Развитие комплекса программ MARS для решения радиационно
реклама
rAZWITIE KOMPLEKSA PROGRAMM MARS DLQ RE[ENIQ RADIACIONNO-FIZIˆESKIH ZADAˆ PROEKTIROWANIQ “LEKTROQDERNYH USTANOWOK i.l.aVGIREJ, i.a.kUROˆKIN, w.w.tALANOW gnc rf iNSTITUT FIZIKI WYSOKIH “NERGIJ, pROTWINO, rOSSIQ wWEDENIE sTRATEGIQ RAZWITIQ L@BOGO PROEKTA W OBLASTI PROGRAMMNOGO OBESPEˆENIQ OPREDELQETSQ KRUGOM RE[AEMYH ZADAˆ. rASˆETNOE MODELIROWANIE “LEKTROQDERNOJ USTANOWKI FAKTIˆESKI QWLQETSQ NOWYM KLASSOM ZADAˆ MODELIROWANIQ RADIACIONNO-FIZIˆESKIH PROBLEM, OB˙EDINQ@]IH METODIKI, DO SIH POR RAZWIWA@]IESQ W “REAKTORNYH” I “USKORITELXNYH” OBLASTQH. nAMI PREDPRINQTY OPREDELENNYE USILIQ PO RAZWITI@ KOMPLEKSA PROGRAMM MARS [1] PO NAPRAWLENI@ K WOZMOVNOSTI RE[ENIQ PROBLEM, TIPIˆNYH DLQ PROEKTIROWANIQ “LEKTROQDERNYH USTANOWOK [2], [3], [4], W PERWU@ OˆEREDX RE[AEMYH METODAMI RADIACIONNOJ FIZIKI. 1. kLASSIFIKACIQ ZADAˆ iMEQ W WIDU DOSTATOˆNO OB]U@ SHEMU “LEKTROQDERNOJ USTANOWKI, MOVNO USLOWNO PODRAZDELITX RASˆETNYE ZADAˆI NA NESKOLXKO “TAPOW: • rE[ENIE RADIACIONNYH PROBLEM, SWQZANNYH S PROEKTIROWANIEM SILXNOTOˆNYH USKORITELEJ — RASˆETY I MINIMIZACIQ POTERX PUˆKA, PROGNOZIROWANIE RADIACIONNYH “FFEKTOW — RAZOGREWA, NAWEDENNOJ RADIOAKTIWNOSTI, RADIACIONNYH POWREVDENIJ. TOT VE KRUG PROBLEM WOZNIKAET PRI MODELIROWANII TRANSPORTIROWKI PUˆKA OT USKORITELQ DO MI[ENI. • oPISANIE WZAIMODEJSTWIQ SILXNOTOˆNOGO PUˆKA S MI[ENX@ — RASˆET PROSTRANSTWENNOGO RASPREDELENIQ “NERGOWYDELENIQ I RASˆET WYHODA WTORIˆNYH ˆASTIC, GLAWNYM OBRAZOM NEJTRONOW; TRANSMUTACIQ QDER MI[ENI LIBO DOLGOVIWU]IH RADIOAKTIWNYH OTHODOW KASKADNYMI ˆASTICAMI. • rASˆET PERENOSA NEJTRONOW I “NERGOWYDELENIQ W BLANKETE. • rE[ENIE WOPROSOW RADIACIONNOJ BEZOPASNOSTI NA WSEH “TAPAH, PROGNOZIROWANIE WOZMOVNOGO UROWNQ RADIACIONOGO ZAGRQZNENIQ OKRUVA@]EJ SREDY. 2. 2.1. rAZWITIE KOMPLEKSA MARS o PRIMENENII METODA mONTE–kARLO W MODELIROWANII “LEKTROQDERNYH USTANOWOK mETOD mONTE-kARLO BEZUSLOWNO QWLQETSQ NAIBOLEE ADEKWATNYM SREDSTWOM MODELIROWANIQ QDERNO–FIZIˆESKIH PROCESSOW. oDNAKO ON QWLQETSQ DOWOLXNO TRUDOEMKIM I NAWRQD LI MOVET BYTX REKOMENDOWAN DLQ MASSOWYH RASˆETOW POWEDENIQ I OPTIMIZACII PARAMETROW “LEKTROQDERNYH SISTEM. w TO VE WREMQ mmk–RASˆETY QWLQ@TSQ ESTESTWENNYM SREDSTWOM