浅谈空间辐射对子注射技术的影响

浅谈空间辐射对子注射技术的影响

自20世纪60年代以来，航天技术得到了发展，航天工业也在不同国家之间进行。中国也是继美国和俄罗斯之后的另一个航天大国。由国际国内航天事业发展状况可以看出,其趋势是由短期航天飞行向长时间的载人航天发展,由近地轨道向深空探测发展,由近地空间站向星球基地发展。飞行时间的延长、航天员的参与、向深部空间的推进等特征向航天技术提出了新的挑战,出现了如航天器能源与动力、器件及航天器本身的可靠性、航天员的健康等许多问题。其中,航天员的健康保障问题尤为重要。身处在航天环境中的航天员健康不仅受到微重力、超重、震动等因素的影响,而且宇宙环境中的各种粒子还会对其造成健康损伤,甚至生命受到威胁。空间环境中由各种粒子形成了空间辐射环境,主要由空间带电粒子、空间中性粒子以及空间X射线、空间γ射线等多种辐射粒子组成。这些辐射随纬度、经度、高度、方向和时间等因素的变化而变化,而且受太阳活动的影响。在低地球轨道(LEO,low-earthorbit),按照其粒子来源而言,辐射主要分为3类:1)地球磁场捕获的高能电子和质子,它形成地球辐射带(ERBs,theearth’sradiationbelts);2)太阳粒子事件(SPEs,solarparticleevents),是在强太阳耀斑期间发射的高通量带电粒子;3)银河宇宙射线(GCRs,galacticcosmicrays),主要是来自太阳系外的带电粒子。在深空条件下,后两者占主导。这些带电粒子对人体造成的损伤有多种层次,宏观层次如引发癌症,微观层次如细胞凋亡、DNA断裂等,一般用相对辐射生物效应(RelativeBiologicalEffect,RBE)来表征射线引起生物损伤的能力。RBE与射线的种类相关,中子的RBE较大,引起的生物效应是很高的,但是由于中子不带电,测量困难及中子的损伤机理复杂等原因,宇宙射线中的中子没有受到足够的关注。对于空间带电粒子测量研究我国已经有了较多的技术和经验,而对空间中子的研究和测量很少。随着我国空间事业发展,保障航天器安全和航天员的健康,以及进一步的深空探测计划提供技术,迫切需要对空间中子环境和探测进行全面而深入的研究。文中借助本课题组在这方面的研究基础,对空间中子的分布和来源、中子辐射剂量测量、中子对航天器危害和航天员的损伤,以及中子的探测作了简要的介绍。1空间中的中等空间辐射环境中的辐射粒子主要包括中子、电子、质子、重离子等多种粒子。早在20世纪30年代后期就开始了对空间中子的测量,但是真正取得有意义的结果还是在60年代以后。国际空间站和航天飞机上探测的中子数据发现,在太阳活动高时,低地球轨道大约50%的电离辐射来自银河宇宙线,35%来自地球辐射带的捕获粒子,大约15%来自中子。空间中的中子能量范围从零点几个eV到几百MeV,空间中子广泛地存在于空间中的各个角落,航天飞机和空间站的低地球轨道、卫星运行的高轨道、月球和火星等行星的表面都存在中子辐射场。空间中子可以分为两大类:1)空间初级中子,包括太阳发射的中子,日地系统以外的其他中子源及宇宙线在大气中产生的中子,由于中子的半衰期为10.80min,太阳系以外的任何天体发出的中子很难到达地球附近,能量很高的中子也难在一个天文单位的距离内探测到,因此,大气中产生的中子具有重要的贡献;2)高能粒子和航天器材料发生相互作用产生的次级中子。第1类空间中子与空间环境有很强的关联,第2类空间中子与航天器有很大关系。1.1轨道上多球能谱分布的研究大气中子主要是银河宇宙射线、太阳宇宙射线同地球外围浓密的大气层相互作用时产生的。核反应过程中的级联作用和蒸发作用是产生中子的主要过程;其次是负μ子被俘获产生的中子以及高能γ量子引起的原子核光分裂反应产生的中子。