Общая характеристика работы

Вид материала

Документы

Содержание Положения, выносимые на защиту Cодержание работы В первой главе Вторая глава В третьей главе В четвертой главе Первая глава - активная защита космических кораблей при межпланетных полетах.

Подобный материал:

• Содержание лекций  Модели местного самоуправления в России  Местное самоуправление:, 786.51kb.
• Общая характеристика работы актуальность работы, 336.09kb.
• Общая характеристика работы актуальность работы, 236.99kb.
• Общая характеристика работы актуальность работы, 227.87kb.
• Общая характеристика работы актуальность работы, 227.87kb.
• Задачи физического воспитания детей дошкольного возраста. Общая характеристика средств, 34.6kb.
• Реферат по курсу: экология на тему: Общая характеристика экосистем, как, 726.64kb.
• Научная работа студентов, 2153.55kb.
• Научная работа студентов, 2114.42kb.
• Общая характеристика работы актуальность работы, 487.01kb.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Теоретические основы и методики для определения защитных характеристик магнитных полей различных конфигураций от галактических космических лучей (ГКЛ) и солнечных космических лучей (СКЛ) без учета их взаимодействия с веществом.

2. Обратный траекторный метод расчета ослабления потоков ГКЛ и СКЛ магнитной защитой и определения доз в фантоме за ней с учетом взаимодействия заряженных частиц с веществом корабля и элементами магнитной защиты (комбинированная защита полем и веществом). Частицы стартуют из интересующего микрообъема фантома, оставляя в этом микрообъеме энергию и набирая ее при движении в веществе, взаимодействуют с магнитным полем и выходят из защиты, после чего имеет место «сшивание» со спектром частиц в космосе.

3. Оценки энергии частиц ГКЛ, которых необходимо полностью отклонять магнитным полем от защищаемого объема (энергия отсечки) для снижения доз до предполагаемых в межпланетном полете значений.

4. Создание искусственного ГМП на борту межпланетных кораблей с использованием специальных магнитных систем. Показано, что такие системы будут обладать сравнительно небольшой массой и энергопотреблением.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

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. В.С. Троицким 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.

В Введении обращается внимание на то, что задачу о нахождении потока заряженных частиц за МЗ, даже если в областях, занятых веществом, магнитное поле отсутствует, невозможно свести к двум раздельным задачам: 1) к расчетам отклонения потока частиц магнитным полем без учета вещества и 2) к расчету ослабления потока заряженных частиц веществом корабля и защиты без учета магнитного поля. Это объясняется тем, что конус разрешенных направлений для частицы, вышедшей из вещества и вновь попавшей в магнитное поле, из-за энергетических потерь в веществе более узок, чем начальный. Если направление движения частицы лежит вне этого нового конуса, частица будет возвращена в магнитную систему и захвачена в ней, что применительно к МЗ было впервые показано в работе (Труханов и др., 1969).

Захват является принципиально важным явлением в системах с магнитным полем и веществом.

Если создавать МЗ, то она в идеале должна обеспечивать радиационную безопасность не только от СКЛ, но и от ГКИ, причем всего обитаемого отсека, позволяя работать в нем постоянно и независимо от условий во внешней среде.

В настоящее время характеристики имеющихся сверхпроводников и конструкционных материалов, а также технологии еще недостаточны для создания полноценной МЗ. Недостаточно разработаны для космоса и вопросы криогеники. Однако намечающиеся успехи в разработке этих вопросов, в частности, на основе нанотехнологий, позволяют надеяться на прорывы в этих и других областях.

Даже в случае создания сверхпроводников с рабочей температурой, близкой к температуре космического пространства, масса МЗ будет определяться не только их массой, но и массой конструкции, компенсирующей пондеромоторные силы в системе. Ее величина в любом случае весьма заметна. Пренебрегать этим при оценках эффективности МЗ и не учитывать дополнительную защиту от заряженных частиц веществом силовой конструкции и сверхпроводников представляется неоправданным. По сути дела речь должна идти о комбинированной защите магнитным полем и веществом. Часть вещества используется для создания магнитного поля, существенно повышающего эффективность защиты.

В п. 1.1 рассматриваются методы определения радиационной обстановки за магнитной защитой. В настоящее время эти методы можно разделить на два класса.

Первый основан на некоторой модификации известного метода Штермера (Störmer, 1955), разработанного для нахождения характеристик потоков заряженных частиц в поле земного диполя. Он сводится к определению областей пространства, где существуют (или же отсутствуют) решения дифференциального уравнения, описывающего движение частиц с заданными зарядами и заданными начальными векторами скорости в магнитном поле заданной конфигурации. В соответствии с теоремой Лиувилля плотность потока частиц в разрешенной области или в конусах частично разрешенных областей равна потоку на бесконечности. При вычислениях используется гамильтонов формализм.

