陳善強(qiáng)，劉四清，師立勤，陳 東

(1. 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100190)

用于空間輻射效應(yīng)評估的軟件—SEREAT

陳善強(qiáng)1,2，劉四清1，師立勤1，陳 東1

(1. 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100190)

為快速準(zhǔn)確地評估航天器內(nèi)部的空間輻射效應(yīng)，本文基于Open CASCADE工具包和Geant4開發(fā)了一套空間環(huán)境輻射效應(yīng)評估軟件SEREAT。SEREAT扇段分析模塊讀取計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)文件建立航天器三維模型，利用射線追蹤方法計算航天器內(nèi)任意位置的屏蔽厚度分布，并將CAD文件直接轉(zhuǎn)換為Geant4能夠識別的幾何描述語言(The Geometry Description Markup Language，GDML)，為基于Geant4的三維空間輻射效應(yīng)評估提供幾何建模數(shù)據(jù)接口。在此基礎(chǔ)上，SEREAT常規(guī)輻射效應(yīng)模塊讀取屏蔽厚度分布，完成艙內(nèi)屏蔽能譜、單粒子翻轉(zhuǎn)、總劑量等輻射效應(yīng)的計算。利用本方法對地球同步軌道衛(wèi)星的輻射效應(yīng)進(jìn)行計算，結(jié)果表明SEREAT可以滿足復(fù)雜航天器輻射效應(yīng)分析的需求。

輻射效應(yīng)；射線追蹤法；總劑量；Open CASCADE；Geant4

0 引 言

空間輻射效應(yīng)嚴(yán)重影響航天器的在軌運(yùn)行安全。快速準(zhǔn)確地評估航天器可能遭受的輻射風(fēng)險成為航天器方案和研制階段的必要步驟。目前常用的SPENVIS、OMERE、CREME96等輻射效應(yīng)分析工具均采用簡化的一維屏蔽模型，僅能完成方案的常規(guī)輻射效應(yīng)評估，不能滿足屏蔽優(yōu)化設(shè)計的需求[1-3]。為此，國內(nèi)外均基于CAD軟件和蒙特卡羅工具包Geant4開發(fā)了多種扇段分析和蒙特卡羅三維模擬軟件[4-5]。三維屏蔽分析相對于一維模型更加真實(shí)，可以用來進(jìn)行航天器屏蔽優(yōu)化設(shè)計，為防護(hù)薄弱位置的識別和抗輻射加固設(shè)計提供重要參考[6-7]。

航天器設(shè)計部門采用Pro/E、SolidWorks等商業(yè)CAD軟件建立的衛(wèi)星模型過于復(fù)雜，不能直接用于屏蔽分析，需要進(jìn)行處理和簡化。Geant4工具包不支持直接讀取CAD軟件導(dǎo)出的模型文件，需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換?？紤]到復(fù)雜航天器三維屏蔽建模存在的上述困難和扇段分析在屏蔽優(yōu)化中的重要作用，本文提出了基于Open CASCADE和Geant4的三維屏蔽建模和扇段分析方法，并將CAD格式轉(zhuǎn)換為Geant4能夠直接調(diào)用的GDML格式,為基于Geant4的三維輻射效應(yīng)評估提供幾何建模數(shù)據(jù)接口。在完成扇段分析之后，還需要結(jié)合衛(wèi)星軌道上的空間環(huán)境狀況，給出衛(wèi)星艙內(nèi)各位置的輻射效應(yīng)水平。為此，本文調(diào)研了當(dāng)前工程上常用的空間環(huán)境模型和輻射效應(yīng)計算模型，開發(fā)了常規(guī)輻射效應(yīng)分析模塊，通過讀取扇段分析模塊提供的屏蔽厚度分布，完成航天器內(nèi)部的屏蔽粒子能譜、單粒子翻轉(zhuǎn)率、總劑量等輻射效應(yīng)的計算。

1 三維屏蔽建模

三維屏蔽模型是空間輻射效應(yīng)分析的核心問題之一，屏蔽模型的精度直接影響到效應(yīng)分析的最終結(jié)果。Open CASCADE是由法國Matra Datavision公司開發(fā)的開源CAD工具包，主要用于開發(fā)幾何建模、數(shù)據(jù)交換、模型顯示等應(yīng)用程序，支持STEP中性文件的讀取[8]。本文采用基于Open CASCADE的開源FreeCAD軟件的程序框架開發(fā)了SEREAT的建模和顯示界面[9]，如圖1所示。

