ГОСТ 25645.204-83
Группа Ф40
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
Безопасность радиационная экипажа космического
аппарата в космическом полете
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭКРАНИРОВАННОСТИ
ТОЧЕК ВНУТРИ ФАНТОМА
Spacecrew radiation safety during spaceflight.
Computation methods of points shielding inside fantom
ОКП 696800
Дата введения 1985-01-01
ИСПОЛНИТЕЛИ: П.А.Барсов; А.И.Григорьев, д-р мед. наук; Е.Е.Ковалев, д-р техн. наук; Л.М.Коварский, канд. техн. наук; Е.И.Кудряшов, канд. техн. наук; Е.Н.Лесновский, канд. техн. наук; В.А.Панин; Н.М.Пинчук; И.Я.Ремизов, канд. техн. наук; В.А.Сакович, канд. техн. наук; В.М.Сахаров, канд. техн. наук; В.Б.Хвостов, канд. физ.-мат. наук
УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 20 декабря 1983 г. N 6360
Настоящий стандарт устанавливает требования к заданию объекта и алгоритм вычисления функций, характеризующих экранированность точек внутри объекта-фантома с окружающей его защитой.
Под защитой в стандарте понимают конструкцию космического аппарата (КА), его оборудование и специальное снаряжение, защищающее (экранирующее) космонавта от ионизирующего излучения.
Стандарт предназначен для подготовки исходных данных, необходимых при расчетах на предприятиях и организациях, занимающихся научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами, связанными с обеспечением радиационной безопасности экипажа космического аппарата в космическом полете.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Экранированность точки 
, расположенной внутри фантома, характеризует функция экранированности 
такая, что 
представляет вероятность для лучей, изотропно испущенных из точки , встретить на своем пути суммарное количество вещества фантома и защиты 
в интервале от до 
, выраженное в массовых единицах длины.
,
где 
- количество вещества фантома; 
- количество вещества защиты.
1.2. Под массовой единицей длины в веществе понимают произведение линейной единицы длины на плотность вещества.
1.3 Самоэкранированность точки 
, расположенной внутри фантома, характеризует функция самоэкранированности 
, тождественно равная 
.
1.4. Экранированность защитой точки , расположенной внутри фантома, характеризует функция экранированности защитой 
, тождественно равная 
.
2. ЗАДАНИЕ ОБЪЕКТА
2.1. Объект, в виде выпуклого тела, задают совокупностью зон с постоянными физическими свойствами вещества в пределах зоны. Каждой зоне присваивают номер 
=1, 2, …, 
, где - максимальное количество зон, необходимое для задания объекта.
Примечание. Если исходный объект представляет собой вогнутое тело, то его следует дополнить пустыми зонами.
2.2. Каждая зона объекта должна быть задана вектором поверхностей 
, вектором неопределенности 
, индексом, характеризующим принадлежность вещества к фантому или защите, и плотностью вещества в зоне 
.
Вид поверхности | Уравнение поверхности | Тип | Макси- | Вводимые |
Плоскость, | ||||
|
| 1 | 1 |
|
|
| 2 | 1 |
|
|
| 3 | 1 |
|
Плоскость, параллельная | ||||
|
| 4 | 4 |
|
|
| 5 | 4 |
|
|
| 6 | 4 |
|
Конус, параллельный | ||||
|
| 7 | 6 |
|
|
| 8 | 6 |
|
|
| 9 | 6 |
|
Цилиндр, параллельный | ||||
|
| 10 | 4 |
|
|
| 11 | 4 |
|
|
| 12 | 4 |
|
Эллипсоид |
| 13 | 6 |
|
Поверхность второго порядка |
| 14 | 10 |
|
, 
, 
, 
, 
, 
,
, 
, 
, 
, …, 
2.2.1. Поверхности задают в виде уравнений 1 и 2-го порядков в декартовой системе координат 
в общем 
или каноническом виде в соответствии с таблицей. Каждой поверхности присваивают номер 
=1, 2, …, 
, где - максимальное количество поверхностей, необходимое для задания объекта.