含有质子、电子、重离子等粒子的初级宇宙射线与大气中的氮、氧原子弹性和非弹性散射,发生级联的核反应并产生许多次级粒子,其中有很大一部分是中子,此外有质子、π介子、μ介子、电子和光子。另一部分中子从大气层向外逃逸,称为反照中子,包括宇宙射线中其它粒子与地表介质的核作用产生的中子,天然放射性产生的中子和某些重核自发裂变产生的中子,其衰变被认为是内辐射带高能质子(能量大于20MeV)的一个主要源。辐射剂量反映了辐射粒子在材料中能量沉积的行为,辐射剂量和辐射引起的损伤程度相关。不同种类的辐射具有的辐射危险度不同,将各种不同的辐射,按照其辐射危险程度,给予不同的权重,就能得到辐射剂量当量。在临近空间,中子和电子(γ射线)剂量当量占总剂量的80%~90%,宇宙射线各种粒子所占的剂量当量比如图1所示。从图1看,剂量当量在较高海拔时主要来自于中子和电子(γ射线)的贡献,在靠近海平面时则主要是μ子的贡献,份额近80%。中子通量的最大值在18.3km处,海平面处的通量是最大值的1/(200~300)。并且中子剂量随飞行高度的增加的变化类似于单指数曲线关系。根据表1给出了在航线高度上不同地理位置的多球中子谱仪测量结果,可以看出中子有效剂量率与海拔高度和截止刚度相关。虽然中子不带电,其分布不直接受地磁场的影响,但是大量的中子是由宇宙射线和大气作用产生的次级粒子,宇宙射线中的质子、电子等带电粒子却受地磁场分布的影响。因此,宇宙中子的空间分布会间接受到地磁场影响。不同的地理纬度,有着不同的地磁纬度,体现着不同的截止刚度,导致不同的中子注量率。普遍表现为随地理纬度增加,地磁纬度增加,截止刚度减少,中子注量率增大。此外,由于宇宙线强度还随大气深度而变化,在不同大气深度的中子通量是不同的,大约在大气深度为50~80g/cm2左右达到最大值。从表1可以看出,在航线高度范围内,海拔高度越高,截止刚度越小,剂量率越高。同时,在航线高度范围内,当大气深度相同时,截止刚度越大,中子注量率越低;当截止刚度相同时,大气深度越大,中子注量率越低。大气中子的能量范围分布很广,从热中子到几个GeV,并且由于中子不带电,能够在大气中传输较远距离。表1中的4种大气深度分别为56、100、200和1030g/cm2的多球谱仪测得中子能谱如图2所示。从图2可以看出各能谱基本特征相同,且在高能区有两个峰值,但是大气深度为1030g/cm2的中子能谱即地面测量的中子能谱除了高能区有两个峰值,在低能区还有一个峰值。对于大气中子的角分布,已做过许多测量和理论计算。早期White等人指出,在低能时,中子通量在0°和180°有峰值,在中等能量时变平,在高能时中子通量接近90°有峰值,后来发现,理论和实验结果是相当一致的。大气中子的输运并不均匀,利用MonteCarlo方法,计算跟踪100万个中子通过大气传输到不同高度轨道的额中子注量、能谱,其中的源是瞬发、各向同性的点源。计算出源高度为500km的裂变中子谱数据见表2。从表2列出的500km裂变源中子谱数据可以看出,对同一源高度,在传输距离基本相同的情况下,向下传输的低能中子份额要比向上传输的低能中子份额高出2倍多,而向下传输的高能中子份额要比向上传输的高能中子份额有所减少,这是因为向下方传输时,大气中的核子数量要多一些,因此发生中子散射的机会也就多。1.2卫星观测实例太阳活动时产生高能粒子流,包括太阳质子和电子,还有少量的中子。其中太阳中子是直接由加速质子和重离子与周围大气相互作用产生的(包括p-p反应、α-α反应、质子、α粒子与周围重核相互作用以及它们的逆反应等)。太阳中子是与耀斑活动相关的,这些中子可被地面宇宙线探测装置探测到,表现为计数瞬时突增。同时,这些太阳中子携带着爆发源区的物理信息:耀斑大气地元素组成、大气高度、磁场的汇聚程度以及磁流体湍动等。