Этот метод дает лишь первое (а точнее сказать – нулевое) приближение к обстановке за комбинированной защитой, поскольку в нем весьма затруднительно, а большей частью вообще невозможно учесть взаимодействие с веществом. Однако даже сейчас он все же представляет интерес, так как позволяет получить некоторое представление о защитных характеристиках той или иной системы и сопоставить их между собой.

Второй метод, развитый в наших работах, основан на нахождении и последующем анализе траекторий заряженных частиц с заданной энергией, в заданном магнитном поле и при заданном распределении вещества. При наличии магнитного поля невозможно заранее предсказать, пройдет ли частица, входящая в МЗ и «пробивающая» ее (а именно такие частицы определяют радиационную обстановку в защищаемом объеме) через интересующую точку (вернее, микрообъем) фантома. Большая часть машинного времени при обычном методе расчета «из пространства в фантом» будет затрачиваться бесполезно.

Поэтому нами в соавторстве был предложен (Вайнберг и др, 1978 г.) и развит (Trukhanov, Kondratiev , 2003, Trukhanov , 2006) другой метод –обратный траекторный.

Пусть в момент времени t = 0 в интересующей точке фантома (в его микрообъеме) находится частица с заданным импульсом p (и, соответственно, энергией Т). Интегрирование уравнения движения частицы производим для времени t <0. При этом частица двигается в обратную сторону по своей реальной траектории и ускоряется в тех областях, где имеются энергетические потери (знак перед тормозящей силой меняем на обратный). Направление магнитного поля меняем также на обратное. Для каждого значения p или Т находится величина ионизационных потерь dT/dx в интересующей точке (микрообъеме) фантома для вычисления вклада в дозу (поглощенную и/или эквивалентную). Иными словами, частица с заданным импульсом (или начальной энергией) стартует в некотором заданном направлении из заданной точки (микрообъема) фантома, оставляя в нем некую энергию, набирает дополнительную энергию, двигаясь в веществе, и выходит из интерьера корабля в МЗ. Первая возможность - частица, набрав в веществе защиты дополнительную энергию, «пробивает» магнитное поле и выходит на внешнюю поверхность МЗ, после чего частицу с набранной энергией «сшивают» со спектром ГКЛ или СКЛ. Соответственно, «сшивают» и ее дозовый вклад в фантоме. Вторая возможность – магнитное поле направляет частицу в вещество, перекрывающее разрешенные направления в системах второго типа. В первом приближении можно считать, что расчет на этом заканчивается. Третья возможность – магнитное поле возвращает частицу в интерьер корабля, она вновь проходит сквозь него и входит в МЗ, но с другой стороны. Прослеживание траектории продолжается до тех пор, пока: а) частица не «пробьет» защиту; б) ее энергия не достигнет некоторых предельных значений, выше которых можно считать, что число таких частиц в спектре, а стало быть, и их вклад в дозу пренебрежимо мал; в) частица попадает в вещество, перекрывающее разрешенные направления в системах второго типа. При расчетах происходит перебор направлений старта частиц с разными импульсами или энергиями и атомными номерами Z, характерными для рассматриваемых спектров. Процесс повторяется для каждой интересующей точки (микрообъема) фантома. Он иллюстрируется на примере расчета траекторий в системе магнитной защиты «коаксиал», рассматриваемой более подробно в следующем п.1.2.




Рис. 1. Траектории заряженных частиц при отрицательном времени. 1 – магнитная защита «коаксиал» (разрез), 2 – обитаемый объем, 3 – переходные отсеки, 4 – вещество корабля, 5 – шаровой фантом, 6 – 7 – прямое попадание частиц в фантом, 8 – попадание после захвата.


Значение потока в интересующей точке в единицу телесного угла находится либо непосредственным вычислением фазового объема, либо с помощью интеграла кинетического уравнения (Морозов, 1972), если тормозящую силу можно представить в виде произведения двух сомножителей, один из которых зависит только от скорости частицы, а второй – от ядерных свойств вещества и его распределения. После того, как траектория системы, проходящая через выделенную точку, рассчитана до границы поля и вещества, можно определить поток в этой точке по граничным данным.

Предложенную схему расчета возможно в принципе усовершенствовать и учитывать не только ионизационные потери, но и катастрофические взаимодействия (например; ядерные), а также другие ситуации (рассеяние и т.д.).

