Компьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте GERDA и радиационной обстановки на поверхности Луны

Математическое моделирование процесса взаимодействия частиц и ядер со сложными макроскопическими мишенями является необходимым этапом широкого круга исследований в фундаментальной и прикладной ядерной физике.

При планировании, подготовке и интерпретации результатов экспериментов в физике атомного ядра, элементарных частиц, неускорительной физике, необходимо компьютерное моделирование экспериментальной установки с целью предсказания фоновых условий и изучения отклика детекторов.

Ряд важных научно-технических проблем включает, как необходимый этап их решения, компьютерное моделирование ядерно-каскадного и электромагнитного процессов в мишени. Имеются в виду расчеты потоков вторичных частиц и ядерных фрагментов, энерговыделения и образования нуклидов под действием пучка ускорителя, либо внешнего облучения космического происхождения. Достаточно упомянуть такие приложения, как создание интенсивных импульсных источников нейтронов, изучение возможностей ADS (Accelerator Driven Systems), адронная терапия в онкологии, радиационная защита на ускорителях и в космосе и др.

Основным методом теоретического описания взаимодействия частиц и ядер высоких энергий со сложными мишенями в настоящее время является статистическое компьютерное моделирование (метод Монте-Карло). Поэтому универсальные компьютерные программы, позволяющие проводить такое моделирование, являются обязательной частью современного инструментария в физике ядра и элементарных частиц. В качестве примера можно привести известные программы Geant4, FLUKA, MCNPX, PHITS и отечественный транспортный код SHIELD.

Настоящая диссертации посвящена применению методов компьютерного моделирования при реализации проекта GERDA по поиску.

7 f двойного безнейтринного бета-распада изотопа Ge и для оценки радиационной обстановки на поверхности Луны в связи с проектами создания обитаемой лунной базы. Актуальность диссертации обеспечивается масштабностью и значимостью указанных проектов для фундаментальной физики и космонавтики. В качестве инструмента моделирования использовались пакет Geant4 и транспортный код SHIELD.

Изложение построено следующим образом. Глава 1 имеет обзорный характер. В § 1.1 поясняется значение эксперимента GERDA для современной физики элементарных частиц, перечислены прошлые и планируемые эксперименты по поиску двойного безнейтринного бета-распада, описана схема и этапы эксперимента. Обозначены вопросы, на решение которых направлена настоящая диссертация. Следующий параграф касается перспектив и проблем создания обитаемой базы на Луне, с акцентом на оценку радиационных условий и историю этого вопроса. Сформулированы цели настоящей работы. В последнем параграфе Главы 1 дано краткое описание программ Geant4 и SHIELD как инструментов исследования.

Глава 2 содержит постановку задачи и результаты, полученные диссертантом, по расчету и минимизации фонов в массиве германиевых детекторов эксперимента GERDA. Рассмотрены внутренние и внешние источники фона, включая мюоны, а также пути подавления фона при разной конфигурации массива детекторов. Расчеты проводились с помощью пакета Geant4, настроенного под задачи проекта (принятое в коллаборации GERDA название пакета — MaGe). Полученные результаты обсуждаются в § 2.6.

Глава 3 касается разработки транспортного контейнера для перевозки германия. Технологический цикл эксперимента GERDA включает транспортировку обогащенного германия по поверхности земли в течение значительного времени (не менее 20 дней). В это время германий подвергается облучению протонами и нейтронами космического происхождения. В отсутствие защиты это приводит к недопустимому уровню загрязнения германия радиоактивными изотопами 60Со и 68Ge. Диссертантом предложена наиболее оптимальная конфигурация защитного контейнера, позволяющая добиться максимального снижения радиоактивного загрязнения при заданной массе контейнера. Контейнер был изготовлен и успешно применялся для транспортировки. Расчеты по оптимизации контейнера проводились с помощью кода SHIELD.

Радиационные условия на поверхности Луны рассматриваются в Главе 4. Из-за отсутствия атмосферы и магнитного поля поверхность Луны подвергается интенсивной бомбардировке протонами и ядрами галактического (ГКЛ) и солнечного (СКЛ) космического излучения, что инициирует интенсивные потоки вторичных частиц в приповерхностных слоях лунного грунта. Диссертантом были вычислены дифференциальные потоки протонов и нейтронов, а также ядерных фрагментов, на разной глубине в грунте, под действием ГКЛ и СКЛ, в годы минимума и максимума солнечной активности. Рассчитаны поглощенная и эквивалентная среднетканевые дозы. Вычислены потоки вторичных нуклонов от ядер ГКЛ и их вклад в дозу. Расчеты проводились с помощью транспортного кода SHIELD.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации.