2.2.2. Совокупность номеров поверхностей, ограничивающих -ю зону 
, из множества номеров поверхностей 
(=1, 2, …, ) образует вектор поверхностей .
2.2.3. Каждая поверхность 
разделяет два объема: внутренний - 
и внешний - 
. Принадлежность точки 
к внутреннему или внешнему объему характеризуют признаком, именуемым индексом неопределенности 
, значение которого определяется выражением
. (1)
2.2.4. Все точки зоны должны иметь одинаковые индексы неопределенности относительно поверхностей, ограничивающих ее.
2.2.5. Совокупность индексов неопределенности произвольной точки для вектора образует вектор неопределенности
. Вектор неопределенности для точек -й зоны записывают как 
.
3. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ФУНКЦИИ ЭКРАНИРОВАННОСТИ
3.1. Функцию экранированности 
вычисляют в виде функции 
кусочнопостоянной на отрезке 
, (2)
где 
=1, …, 
- номер отрезка;
;
- количество вещества, встреченного на пути луча из точки в направлении 
.
3.2. Для определения функции 
необходимо задать расчетную сетку 
в диапазоне 
, причем ширину интервала 
следует выбирать исходя из требований к погрешности функционала, вычисляемого с использованием 
.
3.3. Для вычисления величины 
необходимо определить расстояние, пройденное лучом в зонах объекта, что требует выполнения ряда операций, изложенных в пп.3.3.1-3.3.7.
3.3.1. Вычисляют расстояния 
от точки до пересечения луча в направлении со всеми поверхностями, решив для этого относительно 
совместно систему уравнений, описывающих поверхность и прямую в направлении , проходящую через точку
(3)
где 
- расстояние от точки по лучу до пересечения с -й поверхностью.
Система уравнений (3) для каждой поверхности может иметь одно, два или ни одного решения, что соответственно означает однократное, двукратное или отсутствие пересечения -й поверхности лучом.
Полученным решениям присваивают номер 
(=1, ..., 
, где - максимальное количество пересечений лучом поверхностей объект
3.3.2. Располагают полученный массив значений 
(=1, ..., ), в порядке возрастания, формируя при этом последовательность соответствующих номеров поверхностей 
.
3.3.3. Вычисляют длины отрезков 
между последовательными пересечениями
, (4)
положив 
(пересечение лучом точки ).
3.3.4. Вычисляют 
в произвольной точке 
каждого из отрезков 
(=1, 2, …, ) относительно всех поверхностей 
(=1, 2, …, ), используя соотношение (1) и рекуррентные соотношения:
(5)
, …, ; =1, …, 
где 
- номер пересекаемой лучом поверхности.
3.3.5. Из полученных индексов неопределенности для точки отбирают относящиеся к -й зоне и формируют совокупность векторов неопределенности 
(=1, …, ).
3.3.6. Определяют последовательность номеров зон 
(=1, …, 
), в которых расположены отрезки луча 
, путем отыскания одинаковых (равных) векторов среди 
и 
(=1, …, ). Отсутствие таких векторов для некоторой точки 
свидетельствует о ее расположении вне объекта и процесс идентификации отрезков 
для 
прекра
щают.
3.3.7. Вычисляют количество вещества на пути луча 
по формуле
. (6)
3.4. Функции самоэкранированности 
и экранированности защитой 
должны быть рассчитаны аналогично 
, причем для вычисления 
и 
осуществляют раздельное суммирование расстояний, пройденных лучом в зонах фантома и защиты, умноженных на плотность вещества в соответствующих зонах.
3.5. Возможный способ реализации алгоритма приведен в рекомендуемом приложении.
