Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Активная защита космических кораблей при межпланетных полетах 19
Введение 19
1.1 Методы определения радиационной обстановки за магнитной защитой 32
1.2 Варианты магнитных систем типа коаксиал 42
1.3 Защитные характеристики вариантов коаксиала (предварительный анализ) 50
1.4 Определение характеристик магнитной защиты обратным траекторным методом 64
1.5 Траектории частиц в защите при поле 1/г 71
1.6 Расчеты обратным траекторным методом для поля В = const. 77
1.7 Технология расчетов с помощью обратного траєкторного метода 83
1.8 Заключительные замечания 84
Выводы 86
Глава 2. Электромагнитные факторы на борту межпланетных и околоземных пилотируемых космических аппаратов и возможности защиты экипажей от их воздействия 87
Введение 87
2.1 Магнитная обстановка на борту при космических полетах и на лунной базе 95
2.1.1 Межпланетные полеты и лунная база 95
2.1.2 Магнитная обстановка на борту при орбитальных космических полетах. 96
2.2 Имеющиеся литературные данные о воздействии слабых и сверхслабых магнитных полей, а также гипомагнитных условий и краткий обзор теоретических работ по механизмам этого воздействия 100
2.3 Возможности создания «искусственного геомагнитного поля» в космосе 110
2.3.1 Возможности создания «искусственного геомагнитного поля» на борту космического корабля в дальнем полете 110
2.3.2 Возможности создания «искусственного геомагнитного поля» на лунной базе 115
2.3.3 Особенности компенсации переменного уровня геомагнитного поля при околоземных полетах 117
2.4. Некорректность встречающихся в литературе утверждений о возникновении электрических полей в организме космонавтов «при пересечении силовых линий ГМП» 124
2.5 Особенности нормирования электромагнитных полей с широкополосным спектром. 127
2.6 Учет особенностей нормирования электромагнитных полей с широкополосным спектром при разработке требований к измерительной аппаратуре для МКС 137
Выводы 141
Глава 3. Применение методов радиотермометрии при моделировании воздействия факторов космического полета на организм и для возможного контроля его состояния в межпланетном полете и на лунной базе 142
Введение 142
3.1 Нахождение профиля температуры по глубине Т(х) по собственному радиоизлучению среды 146
3.2 Аппаратура и методики, которые применялись при моделировании воздействия моделируемых факторов космического полета в исследованиях ИМБП с участием испытателей. 151
3.3 Исследования с помощью радиотермометрии особенностей воздействия некоторых моделируемых факторов космического полета 153
Выводы 158
Глава 4. Вопросы метрологического обеспечения радиобиологических и радиационно-физических экспериментов на ускорителях заряженных частиц применительно к межпланетным (и околоземным) космическим полетам 159
Введение 159
4.1 Метод определения средней скорости частиц пучка по зависимости интенсивности излучения Вавилова Черенкова в оптическом диапазоне от показателя преломления радиатора 161
4.2 Метод нахождения спектра скорости частиц в пучке по зависимости интенсивности излучения Вавилова Черенкова в оптическом диапазоне от показателя преломления радиатора . 164
4.3 Некоторые практические вопросы создания черенковских спектрометров пучка для ускорителей 168
4.4 Метод определения скорости частиц пучка, основанный на использовании дисперсии света в радиаторе 172
Выводы 176
Выводы 177
Заключение 180
Список использованных источников 182
- Определение характеристик магнитной защиты обратным траекторным методом
- Имеющиеся литературные данные о воздействии слабых и сверхслабых магнитных полей, а также гипомагнитных условий и краткий обзор теоретических работ по механизмам этого воздействия
- Нахождение профиля температуры по глубине Т(х) по собственному радиоизлучению среды
- Метод нахождения спектра скорости частиц в пучке по зависимости интенсивности излучения Вавилова Черенкова в оптическом диапазоне от показателя преломления радиатора
Введение к работе
Проблема безопасности человека в космосе до недавнего времени ограничивалась вопросами безопасности при околоземных полетах.
Перспектива пилотируемых полетов в межпланетном пространстве (например, к Марсу и обратно с высадкой на него) и создания лунных баз выдвигает совершенно новые вопросы.
К ним в первую очередь следует отнести: -необходимость обеспечения во время длительных межпланетных полетов радиационной безопасности от потоков тяжелых ионов галактических космических лучей (ГКЛ) и солнечных космических лучей (СКЛ), значительно более интенсивных по сравнению с их потоками около Земли; - необходимость снизить или вообще исключить длительное пребывание экипажа (и, вообще говоря, биорегенеративных систем жизнеобеспечения) в гипомагнитных условиях, т.е. в магнитном поле межпланетной среды, величина которого на несколько порядков ниже привычного геомагнитного поля (ГМП).
Новые аспекты появились в вопросах воздействия на борту электромагнитных полей, ранее считавшихся второстепенным или даже третьестепенным фактором. Не только в дальнем космосе, но и при околоземных полетах обнаружились новые проблемы, например воздействие на человека вариаций уровня геомагнитного поля, обусловленных изменением геомагнитных координат корабля (станции) при движении по орбите, а также процессами, происходящими в магнитосфере Земли [1,2].
При длительном межпланетном полете весьма актуальной оказывается проблема защиты экипажа от СКЛ во время солнечных событий и, в особенности, от тяжелых ионов ГКЛ, обладающих повышенным биологическим действием.
