Компьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте GERDA и радиационной обстановки на поверхности Луны тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Денисов, Андрей Николаевич

• Денисов, Андрей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Денисов, Андрей Николаевич

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Компьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте GERDA и радиационной обстановки на поверхности Луны»

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.

Настоящая диссертации посвящена применению методов компьютерного моделирования при реализации проекта GERDA по поиску

7 f\ двойного безнейтринного бета-распада изотопа Ge 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 безнейтринного 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 60Со 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.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Денисов, Андрей Николаевич

4.7 Выводы

Описана методика и представлены результаты оценки потоков частиц и локальной дозы в ткани на поверхности Луны и в лунном грунте под действием ГКЛ и СКЛ. Показано, что:

• вклад в дозу от вторичных нейтронов, на глубинах, превышающих ~0.5 м, превосходит вклад от протонов, как для ГКЛ, так и для СКЛ, особенно для эквивалентной дозы;

• учет ядер ГКЛ увеличивает дозу в полтора раза по сравнению с дозой только от протонов ГКЛ;

• вклад в дозы от ядер СКЛ составляет лишь несколько процентов от дозы от протонов СКЛ;

• максимум развития адронного каскада (максимальные потоки) находится в Лунном грунте на глубине ~0.8 м;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, методом математического моделирования, получены следующие результаты:

1. Изучены источники фона и предложены пути минимизации влияния фоновых событий в массиве детекторов эксперимента GERDA

1.1. Рассмотрены варианты «малых» детекторов (массой 1 кг) и «больших» детекторов (массой 2 кг). Массив несегментированных детекторов массой 1 кг удовлетворяет условиям проведения фазы 2 эксперимента GERDA. Хотя фоновые условия в случае малых детекторов будут в 3-4 раза хуже по сравнению с базовым вариантом больших детекторов, но являются приемлемыми при условии, что набор статистики начнется не раньше 2009-2010 года, когда в основном распадется накопленный в германии изотоп 68Ge.

1.2. Сегментирование детекторов сказывается, прежде всего, на уменьшении внутреннего фона. Сегментирование больших детекторов избыточно подавляет внутренний фон от б0Со.

1.3. Внутренний фон детекторов является доминирующим. Фон от окружения надежно подавляется.

1.4. Уменьшение расстояний между малыми детекторами и применение активной защиты позволит снизить фон в малых детекторах в 1.5-2 раза.

1.5. Применение жидкого аргона вместо азота позволит примерно-в 1.5 раза эффективнее подавлять внешний гамма-фон при незначительном (несколько процентов) ухудшении фона от внутренних.источников.

2. Выполнен расчет и оптимизация параметров контейнера для транспортировки обогащенного германия

2.1. С помощью генератора ядерных реакций кода SHIELD рассчитаны функции возбуждения реакций с образованием радиоизотопов 68Ge и

Со при взаимодействии протонов и нейтронов со стабильными изотопами германия при энергиях до нескольких ГэВ. Функции возбуждения для протонов хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными. Для нейтронов экспериментальные данные отсутствуют, но полученное согласие для протонов позволяет доверять расчетным функциям возбуждения для нейтронов. Дано сравнение с расчетами функций возбуждения по программам LAHET и ISABEL.

2.2. Путем численных экспериментов подобрана геометрия транспортного контейнера из железа, обеспечивающая снижение космогенной активации до допустимого уровня. Оптимизация контейнера проводилась при ограничении на его массу, равном 15 т.

Подавление активации зависит от изотопного состава транспортируемого германия. При обогащении до уровня -87% 76Ge и -13% 74Ge достигается подавление активности 60Со в 20 раз, а активности 68Ge в 10 раз по сравнению с транспортировкой без защиты. Указанная степень подавления активации удовлетворяет требованиям эксперимента GERDA. Дается сравнение с оценками, сделанными коллаборацией Majorana.

