Чисельне моделювання вимірювань у радіаційних технологіях

Автор(и)

  • Володимир Моргунов Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, майдан Свободи, 4, 61022, Харків, Ukraine
  • Роман Тріщ Українська інженерно-педагогічна академія, вул. Університетська, 16, 61003, Харків, Ukraine
  • Сергій Литовченко Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, майдан Свободи, 4, 61022, Харків, Ukraine
  • Володимир Чишкала Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, майдан Свободи, 4, 61022, Харків, Ukraine
  • Ганна Грінченко Українська інженерно-педагогічна академія, вул. Університетська, 16, 61003, Харків, Ukraine
  • Андрій Тріщ Українська інженерно-педагогічна академія, вул. Університетська, 16, 61003, Харків, Ukraine

DOI:

https://doi.org/10.24027/2306-7039.2.2021.236090

Ключові слова:

радіаційні технології; радіаційні вимірювання; комп’ютерне моделювання; GEANT4

Анотація

                Радіація відіграє дуже важливу роль у житті людини. Зазвичай вимірювання в радіаційних технологіях проводяться з використанням дозиметрів різного типу: твердотільних, рідинних та газових. Вимірювання дози базується на різних принципах: підвищення температури, збір електричного заряду, розвиток газів, накопичення вільних радикалів, захоплення електрона в матриці, зміна кольору, зміна провідності розчину, хімічне окислення, хімічне відновлення. Для вимірювання поглинених доз слід використовувати систему дозиметрії, яка складається з дозиметрів, вимірювальних приладів, калібрувальної кривої, еталонних стандартів та процедури використання системи.

                За останні десятиліття обчислювальна потужність комп’ютера швидко зростала. Сучасні комп’ютери з належним програмним забезпеченням та математичними методами дозволяють моделювати дуже складні процеси, наприклад, проходження іонізуючого випромінювання через речовину.

                У статті показано, що чисельне моделювання може бути використано як альтернатива інструментальним вимірюванням у радіаційних технологіях. Чисельне моделювання може бути застосовано там, де не може бути використано традиційні методи вимірювань: для розрахунку радіаційного захисту, поглинених доз у радіології, при радіаційній обробці музейних експонатів та ін.

                Для визначення поглинених доз, потужності дози та інших величин усередині опромінених об’єктів, що перебувають під випромінюванням, GEANT4 можна використовувати для чисельного моделювання. Відносна невизначеність становить до 11,8%. Моделювання променевої обробки складних об’єктів може бути виконано з хорошою точністю. Для використання чисельного моделювання з метою вимірювань радіації слід розробити метрологічне забезпечення.

Ключові слова: радіаційні технології; радіаційні вимірювання; комп’ютерне моделювання; GEANT4

Посилання

MacFadden N., Peggs S., Gulliford C. Development and Validation of a Geant4 Radiation Shielding Simulation Framework. Brookhaven National Lab. (BNL), Upton, NY (United States), 2018. doi: https://doi.org/10.2172/1515417

Issa S.A., Tekin H., Elsaman R., Kilicoglu O. et al. Radiation shielding and mechanical properties of Al2O3-Na2O-B2O3-Bi2O3 glasses using MCNPX Monte Carlo code. Materials Chemistry and Physics, 2019, vol. 223, pp. 209–219. doi: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.10.064

Al-Buriahi M., Singh V. Comparison of shielding properties of various marble concretes using GEANT4 simulation and experimental data. Journal of the Australian Ceramic Society, 2020, vol. 56, pp. 1127–1133. doi: https://doi.org/10.1007/s41779-020-00457-1

Jan S., Santin G., Strul D., Staelens S. et al. GATE: a simulation toolkit for PET and SPECT. Physics in Medicine & Biology, 2004, vol. 49, p. 4543. doi: https://doi.org/10.1088/0031-9155/49/19/007

Arbor N., Gasteuil J., Noblet C., Moreau M., Meyer P. A GATE/Geant4 Monte Carlo toolkit for surface dose calculation in VMAT breast cancer radiotherapy. Physica Medica, 2019, vol. 61, pp. 112–117. doi: https://doi.org/10.1016/j.ejmp.2019.04.012

Jang E.-S., Choi J.-H. Verification of Dose Evaluation of Human Phantom using Geant4 Code. Journal of the Korean Society of Radiology, 2020, vol. 14, issue 5, pp. 529–535. doi: https://doi.org/10.7742/jksr.2020.14.5.529

Uzel R., Özyildirim A. A study on the local shielding protection of electronic components in space radiation environment. Proceedings of 8th International Conference on Recent Advances in Space Technologies (RAST). doi: https://doi.org/10.1109/RAST.2017.8003007