8 Именно во время полета к Земле после первой высадки на Луну астронавт E.Aldrin (Э.Олдрин) впервые сообщил о феномене ощущения зрительных образов в затемненном интерьере корабля «Аполлон-11» (1969). В результате бортовых и наземных исследований выяснилось, что это явление вызывается не только излучением Вавилова-Черенкова при прохождении космических лучей в средах глаза, но и непосредственным воздействием на сетчатку заряженных частиц с высокой линейной передачей энергии (ЛПЭ). Такую возможность предсказал в
1952 г., т.е. задолго до космических полетов, профессор С. Tobias (К. Тобайес) [3], впоследствии ведущий специалист НАСА в области космической биологии и медицины.
Не исключено, что сетчатка (и вообще нервная система) может оказаться одной из критических структур по отношению к ГКЛ при длительных межпланетных полетах [4-6]. Это исключительно важно, учитывая первостепенную роль зрительного анализатора в полете, особенно, мжпланетном.
Одним из путей решения проблемы радиационной безопасности от потоков ГКЛ при таких полетах в будущем может оказаться активная защита космических кораблей магнитными полями, отклоняющими ГКЛ от обитаемого объема. Тем самым одновременно будет решен вопрос защиты от СКЛ, что позволит осуществлять межпланетный полет независимо от состояния солнечной активности.
Межпланетный полет будет проходить в межпланетном магнитном поле, величина которого в тысячи и десятки тысяч раз меньше привычного ГМП.
Как правило, пребывание в пониженном магнитном поле отрицательно сказывается на жизнедеятельности. В литературе (например, [7-9]) приводятся результаты экспериментов на биологических объектах при воздействии гипомагнитных условий и обследования людей, находившихся в. помещениях, экранированных от электромагнитных полей (ЭМП), включая ГМП. Степень
9 ослабления ГМП в большинстве случаев была невелика и несопоставима с условиями в межпланетном пространстве.
Экипажи кораблей «Аполлон» во время лунных экспедиций уже оказывались в гипомагнитных условиях. Однако продолжительность полетов (даже с высадкой на Луну) была сравнительно короткой (~9-И2,5 суток). При дальних межпланетных полетах экипажи будут находиться в подобных условиях сотни дней. Таким образом, вопросы, связанные с гипомагнитными условиями при межпланетных полетах, актуальны.
Одним из вариантов решения проблемы является создание на борту корабля в обитаемом объеме магнитного поля, имитирующего ГМП. Как показано в наших работах [10-12], это вполне возможно. Более того, подобные системы можно использовать на борту околоземных пилотируемых объектов (станций). Выше уже указывалось, что колебания уровня ГМП на борту вследствие изменения геомагнитных координат этих объектов, а также процессов, разыгрывающихся в магнитосфере, воздействуют на космонавтов. Использование систем стабилизации уровня ГМП на борту позволит избегать нежелательных эффектов этого воздействия [12].
Тесно с этими вопросами связаны вопросы воздействия на человека и биологические системы электромагнитных полей (ЭМП), создаваемых системами и аппаратурой корабля [11].
Следует ожидать, что на борту межпланетных кораблей и на лунной базе будут находиться многочисленные системы и аппаратура, создающие при своей работе ЭМП. Скорее всего, это ЭМП будет широкополосным и квазинепрерывным. Требуется разработка подходов к его нормированию, что важно также для решения экологических задач на Земле (на производстве, в быту и т.д. [11, 13-15]).
Вместе с тем, использование собственного излучения человека в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) для изучения состояния его организма при
10 исследованиях воздействия моделируемых факторов межпланетного полета, а также, возможно, и в самом полете, может оказаться перспективным [16].
При подготовке межпланетного полета необходимо проведение широкого круга радиационно-физических и радиобиологических исследований с использованием ускорителей заряженных частиц. При этом потребуются методы, не разрушающие пучок ускорителя и не прерывающие процесс облучения объекта. Требуется и большая точность диагностики пучка. Разработка таких методов является актуальной задачей. В работе предложены неразрушающие методы диагностики на основе излучения Вавилова-Черенкова [17-19], обладающие рядом достоинств по сравнению с распространенными в практике.
В более широком плане предложенные методы могут быть полезны для мониторирования пучков при использовании ускорителей в промышленности, в медицине (онкология) и в иных целях.
Цель исследования: разработка подходов к обеспечению радиационной и электромагнитной безопасности межпланетных пилотируемых космических полетов в условиях воздействия космического излучения, гипомагнитной внешней среды и собственных электромагнитных полей корабля.
Эта цель достигается решением следующих задач.
Задача 1 - анализ видов активной защиты и выбор защиты от ГКЛ и СКЛ; - разработка методов расчета потоков космического излучения и доз за магнитной защитой: -в первом приближении без учета ослабления потоков заряженных частиц веществом корабля и магнитной защиты; -в следующем приближении - потоки частиц за магнитной защитой и дозы от них в фантоме (дозиметрической модели человека) с учетом взаимодействия заряженных частиц с веществом корабля и магнитной защиты (комбинированная защита полем и веществом) на основе обратного траєкторного метода; -определение величины ослабления потоков и доз за магнитной защитой выбранной конфигурации для спектров представительных ядер ГКЛ и СКЛ при заданной величине магнитной индукции поля и распределения масс корабля и магнитной защиты;
Задача 2: проработка возможности создания аналога ГМП на межпланетных кораблях и особенностей использования такого аналога на околоземных пилотируемых объектах (станциях) с целью избежать нежелательного воздействия на их экипажи колебаний уровня ГМП на борту; разработка подходов к нормированию сверхширокополосных ЭМП и принципов построения аппаратуры для их мониторирования на борту космических объектов; корректировка подходов к испытанию аппаратуры, предназначенной для установки на борт, с акцентом на необходимость суммирования уровней от всех источников ЭМП по всему излучаемому спектру и учета электромагнитного «эха» в корабле.
