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

• Автор: Денисов, Андрей Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 106 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
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
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
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, PH1TS и отечественный транспортный код SHIELD.
Настоящая диссертации посвящена применению методов компьютерного моделирования при реализации проекта GERDA по поиску двойного безнейтрииного 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.
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 безнейтрииного 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 б0Со 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.

энерговыделения в разных детекторах. На рис. 2.1.3, 2.1.4 приведены распределения по числу фотонов в распадах 214Ш и 208Т1.
Распределение по числу фотонов в распаде ВІ

N. число фотонов в одном распаде
Рис. 2.1.3. Распределение по числу фотонов в распаде 214Ш
Распределение по числу фотонов в распаде Т1

число фотонов в одном распаде
Рис. 2.1.4. Распределение по числу фотонов в распаде 208Т