PCLAB - Моделирование взаимодействия различных видов излучения с веществом - файл n61.doc

PCLAB - Моделирование взаимодействия различных видов излучения с веществом
скачать (3995 kb.)
Доступные файлы (72):

DOSBox0.70-win32-installer.exe
n2.rfn
n3.rfn
n4.rfn
n5.rfn
n6.rfn
n7.rfn
n8.rfn
n9.rfn
n10.rfn
n11.rfn
n12.rfn
n13.rfn
3 Fe.rfn
n15.rfn
n16.rfn
n17.exe
n18.pif
n19.rfn
3v1al-pb.rfn
n21.rfn
n22.rfn
n23.rfn
n24.rfn
n25.rfn
n26.rfn
n27.bmp
n28.bmp
n29.bmp
n30.bmp
n31.bmp
n32.bmp
n33.bmp
n34.bmp
n35.bmp
n36.bmp
n37.rfn
n38.rfn
n39.rfn
n40.rfn
n41.rfn
n42.rfn
n43.fce
n44.fce
n45.fce
n46.fce
n47.rfn
n48.exe
n49.rfn
n50.txt	1kb.	01.01.1997 01:09	скачать
n51.txt	1kb.	01.01.1997 01:09	скачать
n52.txt	4kb.	01.01.1997 01:09	скачать
n53.rfn
n54.txt	2kb.	01.01.1997 01:09	скачать
n55.txt	2kb.	01.01.1997 01:09	скачать
n56.rfn
n57.rfn
LABA_.RFN
n59.rfn
n60.arj
n61.doc	163kb.	02.04.2000 23:31	скачать
n62.
n63.ayl
n64.rfn
n65.rez
n66.fon
n67.fon
n68.rfn
n69.lnk
n70.conf
n71.exe
n72.doc	47kb.	23.10.2009 11:32	скачать

Маймистов А.И., Маныкин ЭЛ. Сборник задач по курсу Взаимодействие излучения с веществом (Документ)
Быков В.П. Лазерная электродинамика. Элементарные и когерентные процессы при взаимодействии лазерного излучения с веществом (Документ)
Коротеев Н.И., Шумай И.Л. Физика мощного лазерного излучения (Документ)
Лоудон Р. Квантовая теория света (Документ)
Майоров B.C., Хорошев М.В. Взаимодействие лазерного излучения с веществом (Документ)
Данн А. Введение в физику лазеров (Документ)
Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника (Документ)
Мэйтлэнд А., Данн М. Введение в физику лазеров (Документ)
Реферат - Поверхностные и объемные эффекты при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом (Реферат)
Ульяницкий Е.М., Филоненков А.И., Ломаш Д.А. Информационные системы взаимодействия видов транспорта (Документ)
Программа - Interactive theater 1.2.0.6 (Программа)
Изучение характеристики счётчика Гейгера - Мюллера и поглощения радиоактивного излучения веществом (Документ)

n61.doc

В. И. Беспалов

Компьютерная лаборатория

Программа "Компьютерная лаборатория" (КЛ) [1] уже несколько лет используется на кафедре Прикладной физики ФТФ ТПУ в учебном процессе студентами специальностей Радиационная безопасность человека и окружающей среды и Ядерная физика при изучении дисциплин "Физика защиты от ионизирующих излучений", "Теория переноса ионизирующих излучений", "Взаимодействие излучения с веществом".

Эта программа предназначена для моделирования методом Монте-Карло процессов распространения электронов, позитронов, фотонов и протонов в веществе, визуализации этих процессов распространения на экране дисплея и для получения некоторых численных результатов взаимодействия излучения с веществом. Этими результатами являются, например, коэффициенты отражения и пропускания частиц, их энергетические и угловые распределения, распределение поглощенной энергии в веществе, доза за защитой и т. д.

Кроме этого программа позволяет проводить численные эксперименты (лабораторные работы) по моделированию полей излучения. При этом можно задавать тип излучения, вещество поглотителя и характеристики детектора.

