Модель облучения электронным пучком трехмерного объекта в стерилизационной установке с местной биозащитой

Представлена разработанная модель процесса облучения трехмерного объекта электронным пучком в компактной стерилизационной установке с местной биологической защитой. Разработана методика описания этого процесса и модернизирована программа BEAM SCANNING для расчета характеристик облучения. Представлен...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2014
Hauptverfasser:	Быстров, П.А., Розанов, Н.Е.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2014
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Динамика пучков
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80244
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Модель облучения электронным пучком трехмерного объекта в стерилизационной установке с местной биозащитой / П.А. Быстров, Н.Е. Розанов // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 3. — С. 128-133. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-80244
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-802442015-04-14T03:02:29Z Модель облучения электронным пучком трехмерного объекта в стерилизационной установке с местной биозащитой Быстров, П.А. Розанов, Н.Е. Динамика пучков Представлена разработанная модель процесса облучения трехмерного объекта электронным пучком в компактной стерилизационной установке с местной биологической защитой. Разработана методика описания этого процесса и модернизирована программа BEAM SCANNING для расчета характеристик облучения. Представлены результаты ряда тестов, показавшие хорошую точность расчетов. Проведено предварительное моделирование процесса облучения коробки в режиме реально работающей установки. Определены места коробки с минимальной дозой облучения. Выявлен механизм формирования немонотонного профиля дозы вдоль оси системы, состоящий во вкладе соседних слоев непрерывного пучка или соседних сгустков модулированного пучка, создающих грушеобразные распределения дозы. Разработанный метод и написанная программа позволяют описывать процессы при работе установки, а также выдавать рекомендации по ее оптимизации The developed model of the process of three-dimensional object irradiation by electron beam in a compact installation with a local radiation shielding is presented. A methodology of description of this process is developed and the computer code BEAM SCANNING for calculation of irradiation characteristics is modernized. Results of some the tests shown good calculation accuracy, are submitted. A preliminary modeling of a sterilized box irradiation process in the real operating regime of the installation is carried out. Places of sterilized box with minimal irradiation doze are determined. The mechanism of formation a nonmonotonous doze profile along an axis of system, consisting in the contribution of neighborhood layers of a continuous beam or neighborhood bunches of modulated beam creating pear-shaped distributions of a doze is revealed. The developed method and the created computer code allow to describe processes at work of installation, and also to give out recommendations on its optimization. Представлено розроблену модель процесу опромінення тривимірного об'єкта електронним пучком у компактній стерилізаційній установці з місцевим біологічним захистом. Розроблена методика опису цього процесу і модернізована програма BEAM SCANNING для розрахунку характеристик опромінення. Представлено результати ряду тестів, що показали хорошу точність розрахунків. Проведено попереднє моделювання процеса опромінення коробки в режимі реально працюючої установки. Визначені місця коробки з мінімальною дозою опромінення. Виявлено механізм формування немонотонного профілю дози уздовж осі системи, що полягає у вкладі сусідніх шарів безперервного пучка або сусідніх згустків модульованого пучка, що створюють грушоподібні розподіли дози. Розроблений метод і написана програма дозволяють описувати процеси при роботі установки, а також видавати рекомендації з її оптимізації. 2014 Article Модель облучения электронным пучком трехмерного объекта в стерилизационной установке с местной биозащитой / П.А. Быстров, Н.Е. Розанов // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 3. — С. 128-133. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80244 621.384.6 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Динамика пучков Динамика пучков
spellingShingle	Динамика пучков Динамика пучков Быстров, П.А. Розанов, Н.Е. Модель облучения электронным пучком трехмерного объекта в стерилизационной установке с местной биозащитой Вопросы атомной науки и техники
description	Представлена разработанная модель процесса облучения трехмерного объекта электронным пучком в компактной стерилизационной установке с местной биологической защитой. Разработана методика описания этого процесса и модернизирована программа BEAM SCANNING для расчета характеристик облучения. Представлены результаты ряда тестов, показавшие хорошую точность расчетов. Проведено предварительное моделирование процесса облучения коробки в режиме реально работающей установки. Определены места коробки с минимальной дозой облучения. Выявлен механизм формирования немонотонного профиля дозы вдоль оси системы, состоящий во вкладе соседних слоев непрерывного пучка или соседних сгустков модулированного пучка, создающих грушеобразные распределения дозы. Разработанный метод и написанная программа позволяют описывать процессы при работе установки, а также выдавать рекомендации по ее оптимизации
format	Article
author	Быстров, П.А. Розанов, Н.Е.
