ГОСТ 25645.204-83

    
Группа Ф40

    
    
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

    

Безопасность радиационная экипажа космического
аппарата в космическом полете

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭКРАНИРОВАННОСТИ
ТОЧЕК ВНУТРИ ФАНТОМА

Spacecrew radiation safety during spaceflight.
Computation methods of points shielding inside fantom

    
    
ОКП 696800

Дата введения 1985-01-01

    ИСПОЛНИТЕЛИ: П.А.Барсов; А.И.Григорьев, д-р мед. наук; Е.Е.Ковалев, д-р техн. наук; Л.М.Коварский, канд. техн. наук; Е.И.Кудряшов, канд. техн. наук; Е.Н.Лесновский, канд. техн. наук; В.А.Панин; Н.М.Пинчук; И.Я.Ремизов, канд. техн. наук; В.А.Сакович, канд. техн. наук; В.М.Сахаров, канд. техн. наук; В.Б.Хвостов, канд. физ.-мат. наук

    УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 20 декабря 1983 г. N 6360
    
    
    Настоящий стандарт устанавливает требования к заданию объекта и алгоритм вычисления функций, характеризующих экранированность точек внутри объекта-фантома с окружающей его защитой.
    
    Под защитой в стандарте понимают конструкцию космического аппарата (КА), его оборудование и специальное снаряжение, защищающее (экранирующее) космонавта от ионизирующего излучения.
    
    Стандарт предназначен для подготовки исходных данных, необходимых при расчетах на предприятиях и организациях, занимающихся научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами, связанными с обеспечением радиационной безопасности экипажа космического аппарата в космическом полете.
    
    

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

    
    1.1. Экранированность точки , расположенной внутри фантома, характеризует функция экранированности такая, что представляет вероятность для лучей, изотропно испущенных из точки , встретить на своем пути суммарное количество вещества фантома и защиты в интервале от до , выраженное в массовых единицах длины.
    

,

    
где - количество вещества фантома;
    
     - количество вещества защиты.
    
    1.2. Под массовой единицей длины в веществе понимают произведение линейной единицы длины на плотность вещества.
    
    1.3 Самоэкранированность точки , расположенной внутри фантома, характеризует функция самоэкранированности , тождественно равная .
    
    1.4. Экранированность защитой точки , расположенной внутри фантома, характеризует функция экранированности защитой , тождественно равная .
    
    

2. ЗАДАНИЕ ОБЪЕКТА

    
    2.1. Объект, в виде выпуклого тела, задают совокупностью зон с постоянными физическими свойствами вещества в пределах зоны. Каждой зоне присваивают номер =1, 2, …, , где - максимальное количество зон, необходимое для задания объекта.
    
    Примечание. Если исходный объект представляет собой вогнутое тело, то его следует дополнить пустыми зонами.
    
    
    2.2. Каждая зона объекта должна быть задана вектором поверхностей , вектором неопределенности , индексом, характеризующим принадлежность вещества к фантому или защите, и плотностью вещества в зоне .
    

    
    
    2.2.1. Поверхности задают в виде уравнений 1 и 2-го порядков в декартовой системе координат в общем или каноническом виде в соответствии с таблицей. Каждой поверхности присваивают номер =1, 2, …, , где - максимальное количество поверхностей, необходимое для задания объекта.
    
    2.2.2. Совокупность номеров поверхностей, ограничивающих -ю зону , из множества номеров поверхностей (=1, 2, …, ) образует вектор поверхностей .
    
    2.2.3. Каждая поверхность разделяет два объема: внутренний - и внешний - . Принадлежность точки к внутреннему или внешнему объему характеризуют признаком, именуемым индексом неопределенности , значение которого определяется выражением
    

.                                                                (1)

    
    2.2.4. Все точки зоны должны иметь одинаковые индексы неопределенности относительно поверхностей, ограничивающих ее.
    
    2.2.5. Совокупность индексов неопределенности произвольной точки для вектора образует вектор неопределенности
. Вектор неопределенности для точек -й зоны записывают как .
    
    

3. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ФУНКЦИИ ЭКРАНИРОВАННОСТИ

    
    3.1. Функцию экранированности вычисляют в виде функции кусочнопостоянной на отрезке
    

,                                                  (2)

    
где =1, …, - номер отрезка;
    

;

- количество вещества, встреченного на пути луча из точки в направлении .
    
    3.2. Для определения функции необходимо задать расчетную сетку в диапазоне , причем ширину интервала следует выбирать исходя из требований к погрешности функционала, вычисляемого с использованием .
    
    3.3. Для вычисления величины необходимо определить расстояние, пройденное лучом в зонах объекта, что требует выполнения ряда операций, изложенных в пп.3.3.1-3.3.7.
    
