vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2020-65-1-25-34vestift-577Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYМоделирование пробегов и потерь энергии высокоэнергетических ионов в однослойных и многослойных материалахModeling of paths and energy losses of high-energy ions in single-layered and multilayered materialsГрабчиковС. С.GrabchikovS. S.

Грабчиков Сергей Степанович – доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории физики магнитных пленок

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Sergey S. Grabchikov – D. Sc. (Physics and Mathematics), Сhief Researcher of the Physics of Magnetic Films Laboratory

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

gss@ifttp.bas-net.byГрабчиковаЕ. А.GrabchikovaE. A.

Грабчикова Елена Александровна – младший научный сотрудник лаборатории физики магнитных пленок

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Elena A. Grabchikova – Junior Researcher of the Physics of Magnetic Films Laboratory

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

grabchikova_e@bk.ruВасинД. С.VasinD. S.

Васин Денис Сергеевич – младший научный сотрудник лаборатории физики магнитных пленок

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Denis S. Vasin – Junior Researcher of the Physics of Magnetic Films Laboratory

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

d.s.vasin@outlook.comТишкевичД. И.TishkevichD. I.

Тишкевич Дарья Ивановна – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории физики магнитных пленок

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Daria I. Tishkevich – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior Researcher of the Physics of Magnetic Films Laboratory

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

dashachushkova@gmail.comЛастовскийС. Б.LastovskiiS. B.

Ластовский Станислав Брониславович – кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией радиационных воздействий

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Stanislav B. Lastovski – Ph. D. (Physics and Mathematics), Heard of the Radiation Effects Laboratory

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

lastov@ifttp.bas-net.byЯкушевичА. С.YakushevichA. S.

Якушевич Анна Сергеевна – младший научный сотрудник лаборатории радиационных воздействий

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Anna S. Yakushevich – Junior Researcher of the Radiation Effects Laboratory

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

yakushevich@ifttp.bas-net.byБогатыревЮ. В.BogatyrevY. V.

Богатырев Юрий Владимирович – доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории радиационных воздействий

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Yrii V. Bogatyrev – D. Sc. (Engineering), Сhief Researcher of the Radiation Effects Laboratory

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

bogat@physics.byКалагинИ. В.KalaginI. V.

Калагин Игорь Владимирович – кандидат технических наук, начальник научно-технологического отдела ускорителей лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флерова

ул. Ж. Кюри, 6, 141980, Дубна

Igor V. Kalagin – Ph. D. (Engineering), Head of the Scientific and Technological Department of Accelerators of the Laboratory of Nuclear Reactions named after G. N. Flerov

6, J. Curie Str., 141980, Dubna

kalagin@jinr.ruМитрофановС. В.MitrofanovS. V.

Митрофанов Семен Вячеславович – начальник группы радиоактивных пучков научно-технологического отдела ускорителей лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флерова

ул. Ж. Кюри, 6, 141980, Дубна

Semen V. Mitrofanov – Head of the Group of Radioactive Beams of the Scientific and Technological Department of Accelerators of the Laboratory of Nuclear Reactions named after G. N. Flerov

6, J. Curie Str., 141980, Dubna

mitrofanov@jinr.ruНаучно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедениюScientific and Practical Materials Research Center of the National Academy of Sciences of BelarusОбъединенный институт ядерных исследованийJoint Institute of Nuclear Research2020060420206512534Copyright © Грабчиков С.С., Грабчикова Е.А., Васин Д.С., Тишкевич Д.И., Ластовский С.Б., Якушевич А.С., Богатырев Ю.В., Калагин И.В., Митрофанов С.В., 20202020Грабчиков С.С., Грабчикова Е.А., Васин Д.С., Тишкевич Д.И., Ластовский С.Б., Якушевич А.С., Богатырев Ю.В., Калагин И.В., Митрофанов С.В.Grabchikov S.S., Grabchikova E.A., Vasin D.S., Tishkevich D.I., Lastovskii S.B., Yakushevich A.S., Bogatyrev Y.V., Kalagin I.V., Mitrofanov S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/577

