Plenary report 2010
1 like507 views
Документ описывает интеграцию компьютерного моделирования в промышленные радиационные технологии, акцентируя внимание на методах облучения и характеристиках ионизирующего излучения. Среди решений представлены информационные технологии и специализированные программные пакеты для моделирования процессов облучения, а также проблемы и задачи, которые необходимо решить для эффективного использования радиационных технологий. Кроме того, документ затрагивает международное сотрудничество в области радиационных технологий и развития стандартов.
Plenary report 2010
- 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
- 10. Industrial radiation processing EB, X-RAY RADIATION FACILITY. Up to 10MeV
- 11. EB: Two passes, two sides irradiation
- 12. Construction and operation of gamma irradiators 100 kCi to 6 MCi
- 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.
- 14. Examples: Application of Radiation processing
- 15. Radiation processing of polymers
- 17. Thermo shrinkable tapes Alaska Pipeline – Summer 1975
- 20. Flame retardant
- 21. Burn healing at chest treated by Woundragel material
- 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
- 26. . Preservation of cultural heritagePreservation of cultural heritage
- 27. RADIATION STERILIZATION OF HEALTHCARE PRODUCTS
- 28. Food Irradiation: Benefit or Risk?
- 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.