空间辐射环境的模拟研究进展

空间辐射环境的模拟研究进展

1空间辐射测量仍是面临的最大挑战对于低地轨道（leo）的空间站，例如航空航天、国际空间站（iss）或离开地球磁层的空间飞机，工程师和宇宙设备面临着空间电离辐射的严重危险[1.3]。它的辐射程度远远超过了地面上的辐射。尽管30多年的载人太空飞行积累了大量的空间辐射数据,但仍然不能完全确定航天员在太空中所受到的辐射风险。这主要是由于空间辐射环境的复杂性,例如航天任务持续时间、太阳活动周期的特定阶段、太阳粒子事件的次数和强度、防护层情况以及低地轨道高度和倾角等因素都会产生不同的辐射影响。因而,空间辐射测量工作仍然是辐射防护领域面临的最大挑战之一。空间辐射测量的数据可以作为航天器工程设计的参考,以减少空间辐射影响,从而更好地保护航天员的安全。2太阳粒子事件与系宇洲射线事件在LEO轨道,电离辐射的来源主要有3种:(1)太阳粒子事件(SPEs);(2)银河系宇宙射线(GCRs);(3)地球磁场捕获的荷能电子和质子,组成地球的辐射带(ERBs)。2.1质量关是我们最关注的问题电离辐射的一个主要来源是在太阳耀斑和日冕物质抛射(CME)期间由太阳发射出的几乎完全电离的等离子体,包括质子、电子和原子序数直到铁的重离子。这种等离子体流也叫太阳风,其导电性很强,在太阳系中形成行星际磁场(IMF)。从空间辐射健康角度看,我们最关心的是质子,这是由于质子所占比例大及高能量。这样的太阳粒子事件主要集中在太阳11年周期的太阳活动极大年期间,而在太阳活动极小年发生次数相对较少。太阳粒子事件有不同的定义,主要区别是质子通量不同。把质子能量大于30MeV、通量大于106cm-2或3×106cm-2或107cm-2的事件叫太阳粒子事件。SPEs事件发生的频率不固定,但在一个太阳周期大约发生50次左右。严重的太阳粒子事件是指质子能量大于30MeV、通量大于1010cm-2的事件。这样大规模的事件一个周期大约会发生一二次。有记录的最大的SPEs事件之一发生在1972年8月,恰好发生在阿波罗16和阿波罗17(Apollo)执行月球任务间隙。如果在此事件期间,Apollo飞船处在往返月球途中,航天员很可能会遭受致命的急性辐射疾病。2.2太阳活动周期对能量激发的影响银河系宇宙射线是来自太阳系以外的带电粒子,在整个行星际空间的分布被认为是相对稳定、各向同性的。GCRs粒子的能谱范围很宽,在几十到1012MeV之间。如果不考虑地球磁场的影响,能量越高的粒子,其通量也越低。在太阳系,GCRs粒子的能谱峰值在1GeV左右。GCRs包含98%的质子和重离子及2%的正负电子。高能重离子(HZE),尤其是相对富含的铁离子具有很高的线性能量传递(LET)和很强的穿透性,其辐射损伤能力非常强。能量在1GeV以下的GCRs粒子通量受到太阳活动周期的影响。在太阳活动极大年,太阳风最强,IMF磁场也最强,此时通量被削弱的程度最大;在太阳活动极小年,通量被削弱的程度最小。在赤道附近地磁磁场线平行于地球表面,大部分带电荷能粒子被地磁场所偏转。而在地磁场的南北极,由于磁场线垂直于地球表面,高纬度的GCRs粒子就能沿着磁力线进入两极。因此,LEO航天器在通过两极时受到的GCRs辐射通量最大,在赤道时最小。2.3辐射带和粒子地球被近似同心圆的2个带电粒子辐射带包围,称作范艾伦辐射带或地球的捕获辐射带。这些带电粒子被地球磁场俘获,运动轨迹非常复杂。捕获粒子主要是电子和质子,还有很少量的离子。2个捕获辐射带之间是辐射强度很低的槽区,如图1所示。2.3.1航天器外部设备的影响外部辐射带主要是由荷能电子组成,在2.8到12.0倍地球半径的范围内。