ВВЕДЕНИЕ

Интерес к исследованию поведения вторичных потоков нуклонов в атмосфере, особенно вторичных нейтронов, прежде всего, связан с проблемами радиационной безопасности при межконтинентальных перелетах.

Известно, что некоторые трассы межконтинентальных перелетов проходят [1] вблизи северной полярной области. Эта область наименее защищена от вторжения энергичных частиц, и поэтому во время солнечных вспышек опасность радиационного облучения экипажа и пассажиров возрастает. Солнечные вспышки увеличивают дозы радиации на высотах, где проходят трассы пассажирских самолётов, в 20-30 раз [2]. Так, во время гигантской солнечной вспышки [3] 23 февр. 1956 г. мощность дозы возросла в 45 раз, а во время вспышки 6 апр. 2010 г. - в 100 раз [4]. В настоящее время экипажи некоторых авиалиний предупреждают о начале солнечных вспышек. Так, во время сильнейшей вспышки в ноябре 2003 г. экипаж авиакомпании «Дельта» рейса Чикаго - Гонконг вынужден был скорректировать маршрут в область более низких широт. Европейский Союз принял закон, согласно которому беременным женщинам-пилотам запрещается налёт часов с суммарной эквивалентной дозой радиации более чем 1,6 мЗв в год [2].Таким образом, разработка нового способа вычисления и метода контроля вариаций интенсивности вторичных космических лучей с целью получения оценки уровня предельно допустимой дозы (ПДД) облучения является актуальной инженерноэкологической задачей.

Особое значение приобретает исследование влияния вторичных нейтронов на естественный радиационный фон Земли в периоды максимальной солнечной активности, так как они наиболее активно взаимодействуют с ядрами атомов воздуха. Так, эквивалентная доза, получаемая слоем биологической ткани толщиной 20 см при облучении изотропным потоком нейтронов на уровне моря, равна 162 ± 5 Зв/год [5-7] , что приблизительно составляет 50 % от общего радиационного фона Земли. Более того, известно, что вторичные нуклоны, в отличие от общеионизующего компонента вторичных космических лучей, обладают значительным широтным эффектом [8-13] - максимальная интенсивность вторичных нуклонов приходится на полярные широты. Для вторичных нуклонов эффект солнечной модуляции в сотни раз больше, чем для обшеионизующего компонента (электронов и мюонов), т. е. интенсивность вторичных нуклонов во время солнечных вспышек увеличивается в десятки раз (во время некоторых вспышек - в сотни), соответственно увеличивается и уровень естественного радиационного фона Земли.

Интенсивность i-ro компонента космического излучения и мощность эквивалентной дозы связаны линейной зависимостью. Поэтому для оценки степени радиационной опасности при авиационных перелетах очень важно знать пространственное распределение каждого компонента вторичного космического излучения: ядерно-активного (вторичные нейтроны, протоны, л-мезоны), общеионизующего компонента (мюоны, вторичные электроны) и гамма-квантов.

Обычно задача распределения ?-го компонента космического излучения решается методом составления уравнения переноса [14-25]. Для получения аналитических решений распределения вторичных космических лучей в атмосфере данный метод сопряжен со значительными математическими трудностями и в слабо поглощающих средах имеет ограниченное применение. Эта теория дает точные результаты в предельном случае, когда — -» 0, где опг - сечение поглощения, авз - полное сечение взаимо-

°вз

действия [26]. Для нейтронов, например, данное соотношение не выполняется, и обычно используются различные приближения для решения уравнения переноса [15, 23]. Это существенно снижает ценность результатов.

Для нахождения высотного распределения вторичных космических лучей в атмосфере более продуктивен метод, основанный на применении марковских процессов к поведению первичных нуклонов в атмосфере, - процесс соударения первичного протона с ядром атома воздуха является случайным, первичный протон не помнит предыдущего столкновения. Этот метод был применен в работе [26] для высотного распределения л-мезонов. Суть данного метода состоит в следующем. В соответствии с различными статистическими теориями множественного рождения частиц и экспериментальными данными [20, 23-24, 26—31 ] предположим, что кратность генерации частиц в элементарном акте пропорциональна Я1/4, где Е - энергия первичной частицы. Коэффициент пропорциональности а (кг/моль), стоящий перед Я1/4, в выражении т = аЕ1^4 для кратности множественного рождения частиц с атомным весом А, равен а = 1,8 Е1^ 4 (кг/моль). Так как для воздуха А ~ 14,5, то а = 3,3 и т = 3,ЗЯ4/4. Пусть средняя энергия л-мезонов и нуклонов одинакова. Тогда, поскольку ведущая частица уносит энергию РЯ1/4, средняя энергия л-мезонов и нуклонов будет Я0 = = 0,3(1 — Р)Я3/4. В данной работе принято значение

Р = 0,5. Далее вводится функция Ч'(х12) (ГПа) - атмосферное давление на некоторой высоте Я), характеризующая вероятность столкновения первичного нуклона с ядром атома воздуха, в результате которого генерируются вторичные частицы. Предполагается, что рождение вторичных частиц происходит до тех пор, пока энергия первичного нуклона не станет менее 1 ГэВ. Для упрощения расчетов вводится следующее допущение: столкновения нуклонов происходят на глубинах А, 2А, ЗА, где А - длина свободного пробега нуклонов до взаимодействия (90 г/см2).

Пространственное распределение вторичных космических лучей находится методом коэффициентов связи [14,26,32], которые осуществляют связь между вариациями первичных и вторичных космических лучей. Для вторичных космических лучей характерен широтный эффект - максимальное значение интенсивности z-го компонента приходится на высокие географические широты. Для вторичных нейтронов значение широтного эффекта достигает 50 %. Для общеионизующего компонента широтный эффект несколько меньше. Возрастания интенсивности вторичных космических лучей во время солнечных вспышек - эффект солнечной модуляции, для нуклонного компонента в среднем превышает 2 000 %, но во время наиболее мощных солнечных вспышек, например вспышек 23 февр. 1956 г. и 6 апр. 2010 г., модуляционный эффект достигал 5 000-10 000 %. Для общеионизующего компонента эффект солнечной модуляции практически не проявляется даже во время сильнейших солнечных вспышек. Например, во время сильнейших вспышек 23 февраля 1956 г. и в апреле 2010 г. возрастание интенсивности мюонов и электронов составило около 10 %.

Таким образом, с помощью аналитических решений для высотного и пространственного распределения нейтронов и общеионизующего компонента можно построить математическую модель планетарного распределения вторичных космических лучей и, соответственно, мощности радиоактивной дозы. Кроме этого, контроль естественного радиационного фона посредством наземных нейтронных мониторов поможет в случае повышенной солнечной активности корректировать маршрут авиаперелетов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >