ГОСТ 25645.204-83 Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете. Методика расчета экранированности точек внутри фантома

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 объект

а).

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 прекра

щают.

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 "КОДЕКС".

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 "КОДЕКС".

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:

М.: Издательство стандартов, 1984