В п. 1.2. рассматриваются варианты магнитной защиты.

После анализа возможных конфигураций защиты за основу была взята конфигурация магнитного поля в виде двух бесконечно-длинных сверхпроводящих цилиндрических сверхпроводников (труб) радиуса r₁ (внутренняя) и r₂ (внешняя) со встречными токами (Brown, 1961). В упомянутой работе зазор между трубами был выбран таким, чтобы поле в нем было близко к однородному. Траектории заряженных частиц в однородном поле, как известно, имеют вид отрезков окружности, что позволяет упростить расчеты. Однако для этого необходимо выполнить условие (r₂–r₁)<2, что приводит к резкому росту пондеромоторных сил в системе.




а б

Рис 2. Магнитная защита «коаксиал»: а – первый тип; б – второй тип.


Если же указанное условие не выполняется, то магнитное поле в системе спадает по радиусу как 1/r, и при больших значениях r₂ эффективность его, как защиты, уменьшается.

В связи с этим нами в п.1.2 рассматривается возможность создания однородного поля в тороидальном соленоиде добавлением сверхпроводников между r₁ и r₂ (Trukhanov, 2006) .

Пусть магнитное поле на внутреннем радиусе r₁ магнитной системы равно B₀ (Тл). Для того, чтобы на радиусе r₁≤ R< r₂ , где R в м, величина магнитной индукции составляла бы по-прежнему B₀ (Тл), необходимо, чтобы плотность тока i(r) в МА/м² удовлетворяла уравнению:

(1.1),

После простейшего преобразования (1.1) и дифференцирования по R получим:

(1.2)

Полная величина тока на r₁ в МА составит 5·B₀·r, а на r₂ составит 5·B₀·r₂ .

Внутри системы дополнительно к току на r₁ потребуется ток 5·B₀·(r₂ -r₁). Ток на r₂ также возрастет, что увеличит массу сверхпроводника. Более сложной будет выглядеть конструкция и сборка сверхпроводящей системы. Кроме того, с пондеромоторными силами придется иметь дело не только на r₁ и r₂ , но и внутри системы.

Однако такая магнитная система (коаксиал второго типа) имеет достоинства. У нее меньшие габариты по сравнению с габаритами коаксиала с полем l/r (коаксиал первого типа), имеющим такую же энергию отсечки. Ее надежность будет выше.

В реальном случае длина системы может быть невелика, а сама она выполнена из отдельных сверхпроводящих кабелей. Не очевидно, каким в этом случае будет в ней распределение поля, в особенности, вблизи торцов, и насколько будет «провисать» поле внутрь защищаемого объема и на внешнюю поверхность магнитной защиты. Поэтому был предварительно проведен расчет магнитного поля для системы из n рамок конечной длины для разных значений n. Поскольку сверхпроводник второго рода должен работать в МЗ в напряженном режиме, в первом приближении было принято, что он ведет себя как обычный проводник.

Поле в заданной точке (x₁, y₁, z₁) находили как сумму вкладов от n прямоугольных витков, вращая плоскость прямоугольного витка вокруг оси этой системы. Расчеты показали, что поле в защищаемом объеме и на торцах, а также на внешней поверхности коаксиала становится пренебрежимо малым при n > ~2·10². С увеличением n зависимость поля от радиуса все ближе и ближе к зависимости типа l/r вплоть до областей, очень близких к торцам. Соответственно, при этом упрощаются вопросы работы внутри защищаемого объема, выхода из него через торцы, а также работы на внешней поверхности при внекорабельной деятельности. При выходе из строя одной и более рамок «провисание» поля растет, но не сильно. В реальном случае сверхпроводящей системы это может быть еще менее заметно, поскольку соседние секции должны «подхватить» магнитное поле вышедшей из строя рамки. Полученные результаты можно отнести и к коаксиалу второго типа.

В п. 1.3 проведен предварительный анализ защитных характеристик вариантов коаксиала с использованием модифицированного метода Штермера.

Как было показано в п. 1.2 , поле коаксиала первого типа с ограниченными размерами при большом числе рамок эквивалентно полю бесконечно- длинной системы двух труб. В цилиндрической системе координат его векторный потенциал имеет только один компонент A_z = (- μ₀∙I·ln(r/r₂))/2π, где μ₀ - магнитная постоянная, I – ток на r₁.