2.3. На основе проведенных расчетов был изготовлен транспортный контейнер и проведена успешная пробная перевозка автотранспортом 10 кг обогащенного германия из г. Зеленогорск (Красноярский край) в г. Мюнхен (Германия) за 20 дней.

3. Сделана оценка радиационной обстановки на поверхности Луны в связи с обсуждаемыми проектами обитаемой лунной базы

3.1. Описана методика и представлены результаты оценки потоков частиц и локальной дозы в ткани на поверхности Луны и в лунном грунте под действием ГКЛ и СКЛ. Методика полностью основана на отечественных моделях, данных и компьютерных кодах.

3.2.Максимум развития адронного каскада (максимальные потоки) находится в Лунном грунте на глубине ~0.8 м.

3.3.Вклад в дозу от вторичных нейтронов, на глубинах, превышающих ~0.5 м, превосходит вклад от протонов, как для ГКЛ, так и для СКЛ, особенно для эквивалентной дозы.

3.4.Учет ядер ГКЛ увеличивает дозу в 1.5 раза по сравнению с дозой только от протонов ГКЛ.

3.5.Мощность дозы от ГКЛ на поверхности Луны не превышает профессионального предела для космонавтов (66.5 cSv/year), но близка к нему.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Денисов, Андрей Николаевич, 2010 год

1. White Paper on the Majorana Zero-Neutrino Double-Beta Decay Experiment, MAJORANA collaboration (2003), nucl-ex/0311013.

2. The GERmanium Detector Array for the search of neutrinoless ßß decays of 76Ge at LNGS. By GERDA Collaboration (I.Abt, M. Altmann et all.). P38/04, Sept. 2004.

3. A. Osipowicz et al., (the KATRIN Collaboration), arXiv: hep-ex/0109033.

4. D.N. Spergel el al., astro-ph/0302209.

5. Steven R. Elliott and Petr Vogel, Ann. Rev. Nucl. Part. Sei 52 (2002) 115

6. T. Toshito et al., the SuperKamiokande Collaboration, arXiv: hep-ex/ 0105023.

7. Q. R. Ahmad, et al., Phys. Rev. Lett. 87 (2001) 071301.

8. S. Fakuda et al., Phys. Lett. B539 (2002) 179.

9. K. Eguchi et al., Phys. Rev. Lett. 90, (2003) 021802.

10. H. V. Klapdor-Kleingrothaus et al., Nucl. Phys. (Proc. Suppl.) 100 (2001 ) 309; arXiv: hep-ph/0102276.

11. C. E. Aalseth et al., Phys. Rev. D65 (2002) 092007.

12. H.V. Klapdor-Kleingrothaus, et al., Mod. Phys. Lett. 16, (2001) 2409.

13. H.V. Klapdor-Kleingrothaus, Foundations of Physics 32, (2002) 1181.

14. C.E. Aalseth, et al., Mod. Phys. Lett. 17, (2002) 1475.

15. H.L. Harney, hep-ph/0205293 (2002).

16. F. Feruglio, A. Strumia, and F. Vassani, Nucl.Phys. B637, (2002) 345.

17. Yu.G. Zdesenko, F.A. Danevich, and V.l. Tretyak, Phys. Lett. B546, (2002) 206.

18. J. Schechter and J. W. F. Valle, Phys. Rev. D25 (1982) 2951.

19. K. Hagiwara et al, Phys. Rev. D66 (2002) 010001.

20. John N. Bahcall and Carlos Pefia-Garay, hep-ph/0305159.

21. M. Apollonio etal., Phys. Lett. B466 (1999) 415.

22. F. Boehm et al., (the Palo Verde Collaboration) Phys. Rev. D64 (2001) 112001.

23. V. Barger, S. L. Glashow, D. Marfatia, and K. Whisnant, Phys. Lett. B532 (2002) 15.

24. S. Pascoli and S. T. Petcov, Phys. Lett. B544 (2002) 239.

25. P. Vogel and M. R. Zirabauer, Phys. Rev. Lett. 57 (1986)3148.

26. E. Aalseth et al., Phys. Rev. C59 (1999) 2108.

27. H.V. Klapdor-Kleingrothaus et al., 'Data acquisition and analysis of the 76Gedouble beta experiment in Gran Sasso 1990-2003', Nucl. Instr. Meth. A522(2004) 371.