author_facet	Быстров, П.А. Розанов, Н.Е.
author_sort	Быстров, П.А.
title	Модель облучения электронным пучком трехмерного объекта в стерилизационной установке с местной биозащитой
title_short	Модель облучения электронным пучком трехмерного объекта в стерилизационной установке с местной биозащитой
title_full	Модель облучения электронным пучком трехмерного объекта в стерилизационной установке с местной биозащитой
title_fullStr	Модель облучения электронным пучком трехмерного объекта в стерилизационной установке с местной биозащитой
title_full_unstemmed	Модель облучения электронным пучком трехмерного объекта в стерилизационной установке с местной биозащитой
title_sort	модель облучения электронным пучком трехмерного объекта в стерилизационной установке с местной биозащитой
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Динамика пучков
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80244
citation_txt	Модель облучения электронным пучком трехмерного объекта в стерилизационной установке с местной биозащитой / П.А. Быстров, Н.Е. Розанов // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 3. — С. 128-133. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT bystrovpa modelʹoblučeniâélektronnympučkomtrehmernogoobʺektavsterilizacionnojustanovkesmestnojbiozaŝitoj AT rozanovne modelʹoblučeniâélektronnympučkomtrehmernogoobʺektavsterilizacionnojustanovkesmestnojbiozaŝitoj
first_indexed	2025-07-06T04:12:46Z
last_indexed	2025-07-06T04:12:46Z
_version_	1836869397315059712
fulltext	ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №3(91) 128 УДК 621.384.6 МОДЕЛЬ ОБЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ ТРЕХМЕРНОГО ОБЪЕКТА В СТЕРИЛИЗАЦИОННОЙ УСТАНОВКЕ С МЕСТНОЙ БИОЗАЩИТОЙ П.А. Быстров, Н.Е. Розанов Московский радиотехнический институт Российской академии наук, Москва, Россия E-mail: bpeter@mail.ru; nrozanov@mail.ru Представлена разработанная модель процесса облучения трехмерного объекта электронным пучком в компактной стерилизационной установке с местной биологической защитой. Разработана методика описа- ния этого процесса и модернизирована программа BEAM SCANNING для расчета характеристик облучения. Представлены результаты ряда тестов, показавшие хорошую точность расчетов. Проведено предваритель- ное моделирование процесса облучения коробки в режиме реально работающей установки. Определены ме- ста коробки с минимальной дозой облучения. Выявлен механизм формирования немонотонного профиля дозы вдоль оси системы, состоящий во вкладе соседних слоев непрерывного пучка или соседних сгустков модулированного пучка, создающих грушеобразные распределения дозы. Разработанный метод и написан- ная программа позволяют описывать процессы при работе установки, а также выдавать рекомендации по ее оптимизации. ВВЕДЕНИЕ Эксплуатация стерилизационной установки на основе линейного электронного СВЧ-ускорителя на стоячей волне с компактной местной биозащитой [1, 2] и поиск оптимальных режимов ее работы тре- буют разработки физико-математической модели процессов в ней. В работе [3] приведены результаты разработки такой модели в части облучения поверх- ности трехмерного объекта − коробки со стерилизу- емым наполнением. Описана программа BEAM SCANNING, созданная на основе такой методики, и приведены некоторые результаты расчетов с ее по- мощью. В данной работе представлена модель процесса облучения всего объема трехмерного объекта, мето- дика его описания и модернизированная программа BEAM SCANNING для расчета характеристик облу- чения. Представлены результаты тестирования про- граммы, а также предварительные расчеты дозы, со- здаваемой электронным пучком в объеме коробки. Основа стерилизационной установки − ускори- тель − расположен вертикально внутри колоколооб- разной биозащиты, пучок распространяется сверху вниз. Ускоритель заканчивается