авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Компьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте gerda и радиационной обстановки на поверхности луны

-- [ Страница 1 ] --

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

МОСКВА 2010

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 ОИЯИ, г. Дубна

Защита диссертации состоится «___» _____________ 2010 г.

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 распада изотопа 76Ge с целью обеспечения приемлемых фоновых условий.
  • Расчетнотеоретическое 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 (СКЛ) 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 2025 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» несегментированных 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 60Co 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 60Co 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 -распада ( ) как одного из главных источников информации о свойствах нейтрино. Обсуждается связь между периодом полураспада и массой нейтрино. Рассмотрена история вопроса, прошлые, текущие и планируемые эксперименты по обнаружению безнейтринного двойного -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 .

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 космогенного 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 несегментированных 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 -3

Рис. 1. Общий вид установки GERDA

Источники фона в детекторах подразделяются на внутренние и внешние. Основными источниками внутреннего фона детекторов являются 60Co и 68Ge, возникающие в германии вследствие воздействия космогенного 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 -кванты, но и - и даже -частицы
  • -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 214Bi и 208Tl, а, например, 60Co не представляет особой опасности, хотя и может образоваться в меди.





При рассмотрении фона от удаленных источников оценивалась эффективность подавления фона от -квантов, образовавшихся от первичного -кванта с энергией 2.614 МэВ (максимальная энергия -кванта, рожденного в распаде 208Tl) 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 (1кг детекторы), либо 21 сегментированный детектор массой по 2.1 кг (2кг детекторы). На Рис. 2 показаны варианты детекторных сборок. Различие в массах массивов детекторов (~5 кг) объясняется большей эффективностью (следовательно, экономией материала) при выращивании 1кг кристаллов германия в стандартных промышленных тиглях по сравнению с нестандартными 2кг 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 1кг 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 2кг детекторов (а) и массив малых 1кг 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, Mдет=2.1 кг, фон, gbu* Дет. АС, Mдет=0.9 кг, фон, gbu* Отношение
60Co 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


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.