Метод определения дозовых нагрузок от нейтронного излучения на Международной космической станции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Хулапко, Сергей Владимирович

• Хулапко, Сергей Владимирович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Хулапко, Сергей Владимирович

Оглавление

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Проблемы при регистрации нейтронов и основные типы детекторов

1.1.1 Детектирование по реакции типа 6Ы(п,а)

1.1.2 Детектирование по реакции типа 10В(п,а)

1.1.3 Детектирование по реакции типа Не(п,р)

1.1.4 Сферы Боннера

1.1.5 Активационные детекторы нейтронов

1.1.6 Тканеэквивалентные пропорциональные счетчики как детекторы нейтронов

1.1.7 Детекторы на основе перегретых дисперсных систем (пузырьковые детекторы)

1.2 Обзор характеристик нейтронных полей внутри космических аппаратов

Выводы к главе 1

2. Метод определения характеристик нейтронного излучения внутри отсеков МКС

2.1.1 Детекторы НА «Баббл-дозиметр»

2.1.1.1 Физические принципы регистрации нейтронов в детекторах НА «Баббл-дозиметр»

2.1.1.2 Калибровка дозиметрических детекторов НА «Баббл-дозиметр»

2.1.1.3 Калибровка спектрометрических детекторов НА «Баббл-дозиметр»

2.1.1.4 Определение чувствительности детекторов НА «Баббл-дозиметр» к высокоэнергичным нейтронам

2.1.1.5 Определение чувствительности детекторов НА «Баббл-дозиметр» к протонам

2.1.1.6 Определение чувствительности детекторов НА «Баббл-дозиметр» к ТЗЧ

2.1.1.7 Определение энергетического спектра и дозы с использованием спектрометрических детекторов НА «Баббл-дозиметр»

2.1.2 Считывающий пульт НА «Баббл-дозиметр»

2.2 Метод проведения измерений

2.2.1 Общая последовательность работы космонавтов с НА «Баббл-дозиметр» на борту МКС

2.3 Измерение характеристик нейтронного излучения внутри модулей МКС

2.4 Измерение характеристик нейтронных полей внутри и снаружи шарового фантома

2.4.1 Научная аппаратура «Комплект фантом»

2.4.2 Научная аппаратура «Люлин-5»

2.4.3 Метод измерений внутри НА «Комплект фантом»

2.5 Изучение защитных свойств укладки «Шторка защитная»

2.5.1 Научная аппаратура «Шторка защитная»

2.5.2 Компьютерный код МСКРХ

2.5.3 Метод экспериментальных измерений на укладке «Шторка защитная»

2.5.3 Метод расчета с использованием кода MCNPX для проверки свойств укладки «Шторка защитная»

3 Результаты измерений характеристик нейтронных полей в отсеках МКС и их обсуждение

3.1 Карта доз МКС

3.1.2 Выводы по измерениям внутри модулей МКС

3.2 Результаты измерений характеристик нейтронных полей в шаровом тканеэквивалентном фантоме

3.2.1. Энергетический спектр нейтронного излучения на поверхности и внутри шарового фантома

3.2.2 Мощность дозы снаружи и внутри шарового фантома

3.2.3 Вклад нейтронного излучения в общую дозу внутри шарового фантома

3.2.4 Выводы по результатам измерений внутри шарового фантома

3.3 Измерения на «Шторке защитной»

3.3.1 Экспериментальные данные измерений на «Шторке защитной»

3.3.3 Выводы по результатам расчетов и измерений на «Шторке защитной»

Заключение

Список литературы

Благодарности

Приложение 1. Основные данные об измерениях в модулях МКС

Приложение 2. Текст исходного файла для моделирования в программе МСКРХ

Приложение 3. Результаты моделирования условий в правой каюте СМ РС МКС с использованием кода МСКРХ

Список использованных сокращений:

АС - Американский сегмент;

АЭС - атомная электростанция;

БРЭКАКП - безопасность радиационная экипажей космических аппаратов в

космическом полете;

ВКД - внекорабельная деятельность;

ВОЗ - всемирная организация здравоохранения;

ГКЛ - галактические космические лучи;

ИИ КП - ионизирующее излучение космического пространства;

ИСЗ - искусственный спутник Земли;

КА - космический аппарат;

КК - космический корабль;

КЭ - космический эксперимент;

ЛПЭ - линейная передача энергии;

МИМ - малый исследовательский модуль

МКРЗ - Международная комиссия по радиологической защите;

МКС - Международная космическая станция;

ММЗ - микро метеоритная защита;

НА - научная аппаратура;

ОС - орбитальная станция;

ПДС - перегретые дисперсные системы;

ПКА - пилотируемый космический аппарат;

РО - рабочий объем;

РПЗ - радиационные пояса Земли;

РС - Российский сегмент;

СКЛ - солнечные космические лучи;

СРК - система радиационного контроля;

ТЗЧ - тяжелая заряженная частица;

ТЛД - термолюминесцентный детектор;

ТТД - твердотельный трековый детектор;

ЮАА - Южно-атлантическая магнитная аномалия.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод определения дозовых нагрузок от нейтронного излучения на Международной космической станции»

Введение

Исследования радиационных условий в околоземном пространстве начались еще в начале 20 века после открытия космических лучей В. Гессом [1] и последовавшего за этим их интенсивного изучения мировым ученым сообществом (Вернов, Ван Ален, Скобельцин и др.).

До тех пор, пока полеты человека в космос были относительно кратковременными, проблеме радиационной безопасности космонавтов уделялось незначительное внимание. Однако в связи с созданием первых долговременных орбитальных станций типа «Салют» и «Мир», на которых планировалось длительное пребывание космонавтов, а также в связи с первыми полетами человека на Луну проблема точного определения состава космических лучей и изучения их воздействия на живые организмы встала особенно остро.

Традиционно выделяют три основных источника ионизирующего излучения в космическом пространстве (ИИ КП): галактические космические лучи (ГКЛ), солнечные космические лучи (СКЛ) и радиационные пояса Земли (РПЗ). К настоящему моменту все эти источники достаточно хорошо изучены, их основные характеристики представлены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики источников ионизирующего космического излучения [2], [3], [4], [5]

Характеристика Источники космического излучения

Радиационные пояса Земли Галактические космические лучи Солнечные космические лучи

Состав Протоны и электроны ~90% протонов, ~10% ядер гелия, ~1% более тяжелых ядер, электроны (~1% от числа ядер), позитроны (~10% от числа электронов), антиадроны <1% В основном протоны

Диапазон энергии р: 100 кэВ - 1000 МэВ; е: 20 кэВ - 10 МэВ 106 - 1021 эВ ~10 МэВ - 1000 МэВ

Коэффициент качества 1,4 - 2,0 2,5 - 3,5 1,5 - 2,5

Дополнительным источником ИИ внутри обитаемых отсеков КА, который может давать значительный вклад в общую эквивалентную дозу, является нейтронное излучение.

На низких околоземных орбитах большая часть эквивалентной дозы от нейтронов внутри КА формируется вторичным нейтронным излучением, меньшая часть формируется нейтронами альбедо атмосферы Земли [6]. Кроме того, в некоторых литературных источниках рассматриваются так называемые «Солнечные нейтроны» [7], которые испускаются Солнцем и за время своего существования в свободном состоянии (порядка 10-15 минут) успевают достигнуть атмосферы Земли. При этом установлено, что энергетический спектр нейтронного излучения внутри КА может сильно изменяться в зависимости от целого ряда параметров, таких как солнечная активность, высота орбиты КА, его масса и состав материала его обшивки.

Актуальность проблемы

Радиационная опасность обоснованно считается одним из основных факторов, препятствующих длительному пребыванию человека в космосе, и ограничивающих осуществление длительных межпланетных миссий без применения специальных средств защиты.

Согласно российским нормативным документам при длительных пилотируемых космических полетах должен осуществляться непрерывный мониторинг (бортовой и индивидуальный) радиационной обстановки внутри ПКА и орбитальных станций [8], [9], а также установлены лимиты доз для различных органов тела космонавтов в зависимости от длительности КП (см. таблицу 2).

