1. Интегрирование методов компьютерного моделирования в
промышленные радиационные технологии
В.Т. Лазурик, В.М. Лазурик, Г.Ф.Попов, Ю.В.Рогов
Харьковский Национальный Университет имени В. Н. Каразина
Научно-техническая конференция
«КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В НАУКОЕМКИХ
ТЕХНОЛОГИЯХ»
Харьков, 18-21 мая 2010 года. ХНУ имени В. Н. Каразина
2. 1. Введение
В последние годы на всех континентах
наблюдается интенсивный рост внедрения
радиационных технологий в различные области
промышленной индустрии.
Этот процесс сопровождается увеличением
количества промышленных радиационных
установок, расширением ассортимента
обрабатываемых ионизирующим излучением
изделий, внедрением новых способов и методов
радиационной обработки.
3. В самом общем виде отметим, что
γ-излучение и ускоренные электроны—это
основные виды ионизирующих излучений,
применяемые в промышленных
радиационных технологиях.
Эти виды излучений в конечном счете
вызывают в облучаемых объектах одинаковые
превращения, и последствия их воздействия не
зависят от природы излучения.
Различие состоит лишь в проникающей
способности отдельных видов излучения и
следствиях, связанных именно с этим.
4. 2. ЕДИНИЦЫ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ
И АКТИВНОСТИ РАДИОНУКЛИДОВ
Для оценки степени и интенсивности
облучения объектов в радиационных
технологиях используются понятия дозы
(поглощенная доза) и мощности дозы.
Поглощенная доза ионизирующего излучения
(кратко— поглощенная доза, доза)
D — это отношение средней энергии dE,
переданной ионизирующим излучением
веществу в элементарном объеме, к массе dm
вещества в этом объеме:
D = dE/ dm
5. В системе СИ для дозы принята единица
измерения грэй (Гр, международное Gy).
1 Гр равен поглощенной дозе ионизирующего
излучения, при которой веществу массой 1 кг
передается энергия ионизирующего излучения
1 Дж:
1 Гр=1 Дж/кг= 6,24 ·1015
эВ/г.
Ранее поглощенную дозу измеряли в радах:
1 рад = 0,01 Гр; 1 Мрад = 10 кГр.
Диапазон доз, используемых в радиационных
технологиях, 10—106
Гр.
6. Энергия ионизирующих частиц и энергия
ионизирующего излучения Е
в системе СИ выражаются
в джоулях (Дж).
Однако для Е в радиационных
технологиях применяют внесистемную
единицу электронвольт (эВ):
1 эВ = 1,6·10-19
Дж,
1 МэВ = 1,6·10-13
Дж = 0,16 пДж.
7. Активность радионуклида в источнике А — это
отношение числа спонтанных переходов dN из
определенного ядерно-энергетического состояния
радионуклида, происходящих в источнике за интервал
времени dt, к этому интервалу времени:
A = dN/ dt
В системе СИ активность радионуклида в источнике
выражается в беккерелях
(Бк, международное Bq).
1 Бк соответствует активности нуклида в
радиоактивном источнике, в котором за 1 с
происходит один спонтанный ядерный переход из
определенного ядерно-энергетического состояния.
8. RADIATION FACILITY
Scanning Magnet
Electron – X-Ray
Converter
X-rays
Window
Scanning Magnet
Scan Horn
E-beam X-ray
Window
Scan Horn
Gamma
E-Beam
Gamma
Rays
Cobalt 60, which emit
1.17/1.33 MeV gamma rays
Accelerator
Up to 7.5 MeV
Electron
source
E-Beam
Accelerator
Up to 10 MeV
1 eV = 1,6·10-19
J
1Сi =3.7x1010
Bq
Electron
source
100 kCi to 6 MCi
9. .
EB and X-ray depth dose distribution
at one- and two-sided irradiation
13. В настоящее время более чем 1500
мощных ускорителей электронов
и около 250 радиоизотопных гамма установок
используются в различных промышленных
радиационно-технологических процессах в
разных странах.
