DOI: https://doi.org/10.22399/ijcesen.5083
تاريخ النشر: 2026-03-27
المؤلف: Demet Sarıyer وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحليل مواد درع الإشعاع
نظرة عامة
تستقصي هذه الدراسة إنتاج الجسيمات الثانوية وتوزيعات الجرعة المكانية الناتجة عن تفاعل بروتونات بقدرة 50 ميغا إلكترون فولت مع هدف نحاسي، مع التركيز على تكوينين درع متعدد الطبقات يتكونان من الحديد والخرسانة. يتميز التكوين الأول بهيكل هجين معقد مع طبقات متعددة من الحديد مدمجة في الخرسانة، بينما يتكون الثاني من ترتيب مبسط مع طبقة داخلية واحدة من الحديد محاطة بالخرسانة. باستخدام محاكيات مونت كارلو عبر كود FLUKA، تكشف الأبحاث أنه بينما يكون إجمالي إنتاج الجسيمات الثانوية والمساهمات النسبية لأنواع الجسيمات مشابهة لكلا التصميمين، إلا أن هناك اختلافات كبيرة في توزيعات الجرعة المكانية. ينتج التكوين الهجين حقل جرعة أكثر تباينًا وتمددًا مكانيًا بسبب زيادة التشتت وواجهات المواد، بينما يؤدي التصميم المبسط إلى حقل إشعاعي أكثر انحصارًا وتجانسًا.
تؤكد النتائج على الدور الحاسم لجيومترية الدرع وتنظيم الطبقات في تحديد خصائص حقل الإشعاع الثانوي، مشددة على أن تصميم الدرع الفعال يجب أن يأخذ في الاعتبار ليس فقط اختيار المواد وإنتاج الجسيمات ولكن أيضًا الترتيب الهندسي وتعقيد الطبقات. على الرغم من أن الفوتونات تهيمن على إنتاج الجسيمات الثانوية عند هذا المستوى من الطاقة، تبرز الدراسة أهمية نقل النيوترونات، خاصة عند الطاقات الأعلى، كعامل رئيسي في فعالية الدرع. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف أداء الدرع عبر مستويات طاقة بروتون مختلفة وتقييم مواد وتصاميم درع بديلة لتحسين الأداء.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الدور الحاسم لمسرعات البروتون في تطبيقات متنوعة، خاصة في نطاق الطاقة المتوسطة (10-100 ميغا إلكترون فولت)، حيث يكون إنتاج الإشعاع الثانوي والدرع أمرًا بالغ الأهمية. تظهر النيوترونات كمكون مهيمن للإشعاع الثانوي، خاصة حول 50 ميغا إلكترون فولت، بسبب شحنتها المحايدة وقدراتها العالية على الاختراق. تبرز الورقة ضرورة تكوينات درع متعددة الطبقات، تجمع بين مواد مثل الحديد والخرسانة والتربة، لتقليل طاقة النيوترونات بشكل فعال من خلال آليات تفاعل متنوعة، بما في ذلك التشتت غير المرن وعمليات التهدئة.