电子能量最大到10MeV。外辐射带的电子通量比内辐射带的高一个数量级。由于大部分电子的能量很低(小于10MeV,韧致辐射很明显),对航天器外部的设备会有影响(例如太阳能电池性能下降),但对于有重防护层的航天器内部影响很小(例如ISS)。此外,电子通量最强的外部辐射带远远高于LEO轨道,这使得捕获电子对航天员的健康影响很小。然而,从图1可以看出,在地球的南北地区,外部辐射带的2个“极角”下降很低,这对高倾角轨道的航天器会有影响,尤其是在受到太阳活动干扰而导致“极角”高度下降的情况下。2.3.2地面磁场的垂直高度内部辐射带主要是捕获质子,也有少量的电子和离子,延伸到大约2.4倍地球半径距离处。质子能量范围从几兆到几百兆电子伏,其峰值较宽,在150~250MeV。由于质子辐射带高度较低,受到太阳风的干扰很小,因此相对较稳定。大多数捕获的质子所处的高度位于ISS这样的航天器轨道之上。在地球附近,地磁场可以近似看成是球形的偶极子磁场。然而,由于地磁场的中心轴线与地球自转轴线并不平行(偏移11°),使得地磁场中心与地球的地理中心偏离超过500km,因此造成地磁场相对于地球表面并不对称。在地球的一侧,内部辐射带距地表高度在1200~1300km,而在另一侧下降到200~800km。其结果就是在南大西洋距离巴西海岸线200~300km处形成一个磁场强度低而辐射强度极高的区域,叫南大西洋异常区(SouthAtlanticAnomaly,SAA)。其中心约位于西经45°,南纬30°,异常区的整体尺度延伸到很大的范围,并且SAA区域的边界是随高度而变化的。图2给出的是在距地面约560km高度处SAA区域的轮廓图。SAA区域的地磁场显著地下降并接近地球表面,捕获的质子带的高度也相应下降,与低轨道航天器的轨道相交,质子通量随高度增加。对于高度在大约800km以下,倾角在大约40°以下的LEO轨道的航天器,所受到的唯一的最重要的辐射就是来自SAA区。2.4材料间相互作用对于原初粒子的低能组分,航天器防护层可有效减少其对航天器内部的辐射。然而,对于高能原初粒子,航天器内部的辐射有可能随着防护层厚度的增加而增加。这是由于高能原初粒子(主要是质子和离子)的一部分会与航天器自身材料的原子核发生相互作用,从而产生次级粒子,导致内部辐射增加。2种类型的核相互作用最为重要:(1)靶物质核碎片。当高能带电原初粒子(捕获的质子或GCR质子),与航天器材料的重核(例如铝核),或者与航天员身体的C或O原子核发生碰撞,产生2个或更多的次级粒子,包括撞出的中子、质子和α粒子,以及弹出的重核。(2)弹核碎片。当一个HZE粒子与靶核碰撞时,除了产生高能质子和中子之外,也能产生更大的弹核碎片。这些弹核碎片保留了大部分原初HZE粒子的动能。对于ISS类型的轨道(51.56°倾角,约450km高度),中子对航天员总剂量当量的贡献范围估计在30%~60%之间。在LEO轨道,航天员的中子剂量当量的主要来源就是次级中子。3空间辐射环境监测在过去几十年,大量的空间辐射测量数据的获得,使得空间辐射环境模型得到了很大的发展。这些模型反过来对空间辐射的探测起到了巨大的推动作用,目前已经成为研究空间辐射环境必不可少的工具。现在可以利用几个Web站点对空间辐射环境进行模拟和计算,例如SPENVIS、CREME96和SIREST,其中SPENVIS网站是事实上的空间环境分析综合工具的Web基框架标准。3.1spes粒子通量的数据处理历史上的SPEs事件参数可以从参考文献得到。一般来说,SPEs粒子通量是随机性的,因此必须用统计的方法进行处理。