高著秀，王玉林，孫 健，張耀磊

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京100076）

0 引言

總劑量效應(yīng)是大量輻射粒子進(jìn)入半導(dǎo)體器件材料內(nèi)部，與材料的原子核外電子發(fā)生電離作用而產(chǎn)生額外的電荷，這些電荷在器件內(nèi)的氧化層堆積，或者在Si／SiO2交界面誘發(fā)界面態(tài)，導(dǎo)致器件性能逐步退化乃至失效的現(xiàn)象?？倓┝啃?yīng)影響的大小與材料吸收的劑量值的多少有關(guān)，屬累積效應(yīng)［1－7］?？臻g輻射環(huán)境中對總劑量效應(yīng)有貢獻(xiàn)的主要是地球輻射帶的電子和質(zhì)子，其次是太陽宇宙線質(zhì)子。銀河宇宙線與輻射帶和太陽質(zhì)子相比，其通量很低，產(chǎn)生的劑量很小，可以忽略。

對飛行器的吸收劑量評價(jià)，目前主要有兩種方法。一種是一維輻射劑量評估方法，分析過程中只考慮飛行器艙體及單機(jī)殼體，依據(jù)實(shí)心球模型得到飛行器在軌時的劑量深度曲線，進(jìn)而評估各單機(jī)內(nèi)部吸收的輻射劑量，作為輻射防護(hù)設(shè)計(jì)的依據(jù)，這種情況往往忽略了飛行器內(nèi)部不同組件之間的相互屏蔽效果，高估了各單機(jī)內(nèi)部吸收的輻射總劑量，相應(yīng)的屏蔽設(shè)計(jì)屬于過設(shè)計(jì)。另一種是三維輻射劑量評估方法，分析過程中依據(jù)具體的飛行器結(jié)構(gòu)布局，考慮各部分結(jié)構(gòu)互相之間的屏蔽，可以獲取飛行器內(nèi)部任意位置不同方向的屏蔽厚度，結(jié)合空間環(huán)境能譜分析結(jié)果得到更為準(zhǔn)確的輻射劑量。根據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整飛行器布局及局部屏蔽方案，利用大質(zhì)量設(shè)備對輻射效應(yīng)敏感的器件提供質(zhì)量屏蔽，優(yōu)化屏蔽效果的同時降低選用抗輻射性能更優(yōu)的器件的代價(jià)。

歐空局基于Monte Carlo軟件Geant4開發(fā)了三維屏蔽與輻射劑量評估工具SSAT，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，但是需要應(yīng)用GDML （The Geometry Description Markup Language）語言來定義復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，以便于SSAT軟件識別與分析。飛行器各部分的結(jié)構(gòu)和材料非常復(fù)雜，用戶需要開展大量建模工作，分析效率低且分析結(jié)果的準(zhǔn)確性未知。歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)的Austrium公司在其SYSTEMA航天器空間環(huán)境及效應(yīng)數(shù)值模擬分析系統(tǒng)中開發(fā)了Dosrad模塊，但是建模過程復(fù)雜，且輻射環(huán)境模型不夠全面。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院國家空間科學(xué)中心及航天五院等相關(guān)研究單位開發(fā)了三維輻射劑量分析軟件［1－3］，可以給出分析位置在各個方向的屏蔽厚度和輻射劑量，在顯示方法上各有特色，包括基于包圍分析目標(biāo)的球面顯示及射線顯示等。本文在借鑒國內(nèi)已開發(fā)軟件的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出了一種可在目標(biāo)表面進(jìn)行屏蔽厚度和吸收劑量的全向分布顯示的總劑量效應(yīng)評估方法，并針對具體結(jié)構(gòu)模型開展分析，分析結(jié)果與一維總劑量效應(yīng)分析模式相比較，并給出分析精度與效率說明。

1 輻射劑量三維評估原理及流程

1．1 輻射劑量三維分析原理

1．1．1 粒子穿越徑跡計(jì)算方法

虛擬粒子穿越某一幾何體時的粒子徑跡有兩種方式，一種是NORM方法，即沿法向傳輸；另一種是SLANT方法，即沿直線傳輸，如圖1所示。法向傳輸考慮的是射線在垂直屏蔽材料表面方向的傳輸距離，而直線傳輸則可以與任何材料表面傾斜相交，對于復(fù)雜的屏蔽結(jié)構(gòu)而言，法向傳輸會高估實(shí)際的屏蔽厚度。本文的三維屏蔽與輻射劑量評估采用了直線近似傳輸原理，即對飛行器內(nèi)部特定方向的屏蔽厚度計(jì)算采用沿該方向直線上的物質(zhì)厚度作為屏蔽厚度。這種簡化是合理的，因?yàn)槭紫攘Ｗ拥某跫壋煞质侵本€運(yùn)行的，對輻射效應(yīng)的貢獻(xiàn)最大；其次，高能粒子在運(yùn)動中產(chǎn)生的次級成分在粒子的入射方向上的分布最密集。Cai等［1］在三維屏蔽估算方法采用的都是直線近似法，即對飛行器內(nèi)部特定方向的屏蔽厚度計(jì)算采用沿該方向直線上的物質(zhì)厚度作為屏蔽厚度［8－10］。

