РД 50-25645.216-90

Группа Ф40

     
     
РУКОВОДЯЩИЙ НОРМАТИВНЫЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Безопасность радиационная экипажа космического
аппарата в космическом полете

МЕТОД РАСЧЕТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕННОЙ И ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗ
КОСМИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ПО ТОЛЩИНЕ МАТЕРИАЛОВ НА ВНЕШНЕЙ
ПОВЕРХНОСТИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА ОРБИТАХ,
ПРОХОДЯЩИХ ЧЕРЕЗ ЕРПЗ

     
     
ОКСТУ 6968

Дата введения 1991-07-01

     
     
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

     
     1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Минздравом СССР
     
     РАЗРАБОТЧИКИ
     
     Н.А.Анфимов, член-корр. АН СССР; В.В.Архангельский; В.Н.Васильев, канд. техн. наук; А.А.Волобуев; В.А.Гончарова; А.И.Григорьев, д-р мед. наук; В.Е.Дудкин, д-р физ.-мат. наук; Е.Е.Ковалев, д-р техн. наук; В.В.Козелкин, д-р техн. наук; Е.Н.Лесновский, канд. техн. наук; В.Г.Митрикас, канд. физ.-мат. наук; В.А.Панин, Е.В.Пашков, канд. техн. наук; В.М.Петров, канд. физ.-мат. наук; Ю.В.Потапов, канд. физ.-мат. наук; В.А.Шуршаков, канд. физ.-мат. наук
     
     2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 28.03.90 N 660
     
     3. Срок первой проверка - 1996 г., периодичность проверки - 5 лет
     
     4. ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
     
     5. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
     

_______________
     * Действуют СП 2.6.1.758-99 (НРБ-99), здесь и далее по тексту. - Примечание изготовителя базы данных.

      
     
     Настоящие методические указания устанавливают метод расчета поглощенной и эквивалентной доз от протонов и электронов естественного радиационного пояса Земли (ЕРПЗ) за защитой толщиной до 1,5 г/см (в массовых единицах длины), выполненной из материалов с зарядом 15 при космических полетах на высотах от 200 до 10 км при разных наклонениях орбиты к плоскости экватора.
     
     Методические указания предназначены для расчетов дозовых нагрузок на биологические и технические объекты, в том числе на космонавтов при их работе вне космического аппарата.
     
     

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

     
     1.1. Метод расчета доз от протонов основан на предположении прямолинейного распространения и непрерывного торможения протонов в веществе. Ослабление первичного потока протонов за счет ядерных взаимодействий не учитывают.
     
     1.2. Метод расчета доз от электронов основан на рассмотрении многократного рассеяния в веществе с учетом ионизационных потерь, пренебрегая их флуктуациями. Вклад в дозу от тормозного излучения не учитывают.
     
     1.3. Входная информация, необходимая для проведения расчетов, должна содержать:
     
     - дифференциальные энергетические спектры протонов и электронов  и , вычисляемые в соответствии с ГОСТ 25645.138, ГОСТ 25645.139;
     
     - заряд  и массовое число  для вещества защиты;
     
     - значения пробегов  и ионизационных потерь  в веществе защиты и веществе-поглотителе, определяемые для протонов в соответствии с РД 50-25645.206 или приложением 1, для электронов - в соответствии с приложением 1. Разрешается использовать для определения  и  аппроксимационные выражения вида:
     
     а) протоны (для защиты из алюминия):     

     б) протоны (для тканеэквивалентного вещества):     

     в) электроны (для защиты из алюминия):
     

;

;

     
     г) электроны (для тканеэквивалентного вещества):
     

;    ,

     
где  в МэВ,  в г/см;

     
     - зависимость коэффициента качества  от ионизационных потерь  для протонов, определяемую аппроксимацией регламентированных в НРБ-76/87 нормативных значений, в виде:
     

     
     
2. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ПОГЛОЩЕННОЙ И ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗ
ОТ ПРОТОНОВ И ЭЛЕКТРОНОВ

     
     2.1. За исходные данные принимают нормальное падение широкого пучка частиц на плоский полубесконечный слой толщиной . Защита выполнена из материала с 15, толщина защиты не превышает 1,5 г/см. Дозу определяют в точке вещества-поглотителя, располагающегося непосредственно за защитой.
     