Следуя нашим работам (Труханов и др, 1970а, Труханов и др., 1970б) запишем функцию Лагранжа (υ–скорость частицы, e–ее заряд):

(1.3)

Так как она не зависит от координат φ и z, то соответствующие компоненты обобщенного импульса P_z и P_φ явля­ются интегралами движения. Кроме того, интегралом движения является |р| , так как потери энергии частицы в веществе не учитываем. А_z= 0 при

r ≥r₂, поэтому P_z = p_z0 при входе частицы в магнитное поле. Соответственно внутри системы:

(1.4)

Границы области, недоступной для заряженных частиц, задаются условием:

, или , где cos θ₀ = p_z0 /p₀. (1.4а)

Наименьший корень уравнения (1.4а) равен:

(1.5)


Глубже всего проникают частицы, у которых p_z0 = p₀ = p. Поэтому, для того чтобы они не попадали в защищаемый объем, необходимо, чтобы выполнялось условие:

(1.6)

Рассмотрим теперь защитные характеристики коаксиала второго типа, т.е. с полем, не зависящим от координаты r. Векторный потенциал можно записать как A_z . Проведя такие же вычисления, как и выше, получим: .

Далее в предположении, что размер объекта (фантома) много меньше ионизационного пробега, оказывается возможным аналитически вычислить величину потока в заданной точке (или усредненного по защищаемому объему) для обоих типов МЗ коаксиал (но без учета торцов системы и захвата частиц), причем единым образом. В результате соответствующих вычислений получено, что поток Ф в точках r < r₁, нормированный на единицу, имеет вид:


Ф = 1- ν, (1.7)


где ν = p _макc / p как для однородного, так и для неоднородного поля 1/r , но с соответствующими значениями p _макс.

При незначительном превышении p по сравнению с p _макc поток растет медленно. Даже при p/p _макc = 2 поток все еще ослаблен вдвое, что существенно.

В заключительной части п. 1.3 оба типа МЗ «коаксиал» сопоставляются между собой по некоторым параметрам.

Пусть r₁ = 2 м, r₂ = 3, 95 м, энергия отсечки по протонам Т_о = 800 МэВ. Для однородного поля B₀ = 5,0 Тл. Для поля 1/r величина B₁ на радиусе r₁ составит ~ 7 Тл. Магнитное давление, пропорциональное квадрату величины магнитной индукции, будет на r₁ почти в два раза выше, а сверхпроводник будет работать в более тяжелых условиях, что потребует снижения плотности тока и увеличит массу сверхпроводящей системы.

Теперь для тех же величин r₁ и r₂, что и выше, и для B₀ на r₁ , равной 5 Тл для обоих типов коаксиала, найдем энергии отсечки протонов. Для однородного поля имеем Т_о = 800 МэВ (исходная величина для предыдущего расчета); для поля 1/r имеем Т_о=453 МэВ, т.е. на 43,4% меньше. Это существенно снижает эффективность защиты.

Еще одно сравнение: какая величина r₂ потребуется при заданных Т_о, r₁ и B₀. Для однородного поля, равного на r₁ 5 Тл, r₂ по протонам составляет 3,95 м при энергии отсечки 800 МэВ. Для неоднородного (коаксиал первого типа) r₂ = 5,27 м (на 33,4% больше).

Таким образом, коаксиал второго типа с однородным полем является в плане защиты более выгодным вариантом. Следует, однако, подчеркнуть, что суммарный ток коаксиала второго типа на r₂ существенно выше тока на r₁. Так, при принятых выше значениях обратный ток на r₂ составит 100 МА, а к току 50 МА на r₁ прибавится равный ток в зазоре.

В заключение п. 1.3 рассматривается вопрос: не окажется ли более выгодной с такой величиной тока защита с полем 1/r. Действительно, энергия отсечки для протонов составит в этом случае ~ 1,34 ГэВ. Забегая вперед, можно сказать, что это разом решает вопросы защиты и от СКЛ, и от ГКЛ. Однако поле на r₁ окажется равным 10 Тл, а магнитное давление составит 40 МПа (400 атм). Для коаксиала с однородным полем его величина на r₁ составит 6,93 Тл, а магнитное давление будет равно 19 МПа. Силовая конструкция будет легче, а масса сверхпроводника при тех же токах будет меньше, так как он будет работать в менее напряженном режиме.

В п.1.4 рассматривается методика определения защитных характеристик магнитной защиты при обратном траекторном счете (Trukhanov, 2006).

