В космической среде существует множество факторов, оказывающих негативное воздействие на космические аппараты (КА). Одним из наиболее опасных факторов являются электроны радиационных поясов Земли с энергией от 0,1 до 5 МэВ [1]. Их воздействие может привести к возникновению различных обратимых и необратимых эффектов в материалах и элементах оборудования космического аппарата, а в конечном итоге - к их повреждению. Поэтому важной задачей является разработка альтернативных материалов для терморегулирующих покрытий КА, в том числе и моделирование процессов взаимодействия заряженных частиц - электронов космической среды с материалами.
В последнее время для моделирования взаимодействия ионизирующих излучений со сложными объектами все чаще применяется разработанный в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) для решения различных задач физики высоких энергий пакет компьютерных программ Geant4, основанный на методе Монте-Карло [5].
В данной работе представлены результаты физико-математического моделирования воздействия пучка быстрых электронов различных энергий на полимерные композиты с применением программного комплекса, разработанного автором на базе библиотеки Geant4.
Цель исследования
Изучить возможность применения программного комплекса, разработанного на базе известной библиотеки Geant4, к задачам радиационно-технологического моделирования. Рассмотреть моделирование взаимодействия пучка быстрых электронов на полимерные композиты (ПК) известного химического состава, определить теоретический эффективный пробег электронов различной энергии и глубину максимальной концентрации накопленной энергии внутри композитов.
Материал и методы исследования
В качестве мишени для расчета был предложен ПК на основе ударопрочного полистирола (УПС) и органо-силоксанового наполнителя ксерогеля-метилполисилоксана (КМПС). Элементный состав ПК с 60 % содержанием КМПС представлен в табл. 1. Ранее было исследовано и установлено, что данный состав является оптимальным для использования его в космических условиях [6].
Таблица 1. Элементный состав ПК
|
Содержание КМПС, % масс. |
Содержание в композите, % масс. |
|||
|
Si |
O |
H |
C |
|
|
60 |
24 |
17,633 |
6,750 |
51,617 |
Математическое моделирование взаимодействия пучка электронов с ПК проводили с использованием метода Монте-Карло. Для этого автором был разработан специализированный пакет программ на базе известной библиотеки Geant4.
В качестве исходных данных были приняты следующие условия: геометрия мишени - цилиндр с радиусом 15 мм и толщиной 10 мм; пучок сечением 20×20 мм с энергией 1..2 МэВ падает на мишень по нормали к поверхности; флюенс пучка 1,2 эл./мм2. Схема взаимного расположения пучка электронов и мишени из ПК представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема взаимной ориентации пучка электронов и мишени из ПК
Учитывались следующие процессы взаимодействия пучка электронов с ПК:
- тормозное излучение;
- множественное рассеяние;
- ионизация среды;
- процесс, отвечающий за перемещение частиц в пространстве с учетом влияния магнитного поля.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 2 показаны результаты моделирования прохождения пучка из 500 электронов с энергиями 1, 1,5 и 2 МэВ через ПК толщиной 10 мм (красный цвет - электроны; зеленый цвет - тормозное излучение). На рис. 2 видно, что при своем движении через композит электроны сильно рассеиваются, их траектория становится настолько сложной, что напоминает процесс диффузии частиц в веществе.
Абсолютная глубина проникновения электронов оказывается намного меньше, чем их пробег внутри композита. Эффективный пробег электронов в ПК составил для 1 МэВ - 3,9 мм, для 1,5 МэВ - 6,2 мм, для 2 МэВ - 8,7 мм. В сравнении с защитными материалами из тяжелых металлов (свинец, висмут) эффективный пробег в ПК в несколько раз больше [7], но вместе с тем значительно уменьшается интенсивность тормозного излучения, что является преимуществом по сравнению с терморегулирующими покрытиями из тяжелых металлов [2].
|
а) |
б) |
в) |
|
|
|
|
|
Рис. 2. Моделирование прохождения моноэнергетического пучка электронов через ПК с энергией а - 1 МэВ; б - 1,5 МэВ; в - 2 МэВ |
||
При создании материалов, эксплуатируемых в космических условиях, часто требуется знать с большой точностью пространственное распределение поглощенной дозы в элементах конструкции КА. В данной работе рассмотрено влияние энергии падающего пучка электронов на распределение поглощенной дозы внутри композита.