1980年6月21日太阳耀斑爆发时,S.M.M卫星正好处在非常适于观测太阳的位置上,当太阳发生短时间的γ射线和X射线爆发后大约1min,S.M.M卫星上的中子探测器记录到了这次明显的中子爆发过程,直到卫星沿轨道转到了地球背面才无法探测到中子。最先到达的中子能量最高,而较低能的中子滞后到达,中子强度随时间的延长而减弱。此外,卫星还记录了1982年6月3日的某次太阳中子爆发,其中子强度见表3。目前,对太阳中子的研究主要有理论模型和实验观测2种方法。模型法是通过MonteCarlo模拟建立模型,计算逃逸中子的角分布和能谱,以及逃逸到地球附近的中子的能谱。在对中子产生、逃逸以及最终传输到地球表面的研究最初由Lingenfelter等人提出。在此基础上经过多年的发展,Hua等人利用新的中子产生截面以及动能值,考虑磁场的螺旋角散射作用和磁镜效应,具体对各相异性中子的产生与大气高度、时间、角度和能量因素之间的关系,日面逃逸中子的分布和能谱,以及逃逸到地球的中子能谱分别进行了计算研究。观测法结合空间与地面探测到的数据,由γ射线退激发核谱线与中子探测器探测到的中子信号时间差,也就是飞行时间法,能获得太阳中子的能量。根据太阳中子在地球大气层中的衰变模型,得出到达地球的太阳中子通量和能谱。虽然计算模拟得到的数据基本能和观测数据自洽,但其中模型和测量还需要进一步改进,如粒子探测技术区分π介子、光子和中子在闪烁体中产生的电子和正电子。太阳中子由于通量很小,需要高灵敏度、大面积的探测器.还必须排除大气中子(反照中子)和γ射线背景的影响,而许多对中子灵敏的探测器也对γ射线灵敏。1.3发射活动发生的子研究航天器内部的中子主要来源于空间中的带电粒子与航天器材料发生核反应而产生。航天器内部的中子通量主要是银河宇宙线产生的次级中子,其次才是反照中子,而地球辐射带产生的次级中子对其贡献是极小的。在国际空间站中,中子等效剂量占宇航员总剂量的30%~60%,其中除少量来源于地球大气层的反照中子外,大部分都是由于宇宙中的GCR或者SPE与航天器材料发生核反应产生的。由于GCR和SPE能量涵盖范围大、粒子种类多,这些粒子与靶材发生核反应后产生的次级中子的能量范围将从热中子能量延伸到GeV,对剂量贡献较大的有多个来源:能量较低的蒸发中子,核反应直接过程产生的中子,高能GCR与靶材发生碎裂反应产生的中子,缓发中子。如表4所示不同飞行参数的航天活动,中子产生的剂量率及其与平均吸收剂量率的比值。从表中可以看出,中子剂量对平均剂量的贡献在5.7%~18.4%之间,这与航天任务发生的高度、纬度、测量时间等有关。2中药的危害2.1单粒子效应概述深空辐射环境中充满了高能电子、质子和少量的重离子。这些高能粒子和重离子与航天器材料作用,将引起航天器材料的性能损伤与破坏,以及电子器件的失灵。高能电子对航天器材料产生电离作用;高能质子和重离子对航天器材料产生电离作用和位移作用。在临近空间中子对总剂量的贡献明显增加,中子对飞行器和卫星材料性能的损伤效应不容忽视。需要指出的是,航天器舱内的辐射环境要比舱外环境复杂得多,除了有贯穿航天器舱壁未曾与航天器材料发生核作用的初级辐射粒子外,还有初级辐射粒子与舱壁材料发生核反应而到达舱内的次级粒子辐射,如反冲质子、次级中子和轫致辐射等。应用于卫星或飞行器的电子学系统,在天然空间辐射环境中因受空间辐射而导致性能降低而失灵,甚至最终导致卫星或空间飞行器的灾难性的后果。现在飞行器电子系统要依赖大量的微处理器、存储器等。随着器件加工工艺的不断改进,器件单元尺寸越来越小,工作电压越来越低,使得电子元器件应对单粒子效应的能力不断下降。质子和中子与物质相互作用的机理不同,但是它们在大规模集成电路中引起单粒子效应的物理过程却是相近的。