Основные цели, которые ставились при создании КЛ, можно сформулировать следующим образом:

показать наглядно физические процессы, которые происходят при попадании ионизирующего излучения в вещество;

дополнить реальный физический эксперимент (например, лабораторную работу) более разнообразными начальными данными источника, поглотителя и детектора, чтобы получить в результате исследований не просто число, а физическую закономерность;

предоставить возможность проведения численных экспериментов для ряда задач, когда реальный физический эксперимент невозможен по причине отсутствия необходимого лабораторного оборудования.

Программа КЛ создана на основе пакета программ EPHCA, разработкой и совершенствованием которого автор занимается более 20 лет [2]. Приведем кратко основные характеристики пакета EPHCA.

Основные характеристики программ пакета EPHCA

Траектории электронов и позитронов можно моделировать в интервале энергий 10^-2 - 10⁵ МэВ, фотонов -10^-3 - 10⁵МэВ, диапазон энергий для протонов 10^-2 – 10³ МэВ. В программах учитываются следующие типы взаимодействий частиц:

упругие, ионизационные столкновения, тормозное излучение - для электронов и позитронов (эффект аннигиляции для позитронов);

эффект Комптона, фотоэффект, эффект образования электронно-позитронных пар - для фотонов;

перенос протонов моделируется без учета ядерных взаимодействий, учитываются лишь упругие и неупругие столкновения.

В программах подробно учитывается каскадный характер распространения излучения, что особенно важно при расчете характеристик вторичного излучения.

Траектории фотонов моделируются в модели индивидуальных столкновений. В качестве полных сечений их взаимодействия с веществом используются данные работы [3]. Построение траекторий электронов, позитронов и протонов проводится в модели группировки малых передач энергии [4] с учетом флуктуаций потерь энергии в далеких столкновениях и флуктуаций продольных и поперечных смещений в результате многократного рассеяния. Для моделирования углового отклонения электронов и позитронов в конце отрезка траектории используются три распределения:

распределение Гоудсмита-Саундерсона – в диапазоне энергий менее 50 МэВ, которое предварительно рассчитывается и табулируется для некоторого количества энергий и отрезков пути определенной длины ( s );

распределение Мольер – для отрезков пути меньше s/2 при энергии менее 50 МэВ и для любых отрезков - при энергии более 50 МэВ;

распределение “Кейла” [5] - для отрезков пути, на которых число столкновений менее 20 и предыдущие распределения неприменимы. Использование этого распределения избавляет от необходимости переходить к модели индивидуальных столкновений для таких отрезков пути.

Угловое распределение протонов в конце отрезка траектории разыгрывается из распределения Мольер.

Моделирование энергетического распределения фотонов тормозного излучения и расчет потерь энергии на тормозное излучение проводится в соответствии с формулами Бете-Гайтлера, которые систематизированы в обзорной работе [6]. В области энергий 0,025 – 30 МэВ эти формулы стыкуются с более точными результатами Пратта в соответствии с аппроксимационным выражением из работы [7]. Направление движения рождающихся фотонов разыгрывается из распределения Шиффа. Отличие процессов генерации тормозного излучения электронами и позитронами учитывается в соответствии с данными работы [8].

Процесс генерации характеристического излучения учитывается в программах для K и L оболочек атомов как в результате фотопоглощения, так и в результате ионизации атома заряженными частицами.

Пакет программ EPHCA состоит из нескольких программ, каждая из которых предназначена для решения определенных задач: расчет характеристик излучения в барьерной геометрии, расчет полей тормозного и рентгеновского излучения, расчет показаний детекторов и радиационных полей излучающих установок и т.д.

Отметим, что результаты расчетов по всем программам постоянно подвергаются тестовым сравнениям и хорошо согласуются с имеющимися в литературе экспериментальными данными, а также с результатами расчетов по известным программам ETRAN и EGS4.

Порядок работы с программой КЛ

В настоящее время работает первая версия КЛ, включающая в себя режим графической демонстрации процессов взаимодействия электронов, позитронов, протонов и фотонов при их движении в веществе и лабораторную работу по расчету факторов накопления (ФН) фотонного излучения.

Программа КЛ имеет удобный графический интерфейс и позволяет работать и проводить расчеты в интерактивном режиме.