圖1 粒子穿越徑跡計(jì)算方法Fig．1 Method of particles traversing

1．1．2 扇形角分析方法

一般認(rèn)為空間高能帶電粒子各向同性，應(yīng)用扇形角等效分析方法計(jì)算三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)飛行器表面或艙內(nèi)某點(diǎn)的吸收劑量，首先需要對空間能譜進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即將空間各向同性粒子能譜轉(zhuǎn)化為某一方向入射的粒子能譜。為了完成能譜的轉(zhuǎn)化，需要將整個4π空間上的粒子通量轉(zhuǎn)化為某一特定方向上的粒子通量。圖2為空間環(huán)境下粒子入射立體角計(jì)算示意圖。θ是極角，在空間范圍內(nèi)，其角度范圍為0～π；ω為方位角，在空間范圍內(nèi)為0～2π。依據(jù)空間粒子入射的極角θ和方位角ω，計(jì)算得到空間環(huán)境下單位能量和單位球面角范圍內(nèi)入射粒子的通量。

圖2 空間各向同性粒子入射立體角計(jì)算示意圖Fig．2 Incident solid angle calculation diagram of spatial isotropic particle

1．1．3 基于Creo模型的飛行器屏蔽與輻射劑量三維評估方法

計(jì)算飛行器內(nèi)某一位置的吸收劑量，可由兩種計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)。一種為扇形角等效分析法，適合于工程上計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的吸收劑量；另一種為Monte Carlo方法，計(jì)算精度較高，但計(jì)算速度較慢。在實(shí)際計(jì)算過程中，按照扇形角等效分析方法建立剖分模式，確定粒子在某一向上立體角內(nèi)的入射概率并進(jìn)行吸收劑量的計(jì)算。這種方法能夠大大提高計(jì)算效率和計(jì)算精度。

計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的總劑量的關(guān)鍵是建立衛(wèi)星的三維屏蔽模型，模型需要定義飛行器的幾何結(jié)構(gòu)和材料屬性。目前飛行器的模型設(shè)計(jì)主要采用Pro／E、AutoCAD、UG等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件?；贑reo模型的飛行器三維屏蔽與輻射劑量評估方法，采用有限元基本原理并結(jié)合Creo軟件的基本功能來實(shí)現(xiàn)飛行器三維屏蔽與輻射劑量的分析計(jì)算，可兼容Pro／E模型，克服了SSAT工具幾何建模方面的不足，使得總劑量效應(yīng)的分析評估更加快速、準(zhǔn)確、可靠，符合我國航天工程特有的現(xiàn)狀和需求。

1．2 輻射劑量三維分析流程

與一維分析模式相比，三維輻射劑量分析模式兼顧艙內(nèi)各單機(jī)遮擋關(guān)系及整體布局，在飛行器結(jié)構(gòu)模型的處理上更為精確。圖3給出了簡單的一維總劑量分析與三維總劑量分析的流程對比?；景?個步驟：首先，結(jié)合任務(wù)軌道參數(shù)分析輻射環(huán)境能譜，對航天器總體提供的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行預(yù)處理，包括模型實(shí)體化處理和簡化處理等，去除管路等小質(zhì)量結(jié)構(gòu)件；其次，采用有限元原理對圍繞指定分析位置的4π立體空間進(jìn)行空間網(wǎng)格劃分，可采用等角度或等立體角劃分，也可采用計(jì)算網(wǎng)格所占立體角比例的方法；最后，利用一定的方法計(jì)算三維屏蔽厚度分布，并結(jié)合劑量深度曲線得出分析位置處在三維屏蔽下的輻射總劑量。

