума солнечной активности;
5. Результаты расчетных и экспериментальных исследований спектров ЛПЭ и доз, обусловленных частицами ГКИ на околоземных орбитах высотой до 400 км от поверхности Земли.
Полученные в настоящей работе данные использованы при проведении оценок радиационной опасности от ГКИ при длительных космических полетах, при разработке нормативных и справочных документов: 11 Временные нормы радиационной безопасности летного персонала и пассажиров воздушного транспорта гражданской авиации” (ВНРЕГА-75), Москва М3 СССР, 1975 г., "Нормы радиационной безопасности НРБ-76” Москва, Атомиздат, 1978 г. и их новое издание "Нормы радиационной безопасности НРБ-76 и основные санитарные правила 0СП-72/80", Москва, Энергоиздат, 1981 г., справочник Атомиздата "Атлас дозовых характеристик внешнего ионизирующего излучения", Москва 1978 г. Материалы диссертации составили основу для планируемых к выходу в 1985 г. методических указаний Госстандарта " Радиационная безопасность при космических полетах. Методика расчета тканевой дозы от многозарядных ионов космических излучений". Кроме того, результаты работы могут быть использованы при планировании и проведении радиобыо-
-8-
4
логических и радиационно-физических экспериментов на ускорите-лях тяжелых ионов и на различных космических объектах.
В основу диссертации положены результаты экспериментов и расчётов выполненных автором в период 1970-1984 г.г. в институте медико-биологических проблем М3 СССР. Результаты работы докладывались к обсуждались на Всесоюзной конференции по космическим лучам, Ташкент, 1973 г., на совместном совещании Научного Совета по проблемам ускорения заряженных частиц отделения ядерной физики АН СССР и Проблемной комиссии по лучевой терапии АМН СССР, Дубна, 1973 г., на Всесоюзных научных конференциях по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок, Москва,
1974 г. и Тбилиси, 1981 г. на научном семинаре подсекции "Радиационная заидата и работа в условиях высокого уровня радиации Научного Совета по проблемам ускорения заряженных частиц при отделении ядерной физики АН СССР, Дубна, 1975 г., на научном семинаре по космическим лучам в Ереванском физическом институте, Ереван, 1983 г., а также на 15 и 16 совещаниях постоянно действующей рабочей группы по космической биологии и медицине по программе "Интеркосмос", Бухарест (СРР), 1982 г. к Кечкемет (ВНР), 1983 г.
Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
Во введении отмечается актуальность исследования, их научная и практическая значимость, сформулированы цель работы к по-лохшния, защищаемые автором.
В первой главе содержится краткий обзор литературных данных по двум основным направлениям: а) изучение формирования дозных полей тяжелых ионов и расчеты кривых ослабления частиц ГНИ с учётом ядерных столкновений и б) обзор литературных данных
-9-
по характеристикам неупругих взаимодействий ядер с ядрами при высоких энергиях. Сформулированы задачи исследования.
Во второй главе изложена методика экспериментального исследования ядерно-ядерных столкновений с помощью фотоэмульсионного метода. Изложены основные результаты, дан анализ зависимости характеристик вторичного излучения от энергии и заряда первичного ядра и массы ядра-мишени.
расчета_
ь третьей главе описана методикаПгрохоздения ядер через вещество,приводятся результаты расчетов потоков фрагментов первичных ядер с глубиной поглотителя, глубинных распределений поглощенных и эквивалентных удельных тканевых доз в условиях стандартной геометрии, а на их основе результаты расчетов переходных коэффициентов поток-доза для ядер.
В четвертой главе приводятся результаты расчетов кривых ослабления частиц ГКИ для периода минимума и максимума солнечной активности. Проведены параметрические исследования по влиянию на ход кривой ослабления неопределенностей в параметрах фрагментации. дано сравнение расчетных величин с имеющимися экспериментальными данными. Оценена радиационная обстановка на околоземных орбитах высотой до 400 км.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы, даны направления дальнейших исследований.
-*10-
. ГЛАВА I. ЭШШШНТАЛЪНЫЕ И ТЕОРЕГпЧЕСШЕ ИССЛЕЦОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВТОРИЧНЫХ ИЗЛУЧШИ, ОБРАЗУЕМЫХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР В ЗАЩИТЕ И ТКАНИ (литературный обзор).
Целью экспериментальных и расчетных исследований по защите от космических излучений является:
- получение системы эмпирических ядерно-ядерных констант ядро-ядерных неупругих столкновений, позволяющих проводить расчеты прохождения излучения через вещество;
- разработка методики и проведение расчетов полей излучения
в тканеэквивалентном фантоме за защитой от ядерного компонента ГКй.