Режим ДЕМОНСТРАЦИЯ. (при нажатии F1 выводится Help-файл)

Как уже отмечено выше в этом режиме программа проводит моделирование методом Монте-Карло процессов распространения электронов, позитронов, фотонов и протонов в веществе с визуализацией этих процессов распространения на экране дисплея. Кроме этого выводятся на экран и некоторые численные результаты взаимодействия излучения с веществом: коэффициенты отражения и пропускания частиц, доза за защитой и для отраженного излучения (только для первичных фотонов).

В процессе расчета программа КЛ позволяет изменять режим построения траекторий, для этого служат клавиши E - Чистка и T - Задержка, которые являются циклическими (включено/ выключено).

E - ЧИСТКА. В режиме включено на экране будет отображаться только одна (последняя) траектория. Чтобы построить следующую, надо нажать "Enter" и т.д.

T - ЗАДЕРЖКА. В режиме включено траектория строится постепенно, с задержкой во времени перед построением следующего отрезка траектории.

Режимы ЧИСТКА и ЗАДЕРЖКА отключаются после нажатия соответствующих клавиш (E, T) только после построения всей (очередной) траектории.

Программа КЛ позволяет, не выходя из нее, изменить начальные данные и начать новое моделирование. Для этого сначала надо нажать на клавишу C - ИЗМЕНИТЬ начальные данные.

ВНИМАНИЕ ! Это надо делать только когда ЧИСТКА и ЗАДЕРЖКА выключены.

Изменить можно:

S - вещество поглотителя,

I - тип первичного излучения,

E - энергию первичных частиц,

U - их угловое распределение,

V - объем поглотителя.

Конец счета и выход из КЛ – клавиша "Esc".

На рис. 1. изображено окно программы КЛ, работающей в режиме “ДЕМОНСТРАЦИЯ”. На экран выводятся траектории протонов в свинце от точечного мононаправленного источника с энергией 1 МэВ. Слева, в нижнем о

Рис. 1. Режим демонстрации программы КЛ. Протоны.
кне содержится информация о коэффициентах пропускания, отражения, дозе за барьером вместе со статистической погрешностью расчета, которая и

Рис. 2. Режим демонстрации программы КЛ. Электроны.
зменяется с числом построенных траекторий.

На рис. 2. изображено окно программы КЛ, работающей в режиме “ДЕМОНСТРАЦИЯ”, а траектории электронов строятся в режиме “E - Чистка”.

Демонстрационный режим программы КЛ позволяет выводить графическую информацию о процессе распространения электронов, фотонов, позитронов и протонов в различных веществах для начальных энергий от 0,1 МэВ до 1000 МэВ.

Ниже предлагаются примерные варианты заданий для студентов в режиме “ДЕМОНСТРАЦИЯ”.

Построить методом Монте Карло и посмотреть траектории электронов в воде при энергиях E_o = 1 - 3 МэВ. Использовать режим "ЧИСТКА". Как изменятся траектории электронов, если сменить воду на свинец? Как часто образуются -электроны?
Рассчитать методом Монте-Карло величину альбедо электронов для двух веществ, сильно отличающихся по Z.
Построить траектории электронов и позитронов для одной энергии и одного вещества. В чем отличие траекторий позитронов по сравнению с электронными траекториями?
Чем отличаются траектории протонов низких энергий в легких и тяжелых веществах от траекторий электронов (E_o  1 МэВ): угловое распределение, альбедо, вторичные частицы. Получить и сравнить коэффициенты пропускания для электронов и протонов при одной энергии и (примерно) одной толщине вещества. Сравнить траектории протонов в воздухе и свинце при E_o = 0,1 МэВ.
Первичная частица - фотон. Посмотреть траектории фотонов в различных веществах при энергиях E_o  1 МэВ. Получить и сравнить для одной энергии в двух различных веществах T_n, T_e и альбедо, если Z_max= 2L_o .
Исследовать характер распространения в веществе электронов, позитронов и фотонов высоких энергий (E_o  100 МэВ): вторичное излучение, глубина проникновения, какими частицами определяется. Получить и сравнить T_n, T_e, для E_o = 1 МэВ и E_o  100 МэВ для одной толщины барьера в единицах Z/R_o (Z/L_o). Первичная частица – электрон, позитрон или фотон.
Первичная частица - протон с энергией E_o  400 МэВ. Построить и посмотреть траектории протонов высоких энергий Как выглядит траектория, если объем менее 0,1 начального? Как отличаются энергии -электронов, если первичная частица – электрон/протон?

