Моделювання детектуючих систем пошуку джерел іонізуючого випромінювання

Abstract

Дисертаційну роботу присвячено розв’язанню актуальної науково-прикладної задачі – визначенню і оптимізації технічних характеристик пристроїв для пошуку та ідентифікації джерел випромінювання шляхом дослідження методом Монте-Карло фізичних процесів, що відбуваються у речовині приладів під дією електромагнітного випромінювання. Зокрема, проведено дослідження фізичних процесів, що відбуваються у речовині детекторів супутникового спектрометра-телескопа “СТЕП-Ф” наукового космічного експерименту “КОРОНАС-ФОТОН”. Показано, що прилад дозволяє реєструвати електрони в діапазоні енергій 0,2-20 МеВ; протони - в діапазоні енергій 3,5-77 МеВ; альфа-частинки – в діапазоні енергій 13,5-307 МеВ. Встановлено, що визначення напрямку приходу електронів можливо для частинок з енергією більше 4,5 МеВ. Досліджені фізичні процеси, що впливають на амплітуду імпульсів у детекторах приладу для визначення напрямку на джерело γ-випромінювання. За рахунок зміщення детекторів приладу відносно центрів порожнин, в яких вони розташовані, діапазон напрямків реєстрації γ-квантів розширено на 18°. Розроблено і досліджено модель конвертора гальмівного випромінювання. Отримано спектральні й кутові характеристики гальмівного випромінювання і потоку нейтронів від гальмівного конвертора, що дозволяє використовувати конвертор для виробництва медичних ізотопів, а також для дослідження механізмів утворення ізотопу 7Be у атмосфері Землі.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-прикладной задачи – определению и оптимизации свойств и технических характеристик устройств для поиска и идентификации источников излучения путем исследования методом Монте-Карло физических процессов, происходящих в веществе приборов под действием ионизирующего излучения. Решению указанной задачи в работе предшествует исследование математических аспектов компьютерного моделирования физических процессов взаимодействия электромагнитного излучения с веществом и анализ проблем, существующих в данной области. Проведено исследование физических процессов, происходящих в веществе детекторных блоков приборов для регистрации ионизирующего излучения, а также технических устройств, разрабатываемых для изучения характеристик излучения, в частности, спутникового спектрометра-телескопа “СТЭП-Ф” научного космического эксперимента “КОРОНАС-ФОТОН”; прибора для определения направления на точечный источник гамма-излучения; конвертера тормозного излучения. Показано, что прибор “СТЭП-Ф” позволяет регистрировать электроны в диапазоне энергий 0,2-20 МэВ; протоны – в диапазоне энергий 3,5-77 МэВ; альфа- частицы – в диапазоне энергий 13,5-307 МэВ. Для первичных электронов с энергией 4,5 МэВ и более возможно определение направления прихода частицы путем регистрации её элементами кремниевых матриц с идентичными номерами системы детекторов D1–D2. Проведено моделирование генерации вторичных частиц и показано, что в сцинтилляционных детекторах при регистрации протонов образуется абсолютное большинство вторичных частиц, определены их энергии. Показано, что вклад вторичных частиц в возможные радиационные повреждения детекторов прибора является незначительным. Исследованы физические процессы, влияющие на амплитуду импульсов в детекторах прибора для определения направления на точечный источник γ-излучения, Показано, что определение направления на источник излучения возможно в диапазоне азимутальных углов от –40° до 200°. Предложен способ определения направления прихода γ-квантов в систему, в которой детекторы смещены относительно геометрических центров полостей, в которых они расположены. Данная коррекция позволяет расширить диапазон направлений регистрации γ-квантов. Разработана и исследована модель конвертора тормозного излучения. Получены спектральные и угловые характеристики тормозного излучения и потока нейтронов от тормозного конвертора, что позволяет использовать конвертор для производства медицинских изотопов, а также для оценки средних значений сечений (от порога до 90 МэВ) реакций А(γ,X)Be7 на элементах C, N и O природного изотопного состава, что позволяет исследовать вклад фотоядерного механизма в производство радиоизотопа 7Be в земной атмосфере.

The thesis is devoted to solving the actual scientific and applied problem of determining and optimization the properties and technical characteristics of devices for searching and identifying the radiation sources by means of Monte Carlo simulation of the physical processes occurring in detector materials under the electromagnetic irradiation, and comparison of the results with the experimental data. In particular, a study of the physical processes occurring in the material of the “STEP-F” satellite spectrometer telescope has been done. It is shown that the device allows one to register electrons in the energy range 0.2-20 MeV, protons in the energy range 3.5-77 MeV and alpha-particles in the energy range 13.5-307 MeV. It has been shown that it is possible to determine the angle of arrival for electrons with energies higher than 4.5 MeV. Physical processes that affect pulse amplitude in detectors of the device designed for determining the direction of gamma-radiation source were investigated. The range of gamma-rays registration directions is increased by 18 degrees due to the shift of detectors inside cavities in which they are located. The bremsstrahlung converter model has been developed and investigated. Spectral and angular characteristics of bremsstrahlung and neutron flux from the converter were obtained. These results allow us to use a converter for the production of medical isotopes, as well as for the study of the mechanisms of the isotope 7Be formation in the Earth's atmosphere.