Таблица 2. Сравнение нормативных значений эффективной и эквивалентной доз для НРБ-99/2009 и в Методических указаниях «Ограничение облучения космонавтов при

околоземных космических полетах» [9]

НРБ-99/2009 МУ 2.6.1. 44-032013

Дозиметрический показатель Персонал, группа-А Планируемое повышенное облучение (п.3.2)

Эффективная доза за год, мЗв 20 200 500

Эффективная доза за период профессиональной деятельности, 1000 1000 1000

мЗв

Эквивалентная доза на кожу за 500 2000 3000

год, мЗв

Эквивалентная доза на 150 600 1000

хрусталик за год, мЗв

Из таблицы 2 видно, что пределы доз при космических полетах существенно превышают пределы, установленные для персонала наземных служб. При этом очевидно, что увеличение длительности КП неизбежно будет вести к увеличению доз, получаемых космонавтами за время, проведенное на МКС. Данная проблема приобретает особенную актуальность в связи с проведением длительных годовых миссий на МКС и подготовкой к будущим межпланетным экспедициям.

В настоящее время на борту Российского Сегмента МКС мониторинг осуществляется штатными средствами: системой радиационного контроля (СРК) [10], детекторами «Пилле-МКС» [11] и пассивными индивидуальными дозиметрами ИД-3МКС. Кроме того, согласно долгосрочной программе научно-прикладных исследований на РС МКС проводится КЭ «Матрешка-Р», целью которого является исследование динамики радиационной обстановки на трассе полета и в отсеках МКС.

Однако, как штатные средства радиационного контроля, так и большая часть детекторов и дозиметров КЭ «Матрешка-Р» нечувствительны к нейтронному излучению, и, следовательно, не позволяют оценить вклад нейтронов в общую эквивалентную дозу, получаемую экипажем МКС. Между тем, по различным данным этот вклад может достигать от 30 до 60% от общей дозы [12].

Для адекватной оценки радиационного воздействия непосредственно на внутренние органы и системы космонавтов Международной комиссией по радиологической защите было предложено использовать эффективную эквивалентную дозу E (Зв) [13], учитывающую с разными весовыми коэффициентами (WT) воздействие излучения непосредственно на критические органы человека:

Е — ^т Wj X Hj,

(1)

где Иг - эквивалентная доза, усредненная в ткани или органе Т:

HT — £r WR X Dr,R,

(2)

где Dt,r - поглощенная доза, усредненная в ткани или органе Т от излучения R, WR - взвешивающий коэффициент излучения (radiation weighting factor), см. таблицу 3

Таблица 3. Взвешивающие коэффициенты различных типов ИИ [13]

Тип излучения Диапазон энергии Взвешивающий коэффициент,

фотоны все энергии 1

электроны и мюоны все энергии 1

менее 10 кэВ 5

10 кэВ - 100 кэВ 10

нейтроны 100 кэВ - 2 МэВ 20

2 МэВ - 20 МэВ 10

более 20 МэВ 5

протоны, кроме протонов отдачи более 2 МэВ 5

Альфа-частицы, осколки деления, ТЗЧ 20

Для видов излучений, не поименованных в таблице 3, значение WR принимают равным значению коэффициента качества, вычисляемому на основе регламентированной зависимости от полной линейной передачи энергии (ЛПЭ) см., например, [12].

Взвешивающие коэффициенты различных видов ИИ периодически изменяются на основании обновленных данных облучений пациентов, животных и прочих клинических исследований, ведущихся по всему миру. Так, например, в рекомендациях 2007 г [14]. появился ряд изменений при определении взвешивающих коэффициентов для нейтронного излучения. Максимальный взвешивающий коэффициент (равный 20) имеют нейтроны с энергией около 1 МэВ, что соответствует рекомендациям 1991 г. Вместе с тем, было установлено, что при облучении тела человека нейтронами с энергией меньше 1 МэВ значительную часть поглощенной дозы составляют вторичные фотоны в результате реакции вида Н(п,у) D. Эти вторичные фотоны играют существенно большую роль, чем протоны отдачи, также образующиеся от нейтронов. Поэтому взвешивающий коэффициент для нейтронов с энергией меньше 1 МэВ теперь принимается меньшим, чем в более ранних рекомендациях (см. рисунок 1).

Рисунок 1 - Взвешивающие коэффициенты для нейтронного излучения как функция от энергии, заданные в отчетах МКРЗ. Пороговая функция (сплошная линия) рекомендована для использования при расчетах эквивалентной дозы. Наибольший коэффициент наблюдается у нейтронов с энергией от 100 кэВ до 20 МэВ [14]

Однако, ввиду комплексного состава ионизирующего излучения в космосе и неравномерности (как пространственной, так и временной) облучения космонавтов расчетные методы на основе рекомендаций МКРЗ могут дать только приблизительную оценку доз в критических органах, применимую на ранних этапах проектирования пилотируемого КА. Расчетная задача усложняется, как правило, также сложной геометрией защиты обитаемого отсека и необходимостью учитывать самоэкранированность критических органов телом космонавта.

Для практической оценки радиационного воздействия на критические органы человека, которым соответствуют так называемые представительные точки, рекомендуется использовать тканеэквивалентные антропоморфные фантомы, имеющие форму и усредненные размеры тела человека. Допускается также использование упрощенных моделей - цилиндрической или шаровой [15].

Актуальность настоящей работы обуславливается следующими факторами: а) пределы доз для космонавтов существенно превышают пределы для наземного персонала, при этом непрерывный бортовой и индивидуальный контроль является обязательным. При этом при полетах за пределы магнитосферы Земли доза облучения космонавтов будет увеличиваться;

Ь) необходимость разработки новых методов измерения дозовых нагрузок и методов защиты от ИИ КП (в том числе нейтронов) при будущих межпланетных полетах;

0 невозможность регистрации нейтронного излучения в отсеках МКС имеющимися штатными средствами дозиметрического контроля и научной аппаратурой в рамках космических экспериментов;

d) большой разброс данных о вкладе нейтронного излучения в общую эквивалентную дозу внутри ПКА в зависимости от различных параметров (от 5-8% до 60% [16]).

Цель и задачи исследования

Цель работы состояла в разработке метода исследования основных характеристик нейтронного излучения (энергетического спектра, эквивалентной дозы и вклада в дозу от нейтронов различной энергии) внутри отсеков МКС и анализе зависимости этих характеристик от различных факторов (гелиофизических параметров, условий защищенности модулей и параметров орбиты МКС).

Научная новизна

В диссертационной работе:

• впервые разработан и реализован метод:

- позволяющий выявить качественно новую закономерность исследуемого явления, заключающуюся в дополнительной генерации высокоэнергичных нейтронов внутри исследуемых объектов, и отличающийся от других методов использованием шести пороговых пузырьковых детекторов, впервые применяемых в условиях долговременных орбитальных станций и пилотируемых космических аппаратов;

- позволяющий повысить точность измерений эквивалентной дозы от нейтронов в различных энергетических диапазонах внутри исследуемых объектов за счет использования шести пороговых детекторов.

- позволяющий провести анализ зависимости спектра нейтронов от характеристик защищенности модулей и солнечной активности.

• впервые получены экспериментальные данные об эквивалентной дозе нейтронов в модулях РС и АС МКС. Проведен анализ зависимости дозы нейтронного излучения от массы модулей и параметров солнечной активности (на примере модуля «Звезда» РС МКС);

• впервые получены экспериментальные данные об эквивалентной дозе нейтронов внутри шарового тканеэквивалентного фантома на борту РС МКС, определен вклад в дозу внутри фантома от нейтронов различной энергии;

• впервые проведено моделирование с веществом шарового тканеэквивалентного фантома на борту РС МКС, показано, что внутри фантома происходит генерация дополнительных высокоэнергичных нейтронов;

• впервые в рамках совместных измерений с использованием детекторов НА «Баббл-дозиметр» и НА «Люлин-5» проведена оценка вклада нейтронного излучения в общую эквивалентную дозу (с учетом заряженных частиц) внутри шарового тканеэквивалентного фантома в модуле МИМ1 РС МКС;

• впервые проведены измерения эквивалентной дозы нейтронного излучения в правой каюте СМ РС МКС на поверхности укладки «Шторка защитная», получены экспериментальные данные, подтверждающие ее свойства по ослаблению потока нейтронов. Проведено моделирование защитный свойств «Шторки» от нейтронного излучения методом Монте-Карло с использованием кода MCNPX, согласующееся с экспериментальными данными.

