Общая характеристика работы (стр. 3 )

8. 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.

CОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи и дан краткий обзор ее содержания. Рассматриваются новые проблемы, возникающие в обеспечении безопасности экипажа от воздействия окружающей среды при межпланетном космическом полете и на лунной базе. Основными особенностями воздействия окружающей среды (включая среду самого корабля) в этих условиях являются:

1. Воздействие потоков ГКЛ и СКЛ, которые в межпланетном пространстве существенно выше, чем в околоземном;

2. Длительное пребывание в межпланетном магнитном поле, напряженность которого на три и более порядков ниже привычного геомагнитного поля.

К этому добавляется воздействие на экипаж электромагнитных полей систем и аппаратуры межпланетного корабля и лунной базы на гипомагнитном фоне и на фоне воздействия ГКЛ и СКЛ.

Работа разделена на четыре части, объединенные проблемой радиационной безопасности межпланетного полета и работ на лунной базе.

В первой главе анализируются возможности использования так называемой активной защиты межпланетного корабля с помощью электрических и магнитных полей, отклоняющих заряженные частицы от обитаемых отсеков. Опасности от жесткого электромагнитного излучения (гамма - лучей, рентгеновского излучения и т. п.) в космосе нет. 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) – варианты тороидального соленоида. с двумя разными распределениями магнитного поля внутри (поле B, спадающее как 1/r, где r – радиальная координата в цилиндрической системе координат, и поле В = const.). Разработан метод обратного траекторного расчета радиационной обстановки за магнитным полем и доз 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 неизменяемыми ядерными константами.

Вторая глава посвящена электромагнитным факторам на борту межпланетных и околоземных пилотируемых космических аппаратов и возможности защиты экипажей от их воздействия. Рассматриваются возможности создания искусственного ГМП 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 изучении влияния моделируемых факторов космического полета на организм человека 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 использования собственного радиоизлучения организма человека (радиотермометрия и интроскопия, теория и методы) при изучении влияния на него моделируемых факторов космического полета.

Приводится описание аппаратуры и методик, разработанных совместно с член-корр. и др. (НИРФИ), и результаты ряда экспериментов, выполненных в ИМБП по исследованию воздействия некоторых моделируемых факторов космического полета. Ряд результатов получен 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 ИВЧ от фазовой скорости электромагнитных волн в оптическом диапазоне. Метод является практически неразрушающим. Он может быть применен для нахождения распределения скоростей заряженных частиц в пучках, в том числе, высокоинтенсивных, причем при произвольном и неизвестном угловом распределении, что исключено при использовании других методов.

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. 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 в более общем плане - для контроля процессов облучения в промышленности и в медицине.

Первая глава - активная защита космических кораблей при межпланетных полетах.

Во Введении к главе 1 анализируются общие вопросы подхода к обеспечению радиационной безопасности экипажа и других живых систем в межпланетном (дальнем) полете и при работе на лунной базе.

Потоки СКЛ и, в особенности, потоки ГКЛ в межпланетном пространстве существенно выше, чем в околоземном. Энергия и, соответственно, пробеги в веществе ГКЛ и СКЛ велики. Сугубо специфическим при дальнем полете будет воздействие тяжелых ионов ГКЛ с высокими значениями линейной передачи энергии (ЛПЭ) и с весьма высокой поражающей способностью.

На экипаж в дальнем и длительном полете будут воздействовать, кроме ионизирующего излучения (в том числе и от ядерно-энергетической установки, если она будет на борту), и другие неблагоприятные факторы. Это необходимо учитывать и снижать уровень облучения космонавтов ионизирующим излучением.

В литературе имеется понимание, что физическая защита от облучения, прежде всего, должна основываться на специальной компоновке корабля. Обитаемые отсеки марсианского корабля должны быть максимально укрыты от СКЛ и ГКЛ его системами и оборудованием, а также рабочим телом двигателей. Неоднократно рассматривалась возможность дополнительной защиты экипажа от СКЛ с помощью специального убежища с повышенной толщиной вещества. Однако его масса, даже при отсутствии минимального комфорта в нем и при сравнительно немногочисленном экипаже (5-7 человек), может оказаться значительной. Кроме того, возможно совпадение во времени солнечного события (вспышки) и необходимости тех или иных действий по управлению кораблем или же по ликвидации неисправностей, что исключит пребывание в убежище, по крайней мере, части экипажа.

Проблему облучения экипажа тяжелыми ионами ГКЛ наличие убежища не решает. Поток ГКЛ будет практически постоянен во время полета.

Один из возможных путей обеспечения радиационной безопасности будущих пилотируемых длительных и дальних космических полетов состоит в защите от ГКЛ и СКЛ с помощью электромагнитных полей, отклоняющих заряженные частицы от обитаемых отсеков космического корабля.

Рассматриваются варианты активной защиты, которые можно было бы применить в межпланетном космическом полете. Оба типа электростатической защиты (и вакуумная, и диэлектрическая) непригодны для этой цели. Принципиальное возражение - опасность облучения экипажа электронами (например, при пробое или из-за автоэлектронной или же вторичной эмиссии и т. п.), ускоренными до высоких энергий электрическим полем защиты. При этом электроны, пройдя сквозь корабль, будут заторможены полем защиты с другой стороны и после этого вновь ускорены, причем этот процесс может повторяться неоднократно. Упоминается о технических трудностях создания полей с разностью потенциалов в сотни миллионов вольт и о габаритах такой защиты. Поэтому в дальнейшем рассматривается идея защиты от заряженных частиц ГКЛ и СКЛ с помощью магнитных полей.

Работы по сверхпроводящей магнитной защите (МЗ) одновременно развивались и в США, и в СССР (ИМБП, ЦНИИмаш, НИИЯФ МГУ). В работах исследователей из США максимальная энергия частиц, которые не должны проникать в защищаемый объем (энергия отсечки), выбиралась из не вполне ясных соображений и, как оказалась, была неоправданно высокой.

В работах лаборатории активной защиты ИМБП, возглавлявшейся тогда соискателем, подходы к выбору конфигурации и параметров МЗ были основаны на расчетах уровней радиации за ней и нахождении таких величин магнитного поля, при которых бы эти уровни снижались бы до тех или иных регламентированных величин.

Конфигурации МЗ можно разделить на два типа, а именно (Труханов и др., 1969, 1970):

- объект защищен только с помощью магнитного поля;

- магнитное поле используется совместно с пассивной защитой веществом.

В системах первого типа существуют зоны, полностью запрещенные для движения частиц с энергией, меньшей некоторой энергии (энергии отсечки), а также зоны, частично разрешенные для движения частиц с большими энергиями в конусе разрешенных направлений. В системах второго типа полностью запрещенных зон не существует, однако если перекрыть с помощью вещества некоторые направления, такие зоны возникнут.

Почти все магнитные системы первого типа (например, витки и диполи) неприемлемы в качестве МЗ, поскольку они создают в обитаемом объеме сильное магнитное поле, которое будет нежелательным образом воздействовать как на экипаж, так и на аппаратуру и системы корабля. Необходима также возможность выхода из защищаемого объема без отключения МЗ.