ПРИЛОЖЕНИЕ (рекомендуемое). СПОСОБ РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМА (ПРОГРАММА OPTIC)
ПРИЛОЖЕНИЕ
Рекомендуемое
1. Описание программы OPTIC
1.1. Программа OPTIC предназначена для расчета функций экранированности 
, самоэкранированности 
и экранированности защитой 
точек в объектах сложной геометрической конфигурации с непостоянными физическими свойствами по объему. Вычисление функции экранированности, определяемой выражением (2) настоящего стандарта, осуществляется методом Монте-Карло. Программа написана на языке Фортран и ориентирована на ЭВМ типа ЕС или БЭСМ-6. Время счета одного варианта зависит от сложности объекта и требуемой точности вычисляемого функционала. Блок-схема вычисления функционалов 
, 
и 
представлена на черт.1 (в левом углу блоков указаны номера, соответствующие пунктам описания программы).
Черт.1. Блок-схема вычисления функций экранированности w, самоэкранированности w(1) и экранированности защитой w(2)
Блок-схема вычисления функций экранированности ,
самоэкранированности и экранированности защитой
Черт.1
Передача информации между подпрограммами и связь их с управляющей программой осуществляется в виде описания COMMON-областей и путем задания формальных параметров.
1.2. Описание COMMON-областей
1.2.1. COMMON /AG/ UR, VV, WR, А (50, 10), RO (30),
где UR, VV, WR - рабочие ячейки;
А (50, 10) - массив коэффициентов, описывающих поверхности (задается в соответствии с таблицей настоящего стандарта;
RO (30) - плотность вещества в зоне
1.2.2. COMMON AG1/N, NZON, IT (50), NCF (50), MI (30), IPZ (30,6), ID (30,6), KPN (30),
где N
50 - количество поверхностей, применяемое для задания объекта;
NZON30 - количество зон, применяемое для задания объекта (включая пустоты);
IT (I) 14, I=1, ..., N - тип поверхности;
NCF (I) 10, I=1, ..., N - максимальное количество коэффициентов, необходимое для задания поверхности I;
МI(К) 6, K=1, …, NZON - количество поверхностей, ограничивающих зону K;
IPZ (K, J) 50 - порядковый номер поверхности, ограничивающей K-ю зону (K=1, ..., NZON; J=1, ... МI(K));
KPN (K) - индекс материала в зоне K (предполагается, что индекс KPN=1, имеет вещество фантома).
1.2.3. COMMON /AG2/ IDI (100), IP (100), SP (100), KР (100),
где IDI (100) - массив рабочих ячеек;
IP (100) - массив порядковых номеров поверхностей, пересекаемых прямой в направлении , в порядке очередности;
SP (100) - массив расстояний от точки , расположенной в объекте в направлении , до пересечения с поверхностями в порядке возрастания (SP(1)=0);
KР (100) - массив индексов материалов, пересекаемых лучом, в порядке очередности (KР(1) - индекс материала в зоне, содержащей точку );
KР=0 - признак выхода из объекта.
1.3. Входная информация о геометрии объекта
Входная информация о геометрии объекта считывается с перфокарт и содержится COMMON-областях, описанных в пп.1.2.1 и 1.2.2.
В данной версии программы предусмотрено использование не более 50 поверхностей 1 и 2-го порядка (задаваемых в соответствии с таблицей настоящего стандарта) для описания геометрии объекта. Максимальное количество зон не превышает 30, причем, каждая зона должна быть ограничена не более, чем шестью поверхностями. Все расстояния задаются в сантиметрах, плотность вещества в зоне - в граммах на кубический сантиметр. При необходимости расширить число зон и поверхностей для описания объекта необходимо изменить соответствующие размерности в COMMON-областях.
1.4. ISTOR - число истории, необходимое для расчета функций экранированности (рекомендуемое значение ISTOR
10000).
1.5. ={X0, Y0, Z0} - декартовы координаты точки .
1.6. Подпрограмма ROMEGA (U0, V0, W0) - подпрограмма для розыгрыша случайного направления вектора , имеющего изотропное распределение; U0, V0, W0 - направляющие косинусы вектора в декартовой системе координат. Подпрограмма использует датчик случайных чисел, равномерно распределенных на участке (0,1).
1.7. Подпрограмма GEOMIN (X0, Y0, Z0, U0, V0, W0, L1) - основной модуль программы, предназначенный для вычисления расстояний от внутренней точки объекта ={X0, Y0, Z0} в направлении ={U0, V0, W0} до пересечения с поверхностями, описывающими объект, а также идентификация материалов, пересекаемых при этом лучом.