23. Coloring Gemstones
Improving the color of glass and gemstones
E-beam induced defects in crystals
Over 100,000 Carats of diamonds processed per year
24. Получение волокон из карбида и
нитрида кремния
Разработана технология изготовления волокон
из карбида и нитрида кремния, отличающихся
высокой термической стойкостью и механической
прочностью.
Кремний-карбидное волокно получается из радиационно-
сшитого (электронно-лучевой обработкой до дозы более
10 МГр) поликарбосилана нагреванием при высоких
температурах (до 1500°С) в отсутствие кислорода.
Кремний-нитридное волокно синтезируется пиролизом
радиационно-сшитого поликарбосилана в атмосфере
аммиака и последующим нагреванием до 1200°С в
атмосфере азота.
Поликарбосилан – кремний органический полимер
25. Space plane materials
Ceramic Matrix
Composites
(Hi-Nicalon, Japan )
Si-containing polymer fiber
Pyrolysis in inert gas (∼1500°C)
SiC Fiber
Cured polymer fiber
EB irradiation up to 10MGy
Silicon Carbide Fiber
•Diameter : 14µm
•Tensile strength: 3GPa (300kg/mm2
)
•Heat resistant : 1700°C
•Density : 2.7g/cm3
Application
2.4 ton
per year
Advanced Materials Development / Ceramic Composites
29. E-beam applications for the environment
Flue gas treatment Liquid effluents
treatment
Production of Viscose
30. APPLICATION OF RADIATION PROCESSING
FOR ENVIRONMENT PROTECTION
FLUE GAS PURIFICATION
Plants :
China,
Poland,
Japan,
USA,
Malaysia,
Germany
31. 2. Проблемные задачи радиационных технологий
Для каждого радиационно-технологического процесса,
для каждой радиационной установки необходимо
решать следующие задачи:
• обеспечения безопасных режимов работы и надежных
методов контроля процесса облучения;
• определение оптимальных режимов работы
функциональных элементов радиационного
оборудования с точки зрения качества
выполняемых работ, временных и финансовых
затрат на их выполнение;
• формирование научно обоснованного доказательства,
что радиационно-технологический процесс проведен
в соответствии с действующими международными и
региональными стандартами.
32. Решение этих задач экспериментальными методами требуют
огромных материальных, временных и трудовых затрат и не
может, даже сегодня, обеспечить эффективное использование
существующих радиационно-технологических установок.
33. 3. Компьютерное моделирование
радиационно-технологических процессов
Успех применения ионизирующих излучений в
радиационных технологиях в значительной степени
зависит от развития компьютерных программ для
моделирования процессов облучения на
радиационно-технологических линиях.
Компьютерное моделирование используется для:
• планирования процесса облучения,
• прогнозирования и расчета заданного профиля
распределения поглощенной дозы излучения в
облучаемых объектах,
• поиска оптимальных и безопасных режимов работы,
34. • разработки новых методов радиационной обработки,
• интерпретации экспериментальных результатов.
Существуют мощные специализированные программные
пакеты MCNP, ITS, EGS, GEANT, PENELOPE и др.,
которые позволяют проводить моделирование
транспорта различных видов ионизирующих излучений
через вещество.
Эти пакеты представляют собой среду разработки,
которую можно использовать для создания
компьютерных программ под решения различных
конкретных ядерно-физических задач, в том числе и в
области радиационных технологий.
С этими пакетами могут работать только коллективы
профессионалов, включающие физиков - специалистов в
области транспорта ионизирующего излучения через
вещество, математиков, программистов.
35. Практически отсутствуют компьютерные
программы для широкого круга пользователей,
работающих в области радиационных
технологий, которые не имеют специальной
подготовки в области прохождения
ионизирующего излучения через вещество и
компьютерных технологий.
Отсутствуют учебники и тренажеры для
моделирования процессов облучения на
радиационно-технологических линиях для
специалистов, работающих на промышленных
радиационных установках, а также для
студентов.