Практическая значимость работы

• разработан и внедрен универсальный метод измерений вклада нейтронов различных энергий в дозу внутри и снаружи исследуемых объектов. Разработанный метод позволяет изучать влияние нейтронов различных энергий на исследуемые объекты, что является важным фактором для обеспечения радиационной безопасности экипажей авиационных линий, а также при космических полетах, в том числе при будущих полетах за пределы магнитосферы Земли.

• представлены методические рекомендации, предложения по дальнейшему совершенствованию радиационной защиты экипажей космических станций.

• экспериментально и теоретически доказана перспективность использования дополнительной водосодержащей защиты в качестве дополнительной защиты экипажей орбитальных станций и пилотируемых космических аппаратов от ионизирующего излучения космического пространства - эквивалентная доза от нейтронного излучения снижается до 77±17% от дозы в незащищенном месте. Полученное экспериментальное и теоретическое подтверждение защитных свойств дополнительной водосодержащей защиты (укладка «Шторка защитная») позволяет рекомендовать ее использование в качестве прототипа штатного средства дополнительной защиты экипажей пилотируемых космических кораблей от ионизирующего излучения космического пространства

(планируется изготовление второй укладки «Шторка защитная» для размещения в каюте космонавтов на борту Российского сегмента МКС). Для вновь доставляемого на МКС многоцелевого лабораторного модуля (МЛМ) введена дополнительная защита от радиации каюты космонавта из пластин полиэтилена.

Результаты, выносимые на защиту

1) Универсальный метод измерений вклада нейтронов различных энергий в дозу внутри и снаружи исследуемых объектов. Данный метод позволяет выявить качественно новую закономерность исследуемого явления, заключающуюся в дополнительной генерации высокоэнергичных нейтронов внутри исследуемых объектов, и отличается от других методов использованием шести пороговых пузырьковых детекторов, впервые применяемых в условиях долговременных орбитальных станций и пилотируемых космических аппаратов;

2) Результаты измерений эквивалентной дозы нейтронного излучения в различных модулях РС и АС МКС, включая зависимость характеристик нейтронного излучения от солнечной активности и массы модулей;

3) Результаты измерений эквивалентной дозы нейтронного излучения в правой каюте СМ РС МКС с использованием укладки «Шторка защитная», подтверждающие эффективность ослабления потоков нейтронов;

4) Результаты расчетов ослабления потока нейтронов дополнительной защитой методом Монте-Карло с использованием кода МСКРХ для условий эксперимента с укладкой «Шторка защитная»;

5) Результаты измерения дозы и энергетического спектра нейтронного излучения внутри шарового тканеэквивалентного фантома в модуле МИМ1 РС МКС, оценка вклада в дозу от высокоэнергичных нейтронов.

6) Экспериментальные результаты по определению вклада от нейтронного излучения в общую эквивалентную дозу ИИ КП внутри шарового тканеэквивалентного фантома в модуле МИМ1 РС МКС.

Личный вклад автора

Личный вклад автора заключается в:

• разработке программы и методов экспериментальных исследований, определении мест размещения детекторов в модулях МКС и внутри и снаружи шарового тканеэквивалентного фантома;

• участии в подготовке международных экипажей, разработке исходных данных для бортовых инструкций по проведению эксперимента на борту МКС;

• обработке и анализе данных эксперимента, выполнении основного объема теоретических исследований;

• разработке геометрической модели СМ РС МКС для расчета с использованием кода MCNPX на основе данных ОАО «РКК «Энергия» и ФГУП «ЦНИИМаш»;

• проведении моделирования методом Монте-Карло с использованием кода MCNPX условий эксперимента на борту МКС с укладкой «Шторка защитная» и НА «Баббл-дозиметр»;

• проведении наземных калибровочных испытаний детекторов НА «Баббл-дозиметр» в Технологическом институте при Университете штата Онтарио, Канада;

• оформлении полученных результатов в виде публикаций и научных докладов в период с 2012 по 2015 гг..

Апробация работы

Результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Седьмой Международный Аэрокосмический Конгресс (26 -31 августа 2012г.), г. Москва;

2. XII Конференция молодых ученых, специалистов и студентов ИМБП (16 апреля 2013г.), г. Москва;

3. XIV Конференция по космической биологии и авиакосмической медицине, посвященная 50-летию создания ИМБП (28-30 октября 2013 г.), г. Москва;

4. 10 Международная научно-практическая конференция «Пилотируемые полеты в космос» (27-28 ноября 2013 г.), Звездный городок, МО;

5. Multilateral Radiation Health Working Group meeting, Moscow, December 2013;

6. 40th scientific assembly COSPAR-2014, Moscow, 2-10 August 2014.

7. ХХ Научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов в ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева, 10-14 ноября 2014 г., г. Королев, МО;

8. Ежегодный городской конкурс имени академика С.П. Королева, 22 - 26 декабря 2014 г.;

9. Международная научно-практическая конференция «Научные исследования и эксперименты на МКС», г. Москва, ИКИ РАН, 9-11 апреля 2015 г.

Результаты работы автора представлены в следующих публикациях:

1. M.B. Smith, S. Khulapko, H.R. Andrews et al. Bubble-detector measurements in the Russian segment of the International space station during 2009-12, Radiation Protection Dosimetry (индексируется в БД Scopus), 2014, pp. 1-13;

2. Хулапко С.В., Лягушин В.И., Архангельский В.В. и др. Результаты измерения дозы и энергетического спектра нейтронов внутри Российского сегмента МКС в эксперименте «Матрешка-Р» с использованием пузырьковых детекторов в период экспедиций МКС-24/МКС-34. Авиакосмическая и экологическая медицина (индексируется в БД Scopus), т.48, №1, стр. 52-56, 2014г.;

3. M.B. Smith, S. Khulapko, H.R. Andrews et al. Bubble-detector measurements of neutron radiation in the International space station: ISS-34 to ISS-37, Radiation Protection Dosimetry (индексируется в БД Scopus), 2015, pp. 1-13;

4. Хулапко С.В., Лягушин В.И., Архангельский В.В. и др. Определение дозы и энергетического спектра нейтронов внутри и снаружи тканеэквивалентного шарового фантома в эксперименте «Матрешка-Р» на Российском сегменте Международной космической станции с использованием пузырьковых детекторов. Космическая техника и технологии, № 2 (9), стр. 51-63, 2015;

5. Хулапко С.В. , Лягушин В.И., Архангельский В.В и др. «Сравнение эквивалентной дозы от заряженных частиц и нейтронов внутри шарового тканеэквивалентного фантома на борту Российского сегмента Международной космической станции». Авиакосмическая и экологическая медицина (индексируется в БД Scopus), Т.50, №2, стр. 47-52, 2016г.

1. Литературный обзор

1.1 Проблемы при регистрации нейтронов и основные типы

детекторов

Для описания образования вторичного нейтронного излучения от взаимодействия высокоэнергичных частиц космических лучей (в первую очередь протонов и тяжелых заряженных частиц) с материалами стен космических аппаратов хорошо подходит так называемая «каскадно-испарительная модель взаимодействия» (см. рисунок 2).

Впервые гипотеза о ядерно-каскадном процессе была высказана в 1948 г. Г.Т. Зацепиным для описания взаимодействия первичных частиц космических лучей очень больших энергий с атомами атмосферы Земли (образование широкого атмосферного ливня). Эта гипотеза получила дальнейшее развитие в работах как отечественных [17], [18], так и иностранных ученых [19], стала использоваться в различных компьютерных кодах для описания процессов взаимодействия высокоэнергичных адронов с «толстыми» мишенями (толщина намного больше длины свободного пробега налетающей частицы), определения состава образовавшихся частиц, их углового и энергетического распределения.