Для расчета доз в первом приближении используется модель - эквивалент шарового фантома человека. Во втором - фантом по ГОСТ 25645.203-83. Большинство результатов получено для случая, когда интересующая область (микрообъем фантома) находится на оси коаксиала или на расстоянии h ≤ (0,1÷0,2)·r₁ от него. При таком положении фантома поглощенная и/или эквивалентная доза за МЗ будет наибольшей из возможных. Величина вклада в дозу каждой частицы ГКЛ, стартующей из микрообъема фантома - эквивалента с заданной начальной энергией и под заданным углом, суммируется с соответствующими весовыми множителями, если частица в дальнейшем (в том числе, и после захвата) выходит на r₂. Если этого не происходит, вклад приравнивается нулю. Из геометрических и других данных определяется толщина вещества R’, которую должна пройти частица – сначала в интерьере корабля, а затем – в корпусе обитаемого отсека и в комбинированной защите. Энергия частицы на выходе из фантома – эквивалента (или шарового фантома) и из корпуса обитаемого отсека, а также на входе и на выходе из МЗ определяется следующим образом. Используется известное соотношение пробег-энергия:

(1.8),

где R₀ (T₀) – значение остаточного пробега тяжелых заряженных частиц. Величина T должна удовлетворять уравнению:

(1.9)

После очевидных преобразований это уравнение переходит в уравнение

(1.10),

решение которого ищется итерациями по методу Ньютона:


(1.10а)

Метод Ньютона в данном случае удобен, поскольку ни сама функция, ни ее производная (т.е. формула Бете - Блоха) не равняются нулю внутри интересующего промежутка. Такой подход позволяет избежать применения приближенных соотношений пробег-энергия и связанных с этим трудностей и погрешностей или же обратной интерполяции по громоздким таблицам «энергия-пробег». В формуле (1.10) учтено, что при обратном счете заряженная частица, двигаясь в веществе, ускоряется. В случае «прямого» счета знак «+» перед R^* следует заменить на знак «-».

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 гибридной защитой (т.е. защитой и полем, и веществом). Учет изменения фазового объема при движении частиц в магнитном поле и в веществе проводится в соответствии со сказанным в п.1.1.

В п. 1.4.1 рассматриваются траектории частиц в защите при поле 1/r (Trukhanov. 2006).

Как уже упоминалось выше, задача о движении заряженных частиц в магнитном поле бесконечно-длинного провода была впервые решена в работе (Hertweck,1959) применительно к проблемам физики плазмы. В п. 1.2 показано, что поле внутри системы рамок с током при большом их количестве близко к полю бесконечно-длинного провода. Поэтому первые шаги будут теми же, что в упомянутой работе. Затем из полученных уравнений выводятся уравнения, которые более соответствуют поставленной в нашей работе задаче нахождения траектории частицы в ограниченном пространстве. Интересует наиболее глубокое проникновение заряженных частиц при нахождении фантома на оси обитаемого объема или вблизи нее.

Уравнения движения для этого двумерного случая имеют вид:

(1.11)

(1.12),

где = 1+T/m₀c² (Лоренц-фактор).

Из сохранения энергии при движении в магнитном поле имеем:

(1.13),

где w₀ – начальная скорость частицы.

Отсюда:

(1.13а)

(1.13б)

Подставляя (1.3а) и (1.13б) в (1.11) и (1.12) соответственно, получим:

(1.14),

где α = (e/m₀)·B₁r₁·Г

Умножим (1.14) на , преобразуем, разделим переменные, снова преобразуем и проинтегрируем. При r = r₁ угол вылета частицы зададим как θ₀. Получим:

(1.15)

Далее аналогично получаем выражение для :

1.16)

Разделив уравнение (1.15) на уравнение (1.16), получим интересующее нас уравнение годографа, которое описывает траекторию заряженной частицы в поле 1/r:

(1.17)

Перейдем к решению уравнения годографа (1.17). Сделаем замену:

(1.18)

и разделим переменные.

Тогда уравнение (1.17) примет следующий вид:


(1.19)


Проинтегрируем и запишем в безразмерном виде:

(1.20)

где z^* = z/r₁, а q = w₀/α.

Функция

(1.21)

известна как модифицированная функция Бесселя.

Таким образом, решение (1.20) представляет собой «усеченную» модифицированную функцию Бесселя, которая может быть вычислена интегрированием в пределах θ₀ ÷ ψ.

Заметим, что φ является текущим углом. Это придает прозрачный физический смысл пределам интегрирования в (1.20). Решение (1.20) можно преобразовать, интегрируя по частям. Имеем:



(1.22)


Умножив выражения (1.22) на q·exp(q·cosφ), получим решение, эквивалентное решению (1.20). Выражение (1.22) в некоторых случаях вычисляется быстрее, чем первоначальное, ввиду наличия sin²φ. Подынтегральная функция везде положительна в отличие от функции в исходном интеграле.