Режим РАСЧЕТ.

В этом режиме пока проводится численное моделирование одной задачи: расчет зависимости фактора накопления (ФН) фотонов от энергетического и углового распределения фотонов, типа вещества, толщины барьера и размеров детектора.

Отметим, что расчеты ФН можно проводить не только в учебных целях. Алгоритм расчета содержит несколько неаналоговых методов построения траекторий фотонов и вычисления вкладов на этих траекториях, что позволяет проводить моделирование для толщины барьера в несколько десятков длин свободного пробега. При этом можно вводить произвольный спектр источника, задавать поперечные размеры барьера и детектора.

Расчет ФН по программе КЛ выполняется достаточно просто, программа постоянно подсказывает, что надо делать.

Надо выбрать режим работы “РАСЧЕТ”.
Из вариантов расчета надо выбрать “РАСЧЕТ ФН”.
Далее надо последовательно задать необходимые характеристики источника, геометрии, вещества поглотителя, характеристики детектора. Последовательность действий подскажет сама программа. Вся вводимая информация появляется на дисплее.

В конце задается число слоев, на которые разбивается весь барьер (это задает число рассчитываемых точек по толщине барьера), и статистическая погрешность расчета. ФН вычисляются последовательно за каждым слоем, толщина которого постепенно возрастает до толщины всего барьера.

Расчет ФН начинается автоматически, после задания всех начальных данных. Для каждого слоя расчет протекает в два этапа:

Расчет характеристик нерассеянного излучения за барьером заданной толщины. Для моноэнергетического и мононаправленного излучения он выполняется полностью аналитически ( exp(-(E)z) ). Для изотропного источника и источников тормозного и рентгеновского излучения интегрирование, соответственно, по угловому или спектральному распределению источника выполняется методом Монте-Карло.
Расчет рассеянного излучения за барьером методом Монте Карло.

Нерассеянная, и рассеянная компоненты поля излучения считаются с большей точностью, чем заданная точность. Результирующая погрешность вычисляется как погрешность косвенных измерений.

Слева на экране выводится рисунок схемы “эксперимента”, который изменяется в соответствии с рассчитываемой величиной и номером слоя барьера. Справа выводятся результаты расчета и их точность, которая изменяется с изменением числа рассчитанных траекторий.

Результаты могут выводиться и в текстовом и в графическом виде. Для смены надо нажать кнопку “R – Рисунок”, которая является циклической (рисунок/ текст).

Одновременно рассчитываются: числовой токовый ФН (B_N), энергетический токовый ФН (B_E) и дозовый ФН - для поглощенной дозы в воздухе за барьером (B_D), который в данном случае является и ФН поглощенной энергии в воздухе.

В любой момент, не дожидаясь достижения заданной точности, можно перейти к расчету следующего слоя.

После окончания расчета результаты помещаются в специальный файл (всегда один и тот же).

Н

Рис. 3. Режим расчет ФН программы КЛ.

а рисунке 3 показан дисплей при работе программы КЛ в режиме расчет ФН. Рассчитываются ФН для коллимированного пучка ⁶⁰Co за барьерами из бетона.