在三維屏蔽建模過程中，SEREAT可以直接讀取Pro/E、SolidWorks等商業(yè)CAD軟件導(dǎo)出的STEP中性文件，或是創(chuàng)建立方體、球體、圓柱體等簡單幾何模型，并生成模型樹結(jié)構(gòu)顯示。在扇段分析中和蒙特卡羅模擬中都需要幾何體的材料信息，而在STEP文件中，并不包含材料屬性，因此在輻射效應(yīng)分析之前，需要手動添加幾何體的材料屬性。為方便添加，本文建立XML格式的數(shù)據(jù)庫，用戶可以從數(shù)據(jù)庫中選擇或創(chuàng)建新材料。目前SEREAT僅能通過創(chuàng)建簡單幾何模型替代復(fù)雜模型的方式進(jìn)行簡化，去除小零件、小孔等簡化操作需要借助商業(yè)CAD軟件完成，自動簡化功能有待開發(fā)。

2 GDML格式轉(zhuǎn)換

Geant4是基于蒙特卡羅方法的粒子輸運(yùn)工具包，廣泛用于空間輻射效應(yīng)評估領(lǐng)域。國內(nèi)外開發(fā)了多種Geant4輻射效應(yīng)評估軟件，例如SSAT、GRAS等[10-12]，其均存在手工建模耗時容易出錯，建立復(fù)雜航天器模型比較困難等問題。如果能夠?qū)ro/E、SolidWorks等商業(yè)CAD建立的模型直接導(dǎo)入Geant4進(jìn)行仿真分析，可以大大提高建模效率。國內(nèi)外也相繼開展了格式轉(zhuǎn)換的相關(guān)工作[13-14]。

Geant4支持GDML語言進(jìn)行建模。GDML是一種基于XML的幾何描述標(biāo)記語言，通過定義形狀、材料、位置以及繼承關(guān)系，建立復(fù)雜的幾何模型。借鑒國內(nèi)外格式轉(zhuǎn)換的相關(guān)工作，在三維建模的基礎(chǔ)上，本文開發(fā)了格式轉(zhuǎn)換模塊，即將STEP中性文件轉(zhuǎn)換為GDML格式。GDML采用由三角形或四角形面片組成的封閉幾何體Tessellated Solids描述復(fù)雜幾何模型，因此可以將復(fù)雜模型面片化并轉(zhuǎn)換為Tessellated Solids格式，最后將材料和幾何關(guān)系按照GDML格式輸出，完成格式轉(zhuǎn)換。為測試模型轉(zhuǎn)換的正確性，利用本方法將五種幾何體轉(zhuǎn)換為GDML文件，采用Geant4讀取并顯示，轉(zhuǎn)換效果如圖2所示。

3 扇段分析

扇段分析考慮衛(wèi)星的真實(shí)結(jié)構(gòu)，計算衛(wèi)星內(nèi)部任意位置在不同方向上的等效鋁屏蔽厚度，是總劑量計算和屏蔽優(yōu)化設(shè)計的重要手段。ESA的ECSS-E-10-12標(biāo)準(zhǔn)指出扇段分析的屏蔽厚度計算主要有法向傳輸(NORM)和直線傳輸(SLANT)兩種方法。直線傳輸假設(shè)粒子沿直線傳播，主要用于評估材料對質(zhì)子和重粒子的屏蔽效果；法向傳輸假設(shè)電子受多重散射的影響其傳輸方向?qū)l(fā)生改變，主要用于評估材料對電子的屏蔽效果，如圖3所示[15]。

Geant4中的虛擬粒子geantino不與材料發(fā)生物理作用，僅在幾何體邊界記錄穿入和穿出的位置。本文利用虛擬粒子的上述特性，獲得粒子出射方向上的等效屏蔽厚度，實(shí)現(xiàn)了扇段分析直線傳輸方法。對于法向傳輸，我們采用了歐空局開發(fā)的扇段分析軟件SSAT中的相關(guān)代碼，實(shí)現(xiàn)虛擬粒子的法向傳輸[11]。SEREAT可以在任意位置添加多個十字星標(biāo)記點(diǎn)，并以標(biāo)記點(diǎn)為中心計算屏蔽厚度分布，如圖1所示。為方便評估某一單機(jī)對屏蔽效果的影響，本文利用SEREAT的三維建模界面中的顯示/隱藏幾何體的功能，在扇段分析中實(shí)現(xiàn)了忽略隱藏幾何體的功能，方便進(jìn)行屏蔽優(yōu)化設(shè)計。下面利用簡單幾何體和復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)對扇段分析進(jìn)行功能驗(yàn)證。