圖3 一維與三維輻射劑量分析流程Fig．3 Radiation dose evaluating process

1．3 基于結(jié)構(gòu)表面云圖的輻射劑量分析流程

基于結(jié)構(gòu)表面云圖顯示的輻射劑量三維評估方法具體分析流程如下：

第一步：模型預(yù)處理。

針對實(shí)際飛行器Creo模型進(jìn)行預(yù)處理，去除所有片體模型及可以忽略屏蔽效果的緊固件、插針、管路等小件，以提高解算速度。

第二步：模型離散化。

根據(jù)模型復(fù)雜情況，選擇一定的分析精度，對模型進(jìn)行離散化處理，為后續(xù)計(jì)算提供基礎(chǔ)。

第三步：發(fā)射射線。

指定結(jié)構(gòu)模型樹中要分析的單機(jī)為目標(biāo)單機(jī)，從選定的單機(jī)內(nèi)部向2π立體角內(nèi)均勻發(fā)射射線；射線密度選取可根據(jù)模型復(fù)雜程度及計(jì)算允許時間進(jìn)行設(shè)定。

第四步：計(jì)算屏蔽厚度。

針對某射線，計(jì)算穿過該射線的所有實(shí)體的等效鋁厚度，并進(jìn)行累加，得到該射線方向的等效鋁防護(hù)厚度，對所有射線方向的厚度加權(quán)累加得到單機(jī)總的屏蔽厚度，對應(yīng)每條射線所計(jì)算的厚度對照厚度色條進(jìn)行顏色賦值，并在對應(yīng)面片上進(jìn)行顏色顯示。

第五步：計(jì)算輻射劑量。

對照劑量深度曲線進(jìn)行插值，得到該方向吸收的輻射劑量，對所有射線方向的吸收劑量累加得到單機(jī)總的吸收劑量。對應(yīng)每條射線所計(jì)算的劑量，對劑量照色條進(jìn)行顏色賦值，并在對應(yīng)面片上進(jìn)行顏色顯示。

2 分析實(shí)例

為檢驗(yàn)該評估方法的有效性，下面以某飛行器結(jié)構(gòu)模型為例，分析其三維屏蔽效果與輻射劑量，并與一維分析模式進(jìn)行對比。另外以復(fù)雜模型為例，檢驗(yàn)該評估方法的分析效率。

2．1 簡單模型分析實(shí)例

假設(shè)某飛行器飛行軌道為圓軌道，軌道高度為1000km，傾角為60°，飛行任務(wù)周期為1年，輻射劑量主要來源于地球輻射帶電子、地球輻射帶質(zhì)子及太陽宇宙線質(zhì)子。選取模型為太陽活動高年情況。

飛行器內(nèi)某單機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示，艙體為圓柱形，艙體材料為鋁，厚度為3mm，單機(jī)材料為鋁，厚度為2mm。

圖4 飛行器結(jié)構(gòu)模型Fig．4 Aircraft structural model

圖5為飛行軌道輻射劑量—深度分布曲線。按照輻射劑量的一維分析模式，該單機(jī)等效鋁防護(hù)厚度為5mm，任務(wù)期間累計(jì)吸收的輻射劑量為2063rad。

圖5 輻射劑量—深度分布曲線圖Fig．5 Radiation dose—depth distribution curve

按照1．3節(jié)的分析步驟，首先選定目標(biāo)單機(jī)作為分析對象，進(jìn)行離散化處理后選擇射線數(shù)量，然后分析該單機(jī)屏蔽厚度，圖6為分析得到的單機(jī)屏蔽厚度分布云圖。可以看到，單機(jī)8個頂角的防護(hù)厚度略高于平面部分防護(hù)厚度，符合物理實(shí)際。

在獲取上述屏蔽厚度后，導(dǎo)入任務(wù)劑量深度曲線，分析單機(jī)內(nèi)部吸收的輻射劑量，圖7為分析后獲取的輻射劑量分布云圖。由于該模型中等效鋁防護(hù)厚度基本處于5mm～7mm范圍，各個方向輻射劑量都在1000rad～5000rad內(nèi)。

圖6 屏蔽厚度分布云圖Fig．6 Shield thickness distribution cloud picture

圖7 輻射劑量分布云圖Fig．7 Radiation dose distribution cloud picture

將各方向獲取的輻射劑量進(jìn)行加權(quán)累計(jì)后，計(jì)算得到整個單機(jī)吸收的輻射劑量為1590rad，而一維分析模式中分析結(jié)果為2063rad，比較一維分析模式與本文的三維分析模式下的計(jì)算結(jié)果可知，一維分析模式明顯低估了防護(hù)效果。