Задача 3: -анализ возможности использования собственного теплового радиоизлучения тканей и органов для изучения влияния моделируемых факторов космического полета на организм человека; - анализ теоретических основ метода радиотермометрии и возможностей его совершенствования и оценка целесообразности применения радиотермометрии и акустотермометрии в межпланетном полете и на лунной базе; - эксперименты и их результаты. Задача 4: -анализ методов определения характеристик пучков заряженных частиц при проведении радиобиологических и радиационно-физических экспериментов на ускорителях;
12 -разработка метода определения характеристик пучков по зависимости интенсивности излучения Вавилова-Черенкова (ИВЧ) от фазовой скорости света; исходные уравнения, математические проблемы и их решение, физико-технические вопросы измерений; -проработка возможности использования дисперсии света в радиаторах ИВЧ для определения характеристик пучков и одиночных импульсов (сгустков) частиц, а также характеристик сгустков частиц внутри этих импульсов; -анализ возможности использования разработанных методов для определения характеристик потоков тяжелых заряженных частиц.
Проведенные исследования характеризуются не только актуальностью, но и новизной.
Дополнительно к уже известной конфигурации системы магнитной защиты типа тороидального соленоида («коаксиала») с магнитным полем В, зависящим от вектора-радиуса г как 1/г, предложена и рассмотрена конфигурация коаксиала с полем В = const, отличающаяся рядом достоинств [20].
Завершено [20] развитие обратного траєкторного метода расчета потоков ГКЛ и СКЛ за магнитной защитой и определения доз в фантоме с учетом дополнительного взаимодействия заряженных частиц с веществом корабля и элементами магнитной защиты [21,22,29], что является новым. Этот метод позволяет эффективно решать такие важные, но плохо поддававшиеся анализу задачи, как оценка комбинированной защиты магнитным полем и веществом.
Проведены расчеты магнитных систем для создания аналога ГМП на борту межпланетных кораблей. Показано, что такие системы не будут обладать ни значительной массой, ни заметным потреблением энергии [12]. Их аналоги можно использовать также на борту околоземных пилотируемых объектов (станций) для поддержания постоянства модуля магнитного поля в обитаемом объеме, что является принципиально новым подходом к решению задачи об исключении нежелательного воздействия на экипажи колебаний уровня ГМП на борту.
13 Подход к определению уровней воздействия сверхширокополосного фона
ЭМП, как фона множества виртуальных источников, является также новым [13 -
15]. Распространенное мнение, что если выполнены требования по электромагнитной совместимости (ЭМС) аппаратуры, то заведомо выполнены требования по электромагнитной безопасности для человека, в случае воздействия сверхширокополосных ЭМП оказывается некорректным [13-15].
На этой основе разработаны принципы построения аппаратуры для нормирования сверхширокополосных ЭМП, причем не только в космосе [14,15]. Предложено при испытаниях аппаратуры на ЭМС (во всяком случае, той, которая предназначается для использования на борту пилотируемых объектов) оценивать также ее «совместимость с человеком» [15] и учитывать при этом наличие электромагнитного «эха» в интерьерах корабля.
Разработаны методы радиотермометрии на основе регистрации собственного теплового радиоизлучения соответствующих сред применительно к исследованию влияния моделируемых факторов космического полета на организм человека [23]. Разработаны теоретически подходы к возможности использования корреляционных измерений для определения распределения температуры и электрофизических характеристик сред (в том числе, биологических) по глубине [23-25]. Впервые радиотермометрия использована для определения температурных сдвигов при воздействии некоторых моделируемых факторов космического полета на организм человека [23, 26].
Разработан неразрушающий (т.е. позволяющий проводить измерения, не прекращая облучения объекта) метод определения характеристик пучков по зависимости интенсивности излучения Вавилова-Черенкова от фазовой скорости электромагнитных волн в радиаторе, отличающийся рядом достоинств [17-19]. Впервые предложено использовать дисперсию света в радиаторах излучения Вавилова-Черенкова для неразрушающего определения характеристик пучков, характеристик одиночных импульсов (потоков) частиц и характеристик потока
14 частиц внутри посылок [19]. До этого предложения дисперсия света считалась явлением, осложняющим применение черенковских методов. Проведена теоретическая разработка метода и показана реальность осуществления такой возможности, в особенности, для измерения мощных радиационных полей [19].
Проанализирована возможность использования разработанных методов для неразрушающего определения характеристик потоков электронов и тяжелых заряженных частиц ускорителей (медицинских, исследовательских и других).
Работа представляет и теоретическую, и практическую ценность.
Ее разделы выполнялись по научно-техническим программам ГКНТ СССР, научно-техническим программам Миннауки России, по тематике РАН и Роскосмоса.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на многих конференциях и семинарах, как международных, так и всесоюзных и российских.
Работа состоит из введения, четырех глав и четырех приложений, объединенных проблемой обеспечения радиационной безопасности от ионизирующих и неионизирующих излучений и электромагнитных факторов космического пространства при межпланетных (и околоземных) полетах и работах на лунной базе.