常用的模型有King、JPL-91和ESP,这些模型都可以从SPENVIS和CREME96网站获得。3.2ill模型及nimmik模型关于计算GCRs通量的模型,早期的CREME模型已经被更新的模型取代,包括Badhwar和O′Neill模型(包含在SIREST程序中)及Nymmik模型(包含在CREME96程序中)。这些新的模型是基于太阳调制作用的扩散和对流理论。对于太阳活动极大年和极小年的GCRs质子通量峰值,SIREST程序预测的要比CREME96程序预测的高3倍。原因尚不清楚,部分原因可能是二者使用不同的地磁场函数。3.3其他算子全向模型ERBs模型现在主要还是基于NASA的静态AE-8电子和AP-8质子模型,这也是事实上的标准模型。其中AP8模型有2个版本,即AP8-MIN和AP8-MAX,分别用于模拟太阳活动极小年和极大年的质子辐射带。这2个版本的模型都是全向模型,即它们只能提供所有方向的平均统计质子通量谱,而不能给出各向异性的结果。其他质子全向模型还有PSB97、CRRESPRO和NOAAPRO。这些模型也可从SPENVIS网站得到。AP8能模拟所有高度和倾角的轨道的质子能谱,然而会低估较低高度处的高能质子通量。模型所基于的高能质子测量数据也比较缺乏。此外在较低高度处,AP8模型主要基于外推的结果。PSB97模型能模拟在太阳活动极小年期间,轨道低于约600km的质子能谱。CRRESPRO模型被应用在太阳活动极大年期间,质子能量范围直到100MeV、高度在1000km以上的任意倾角轨道的质子通量谱。NOAAPRO模型能模拟太阳活动周期任意期间的3个能量范围的积分通量谱,大于16MeV、大于36MeV和大于80MeV,轨道高度直到850km。该模型仅在美国可得到。能够预测质子各向异性通量谱的模型是“Badhwar&Konradi1990”模型。3.4辐射粒子在物质输运模型中的计算次级粒子模型一般采用蒙特卡罗方法或者通过解玻尔兹曼方程(Boltzmann)来建立。最近NASA发起并组织多所大学和研究机构,以进一步发展如下几种辐射粒子在物质中的输运模型及其代码,它们是HETC蒙特卡罗代码、FLUKA蒙特卡罗代码和HZETRN代码。其中HZETRN代码是基于解一维玻尔兹曼方程。Geant4是基于3D蒙特卡罗方法的通用粒子输运工具箱,是由ESA、CERN和很多大学与研究机构合作的成果。蒙特卡罗程序SHIELD是1994年由Dementyev和Sobolevsky基于俄罗斯著名的核反应模型推出的强子传输程序。4主要探测器的分类搭载在载人航天器上的用于辐射测定的探测器设备,按工作原理可以分为两类:无源探测器(Passivedetectors)和有源探测器(Activedetectors)。4.1piletld和cr-33探测器无源探测器固有的优点是体积小、质量轻、安全、易操作及零功耗。由于这些优点,过去空间飞行辐射测量大多数使用的是无源探测器。无源探测器通常用于测量航天员所受的辐射,并且几乎每个航天员都配戴至少一个无源探测器。用于空间辐射测量的无源探测器主要有两类:热致发光探测器(TLDs)和固态核痕迹探测器(SSNTDs)。最广泛使用的TLDs有LiF∶Mg,Ti,;LiF∶Mg,Cu,P;Al2O3∶C和CaSO4∶Dy等。TLDs探测器主要是测定带电粒子的吸收剂量,对于低LET粒子非常灵敏。它的缺点是不能提供LET信息,因此无法确定辐射剂量当量。此外,TLDs探测器记录高LET(大于10keV\μm)粒子的辐射剂量效率很低,因而会低估总剂量。