荀明珠，何承發(fā)?，鄭玉展

(1.新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830011；2.中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，烏魯木齊830011；3.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094)

1 引言

空間輻射環(huán)境中銀河宇宙射線(Galactic Cosmic Rays，GCR)由87%的質(zhì)子、12%的α粒子和1%的重粒子組成，其中重粒子包括原子序數(shù)Z＝3(Li)到Z＝92(U)的所有元素，其能量范圍可達(dá)1 TeV/n[1]。雖然重粒子在GCR中的含量只占1%，但重粒子與太空艙屏蔽材料相互作用后的透射粒子與屏蔽材料產(chǎn)生的次級(jí)粒子，如次級(jí)中子、次級(jí)重核、次級(jí)質(zhì)子等對(duì)航天員的影響可達(dá)到20%[2]。有研究表明，GCR射線每天對(duì)航天員造成的輻射當(dāng)量劑量可達(dá)1 mSv[3]。因此研究高能GCR粒子對(duì)材料的輻射損傷機(jī)理、分析GCR粒子與次級(jí)粒子在人體器官內(nèi)的吸收劑量、優(yōu)化屏蔽材料結(jié)構(gòu)對(duì)保障航天員人身安全非常重要。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)空間輻射環(huán)境主要以近地軌道范艾侖輻射帶中電子、質(zhì)子能譜，太陽(yáng)質(zhì)子能譜為研究熱點(diǎn)，研究主要針對(duì)航天器輻射屏蔽結(jié)構(gòu)的材料的選擇、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等[4-5]，而對(duì)于深空探測(cè)活動(dòng)，載人航天器遭受的空間輻射環(huán)境不僅包含范艾倫輻射帶、太陽(yáng)質(zhì)子事件，而且要面對(duì)GCR中的各種粒子。對(duì)于空間輻射環(huán)境中的重粒子屏蔽，目前國(guó)內(nèi)外通常使用富含氫元素的屏蔽材料，如聚乙烯(PE)、高密度聚乙烯(HDPE)、水、液態(tài)氫等，由于太空艙屏蔽結(jié)構(gòu)需要一定的機(jī)械強(qiáng)度，因此太空艙屏蔽材料結(jié)構(gòu)一般由 Al屏蔽與HDPE屏蔽、水屏蔽等疊加組合而成[6]。對(duì)于高能重粒子與材料相互作用通常使用蒙特卡羅模擬方法，目前常用的蒙特卡羅模擬軟件包括Geant4、MCNP、FLUKA等。Geant4是由歐洲核子中心(CERN)基于C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的蒙特卡羅模擬工具包，包含多種入射粒子、多種能量范圍的物理過(guò)程包，可以方便靈活地建立復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)模型和人體模型，追蹤并記錄每個(gè)入射粒子與材料的相互作用過(guò)程，廣泛應(yīng)用在空間輻射環(huán)境模擬、高能物理探測(cè)、加速器物理、放射性核醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的模擬仿真。

本文使用Geant4模擬330 MeV/n12C粒子入射鋁、PE、水、液態(tài)氫4種屏蔽材料，分析入射粒子在屏蔽材料內(nèi)的布拉格曲線，分析由屏蔽材料產(chǎn)生的次級(jí)粒子能譜，并建立MIRD人體模型，對(duì)空間GCR粒子入射時(shí)人體器官吸收劑量進(jìn)行仿真計(jì)算。

2 高能帶電粒子散射過(guò)程計(jì)算

高能帶電粒子入射屏蔽材料時(shí)與材料原子發(fā)生彈性散射和非彈性散射等相互作用過(guò)程，Geant4中計(jì)算能量為50 keV～10 TeV帶電粒子與材料的散射時(shí)使用修正的Wentzel庫(kù)倫散射模型[7]。該模型假設(shè)入射粒子的原子序數(shù)為Z1，質(zhì)量為m1，靶材料的原子序數(shù)為Z2，質(zhì)量為m2，體系能量為Ecm，在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系內(nèi)入射粒子能量為E1lab，則帶電粒子入射屏蔽材料的散射截面σ(θr) 如式(1)所示[7]：

散射后粒子能量T如式(2)所示：

公式(1)中θr為實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下的散射角度，pr為體系動(dòng)量，βr為相對(duì)論修正粒子速度，如公式(3)、(4)所示[7]：

其中粒子質(zhì)量μr為式(5)：

體系能量Ecm為式(6)：

3 模擬計(jì)算及分析

3.1 幾何體模型設(shè)計(jì)