В первой главе анализируются возможности использования так называемой активной защиты межпланетного корабля с помощью статических электромагнитных полей, отклоняющих заряженные частицы от обитаемых объемов. Опасности от жесткого электромагнитного излучения (гамма - лучей, рентгена и т.п.) в космосе нет. Анализируются причины, по которым неприемлемы предложения об использовании в качестве защиты от СКЛ и ГКЛ электростатических полей. Показано, что единственно возможным перспективным вариантом активной защиты от ГКЛ и СКЛ является защита магнитным полем. Рассмотрены возможные принципиальные варианты магнитных систем, выбран наиболее перспективный, по нашему мнению, тип магнитной защиты (МЗ) -
15 варианты тороидального соленоида с двумя разными распределениями магнитного поля внутри (поле В, спадающее по радиусу, как 1/г, где г - радиальная координата в цилиндрической системе, и В = const.).
С использованием метода, который создал F.C.M. Stormer (К. Штёрмер -иностранный член-кор. Российской АН (1918) и почетный член АН СССР (1934)) для нахождения характеристик потоков заряженных частиц в поле земного диполя, разработаны методы первоначальных оценок радиационной обстановки за магнитной защитой «коаксиал».
Показано, что вследствие ионизационных потерь частиц в веществе корабля и магнитной защиты может иметь место эффект захвата заряженных частиц магнитным полем и их возврат в защищаемый объем. До наших работ эффект захвата и необходимость его учета при расчетах магнитной защиты были неизвестны.
Разработан обратный траекторный метод расчета радиационной обстановки за магнитным полем и нахождения дозного распределения в фантоме человека с учетом взаимодействия заряженных частиц с веществом корабля и собственно защиты (т.е. по сути для комбинированной защиты полем и веществом). Выполнены параметрические расчеты величины магнитного поля, необходимого для снижения потоков ГКЛ и СКЛ до различных предполагаемых предельно допустимых уровней облучения.
Подчеркивается, что параметры магнитной защиты определяются свойствами материалов (сверхпроводящих и конструкционных) и криогенными технологиями, которые совершенствуются, в то время как параметры пассивной защиты определяются ядерными константами вещества.
Вторая глава посвящена электромагнитным факторам на борту межпланетных и околоземных пилотируемых космических аппаратов и возможности защиты экипажей от их воздействия. Рассматриваются возможности создания искусственного геомагнитного поля на борту марсианского корабля и лунной базы и связанные с этим вопросы. Приводятся краткие литературные данные по воздействию гипомагнитных условий на биообъекты и человека. Рассматриваются также особенности режима возможных магнитных систем для компенсации переменного уровня ГМП на борту при околоземных полетах. Анализируются особенности нормирования ЭМП с широкополосным спектром и проблема биоэлектромагнитной совместимости бортовой аппаратуры в пилотируемых полетах.
В третьей главе рассматриваются методы радиотермометрии при моделировании воздействия факторов космического полета на организм и контроля его состояния в дальнем космосе. Анализируются теоретические и практические вопросы радиотермометрии и акустотермометрии. Уделено внимание получению профиля глубинной температуры среды с помощью корреляционных измерений. Анализируются возможности диагностики состояния человека при моделировании воздействия экстремальных факторов, используя его собственное радиоизлучение (радиотермометрия и интроскопия, теория и методы)
Приводится описание аппаратуры и методик, разработанных совместно с член-кор. B.C. Троицким (НИРФИ) и результаты экспериментов, выполненных в ИМБП по исследованию воздействия некоторых моделируемых факторов космического полета на организм человека. Для этих целей радиотермометрия применена впервые. Рассматривается возможность применения методов акусто- и радиотермометрии в межпланетных полетах и на лунной базе для контроля за состоянием экипажа.
В четвертой главе анализируются вопросы диагностики и мониторирования пучков ускорителей при проведении радиобиологических и радиационно-физических экспериментов. Рассматривается метод определения параметров (характеристик) пучков по зависимости интенсивности излучения Вавилова-Черенкова (ИВЧ) от фазовой скорости электромагнитных волн в оптическом и радиочастотном диапазоне. Метод является практически неразрушающими и
17 может быть использован для нахождения распределения скоростей заряженных частиц в пучках, в том числе, высокоинтенсивных, причем при произвольном и неизвестном угловом распределении.
Особо выделяется вариант метода, основанный на использовании зависимости скорости электромагнитной волны (и, соответственно, порога ИВЧ) в оптическом диапазоне от ее длины, т.е. на дисперсии света. Известно, что дисперсия света, вообще говоря, осложняет применение черенковских методов. Здесь дисперсия впервые оказывается «дружественным» явлением и позволяет в принципе находить распределение частиц по скорости в одиночном импульсе ускорителя, а при выполнении некоторых требований - и внутри этого импульса. Неразрушающее измерение распределения частиц по энергии в пучках представляется весьма важным и для других приложений - для контроля процессов облучения в промышленности, биологии и медицине.
Положения, выносимые на защиту
1. Теоретические основы и методики определения защитных характеристик магнитных полей различных конфигураций от галактических космических лучей (ГКЛ) и солнечных космических лучей (СКЛ) без учета их взаимодействия с веществом, а также ослабления потоков ГКЛ и СКЛ магнитной защитой типа «коаксиал» и определения доз в фантоме за ней с учетом взаимодействия заряженных частиц с веществом корабля и магнитной защиты (комбинированная защита полем и веществом) на основе обратного траєкторного метода.
Оценки энергии представительных ядер ГКЛ, которых необходимо полностью отклонять магнитным полем от защищаемого объема (энергия отсечки) для снижения доз до предполагаемых в межпланетном полете значений.
Создание искусственного ГМП на борту межпланетных кораблей с использованием специальных магнитных систем. Показано, что такие системы будут обладать сравнительно небольшой массой и энергопотреблением.