Рисунок 2 - Иллюстрация каскадно-испарительной модели взаимодействия нуклонов

Согласно этой модели при достаточно большой энергии налетающей частицы ее длина волны де Бройля становится сравнимой или даже меньшей, чем размер нуклонов в ядрах атомов «мишени». Таким образом, для описания процесса взаимодействия налетающей частицы и нуклонов атомов «мишени» можно использовать модель столкновения двух частиц (т.е налетающей частицы и отдельного нуклона в ядре). При этом, в зависимости от времени протекания, весь процесс образования вторичного излучения можно разбить на три стадии: каскадная, фрагментационная и испарительная [18].

На первой стадии нуклон после взаимодействия с налетающей частицей может сталкиваться с другими нуклонами внутри ядра, в течение которого ядро покидают частицы сплошного спектра и образуется возбужденное ядро-остаток. Данная стадия описывается на основе стандартной модели «внутриядерного каскада» [18]. При этом в «толстых» мишенях (в том числе и обшивке КА) из-за столкновения нуклонов «внутриядерного каскада» с другими нуклонами образуется «внеядерный каскад», что приводит к лавинообразному нарастанию потока вторичных частиц (протонов, нейтронов, мезонов, пионов и др.).

На второй стадии, в зависимости от приобретенной энергии возбуждения, ядро-остаток либо испаряет нуклоны и легкие ядра (испарительная стадия), либо разваливается на несколько возбужденных фрагментов (фрагментационная стадия) [18].

В нейтронной дозиметрии в космосе используются принципы и типы детекторов, аналогичные дозиметрии в наземных условиях. Однако два основных фактора делают задачу корректного определения энергетического спектра и дозы от нейтронов внутри и снаружи КА более сложной и трудоемкой задачей:

- ИИ КП имеют сложный состав (см. введение), что делает выделение нейтронной компоненты крайне трудоемкой задачей;

- нейтронное излучение в космосе имеет крайне широкий энергетический спектр от тепловых энергий до единиц ГэВ. Это делает невозможным использование только одного типа детекторов, чувствительность которого была бы удовлетворительной для измерений характеристик нейтронов во всем интересующем диапазоне энергии. В общем случае спектр нейтронного излучения можно разделить на несколько интервалов (названия и диапазоны энергии могут незначительно варьироваться в различных источниках):

- медленные нейтроны с энергией менее 1 эВ (которые можно разделить на «холодные» нейтроны с энергией ниже 0,025 эВ и «тепловые» с энергией от 0,025 эВ до 1 эВ);

- резонансные нейтроны с энергией от 1 эВ до 10 кэВ;

- промежуточные нейтроны с энергией 10 кэВ до 1 МэВ;

- быстрые нейтроны с энергией от 1 МэВ до 100 МэВ (которые можно разделить на «испарительные» нейтроны с энергией от 1 до 10 МэВ и «каскадные» нейтроны с энергией от 10 до 100 МэВ)

- релятивистские нейтроны с энергией более 100 МэВ.

При этом критическую важность для оценки вклада от нейтронного излучения в общую эквивалентную дозу представляет диапазон энергии нейтронов примерно от 100 кэВ до 100 МэВ (см. рисунок 1). Однако, как видно из рисунка 3, вероятность взаимодействия нейтрона с веществом детектора резко снижается при увеличении энергии нейтрона. В связи с этим методы, применяемые в дозиметрии медленных нейтронов, оказываются крайне малоэффективными при детектировании более высокоэнергичных нейтронов. Тем не менее, из-за отсутствия эффективных детекторов быстрых нейтронов, при детектировании нейтронов в космосе чаще всего используются те же методы и типы детекторов, что и в наземных условиях, где нейтроны имеют гораздо более «медленный» спектр. В этой связи нельзя не отметить чрезвычайную актуальность разработки детектора быстрых нейтронов для будущих межпланетных космических экспедиций.

Т

ю1 >—,-1_I---•--------1-7

10 101 1 ю1 102 101 10* 105 10* ю

Энергия нейтронов, эВ

Рисунок 3 - Сечение взаимодействия нейтронов для некоторых веществ [20]

Так как у нейтронов отсутствует электрический заряд, они взаимодействуют главным образом с ядрами атомов вещества. В отличие от протонов, которые не могут эффективно взаимодействовать с ядром при малых энергиях из-за кулоновского барьера, нейтроны даже при низких энергиях способны подойти к ядру на расстояние порядка

радиуса действия ядерных сил. Для детектирования нейтронов практически важными являются два типа реакций - рассеяние (упругое и неупругое) и поглощение.

Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов. Так, нейтроны с энергиями десятки кэВ и более передают энергию в основном в результате прямых столкновений с атомными ядрами. Для быстрых нейтронов наиболее важным результатом взаимодействия являются упругие (п,п) и неупругие (п,п') столкновения с ядрами. Под действием быстрых нейтронов также эффективно идут реакции типа (п,а), (п,р), (п,2п), реакции деления и др.

Для нейтронов с энергиями от долей эВ до примерно 10 кэВ наблюдаются максимумы в сечении взаимодействия при определённых значениях энергий нейтронов, характерных для данного вещества (рисунок 3). Основными процессами здесь являются рассеяние и замедление нейтронов до тепловых скоростей.

Энергии тепловых нейтронов (сотые доли эВ) не превышают энергии связи атомов в водородосодержащих молекулах. Поэтому в случае, если не происходит ядерной реакции, тепловые нейтроны могут вызвать лишь возбуждения колебательных степеней свободы, что приводит только к разогреву вещества.

Важными процессами для тепловых нейтронов являются также ядерные реакции. Наиболее характерные из них - реакции радиационного захвата (п,у). При уменьшении энергии нейтронов сечение упругого рассеяния (п,п) остается примерно постоянным на уровне нескольких барн, а сечение (п,у) растет по закону 1/у, где V - скорость налетающего нейтрона. Поэтому для очень медленных нейтронов возрастает не только абсолютная, но и относительная роль реакций радиационного захвата.

Как упоминалось выше, детектирование нейтронов производится не непосредственно, а при помощи ядерных реакций (поглощение нейтронов), в результате которых появляются вторичные заряженные частицы. Детекторы, использующие этот принцип, позволяют определить энергию налетающего нейтрона без предварительного замедления. В таких детекторах определяется общая выделившаяся энергия, равная сумме кинетической энергии налетающего нейтрона и энергии реакции нейтрона с ядром вещества детектора (О-фактор). О-фактор для каждого типа реакции имеет свое значение и может быть как положительным (экзотермическая реакция), так и отрицательным (эндотермическая реакция).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хулапко, Сергей Владимирович, 2017 год

Список литературы

1. Добротин Н.А. Космические лучи. Издательство АН СССР. Москва, 1963.

2. Астрофизика космических лучей. Под ред. В.Л. Гинзбурга. Наука, 1984.

3. Физика космоса. Маленькая энциклопедия. Под ред. Р.А. Сюняева. Москва, 1986.

4. Модель космоса. Восьмое издание. Под. ред. М.И. Панасюка и Л.С. Новикова. Москва, 2007.

5. Шафиркин А.В., Григорьев Ю.Г. Межпланетные и орбитальные космические полеты. Радиационный риск для космонавтов. Радиобиологическое обоснование. Экономика, 2009.

6. Armstrong T.W., Colborn B.L. Predictions of secondary neutrons and their importance to radiation effects inside the international space station. Radiation measurements, 33, 2001, p. 229-234.

7. Lingenfelter R.E. and Flamm E.J. High-Energy Solar neutrons. Journal of Geophisical Research, 70(17), 1965, p. 4087-4095.

8. ГОСТ 25645.202-83. БРЭКАКП. Требования к индивидуальному и бортовому дозиметрическому контролю. Москва, Госстандарт, 1984.

9. Методические указания МУ 2.6.1.44-03-2013 "Ограничение облучения космонавтов при околоземных космических полетах".

10. Лишневский А.Э., Панасюк М.И., Нечаев О.Ю. и др. Доклад на тему "Вариации радиационной обстановки на Международной космической станции за период 2001 -2011 гг. по данным Системы радиационного контроля". Седьмой международный аэрокосмический конгресс, Москва, 26-31 августа 2012г.

11. Шафиркин В.Г., Акатов Ю.А., Архангельский В.В. и др. Оценка радиационной опасности для членов экипажей орбитальной станции МИР и Международной космической станции на основе данных бортового и индивидуального дозиметрического контроля. Авиакосмическая и экологическая медицина. Том 36, Выпуск 6, 2002, c. 46-50.