раструбом с магни- том системы развертки, который осуществляет ска- нирование электронного пучка в одной плоскости. На расстоянии около 15 см от выхода раструба, за- крытого титановой фольгой толщиной 50 мкм, рас- положена поверхность облучаемой коробки, нахо- дящейся на конвейере. Для достижения дозы в 25…30 кГр коробка массой около 7 кг и размерами 30×40×60 см проходит четыре стадии облучения − по две с верхней и нижней (после переворота короб- ки специальным механическим устройством) сто- рон. Скорость конвейера составляет 1,5…2 см/с, частота сканирования − около 4 Гц, угол сканирова- ния – до 28 градусов, частота следования 6 микросе- кундных импульсов пучка − до 300 Гц, средняя по спектру энергия пучка – 5 МэВ, энергия в максиму- ме спектра – около 6 МэВ, импульсный ток уско- ренного пучка − около 250 мА. 1. МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ОБЛУЧЕНИЯ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА Электронный пучок, попадая на поверхность об- лучаемой коробки, проникает внутрь, создавая дозу. Электроны в процессе своего движения в веществе постепенно теряют свою энергию, затрачивая ее на процессы, приводящие к созданию требуемой дозы в стерилизуемом объекте (ионизация и возбуждение молекул и др.), а также испытывают рассеяние на атомах вещества. Часть электронов теряется, выходя из объема коробки вследствие попадания в нее под неоптимальными углами, а также из-за рассеяния на атомах вещества. Равномерность дозы вдоль оси системы (совпадающей с осью ускорителя) обеспе- чивается, в частности, за счет двухстороннего облу- чения. Основным методом измерения дозы облучаемых объектов на нашей установке является использова- ние пластиковых пленок, изменяющих под действи- ем облучающего электронного пучка свою световую проницаемость. Погрешность такого способа изме- рения дозы составляет 10…15%, которую мы при- няли и для разрабатываемой модели. Поэтому для описания процессов потерь энергии и рассеяния электронов пучка в веществе мы использовали ме- тод Монте-Карло по схеме так называемых "укруп- ненных соударений" [4]. Этот метод, наиболее часто используемый в практических расчетах дозы облу- чения, является некоторым упрощением по сравне- нию с классическим методом Монте-Карло. В по- следнем проводится расчет однократных актов рас- сеяния и торможения отдельных электронов в среде с использованием сечений соответствующих про- цессов с последующим усреднением по большому числу этих актов. В методе же с "укрупненными соударениями" используются функции распределе- ния (вероятности) угловых и тормозных характери- стик в результате многократных актов рассеяния на некотором участке облучаемого вещества. Решение задач такого рода производится путем моделирова- ния траекторий большого числа электронов внутри ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №3(91) 129 вещества. Электроны проникают в вещество, испы- тывая рассеяние и теряя энергию. Их траектории, таким образом, выглядят как ломаные линии, на каждом из звеньев которых потери энергии и угол отклонения вычисляются в соответствии с исполь- зуемыми функциями распределения. В результате суммирования доз, создаваемых всеми электронами, получается картина распределения дозы, создаваемой всем электронным пучком в трехмерном объеме. В нашей модели проводится расчет прохождения сгустков пучка до поверхности коробки, а затем рассчитываются рассеяние и потери энергии элек- тронов внутри вещества коробки, создающаяся доза и потери пучка за счет выхода частиц через все гра- ни коробки. В созданной программе для ускорения расчетов использовались табличные функции для тормозной и рассеивающей способностей вещества, а также разработанная авторами функция распреде- ления по углу, приближающаяся к наиболее часто используемому распределению Мольера [4], которая дает хорошее