3.1 簡單幾何體

本文建立了一個由3mm厚度立方體殼+1mm厚度球殼組成的簡單幾何結(jié)構(gòu)，標(biāo)記點(diǎn)位于立方體中心位置。在法向傳輸模式下，標(biāo)記點(diǎn)周圍屏蔽厚度為4mm，結(jié)果符合預(yù)期。在直線傳輸模式下，屏蔽厚度最大的區(qū)域?yàn)榱⒎襟w的8個頂點(diǎn)方向，最小區(qū)域?yàn)榇怪庇诹⒎襟w6個面的方向,屏蔽厚度分布如圖4(a)所示。隱藏立方體殼的一個側(cè)板之后，計算得到等效鋁屏蔽厚度分布如圖4(b)，屏蔽最薄的地方來自該側(cè)板方向，屏蔽厚度為1mm，劑量貢獻(xiàn)也主要來自這部分立體角。

3.2 復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型

為驗(yàn)證扇段分析模塊對復(fù)雜航天器的處理能力，本文構(gòu)建了一個邊長為5000mm、厚度為3mm的空心鋁殼，包含1000個單機(jī)的衛(wèi)星屏蔽模型，所有單機(jī)均為邊長200mm實(shí)心立方體，重量2.16kg，實(shí)心均化密度為0.27g/cm3，模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。在靠近頂端的單機(jī)中心設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)，將4π立體角劃分為1800個小立體角，從立體角中心方向發(fā)射粒子，得到屏蔽厚度分布如圖6所示。由圖6可以看出，標(biāo)記點(diǎn)在+Z方向上缺少其他單機(jī)的遮擋，屏蔽厚度較小，約為13mm等效鋁。

4 輻射效應(yīng)分析模塊

影響航天器在軌運(yùn)行安全的空間輻射環(huán)境主要包括地球輻射帶、銀河宇宙線、太陽宇宙線。SEREAT輻射效應(yīng)模塊集成了目前常用的空間環(huán)境模型和輻射效應(yīng)評估模型，結(jié)合由扇段分析模塊計算的等效鋁屏蔽厚度分布，能夠給出衛(wèi)星軌道上的空間輻射環(huán)境、艙內(nèi)屏蔽能譜、單粒子翻轉(zhuǎn)率、總劑量、位移損傷、太陽電池?fù)p傷等輻射效應(yīng)的常規(guī)評估，其主要功能如圖7所示。

為驗(yàn)證輻射效應(yīng)模塊的各項功能，本文以任務(wù)周期2016-2030年的地球同步軌道衛(wèi)星的輻射效應(yīng)分析為例，說明輻射效應(yīng)評估的完整流程，并與常用的SPENVIS、OMERE等輻射效應(yīng)工具進(jìn)行比較。同步軌道的輻射環(huán)境主要包括輻射帶電子、銀河宇宙線、太陽宇宙線。根據(jù)太陽活動周的預(yù)測結(jié)果，衛(wèi)星有8.87年處于太陽活動高年，選擇AE8-Max模型、CREME96-SolarMin、90%置信度的ESP模型分別計算衛(wèi)星軌道上的輻射帶電子能譜、銀河宇宙線能譜、太陽質(zhì)子注量[16]。在實(shí)心球鋁屏蔽模型下，本文計算了上述空間輻射環(huán)境在硅中產(chǎn)生的劑量-深度曲線、位移損傷等效注量，計算結(jié)果如圖8、圖9所示。

本文計算了0、1、3、5、8、10、15、20mm鋁屏蔽下的銀河宇宙線LET譜。圖10給出了無屏蔽和20mm鋁屏蔽下的LET譜，并與SPENVIS、OMERE的計算結(jié)果進(jìn)行了對比。

根據(jù)文獻(xiàn)[17]中的VIRTEX-II FPGA配置存儲器重粒子和質(zhì)子Weibull參數(shù)，結(jié)合上述不同鋁屏蔽厚度下的LET譜，本文計算了銀河宇宙線的單粒子翻轉(zhuǎn)率，如圖11所示。