28. R. Arnold et al., preprint submitted to Nucl. Instr. Meth. A, physics/0402115.

29. C. Arnaboldi et al., (CUORE collaboration), Astropart. Phys. 20 (2003) 91.

30. C. Augier, International Workshop on Weak Interactions in Nuclei and Astrophysics:Standard Model and Beyond ECT, Trento, 16-21 June (2003)

31. A. Giuliani, TAUP 2003 conf. proceedings., Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.), inpress.

32. F.A. Danevich et al., Phys. Rev. C62 (2000) 044501.

33. V. A. Rodin, Amand Faessler, F. Simkovic and Petr Vogel, arXiv:nucl-th/0305005, vl 2 may 2003.

34. N.M.Sobolevsky. Conclusions of International Code Comparison for Intermediate Energy Nuclear Data. Thick Target Benchmark for Lead and Tungsten. Report NEA OECD NSC/DOC(96)15, Paris, 1996. http://www.nea.fr/html/science/pt/thickbench/con txt.pdf

35. A.V.Dementyev, N.M.Sobolevsky. SHIELD Universal Monte Carlo Hadron Transport Code: Scope and Applications. Radiation Measurements, 30 (1999) 553.

36. Radiation Safety Information Computational Center, ORNL. http:/Avww-rsicc.ornl.aov

37. Nuclear Energy Agency OECD. http://vvvvvv.nea.fr/abs/html/iaeal287.html

38. J.F. Ziegler IBM Journal of Research and Development 42 1998

39. I. Barabanov, A . Denisov et al. 'Cosmogenic activation of Germanium and its reduction for low background experiments', Nucl. Instr. And Meth B251(2006)l 15

40. A.H. Шубин, A.H. Денисов и др. ' Новые требования к обогащенным изотопам для экспериментов по изучению безнейтринного двойного бета распада' «Атомная Энергия»101(2006)135

41. Сайт разработчиков GEANT4. http://geant4.cern.ch/

42. P. Lipari, Т. Stanev, Phys. Rev. D 44 (1991) 3543.

43. L. Pandola, S. Belogurov, et al. 'Monte Carlo evaluation of the muon-induced background in the GERDA double beta decay experiment', Nucl. Instr. And Meth. A570(2007)149-158.

44. G.W.McKinney, D.J.Lawrence, T.H.Prettyman, R.C.Elphic, W.C.Feldman, J.J.Hagerty. MCNPX benchmark for cosmic ray interactions with the Moon. J. Geophys. Res. Ill (2006) E06004.

45. G. De Angelis, F.F.Badavi, J.M.Clem et al. Modeling of the Lunar Radiation Environment. Nucl. Phys. B(Proc. Suppl.) 166 (2007) 169-183.

46. R.A.Nymmik, M.I.Panasyuk, A.A.Suslov. Galactic Cosmic Ray Flux Simulation and Prediction. Adv. Space Res. 17 (1996) 19-30.

47. International Standard, ISO 15390. Space environment (natural and artificial) Galactic cosmic ray model. (First edition 2004-06-01), @ ISO 2004.

48. R.A.Nymmik. Probabilistic Model for Fluencies and Peak Fluxes of Solar Particles. Radiation Measurements 30 (1999) 287-296.

49. S.V. Viktorov, V.I. Chesnokov. Chemistry of lunar soil. Moscow, "Znanie", 1978 (in Russian).

50. Estimation of irradiation of professionals from external radiation sources. Safety instructions. № RS-G-1.3, IAEA, Vienna, 1999.