4. Предложение поддерживать постоянство модуля магнитного поля при околоземных пилотируемых полетах с помощью магнитных систем, управляемых магнитометром в обитаемом объеме, для устранения нежелательных эффектов воздействия на экипажи вариаций уровня ГМП на борту. Рассмотрена зависимость от времени токов в магнитной системе для орбит с разными углами наклона, оценено энергопотребление таких систем.
5. В связи с перспективами резкого возрастания, особенно, на межпланетном корабле и на лунной базе, количества систем и аппаратуры, создающих при своей работе широкополосный фон ЭМП, предложено нормировать этот фон как излучение множества виртуальных источников.
6. Использование радиотермометрии при исследованиях воздействия на организм моделируемых факторов космического полета. Полученные впервые данные говорят в пользу дальнейшей разработки методов и аппаратуры радио - и акустотермометрии и ее применения в исследованиях, в отборе, при тренировках и в качестве бортовой аппаратуры межпланетных кораблей и на лунной базе.
7. Методы определения распределения скоростей частиц в пучках ускорителей на основе излучения Вавилова-Черенкова применительно к радиобиологическим и радиационно-физическим экспериментам в целях обеспечения радиационной безопасности человека в космосе. Методы практически не разрушают пучок и позволяют определять и регулировать его параметры, не прекращая облучения объекта.
Определение характеристик магнитной защиты обратным траекторным методом
Учитывая высокую скорость счета на современных компьютерах, затраты времени на нахождение интегралов не замедляют заметно процесс нахождения энергии по заданной величине пробега предложенным методом, в особенности, если исключить расчет второстепенных поправок в формуле для вычисления dT/dx.
Основной блок программы рассчитан на определение энергии по пробегу для протонов. В случае ядер учитывается, что спектры ГКЛ приводятся в энергии на нуклон. Ионизационные потери частицы с зарядом Z, атомным весом А и кинетической энергией Т на нуклон в Z2 больше, чем ионизационные потери протона с той же энергией, однако ее энергия составляет А#Т. Таким образом, ее пробег меньше в A/Z раз, чем у протона с той же энергией, что и у частицы на нуклон. Соответственно, если требуется, чтобы частица имела пробег Rb, то ее энергия на нуклон должна быть равна энергии протона с пробегом Rb«Z /А. Отсюда находится энергия на нуклон частицы с зарядом Z , атомным весом А и пробегом Rb. Применимость методики ограничена тем, что в ней не учитываются ядерные взаимодействия. Длина пути в фантоме - эквиваленте для частицы, стартующей не из центра, как и в шаровом фантоме по ГОСТ 25645.203-83 для частицы, стартующей из точки (х = 0; yt), зависит от угла \/ по - разному. Коэффициент ослабления по дозе потока частиц ГКЛ с заданным атомным номером Z и соответствующим спектром представляет собой отношение поглощенных и/или эквивалентных доз при наличии поля и в его отсутствие. Он выделяет роль магнитного поля в снижении дозы от ядер ГКЛ комбинированной защитой (т.е. защитой и полем, и веществом). Если же не задаваться ослаблением потока ГКЛ веществом, находящимся в интерьере обитаемого отсека, а также веществом корпуса и магнитной защиты, то можно найти «чистый» коэффициент ослабления ГКЛ комбинированной защитой. Однако, на наш взгляд, его величина не представляет особого интереса. В некоторых случаях проще найти «ядерные» характеристики по «протонным». Вкратце остановимся на этой возможности, которая была рассмотрена, например, в уже неоднократно упоминавшейся монографии [29]. Пусть имеется магнитное поле произвольной конфигурации, которое защищает некоторый объем от протонов с импульсами р рмакс, причем плотность распределения вещества задается функцией R(r, 0, ф). Найдем характеристики защиты по отношению к ядрам с зарядом Z, энергией (кинетической) на нуклон Т„ и массовым числом А, пренебрегая ядерными взаимодействиями в веществе. Траектории ядер в системе будут теми же, что и траектории протонов с Тр = Т„ в системе с р маКс = Zp макс/А (т.е. при величине магнитной индукции поля в A/Z раз меньше) и R = (Z /A)R). Действительно, траектории протона и ядра, исходящие из одной точки, идентичны, если условие pp/eB = Apn/eZB , где В и В величины магнитной индукции в системах, а рр и рп - импульсы на протон и нуклон ядра соответственно, при одинаковом начальном направлении движения выполнено в каждой точке траектории. Поскольку В1 = B Z/A, то это равенство сводится к рр = рп. Если это условие выполняется в начальный момент времени, то оно справедливо и в дальнейшем, поскольку плотность вещества изменена таким образом, что линейные потери энергии на нуклон и протон оказываются одинаковыми. Для того чтобы перейти к поглощенной энергии для ядер, поглощенную энергию для протонов нужно умножить на Z2. Так как для большинства групп ядер СКЛ и ГКЛ величина A/Z = 2, эквивалентное магнитное поле оказывается единым, а переход от одних Z к другим сводится к интерполяции по суммарной плотности вещества. Траектории частиц, проходящие через заданную точку (микрообъем) фантома, находящегося на оси магнитной системы, как при прямом, так и обратном счете, можно разделить на два класса. К первому относятся частицы, «пробивающие» магнитную защиту и затем сразу же идущие в фантом (Рис. 1.3 а и б). Далее они могут окончить свой пробег в фантоме или же выйти из него в интерьер корабля. Если они проходят и через интерьер и выходят в магнитную защиту, то имеются три возможности, также показанные на рисунке 1.3 а и б. Первая - частица «пробивает» магнитную защиту с другой стороны и выходит на г2. Вторая - магнитное поле заворачивает ее и направляет снова в интерьер корабля или в торец системы. Третья - магнитное поле заворачивает частицу, но она останавливается в веществе магнитной защиты. Траектории, принадлежащие к второму классу, попадают в фантом в результате захвата частиц магнитным полем вследствие потерь энергии в веществе. Все перечисленные выше случаи реализуются при обратном счете, когда частицы не тормозятся веществом, а набирают в нем энергию. При этом вектор поля необходимо инвертировать или же присвоить частицам отрицательный заряд (Рис. 1.9). Учесть изменение фазового объема при движении частиц в магнитном поле и в веществе, как уже говорилось в п. 1.1, можно двумя способами. Или использовать теорему Лиувилля, модифицированную для этих условий в работе [47], или же непосредственно находить величину изменения фазового объема в процессе вычислений. Разберем дополнительно второй способ. Для простоты выберем случай, когда интересующая точка (микрообъем) фантом находится на оси системы или достаточно близка к ней.