Ниже приводятся рекомендуемые варианты для численного моделирования ФН:

Рассчитать ФН для энергии 1,25 МэВ, мононаправленный источник. Материал барьера Al, Cu, Fe, толщиной до 10 ДСП. Поперечные размеры (по R) барьера и детектора, как в реальном эксперименте. Сравнить результаты обоих экспериментов.
Исcледовать зависимость ФН от толщины барьера (до 10 ДСП) для трех веществ с различными Z. Источник моноэнергетический, мононаправленный, Е_o= (0.1 - 10) МэВ. Барьер бесконечный по R. Результаты представить в см и ДСП.
Исcледовать зависимость ФН от толщины двухслойного барьера (1-й расчет делается для однородного барьера из вещества 1-го слоя) общей толщиной до 10 ДСП. Толщина первого слоя (2-4) ДСП. Источник мононаправленный, спектр любой. Размеры барьера по R бесконечные. Варианты барьеров: AI - Pb, Pb - Al, вода - Pb, Pb - вода, Al - Cu.
Исследовать зависимость ФН от толщины однородного барьера для мононаправленного и изотропного моноэнергетического источника. Е₀= (0.1 - 10) МэВ. Толщина барьера 10 ДСП. Взять одно из веществ: воздух, вода, алюминий, железо, медь, олово или свинец. Результаты представить в см и ДСП.
Исследовать зависимость ФН от толщины однородного, бесконечного по R барьера, толщиной 10 ДСП для тормозного излучения с Е_max= 3, 6, 10 и 15 МэВ. Взять одно из веществ: воздух, вода, алюминий, железо, свинец. Результаты представить в метрах для воздуха и воды и в см для других веществ.
Рассчитать зависимость ФН от толщины однородного барьера ( до 10 ДСП ) для высокоэнергетического излучения. Е_o = 10, 50, 100, 200 МэВ. Результаты представить в см и ДСП.
Рассчитать зависимость ФН от толщины двухслойного барьера для высокоэнергетического излучения. Е_o = 10, 50, 100, 200 МэВ. Толщина первого слоя 2 – 4 ДСП. Варианты слоев: Al – Pb; Pb – Al; Al – Cu; Cu – Al. Результаты представить в см и ДСП.
Сравнить зависимости ФН от толщины барьера ( до 10 ДСП ) для полубесконечного и ограниченного по R барьеров. R = 1, 2, 3 ДСП. Е_o = 0,1 - 10 МэВ.
Исследовать зависимость ФН от порядкового номера вещества барьера, бесконечного по R и имеющего определенную толщину в ДСП. Источник моноэнергетический, мононаправленный. Толщина барьера 2 – 6 ДСП для каждого вещества.
Исследовать зависимость ФН от толщины (до 10 ДСП) однородного, бесконечного по R барьера для моноэнергетического и рентгеновского источников. Варианты источников:

Е_o = 0.1 МэВ; E_max= 0.1 МэВ
Е_o = 0.2 МэВ; E_max= 0.2 МэВ
Е_o = 0.3 МэВ; E_max= 0.3 МэВ

В заключение отметим, что время расчета возрастает с увеличением толщины барьера, угла выхода первичных фотонов и диапазона их энергетического распределения.

Список ЛИТЕРАТУРы

Беспалов В. И.// В сб., Образовательные технологии: состояние и перспективы. Труды научно-методической конференции. – Томск. Изд. ТПУ.  1999.  с. 152.
Беспалов В. И. “Расчеты методом Монте-Карло характеристик полей электронов и квантов в однородных и неоднородных поглотителях Деп. ВИНИТИ N 3780-80 (аннотация в Изв. вузов Физика, 1980, №10, с. 127).
Storm E. and Israel H. I.// Nucl. Data Tables. 1970. A7. p. 565-681.
Кольчужкин А. М., Учайкин В. В. “Введение в теорию похождения частиц через вещество".-М.: Атомиздат, 1978
Keil Von E., Zeitler, E. Zinn W.// Z. Naturforshung. 1960. 15a. p. 1031-1038.
Koch H. W. and Motz J. W.// Rev. Mod. Phys. 1959. V. 31. p. 920-955.
Аккерман А. Ф., Чабдарова Н. Н. "Согласованные наборы сечений тормозного излучения для энергий электронов более 0.025МэВ", Препринт ИФВЭ 86-03, Алма-Ата 1986
“Тормозная способность электронов и позитронов”. Доклад 37 МКРЕ. Пер. с англ. / Под ред. И. Б. Кеирим-Маркуса. М.: Энергоатомиздат. 1987.