совпадение расчетов с эксперимен- тальными данными по рассеянию на тонкой титано- вой фольге [3]. Использование таких функций хоть и не обеспечивает очень высокую точность соответ- ствия с результатами экспериментов, но позволяет получить качественную картину распределения до- зы и вписаться в допустимую погрешность. Для те- стирования модели использовались эксперимен- тальные данные, а также результаты расчетов с по- мощью программы, основанной на методике, пред- ложенной T. Tabata и др. [5 - 7]. Ниже представлены результаты некоторых расче- тов с помощью программы BEAM SCANNING, в которой была реализована описанная выше методика. 2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ 2.1. ОБЛУЧЕНИЕ ТОНКИМ ПУЧКОМ БЕЗ СКАНИРОВАНИЯ Трехмерная конфигурация дозы в объекте созда- ется вкладом большого количества падающих в раз- ные места под разными углами сгустков пучка отно- сительно малого диаметра. Поэтому в качестве пер- вого теста опишем результаты моделирования экс- периментальных данных [8], описанных в [9], по измерению дозы, создаваемой электронным пучком с малым диаметром – около 5 мм – и малым углом расходимости – до 3 градусов. Энергия пучка – 22 МэВ, разброс по энергии – до 50 кэВ, доза созда- ется в воде. На Рис. 1 показаны результаты расчетов в трех- мерном представлении в виде сеток, соответствую- щих фиксированным уровням относительной дозы. Пучок на этом рисунке падает сверху на поверх- ность коробки. Как видно, на некотором участке изодозы имеют форму цилиндров постоянного диа- метра, а далее диаметр цилиндров меняется, форми- руя характерную грушеобразную форму изодозы. На Рис. 2 показаны (справа) те же результаты расчетов, но в виде изодоз в плоскости симметрии системы. В аналогичном виде на левой части рисун- ка показаны экспериментальные результаты. Изоб- ражены изодозы для уровней 2, 5, 10, 20 и 50% от максимального значения. Рис. 1. Относительные изодозы облучения объекта, представленные в виде трехмерных сеток. За еди- ницу принята доза на глубине 2 см по оси системы Рис. 2. Изодозы облучения объекта в его плоскости симметрии: экспериментальные (а) и расчетные (б). Значения координат − в метрах Видно, что форма расчетных и эксперименталь- ных изодоз качественно совпадает и имеет хорошо известный грушеобразный вид. В то же время видны количественные отличия, проявляющиеся в боль- шей ширине и меньшей длине рассчитанных "груш". Объясняется это тем, что наша модель ори- ентирована на описание пучков с энергией порядка 5 МэВ, в то время как энергия пучка в данном моде- лируемом эксперименте была заметно больше. При такой энергии требуется точный учет вторичного тормозного излучения и его вклада в дозу облучения объекта. 2.2. ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ ПУЧКА НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЗЫ Анализ результатов расчетов с разной толщиной падающего пучка позволил выявить ее влияние на вид распределения дозы в направлении распростра- нения пучка. На Рис. 3,а-г представлены двухмерные распре- деления относительной дозы в плоскости симметрии системы для четырех значений толщины пучка. Рас- четы проведены для пучков с энергией 5 МэВ, облу- чаемое вещество имеет характеристики стерилизуе- мого на нашей установке объекта. На рисунках пу- чок падает на поверхность объекта сверху. Ширина рисунков соответствует ширине объекта и равна 30 см. Плотность объекта однородна. На Рис. 3,e показаны одномерные распределения доз вдоль оси системы для тех же четырех толщин пучка, что и на Рис. 3,a-г. Заметим, что разная ширина облучающе- го пучка моделировалась с помощью задания разно- a б ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №3(91) 130 го максимального угла отклонения пучка в системе развертки, в то время как остальные параметры – ток и мощность пучка, число сгустков – оставались