12. Badhwar G.D., Cuccinotta F.A. et al. Measurements on the Shuttle of the LET Spectra of Galactic Cosmic radiation and Comparison with the Radiation transport model. Radiation Research, 139, 1994, p. 344-351.

13. ICRP Publication 60 "1990 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection", 1990.

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

ICRP Publication 103 "The 2007 Recommendations of the International Comission on Radiological Protection," 2007.

ГОСТ 25645.203-83. БРЭКАКП. Модель тела человека для расчета тканевой дозы. Москва, Госстандарт, 1984.

Badhwar G.D., Keith J.E., Cleghorn T.F. Neutron measurements onboard the space shuttle. Radiation measurements, 33, 2001, p. 235-241.

Биргер Н.Г., Розенталь И.Л. Электронно-ядерные ливни и ядерно-каскадный процесс. Успехи физических наук, Том 45, Выпуск 1, 1951, c. 104-112.

Ботвина А.С., Ильинов А.С., Мишустин И.Н. Мультифрагментация ядер под действием протонов высоких энергий. Письма в ЖЭТФ, Том 42, Выпуск 11, 1985, c. 462-464.

Armstrong T.W. The intranuclear-cascade-evaporation model. Computer techniques in Radiation Transport and Dosimetry, 3, 1980, р. 311-322.

Knoll G.F. Radiation detection and measurements. 3rd edition. John Wiley and Sons, 2000.

Бекурц К., Виртц К. Нейтронная физика. Москва. Атомиздат, 1968.

Drake D.M., Feldman W.C., Hurlbut C. New electronically black neutron detectors. Nuclear instruments and methods in physics research A, 247, 3, 1986, р. 576-582.

Perez-Nunez D., Braby L.A., Replacement Tissue-Equivalent Proportional Counter for the International Space Station. Radiation Protection Dosimetry, 143(2-4), 2011, р. 394-397.

Braby L.A., Badhwar G.D. Proportional counter as neutron detector. Radiation Measurements , 33, 2001, р. 265-267.

Badhwar G.D., Robbins D.E., Gibbons F., Braby L.A. Response of a tissue equivalent proportional counter to neutrons. Radiation Measurements, 35, 2002, р. 551-556.

Apfel R.E. The superheated drop detector. Nuclear Instruments and Methods, 162, 1979, р. 603-608.

Ing H., Birnbirn H.C. A bubble-damage polymer detector for neutrons. Nuclear Tracks and Radiation Measurements, 8, 1984, р. 285-288.

Иванов В.И., Семашко Н.Н., Смирнова Н.С., Саломатов А.К. Дозиметрия нейтронов при помощи детекторов на основе перегретой жидкости. Атомная энергия, Том 63, Выпуск 1, 1987, c. 62-67.

Smirnova N., Semashko N. and Martinuk Y. Bubble detector in Fusion Dosimetry. Radiation Protection Dosimetry, 44, 1992, р. 347-349.

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

d'Errico F. Fundamental properties of superheated drop (bubble) detectors. Radiation Protection Dosimetry, 84, 1999, р. 55-62.

Seitz E. On the theory of the bubble chamber. Physics Fluids, 1, 1958, р. 2-13.

Ing H. Neutron measurements using bubble detectors - terrestrial and space. Radiation Masurements, 33, 2001, р. 275-286.

Малиновский С.В. Регистрационные характеристики детекторов ионизирующих излучений на основе перегретых дисперсных систем. Диссертация на соискание степени к.ф.м.н., 1999.

Vanhavere F., d'Errico F. Standartisation of superheated drop and bubble detectors. Radiation Protection dosimetry, 101, 1-4, 2002, р. 283-287.

Quist T.C., Furst M., Burnett D.S. et al. Spacecraft-produced neutron fluxes on Skylab. Space science instruments, 3, 1977, р. 243-258.

Benton E.R., Benton E.V., Frank A.L. Neutron dosimetry in low-earth orbit using passive detectors. Radiation Measurements, 33, 2011, р. 255-263.

Luszik-Bhadra M., Matzke M., Schuhmacher H. Development of personal neutron dosemeters at the PTB and first measurements in the space station MIR. Radiation Measurements, 33, 2001, р. 305-312.

Юшков Б.Ю. Измерение потоков нейтронов на орбитальной станции «Салют-6». Космические исследования, Том 26, Выпуск 5, 1988, c. 793-797.

Беляев М.Ю., Шаврин П.И., Лягушин В.И. и др. Исследование проникающей радиации по орбитальной станции «Салют-6» в 1977 - 1982 г.г. Космические исследования, Том 22, Выпуск 3, 1984, c. 471-475.

Севастьянов В.Д., Тарновский Г.Б., Лягушин В.И. Измерение энергетического спектра нейтронов на орбитальной станции Мир. Космические исследования, Том 35, Выпуск 2, 1997, c. 216-220.

Дудкин В.Е., Мелкумян Л.В., Плющев В.А., Потапов Ю.В. Энергетические спектры быстрых и промежуточных нейтронов на ОПС "Мир". Доклад на международной конференции "Радиационная обстановка в космосе. Эмпирические и физические модели", Дубна, 1993.

Lyagushin V.I., Dudkin V.E., Potapov Yu.V., Sevastianov V.D. Russian measurements of neutron energy spectra in the Mir orbital station. Radiation measurements, 33, 2001, c. 313319.

Сиднева С.Н., Стрелков А.С. Измерение потока нейтронов на спутнике «Космос-53». Космические исследования, Том 6, Выпуск 1, 1968, c. 100-105.

44. Богомолов А.В., Дементьев А.В., Кудрявцев М.И. и др. Потоки и спектры вторичных нейтронов с энергиями больше 20 МэВ на орбитальной станции Мир, орбитальном комплексе Салют-7-Космос-1686 и ИСЗ Коронас-И. Сравнение экспериментальных данных и модельных расчетов. Космические исследования , Том 38, Выпуск 1, 2000, c. 31-36.

45. Богомолов А.В., Кузнецов С.Н., Мягкова И.Н., Рюмин С.П., Измерение потоков и спектров нейтронов с энергиями 20-400 МэВ в эксперименте на орбитальном комплексе Салют-7-Космос-1686. Космические исследования, Том 33, Выпуск 3, 1996, c. 248.

46. Девичева Е.А., Добровольский Г.Ф., Ковалевская М.А. и др. Аппаратура для регистрации энергичного нейтрального излучения солнечных вспышек (СОНГ-Д, СОНГ-Э). Комплексное исследование Солнца и солнечно-земных связей. Труды 3 Международного совещания "Коронас-И", 1989, c. 99.

47. Мягкова И.Н. Регистрация энергичных нейтронов гамма-квантов в околоземном космическом пространстве при помощи спектрометра на основе кристалла CsI(Tl). Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

48. Dudkin V.E., Potapov Yu.V., Akopova A.B. et al. Neutron fluences and energy spectra in the Cosmos-2044 biosatellite orbit. Nuclear Tracks Radiation Measurements, 20, 1, 1992, р. 139-141.

49. Dudkin V.E., Potapov Yu.V., Akopova A.B. et al. Differential neutron energy spectra measured on spacecraft in low Earth orbit. Nuclear Tracks Radiation Measurements, 17, 2, 1990 c. 87-91.

50. ICRP Publication 51 "Data for Use in Protection against External Radiation", 1987.

51. El-Jaby S., Tomi L., Sihver L. et al. Method for the prediction of the effective dose equivalent to the crew of the International Space Station. Advances in space research, 53, 2014, р. 810-817.

52. El-Jaby S., Lewis B., Tomi L. A model for predicting the radiation exposure for mission planning aboard the International Space Station. Advances in Space Research, 2014. р. 1125-1134.

53. Koga K., Goka T., Matsumoto H. et al. Development of the fiber neutron monitor for the energy range 15-100 MeV on the International Space Station (ISS). Radiation Measurements, 33, 2001,

р. 287-291.

54. Matsumoto H., Goka T., Koga K. et al. Real-time measurement of low-energy-range neutron spectra on board the space shuttle STS-89 (S/MM-8). Radiation Measurements, 33, 2001, р. 321-333.

