ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-4-650-658ntv-145Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGМетод дистанционного контроля радиационных параметров космических аппаратов на основе рентгенофлуоресцентного анализаMethod for remote control of radiation parameters of spacecraft based on X-ray fluorescence analysishttps://orcid.org/0000-0001-5458-3019ЛукьяноваЛ. А.LukyanovaL. A.

Лукьянова Людмила Анатольевна — старший преподаватель

Санкт-Петербург, 199034

Lyudmila A. Lukyanova — Senior Lecturer

Saint Petersburg, 199034

lalukianova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8862-1797СвитневИ. В.SvitnevI. V.

Свитнев Игорь Владимирович — кандидат военных наук, доцент, доцент, заведующий кафедрой

Санкт-Петербург, 199034

Igor V. Svitnev — PhD (Military Science), Associate Professor, Head of Department

Saint Petersburg, 199034

isvitnev@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4851-2756ХаритоноваЕ. А.KharitonovaE. A.

Харитонова Елена Александровна — кандидат медицинских наук, доцент

 sc 57217586798

Санкт-Петербург, 199034

Elena A. Kharitonova — PhD (Medicine), Associate Professor

sc 57217586798

Saint Petersburg, 199034

Xaritonova_ea@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1124-0336ГавриловИ. Е.GavrilovI. E.

Гаврилов Илья Евгеньевич — студент

Санкт-Петербург, 199034

Ilya E. Gavrilov — Student

Saint Petersburg, 199034

Ilyusha-2145@mail.ruСанкт-Петербургский государственный университетРоссияSt. Petersburg State University (SPbSU)Russian Federation202213122024224650658Copyright © Лукьянова Л.А., Свитнев И.В., Харитонова Е.А., Гаврилов И.Е., 20242024Лукьянова Л.А., Свитнев И.В., Харитонова Е.А., Гаврилов И.Е.Lukyanova L.A., Svitnev I.V., Kharitonova E.A., Gavrilov I.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/145

Предмет исследования. Существующие международные юридические акты, инструменты и процедуры не гарантируют обеспечения паритетных условий для освоения и использования космического пространства. Необходимы средства объективного контроля космических аппаратов, на борту которых могут находиться изделия с делящимися материалами. Инспекция таких объектов может проводиться методами рентгенофлуоресценции. Однако в рассматриваемой предметной области применение подобных методов мало изучено. В данной работе предложен метод получения спектров рентгенофлуоресцентного излучения материалов, исследуемого объекта на основе расчета пространственно-энергетических характеристик рентгеновского излучения. Метод. Спектры рентгенофлуоресцентного исследования объектов получены на основе расчета пространственно-энергетических характеристик рентгеновского излучения по разработанным авторами оригинальным геометрической (математической) и имитационным моделям. При расчетах учтена сложная слоистая система объекта с учетом долей высокоэнергетического флуоресцентного излучения вышележащих слоев. Предложен численный эксперимент с использованием программы, которая позволяет выбрать проекции объекта, подвергаемого рентгеновскому облучению, длину волны и интенсивность параметров излучателя. С помощью полученного пространственно-энергетического распределения квантов излучения и физических свойств среды прохождения излучения решена задача поиска координат и углов пересечения треков пучков квантов в каждой области объекта. Результат программной обработки отображен в виде результирующего спектра. Полученный спектр позволил сделать вывод о химическом составе материалов инспектируемого объекта. Пучок рентгеновского излучения, достигающий объекта, смоделирован в виде пятна площадью, соизмеримой с сечением аппарата в виде выбранного геометрического примитива — квадрата. Площадь пятна падающих фотонов рассчитана по заранее задаваемому углу расхождения. Основные результаты. На основе открытых научных работ выбрана физическая модель объекта с ядерными делящими материалами W88 (США). Приняты следующие характеристики рентгеновских пучков (подпучков): когерентный пучок фотонов с длиной волны 0,005 нм; угол рассеяния пучка 1°, число квантов от 1·1015 (для дистанции облучения 10 м) до 1·1021 (для дистанции 10 км); площадь детектора излучателя 4 м2. Получен результирующий спектр рентгеновской флуоресценции, представляющий химический состав узлов и блоков аппарата и объекта, находящегося внутри. Наличие на борту объекта специфических изделий подтверждается характеристическими линиями с нормированными длинами волн, которые демонстрируют присутствие химических элементов радиоактивного ряда. Практическая значимость. Полученные результаты могут найти применение при разработке оборудования и программного обеспечения устройств космических аппаратов, при контроле наличия распадающихся материалов на борту инспектируемого аппарата.