неизменными. Ширина пучка варьируется от очень тонкой при отсутствии угла развертки (см. Рис. 3,a) до покрывающей весь объект (см. Рис. 3,г). Рис. 3. Относительные двухмерные распределения дозы в плоскости симметрии системы для разной ширины падающего пучка (a-г) и профили дозы в логарифмическом масштабе (д) вдоль оси системы для них Можно видеть, что с ростом ширины пучка ме- няется профиль дозы вдоль оси системы. Монотон- ный спад при малой ширине пучка (см. Рис. 3,a,б) сменяется похожим на "полочку" профилем со спа- дом в ее конце (см. Рис. 3,в. А затем (см. Рис. 3,г) профиль (см. также далее этот профиль в линейном масштабе – кривую б на Рис. 4,в) становится немо- нотонным, а именно имеющим участок роста и мак- симум на некотором расстоянии от поверхности объекта. Как показывает анализ, этот максимум по- является не только из-за разворота траекторий неко- торых электронов в сторону поверхности объекта, а, прежде всего, из-за вклада электронов, "приходящих" в плоскость симметрии из соседних плоскостей. Можно сказать, что он является следствием сложения нескольких грушеобразных распределений дозы. 2.3. ВЛИЯНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА Представленные выше результаты относятся к расчетам и экспериментам с электронным пучком, имеющим пренебрежимо малый разброс энергий. Однако реальный спектр пучка ускорителя стерили- зационной установки является достаточно широким. Роль ширины энергетического спектра пучка ил- люстрируют результаты расчетов, представленные на Рис. 4. На нем изображены характеристики дозы, полученной трехмерным объектом при облучении широким (плоскопараллельным) пучком со всеми параметрами, перечисленными в предыдущем раз- деле, и с фронтом пучка, соответствующим Рис. 3,г для двух различных энергетических спектров пучка. На Рис. 4,a,б представлены двухмерные распределе- ния относительной дозы в плоскости симметрии си- стемы, на Рис. 4,в – одномерные распределения дозы вдоль оси системы. Рис. 4,а соответствует расчету с моноэнергетическим пучком (5 МэВ), Рис. 4,б – с пучком с "реальным" спектром, описанным в [10]. Рис. 4. Распределения относительной дозы в плос- кости симметрии системы (a,б) и вдоль оси систе- мы (в), созданные моноэнергетическим пучком (a) и пучком с реальным спектром (б) Из графиков следует, что распределение дозы, создаваемой реальным пучком, является более рав- номерным, чем в случае моноэнергетического пуч- ка. Причина состоит в том, что электроны с малой энергией создают максимум дозы ближе к поверх- ности коробки, чем электроны с большой энергией. В результате сложения доз, создаваемых фракциями пучка с разными энергиями, суммарная доза оказы- вается более равномерной по глубине облучаемого объекта. 2.4. ТЕСТОВЫЙ РАСЧЕТ ДЛЯ ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНОГО ПУЧКА Важным для работы стерилизационной установ- ки является тест на создание дозы плоскопараллель- ным фронтом пучка. На Рис. 5 представлены распределения дозы вдоль оси системы, созданной плоскопараллельным пучком с энергией 10 МэВ в полистироле. На нем изображены результаты измерений на ускорителе IMPELA [11] в сравнении с результатами расчетов по методике [5, 6] и по программе BEAM SCANNING. Как видно, результат, полученный при помощи нашей программы BEAM SCANNING, отличается от экспериментального результата не более чем на удовлетворяющие нас 10…15% и превосходит по точности результат, полученный по методике [5, 6]. Рис. 5. Относительная доза в зависимости от мас- совой глубины проникновения плоскопараллельного пучка с энергией 10 МэВ в мишень из полистирола. 