     2.2. Алгоритм расчета доз от протонов
     
     2.2.1. Поглощенную дозу в веществе защиты от протонов, имеющих энергетический спектр , за защитой толщиной  вычисляют по формуле
     

,                                               (1)

     
где  - ионизационные потери протонов в веществе защиты, МэВ·г·см;

     
      - коэффициент перехода от поглощенной энергии к дозе, равный 1,6·10 Гр·МэВ·г;
     
      - величина поглощенной дозы, Гр;
     
      - энергия протонов на глубине защиты , связанная с энергией протонов, падающих на защиту , соотношением "пробег-энергия"
     

,                                                    (2)

     
где  и  - ионизационные пробеги протонов с энергиями  и , соответственно, в веществе защиты;
     
     0,1 МэВ.
     
     2.2.2. Поглощенную дозу в тканеэквивалентном веществе определяют по формуле
     

,                                  (3)

     
 где  - ионизационные потери протонов в тканеэквивалентном веществе.
     
     2.2.3. Эквивалентную дозу от протонов за плоским слоем толщиной  вычисляют по формуле
     

.                             (4)

     
     2.2.4. Для расчета доз от протонов по формулам (1-4) задают расчетную сетку изменения энергий, равномерную в логарифмическом масштабе: 1,122; 1,414; 1,778; 2,239; 2,818; 3,548; 4,467; 5,623; 7,079; 8,913 МэВ в каждом порядке изменения значений . При этом интервалы изменений  равны: 0,259; 0,326; 0,410; 0,517; 0,650; 0,819; 1,031; 1,298; 1,633; 2,057 МэВ.
     
     2.2.5. Вычисляют значения доз, заменяя интегрирование суммированием по .
     
     2.2.6. Переходят к другим слоям защиты и (или) тканеэквивалентного вещества.
     
     2.3. Алгоритм расчета доз от электронов
     
     2.3.1. Определяют  и , где  - дифференциальный энергетический спектр электронов ЕРПЗ в интервале энергий электронов 0,04 МэВ и 4,0 МэВ.
     
      2.3.2. Задают полное число статистических испытаний  (от 1000 до 5000 историй), присваивают начальные значения накопителей для статистической оценки дозы 0 и квадрата дозы 0, присваивают начальное значение номеру текущего испытания 0.
     
     2.3.3. Определение начальных значений величин для -го статистического испытания
     
     2.3.3.1. Присваивают начальные значения:
     
     - глубине проникновения электрона в пластину 0;
     
     - косинусу угла падения электрона  на пластину, 1 (нормальное падение).
     
     2.3.3.2. Определяют начальное значение энергии падающего электрона  (метод Ноймана):
     
     - генерируют , здесь и далее  - случайные числа, равномерно распределенные в интервале [0; 1];
     

                                                                            
где  и  - минимальное и максимальное значения энергии в спектре электронов;
     
     - если , то переходят к генерации  и .
     
     Начальной энергии электрона  присваивают значение ; .
     
     2.3.3.3. Полагают 1.
     
     2.3.4. Движение электрона через слои вещества в пластине
     
     2.3.4.1. Вычисляют параметр экранирования Мольер
     

,                        (6)

     
где .

     
     2.3.4.2. Определяют средний пробег электрона до рассеяния:
     

, г/см,                                       (7)

     
где 6,022·10, 1/моль;

     
,                            (8)

     
где 2,818·10 см.

     
     2.3.4.3. Определяют пробег электрона до рассеяния
     

, г/см.                                                   (9)

     
     2.3.4.4. Рассчитывают пробег электрона с энергией
     

, г/см,                                                     (10)

     
где  - аппроксимирующая функция, связывающая энергию электрона с его пробегом в веществе защиты.
     
     2.3.4.5. Рассчитывают координату точки рассеяния :
     

, г/см.                                        (11)

     
      2.3.4.6. Рассчитывают энергию электрона в точке рассеяния
     

, МэВ,                                           (12)

     
где  - функция, обратная .

     
     Если , перейти к п.2.3.3.2.
     