DLQ NASTROJKI I NORMIROWKI UPRO]ENNYH ANALITIˆESKIH KODOW, ISPOLXZUEMYH DLQ “TIH CELEJ [4], I DOLVNY RAZWIWATXSQ PARALLELXNO IM. 270 aNALITIˆESKIE KODY QWLQ@TSQ NAIBOLEE UDOBNYMI DLQ OPISANIQ DINAMIKI OTVIGA TOPLIWA I TRANSMUTACII RADIOAKTIWNYH OTHODOW, “WOL@CII OTRAWLENIQ TOPLIWA PRODUKTAMI DELENIQ. nO UZLOWYE MOMENTY PROEKTA DOLVNY BYTX PODTWERVDENY BOLEE TOˆNYMI “POLNOMAS[TABNYMI” RASˆETAMI METODOM mONTE-kARLO. 2.2. pREDSTAWLENIE GEOMETRII I MODELIROWANIE TRANSPORTA ˆASTIC tOˆNOE PREDSTAWLENIE GEOMETRII QWLQETSQ BEZUSLOWNO NEOBHODIMYM NA “TAPE “USKORITELX–MI[ENX”. ˜TO KASAETSQ RASˆETOW TRANSPORTA I WZAIMODEJSTWIQ NEJTRONOW W SISTEME “TOPLIWO–OHLADITELX”, TO L@BYE UPRO]ENIQ GEOMETRII, ISPOLXZUEMYE W ANALITIˆESKIH PRILOVENIQH, DOLVNY BYTX OBOSNOWANY TOˆNYMI RASˆETAMI. tAKIM OBRAZOM, “FFEKTIWNOE I GIBKOE PREDSTAWLENIE GEOMETRII QWLQETSQ ODNIM IZ KL@ˆEWYH MOMENTOW MODELIROWANIQ. iSTORIˆESKI PREDSTAWLENIQ GEOMETRII I ALGORITMY MODELIROWANIQ TRANSPORTA W mONTE-kARLO PROGRAMMAH MOVNO SˆITATX WOSHODQ]IMI K ZADAˆAM RASˆETA PERENOSA NEJTRONOW I GAMMA–KWANTOW W RAZLIˆNYH PRILOVENIQH REAKTORNOJ FIZIKI, FIZIKI KOSMIˆESKIH LUˆEJ I –al. pREDSTAWLENIQ GEOMETRII, ISPOLXZUEMYE W PROGRAMMAH MODELIROWANIQ PERENOSA IZLUˆENIQ METODOM mONTE–kARLO, MOVNO RAZDELITX NA DWA KLASSA. k PERWOMU, NAZYWAEMOMU “ANALITIˆESKIM”, OTNOSQTSQ PREDSTAWLENIQ GEOMETRII W WIDE NABORA ANALITIˆESKI (ˆTO I OBUSLAWLIWAET EGO NAZWANIE) ZADANNYH POWERHNOSTEJ I TEL — ORIENTIROWANNYH POWERHNOSTEJ, TEL WRA]ENIQ I IH KOMBINACIJ. wPERWYE TAKOJ PODHOD BYL PREDLOVEN W 1972 GODU DLQ PROGRAMMY MORSE [5], [6]. aNALITIˆESKOE PREDSTAWLENIE GEOMETRII BYLO ISPOLXZOWANO W RAZRABOTANNOM W ifw— PROGRAMMNOM KODE MARS4 [7], A TAKVE W HORO[O IZWESTNOJ PROGRAMME FLUKA [8], [9]. wTOROJ KLASS SOSTAWLQ@T PREDSTAWLENIQ GEOMETRII RASˆETNOJ ZADAˆI W WIDE NABORA “LEMENTARNYH OB˙EMOW (“shapes”) — PARALLELEPIPEDOW, CILINDROW, SFER I T.D. — KAVDYJ IZ KOTORYH MOVET IMETX NEZAWISIMU@ LOKALXNU@ SISTEMU KOORDINAT (“local reference frame”), PRIWQZANNU@ K GLAWNOJ (“master”) SISTEME KOORDINAT, I MOVET BYTX PROIZWOLXNO ORIENTIROWAN ILI WLOVEN W DRUGOJ OB˙EM. w SWOEM “ˆISTOM” WIDE TAKOJ PODHOD K OPISANI@ GEOMETRII REALIZOWAN W RAZRABOTANNOM W CERN PROGRAMMNOM KOMPLEKSE