由于TLDs的探测效率随着LET的增加而变化,因此需要清楚地认识到TLD探测器对不同LET粒子的探测效率。如果不考虑TL材料的测量变化效率,得到的吸收剂量会严重偏离实际情况。由布达佩斯KFKI原子能研究所研制的PilleTLD系统能够读出TLDs探测器的数据,并且在TLDs退火后能够重新使用。自从用在俄罗斯礼炮-7轨道站后,该系统广泛使用在其他俄罗斯航天器上。该系统的更新版本安装在ISS上。在痕迹探测器CR-39出现之前,塑胶核痕迹探测器(PNTDs),例如Cellulosenitrate(CN)、LexanPolycarbonate被广泛使用。第一次使用CR-39PNTD是在1981年航天飞机的首次飞行,从那以后就成为PNTD探测器的首选。美国TechnicalPlastics公司生产的CR-39探测器,材料厚度为600μm,上面覆盖一层厚度约50μm的塑料薄膜。PNTD既可以获得吸收剂量,也可以得到LET信息。CR-39PNTD对超过5keV\μm的LET能谱非常灵敏,但是对更低LET能谱的灵敏度很差。因此,过去在航天器上,TLD和CR-39探测器通常是配合使用的。CR-39探测器过去用在Mir空间站以及多次航天飞机任务(例如STS-47,65,79,84,89,91,108,112等)中,获得了大量宝贵的空间辐射数据。目前仍然在ISS空间站上使用。无源探测器主要缺点是不能够提供实时或时间分辨的数据。无源探测器,尤其是PNTDs,数据处理很费时费力,而且数据分析处理都只能在地面进行。尽管它们有这些缺点,无源探测器很可能还会继续在空间辐射探测领域扮演重要角色,因为还没有其他探测器具有它们的这些特点:体积小、质量轻、零功耗和牢固可靠。PNTDs(例如CR-39)的主要优点之一是能够精确记录最高LET的粒子(约1000keV\μm),只有少数探测器才有这个能力。最近,一种新型探测器材料,即荧光晶体Al2O3∶C,Mg克服了其他无源探测器的很多限制,而仍旧保留其优点,这使得无源探测器的应用前景仍然十分广阔。4.2mir重点测量仪器有源探测器的优点就是能够提供实时或时间分辨的数据,而且数据分析处理方便快捷。得益于微电子技术的进步,数据存储能力的增加和长寿命电池的出现,有源探测器现在发展得越来越适合在空间使用了。NASA约翰逊空间中心研制的等效生物组织比例计数器(JSC-TEPC)是高50.8mm、直径50.8mm的圆柱体,由1.9mm厚的等效生物组织塑料制成。充有低压丙烷气体。探测器模拟1μm直径的生物细胞,连接到256通道模数转换器,对LET在0.2~1250.0keV>μm范围内的电离粒子很灵敏。20.0keV>μm以下的分辨率是0.1keV>μm;20.0keV>μm以上的分辨率是5.0keV>μm。从20世纪90年代初开始,在美国航天飞机和俄罗斯Mir空间站获得的大部分有用数据,包括LET能谱、剂量和剂量当量,都是由JSC-TEPC测量得到的。Mir空间站的辐射测量也使用R-16辐射测量仪。R-16是由2个互相垂直放置的圆柱形电离室组成的。2个电离室都是IK-5积分脉冲设计,充有纯净的Ar气,压力达到4.5×105Pa。该仪器能测量的剂量率范围在4~105μGy>h之间。灵敏度各向同性。在Mir空间站15年历史的大部分时间里,使用R-16获得了大量的日平均剂量率数据。目前,类似的仪器也在ISS使用。3个不同的Si基望远镜能谱仪已经在ISS上运行。德国的DOSTEL(DOSimeterTELescope)是由Kiel大学的Beaujean等设计的。