质子虽然能够直接在物质中引起电离,产生电子空穴对,但由于其LET值较小而直接导致单粒子效应不很大,当它与核发生相互作用产生α粒子、反冲核等较重的带电粒子时,引起单粒子效应就会增大;中子是靠与核相互作用所产生的较重带电粒子引起单粒子效应的,中子单粒子效应可与质子单粒子效应很近似。空间中子诱发飞行器电子设备多种辐射效应,包括单粒子效应、位移损伤和总剂量效应。表5具体给出了单粒子效应的各种类型。单粒子翻转最为常见,功率场效应管的单粒子烧毁和CMOS器件的单粒子锁定虽然发生几率较小,但后果严重,不容忽视。2.2深空探测的基础环境和人类活动的关系中子会造成器件材料的晶格缺陷等损伤,对航天员的身体造成损害,而且中子对人体的伤害远大于其对材料的损伤。中子具有很强的穿透力,对人体造成的危害相比同等剂量的γ射线和带电粒子更为严重。人体含有氢元素数目约占65%,由于氢元素的质量和中子相当,因此更容易与中子相互作用,造成人体内部组织或者细胞病变,给航天员带来很大的健康威胁,甚至于生命威胁。由于地球磁场的保护,使人类在地面和近地活动中受到相对比较小的宇宙射线照射,但是对人类活动和器件仍有损害,特别是在高空。进行深空探测时,虽然空间辐射因地磁场和防护材料的作用有所削弱,但航天员仍将受到来自初级和次级粒子相当大的辐射。同时随屏蔽厚度的增加,次级中子增加,次级中子剂量带来的危害增大。中子将诱导DNA损伤及修复、基因组不稳定性、染色体畸变、细胞周期阻滞、细胞凋亡和相对生物效应。人体在受到中子辐射后,人体关键器官会遭到严重损伤、诱导肿瘤、也可导致死亡,中子所致眼晶体混浊的相对生物效应为γ射线的2~14倍。3在研究环境和测量环境方面的作用中子探测是空间环境监测的内容之一,中子探测为研究空间辐射对人体的生物效应提供了重要参量。此外,中子探测还能在执行行星找水任务、寻找地球以外的生命现象、行星表面混合辐射环境测量等方面发挥重要作用。中子不带电,不能直接被探测,探测中子借助于中子与原子核发生的相互作用。基于此原理,探测中子方法主要有以下4类。1带电粒子反冲核的探测中子与原子碰撞时,将部分动能传递给反冲核。反冲核可以作为带电粒子被记录,需要能量大于100keV才能被探测到,适用于探测快中子。为了使反冲核有较大的能量,常用选氢反冲核。这类探测器主要有含氢正比管,有机闪烁体和核乳胶等。2电粒子或射线探测中子与原子核发生核反应后,放出能量较高的带电粒子(如α、p)或γ射线,通过记录这些带电粒子或γ射线,达到对中子的探测。常用的核素有3He,6Li,10B,155Gd和等。3冷暴裂变研究中子与裂变物质作用使重核发生裂变,可以通过记录裂变产物来探测中子。裂变分为无阈裂变和有阈裂变两种,分别用于探测热中子和快中子。通常选用233U,235U,239Pu裂变材料来探测热中子,通常选用232Th,238U和237Np裂变材料来探测快中子。4新型能谱测量系统部分稳定的核被中子辐照后具有放射性,衰变时放出β、γ射线,因此就可以通过测定β、γ射线来达到探测中子的目的。常用的中子探测器有气体探测器、闪烁探测器、半导体望远镜、裂变室、核乳胶和固体径迹探测器、活化片等。这些探测器各有优势,适合的测量领域也有所不同。如固体径迹探测器操作方便,对β、γ射线不灵敏,空间分辨率高,但是其测量精度不高,而且测量径迹密度比较费事,不能显示注量率随时间的变化,仅仅进行累积过程测量。这些探测器不断地完善和改进,出现了一些新型探测器,用于测量单粒子时间(如金刚石快中子探测器等)和积分事件探测(核泵浦激光中子探测器等)。常见的能谱测量系统有多球中子谱仪、阈探测器和气泡中子谱仪。它们都是由几个具有不同能量响应函数的探测器构成的。多球中子谱仪的探头的慢化体设计为球形聚乙烯材料。球中心置