    3.3.1. Вычисляют расстояния от точки до пересечения луча в направлении со всеми поверхностями, решив для этого относительно совместно систему уравнений, описывающих поверхность и прямую в направлении , проходящую через точку
    

                                        (3)

    
где - расстояние от точки по лучу до пересечения с -й поверхностью.
    
    Система уравнений (3) для каждой поверхности может иметь одно, два или ни одного решения, что соответственно означает однократное, двукратное или отсутствие пересечения -й поверхности лучом.
    
    Полученным решениям присваивают номер (=1, ..., , где - максимальное количество пересечений лучом поверхностей объекта).
    
    3.3.2. Располагают полученный массив значений (=1, ..., ), в порядке возрастания, формируя при этом последовательность соответствующих номеров поверхностей .
    
    3.3.3. Вычисляют длины отрезков между последовательными пересечениями
    

,                                            (4)

    
положив (пересечение лучом точки ).
    
    3.3.4. Вычисляют в произвольной точке каждого из отрезков (=1, 2, …, ) относительно всех поверхностей (=1, 2, …, ), используя соотношение (1) и рекуррентные соотношения:
    

                                                 (5)

, …, ; =1, …,

    
где - номер пересекаемой лучом поверхности.
    
    3.3.5. Из полученных индексов неопределенности для точки отбирают относящиеся к -й зоне и формируют совокупность векторов неопределенности (=1, …, ).
    
    3.3.6. Определяют последовательность номеров зон (=1, …, ), в которых расположены отрезки луча , путем отыскания одинаковых (равных) векторов среди и (=1, …, ). Отсутствие таких векторов для некоторой точки свидетельствует о ее расположении вне объекта и процесс идентификации отрезков для прекращают.
    
    3.3.7. Вычисляют количество вещества на пути луча по формуле
    

.                                             (6)

    
    3.4. Функции самоэкранированности и экранированности защитой должны быть рассчитаны аналогично , причем для вычисления и осуществляют раздельное суммирование расстояний, пройденных лучом в зонах фантома и защиты, умноженных на плотность вещества в соответствующих зонах.
    
    3.5. Возможный способ реализации алгоритма приведен в рекомендуемом приложении.
    
    

ПРИЛОЖЕНИЕ
Рекомендуемое

    
СПОСОБ РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМА (ПРОГРАММА OPTIC)

    
1. Описание программы OPTIC

    
    1.1. Программа OPTIC предназначена для расчета функций экранированности , самоэкранированности и экранированности защитой точек в объектах сложной геометрической конфигурации с непостоянными физическими свойствами по объему. Вычисление функции экранированности, определяемой выражением (2) настоящего стандарта, осуществляется методом Монте-Карло. Программа написана на языке Фортран и ориентирована на ЭВМ типа ЕС или БЭСМ-6. Время счета одного варианта зависит от сложности объекта и требуемой точности вычисляемого функционала. Блок-схема вычисления функционалов , и представлена на черт.1 (в левом углу блоков указаны номера, соответствующие пунктам описания программы).
    
    

Блок-схема вычисления функций экранированности ,
самоэкранированности и экранированности защитой

Черт.1

    Передача информации между подпрограммами и связь их с управляющей программой осуществляется в виде описания COMMON-областей и путем задания формальных параметров.
    
    1.2. Описание COMMON-областей
    
    1.2.1. COMMON /AG/ UR, VV, WR, А (50, 10), RO (30),
    
где UR, VV, WR - рабочие ячейки;
    
    А (50, 10) - массив коэффициентов, описывающих поверхности (задается в соответствии с таблицей настоящего стандарта;
    
    RO (30) - плотность вещества в зоне
    
    1.2.2. COMMON AG1/N, NZON, IT (50), NCF (50), MI (30), IPZ (30,6), ID (30,6), KPN (30),

где N50 - количество поверхностей, применяемое для задания объекта;
    
NZON30 - количество зон, применяемое для задания объекта (включая пустоты);
    
    IT (I) 14, I=1, ..., N - тип поверхности;
    
    NCF (I) 10, I=1, ..., N - максимальное количество коэффициентов, необходимое для задания поверхности I;
    
    МI(К) 6, K=1, …, NZON - количество поверхностей, ограничивающих зону K;
    
    IPZ (K, J) 50 - порядковый номер поверхности, ограничивающей K-ю зону (K=1, ..., NZON; J=1, ... МI(K));
    
    KPN (K) - индекс материала в зоне K (предполагается, что индекс KPN=1, имеет вещество фантома).
    
