FASTRAD

Эта статья должна быть полностью переписана. На странице обсуждения могут быть пояснения.

Значимость предмета статьи поставлена под сомнение. Пожалуйста, покажите в статье значимость её предмета, добавив в неё доказательства значимости по частным критериям значимости или, в случае если частные критерии значимости для предмета статьи отсутствуют, по общему критерию значимости. Подробности могут быть на странице обсуждения. Дата постановки шаблона: 16 апреля 2012

Данный инструмент предназначен для расчётов радиационных эффектов (Доза и Эффект смещения), возникающих в электронных приборах и устройствах. Интерфейс включает в себя модуль трёхмерного моделирования с возможностью воспроизведения системы любого уровня сложности. Возможные области применения: физика высоких энергий и ядерных экспериментов, медицинская, исследования в области космической физики и ускорителей. Программное обеспечение используется специалистами по радиации многих стран мира.

История создания

Программное обеспечение Fastrad предназначено для анализа систем, чувствительных к радиационному воздействию, и разработки их защиты. Проект был создан в 1999 году и с того времени непрерывно совершенствуется. Данное программное обеспечение может применяться в любой сфере деятельности, связанной с радиацией.

Увеличение чувствительности космических аппаратов к радиационному воздействию в условиях космической радиации обусловлено стремлением либо оптимизации механической конструкции за счёт улучшения соотношения функциональность/масса либо за счёт уменьшения габаритов электронных устройств. За последние 10 лет производители спутников значительно продвинулись в вопросе обеспечения стойкости к радиации их аппаратов. Для того, чтобы ослабить воздействие радиации на КА, необходимо в первую очередь заменить приблизительные расчёты защиты на точную оценку влияния радиации на систему с учётом обязательных требований к ней. Программное обеспечение Fastrad предоставляет вам такую возможность для расчётов поглощённой дозы.

Основными целями данного программного обеспечения являются снижение коэффициента запаса, учитываемого при консервативном расчёте радиационных эффектов, а также снижение времени, занимаемого при проектировании модели с учётом оптимизированной защиты. В некоторых случаях Программное Обеспечение Fastrad применяется для того, чтобы обосновать применение нестойких к радиационному воздействию комплектующих, таким образом снижая стоимость спутника и время разработки бортовой аппаратуры космического аппарата. Данные функции позволяют импорт файлов в САПР и/или 3D визуализацию модели в трёхмерном формате и построение геометрии. В случае применения данного программного обеспечения в космической области, расчёты возможно провести для всей модели спутника, начиная с платформы и заканчивая электронными компонентами.

Интерфейс радиационного САПРа

Данным Программным Обеспечением могут пользоваться инженеры, у которых нет особых навыков работы с Системами Автоматизированного Проектирования. Данный простой в пользовании интерфейс был разработан с целью создания трёхмерных радиационных моделей с помощью простых функций.

Основные функции САПРа программного обеспечения FASTRAD:

• Создание Коробки, Сферы, Цилиндра, Конуса или треугольной Призмы
• Импорт сложных трёхмерных геометрических фигур из файлов в форматах STEP или IGES
• Набор инструментов моделирования (плоскость сечения, двухмерная проекция, линейка, цветовая гамма, режим 4 вида одновременно: проекции 2D и вид 3D..)

Основное предназначение Программного Обеспечения FASTRAD — это создание трёхмерных радиационных моделей. Его целью является проектирование реалистических моделей систем любого уровня сложности с учётом свойств материалов. Основная часть интерфейса — это рабочий экран, в котором пользователь работает с геометрией.

Трёхмерные фигуры могут быть созданы с помощью простых форм, расположенных на панели инструментов. Пользователь имеет также возможность импортировать их напрямую из иных Программных Обеспечений, таких как CATIA, Pro/Engineer, SolidWorks…в стандартных форматах STEP или IGES. Благодаря библиотеке Open Cascade, входящей в состав Программного Обеспечения FASTRAD, пользователь имеет возможность выполнять и визуально отслеживать на экране следующие операции: вырезание, управление сложными фигурами, a также обмен данными в форматах STEP и IGES. Усовершенствованный модуль STEP позволяет вам импортировать модель вместе с её иерархией, названием, и цветовой гаммой. Как только проект вашей трёхмерной модели готов, вы можете начинать работать с ним в Программном Обеспечении Fastrad (лучевая трассировка, радиационные расчёты, пост-обработка). В данном Программном Обеспечении достаточно просто управлять моделями со сложной геометрией и с масштабами разной степени (от 1 нанометра до 10²⁴км).