В МЗ коаксиал с полем 1/r частица проходит через вещество, представленное слоями толщиной d₁, d₂… d_n,, расположенными параллельно оси z. Для того, чтобы вычислить энергию частицы после прохождения слоя n, находится эффективная толщина этого слоя R^* = d_n /sin φ. Вообще говоря, таким же способом можно найти новую энергию частицы и в том случае, если толщина вещества зависит от z. Далее вводится поправка на увеличение Лоренц-фактора Г в коэффициенте α, поскольку скорость частицы увеличилась. После последующего интегрирования определяем новую координату z^*. Предварительно определяем, не уходит ли частица при движении в торцы системы. Это достигается решением уравнения (1.17) при заданном расстоянии точки старта частицы от торцов системы с помощью метода, сходного с тем, который был использован для решения уравнения (1.10).

В п. 1.4.2 рассмотрены характерные параметры траектории при обратном счете в поле B = const. Интересующая область (микрообъем фантома) находится на оси коаксиала или на расстоянии h ≤ (0,1÷0,2)r₁ от него, как и в 1.4.1. Траектории представляют собой отрезки окружности. Соответственно находится элемент длины отрезка окружности. Интегрируя от r₁ до r₁ (или до верхней точки траектории), получаем длину траектории dl^* в зазоре между r₁ и r₂ (или половину длины, если вместо r₂ подставлена верхняя точка траектории частицы). Находится угол β, под которым частица выходит из внешней поверхности коаксиала.

Полученные формулы в автореферате не приводятся ввиду их простоты. Следующий шаг состоит в нахождении по соотношению «пробег–энергия» изменения энергии частиц в траекторном обратном методе. Условие захвата частицы однородным магнитным полем в зазоре защиты сводится к достаточно очевидному соотношению между координатой центра ларморовского радиуса и полусуммой координат границ магнитного поля:

x_c < (r₁+ r₂)/2

В качестве приближения принимается, что ионизационные потери в зазоре коаксиала второго типа из-за их сравнительной малости существенно не влияют на вид траекторий. Тем самым величины доз завышаются, т.е. получаем их верхние оценки.

Как и выше, 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.

В Приложении 1 приводятся выражения магнитного поля рамки с током для расчета магнитного поля системы рамок, создающих магнитную защиту.

В Приложении 2 приводятся результаты расчетов параметров магнитного поля МЗ «коаксиал» для снижения доз до заданных значений.

В главе 2 рассматриваются электромагнитные факторы на борту межпланетных и околоземных пилотируемых космических аппаратов и возможности защиты экипажей от их воздействия

Выше уже отмечалось, что ЭМП в космическом полете оценивали в литературе как фактор, потенциально неблагоприятный, но имеющий второстепенную или третьестепенную важность. Пересмотр этой точки зрения был вызван рядом причин, среди которых в первую очередь следует отметить:

-появление новых научных материалов о биологическом действии ЭМП, особенно, полей тех частот, которые, как ранее полагали, не имеют заметной биологической значимости;

-первые экспериментальные данные о воздействии на человека в космическом полете ЭМП, обусловленных колебаниями уровня ГМП на борту вследствие движения КА и электромагнитных процессов, происходящих в магнитосфере Земли (Баевский и др., 1997,1998);

-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.

Создание в будущем базы на Луне и проект межпланетного полета, когда человек будет длительное время находиться в магнитном поле, величина которого на три-пять порядков ниже привычного ГМП, ставят совершенно новые проблемы в жизнеобеспечении.

Имеются экспериментальные и теоретические данные о неблагоприятном воздействии на жизнедеятельность пониженного ГМП, степень ослабления которого не идет ни в какое сравнение с гипомагнитными условиями в межпланетном пространстве. Следует учитывать, что и человек, и биообъекты на борту должны будут непрерывно пребывать в этих условиях сотни суток.

Создание на межпланетном корабле или на лунной базе магнитного поля, близкого по величине к ГМП, как было показано нами, в принципе возможно (Труханов, 2002, 2003, Тrukhanov 2003, Тrukhanov, Lugansky, 2006), однако требует детальной проработки как в техническом плане, так и с медико-биологических позиций. Что же касается воздействия на человека и живые системы ЭМП, создаваемых при работе систем и аппаратуры КА, 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. Следует подчеркнуть, что последнее обстоятельство будет особенно существенно для лунной базы и для межпланетного корабля. Есть отрывочные данные, что в гипомагнитных условиях биологические эффекты техногенных ЭМП модифицируются, причем большей частью в неблагоприятную сторону.