36. 4. Информационная технология
Авторами разработана Информационная Технология
для моделирования процессов облучения на
радиационно-технологических линиях, на которых в
качестве источников ионизирующего излучения
используются пучки электронов (ЕВ), тормозное
излучение (X-ray) и гамма излучение (γ-ray) от
радиоизотопных источников.
37. Информационная технология включает
следующие основные компоненты:
● Радиационно-Технологический Офис (RT-
Office), который реализует компьютерные
технологии на всех этапах выполнения работ на
радиационно-технологических линиях с
излучателями электронов, X-ray и γ-ray в
диапазоне энергий от 0.02 до 25 МэВ;
● пакет специализированных прикладных
программ для моделирования транспорта
электронов, тормозного излучения и гамма
квантов через гомогенные и гетерогенные
материалы и для решения практических задач в
промышленных радиационных технологиях;
38. ● базы данных с информацией о радиационном
оборудовании и особенностях различных
радиационно-технологических процессов;
● интерактивные учебники по моделированию
радиационно-технологических процессов;
● тренажеры для обучения широкого круга
специалистов и студентов моделированию
радиационно-технологических процессов.
39. 5. Радиационно-Технологический Офис (RT-Office)
RT-Office это общая программная оболочка, которая
обеспечивает гибкое интеллектуальное взаимодействие
между специализированными модулями и базами
данных для оптимального планирования процесса
облучения и контроля его проведения.
Широкие возможности RT-Office базируются на
разработанных:
• полуэмпирических моделях распределения поглощенной
дозы ионизирующего излучения в пространственно-
неоднородных объектах, облучаемых
сканирующими/стационарными пучками электронов и
фотонов;
• высоко эффективных программах моделирующих
методом Монте Карло процессы облучения
пространственно-неоднородных объектов;
40. • самосогласованных геометрических и физических
моделях основных функциональных элементов и
режимов облучения реального радиационного
оборудования;
• базах данных о характеристиках оборудования и
объектов, используемых в радиационных
технологиях;
• компьютерных методах экспертизы и контроля
условий проведения облучения;
• компьютерных методах представления, анализа и
интерпретации расчетных данных;
• методов валидации теоретических предсказаний на
основе сравнения расчетных данных, полученных
различными независимыми методами
моделирования или/и сравнением с практической
дозиметрией.
41. На основе модулей RT-Office разработан пакет
специализированных прикладных программ для
решения практических задач в промышленных
радиационных технологиях с излучателями
электронов, тормозного излучения и гамма
излучения от радионуклидного источника Co60
.
Эти программы валидированы методом сравнения
результатов моделирования с практической
дозиметрией, апробированы и протестированы для
разных радиационно-технологических процессов.
42. 6. Основные проблемные задачи в радиационных
технологиях, решаемые RT-Office
6.1. Задачи компьютерной дозиметрии:
● Прогнозирование и расчет 3-х мерных
распределений поглощенной дозы в гетерогенных
мишенях, облучаемых на радиационном
оборудовании:
- для разных видов излучения: пучки электронов (ЕВ),
тормозное излучение (X-ray) и гамма излучение от
радиоизотопных источников (γ-ray);
- облучение мишени в стационарном режиме и на
конвейерной линии;
- для разных способов облучения мишени: одно-, двух-,
четырех - стороннее и вращательное;
- одно- и много-проходовое облучения мишени.
43. 6.2. Задачи оптимизации процесса облучения:
● Компоновка облучаемой мишени, расположение элементов
радиационного оборудования, способы и параметры
облучения для получения заданного распределения профиля
поглощенной дозы в мишени.
● Выбор оптимальных параметров процесса облучения
мишени, которые обеспечивают для разных видов излучения
(ЕВ, X-ray и γ-ray) и способов облучения:
- максимальное значение коэффициента использования пучка
излучения;
- приемлемый уровень неоднородности поглощенной дозы в
облучаемой мишени для конкретного радиационно-
технологического процесса DUR = Dmax/Dmin;
- максимальный выход обрабатываемой облучением
продукции.