1 – экспериментальные данные; 2 – расчет по программе BEAM SCANNING; 3 – расчет по методике [5, 6] a б в г a б в г д a б a б в ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №3(91) 131 Еще один тестовый расчет сделан для сравнения с экспериментальным результатом, полученным на нашей стерилизационной установке по облучению широким пучком мишени, состоящей из алюминие- вых пластин, между которыми были расположены пленочные измерители дозы. В действующей уста- новке облучающий электронный пучок не является моноэнергетическим, поэтому потребовалась пред- варительная работа по восстановлению и моделиро- ванию энергетического спектра пучка (по методике, изложенной в [10]). На Рис. 6 представлены зависи- мости измеренной и рассчитанной дозы от глубины проникновения электронного пучка в алюминиевую мишень. Рис. 6. Зависимость дозы от глубины проникнове- ния широкого электронного пучка на стерилизаци- онной установке в алюминиевую мишень. 1 – экспериментальные данные; 2 – расчет по программе BEAM SCANNING; 3 – расчет по методике [5, 6] Из сравнения экспериментальной и рассчитан- ных кривых видно, что их отличие находится в пре- делах экспериментальной ошибки измерений, со- ставляющей 10…15%. Видно также, что методика [5, 6] дает немного большее отличие от измерений. 2.5. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОХОЖДЕНИЯ ТОКА ПУЧКА Одним из основных оперативных способов из- мерения энергии ускоренного пучка является ис- пользование коэффициента токопрохождения пуч- ком алюминиевой пластины. Для этого измеряется ток, попадающий на пластину, и ток, проходящий ее и попадающий в цилиндр Фарадея, находящийся за пластиной. Отношение тока цилиндра Фарадея к сумме этих токов называется коэффициентом токо- прохождения. Его вычисление производится по зна- чениям этих токов, снимаемых с осциллограмм, чаще всего, для значений на "полочке" 6-микросекундных импульсов. Характерная энергия пучка получается с использованием известного графика зависимости коэффициента токопрохождения от энергии моно- энергетического пучка. Поэтому одним из тестовых расчетов является сравнение зависимостей токопро- хождения пучка через алюминиевую пластину. На Рис. 7 представлены графики зависимости коэффи- циента токопрохождения моноэнергетического электронного пучка с энергией 5 МэВ алюминиевой пластины различной толщины, полученные в ре- зультате расчетов и из данных эксперимента [12], описанного в [7]. Рис. 7. Коэффициент прохождения тока пучка электронов с энергией 5 МэВ через алюминиевую пластину в зависимости от ее толщины: 1 – данные эксперимента; 2 – расчет по программе BEAM SCANNING; 3 – расчет по методике [7] Видно, что результат расчета по программе BEAM SCANNING отлично согласуется с экспери- ментальными данными. 2.6. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ ДОЗЫ В ТРЕХМЕРНОМ ОБЪЕКТЕ Опишем результаты предварительных расчетов распределения дозы, создаваемой электронным пуч- ком в трехмерной мишени (коробке) при моделиро- вании реального режима работы стерилизационной установки. Расчет был проведен для коробки с раз- мерами 30×40×10 см, т. е. с длиной в направлении движения конвейера меньше реальной. Результаты при облучении пучком с рассчитанным для рабочего режима спектром представлены на Рис. 8. В левой части рисунка показана коробка целиком с распре- делением дозы на ее видимых гранях. В правой ча- сти рисунка показаны распределения в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через центр коробки. Неотклоненный электронный пучок двигается вдоль оси Z и попадает на верхнюю и нижнюю грани коробки, таким образом, моделиру- ется процесс двухстороннего облучения. Развертка пучка идет вдоль оси X, конвейер движется вдоль оси Y. Рис. 8. Относительная доза облучения в реальных условиях работы установки на поверхности коробки (a) и в трех различных центральных сечениях коробки (б) Видна относительно небольшая неравномер- ность дозы в направлении развертки пучка (вдоль б а ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №3(91) 132 оси X), обусловленная