Имеющиеся литературные данные о воздействии слабых и сверхслабых магнитных полей, а также гипомагнитных условий и краткий обзор теоретических работ по механизмам этого воздействия
К первой относятся ЭМП, создаваемые при работе систем и аппаратуры космического аппарата (КА). Ко второй - ЭМП космического пространства.
Создание базы на Луне и межпланетный полет, когда человек будет длительное время находиться в магнитном поле, величина которого на три-пять порядков ниже привычного геомагнитного поля (ГМП), ставят совершенно новые проблемы в отношении биологического действия ЭМП космического пространства (ЭМФ КП) [10,11, 55, 56].
Исследования на биообъектах и с участием добровольцев показали, что резко пониженное магнитное поле большей частью отрицательно влияет на жизнедеятельность [7-9, 57]. При этом длительность наземных исследований с участием добровольцев (в частности, при подготовке лунных миссий по проекту «Аполлон») не превышала десятка суток [7]. Длительность полетов к Луне и обратно была того же порядка (до 12,5 суток).
Работа в условиях пониженного геомагнитного поля при наладке аппаратуры, при обработке больших массивов информации в экранированных помещениях и т.п. деятельности не может идти в сравнение с непрерывным длительным пребыванием в гипомагнитной среде при межпланетном полете. Однако и в таких условиях наблюдаются нежелательные эффекты. Следует отметить, что ГОСТ Р 51724-2001 «Экранированные объекты, помещения, технические средства. Поле гипогеомагнитное» и Санитарные Правила и Нормы СанПиН 2.2.4.1191-03 «Электромагнитные поля в производственных условиях» (2003 г.) требуют, чтобы ослабление ГМП не превышало двукратного по сравнению с величиной геомагнитного поля на данной местности.
Создание на борту марсианского корабля или на лунной базе магнитного поля, близкого по величине к ГМП, как будет показано ниже, в принципе возможно [11, 12, 55], однако требует детальной проработки как в техническом плане, так и с медико-биологических позиций. Не исключено, что придется искать компромисс между возможностями техники и резервными способностями организма.
Что касается воздействия на человека и живые системы ЭМП, создаваемых при работе систем и аппаратуры космического аппарата, то по сравнению с воздействием ЭМП в обычных (наземных) условиях оно, по-видимому, должно усугубляться из-за длительного пребывания человека в ограниченном объеме и наличия других неблагоприятных факторов полета. ЭМП в околоземном космическом полете уже рассматривали в литературе как фактор, потенциально неблагоприятный (см., например, обзорные работы [58, 59]). Однако продолжительное время его относили к факторам второстепенной или даже третьестепенной важности. Пересмотр этой точки зрения был вызван рядом причин, среди которых следует отметить: - появление новых научных материалов (экспериментальных и теоретических) о биологическом действии ЭМП, особенно, об ЭМП таких частот, которые, как ранее полагали, не имеют заметной биологической значимости; - первые экспериментальные данные о воздействии на человека в космическом полете тех ЭМП, которые обусловлены электромагнитными процессами, происходящими в магнитосфере Земли [1,2]; - увеличение длительности пребывания человека в космосе, - перспектива резкого возрастания количества систем и аппаратуры КА, создающих при своей работе ЭМП широкого спектра и самой различной величины. Следует подчеркнуть, что последнее обстоятельство будет особенно существенно для лунной базы и для межпланетного корабля. Есть отрывочные сведения, что в гипомагнитных условиях биологические эффекты техногенных ЭМП модифицируются, причем большей частью в неблагоприятную сторону. Возвращаясь к околоземным полетам надо сказать, что электромагнитный фон собственных систем и аппаратуры на отечественных орбитальных станциях («САЛЮТ», «МИР») не вызывал особого беспокойства. Так, например, на орбитальном комплексе «МИР» этот фон в тех диапазонах частот, в которых производились измерения [60], оказался заметно ниже предельно допустимых уровней (ПДУ), установленных ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате». Спектр фона - широкополосный, что объясняется разнообразием и его источников, и формы создаваемых ими колебаний. При определении соответствия такого фона нормативным значениям необходимо применять специальные подходы, развитые в наших работах [13-15]. Нет ясности с электромагнитным фоном на Международной космической станции - МКС. Измерения этого фона на борту в силу ряда причин пока не проводились. Поэтому о его характеристиках можно судить лишь косвенно - на основании данных о собственном электромагнитном излучении бортовой аппаратуры при ее тестировании на электромагнитную совместимость (ЭМС). Разработка единых нормативов для МКС осложнена тем, что подходы к нормированию ЭМП в странах-участницах проекта МКС и, соответственно, величины предельно допустимых уровней (ПДУ) в их национальных стандартах, как правило, заметно отличаются друг от друга. Обсуждения на Международной Рабочей Группе по ионизирующим и неионизирующим излучениям (MRHWG) в 2004-2005 гг. привели к единой точке зрения, что круглосуточное пребывание членов экипажа при воздействии ЭМП бортовых систем и аппаратуры эквивалентно условиям, характерным для воздействия ЭМП на население. Учитывая наличие многих других неблагоприятных факторов, воздействующих на членов экипажа в космическом полете, целесообразно при нормировании уровней ЭМП для МКС основываться именно на этом положении. Уровни ЭМП для населения в разных странах отличаются друг от друга. Особенно сильно это отличие проявляется в области высоких и сверхвысоких частот.