    1.2.3. COMMON /AG2/ IDI (100), IP (100), SP (100), KР (100),

где IDI (100) - массив рабочих ячеек;
    
    IP (100) - массив порядковых номеров поверхностей, пересекаемых прямой в направлении , в порядке очередности;
    
    SP (100) - массив расстояний от точки , расположенной в объекте в направлении , до пересечения с поверхностями в порядке возрастания (SP(1)=0);
    
    KР (100) - массив индексов материалов, пересекаемых лучом, в порядке очередности (KР(1) - индекс материала в зоне, содержащей точку );
    
    KР=0 - признак выхода из объекта.
    
    1.3. Входная информация о геометрии объекта
    
    Входная информация о геометрии объекта считывается с перфокарт и содержится COMMON-областях, описанных в пп.1.2.1 и 1.2.2.
    
    В данной версии программы предусмотрено использование не более 50 поверхностей 1 и 2-го порядка (задаваемых в соответствии с таблицей настоящего стандарта) для описания геометрии объекта. Максимальное количество зон не превышает 30, причем, каждая зона должна быть ограничена не более, чем шестью поверхностями. Все расстояния задаются в сантиметрах, плотность вещества в зоне - в граммах на кубический сантиметр. При необходимости расширить число зон и поверхностей для описания объекта необходимо изменить соответствующие размерности в COMMON-областях.
    
    1.4. ISTOR - число истории, необходимое для расчета функций экранированности (рекомендуемое значение ISTOR10000).
    
    1.5. ={X0, Y0, Z0} - декартовы координаты точки .
    
    1.6. Подпрограмма ROMEGA (U0, V0, W0) - подпрограмма для розыгрыша случайного направления вектора , имеющего изотропное распределение; U0, V0, W0 - направляющие косинусы вектора в декартовой системе координат. Подпрограмма использует датчик случайных чисел, равномерно распределенных на участке (0,1).
    
    1.7. Подпрограмма GEOMIN (X0, Y0, Z0, U0, V0, W0, L1) - основной модуль программы, предназначенный для вычисления расстояний от внутренней точки объекта ={X0, Y0, Z0} в направлении ={U0, V0, W0} до пересечения с поверхностями, описывающими объект, а также идентификация материалов, пересекаемых при этом лучом.
    
    Выходная информация содержится в COMMON-области, описанной в п.1.2.3, и параметре L1.
    
    L1 - максимальное количество пересечений (плюс 1) луча с поверхностями до выхода из объекта (KP(L1)=0).
    
    1.8. Вычисление толщин вещества фантома и защиты осуществляется раздельным суммированием расстояний, пройденных лучом в фантоме и защите в направлении , умноженным на плотность вещества в соответствующих зонах.
    
    1.9. Анализируется попадание величин , и в заданные интервалы толщин .
    
    В программе используется следующая сетка разбиения для {}:
    

    
    Все случаи, когда 290, фиксируются в накопителе =51.
    
    При попадании в соответствующий интервал в накопитель информации добавляется 1.
    
    1.10. Конечные функционалы получаются делением величин на число историй (ISTOR) и соответствующую ширину интервала .
    
    На печать выдаются распределения , и , =1, ..., 50, а также соответствующие величины вероятности:
    

;   и *.

_______________
    * Формула соответствует оригиналу. - Примечание .

    
    1.11. Пакет программ содержит все необходимые для проведения расчетов вспомогательные подпрограммы, включая датчик случайных чисел для ЕС ЭВМ (подпрограмма RANDU). Для проведения расчетов на ЭВМ БЭСМ-6 рекомендуется использовать генератор случайных чисел RNDN* (библиотечная программа мониторной системы "Дубна"). В этом случае необходимо заменить функцию RANNO на следующую:
    
    FUNCTION RANNO (NMB)
    
    RANNO=RNDM (-1)
    
    RETURN
    
    END
________________
    * Текст соответствует оригиналу. - Примечание .     
    
    

2. Инструкция по вводу исходных данных

3. Текст программы OPTIC

4. Пример расчета

    
    Объектом расчета является цилиндрический фантом, задаваемый в соответствии с ГОСТ, экранированный с боков цилиндрическим слоем алюминия высотой () 127 см с внутренним диаметром () 100 см и толщиной стенки () 10 см.
    
Точка расположена на оси на высоте () 54 см. Геометрия объекта приведена на черт.2.

Геометрия объекта

1, 2, ..., 7 - номера, присвоенные поверхностям (=7);
I, II, ..., V - номера, присвоенные зонам (NZON=5);
вещество фантома - в зонах I и II; вакуум - в зонах III и IV;
алюминий в зоне V (NMAT=3)

Черт.2

    Пакет входных данных для задачи и результаты расчетов по программе OPTIC представлен ниже. Время счета данного примера ~2 мин на ЭВМ ЕС-1040.

    
         
Текст документа сверен по:
официальное издание
М.: Издательство стандартов, 1984