увеличением линейной ско- рости движения луча по поверхности коробки с ро- стом угла его отклонения при пилообразной форме тока магнита системы развертки. Она может быть устранена оптимизацией осциллограммы тока маг- нита. Наибольшая неравномерность дозы имеет место в центре ребер, соединяющих узкие и широкие бо- ковые поверхности коробки. Она обусловлена сле- дующим эффектом, проявляющимся сильнее всего в плоскости, расположенной в середине коробки по оси Z. Эффект состоит в том, что в этой плоскости объем коробки через боковые грани покидает наибольшее количество электронов. Неравномер- ность в этой области коробки выходит за рамки до- пустимой и требует поиска решений по ее устране- нию. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Создана модель процесса облучения электрон- ным пучком трехмерных объектов в компактной стерилизационной установке на основе линейного электронного СВЧ-ускорителя на стоячей волне с местной биозащитой. Разработана методика описа- ния этого процесса и модернизирована программа BEAM SCANNING для расчета характеристик об- лучения. Представленные результаты тестирования программы показывают хорошую точность расче- тов. Продемонстрирована возможная положительная роль разброса пучка по энергиям, проявляющаяся в выравнивании дозы в объеме облучаемой коробки. Выявлен механизм формирования немонотонно- го профиля дозы вдоль оси системы. Он заключает- ся во вкладе в осевой профиль дозы соседних слоев непрерывного пучка или соседних электронных сгустков модулированного пучка, каждый из кото- рых создает грушеобразную форму дозы. Вклад этих соседних "груш" в дозу и приводит к появле- нию максимума, расположенного на некотором уда- лении от поверхности объекта (а именно, в области расширения "груш"). Проведено предварительное моделирование про- цесса облучения коробки в режиме реально работа- ющей стерилизационной установки. Выявлены ме- ста коробки с минимальной дозой. Таким образом, создан физико-математический инструмент (компьютерная программа), позволяю- щий изучать физику процессов в стерилизационной установке, в частности, описать механизмы образо- вания дозы в глубине объема. Появляется возмож- ность совершенствовать установку, облегчить ее настройку и тестирование. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. V.M. Belugin, A.V. Mischenko, V.M. Pirozhenko, N.E. Rozanov, A.A. Zavadtsev, A.N. Korolev, K.G. Simonov. Compact electron linacs for radiation technology systems // Proceedings of the 2001 Par- ticle Accelerator Conference. 2001, v. 4, p. 2515- 2517. 2. V.M. Belugin, V.M. Pirozhenko, N.E. Rozanov. Self-shielded electron linac accelerators for radiation technologies // Physical Review Special Topics – Accelerators and Beams. 2009, v. 12, iss. 9, p. 1-8. 3. П.А. Быстров, Н.Е. Розанов. Методика и про- грамма BEAM SCANNING расчета процессов в системе развертки релятивистского электронного пучка с широким энергетическим спектром // Вопросы атомной науки и техники. Серия "Ядерно-физические исследования". 2012, №4(80), c. 87-91. 4. А.Ф. Аккерман, Ю.М. Никитушев, В.А. Ботвин. Решение методом Монте-Карло задач переноса быстрых электронов в веществе. Алма-Ата: "Наука", 1972, с. 50-68, 166 с. 5. T. Tabata, R. Ito, et al. Simple method of Evaluating Absorbed Dose in Electron Beam Processing // Ra- diation Physics and Chemistry. 1989, v. 33, №5, p. 411-416. 6. T. Tabata, R. Ito, et al. Semiempirical Algorithm s for Dose Evaluation Absorbed in Electron Beam Processing // Radiation Physics and Chemistry. 1990, v. 35, №4-6, p. 821-825. 7. T. Tabata, R. Ito. A generalized empirical equation for the transmission coefficient of electrons // Nu- clear Instruments and Methods. 1975, v. 127, №3, p. 429-434. 8. A. Brahme, H. Svensson. Radiation beam character- istics of a 22 MeV microtron // Acta Radiologica Oncology. 