51. A.N.Denisov, N. V.Kuznetsov, R.A.Nymmik, N.M.SoboIevsky. Computer modeling of radiation environment on the Moon. 1. Influence of galactic cosmic rays protons and solar energetic particles. Preprint of INR RAS 1220/2009, Moscow, 2009 (in Russian).

52. Y. Shikaze, S. Haino, K. Abe, et al. Measurements of 0.2-20 GeV/n cosmic-ray proton and helium spectra from 1997 through 2002 with BESS spectrometer, Astroparticle Physics, 28, 154-167, 2007.

53. V.D.Toneev, K.K.Gudima. Particle Emission in Light and Heavy Ion Reactions. Nucl. Phys. A400 (1983) 173c.

54. N.S.Amelin, K.K.Gudima, V.D.Toneev. Ultrarelativistic Nucleus-Nucleus Collisions within a Dynamical Model of Independent Quark-Gluon strings. Yadernaya Fizika 51(1990)1730 (in Russian). Preprint GSI-89-52.

55. N.S.Amelin, K.K.Gudima, S.Yu.Siviklokov, V.D.Toneev. Further Development of the Quark-Gluon Strings Model for Describing High-Energy Collisions with Nuclear Target. Yadernaya Fizika 52(1990)272 (in Russian).

56. K.K.Gudima, S.G.Mashnik, V.D. Toneev. Cascade-Exciton Model of Nuclear reactions. Nucl. Phys. A401 (1983)329.

57. A.S.Botvina, A.S.Iljinov, I.N.Mishustin, J.P.Bondorf, R.Donangelo, K.Sneppen. Statistical Simulation of the Break-up of Highly Excited Nuclei. Nucl. Phys. A475 (1987) 663.

58. A.S.Botvina, A.S.Iljinov, I.N.Mishustin. Multifragment Break-up ofNuclei by Intermediate-Energy Protons. Nucl.Phys. A507 (1990) 649.

59. A.Dementyev, V.Gurentsov, O.Ryazhskaya, N.Sobolevsky. Production and Transport of Hadrons Generated in Nuclear Cascades Initiated by Muons in the Rock (Exclusive Approach). Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.) 70(1999)486.

60. GOST 25645.215-85. Space crew radiation safety during space flight. Safety standards under flight duration till three years. Gosstandart. 1987 (in Russian).

61. J.F.Ziegler, J.P.Biersack, U.Littmark. The Stopping and Range of Ions in Solids. Pergamon Press, New York, 1985.

62. ICRP 1990. Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. ICRP Publication 60. Annals of the ICRP 21, Pergamon Press, NY and Oxford, 1991.

63. A.K. Savinskiy, V.I. Popov, V.A. Kulyamin. LPE spectra and efficiency factors of incorporated radionuclides. The reference book. Energoatomizdat, Moscow, 1986 (in Russian).

64. D.S. Burnett, D. S. Woolum. Lunar neutron capture as a tracer for regolith dynamics, Proceedings of the Fifth Lunar Conference (Supplement 5, Geochimica et Cosmochimica acta), Vol. 2 pp 2061-2074 (1974).

65. А.Г.Сизенцев, В.В.Шевченко, В.Ф.Семенов, Г.М.Байдал. Концепция производственной лунной базы. Вселенная и мы. Электронный альманах, №3, 1997 год.71. http://www.lunarembassy.com, Mr. Dennis М. Hope, "The Lunar Embassy", 1980. The MoonShop

66. General Dynamics Convair Division report for NASA/JSC. Lunar resources utilization for space construction. Volume 3: Appendices final report, Apr. 1978-1979

67. JI. Горшков. Полет человека на Марс. Наука и жизнь. №7, 2007 год

68. Smith, D. S., and J. M. Scalo (2007), Risks due to X-ray flares during astronaut extravehicular activity, Space Weather, 5, S06004, doi:10.1029/2006SW000300