С помощью программного комплекса SRIM рассчитаны линейные и массовые пробеги протонов и ионов аргона в экранах из алюминия, оксида алюминия, висмута и композита W77,7Cu22,3. Показано, что эффективность защиты от высокоэнергетических ионов материалами с большими значениями заряда ядер атомов (Z) выше с позиции линейных пробегов частиц и ниже с позиции массовых пробегов, чем материалами с низкими значениями Z. Определена зависимость пороговой энергии от Z высокоэнергетических ионов для экранов из алюминия, висмута и композита W77,7Cu22,3. Проведены расчеты спектров потерь на ионизацию при прохождении протонов с энергией 20 МэВ и ионов криптона с энергией 7,75 ГэВ через многослойные структуры Bi/Al/Al2O3 и Al/Al2O3/Bi. Расчеты показали, что торможение высокоэнергетических частиц в случае, когда первый слой содержит тяжелый элемент, выше, чем в случае, когда первый слой содержит легкий элемент. Изучено влияние последовательности в расположении и толщины слоев в многослойных структурах системы Bi/Al/Al2O3 на эффективность защиты от высокоэнергетических ионов. Показано, что характер зависимостей R(E) и потерь энергии ионов определяется очередностью расположения отдельных слоев, что связано с различием преобразования спектров материалом первого слоя. Рассмотренные экраны радиационной защиты могут быть использованы в элементах и аппаратуре ракетно-космической техники, могут обеспечить требования по устойчивости к воздействию различных видов ионизирующих излучений (электронное, протонное, гамма-излучение, тяжелые заряженные частицы и др.).

Linear and mass ranges of protons and argon ions in aluminum, alumina, bismuth, and W77.7Cu22.3 composite shields were calculated using the SRIM software package. It is shown that the protection efficiency against high-energy ions by materials with large atomic charge (Z) values is higher, from the position of linear ranges of particles, and lower, from the position of mass ranges, in comparison with materials with low Z values. The dependence of the threshold energy on the serial number of particles for aluminum, bismuth, and composite W77.7Cu22.3 shields is determined. The ionization loss spectra for the passage of both protons with an energy of 20 MeV and krypton ions with an energy of 7.75 GeV through multilayer Bi/Al/Al2O3 and Al/Al2O3/Bi structures were calculated. These results showed that the braking of high-energy particles in the case when the first layer contains a heavy element is higher than in the case when the first layer contains a light element. The influence of the sequence in the arrangement and thickness of the layers in the multilayer structures of the Bi/Al/Al2O3 system on the efficiency of protection against high-energy ions was studied. It is shown that the nature of the dependences R(E) and ion energy losses are determined by the sequence of arrangement of individual layers, which is due to the difference in the conversion of the spectra by the material of the first layer. The studied radiation shields can be used in aerospace and nuclear technologies, as well as in many scientific and medical devices, and can be used to protect against the effects of a wide range of ionizing radiation (electrons, protons, heavy charged particles, etc.).