44. 6.3. Расчет характеристик различных
радиационно-стимулированных эффектов,
сопровождающих процесс облучения
На основании полученного профиля поглощенной
дозы в облучаемой мишени рассчитывают:
● пространственное распределение заряда;
● пространственное распределение температурного
перегрева в мишени и оценки интегральных
характеристик теплопереноса для процесса
охлаждения облученных объектов в
термостабильной внешней среде;
● уровень стерильности и стерилизационную дозу
в процессе радиационной стерилизации.
45. 6.4. Представление, анализ и интерпретация
результатов компьютерного моделирования,
сравнение результатов компьютерной и
практической дозиметрии
6.5. Оптимизационные задачи при проектирование
и запуске в эксплуатацию нового радиационного
оборудования и новых радиационно-
технологических процессов
46. 7. Перспективы развития Информационной Технологии
Интегрирование методов компьютерного моделирования в
международные стандарты сопровождения промышленных
радиационных технологий.
Разработка компьютерных алгоритмов и программного
обеспечения для поддержки и развития международных
стандартов, которые содержат:
• требования по обеспечению проведения конкретных
радиационно-технологических процессов в
регламентированных условиях;
• требования по обеспечению дозиметрического контроля;
• требования по обеспечению контроля качества облучаемой
продукции.
Наличие программного обеспечения к стандарту наряду с
«бумажным» вариантом будет расширять функциональные
возможности таких стандартов.
47. EN/ISO 11137:2006. Sterilization of health care products.
Part 1:Requirement for development, validation and routine control
of a sterilization process for medical devices
Part 2: Establishing the sterilization dose
Part 3: Guidance on dosimetric aspects
ISO/ASTM 51649:2002 “Practice for Dosimetry in an Electron
Beam Facility for Radiation Processing at Energies Between 300
keV and 25 MeV”
A Code of Practice. “Radiation Sterilization of Tissue Allografts:
Requirements for Validation and Routine Control.”// IAEA,
VIENA, 2007.
ASTM 2303:2003. Standard Guide for Absorbed-Dose Mapping in
Radiation Processing Facilities
ISO/ASTM 51608, Practice for Dosimetry in an X-ray
(Bremsstrahlung) Facility for Radiation Processing
ISO/ASTM 51702, Practice for Dosimetry in a Gamma Irradiation
Facility for Radiation Processing
48. 8. Международное сотрудничество
Авторы принимает участие в Европейском
Региональном Проекте технического и научного
сотрудничества PER/8/010 "Методы контроля
качества и методики проведения радиационных
технологий".
Проект организован и координируется
Международным Агентством по Атомной Энергии
(МАГАТЭ) в рамках международного сотрудничества
и европейской интеграции.
В проекте принимают участие специалисты и
эксперты в области радиационных технологий с
Австрии, Болгарии, Венгрии, Германии, Испании,
Италии, Словакии, Сербии, Румынии, Польши,
Турции, Азербайджана, Армении, России, Молдовы,
Казахстана, Украины, и др. Европейских стран.
49. В рамках проекта неоднократно читались лекции по
компьютерному моделированию радиационно-
технологических процессов в радиационных центров
разных стран.
Проведено 2 Европейских Региональных Тренинг
Курса в Польше и Украине по компьютерному
моделированию радиационно-технологических
процессов на основе пучков ускоренных электронов,
тормозного излучения и потоков гамма
квантов от радиоизотопных источников.
В основе Тренинг Курсов использовалась,
разработанная сотрудниками ХНУ
«Информационная технология и пакет прикладных
программ компьютерного RT-Office».
50. В настоящее время «Пакетом прикладных программ компьютерного
моделирования радиационно-технологических процессов»
пользуются в промышленных радиационно-технологических
центрах более чем в 20 странах США, Европы, Азии и Африки.
Пакет прикладных программ используется для обучения
магистров в ХНУ имени В. Н. Каразина на компьютерном и
физико-техническом факультетах.