在Geant4運(yùn)行前需設(shè)計(jì)合適的幾何體模型和物理過(guò)程模型，本文計(jì)算中使用鋁、PE、水、液態(tài)氫4種屏蔽材料為屏蔽體，在屏蔽體平板后放置MIRD成年男性人體模型，如圖1所示，重粒子(圖1中藍(lán)色射線)從左側(cè)均勻隨機(jī)入射屏蔽材料，與材料相互作用后穿過(guò)屏蔽材料并在材料中產(chǎn)生次級(jí)Gamma射線(圖1中綠色射線)和次級(jí)電子(圖1中紅色射線)，透射的初級(jí)粒子與次級(jí)粒子共同射入人體中，與人體器官相互作用而沉積能量。

MIRD模型是美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室為美國(guó)醫(yī)學(xué)協(xié)會(huì)開(kāi)發(fā)的一個(gè)人體模型，該模型體重70 kg，身高170 cm，包括22個(gè)主要器官和多個(gè)子區(qū)域[8]，具體包含的器官名稱、器官體積和器官重量等詳見(jiàn)表1。本文使用MIRD成年男性人體模型分析330 MeV/n12C粒子入射不同屏蔽材料在器官內(nèi)的吸收劑量。

圖1 MIRD人體模型設(shè)計(jì)(a)及屏蔽示意圖(b)Fig.1 MIRD human model(a)and the sketch of shielding(b)

表1 MIRD人體器官信息Table 1 Information of MIRD human organ

Geant4中的物理模型可分為電磁相互作用模型和強(qiáng)相互作用模型，電磁相互作用模型適用于γ射線、電子等與材料的相互作用過(guò)程，強(qiáng)相互作用模型適用于中子、重粒子與靶原子核的彈性散射與核反應(yīng)等過(guò)程[7]。在本次仿真計(jì)算中使用的物理過(guò)程包括電磁相互作用過(guò)程、強(qiáng)相互作用過(guò)程、衰變過(guò)程、離子相互作用過(guò)程、庫(kù)倫散射過(guò)程等，其中Shielding物理過(guò)程為歐洲核子中心(CERN)為空間輻射環(huán)境中高能譜范圍下各種粒子與材料相互作用開(kāi)發(fā)的物理作用過(guò)程包，其中包含了量子分子動(dòng)力學(xué)修正過(guò)程等。由于重粒子與材料相互作用產(chǎn)生次級(jí)γ射線、次級(jí)電子等，因此添加了標(biāo)準(zhǔn)電磁相互作用過(guò)程，其中包含了γ射線康普頓散射、瑞利散射、電子對(duì)效應(yīng)等過(guò)程。此外，在Geant4中設(shè)置截止距離為1 mm。本次仿真過(guò)程模擬1×106個(gè)12C粒子入射，每次仿真時(shí)間約為7 h。

3.2 模型驗(yàn)證

在Geant4中設(shè)置上述的幾何體模型和物理過(guò)程模型，統(tǒng)計(jì)粒子在水中的能量沉積和位置并將數(shù)據(jù)在Root軟件中繪制深度劑量分布曲線。270 MeV/n12C粒子在水中深度劑量分布如圖2所示，Geant4仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[9]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)結(jié)果較一致，布拉格峰值位置為14.4 cm，在布拉格曲線平緩區(qū)域的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有偏差，這與Geant4中的物理模型選擇有關(guān)，不同物理模型對(duì)布拉格曲線的影響見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

圖2 270 MeV/n12C粒子在水中深度劑量分布Fig.2 Depth dose distribution of 270 MeV/n12C in water

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 12C粒子在四種屏蔽材料中的布拉格曲線分析

在Geant4中模擬330 MeV/n12C粒子在鋁、PE、水、液態(tài)氫4種材料內(nèi)的深度劑量分布，結(jié)果如圖3所示，圖中將橫坐標(biāo)入射深度轉(zhuǎn)換為材料的面密度可以方便地比較出同等航天器載荷下不同材料對(duì)射線的屏蔽能力。從圖中可以看出12C粒子在液態(tài)氫中的入射深度為9.66 g/cm2，在Al中的入射深度為25.41 g/cm2，Al中的入射深度為液態(tài)氫中入射深度的2.63倍；12C粒子在PE和水中的入射深度分別為18.83 g/cm2和20.16 g/cm2，水中入射深度比PE入射深度增加7%，兩者相差較小。曲線縱坐標(biāo)為12C粒子在材料內(nèi)單位面密度下的能量沉積，從圖中可以看出12C粒子在液態(tài)氫中布拉格峰值位置單位面密度能量沉積為965.16 MeV·cm2/g，約為其余3種材料布拉格峰值位置能量沉積的2倍。結(jié)果表明12C粒子在液態(tài)氫中能夠在較短的面密度射程內(nèi)沉積全部能量，這與空間重粒子屏蔽常使用富含H元素的屏蔽材料結(jié)果一致[11-14]。