радиационная защитатяжелые заряженные частицыпротонывысокоэнергетические ионырадиационные экраныматематическое моделированиеradiation protectionheavy charged particlesprotonshigh-energy ionsradiation shieldsmathematical modelingРабота выполнена при поддержке Государственной программы научных исследований «Физическое материаловедение, новые материалы и технологии» подпрограммы «Наноматериалы и нанотехнологии» (задание 2.34), Белорусского фонда фундаментальных исследований (БРФИИ–ОИЯИ № Ф18Д-007), гранта Международной ассоциации ученых (г. Женева, Швейцария).The work was carried out with financial support of State program of scientific research “Physical Materials Science, New Materials and Technologies” subprogram “Nanomaterials and Nanotechnologies” (task 2.34), Belarusian Republican Foundation for Fundamental Research (BRFFR–JINR Grant No. Ф18Д-007), Grant of World Federation of Scientists (Geneva, Switzerland).ReferencesБелоус, А. И. Космическая электроника / А. И. Белоус, В. А. Солодуха, С. В. Шведов. – М.: Техносфера, 2015. – Кн. 2. – 732 с.Belous A. I., Soloduha V. A., Shvedov S. V. Space Electronics. Moscow, Technosfera Publ., 2015. 732 p. (in Russian).В борьбе с радиацией / Н. А. Василенков [и др.] // Российский космос. – 2015. – № 5 (113). – С. 38–41.Vasilenkov N. A., Grabchikov S. S., Maksimov A. Y., Lastovski S. B. In the fight against radiation. Rossiiskii kosmos [Russian Space], 2015, no. 5, pp. 38–41 (in Russian).RAD-COAT protection [Electronic resource] // SpaceElectronics. – Mode of access: http://www.spaceelectronics.com – Date of access: 03.09.2019.RAD-COAT protection. SpaceElectronics. Available at: http://www.spaceelectronics.com (accessed 3 September 2019).RAD-PAK protection [Electronic resource] // Maxwell Technologies, Inc. – Mode of access: http://www.maxwell/products/microelectronics – Date of access: 03.09.2019.RAD-PAK protection. Maxwell Technologies, Inc. Available at: http://www.maxwell/products/microelectronics (accessed 3 September 2019).WALOPACK protection [Electronic resource] // 3D plus electronics. – Mode of access: http://www.3d-plus.com/ – Date of access: 03.09.2019.WALOPACK protection. 3D plus electronics. Available at: http:// www.3d-plus.com (accessed 3 September 2019).Гульбин, В. Н. Разработка композиционных материалов, модифицированных нанопорошками, для радиационной защиты в атомной энергетике / В. Н. Гульбин // Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем – 2010: материалы IX Всерос. конф. – Ижевск, 2010. – С. 12–28.Gulbin V. N. The development of composite materials modified with nanopowders for radiation protection in nuclear power. Fizikochimiya ultradispersnih (nano-) system – 2010: materialy IX Vserossiiskoi conferencii [Physicochemistry of ultrafine (nano) systems – 2010: Proceedings of the IX All-Russian Conference]. Izevsk, 2010, pp. 12–28 (in Russian).Новые материалы локальной радиационной защиты / Г. Ефремов [и др.] // Физика и химия обработки материалов. – 2003. – № 1. – С. 34–37.Efremov G. A., Yepifanovskiy I. S., Shiryayev A. V., Zabolotnyy V. T., Mileyev V. N., Novikov L. S. New materials of local radiation protection. Fizika i khimiya obrabotki materialov = Physics and Chemistry of Materials Treatment, 2003, no. 1, pp. 34–37 (in Russian).Ионизирующие излучения космического пространства и их воздействие на бортовую аппаратуру космических аппаратов / под ред. Г. Г. Райкунова. – М.: Физматлит, 2013. – 256 с.Raikunov G. G. (ed.). Ionizing Radiation of Outer Space and their Impact on the Onboard Equipment of Spacecraft. Moscow, Fizmatlit Publ., 2013. 256 p. (in Russian).Гальпер, А. М. Радиационный пояс Земли / А. М. Гальпер // СОЖ. – 1999. – № 6. – С. 75–81.Galper A. M. Earth Radiation Belt. Sorosovskii obrazovatel’nyi zhurnal = Soros Educational Journal, 1999, no. 6, pp. 75–81 (in Russian).Мирошниченко, Л. И. Космические лучи в межпланетном пространстве / Л. И. Мирошниченко. – М.: Наука, 1973. – 160 с.Miroshnichenko L. I. Space Rays in Interstellar Space. Moscow, Nauka Publ., 1973. 160 p. (in Russian).Новиков, Л. С. Радиационные воздействия на материалы космических аппаратов: учеб. пособие / Л. С. Новиков. – М.: Университет. кн., 2010. – 192 с.Novikov L. S. Radiation Impact on the Space Aircrafts Materials. Moscow, Universitetskaya kniga Publ., 2010. 192 p. (in Russian).Модель космоса / под ред. М. И. Панасюка. – М.: КДУ, 2007. – Т. 1. – 872 с.Panasuk M. I. (ed.). Model of Space. Moscow, KDU Publ., 2007. 872 p. (in Russian).SRIM-2013 [Electronic resource] / James Ziegler. – Mode of access: http://www.srim.org – Date of access: 03.09.2019.Ziegler J. SRIM-2013. Available at: http://www.srim.org. (accessed 3 September 2019).Егранов, А. В. Методы экспериментальной физики конденсированного состояния: учеб. пособие / А. В. Егранов. – Иркутск: Иркут. гос. ун-т, 2013. – Ч. 2: Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом. – 115 с.Egranov A. V. Methods of Experimental Condensed Matter Physics. Part 2: Interaction of Ionizing Radiation with Matter. Irkutsk, Irkutsk State University, 2013. 115 p. (in Russian).Математическое моделирование свойств неоднородных структур для систем радиационной защиты / Н. П. Чирская [и др.] // Радиационная физика твердого тела: тр. ХХI Междунар. конф. – М.: ГНУ «НИИПМТ», 2011. – Т. 2. – С. 436–443.Chirskaya N. P., Voronina E. N., Mileev V. N., Novikov L. S., Sinolits V. V. Mathematical modeling of the properties of heterogeneous structures for radiation protection systems. Radiatsionnaya fizika tverdogo tela: trudy ХХІ Mezhdunarodnoi konferentsii. T. 2 [Solid State Radiation Physics: Proceedings of the 21 International Conference. Vol. 2]. Moscow, 2011, pp. 436–443 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.