Lv H., Zhang H., Mei B., Sun Y., Yu Q. Simulation and Calculation Method of Total Ionizing Dose Radiation Resistance of Aerospace Components based on in-Orbit Data. Proceedings of 3rd International Conference on Circuits, System and Simulation (ICCSS), 2019. doi: https://doi.org/10.1109/CIRSYSSIM.2019.8935615

Ma K., Song N., Jin J., Zio E. et al. Radiation-Induced Degradation Analysis and Reliability Modeling of COTS ADCs for Space-Borne Miniature Fiber-Optic Gyroscopes. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2021. doi: https://doi.org/10.1109/tim.2021.3054419

Hung N.Q., Hai V. H, Nomachi M. Investigation of cosmic-ray induced background of Germanium gamma spectrometer using GEANT4 simulation. Applied Radiation and Isotopes, 2017, vol. 121, pp. 87–90. doi: https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2016.12.047

Ohishi M., Yoshikoshi T., Yoshida T. A Monte Carlo simulation study for cosmic-ray chemical composition measurement with Cherenkov Telescope Array, 2017. arXiv preprint arXiv:1709.03241.

Kimura S.S., Murase K., Zhang B.T. Ultrahigh-energy cosmic-ray nuclei from black hole jets: Recycling galactic cosmic rays through shear acceleration. Physical Review D 97 (2), 023026, 2018. doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.97.023026

Morgunov V., Hybler P., Zachar M. GEANT4 validation for X-ray treatment of wooden cultural heritage artefacts. Applied Radiation and Isotopes, 2021, vol. 169, p. 109565. doi: https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2020.109565

De la Fuente Rosales L., Incerti S., Francis Z., Bernal M.A. Accounting for radiation-induced indirect damage on DNA with the Geant 4-DNA code, Physica Medica, 2018, vol. 51, pp. 108–116. doi: https://doi.org/10.1016/j.ejmp.2018.06.006

Mavragani I.V., Nikitaki Z., Kalospyros S.A., Georgakilas A.G. Ionizing Radiation and Complex DNA Damage: From Prediction to Detection Challenges and Biological Significance. Cancers, 2019, vol. 11, p. 1789. doi: https://doi.org/10.3390/cancers11111789

Chegeni N., Kouhkan E., Hussain A., Hassanvand M. The effect of the nucleus random location on the cellular S-values – Based on Geant4-DNA. Applied Radiation and Isotopes, 2021, vol. 168, p. 109427. doi: https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2020.109427

Medhat M., Abdel-Hafiez A., Singh V. Optimization of fast neutron flux in an irradiator assembly using Monte Carlo simulations. Vacuum, 2017, vol. 138, pp. 105–110. doi: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2017.01.026

Queiróz Filho P.P., Da Silva C. Geant4 simulation of ion chambers response to 60Co spectrum of LNMRI/IRD Shepherd 81-14D Radiator. Journal of Physics: Conference Series, 2018, vol. 975, p. 012051.

Majer M., Roguljić M., Knežević Ž., Starodumov A. et al. Dose mapping of the panoramic 60Co gamma irradiation facility at the Ruđer Bošković Institute – Geant4 simulation and measurements. Applied radiation and Isotopes, 2019, vol. 154, p. 108824. doi: https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2019.108824

Battistoni G., Muraro S., Sala P.R., Cerutti F. et al. The FLUKA code: description and benchmarking. Proceedings of the Hadronic shower simulation workshop 2006, vol. 896. Fermilab, 2007, pp. 31–49.

Agostinelli S., Allison J., Amako K.A., Apostolakis J. et al. GEANT4 – a simulation toolkit. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2003, vol. 506(3), pp. 250–303. doi: https://doi.org/10.1016/S0168-9002(03)01368-8

Goorley T., James M., Booth T., Brown F. et al. Initial MCNP6 Release Overview. Nuclear Technology, 2012, vol. 180, pp. 298–315. doi: https://doi.org/10.13182/NT11-135

Mokhov N.V. Recent MARS15 developments: nuclide inventory, DPA and gas production, 2012. arXiv preprint arXiv:1202.2383.

Sato T., Niita K, Matsuda N., Hashimoto S. et al. Particle and Heavy Ion Transport code System, PHITS, version 2.52. Journal of Nuclear Science and Technology, 2013, vol. 50, issue 9, pp. 913–923. doi: https://doi.org/10.1080/00223131.2013.814553

Опубліковано

2021-07-02

Номер

Розділ

Статті