该仪器包含2个相隔15mm的钝化注入平面Si探测器(PIPS)。每个探测器厚315μm,可测面积692mm2。该望远镜对LET范围在0.1~120.0keV>μm的粒子敏感。DOSTEL在多次航天飞机任务以及Euromir-97任务中使用。日本的实时辐射监视器(RRMD-III)是由NASDATskuba空间中心研制。RRMD-III由3个位置灵敏的Si基探测器(PSD)组成三元望远镜配置,以堆垛方式排列,相互间隔5mm。每个探测器厚500μm,活性面积为4cm2。LET敏感范围在0.2~400.0keV>μm之间。顶部和底部的PSD作为触发器,中间的用于测量能量沉积。3个PSDs一起配合能提供入射粒子的角度信息,角度分辨率为3.22°。RRMD-III及其早期版本RRMD-II曾在几个航天飞机任务中使用过,目前搭载在ISS的日本试验舱。NASA约翰逊空间中心的Badhwar研制的带电粒子取向能谱仪(CPDS),包含3个1mm厚的Si基探测器用于触发和异门,4个5mm厚的Si基探测器用于测量能量沉积,以及1个Cerenkov探测器和一个闪烁探测器。CPDS在几次航天飞机任务中使用,包括STS-48,其中CPDS用来测量GCRs中低原子序数次级粒子的能谱。5发射和探测发射仪器本节介绍其他一些重要的空间辐射环境监测任务。SOHO卫星。由ESA和NASA共同研制的用来研究太阳结构、化学成分和太阳动态以及太阳大气和太阳风的卫星,于1995年12月发射。2个粒子探测装置在太阳粒子事件期间,记录快速移动的粒子流。当太阳没有产生能量粒子时,监测来自银河系的连续能量粒子。标准辐射环境监测器SREM。SREM是REM的继任者,于1997年发射,能以一定的角度与光谱精度来测量空间高能电子和质子。SREM搭载于Strv-1c、Proba、Integral、Rosetta等多项任务。目前,SREM已经成为一个标准装置,可以与所有普通航天器接口兼容并适应各种任务约束。阿根廷地球观测卫星SAC-C。SAC-C是由CNES、阿根廷空间局CONAE和NASA共同研制,2000年11月发射。为太阳同步轨道极轨卫星,轨道高度730km,轨道倾角98°。搭载的ICARE装置用来监测空间辐射环境并测量各种电路的相关效应。火星辐射环境探测器MARIE。MARIE是2001火星奥德赛(Odyssey)轨道器的有效载荷之一,是由NASA约翰逊中心、洛克西德-马丁公司和Battelle共同研制的。已于2001年4月7日发射,同年10月进入火星轨道。MARIE的主要目的是探测火星辐射环境特征以及确定该辐射环境对载人飞行存在的风险,为未来火星载人探测任务设计提供依据。资源卫星和神舟飞船搭载的高能粒子探测器。资源一号卫星的星内粒子探测器是由北京大学和中国空间技术研究院共同研制,用于监测卫星内部高能粒子辐射环境的仪器。于1999年10月14日发射升空,运行在太阳同步轨道,轨道高度在780km左右,倾角98.5°。星内粒子探测器可以探测高能质子和电子,其中电子探头可探测0.5~2.0MeV和大于2.0MeV的2个能档的电子,质子探头可探测5~30MeV和30~60MeV的2个能档的质子。由中科院高能物理所研制的空间“X射线探测器”是神舟号系列空间天文所用的探测器,是为观测宇宙γ暴和太阳耀斑X射线而设计的。该探测器于2001年1月10日随神舟二号飞船发射升空,直至6月26号飞船完成使命,在轨运行近半年,探测器工作稳定。6发射测量方法及测量粒径的测量我国在空间辐射环境探测研究领域,无论从探测器技术水平,还是从探测器飞行验证次数及获得的数据可靠性方面,都与国外存