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

Koga K., Goka T., Matsumoto H. et al. Measurement of high-energy neutrons at ISS by SEDA-AP. Astrophysics and Space Science Transactions, 2011, р. 411-416.

Muraki Y., Koga K., Goka T. et al. Measurements by FIB on the ISS: Two Emissions of Solar Neutrons detected?. Advances in Astronomy, 2012.

Koshiishi H., Matsumoto H., Chishiki A. et al. Evaluation of the neutron radiation environment inside the International Space Station based on the Bonner Ball Neutron Detector experiment. Radiation Measurements, 41, 2007, р. 1510-1520.

ICRP Publication 74 "Conversion Coefficients for use in Radiological Protection against External Radiation", 1996.

Третьяков В.И., Митрофанов И.Г., Бобровицкий Ю.И. и др. Первый этап космического эксперимента "БТН-нейтрон" на борту Российского сегмента Международной Космической станции. Космические исследования, Том 48, Выпуск 4, 2010, с. 293-307.

Tretyakov V., Fedosov F., Kozyrev M. et al. Space experiment "BTN-Neutron" on Russian segment of International Space Station. 16th WRMISS, Prague, 2011.

Kolychev S.A., Kovalev N.V., Kudryashov N.A. et al. Portable High-energy neutron spectrometer for active diagnostics of radiation environment in spacecraft. 15th WRMISS, Frascati, 2010.

Kinnison J.D., Maurer R.H., Roth D.R. et al. High-energy neutron spectroscopy with thick silicon detectors. Radiation research, 159, 2003, p. 154-160.

Jonkmans G., Andrews H.R., Clifford E.T.H. et al. A Canadian high-energy neutron spectrometry system for measurements in space. Acta Astronautica, 56, 2005, р. 975-979.

Smith M.B., Andrews H.R., Clifford E.T.H. et al. Canadian high-energy neutron spectrometry system (CHENSS). International Workshop on Fast Neutron Detectors and Applications. South Africa, 2006.

Whitney C., Johnson E., Chen X., et al. DPA-Based fast neutron dosimeter for the space environment. IEEE transactions on nuclear science, 60, 2, 2013. р. 830-836.

Интернет ресурс http://www.iki.rssi.ru/

Смиренный Л. Н. Фантом против радиации. Наука и Жизнь, Том 7, 2005.

Smirennyi L.N., Litvinova E.G., Khortsev A.V. Study of Spatial Distribution of Tissue Doses with the Aid of a Phantom-mannequin. The Third International Congress of Protection Association, Washington, New-York, September 9-14, 1973, р. 42.

Berger T., Hajek M., Schoner W. et al. Measurement of the depth distribution of average

LET and absorbed dose inside a water-filled phantom on board space station Mir. Physica Medica: European Journal of Medical Physics, 17, 2001, p. 128-130.

70. Badhwar G.D., Atwell W., Badavi F.F. et al. Space radiation absorbed dose distribution in a human phantom. Radiation Research, 1571, 1, 2002, p. 76-91.

71. Reitz G., Berger T., Bilski P. et al. Astronaut's Organ Doses Inferred from Measurements in a Human Phantom Outside the International Space Station. Radiation research, 171, 2009, p. 225-235.

72. Черных И.В., Лягушин В.И., Акатов Ю.А. и др. Результаты измерения дозы нейтронов внутри Российского сегмента Международной космической станции в эксперименте "Матрешка-Р" с использованием пузырьковых детекторов. Авиакосмическая и экологическая медицина, 44, 3, 2010, c. 12-17.

73. Koontz S.L., Boeder P.A., Pankop C. et al. The ionizing radiation environment on the International Space Station: performance vs. expectations for avionics and materials. Radiation Effects Data Workshop, 2005 р. 110-116.

74. Ing H., Noulty R.A., McLean T.D. Bubble detectors - a maturing technology. Radiation Measurements, 27, 1997, р. 1-11.

75. ОАО "РКК "Энергия" имени С.П. Королева. «Российский сегмент МКС. Справочник пользователя»

76. Smith M.B., Akatov Yu., Andrews H.R. et al. Measurements of the neutron dose and energy spectrum on the International space station during expeditions ISS-16 to ISS-21. Radiation Protection Dosimetry, 153, 4, 2013, р. 509-533.

77. Green A.R., Andrews H.R., Bennett L.G.I. et al. Bubble detector characterization for space radiation. Acta Astranautica, 56, 2005, р. 949-960.

78. Mitaroff A., Silari M. The CERN-EU high-energy reference field (CERF) facility for dosimetry at commercial flight altitudes and in space. Radiation Protection Dosimetry, 102, 2002, р. 7-22.

79. Lewis B.J., McCall M.J., Green A.R. et al. Aircrew exposure from cosmic radiation on commercial airline routes. Radiation Protection Dosimetry, 93, 2001 р. 293-314.

80. Sannikov A., Savitskaya E.N. Ambient dose equivalent conversion factors for high energy neutrons based on the ICRP 60 recommendations. Radiation Protection Dosimetry, 70, 1997, р. 383-386.

81. Siebert B.R.L., Schumahmacher H. Quality factors, ambient and personal dose equivalent for neutrons based on the new ICRU stopping power data for protons and alpha particles. Radiation Protection Dosimetry, 58, 1995, р. 177-183.

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

Tylka A.J., Adams J.H, Boberg P R. et al. CREME96: A Revision of the Cosmic Ray Effect on Micro-Electronics Code. IEEE Transactions on nuclear science, 44, 6, 1997, р. 21502160.

Sato T., Endo A., Sihver L. et al. Dose estimation for astronauts using dose conversion coefficients calculated with the PHITS code and the ICRP/ICRU adult reference computational phantoms. Radiat. Environ. Biophys., 50, 1, 2011. р. 115-123.

Ing H., Mortimer A. Space radiation dosimetry using bubble detectors. Advances in Space Research, 14, 10, 1994. р. 73-76.

Takada M., Kitamura H., Koi T. et al. Measured proton sensitivities of bubble detectors. Radiation Protection Dosimetry, 111, 2, 2004, р. 181-189.

Machrafi R. et al. Ground-Based Measurements of Bubble-Detector Sensitivity to Protons. 17th WRMISS, September 4-6, 2012, Austin Texas,USA.

Green A.R., Bennett L.G.I., Lewis B.J. et al. Characterisation on the bubble detectors for aircrew and space radiation exposure. Radiation Protection Dosimetry, 120, 1-4, 2006, p. 485-490.

Schimmerling W. International Space Radiation Laboratory 1, 1999-2000.

Biersack J.P., Ziegler J.F. SRIM-2000.40. 2001.

NCRP Publication 38 "Protection Against Neutron Radiation," 1971.

ГОСТ 18622-79. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом Химический состав тканеэквивалентного вещества. Москва, Госстандарт, 1980.

Акатов Ю.А., Еременко В.Г., Карцев И.С. и др. Шаровой фантом для исследований радиационной обстановки в комическом пространстве. Ядерные измерительно-информационные технологии, 3, 2002, c. 67-71.

Карцев И.С., Акатов Ю.А., Еременко В.Г. и др. Шаровой фантом для исследований радиационной обстановки в космическом пространстве. Конструктивные особенности. Ядерные измерительно-информационные технологии, Том 4 (16), 2005, c. 36-45.

Petrov V.M., Kartashov D.A., Kireeva S.A. et al. Effective dose estimation in space flight using a sphere phantom. The 2-nd International Workshop on Space Radiation Research. Nara, Japan, March 11-15, 2002.

Semkova J., Koleva R., Maltchev St. et al. Radiation measurements inside a human phantom aboard the International Space Station using Liulin-5 charged particle telescope. Advances in space research, 45, 2010, р. 858-865.

96. Semkova J., Maltchev St., Bankov N. et al. Depth dose measurements with the Liulin-5 experiment inside the spherical phantom of the Matroshka-R project onboard the International Space Station. Advances in Space Research, 49, 3, 2012, р. 471-478.

97. Semkova J., Koleva R., Maltchev St. et al. Radiation characteristics in the spherical tissue-equivalent phantom on the ISS during solar activity minimum according to the data from Liulin-5 experiment. Journal of Atmospheric and Solar-terrestrial Physics, 99, 2013,

р. 157-163.