1979, v. 18, №3, p. 244-272. 9. Радиационная дозиметрия: электронные пучки с энергиями от 1 до 50 МэВ // Доклад №35 Меж- дународной Комиссии по радиационным едини- цам и измерениям. Москва: "Энергоатомиздат", 1988, с. 81. 10. М.А. Алексеев, П.А. Быстров, Н.Е. Розанов. Мо- делирование процесса измерения энергетическо- го спектра электронного пучка методом магнит- ного анализатора на основе системы развертки стерилизационной установки // Ядерная физика и инжиниринг. 2013, т. 4, №4, с. 361-364. 11. Guidelines for Electron Beam Radiation Sterilization of Medical Devices // Association for the Advance- ment of Medical Instrumentation (AAMI), Arling- ton, VA, 1990, p. 159. 12. D. Harder, G. Porshet // Physics Letters B. 1967, v. 24, iss. 10, p. 519-521. Article received 07.11.2013 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №3(91) 133 THE MODEL OF THE IRRADIATION OF A THREE-DIMENSIONAL OBJECT BY THE ELECTRON BEAM IN THE STERILIZATION INSTALLATION WITH THE LOCAL RADIATION SHIELDING P.A. Bystrov, N.E. Rozanov The developed model of the process of three-dimensional object irradiation by electron beam in a compact in- stallation with a local radiation shielding is presented. A methodology of description of this process is developed and the computer code BEAM SCANNING for calculation of irradiation characteristics is modernized. Results of some the tests shown good calculation accuracy, are submitted. A preliminary modeling of a sterilized box irradia- tion process in the real operating regime of the installation is carried out. Places of sterilized box with minimal irra- diation doze are determined. The mechanism of formation a nonmonotonous doze profile along an axis of system, consisting in the contribution of neighborhood layers of a continuous beam or neighborhood bunches of modulated beam creating pear-shaped distributions of a doze is revealed. The developed method and the created computer code allow to describe processes at work of installation, and also to give out recommendations on its optimization. МОДЕЛЬ ОПРОМІНЕННЯ ЕЛЕКТРОННИМ ПУЧКОМ ТРИВИМІРНОГО ОБ'ЄКТА В СТЕРИЛІЗАЦІЙНІЙ УСТАНОВЦІ З МІСЦЕВИМ БІОЗАХИСТОМ П.А. Бистров, Н.Є. Розанов Представлено розроблену модель процесу опромінення тривимірного об'єкта електронним пучком у компактній стерилізаційній установці з місцевим біологічним захистом. Розроблена методика опису цього процесу і модернізована програма BEAM SCANNING для розрахунку характеристик опромінення. Предста- влено результати ряду тестів, що показали хорошу точність розрахунків. Проведено попереднє моделювання процеса опромінення коробки в режимі реально працюючої установки. Визначені місця коробки з мінімаль- ною дозою опромінення. Виявлено механізм формування немонотонного профілю дози уздовж осі системи, що полягає у вкладі сусідніх шарів безперервного пучка або сусідніх згустків модульованого пучка, що створюють грушоподібні розподіли дози. Розроблений метод і написана програма дозволяють описувати процеси при роботі установки, а також видавати рекомендації з її оптимізації. ВВЕДЕНИЕ 1. модель процесса облучения и МЕТОДИКА РАСЧЕТА 2. результаты расчетов 2.1. ОБЛУЧЕНИЕ ТОНКИМ ПУЧКОМ БЕЗ СКАНИРОВАНИЯ 2.2. влияние толщины пучка на распределение дозы 2.3. влияние энергетического спектра электронного пучка 2.4. тестовый расчет для ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНого пучка 2.5. РАСЧЕТ коэффициента прохождения тока пучка 2.6. предварительный расчет дозы в трехмерном объекте заключение Библиографический список THE MODEL OF THE IRRADIATION OF A THREE-DIMENSIONAL OBJECT BY THE ELECTRON BEAM IN THE STERILIZATION INSTALLATION WITH THE LOCAL RADIATION SHIELDING

Модель облучения электронным пучком трехмерного объекта в стерилизационной установке с местной биозащитой

Institution

Ähnliche Einträge