Выходная информация содержится в COMMON-области, описанной в п.1.2.3, и параметре L1.
L1 - максимальное количество пересечений (плюс 1) луча с поверхностями до выхода из объекта (KP(L1)=0).
1.8. Вычисление толщин вещества фантома и защиты осуществляется раздельным суммированием расстояний, пройденных лучом в фантоме и защите в направлении , умноженным на плотность вещества в соответствующих зонах.
1.9. Анализируется попадание величин , и 
в заданные интервалы толщин 
.
В программе используется следующая сетка разбиения для {
}:
| 0 |
| |||
| 10 |
| |||
| 20 |
| |||
| 10 |
| |||
10
Все случаи, когда 
290, фиксируются в накопителе =51.
При попадании 
в соответствующий интервал в накопитель информации 
добавляется 1.
1.10. Конечные функционалы получаются делением величин на число историй (ISTOR) и соответствующую ширину интервала .
На печать выдаются распределения 
, 
и 
, =1, ..., 50, а также соответствующие величины вероятности:
; 
и 
*.
_______________
* Формула соответствует оригиналу. - Примечание.
1.11. Пакет программ содержит все необходимые для проведения расчетов вспомогательные подпрограммы, включая датчик случайных чисел для ЕС ЭВМ (подпрограмма RANDU). Для проведения расчетов на ЭВМ БЭСМ-6 рекомендуется использовать генератор случайных чисел RNDN* (библиотечная программа мониторной системы "Дубна"). В этом случае необходимо заменить функцию RANNO на следующую:
FUNCTION RANNO (NMB)
RANNO=RNDM (-1)
RETURN
END
________________
* Текст соответствует оригиналу. - Примечание.
2. Инструкция по вводу исходных данных
N п/к | Считываемый | Формат | Назначение символа |
1 | N, NZON, NMAT | 313 | N - число поверхностей; |
2-1 | (IT (I), I=1, N) | 2413 | IT |
3-1 | (NCF (I), I=1, N) | 2413 | NCF |
4-1 | (MI(K), K=1, NZON) | 2413 | Число поверхностей, ограничивающих |
5-1 | ((IPZ, (K, J), J=1,6), | 613 | Векторы поверхности. |
6-1 | ((ID (K, J), J=1,6), K=1, NZON) | 613 | Векторы неопределенности |
7-1 | ((A (I, J), J=1, NCF (I)), | 6E10.0 | Значения коэффициентов в уравнении |
8-1 | (KPN (K), K=1, NZON) | 2413 | Номер материала, расположенного в |
9-1 | (RO (I), I=1, NMAT) | 6E10.0 | Плотность вещества в соответствии с принятой нумерацией (см. п/к 8). |
10 | ISTOR | 16 | Число историй, необходимое для оценки интегралов |
11-1 | X0, Y0, Z0 | 3E10.0 | Координаты точки |
- тип 
- номера поверхностей (в принятой нумерации), ограничивающих 
- индексы неопределенности внутренней точки зоны 
.
3. Текст программы OPTIC
4. Пример расчета
Объектом расчета является цилиндрический фантом, задаваемый в соответствии с ГОСТ, экранированный с боков цилиндрическим слоем алюминия высотой (
) 127 см с внутренним диаметром (
) 100 см и толщиной стенки () 10 см.
Точка расположена на оси 
на высоте (
) 54 см. Геометрия объекта приведена на черт.2.
Черт.2. Геометрия объекта
Геометрия объекта
1, 2, ..., 7 - номера, присвоенные поверхностям (=7);
I, II, ..., V - номера, присвоенные зонам (NZON=5);
вещество фантома - в зонах I и II; вакуум - в зонах III и IV;
алюминий в зоне V (NMAT=3)
Черт.2
Пакет входных данных для задачи и результаты расчетов по программе OPTIC представлен ниже. Время счета данного примера ~2 мин на ЭВМ ЕС-1040.