Рис. 1) Диалоговые окна присвоения материалов. Интерактивная периодическая таблица облегчает создание новых материалов.

Ключевым моментом работы с программными обеспечениями по радиационным расчётам является возможность работы с материалами. Для этого в ПО FASTRAD был создан простой в пользовании интерфейс, позволяющий Вам присваивать такие свойства материалам твёрдых тел трёхмерной модели, как плотность и массовое соотношение (композиционных) материалов через возможность задать их химический состав (см. Рис. 1). Таким простым образом у пользователя существует возможность пополнить список уже существующих материалов.

Ещё одной функциональностью ПО FASTRAD является определение местоположения детектора. Детекторы могут располагаться в любой части модели. Таким образом, радиационные эффекты могут быть рассчитаны самым точным образом в любой точке трёхмерной модели с помощью алгоритма Монте Карло, используемого либо для расчётов энергии, осаждённой частицей при взаимодействии с материалом (см. ниже Раздел «Расчёт дозовых эффектов и разработка и защиты»), либо для расчётов методом секторного анализа.

К тому же, использование данного программного обеспечения возможно на последнем этапе проектирования, а также в случае использования в новом проекте приборов, разаработанных для предыдущих проектов. В данном случае достаточно импортировать новый файл и/или доработать его с помощью ПО Fastrad. Затем можно приступить к расчётам методом секторного анализа. Быстрый расчёт эффективной защиты в простом в пользовании графическом интерфейсе и непосредственный доступ к информации о массе различных частей спутника позволяют найти компромисс между дополнительной защитой и весом. Всё, что может поменяться в случае повторного использования прибора, это данные о радиационных условиях, в которых будет находиться спутник, необходимые для расчётов поглощённой дозы.

На любом этапе трёхмерного моделирования пользователь имеет возможность сохранить рабочую модель со всеми последними изменениями (геометрия, материалы, детекторы), осуществлёнными во время текущего рабочего сеанса.

Многие вспомогательные функции (4 вида одновременно: три 2D проекции плюс вид 3D одновременно, измерительный инструмент «линейка», контекстуальное меню и т. д…) включены в состав интерфейса. Данные функции помогают инженеру существенно сократить время, посвящённое моделированию, и уделить больше внимания радиационным расчётам.

Расчёты дозовых эффектов и разработка защиты

Как только ваша 3D модель готова, вы можете приступить к предварительной оценке полученной дозы с помощью модуля секторного анализа. Данный модуль представляет собой лучевую трассировку и комбинирует в себе информацию о вашей радиационной модели и о радиационной среде, в которой данная модель будет находиться (Дозовая Кривая в зависимости от толщины). Данная кривая даёт информацию о полученной дозе для определённого материала (в случае электронных приборов и устройств это обычно Кремний) за определённым слоем сферической защиты из Алюминия. Данный расчёт проводится для каждого детектора, помещённого в модель 3D. Даже случае модели со сложной геометрией расчёт занимает немного времени и является эффективным. Результатом расчёта являются:

• распределение защиты в формате 3D вокруг каждого детектора
• предварительная оценка полученной дозы в изотропной радиационной среде

Рис. 2) Скриншот инструмента FASTRAD во время полных расчётов для спутника (данное изображение любезно предоставлено центром CNES).

В результате постобработки результатов таких расчётов ПО FASTRAD предоставляет информацию об оптимальном месторасположении защиты. На рисунке 2 изображено проецирование распределения защиты вокруг электронной платы. Красный цвет соответствует критическим направлениям с точки зрения толщины защиты.

Данный вспомогательный инструмент помогает пользователю оптимизировать размер дополнительной защиты, применяемой для снижения дозы, полученной изучаемым детектором.

Основным преимуществом данного процесса является тот факт, что он занимает немного времени и обеспечивает вам правильно спроектированную защиту с помощью постобработки результатов секторного анализа.

Алгоритм Монте Карло

Расчёт дозовых эффектов с помощью данного Программного Обеспечения является особенно эффективным в случае использования модуля Монте Карло (разработан совместно с Национальным Центром Космических Исследований CNES). Данный алгоритм может быть использован для расчётов как прямых, так и обратных траекторий. В первом случае программное обеспечение отслеживает транспортировку электронов и фотонов (с учётом их второстепенных частиц) с энергиями от КэВ до МэВ, в трёхмерную модель. Вы можете задать любой энергетический диапазон и использовать любой источник геометрии. Чувствительные объёмы для расчётов определяются пользователем, после чего FASTRAD расчитывает осаждённую энергию внутри них. Обратный Монте Карло предназначатся для расчётов дозы, полученной за счёт электронов изотропной среды в комплексной и многомасштабной геометрии. В данном случае расчёты с использованием прямого алгоритма может занять очень много времени. Принцип обратного метода заключается в (i)отслеживании частиц прямого алгоритма в близлежайших зонах Чувствительного Объёма и (ii)отслеживании обратного хода частицы из Чувствительного Объёма к внешнему источнику.