تؤكد الدراسة على أهمية تحسين اختيار المواد وترتيبها في أنظمة الدرع متعددة الطبقات لتعزيز امتصاص النيوترونات وتقليل مستويات الجرعة البيئية. تستعرض الأدبيات الموجودة حول تفاعلات النيوترونات وأداء الدرع، مشيرة إلى التقدم في طرق محاكاة مونت كارلو (MC)، مثل FLUKA وMCNP، التي حسنت دقة حسابات إنتاج الجسيمات الثانوية. تهدف الأبحاث إلى التحقيق بشكل منهجي في تكوينين درع متعدد الطبقات—واحد معقد مع طبقات متعددة من الحديد وآخر مبسط مع طبقة واحدة من الحديد—باستخدام محاكيات FLUKA لتحليل إنتاج الجسيمات الثانوية وتوزيع الجرعة. يسعى هذا العمل إلى معالجة الفجوات في الأدبيات المتعلقة بأنظمة درع الحديد والخرسانة والمساهمة في تطوير تصاميم درع محسنة لمسرعات البروتون ذات الطاقة المتوسطة.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون منهجية شاملة لتقييم إنتاج الجسيمات الثانوية وتوزيعات الجرعة باستخدام إطار محاكاة FLUKA. ركز التحليل على عوائد النيوترونات والبروتونات والفوتونات وشظايا النواة الخفيفة لكل بروتون أولي، مستخدمين مقياس لوغاريتمي لاستيعاب النطاق الواسع من القيم. تم تنفيذ نهج تسجيل حجمي ثلاثي الأبعاد لتوصيف الهيكل المكاني لحقل الإشعاع، مع قياس الجرعة المعادلة المحيطة \( H^*(10) \) باستخدام كاشف USRBIN في FLUKA. تم تعريف حجم التسجيل بدقة باستخدام هيكل شبكة قائم على الفوكسل يتكون من 340 حاوية في اتجاه x، و300 حاوية في اتجاه y، و190 حاوية في اتجاه z، مما حقق دقة مكانية تبلغ حوالي 10 سم.
لتسهيل تحليل مفصل لتوزيعات الجرعة، تم إجراء تقييمات في كل من الاتجاهات الأفقية والعمودية، مما أدى إلى خرائط جرعة ثنائية الأبعاد مكنت من تقييم مقارن لتصاميم الدرع المختلفة. نظرًا للمتطلبات الحسابية العالية لمحاكيات مونت كارلو (MC)، استخدم المؤلفون بنية تحتية للحوسبة عالية الأداء (HPC)، وتحديدًا نظام مجموعة TR-Grid، لتتبع \( 2 \times 10^7 \) تاريخ للجسيمات لكل دورة، مما أدى إلى إجمالي \( 1 \times 10^8 \) تاريخ للجسيمات. تم دمج الدورات المستقلة إحصائيًا لتعزيز موثوقية النتائج، مما أدى إلى توزيعات الجرعة النهائية.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تحليل إنتاج الجسيمات الثانوية الناتجة عن تفاعلات بروتونات بقدرة 50 ميغا إلكترون فولت مع هدف نحاسي عبر تكوينين درع: التصميم 1، هجين متعدد الطبقات من الخرسانة والحديد، والتصميم 2، هيكل مبسط من الخرسانة والحديد. استخدمت التحقيقات خرائط توزيع الجرعة ثنائية الأبعاد لتقييم الخصائص المكانية لحقول الإشعاع الثانوي التي تنتجها كل تصميم. كشفت النتائج أنه بينما كان العدد الإجمالي للجسيمات الثانوية المنتجة لكل بروتون أولي متطابق تقريبًا لكلا التصميمين—0.1561 للتصميم 1 و0.1559 للتصميم 2—تفاوت التوزيع المكاني لهذه الجسيمات بشكل كبير.
أشارت التحليلات إلى أن الفوتونات كانت الجسيمات الثانوية السائدة، تليها النيوترونات والبروتونات وجسيمات ألفا، مع مساهمة ضئيلة من الديوتيرونات. ومن الجدير بالذكر أن النيوترونات ظهرت كمكون ثانوي الأكثر أهمية بسبب شحنتها المحايدة وقدرتها العالية على الاختراق. أدى التصميم 1، مع ترتيبه المعقد متعدد الطبقات، إلى تدرجات جرعة بارزة وحقل إشعاعي غير متجانس، بينما أظهر التصميم 2 توزيع جرعة أكثر تجانسًا بسبب عدد أقل من واجهات المواد. تؤكد هذه النتائج على أهمية اختيار المواد وسمك الطبقات وترتيبها في أنظمة الدرع متعددة الطبقات، مشددة على أن أداء الدرع الفعال يتأثر ليس فقط بكمية الجسيمات الثانوية المنتجة ولكن أيضًا بنقلها وتفاعلها داخل وسط الدرع.
مناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في إنتاج الجسيمات الثانوية من بروتونات بقدرة 50 ميغا إلكترون فولت تتفاعل مع هدف نحاسي وحللوا سلوك نقل هذه الجسيمات ضمن تكوينين درع متعدد الطبقات باستخدام كود محاكاة مونت كارلو FLUKA. أشارت النتائج إلى أنه بينما كان إجمالي إنتاج الجسيمات الثانوية لكل بروتون أولي متطابق تقريبًا لكلا التصميمين—حوالي 0.1561 جسيمات للتصميم 1 و0.1559 للتصميم 2—تفاوتت توزيعات الجرعة المكانية بشكل كبير. أظهر التصميم 1، الذي يتميز بهيكل هجين متعدد الطبقات من الحديد والخرسانة، توزيع جرعة أكثر اتساعًا وتباينًا بسبب زيادة التشتت المتعدد وإعادة توزيع الجسيمات عند واجهات المواد. في المقابل، قدم التصميم 2، مع تكوين مبسط، حقل إشعاعي أكثر انحصارًا وتجانسًا.
تؤكد النتائج على أهمية الترتيب الهندسي وتنظيم الطبقات في تصميم الدرع الفعال، خاصة في البيئات التي تهيمن عليها نقل النيوترونات. على الرغم من أن الفوتونات كانت الجسيمات الثانوية السائدة المنتجة، تبرز الدراسة الدور الحاسم للنيوترونات في أداء الدرع بسبب قدرتها العالية على الاختراق. يقترح المؤلفون أن الأبحاث المستقبلية يجب أن تستكشف فعالية الدرع عبر مستويات طاقة بروتون مختلفة وتحقق في مواد وتصاميم بديلة لتحسين استراتيجيات الحماية من الإشعاع.
DOI: https://doi.org/10.22399/ijcesen.5083
Publication Date: 2026-03-27
Author(s): Demet Sarıyer et al.
Primary Topic: Radiation Shielding Materials Analysis
Overview
This study investigates the secondary particle production and spatial dose distributions resulting from 50 MeV protons interacting with a copper target, focusing on two multilayer shielding configurations composed of iron and concrete. The first configuration features a complex hybrid structure with multiple iron layers embedded in concrete, while the second consists of a simplified arrangement with a single inner iron layer surrounded by concrete. Using Monte Carlo simulations via the FLUKA code, the research reveals that while the total secondary particle production and relative contributions of particle types are similar for both designs, significant differences exist in their spatial dose distributions. The hybrid configuration produces a more heterogeneous and spatially extended dose field due to increased scattering and material interfaces, whereas the simplified design results in a more confined and homogeneous radiation field.
The findings underscore the critical role of shielding geometry and layer organization in determining the characteristics of the secondary radiation field, emphasizing that effective shielding design must consider not only material selection and particle production but also geometric arrangement and layer complexity. Although photons dominate secondary particle production at this energy level, the study highlights the importance of neutron transport, particularly at higher energies, as a key factor in shielding effectiveness. Future research is recommended to explore shielding performance across various proton energy levels and to evaluate alternative shielding materials and designs for enhanced optimization.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the critical role of proton accelerators in various applications, particularly in the medium-energy range (10-100 MeV), where secondary radiation production and shielding are paramount. Neutrons emerge as the dominant component of secondary radiation, especially around 50 MeV, due to their neutral charge and high penetration capabilities. The paper highlights the necessity of multilayer shielding configurations, combining materials such as iron, concrete, and soil, to effectively attenuate neutron energy through various interaction mechanisms, including inelastic scattering and moderation processes.