Решение этих вопросов применительно к проектам межпланетных полетов и лунной базы будет способствовать продвижению в решении вопросов такого же плана при орбитальных пилотируемых полетах. Установка на крупных орбитальных объектах соответствующим образом модифицированных магнитных систем имитации ГМП в межпланетном пространстве, возможно, поможет исключить нежелательные последствия воздействия на экипажи колебаний ГМП на борту.

Следует отметить, что нет ясности с электромагнитным фоном на Международной космической станции – МКС. Разработка единых нормативов для нее осложнена различием подходов к нормированию ЭМП в странах–участницах и, соответственно, различием величин предельно допустимых уровней (ПДУ) в их национальных стандартах. Обсуждения этой проблемы на Международной Рабочей Группе по ионизирующим и неионизирующим излучениям (MRHWG) в 2004-2005 гг. подтвердили понимание того, что круглосуточное пребывание членов экипажа при воздействии ЭМП бортовых систем и аппаратуры эквивалентно условиям, характерным для воздействия ЭМП на население. Поэтому при нормировании уровней ЭМП для МКС целесообразно исходить (с некоторыми поправками) именно из этих нормативов.

Нежелательность положения, при котором на национальных сегментах МКС будут действовать уровни ЭМП стран-участниц, заключается, во-первых, в трудностях организации в этом случае совместной работы членов экипажей из разных стран в национальных сегментах станции и, в особенности, при внекорабельной деятельности; и, во-вторых, в том, что из-за электромагнитной связи между Национальными Сегментами по переходным отсекам и т.п. элементам, по которым ЭМП (особенно, сверхвысокочастотные СВЧ) могут распространяться внутри станции, включение аппаратуры в одних сегментах может приводить к недопустимому превышению уровней ЭМП в других.

Предложения Российской стороны по нормированию ЭМП на МКС, в разработке которых принимал непосредственное участие соискатель, сводятся к следующему. Поскольку МКС является международным объектом, целесообразно принять (с соответствующей коррекцией) в качестве уровней ЭМП на борту рекомендации по уровням для населения, разработанные Международным Комитетом по защите от неионизирующих излучений (ICNIRP) при ВОЗ. Это тем более имеет основание, поскольку рекомендации ICNIRP в настоящее время приняты как исходные для Стандартов многих стран и рассматриваются в качестве предполагаемого Стандарта Европейского Сообщества. Наши предложения по его коррекции для МКС заключаются в том, чтобы в области тех частот, где уровни, регламентируемые для населения Стандартом какой-либо страны-участницы МКС (например, Канады), меньше уровней, предлагаемых ICNIRP, соответственно снизить последние, сохранив их зависимость от частоты.

В п. 2.1.1 приводятся сведения о характеристиках межпланетного магнитного поля и о величине магнитного поля на поверхности Марса и Луны. Величина магнитной индукции межпланетного поля на орбите Земли меняется в пределах ~ (10²÷10¹) нТл, что в тысячи и десятки тысяч раз меньше величины привычного ГМП на поверхности Земли. Зависимость напряженности межпланетного магнитного поля от расстояния при удалении от Солнца в первом приближении принимают за гиперболическую. Магнитное поле Марса в 500-1000 раз меньше ГМП. Магнитное поле на поверхности Луны в большинстве областей неотличимо от межпланетного поля, хотя существуют участки с несколько большей намагниченностью. При лунных экспедициях астронавты уже сталкивались с отсутствием привычного ГМП на борту, но непродолжительное время.

В п. 2.1.2 приводятся сведения о магнитной обстановке на борту орбитальных объектов. В результате движения объекта по орбите и непрерывного изменения его геомагнитных координат уровень ГМП на борту колеблется, причем амплитуда этих колебаний на порядок и более превосходит такие магнитные бури, которые случаются всего один раз в несколько лет. Впервые на возможную биологическую значимость этих колебаний обратил внимание А.П. Дубров (Dubrov, 1978). Более детально этот вопрос был рассмотрен в нашей работе (Труханов и др., 1984), в которой затрагивалась также и более общая проблема возможного влияния вариаций уровня ГМП на человека при перемещении его в пространстве. Интенсивность воздействия этих вариаций наиболее высока в условиях технологической цивилизации. Возможно, что именно это обстоятельство приводит к «стиранию» реакций на космофизические воздействия. Как известно, если на колебательную систему (а биологический объект обладает подобными свойствами) воздействовать с частотой, значительно большей, чем частота автоколебаний, то она перестает реагировать на воздействия, которые ранее могли приводить к сильным возмущениям вплоть до развития неустойчивостей. С одной стороны, такое воздействие оказывается полезным. С другой стороны, это может приводить к перенапряжению компенсаторных систем организма.