98. Ploc O., Sihver L., Kartashov D., et al. PHITS simulations of the Protective curtain experiment onboard the Service module of ISS: Comparison with absorbed doses measured with TLDs. Advances in Space Research, 52, 2013, р. 1911-1918.

99. Kodaira S., Tolochek R.V., Ambrozova I. et al. Verification of shielding effect by the water-filled materials for space radiation in the International Space Station using passive dosimeters. Advances in Space research, 53, 2014, р. 1-7.

100. Интернет ресурс https://mcnp.lanl.gov/

101. Интернет ресурс http://www.mcnpvised.com/

102. Smith M.B., Khulapko S., Andrews H.R. Bubble-detector measurements in the Russian segment of the International Space Station during 2009-12. Radiation Protection Dosimetry, 2014, р. 1-14.

103. Хулапко С.В., Лягушин В.И., Архангельский В.В. и др. Результаты измерения дозы и энергетического спектра нейтронов внутри Российского сегмента МКС в эксперименте "Матрешка-Р" с использованием пузырьковых детекторо в период экспедиций МКС-24-34. Авиакосмическая и экологическая медицина, Том 48, Выпуск 1, 2014, c. 52-56.

104. Интернет-ресурс http://www.energia.ru

105. Интернет-ресурс http://www.mcc.rsa.ru/

106. Huston, S. L., Kuck G. A., Pfitzer K. A. Low Altitude Trapped Radiation Model Using TIROS/NOAA Data. Radiation Belts: Models and Standards, 97, 1996, p. 119-122.

107. Интернет ресурс http://www.oecd-nea.org/janis/

108. Machrafi R., Tasbaz A., Kovalchouk V. et al. Neutron production ondoard the International Space Station. 16th WRMISS, Prague, 2011.

109. Smith M.B., Khulapko S., Andrews H.R., et al. Bubble-detector measurements of neutron radiation in the International Space Station: ISS-34 to ISS-37. Radiation Protection Dosimetry, 2015. p. 1-13.

110. Хулапко С.В., Лягушин В.И., Архангельский В.В. и др. Определение дозы и энергетического спектра нейтронов внутри и снаружи тканеэквивалентного шарового фантома в эксперименте «Матрешка-Р» на Российском сегменте Международной космической станции с использованием пузырьковых детекторов. Космическая техника и технологии, № 2 (9), 2015, с. 51-63.

Благодарности

В заключение работы автор хотел бы выразить признательность и поблагодарить:

1. Свою семью за моральную поддержку и веру.

2. Доктора Р. Машрафи за гостеприимство, научное сопровождение стажировки в Технологическом Институте при университете штата Онтарио, деятельное участие в обсуждении полученных результатов, ценные замечания к диссертации.

3. Старшего научного сотрудника ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева Владимира Ивановича Лягушина за возможность обсуждения особенностей нейтронной дозиметрии в космосе, деятельное участие в обсуждении полученных результатов, ценные замечания к диссертации.

4. Научного руководителя, начальника отдела «Радиационная безопасность пилотируемых космических полетов» ГНЦ РФ ИМБП РАН Вячеслава Александровича Шуршакова за моральную поддержку и ценные советы.

5. Канадских коллег из компании Bubble Technologies Industries и Канадского космического агентства за консультации и возможность обсуждения полученных результатов.

6. Коллег из ОАО «РКК «Энергия» им. С П. Королева, ГНЦ РФ ИМБП РАН и ЦПК им. Ю.А. Гагарина, принимавших участие в реализации КЭ «Матрешка-Р» на борту Международной космической станции.

Приложение 1 - основные данные об измерениях в модулях МКС

Таблица 1 - информация о проведении измерений в Служебном модуле РС МКС

№ п/п Дата сеанса Панель Мощность дозы, мкЗв/сут Среднее число Вольфа за период измерений Данные по орбите МКС

апогей, км перигей, км

1 09.08.06 -14.08.06 443 78±13 33 358 336

2 09.08.06 -14.08.06 443 143±17 33 358 336

3 09.08.06 -14.08.06 240 91±16 33 358 336

4 01.09.06 -06.09.06 443 60±14 23 356 340

5 01.09.06 -06.09.06 327 148±17 23 356 340

6 01.09.06 -06.09.06 457 62±15 23 356 340

7 11.01.07 -17.01.07 443 92±13 27 372 329

8 11.01.07 -17.01.07 240 111±14 27 372 329

9 11.01.07 -17.01.07 110 136±18 27 372 329

10 11.01.07 -17.01.07 435 99±17 27 372 329

11 09.03.07 -15.03.07 443 92±15 6 351 324

12 09.03.07 -15.03.07 240 78±16 6 351 324

13 09.03.07 -15.03.07 110 75±13 6 351 324

14 09.03.07 -15.03.07 435 80±14 6 351 324

15 03.07.07 -09.07.07 443 151±20 17 355 329

16 16.08.07 -22.08.07 443 220±24 3 354 341

17 24.09.07 -01.10.07 443 194±21 8 363 341

18 04.01.08 -09.01.08 244 297±25 нет данных 353 333

19 04.01.08 -09.01.08 435 236±27 нет данных 353 333

20 04.01.08 -09.01.08 327 175±25 нет данных 353 333

21 22.02.08 -27.02.08 244 297±30 нет данных 360 334

22 22.02.08 -27.02.08 435 257±30 нет данных 360 334

№ п/п Дата сеанса Панель Мощность дозы, мкЗв/сут Среднее число Вольфа за период измерений Данные по орбите МКС

апогей, км перигей, км

23 22.02.08 -27.02.08 410 219±29 нет данных 360 334

24 06.06.08 -11.06.08 411 228±29 4 355 337

25 31.12.08 - 05.01.09 435 227±28 0 373 349

26 31.12.08 - 05.01.09 410 167±22 0 373 349

27 31.12.08 - 05.01.09 244 319±34 0 373 349

28 16.02.09 -21.02.09 410 263±28 0 379 350

29 16.02.09 -21.02.09 435 219±28 0 379 350

30 16.02.09 -21.02.09 244 240±30 0 379 350

31 16.06.09 -23.06.09 410 263±23 7 370 343

32 16.06.09 -23.06.09 435 239±25 7 370 343

33 16.06.09 -23.06.09 244 198±23 7 370 343

34 10.07.09 -17.07.09 410 176±19 2 361 344

35 10.07.09 -17.07.09 435 215±23 2 361 344

36 10.07.09 -17.07.09 244 225±24 2 361 344

37 13.08.09 -18.08.09 327 183±20 0 365 344

38 26.01.10 -01.02.10 443 228±29 18 357 342

39 22.03.10 -29.03.10 443 246±25 27 369 345

40 30.07.10 -06.08.10 443 187±26 27 373 350

41 30.07.10 -06.08.10 443 на шторке защитной 152±22 27 373 350

42 16.08.10 -23.08.10 443 158±24 14 368 354

43 16.08.10 -23.08.10 443 на шторке защитной 156±22 14 368 354

44 13.09.10 -20.09.10 443 223±28 35 374 350

45 13.09.10 -20.09.10 443 на шторке защитной 169±23 35 374 350

46 15.10.10 -21.10.10 443 223±30 56 375 350

№ п/п Дата сеанса Панель Мощность дозы, мкЗв/сут Среднее число Вольфа за период измерений Данные по орбите МКС