     2.3.4.7. Рассчитывают косинус угла рассеяния:
     

.                                          (13)

     
     2.3.4.8. Рассчитывают косинус угла между импульсом электрона после рассеяния и нормалью к пластине
     

,                                (14)

     
где .

     
     2.3.4.9. Если 0, то переходят к п.2.3.3.2.
     
     2.3.4.10. Если , то переходят к п.2.3.3.2.
     
     2.3.4.11. Если 0, то присваивают ;
     
     ;  и переходят к п.2.3.4.
     
     2.3.5. Определение вклада в поглощенную дозу от -го испытания
     
     2.3.5.1. Вычисляют
     

, Гр,                                            (15)

     
где  - аппроксимирующая функция, связывающая энергию электрона и ионизационные потери в веществе-поглотителе.
     

;                                                           (16)

     
.

     
     2.3.5.2. Если , то переходят к п.2.3.3.
     
     2.3.6. Определяют средние значения поглощенных доз
     

, Гр                                                       (17)

     
и средние квадратичные отклонения

     
.                                             (18)

     
     2.3.7. Поглощенную (эквивалентную) дозу от спектра электронов, распределенных по закону  в интервале  вычисляют по формуле
     

, Гр.                                             (19)

     
     2.4. Примеры расчета поглощенной и эквивалентной доз от протонов и электронов ЕРПЗ приведены в приложении 2.
     
     

ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Справочное

ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ И ПРОБЕГИ ПРОТОНОВ И ЭЛЕКТРОНОВ
В АЛЮМИНИИ И ТКАНЕЭКВИВАЛЕНТНОМ ВЕЩЕСТВЕ

     
1. Протоны

     
Таблица 1

     
     
 2. Электроны

     
Таблица 2

     
     Примечание. При пользовании табл.1 и 2 для промежуточных значений ,  и  применяют линейную интерполяцию между двумя соседними значениями.
     
     

ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Справочное

     1. Пример расчета поглощенной и эквивалентной дозы от протонов ЕРПЗ  

     
     1.1. Выбираем точку околоземного космического пространства с координатами 0,2 Гс и 2,0. Для эпохи максимума солнечной активности по ГОСТ 25645.138 находим коэффициенты для расчета энергетического спектра плотности потока протонов с энергией больше :
     

,                                                  (20)

     
     5,9910·10, -8,6988·10, 5,2703·10, -1,5394·10, 2,1688, -1,1921.
     
     Дифференциальный энергетический спектр  вычисляем из выражения (20).
     
     1.2. Из ГОСТ 25645.138 для выбранных ,  находим 0,1 МэВ, 200 МэВ.
     
     1.3. Задаем заряд вещества защиты 13 и массовое число 27.
     
     1.4. Задаем толщину защиты 0,01; 0,05; 0,1; 0,5; 1 г/см.
     
     1.5. Вычисляем энергетический спектр плотности потока протонов в прот/(см·с). Для значений энергий из п.2.2.4 получаем:
     
     

Таблица 3

     
     
     1.6. Вычисляя по полученным результатам дифференциальный энергетический спектр протонов и подставляя полученные значения в формулы (1-4), получаем мощности доз , рад/с, и , бэр/с.
     
     

Таблица 4

     
     
      2. Пример расчета поглощенной (эквивалентной) дозы от электронов ЕРПЗ
     
     1. Выбираем точку околоземного космического пространства с координатами 0,2 Гс и 2,0. Для эпохи максимума солнечной активности по ГОСТ 25645.139 находим коэффициенты для расчета энергетического спектра плотности потока электронов с энергией больше
     

,                                                (21)

     
где  - энергия электрона, кэВ;

     -8.2008+00; 2.1010+01; -9.5091+00; 1.6550+00; -1.3243-01.
     
     Дифференциальный энергетический спектр  вычисляем из выражения (21).
     
     2. Из ГОСТ 25645.139 для выбранных  и  находим 0,04 МэВ, 4,0 МэВ.
     
     3. Задаем заряд вещества защиты 13 и массовое число 27 г/моль.
     
     4. Задаем толщины защиты 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5.
     
     5. Задаем полное число статистических испытаний 1000.
     
     6. Вычисляя по изложенному выше алгоритму, получаем значения мощности доз в ткани  за защитой из алюминия.
     
     

Таблица 5