圖3 330 MeV/n12C粒子在4種材料內(nèi)的深度劑量分布Fig.3 Depth dose distribution of 330 MeV/n12C in four materials

4.2 同等面密度屏蔽下器官的吸收劑量分析

在Geant4中建立如圖1(b)所示的屏蔽結(jié)構(gòu)和MIRD人體模型，模擬330 MeV/n12C粒子入射5 g/cm2Al、PE、水、液態(tài)氫 4種屏蔽材料，統(tǒng)計(jì)人體睪丸器官內(nèi)的吸收劑量，并對(duì)初級(jí)粒子、次級(jí)粒子、次級(jí)γ射線、次級(jí)質(zhì)子等各種粒子在器官內(nèi)的劑量分類統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，12C粒子入射Al屏蔽材料后在器官內(nèi)的吸收劑量為2.98×10-14Gy/Ion，在液態(tài)氫屏蔽后器官內(nèi)的吸收劑量為2.29×10-14Gy/Ion，與Al屏蔽相比吸收劑量降低23.2%，說(shuō)明液態(tài)氫屏蔽效果更好。其中Al屏蔽下初級(jí)粒子在器官內(nèi)的吸收劑量占器官總劑量的87.5%，液態(tài)氫屏蔽下初級(jí)粒子在器官內(nèi)的吸收劑量占器官總劑量的54.2%，其余為次級(jí)粒子在器官內(nèi)產(chǎn)生的吸收劑量。5 g/cm2面密度下4種屏蔽材料產(chǎn)生的次級(jí)γ射線、次級(jí)電子在器官內(nèi)的吸收劑量很小，可忽略不計(jì)。

圖4 330 MeV/n12C粒子穿過(guò)5 g/cm2的4種屏蔽材料后在睪丸內(nèi)的吸收劑量Fig.4 Equivalent testis dose of 330 MeV/n12C transmitting four 5 g/cm2shielding materials

4.3 PE屏蔽產(chǎn)生的次級(jí)粒子能譜

在Geant4中建立5 g/cm2PE屏蔽體，仿真1×106個(gè)330 MeV/n12C粒子入射PE屏蔽體，并在人體表面統(tǒng)計(jì)次級(jí)粒子能譜，PE材料產(chǎn)生的次級(jí)中子能譜和次級(jí)質(zhì)子能譜如圖5、圖6所示，其中次級(jí)中子和次級(jí)質(zhì)子的能量均在500 MeV以下，PE材料產(chǎn)生的次級(jí)中子主要集中在20 MeV以下，在240 MeV處緩慢增加出現(xiàn)峰值，PE材料產(chǎn)生的次級(jí)質(zhì)子能量峰值在240 MeV處，在240 MeV～500 MeV快速下降。從次級(jí)粒子數(shù)量可以看出，每個(gè)入射粒子在PE屏蔽體產(chǎn)生的次級(jí)中子為6×10-2個(gè)，次級(jí)質(zhì)子為1.6×10-2個(gè)。

5 結(jié)論

1)330 MeV/n12C粒子在液態(tài)氫中的入射深度為9.66 g/cm2，在Al中的入射深度為25.41 g/cm2，為液態(tài)氫中入射深度的2.63倍，在同等載荷下液態(tài)氫對(duì)重離子的屏蔽效果最好，但工程上不容易實(shí)現(xiàn)，建議使用PE、水等富氫材料對(duì)GCR重離子進(jìn)行屏蔽防護(hù)。

圖5 PE屏蔽材料中產(chǎn)生的次級(jí)中子能譜Fig.5 Secondary neutron spectrum produced by PE shielding

圖6 PE屏蔽材料中產(chǎn)生的次級(jí)質(zhì)子能譜Fig.6 Secondary proton spectrum produced by PE shielding

2)12C粒子入射5 g/cm24種屏蔽材料后在MIRD睪丸器官內(nèi)的吸收劑量同樣表明液態(tài)氫對(duì)重離子屏蔽效果最好，其次為PE材料，水比PE屏蔽稍差，Al對(duì)重離子屏蔽效果最差。在器官內(nèi)的吸收劑量以透射屏蔽材料的初級(jí)粒子貢獻(xiàn)為主，屏蔽材料產(chǎn)生的次級(jí)γ射線、次級(jí)電子吸收劑量貢獻(xiàn)很小，可忽略不計(jì)。