апогей, км перигей, км

47 15.10.10 -21.10.10 443 на шторке защитной 160±24 56 375 350

48 28.10.10 -06.11.10 443 199±23 28 373 347

49 28.10.10 -06.11.10 443 на шторке защитной 124±18 28 368 347

50 08.11.10 -19.11.10 443 188±20 52 368 347

51 08.11.10 -19.11.10 443 на шторке защитной 168±18 52 368 347

52 22.12.10 -30.12.10 443 197±25 18 373 350

53 22.12.10 -30.12.10 443 на шторке защитной 167±22 18 373 350

54 01.02.11 -09.02.10 443 165±18 35 367 352

55 01.02.11 -09.02.11 443 на шторке защитной 183±18 35 367 352

56 20.05.11 -27.05.11 443 93±29 36 360 343

57 20.05.11 -27.05.11 443 на шторке защитной 100±24 36 360 343

58 08.02.12 -14.02.12 443 136±23 54 418 377

59 08.02.12 -14.02.12 443 на шторке защитной 113±24 54 418 377

60 29.02.12 -07.03.12 443 129±22 64 420 382

61 29.02.12 -07.03.12 443 на шторке защитной 107±23 64 420 382

62 28.03.12 -03.04.12 443 132±23 75 403 383

63 28.03.12 -03.04.12 443 на шторке защитной 109±23 75 403 383

64 24.04.1201.05.13 443 132±22 131 407 391

65 24.04.1201.05.13 443 на шторке защитной 109±23 131 407 391

66 21.05.12 -28.05.11 443 137±19 91 416 391

67 21.05.12 -28.05.12 443 на шторке защитной 187±26 91 416 391

68 18.06.12 -25.06.11 443 124±22 32 423 396

69 18.06.12 -25.06.12 443 на шторке защитной 110±21 32 423 396

70 16.07.12 -23.07.11 443 125±18 59 420 401

№ п/п Дата сеанса Панель Мощность дозы, мкЗв/сут Среднее число Вольфа за период измерений Данные по орбите МКС

апогей, км перигей, км

71 16.07.12 -23.07.12 443 на шторке защитной 112±19 59 420 401

72 27.12.12 - 03.01.13 327 169±15 76 440 404

73 18.01.13 -25.01.13 327 148±13 53 430 402

74 11.02.13 -18.02.13 443 137±14 58 424 409

75 05.03.13 -12.03.13 327 172±16 83 427 401

76 03.04.13 -10.04.13 327 181±13 135 435 405

77 03.04.13 -10.04.14 327 157±15 135 435 405

78 15.11.13 -22.11.13 327 142±13 157 434 405

79 11.12.1319.12.13 327 115±14 138 432 416

80 09.01.14 -16.01.14 327 130±15 107 435 412

81 04.02.14 -11.02.14 327 139±15 190 437 415

82 21.03.14 -26.03.14 435 127±16 135 437 412

83 21.03.14 -26.03.14 121 (иллюминатор № 9) 115±11 135 431 412

Таблица 2 - информация о проведении измерений в модуле МИМ1 РС МКС

№ п/п Дата сеанса Панель Мощность дозы, мкЗв/сут Среднее число Вольфа за период измерений Данные по орбите МКС

апогей, км перигей, км

1 01.05.13 -08.05.13 206 146±15 125 425 410

2 12.07.13 -19.07.13 206 128±14 82 435 414

3 15.10.13 -22.10.13 206 142±13 158 436 416

Таблица 3 - информация о проведении измерений в модуле МИМ2 РС МКС

№ п/п Дата сеанса Панель Мощность дозы, мкЗв/сут Среднее число Вольфа за период измерений Данные по орбите МКС

апогей, км перигей, км

1 26.02.1405.03.14 102 108±13 202 431 412

2 14.04.14 -21.04.14 поручень 6111 114±13 210 432 416

3 12.05.14 -19.05.14 поручень 6111 111±13 142 434 414

Таблица 4 - информация о проведении измерений в модуле USLab АС МКС

№ п/п Дата сеанса Панель Мощность дозы, мкЗв/сут Среднее число Вольфа за период измерений Данные по орбите МКС

апогей, км перигей, км

1 03.10.09 -10.10.09 1S4 159±17 0 367 340

2 11.02.13 -18.02.13 1S4 178±14 58 424 409

3 30.05.1306.06.13 1S4 190±14 72 436 408

4 27.06.13 -05.07.13 1S4 197±13 92 438 411

5 15.11.13 -22.11.13 1S4 146±13 157 434 416

6 11.12.1319.12.13 1S4 152±14 139 432 417

Таблица 5 - информация о проведении измерений в модуле Columbus АС МКС

№ п/п Дата сеанса Панель Мощность дозы, мкЗв/сут Среднее число Вольфа за период измерений Данные по орбите МКС

апогей, км перигей, км

1 06.09.09 -13.09.09 COL1A3 149±16 0 371 343

2 27.12.12 - 03.01.13 COL1A3 212±14 76 440 404

3 26.02.1405.03.14 COL1A3 134±13 202 431 412

4 14.04.14 -21.04.14 COL1A3 143±13 210 432 416

5 12.05.14 -19.05.14 COL1A3 141±15 142 434 414

Таблица 6 - информация о проведении измерений в модуле JEM АС МКС

№ п/п Дата сеанса Панель Мощность дозы, мкЗв/сут Среднее число Вольфа за период измерений Данные по орбите МКС

апогей, км перигей, км

1 06.09.09 -13.09.09 Каюта космонавта 151±24 0 371 343

2 03.10.09 -10.10.09 Каюта космонавта 137±18 0 367 340

3 09.11.09 -16.11.09 Каюта космонавта 13 9±21 9 357 338

4 18.01.13 -25.01.13 1Р3/РБ3 177±16 53 430 402

5 18.01.13 -25.01.13 Каюта космонавта 192±16 53 430 402

6 11.02.13 -18.02.13 Каюта космонавта 143±14 58 424 409

7 05.03.13 -12.03.13 Каюта космонавта 122±13 83 427 401

8 25.07.13 -02.08.13 1Р3/РБ3 174±16 84 432 416

9 24.08.13 -30.08.13 1Р3/РБ3 154±16 58 432 416

10 09.01.14 -16.01.14 1Р3/РБ3 141±15 107 435 412

11 04.02.14 -11.02.14 1Р3/РБ3 170±16 190 437 415

Таблица 7 - информация о проведении измерений в модуле Коёе2 АС МКС

№ п/п Дата сеанса Панель Мощность дозы, мкЗв/сут Среднее число Вольфа за период измерений Данные по орбите МКС

апогей, км перигей, км

1 05.03.13 -12.03.13 Р3 200±19 83 427 401

Приложение 2 - текст исходного файла для моделирования в программе

MCNPX

c Created on: Friday, September 26, 2014 at 10:26

c *************** BLOCK:1 - cells *******************

******************

*******************

*******************

c MEDIUM CURTAIL CELL

7 280 -0.62 1 -12 -15 14 -16 17 c UPPER CURTAIN CELL

8 280 -0.62 1 -12 -24 15 -25 26 c LOWER CURTAIN CELL

9 280 -0.62 1 -12 34 -14 -35 36 ********************

********************

c INSIDE SERVICE MODULE

11 280 -0.12 -41 (53 :52 :-54 :56 c SPACE

12 0 41 :43 :-44

c — BEFORE CURTAIN (without curtain) —

13 0 -58

c -- AFTER CURTAIN (protected by curtain)

14 0 -59

-55 )-43 44

c ********* BLOCK*2 - surfaces *****************

1 px 5 $ before curtain

2 px 4.9

c -- medium curtain cell -c

12 px 15

******************

14 pz -32.9

******************

16 py 31.6

******************

c -- upper curtain cell -c

****************** ******************

c -- lower curtain cell -c

****************** ******************

c -- Service module 41 c/y 150

0 200

43 py 200

44 py -200 c -- Crew cabin -52 px 50

******************

54 pz -120

******************

56 py 50

c -- Source surface -57 sx 95 140 c -- Detectors surfaces -58 s 17.5 -40 0 1.5 59 sx 17.5 1.5

*********

BLOCK:3

data

*****************

mode n

m204 7014.60c -0.755636

***********************

m280 1001.60c -0.111915

***********************

imp:n 1 10r 0

nps 1000000000

sdef erg=d3 sur=57 nrm=-1

si3 h 0.000001 0.00001 ***********************

*********************** *********************** ***********************

$MAT2 0 4 $MAT2 8 0 1 1r

$ 1, 14

0.0001

0.001

0.002

0.005

0.01

sp3

d

0

0.86858 0.10539 0.01158 0.00352 0.00152 0.00108 0.00085

*********************** *********************** *********************** ***********************

f14:n 13 $ BEFORE MEDIUM CELL

e14:n

0.000001 0.00001 0.0001

0.001

0.002

0.005

0.01

*********************** *********************** *********************** ***********************

f24:n 14 $ AFTER MEDIUM CELL

e24:n