GEANT3 [10]. sU]ESTWU@T TAKVE RAZLIˆNYE PRILOVENIQ, W KOTORYH DWA OPISANNYH KLASSA PREDSTAWLENIJ GEOMETRII OB˙EDINQ@TSQ, NAPRIMER ZADAˆA ISPOLXZOWANIQ W PROGRAMME MODELIROWANIQ OPISANIQ GEOMETRII, SOZDANNOGO W CAD–SISTEME. dLQ EE RE[ENIQ, NAPRIMER, DLQ KOMPLEKSA GEANT3 BYLO PREDLOVENO OPISANIE GEOMETRII, ISPOLXZU@]EE KAK ANALITIˆESKIE TELA, TAK I “LEMENTARNYE OB˙EMY [11]. kAVDOMU KLASSU PREDSTAWLENIJ GEOMETRII SOOTWETSTWUET SWOJ METOD TRANSPORTA ˆASTIC. oPREDELQ@]IM W DANNOM SLUˆAE QWLQETSQ OTWET NA WOPROS, ˆTO W DANNOM PREDSTAWLENII GEOMETRII WYGODNEE DELATX S TOˆKI ZRENIQ ZATRAT SˆETNOGO WREMENI. w PERWOM SLUˆAE TREBUETSQ RE[ATX SISTEMU URAWNENIJ DLQ OPREDELENIQ TOˆEK PERESEˆENIQ NEKOTOROGO LUˆA S ZADANNYMI POWERHNOSTQMI, ˆTO UPRO]AET RABOTU RAZRABOTˆIKA PROGRAMMY, POSKOLXKU NE TREBUET PRIMENENIQ SLOVNYH ALGORITMOW (NAPRIMER, MONOGRAFIQ [12]). wO WTOROM SLUˆAE OT RAZRABOTˆIKA PROGRAMMY TREBUETSQ PROGRAMMNAQ REALIZACIQ PROCEDUR LOKALIZACII GRANICY, PEREBORA “LEMENTOW I OBHODA DEREWXEW [13]. oDNAKO 271 SLOVNOSTI NA STADII RAZRABOTKI, KAK POKAZALA PRAKTIKA ISPOLXZOWANIQ, KOMPENSIRU@TSQ NAGLQDNOSTX@ POLUˆAEMOGO W REZULXTATE OPISANIQ GEOMETRII I PROSTOTOJ EGO SOZDANIQ I MODIFIKACII. iMENNO PO“TOMU RAZRABOTANNYJ W ifw— PROGRAMMNYJ KOMPLEKS MARS [1], [14] W KAˆESTWE OSNOWNOGO ISPOLXZUET PREDSTAWLENIE GEOMETRII W WIDE NABORA “LEMENTARNYH OB˙EMOW [15]. tAKOJ PODHOD K OPISANI@ GEOMETRII POZWOLQET LEGKO I ESTESTWENNO PEREHODITX PRI SOZDANII I IZMENENII GEOMETRII RASˆETNOJ ZADAˆI OT KONSTRUKTORSKIH SPECIFIKACIJ I ˆERTEVEJ “LEMENTOW USTANOWOK K OPISANI@ GEOMETRII, GOTOWOJ K ISPOLXZOWANI@ W PROGRAMME MODELIROWANIQ. iSPOLXZOWANIE GIBKOGO I WMESTE S TEM MO]NOGO APPARATA OPISANIQ GEOMETRII W WIDE NABORA “LEMENTARNYH OB˙EMOW POZWOLQET RE[ATX SLOVNYE RASˆETNYE ZADAˆI MODELIROWANIQ RADIACIONNOJ OBSTANOWKI NA “KSPERIMENTALXNYH USTANOWKAH I USKORITELQH ZARQVENNYH ˆASTIC [16]. dLQ RASˆETOW “NERGOWYDELENIQ W PROTONNYH MI[ENQH IZ METALLIˆESKIH I SOLEWYH RASPLAWOW RAZRABOTAN ALGORITM BYSTROGO MODELIROWANIQ TRANSPORTA ˆASTIC W OB˙EKTAH, OPISANNYH IRREGULQRNYM NABOROM “LEMENTARNYH OB˙EMOW, ISPOLXZUEMYH DLQ RASˆETOW GIDRODINAMIKI MI[ENI. dLQ USKORENIQ PROCEDURY PEREBORA “LEMENTOW PRIMENQETSQ PROCEDURA KE[IROWANIQ OB˙EKTA, PREDSTAWLENNOGO NETIPIˆNYM S TOˆKI ZRENIQ KLASSIˆESKOGO PODHODA METODOM. —TO SU]ESTWENNO SNIVAET ZATRATY NA RASˆET I POZWOLQET PROWESTI MODELIROWANIE KASKADNYH PROCESSOW, RAZOGREWA I DINAMIKI MI[ENI W EDINOM FORMATE DANNYH. 