Existing international legal acts, instruments and procedures do not guarantee equal conditions for the exploration and use of outer space. There is a need for means of objective control of spacecraft carrying products with fissile materials. Inspection of such objects can be carried out by X-ray fluorescence methods. However, in the subject area under consideration, the use of such methods has been little studied. In this paper, a method is proposed for obtaining the spectra of X-ray fluorescence radiation of materials, the object under study based on the calculation of the spatial and energy characteristics of X-ray radiation. The X-ray fluorescence spectra of objects are obtained on the basis of the calculation of the spatial and energy characteristics of X-ray radiation according to the original geometric (mathematical) and simulation models developed by the authors. The calculations take into account the complex layered system of the object, taking into account the proportions of high-energy fluorescent radiation of the overlying layers. An original numerical experiment is proposed using a program that allows one to choose the projections of an object subjected to X-ray irradiation, the wavelength and intensity of the emitter parameters. Using the obtained spatial-energy distribution of radiation quanta and the physical properties of the radiation transmission medium, the problem of finding the coordinates and angles of intersection of tracks of quanta beams in each area of the object is solved. The result of software processing is displayed as the resulting spectrum. The obtained spectrum makes it possible to draw a conclusion about the chemical composition of the materials of the inspected object. The X-ray beam reaching the object is modeled as a spot with an area commensurate with the cross section of the device in the form of a selected geometric primitive — a square. The spot area of the incident photons is calculated from a predetermined divergence angle. On the basis of open literary sources, a physical model of an object with nuclear fissile materials W88 (USA) was chosen. The following characteristics of X-ray beams (subbeams) are accepted: a coherent beam of photons with a wavelength of 0.005 nm; beam scattering angle of 1 degree; emitter detector area of 4 m2. The resulting X-ray fluorescence spectrum was obtained which gives an idea of the chemical composition of the units and blocks of the apparatus and the object inside. The presence of specific products on the object board is confirmed by characteristic lines with normalized wavelengths indicating the presence of chemical elements belonging to the radioactive series. The results obtained can be used in the development of hardware and software for spacecraft devices that monitor the presence of fissile materials on board of the inspected vehicle.

делящиеся материалыдлина волнырентгеновское излучениефлуоресценцияэлементный составэнергия квантаfissile materialswavelengthX-raysfluorescenceelemental compositionquantum energyReferencesКлименко Н.Н., Назаров А.Е. Перспективная космическая система для наблюдения геостационарной орбиты // Вестник «НПО имени С.А. Лавочкина». 2015. № 4(30). С. 16–22.Klimenko N.N., Nazarov A.E. Advanced space-borne system for surveillance of geostationary orbit. Vestnik “NPO im. S. A. Lavochkina”, 2015, no. 4(30), pp. 16–22. (in Russian)Ляпко П.С., Олейников И.И., Улин С.Е. Методы инспекции космических аппаратов с ядерными энергетическими установками на борту // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2016. Т. 43. № 11. С. 24–30.Lyanko P.S., Oleinikov I.I., Ulin S.E. Inspection methods for spacecrafts with nuclear power plants. Bulletin of the Lebedev Physics Institute, 2016, vol. 43, no. 11, pp. 332–335. https://doi.org/10.3103/S106833561611004XЛосев Н.Ф. Количественный рентгеноспектральный флуоресцентный анализ. М.: Наука, 1969. 336 с.Losev N.F. Quantitative Х-ray Spectrum Fluorescence Analysis. Moscow, Nauka Publ., 1969, 336 p. (in Russian)Маркова Ю.Н., Анчутина Е.А., Кербер Е.В., Максимовская В.В., Золотарев К.В. Оценка пригодности методики измерений состава горных пород для анализа растительных материалов рентгенофлуоресцентным методом с использованием синхротронного излучения // Стандартные образцы. 2013. № 4. С. 19–24.Markova Yu.N., Anchutina E.A., Kerber E.V., Maksimovskaya V.V., Zolotarev K.V. Applicability evaluation of procedure for measuremet of rock composition for analysis of plant materials by x-ray fluorescence method with the use of synchrotron radiation. Reference Materials, 2013, no. 4, pp. 19–24. (in Russian)Симаков В.А. Рентгенофлуоресцентный анализ руд и продуктов их переработки (при разведке месторождений): автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук: 02.00.02. Москва, 2000. 40 с.Simakov V.A. X-ray fluorescence analysis of ores and products of their processing (in the mineral exploration). Dissertation abstract for the degree of doctor of technical sciences: 02.00.02. Moscow, 2000, 40 p. (in Russian)Shand C.A., Wendler R. Portable X-ray fluorescence analysis of mineral and organic soils and the influence of organic matter // Journal of Geochemical Exploration. 2014. V. 143. P. 31–42. https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2014.03.005Shand C.A., Wendler R. Portable X-ray fluorescence analysis of mineral and organic soils and the influence of organic matter. Journal of Geochemical Exploration, 2014, vol. 143, pp. 31–42. https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2014.03.005Мазурицкий М.И., Лерер А.М., Новакович А.А., Махно А.С., Махно П.В. Каналирование рентгеновской флуоресценции, возбуждаемой внутри полых микрокапилляров // Инженерный вестник Дона. 2013. № 3(26). С. 65.Mazuritskiy M.I., Lerer A.M., Novakovich A.A., Makhno A.S. Makhno P.V. Channeling of X-ray fluorescence excited in hollow microcapillaries. Engineering Journal of Don, 2013, no. 3(26), pp. 65. (in Russian)Симаков В.А., Кордюков С.В. Применение стандартных образцов состава при рентгеноспектральном флуоресцентном анализе твердых полезных ископаемых // Стандартные образцы. 2013. № 4. С. 11–15.Simakov V.A., Kordyukov S.V. The use of reference materials of composition with x-ray fluorescent analysis of solid minerals. Reference Materials, 2013, no. 4, pp. 11–15. (in Russian)

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