Следует отметить, что для полного решения проблемы защиты от космических излучений требуется также знание и других факторов.
В первую очередь это информация об источниках космических излучений, падающих на космический объект. Другим важным фактором является биологическое действие космических излучений. При этом надо иметь в виду особенности биологического действия тяжелых ионов. Существуют мнения, что механизм поражения биологических объектов заметно различается для тяжелых ионов по сравнению с другими типами частиц. В случае воздействия тяжелых ионов возможны эффекты так называемого одиночного попадания, когда понятие "доза” в общепринятом его понимании может быть и не применимо, а требуется привлечение дополнительных характеристик (микродозиметрия и т.д.)
Эти вопросы являются темой самостоятельных исследований и поэтому в данной работе не рассматривались.
Решение задачи прохождения тяжелых ядер через вещество защиты и ткани с соответствующим константным обеспечением может быть осуществлено расчётным или экспериментальным путем. Однако, наиболее целесообразным представляется комплексное использование обоих видов исследований. Ниже приведен анализ имеющихся работ по ис-
-Наследованию прохождения тяжелых' высокоэнергетических ионов через вещество, а также анализ литературных данных по сечениям неупругих взаимодействий ядер с ядрами.
§ 1.1. Исследование прохождения ядер через вещество.
Известно, что при прохождении высокоэнергетичных заряженных частиц через вещество они теряют свою энергию в двух основных процессах - при ионизации атомов тормозящей среды и при неупругих столкновениях ядер с ядрами. Электромагнитные процессы, сопровождающие прохождение высокоэнергетичных ядер через вещество тормозящей среды в литературе представлены в достаточной мере и , в основном, описываются в рамках теории Бете-Блоха с соответствующими поправками:на эффективный заряд,учитывающей уменьшение заряда частицы за счёт захвата ею свободных электронов тормозящей среды в зависимости от её скорости; поправки на эффект оболочек атома, учитывающей неэффективность ионизации на внутренних оболочках атома среды при скоростях частицы, сравнимых со скоростью электрона на внутренних оболочках; поправки на эффект плотности, учитывающей изменение электрического поля частицы.
При неупругих столкновениях ядер с ядрами, входящими в состав тормозящей среды различают два типа взаимодействий - центральные, характеризующиеся полным расщеплением первичного ядра и периферические, в процессе которых появляются тяжелые фрагменты (один или несколько) бомбардирующего ядра.
До развития ускорительной экспериментальной физики высокоэнергетичных тяжелых ионов процессы неупругих взаимодействий моделировались, в основном, в теоретических разработках ( об этом см. §1.4), а экспериментальное исследование проводилось при облучении твердотельных детекторов ( в основном ядерных фотоэмульсий) в космических лучах при запуске спутников и шаров-зондов. Ускорение ядер до релятивистских скоростей на синхрофазотроне в Дубке (СССР)
-12-
и беватроне в Беркли (США) вызвало ряд работ посвященных исследованию различных аспектов физики тяжелых ядер. Отглетим рабо- ' ты, которые были посвящены изучению прохождения ядер через вещество, а так же те работы, в которых изучалось формирование доз тя~ хселых ядер с учётом неупругих столкновений ядерной компоненты космических излучений.
Б работе /80/ изучалось прохождение ядер азота, ускоренных до энергии 3,9 ГэВ (0,278 ГэВ/нукл.) через слой воды. В работе получено глубинное распределение поглощенной дозы с помощью ионизационных камер. Показано, что отношение максимального значения дозы в пике Брэгга к значению дозы на поверхности фантома достигает значения ~6,0, а позади брэгговского пика четко прослеживается "хвост11, обусловленный вкладом в поглощенную дозу более легких частиц и нейтронов, образующихся при расщеплении первичных ядер пучка. Оба эти обстоятельства необходимо учитывать при использовании высокоэнергетических пучков ионов в медико-биологических исследованиях, в частности, в онкологии.
Аналогичные измерения дозы в воде были выполнены в работе /81/ при падении на водный фантом пучков ядер углерода с энергией 250 и 400--——, неона с энергией 400 и 594 и аргона
нукл. ы в *у
с энергией 500 и 900 . Под этот эксперимент были проведены
нукл.