2.3. kONSTANTNOE OBESPEˆENIE uSLOWNO FIZIˆESKIE KONSTANTY DLQ DANNOJ ZADAˆI MOVNO RAZDELITX NA “REAKTORNYE” I “KASKADNYE” PO “NERGII WZAIMODEJSTWIQ ˆASTIC. kAK PERWYE, TAK I WTORYE NUVDA@TSQ W T]ATELXNOJ WERIFIKACII, PREVDE ˆEM BYTX ISPOLXZOWANNYMI DLQ RASˆETOW —qu. w POSLEDNEE WREMQ “TOJ PROBLEME UDELQETSQ BOLX[OE WNIMANIE [17]. pARAMETRY ADRON–QDERNOGO WZAIMODEJSTWIQ W OBLASTI “NERGIJ NALETA@]EGO ADRONA OT 10 m“w DO 3 g“w NAIBOLEE TOˆNO OPISYWA@TSQ NA OSNOWE MODIFICIROWANNOJ KASKADNO– “KSITONNOJ MODELI DLQ SREDNIH I TQVELYH QDER [18], [19], [20] I KOMBINACII MODELI WNUTRIQDERNOGO KASKADA I MODELI FERMI–RAZWALA DLQ LEGKIH QDER [21]. oDNAKO ZADAˆA RASˆETA PO KASKADNO–“KSITONNOJ MODELI SAMA PO SEBE DOSTATOˆNO TRUDOEMKA, PO“TOMU ISPOLXZOWANIE QDERNYH MODELEJ WNUTRI TRASPORTNYH KODOW DOSTATOˆNO GROMOZDKO. oPTIMALXNYM KAVETSQ SOˆETANIE FENOMENOLOGIˆESKOGO OPISANIQ QDERNYH WZAIMODEJSTWIJ, KAK W MARS, DOPOLNENNOE PREDWARITELXNO RASSˆITANYMI PARAMETRAMI ADRON–QDERNOGO WZAIMODEJSTWIQ PO MODIFICIROWANNOJ KASKADNO– “KSITONNOJ MODELI DLQ OSOBO INTERESNYH GRUPP QDER. nAPRIMER, PRI RASˆETAH TRANSMUTACII RADIOAKTIWNYH OTHODOW DLQ OPISANIQ PROCESSOW WZAIMODEJSTWIQ ADRONOW S DOLGOVIWU]IMI TRANSAKTINOIDAMI MARS ISPOLXZUET SEˆENIQ, RASSˆITANNYE W RABOTE [22] METODOM WNUTRIQDERNOGO KASKADA. sRAWNENIQ REZULXTATOW MODELIROWANIQ ADRONNYH KASKADOW PO PROGRAMMAM SERII MARS S CIKLOM “KSPERIMENTOW PO IZMERENI@ “NERGOWYDELENIQ W PROTQVENNYH MI[ENQH IZ RAZLIˆNYH MATERIALOW NA PUˆKE BUSTERA u-70 ifw— POKAZALI HORO[EE SOGLASIE “KSPERIMENTALXNYH I RASˆETNYH DANNYH [23]. 272 2.4. tRANSPORT ˆASTIC PUˆKA W USKORITELE w KOMPLEKS MARS WHODIT PROGRAMMA STRUCT’96 DLQ RASˆETOW POTERX WOZMU]ENNYH ˆASTIC PUˆKA POSLE WZAIMODEJSTWIQ S QDRAMI OSTATOˆNOGO GAZA W WAKUUMNOJ KAMERE ILI “LEMENTAMI SISTEMY LOKALIZACII POTERX [24]. 