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