расчеты прохождения высокоэнергетических ядер через воду с учетом фрагментации /82/. Расчеты проводились с шагом 0,5 см вдали от пика Брэгга и с шагом 0,1 см вблизи его. В расчетах не учитывали вклад от легких фрагментов бомбардирующих ядер - ядер гелия и протонов. Кроме того, в работе подчеркивалось, что наиболее важный компонент в поглотителе - водород, т.к. параметры фрагментации в воде главным образом обусловлены сечениями на водороде. Но используемая в работе полуэмпирическая формула,описывающая сечение взаимодействия ядер с водородом /74 / , и основанная на боль-
-< 3-
шом экспериментальном материале., дана с ошибкой + 30% .
* I
Все эти обстоятельства занижают расчётные значения глубинного распределения дозы по сравнению с экспериментальными данными. Проведенные дополнительные расчеты, учитывающие образование ядер из первичного пучка фрагментов с зарядом два и один, хотя и несколько улучшают общую картину, однако, полностью не устраняют существующую разницу. Автор считает, что оставшаяся разница может быть компенсирована учетом фрагментов с зарядом 2 и I, идущих от более тяжелых фрагментов первичных частиц, и вкладом в полную дозу других компонент вторичного излучения.
Отсутствие достаточно систематических и полных теоретических и экспериментальных данных по характеристикам вторичных частиц, образующихся в ядерно-ядерных столкновениях является причиной того, что до настоящего времени проведение расчетов дозных полей тяжелых ионов космического излучения с учётом неупругих взаимодействий осуществлены лишь в единичных работах / 10, 88, 89,144 /.
В работе / 144 / приводятся значения мощности поглощенной и эквивалентной дозы от частиц ГКИ с зарядом от единицы до двадцати восьми, нормально падающих на сферическую защиту из алюминия толщиной от 2 до 100г/см^ . Рассматривалось два варианта: первый - когда в центре сферической защиты располагалась сфера из тканеэквивалентного вещества радиусом 15г/см^ и второй -в отсутствие этой сферы. Расчёты проведены для 2-х случаев - с учётом выбывания за счёт ядерного столкновения (вариант однократного соударения) и без учёта ядерного ослабления. Приводятся относительные вклады в мощность суммарной дозы от каждого иона ядер ГМ. Распространенность ядер космического излучения относится к случаю отсутствия магнитного поля Земли для минимума солнечной активности. Форш спектров ядер тяжелее альфа-частицы принимались одинаковыми со спект<ром оС -частицы.
-й-
МэВ
Полное число частиц с энергией Е > ЕО ^г- , равно 3,81 част
'о *ч/ •
/см-сек. Основной недостаток работы - неучёт вклада в суммарную
дозу вторичного излучения, возникающего в неупругих столкновениях
ядер п отсутствие расчетов для случая глногократного соударения
ядер в защите, толщина которой достигала в данных расчетах ЮОг/смЗ
В работе / Ю / проведены расчеты значений потоков фрагментов
первичного ядра п доз от них для случая плоского водяного фантома
толщиной до 70 г/с г/г. Для ра счетов авторы использовали два типаэ
так называемых параметров фрагментации (среднее число оскол-
о щ
ков типа ^ при фрагментации первичного ядра типа I / 21 /). Первый тип предполагал равновероятное появление во взаимодействии ядер с 2^ фрагментов с зарядом от ( 1-1 ) до трёх л вероятность равную единице для протонов и Л- -частиц-фрагментов налетающего ядра. Второй тип предполагал увеличение вероятности образования фрагментов с зарядом, более близким к первичному, и равную вероятность для остальных частиц, исключая частицы сЪ*2. В обоих случаях учитывался закон сохранения заряда. Видно, что значения параметров фрагментации выбирались скорее волевым образом п экспериментально не достаточно обоснованы. В то же время, результаты проведенных расчетов показывают, что неопределенности в значениях параметров фрагментации приводят к значительным различиям как в дозе отдельных фрагментов, так и в полной дозе, например, для первичного ядра Ге (рис. I). В этой работе / 10 / авторы не учитывают вклад в дозу нейтронов, 111 -мезонов и вторичных заряженных частиц, вылетающих из ядра мишени. Отсутствуют расчеты мощностей эквивалент ной дозы, а из фаз солнечной активности (СЛ) выбрана только фаза минимума СА, когда потош1 частиц ГКЙ принимают максимальное значение .
Более тщательное доследование проблемы формирования доз тяжелых ядер с учетом вклада вторичного излучения проведено в наших
ЧАС
-*5-
параїлетров фрагментации С-соЛ-
- Київ+380960830922