4.7 Выводы.

Описана методика и представлены результаты оценки потоков частиц и локальной дозы в ткани на поверхности Луны и в лунном грунте под действием ГКЛ и СКЛ. Показано, что:

• вклад в дозу от вторичных нейтронов, на глубинах, превышающих ~0.5 м, превосходит вклад от протонов, как для ГКЛ, так и для СКЛ, особенно для эквивалентной дозы;

• учет ядер ГКЛ увеличивает дозу в полтора раза по сравнению с дозой только от протонов ГКЛ;

• вклад в дозы от ядер СКЛ составляет лишь несколько процентов от дозы от протонов СКЛ;

• максимум развития адронного каскада (максимальные потоки) находится в Лунном грунте на глубине ~0.8 м;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, методом математического моделирования, получены следующие результаты:

1. Изучены источники фона и предложены пути минимизации влияния фоновых событий в массиве детекторов эксперимента GERDA.

1.1. Рассмотрены варианты «малых» детекторов (массой 1 кг) и «больших» детекторов (массой 2 кг). Массив несегментированных детекторов массой 1 кг удовлетворяет условиям проведения фазы 2 эксперимента GERDA. Хотя фоновые условия в случае малых детекторов будут в 3−4 раза хуже по сравнению с базовым вариантом больших детекторов, но являются приемлемыми при условии, что набор статистики начнется не раньше 2009;2010 года, когда в основном распадется накопленный в германии изотоп 68Ge.

1.2. Сегментирование детекторов сказывается, прежде всего, на уменьшении внутреннего фона. Сегментирование больших детекторов избыточно подавляет внутренний фон от б0Со.

1.3. Внутренний фон детекторов является доминирующим. Фон от окружения надежно подавляется.

1.4. Уменьшение расстояний между малыми детекторами и применение активной защиты позволит снизить фон в малых детекторах в 1.5−2 раза.

1.5. Применение жидкого аргона вместо азота позволит примерно-в 1.5 раза эффективнее подавлять внешний гамма-фон при незначительном (несколько процентов) ухудшении фона от внутренних.источников.

2. Выполнен расчет и оптимизация параметров контейнера для транспортировки обогащенного германия.

2.1. С помощью генератора ядерных реакций кода SHIELD рассчитаны функции возбуждения реакций с образованием радиоизотопов 68Ge и.

Со при взаимодействии протонов и нейтронов со стабильными изотопами германия при энергиях до нескольких ГэВ. Функции возбуждения для протонов хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными. Для нейтронов экспериментальные данные отсутствуют, но полученное согласие для протонов позволяет доверять расчетным функциям возбуждения для нейтронов. Дано сравнение с расчетами функций возбуждения по программам LAHET и ISABEL.

2.2. Путем численных экспериментов подобрана геометрия транспортного контейнера из железа, обеспечивающая снижение космогенной активации до допустимого уровня. Оптимизация контейнера проводилась при ограничении на его массу, равном 15 т.

Подавление активации зависит от изотопного состава транспортируемого германия. При обогащении до уровня -87% 76Ge и -13% 74Ge достигается подавление активности 60Со в 20 раз, а активности 68Ge в 10 раз по сравнению с транспортировкой без защиты. Указанная степень подавления активации удовлетворяет требованиям эксперимента GERDA. Дается сравнение с оценками, сделанными коллаборацией Majorana.

2.3. На основе проведенных расчетов был изготовлен транспортный контейнер и проведена успешная пробная перевозка автотранспортом 10 кг обогащенного германия из г. Зеленогорск (Красноярский край) в г. Мюнхен (Германия) за 20 дней.

3. Сделана оценка радиационной обстановки на поверхности Луны в связи с обсуждаемыми проектами обитаемой лунной базы.

3.1. Описана методика и представлены результаты оценки потоков частиц и локальной дозы в ткани на поверхности Луны и в лунном грунте под действием ГКЛ и СКЛ. Методика полностью основана на отечественных моделях, данных и компьютерных кодах.

3.2.Максимум развития адронного каскада (максимальные потоки) находится в Лунном грунте на глубине ~0.8 м.

3.3.Вклад в дозу от вторичных нейтронов, на глубинах, превышающих ~0.5 м, превосходит вклад от протонов, как для ГКЛ, так и для СКЛ, особенно для эквивалентной дозы.

3.4.Учет ядер ГКЛ увеличивает дозу в 1.5 раза по сравнению с дозой только от протонов ГКЛ.

3.5.Мощность дозы от ГКЛ на поверхности Луны не превышает профессионального предела для космонавтов (66.5 cSv/year), но близка к нему.