上述輻射效應(yīng)分析結(jié)果表明，SEREAT輻射效應(yīng)模塊的計算結(jié)果與SPENVIS和OMERE基本一致，可以用來進(jìn)行輻射效應(yīng)評估。為進(jìn)一步評估各方向屏蔽厚度對總劑量的貢獻(xiàn)，本文采用第3小節(jié)中的方法，計算了4種幾何屏蔽結(jié)構(gòu)下的屏蔽厚度分布，并分別計算了中心位置的總劑量以及對應(yīng)的等效屏蔽厚度，結(jié)果如表1所示。

計算結(jié)果表明3mm立方體殼+1mm球殼幾何結(jié)構(gòu)中心的三維輻射劑量為136krad[Si]，與一維劑量-深度曲線在4mm實(shí)心球模型下的輻射劑量256krad[Si]相比，大約降低了46.9%的劑量。去掉側(cè)板之后，上述屏蔽模型的最小屏蔽厚度為1mm鋁，因此輻射劑量明顯上升。立方體殼的厚度由3mm增加到5mm，輻射劑量僅降低了6.4%，說明存在明顯薄弱環(huán)節(jié)的情況下，單純增加其他立體角方向上的屏蔽厚度并不能有效地降低總劑量。

表1 不同屏蔽結(jié)構(gòu)下的輻射劑量

5 結(jié)束語

本文介紹了自主開發(fā)的空間輻射效應(yīng)分析軟件SEREAT。SEREAT通過讀取CAD文件建立三維屏蔽模型，可以準(zhǔn)確快速地評估航天器內(nèi)部任意位置的屏蔽厚度分布。常規(guī)輻射效應(yīng)分析模塊結(jié)合衛(wèi)星軌道、空間環(huán)境參數(shù)、屏蔽厚度分布，給出航天器內(nèi)部的任意位置的輻射環(huán)境和輻射效應(yīng)水平。三維屏蔽的扇段分析將航天器模型簡化為等效鋁屏蔽厚度分布，忽略了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和不同材料對不同種類粒子的屏蔽效果，具有一定的局限性，進(jìn)一步的輻射效應(yīng)評估需要進(jìn)行三維蒙特卡羅模擬。考慮到蒙特卡羅模擬三維建模的需要，SEREAT提供了一個航天器建模CAD軟件和輻射效應(yīng)模擬工具包Geant4 之間的數(shù)據(jù)接口。通過地球同步軌道衛(wèi)星的效應(yīng)分析，驗(yàn)證了SEREAT的上述功能，結(jié)果符合預(yù)期，可以為航天器的效應(yīng)分析和屏蔽優(yōu)化設(shè)計提供參考。

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通信地址：北京市8701信箱( 100190)

電話：(010)62586415

E-mail:chenshanqiang@nssc.ac.cn

(編輯：張宇平)

SEREAT: A Software for Space Radiation Effects Assessment

CHEN Shan-qiang1,2, LIU Si-qing1, SHI Li-qin1, CHEN Dong1

(1. National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

In order to calculate the space radiation effects precisely and instantly in a spacecraft, a new Space Environment and Radiation Effect Analysis Tool (SEREAT) is developed based on Open CASCADE and Geant4. The sector analysis module of SEREAT has been developed to calculate the spacecraft shielding at any point by integrating the ray tracing method. This study provides a convenient tool to convert the computer-aided design (CAD) geometry models into the GDML (The Geometry Description Markup Language) models for Geant4 applications. Using the distribution of the shielding thickness produced by the sector analysis module, SEREAT can calculate and analyze the radiation effects, such as the particle flux behind the shielding, total ionization dose, single event upsets, etc. Total ionization dose at a geostationary orbit is calculated by SEREAT, and the result shows that SEREAT can meet the needs of radiation effect analysis in a complex spacecraft.

Space radiation; Ray tracing; Total ionization dose; Open CASCADE; Geant4

2016-09-05;

2016-12-27

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2016YFB0501503)

TP731

A

1000-1328(2017)03-0317-06

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.03.013

陳善強(qiáng)(1985-)，男，助理研究員、博士生，主要從事空間輻射環(huán)境及其效應(yīng)研究。