Рис. 3) Скриншот отслеживания траектории электрона во время расчёта методом обратного Монте Карло на электронном оборудовании.

Метод Обратного Монте Карло для транспортировки электронов учитывает энергию, осаждённую первичными электронами и вторичнымит фотонами.

Достоверность результатов, получаемых при расчётах с использованием Модуля прямого Монте Карло, была успешно подтверждена с помощью GEANT4, а обратного — с помощью Программного Обеспечения NOVICE (EMPC). Одним из примеров является электронное оборудование в составе спутника. Условия радиации соответствую энергетическому спектру электронов на геостационарной орбите (от 10 КэВ до 5 МэВ).

Данный проект постоянно обновляется. В будущем с помощью модуля Монте Карло возможны будут расчёты для протонов и позитронов.

Интерфейс Geant4

Geant4 — это набор интерактивных инструментов для изучения взаимодействия частиц, разрабатываемый международной коллаборацией учёных и инженеров программного обеспечения. Данная система библиотек, написанная на языке C++ содержит широкий набор данных об эффективных сечениях и моделях в совокупности со средством расчёта траекторий прохождения частиц через трёхмерную геометрию.

Интуитивный интерфейс Geant4, разработанный в ПО FASTRAD, позволяет перевод трёхмерной геометрии, определение источника частицы, подключение пакеты физических процессов и создание всех результативных файлов источника для формирования полного проекта Geant4. Данный инструмент может использоваться либо молодыми программистами в качестве руководства, либо экспертами, не желающими тратить время на создание файлов, описывающих геометрию, материал и базовые физические сценарии на языке С++. Они используют проект Geant4, созданный ПО FASTRAD как базу, которая может быть улучшена с помощью специфических функций в зависимости от области применения. Разработка и внедрение в ПО FASTRAD интерфейса Geant4 позволяет пользоваться программным обеспечением специалистам различных областей: космической, медициинской, ядерной, авианавигационной и военной. Интуитивный САПР облегчает процесс проектирования, а его мощные возможности в области радиационных расчётов позволяют работать с любыми чувствительными системами.

Инструмент Бункер

Ещё одним модулем, входящим в состав Программного Обеспечения FASTRAD, является модуль, предназначенный для проектирования бункера, рассчитывающий толщину стен радиационных помещений с учётом геометрии помещения, тип и уровень активности источника, а также уровень допустимой дозы.

Техническое описание

Данное программное обеспечение было разработано на языке C++ с использованием OpenGL с целью управления трёхмерными моделями и библиотекой Open Cascade для импорта в формате STEP и булевых операций. FASTRAD запускается с помощью систем Windows (XP, Vista, …). Программу также возможно установить на компьютерах под управлением Linux или MacOs благодаря эмулятору системы Windows (Wmware, …)

Требования к компьютеру: Конфигурация: Windows Vista/XP/NT/2000 — 512 Mo RAM — 50 Mo HDD.

См. также

• NOVICE (EMPC) ([1])
• Geant4 «Геометрия и отслеживание»
• STEP «Стандарт по обмену данными моделей изделий»
• IGES «Исходный стандарт обмена графическими данными»
• CATIA «ПО автоматизированного проектирования»
• Radiation Hardening
• Soft Error
• Single Event Upset
• Latchup

Литература

• «FASTRAD V3.1: Radiation shielding tool with a new Monte Carlo module» by J.-C. THOMAS, P. POURROUQUET, P.-F. PEYRARD, D. LAVIELLE, R. ECOFFET(1), G. ROLLAND(1) — (1) CNES, 18 avenue Edouard Belin, 31401 TOULOUSE Cedex 9, France — April 2010
• «FASTRAD: A 3D CAD Interface for radiation calculation and shielding» by J.-C. THOMAS, T. BEUTIER, P. POURROUQUET, P.-F PEYRARD, D. LAVIELLE, C. CHATRY — April 2008

Ссылки

• FASTRAD распространяется компанией TRAD. Официальный сайт компании TRAD [2]
• Сайт ПО FASTRAD на русском языке [3]

Связать^?

На эту статью не ссылаются другие статьи Википедии. Пожалуйста, воспользуйтесь подсказкой и установите ссылки в соответствии с принятыми рекомендациями.