П. 2.2 представляет собой краткий обзор имеющихся литературных данных о биологических эффектах воздействия слабых и сверхслабых магнитных полей, а также гипомагнитных условий. Рассматриваются, также кратко, теоретические работы по механизмам воздействия. В литературе имеются сведения о влиянии пониженного магнитного поля на жизнедеятельность (Копанев, Шакула, 1885, Бинги, 2002, Binhy, 2006, Pokhodzey, 2006). Как правило, оно отрицательно. Эти данные получены как в опытах на биологических объектах, так и при обследованиях операторов, находившихся в экранированных помещениях. Отмечено влияние гипомагнитных условий на модельные физико-химические системы и на воду. Не вполне ясно, что обуславливает эти эффекты – снижение уровня собственно ГМП, снижение уровня его колебаний или же искажение их спектра. Возможно, что играют роль все три фактора. Возможность воздействия слабых магнитных полей, тем более, частот десятков-сотен Гц до недавнего времени исключалась большинством научного сообщества. Эксперименты, свидетельствовавшие о воздействии слабых ПеМП на биологические объекты (в том числе, на культуры клеток, микроорганизмы и т.д.), а также на модельные физико-химические системы, рассматривались как артефакты или вообще игнорировались. Впервые строгие и воспроизводимые результаты с теоретическим анализом и объяснениями механизма воздействия слабых ПМП и ПеМП на реакции с участием радикалов появились в известных работах (Бучаченко и др. 1978, Salikhov et al., 1984,Франкевич, 1978). Основой для их объяснения явились новые эффекты проявления спинового запрета в радикальных реакциях под влиянием взаимодействий магнитной природы (зеемановских и сверхтонких). Был обнаружен синергизм действия переменных магнитных полей и постоянного магнитного поля на циклотронных частотах ионов (кальций и др.). В работе (Шувалова, 1991), которой руководил В.В. Леднев (Пущино), было продемонстрировано, что синергизм наблюдается и в растворе. Этот результат был очень важен, поскольку показал, что эффект происходит на молекулярном уровне. Принципиально новые теоретические объяснения воздействия слабых магнитных полей были предложены в работах (Леднев, 1996, Бинги, 2000, Binhi, 2002, Бинги, Чернавский, 2005) и других исследователей. Они также рассматриваются в п. 3.2.

В п. 2.3 рассматриваются вопросы создания искусственного ГМП на борту межпланетного корабля с помощью специальной магнитной системы. Как отмечалось нами в (Труханов, 2002, 2003а, Тrukhanov 2003б, Тrukhanov, Lugansky, 2006), такое решение проблемы длительного нахождения экипажа в гипомагнитных условиях при межпланетном полете, по-видимому, оптимально.

Магнитная система должна удовлетворять следующим очевидным требованиям:

- создавать близкое по величине к ГМП и достаточно однородное магнитное поле в сравнительно большом объеме обитаемого отсека;

- иметь минимально возможные габариты, удобную конструкцию и, в частности, не создавать трудностей при внекорабельной деятельности;

- обладать сравнительно небольшой массой и небольшим энергопотреблением.

На межпланетном корабле можно ограничиться магнитной системой, создающей лишь один компонент магнитного поля - продольный по отношению к кораблю. Целесообразно использование соленоидальных систем.

Н
r, м
ами были выполнены соответствующие расчеты и показано в упомянутых выше работах, что магнитные системы могут обладать сравнительно небольшой массой и небольшим энергопотреблением. При этом в зависимости от числа секций соленоидальной системы ее масса и энергопотребление изменяются практически незначительно. При увеличении числа секций однородность поля существенно растет. Это обеспечивает достаточную свободу при проектировании подобных систем. Приведем пример. При радиусе обитаемого отсека 2,0 м и его длине - 32 м и при условии, что магнитное поле обеспечивается соленоидом с током порядка 7·10¹ А·витков/м, у которого однородность поля достигается оптимальным расположением витков по длине, в обитаемом объеме такой соленоид будет создавать напряженность магнитного поля ~ 40 А/м., Это поле соответствует величине ГМП на широте г. Москвы. Среднеквадратическая неоднородность магнитного поля у этого соленоида на данной длине составляет ~ 1 %.