Развитие комплекса программ MARS для решения радиационно

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