2.5. rASˆETY UROWNEJ OSTATOˆNOJ RADIOAKTIWNOSTI dLQ RASˆETOW UROWNEJ NAWEDENNOJ RADIOAKTIWNOSTI ISPOLXZUETSQ PROGRAMMA MARACT [25] KOMPLEKSA MARS. gAMMA–KWANTY, ROVDA@]IESQ PRI SPONTANNOM RASPADE NESTABILXNYH QDER, TRANPORTIRU@TSQ W TOJ VE GEOMETRII, W KOTOROJ PROWODITSQ MODELIROWANIE TRANSPORTA ADRONNOGO KASKADA I NEJTRONOW. w KAˆESTWE “ISTOˆNIKA” ISPOLXZU@TSQ REZULXTATY RASˆETOW RASSPREDELENIJ QDER–OSTATKOW I PRODUKTOW NEJTRONNYH REAKCIJ PO PROGRAMME MARS. sPISOK LITERATURY [1] aVGIREJ i.l. I DR. – pREPRINT ifw— 93-19, pROTWINO, 1993. [2] C.D.Bowman et al. NIMA 320(92),p.336. [3] bARA[ENKOW w.s. I DR. a—, 76(94), S.65. [4] C.Rubbia et al. – CERN/AT/95-44(ET). [5] Straker E.A. et al. The MORSE Code with Combinatorial Geometry. DNA-2860T (May 1972). [6] Emmet M.B. The MORSE Monte Carlo Radiation Transport Code System. ORNL4972, 1975. [7] bAJ[EW i.s. I DR. – pREPRINT ifw— 78-2, sERPUHOW, 1977. [8] Aarnio P.A. et al. – CERN/TIS-RP/168(86), CERN/TIS-RP/190(87). [9] Ferrari A. et al. – Nucl. Intsr. and Meth. B71(92) 412. [10] GEANT: Detector Description and Simulation Tool. CERN Program Library Long Writeups Q123. [11] Brun R. et al. – CERN 90-10, vol.III, 1990, p.2. [12] eRMAKOW s.m. mETOD mONTE-kARLO I SMEVNYE WOPROSY. – m.: nAUKA, 1975. [13] tALANOW w.w. – pREPRINT ifw— 94-137, pROTWINO, 1994. [14] aVGIREJ i.l. I DR. – dOKLAD NA 6-J WSEROSSIJSKOJ KONFERENCII PO RADIACIONNOJ ZA]ITE, oBNINSK, 1994. [15] tALANOW w.w. – pREPRINT ifw— 92-99, pROTWINO, 1992. 273 [16] Azhgirey I. et al. – CERN CMS TN/94-265, CERN CMS TN/94-266, CERM CMS TN/94-267, CERN CMS TN/95-053, CERN CMS TN/95-054, CERN CMS TN/95060, CERN CMS TN/95-063, CERN CMS TN/95-102. [17] F.Atchison. In: Proc. of the Specialists Meeting on Accelerator – Based Transmutation, p. 440, PSI, Villigen, Mar. 24-26, 1993. [18] mA[NIK s.g., tONEEW w.d. – pREPRINT oiqi r4-8417, dUBNA, 1974. [19] S.G.Mashnik. – Preprint JINR E-92-320, Dubna, 1992. [20] vIWOPISCEW f.a. I DR. mODELI PREDRAWNOWESNYH QDERNYH REAKCIJ., mOSKWA, 1987. [21] bOTWINA a.s. I DR., – pREPRINT iqi-p-0657, mOSKWA, 1990. [22] V.A.Konshin, – Preprint JAERI-Research 95-010. [23] V.I.Beljakov-Bodin et al. NIMA 295(1990), p. 140; bELQKOW-bODIN w.i. I DR. a—, 70(1991), STR. 339; V.I.Beljakov-Bodin et al. NIMA 314(1992), p. 508; [24] I.Baishev et al. SSCL-MAN-0034, 1994. [25] i.s.bAJ[EW I DR. – pREPRINT ifw— 91-118. pROTWINO, 1991. 274