Нахождение профиля температуры по глубине Т(х) по собственному радиоизлучению среды
Один основан на измерения интенсивности сигнала среды на нескольких частотах, что в принципе позволяет найти распределение Т(х), используя зависимость глубины выхода излучения от частоты. Следует отметить, что именно этот метод был развит и использован B.C. Троицким в его работах по пассивной радиолокации Луны.
Другой метод основан на измерении радиоизлучения на разных модах [98]. В многочастотном и многомодовом методах радиотермометрии Т(х) находят из решений интегральных уравнений Фредгольма первого рода. Основная, принципиальная трудность состоит в том, что в ядра уравнений входит распределение коэффициента поглощения собственного радиоизлучения по глубине и(х), которое неизвестно. Это осложняет численное решение упомянутых уравнений и снижает его достоверность. Возникают и чисто технические трудности при согласовании данных, полученных с антенн-датчиков, работающих на разных частотах или модах.
Несколько особняком первоначально стоял корреляционный метод нахождения Т(х), предложенный группой исследователей под руководством проф. Y. Leroy (И. Леруа) [99,100].
Корреляционные методы выделения интересующих сигналов при измерениях с помощью шумовых датчиков известны (см., например, [101]).
Применительно к радиотермометрии предложение заключалось в том, чтобы регистрировать собственное тепловое радиоизлучение объекта двумя антеннами, диаграммы направленности которых перекрываются на некоторой глубине, а затем с помощью коррелятора выделять сигнал области перекрытия. Однако поскольку в корреляционном методе также имеет место поглощение излучения из области перекрытия вышележащими слоями, то интерпретация величины корреляционного сигнала из области перекрытия как его температуры, обязательно будет приводить к погрешности, во много раз превышающей требуемую точность измерений.
Так, при ослаблении сигнала вышележащими слоями всего на десяток процентов температура области в шкале Кельвина будет занижена уже на два десятка процентов, т.е. вместо 37 С будет принята за - 50 С. Еще одна, но уже существенно меньшая ошибка обусловлена тем, что величина области пересечения диаграмм направленности, которая определяет конечный результат, сама зависит от радиофизических свойств.
В анализе группы проф. И. Леруа эта проблема, по-видимому, вообще не была замечена, на что было обращено внимание в наших работах (например, [23-25]).
Поскольку распределение величины поглощения по глубине ц(х) представляет самостоятельный интерес, являясь по сути томографической информацией об объекте, перед нами возник вопрос, нельзя ли в тех случаях, когда изменение T(z) по глубине в шкале Кельвина незначительно, найти по радиометрическим измерениям распределение ц(х).
Для живых систем и человека названное выше условие выполняется всегда. Было показано, что задача решается и, более того, можно в принципе решить также задачу восстановления Т(х) с учетом самопоглощения средой собственного радиоизлучения. Наиболее эффективно это осуществляется на основе корреляционных измерений, соответственно модифицированных [23,96].
Рассмотрим случай полупространства, причем пусть Т и ц. зависят только от х. Для простоты примем, что размеры антенн по одной из координат малы по сравнению с длиной волны, а диаграммы направленности имеют вид лучей прожекторов.
Разумеется, эти допущения противоречивы в случае биологической среды, однако они позволяют в наиболее простом виде показать, как получен ответ. Следует заметить, что в других задачах пассивного зондирования (например, в горной промышленности и т.п.) эти предположения вполне реализуются. Далее, положим, что диэлектрическая проницаемость є слабо зависит от х, антенны согласованы со средой. Отражения на границе не учитываем, пути равны.
Решение математически сводилось к следующему. Записывалось уравнение для величины сигнала корреляции V(q,co) по амплитуде от области перекрытия диаграмм направленности: где A, W, В - некоторые функции (в частности, А и В зависят от углов приема), со- частота, q - координата области перекрытия.
Следует оговориться, что эта запись описывает идеализированный случай приема сигнала антеннами с высокой диаграммой направленности, чего в радиотермометрии биологических объектов на дециметровых длинах волн нет. Однако для демонстрации принципиальной возможности определения распределения u(q) по корреляционным измерениям такое приближение допустимо. Кроме того, возможно, что в других областях человеческой деятельности, где возможно применение антенн больших размеров, метод окажется применимым без оговорок.
Принимая, что температура в абсолютной шкале меняется по глубине незначительно, можно заменить ее на некую среднюю Т . Тогда выражение (3.3) можно преобразовать к дифференциальному уравнению Бернулли и найти из него p. (q, со). Еще проще представить правую часть как производную экспоненты, проинтегрировать от нуля до некоторого интересующего х, а затем преобразовать и продифференцировать.