Для характеристики поглощенной энергии частиц, в том числе и электронов, в среде используется тормозная способность [4]:
, (1)
где 
- эффективное сечение процесса возбуждения частицей энергетического состояния в среде с энергией εn; ε0 - энергия основного состояния; n0 - число атомов в единице объема вещества.
Скорость поглощения энергии в единице массы, т.е. скорость накопления дозы D(x) в точке х определяется как:
(2)
где ρ - плотность вещества; 
- функция распределения частиц (в данном случае электронов). Интегрирование здесь проводится по энергии Е и телесному углу Ω.
Поскольку функция распределения является линейной функцией источников частиц [4], выражение для расчета скорости накопления дозы излучения в точке х можно записать в виде:
(3)
где 
- функция распределения падающих частиц (электронов) на защитный материал.
В данной модели учитывалась только накопленная энергия поглощенных электронов и не учитывалось тормозное гамма-излучение. По оси Z композит разбивался на 100 отрезков равной длины (по 0,1 мм). Если частица теряла энергию при прохождении через вещество, то энергию, потерянную частицей на каждом шаге моделирования, записывали в ячейку с номером, соответствующим координате Z данной частицы. Таким способом обрабатывались данные по всем выпущенным частицам. На рис. 3 представлено графическое распределение накопленной энергии электронов по глубине образца, смоделированное с использованием пакета Geant4.
Рис. 3. Распределение переданной частицами энергии по глубине образца
Наблюдается экстремальный характер распределения поглощенной энергии по толщине образца (рис. 3). Для пучка электронов с энергией 2 МэВ полоса максимума уширяется и охватывает более глубинные слои ПК, по сравнению с энергией электронов 1 МэВ. Появление максимума связано с развитием процесса ионизации в массе композита, вызываемого падающими электронами и повышением плотности ионизации среды за счет обратного рассеяния вторичных электронов на больших глубинах. Это приводит к росту поглощенной дозы излучения. Спад на кривой распределения объясняется поглощением и рассеянием электронов. Из рис. 3 следует, что глубина концентрации максимальной накопленной энергии в композите для электронов с энергетикой в 1 МэВ составляет 1,5 мм, с 1,5 МэВ - 2,7 мм, а с 2 МэВ - 4,6 мм.
Заключение
На сегодняшний день метод Монте-Карло является одним из самых эффективных способов моделирования взаимодействия ионизирующего излучения с материалами сложного химического состава, так как позволяет с высокой точностью предсказывать траекторию частиц, потерю энергии на каждом шаге моделирования и проектировать толщину защитного материала без проведения трудоемких и дорогостоящих экспериментов в натурных условиях [3].
Благодаря высокой радиационной стойкости разработанных композитов данные материалы могут найти применение в космическом материаловедении в качестве терморегулирующих покрытий. Использование тяжелых металлов в данном случае нежелательно из-за возникновения интенсивного тормозного излучения, усиливающегося при увеличении энергии падающих электронов, поэтому облегченные полимерные композиты могут стать альтернативной заменой существующим материалам.
Работа выполнена при частичной поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы ГК № 14.740.11.0054.
Рецензенты:
- Савотченко Сергей Евгеньевич, д.ф-м.н., профессор, заведующий кафедрой информационных технологий «Белгородского института повышения квалификации и профессиональной переподготовки специалистов», г. Белгород.
- Красильников Владимир Владимирович, д.ф-м.н., профессор кафедры материаловедения и нанотехнологий НИУ «Белгородского государственного университета», г. Белгород.
Библиографическая ссылка
Черкашина Н.И. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА GEANT4 // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 3. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6223 (дата обращения: 25.04.2024).