The study emphasizes the importance of optimizing material selection and arrangement in multilayer shielding systems to enhance neutron absorption and reduce environmental dose levels. It reviews existing literature on neutron interactions and shielding performance, noting advancements in Monte Carlo (MC) simulation methods, such as FLUKA and MCNP, which have improved the accuracy of secondary particle production calculations. The research aims to systematically investigate two multilayer shielding configurations—one complex with multiple iron layers and another simplified with a single iron layer—using FLUKA simulations to analyze secondary particle production and dose distribution. This work seeks to address gaps in the literature regarding iron-concrete shielding systems and contribute to the development of optimized shielding designs for medium-energy proton accelerators.
Methods
In this study, the authors employed a comprehensive methodology to evaluate secondary particle production and dose distributions using the FLUKA simulation framework. The analysis focused on the yields of neutrons, protons, photons, and light nuclear fragments per primary proton, utilizing a logarithmic scale to accommodate the wide range of values. A three-dimensional volumetric scoring approach was implemented to characterize the spatial structure of the radiation field, specifically measuring the ambient dose equivalent \( H^*(10) \) with the USRBIN detector in FLUKA. The scoring volume was meticulously defined using a voxel-based mesh structure comprising 340 bins in the x-direction, 300 bins in the y-direction, and 190 bins in the z-direction, achieving a spatial resolution of approximately 10 cm.
To facilitate a detailed analysis of dose distributions, evaluations were conducted in both horizontal and vertical orientations, resulting in two-dimensional dose maps that enabled a comparative assessment of various shielding designs. Given the high computational demands of Monte Carlo (MC) simulations, the authors utilized a high-performance computing (HPC) infrastructure, specifically the TR-Grid cluster system, to track \( 2 \times 10^7 \) particle histories per cycle, culminating in a total of \( 1 \times 10^8 \) particle histories. Independent cycles were statistically combined to enhance the reliability of the results, leading to the final dose distributions.
Results
In this study, the production of secondary particles resulting from 50 MeV proton interactions with a copper target was analyzed across two shielding configurations: Design 1, a multilayer concrete-iron hybrid, and Design 2, a simplified concrete-iron structure. The investigation utilized two-dimensional dose distribution maps to assess the spatial characteristics of the secondary radiation fields produced by each design. The findings revealed that while the total number of secondary particles generated per primary proton was nearly identical for both designs—0.1561 for Design 1 and 0.1559 for Design 2—the spatial distribution of these particles varied significantly.
The analysis indicated that photons were the predominant secondary particles, followed by neutrons, protons, and alpha particles, with deuterons contributing negligibly. Notably, neutrons emerged as the most critical secondary component due to their neutral charge and high penetration ability. Design 1, with its complex multilayer arrangement, resulted in pronounced dose gradients and a heterogeneous radiation field, while Design 2 exhibited a more uniform dose distribution due to fewer material interfaces. These results underscore the importance of material selection, layer thickness, and arrangement in multilayer shielding systems, emphasizing that effective shielding performance is influenced not only by the quantity of secondary particles produced but also by their transport and interaction within the shielding medium.
Discussion
In this study, the authors investigated secondary particle production from 50 MeV protons interacting with a copper target and analyzed the transport behavior of these particles within two multilayer shielding configurations using the FLUKA Monte Carlo simulation code. The results indicated that while the total secondary particle production per primary proton was nearly identical for both designs—approximately 0.1561 particles for Design 1 and 0.1559 for Design 2—the spatial dose distributions differed significantly. Design 1, characterized by a multilayer hybrid structure of iron and concrete, exhibited a more extended and heterogeneous dose distribution due to enhanced multiple scattering and particle redistribution at the material interfaces. In contrast, Design 2, with a simplified configuration, provided a more confined and homogeneous radiation field.
The findings underscore the importance of geometric arrangement and layer organization in effective shielding design, particularly in environments dominated by neutron transport. Although photons were the predominant secondary particles produced, the study highlights the critical role of neutrons in shielding performance due to their high penetration capability. The authors suggest that future research should explore shielding effectiveness across various proton energy levels and investigate alternative materials and designs to optimize radiation protection strategies.