2．2 復(fù)雜模型分析實(shí)例

為檢驗(yàn)該評估方法對于復(fù)雜模型的分析效率，下面構(gòu)建了一個結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、單機(jī)數(shù)量相對較多的飛行器模型，該模型艙體外安裝有太陽電池陣及雷達(dá)，艙體單機(jī)結(jié)構(gòu)包括立方體結(jié)構(gòu)、球殼結(jié)構(gòu)及圓柱形結(jié)構(gòu)等，艙內(nèi)單機(jī)總數(shù)為39個，結(jié)構(gòu)模型如圖8所示。該飛行器艙體為圓柱形，艙體等效鋁防護(hù)厚度為1mm，分析目標(biāo)單機(jī)件殼體厚度約為1mm。

圖8 飛行器結(jié)構(gòu)模型及目標(biāo)單機(jī)厚度分布圖Fig．8 More complex aircraft structure model diagram and shield thickness distribution

選取與簡單模型分析相同的輻射環(huán)境參數(shù)，按照一維評估模式，單機(jī)內(nèi)部吸收的輻射劑量為8852rad。在三維評估模式下，分析得到該單機(jī)吸收的輻射劑量為1393rad?？梢?，三維評估模式計(jì)算的輻射劑量遠(yuǎn)低于一維評估模式，如果采取相同抗輻射性能指標(biāo)的電子器件，理論上單機(jī)殼體厚度可減小約0．85mm，單機(jī)包絡(luò)為Φ100mm×40mm，質(zhì)量減小約0．07kg。對于含有39個單機(jī)的飛行器，粗略估計(jì)整個飛行器可降低質(zhì)量約3kg。對于一次飛行任務(wù)，可以增加約3kg的其他有效載荷質(zhì)量。本次分析中，單機(jī)包絡(luò)、厚度及質(zhì)量規(guī)模較小，在實(shí)際工程中，采用三維劑量分析后，飛行器可減小的質(zhì)量將更大。

本次分析中，利用硬件配置為2．4GHz處理器、12G內(nèi)存的計(jì)算機(jī)對該模型進(jìn)行屏蔽厚度分析，模型解析用時5min，防護(hù)厚度分析用時約50min，輻射劑量用時約1min，分析耗時可以滿足工程研制需求。

3 評估特征及優(yōu)勢

國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)的三維輻射劑量分析工具各具特色，本文中提出的評估方法的特征及優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面：

1）本文提出的三維輻射劑量評估方法結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際，在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的工具軟件Creo基礎(chǔ)功能之上進(jìn)行二次開發(fā)，能夠直接導(dǎo)入復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，無需開展復(fù)雜的建模工作，同時也避免了建模帶來的誤差。分析結(jié)果直接反饋給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)，提高了專業(yè)迭代效率。

2）該平臺創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了在飛行器結(jié)構(gòu)表面的防護(hù)厚度云圖顯示，其對應(yīng)關(guān)系更直接，能夠直觀地顯示屏蔽厚度分布情況，并且根據(jù)防護(hù)薄弱方向的指示，分析該方向上的質(zhì)量分布，通過增加局部屏蔽屏或者調(diào)整布局的方式，優(yōu)化質(zhì)量屏蔽效果，使電子設(shè)備敏感器件處于輻射劑量相對較低的位置，降低選用輻射性能更優(yōu)的電子器件的工程代價(jià)。

3）基于結(jié)構(gòu)表面的三維輻射劑量評估方法不僅能夠顯示屏蔽厚度的分布，還能夠在所分析目標(biāo)結(jié)構(gòu)的表面顯示吸收劑量在4π立體角內(nèi)的全向分布，將分布情況以云圖的方式顯示在結(jié)構(gòu)表面，而不是僅僅得到所分析位置的輻射劑量總和，為空間環(huán)境專業(yè)設(shè)計(jì)人員對布局進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化提供更直接的參考依據(jù)。

4）通過改變分析精度參數(shù)，包括調(diào)整對結(jié)構(gòu)的離散化程度，調(diào)整從分析位置出發(fā)的射線總數(shù)，能夠根據(jù)飛行器結(jié)構(gòu)模型復(fù)雜程度控制分析精度，通過權(quán)衡分析耗費(fèi)時間與分析準(zhǔn)確度要求，選取合適的分析精度值。

4 結(jié)論

本文介紹了基于結(jié)構(gòu)表面的三維屏蔽效果及輻射劑量評估方法，分析過程貼近工程應(yīng)用實(shí)際，分析過程簡便，能夠快速獲取飛行器內(nèi)部某一位置的輻射劑量，能夠以云圖方式顯示屏蔽厚度與劑量的分布，并指示出防護(hù)薄弱方向，分析結(jié)果直接應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化?？蔀榭臻g環(huán)境專業(yè)人員設(shè)計(jì)及仿真分析工作提供分析理論和模型上的參考。