Более того, в принципе возможно найти T(z), используя результаты только корреляционных измерений. Действительно, перенесем в левую часть уравнения (3.3) T(z) и проинтегрируем по z от нуля до бесконечности.
Метод нахождения спектра скорости частиц в пучке по зависимости интенсивности излучения Вавилова Черенкова в оптическом диапазоне от показателя преломления радиатора
Уравнение (4.1) может быть решено и другими методами. Однако обычный прием сведения интегрального уравнения Вольтерра первого рода к интегральному уравнению Вольтерра второго рода дифференцированием здесь нерационален. Действительно, поскольку ядро уравнения (4.1) обращается в нуль в точке Р = 1/п, то требуется продифференцировать (4.1) дважды. В результате получим интегральное уравнение Вольтерра второго рода, но с правой частью, представляющей вторую производную, которая уже является решением нашей задачи. Поэтому решение нового интегрального уравнения Вольтерра второго рода является излишним. Могут быть применены также аналоговые способы для непосредственного получения второй производной непосредственно в эксперименте.
Метод может быть использован не только для диагностики потоков заряженных частиц (электронов и ядер), но и для диагностики мощных потоков незаряженных частиц (нейтронов, гамма и тормозного излучения) по потоку вторичных заряженных частиц.
В заключение раздела отметим, что в работе [112] содержится краткое замечание, что вторая производная интенсивности ИВЧ по п позволяет получить информацию о спектре частиц по скоростям. Однако этим замечанием авторы и ограничились. Дальнейший материал в [112] посвящен определению энергии медицинского бетатрона путем экстраполяции линейного участка зависимости интенсивности ИВЧ от п, причем с заметными погрешностями. Добавим, что нелинейного участка на приведенном в работе графике зависимости 1(п) не видно.
Вначале обсудим требования к спектрометрам для электронов высокой энергии. Величины давления для различных газов в зависимости от пороговой энергии показаны на Рис. 4.3. Выбрав газ в соответствии с необходимым интервалом энергии и пределами изменения давления, можно создать черенковский монитор, покрывающий широкий диапазон энергий пучка. Предпочтительно выбирать одноатомные газы, чтобы избежать трудностей, связанных с возможной диссоциацией молекул в пучке. Если ширина распределения электронов по энергии мала, что характерно, например, для микротронов и ускорителей с высокой яркостью (светимостью), то требуемое изменение не превышает нескольких процентов. Нагрев газа-радиатора не должен влиять на характеристики спектрометра, если корпус обладает достаточной жесткостью. Нагрев в импульсе тоже несущественен, если длительность импульса мала. Так, для разрезного микротрона НИИЯФ МГУ, разработанного В.И. Шведуновым, в импульсе длительностью 5 пс ускоряется 109 электронов. В цикле - 15 сгустков, отстоящих друг от друга на 350 пс. Если наполнителем является ксенон, то при диаметре пучка 1 см при прохождении одного сгустка температура газа в пучке поднимется на 7-Ю"2 К, причем за это время объем успеет расшириться всего на сотые доли нм.
Непосредственное определение коэффициента преломления газа и его изменений в процессе измерений и наличие узкополосного фильтра перед фотоумножителем снизят погрешности эксперимента, обусловленные дисперсией. Поток фотонов ИВЧ вблизи порога для большинства ускорителей по нашим оценкам более чем достаточен для надежной его регистрации. Интенсивность ПИ, возникающего на различных граничных поверхностях (входное окно и т.п.), не меняется сколько-нибудь заметно при изменении давления (т.е. показателя преломления среды) и, следовательно, практически не влияет на результаты измерения.
Фон ПИ может быть снижен уменьшением апертуры перед фотоумножителем. Действительно, ИВЧ вблизи порога испускается в узком конусе под углом вчи = arccos (1/л/?), который в газе при энергиях до 20 МэВ значительно меньше, чем угол, под которым испускается ПИ: в пи = 1/у, где у -релятивистский фактор.
При оценке разрешающей способности предложенного монитора энергетического распределения в пучке необходимо принимать во внимание ионизационные и радиационные потери в нем и их флуктуации. Изменение энергетического распределения пучка после прохождения входного окна находится на основе известной формулы Ландау с поправкой Блунка -Лейзеганга [113] или на основе теоретических расчетов Блунка - Вестфаля [114] в случае заметных радиационных потерь. Такие же приближения могут быть использованы для оценки флуктуации потерь в газе - радиаторе. Кроме того, необходимо добавить дополнительное увеличение ширины энергетического распределения вследствие изменения величины выхода ИВЧ за счет собственно потерь энергии частицей при прохождении монитора. Чтобы существенно снизить эти эффекты, входное окно должно быть тонким, а путь электронов в мониторе - максимально коротким.
Если энергетические потери и их флуктуации по предварительной оценке могут внести заметный вклад в спектр частиц, то на следующей стадии необходимо уточнить уже найденный черенковским методом спектр, решая уже известную в литературе задачу о восстановлении первичного спектра по спектру частиц, прошедших слой вещества. На рисунках 4.4, 4.5, 4.6, 4.7 в качестве иллюстрации показаны спектры электронов на двух орбитах микротрона НИИЯФ МГУ, полученные с помощью описанного метода и приведенные в работе [18] (К.А. Труханов, В.В. Полиектов и В.И. Шведунов). Полученный результат с хорошей степенью точности соответствует расчетному (9,7 МэВ и 12,1 МэВ соответственно). Схожие результаты были получены на линейном ускорителе электронов с одновременным контролем результатов с помощью магнитного спектрометра на выходе ускорителя [115].
