修湛博

摘 要 空間輻射環(huán)境是重要的環(huán)境因素之一，由其所誘導(dǎo)的單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)，會(huì)造成材料、設(shè)備損傷和性能惡化。與此同時(shí)空間輻射環(huán)境也可以用于其他空間活動(dòng)，且活動(dòng)會(huì)受到空間環(huán)境影響，這是影響其活動(dòng)的最大的因素?？臻g環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致工程劣化和失敗。但是，如果能夠合理利用空間環(huán)境，在促進(jìn)人類社會(huì)發(fā)展方面會(huì)起到積極作用。在這個(gè)背景下，本文對(duì)空間輻射環(huán)境工程進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

關(guān)鍵詞 空間輻射環(huán)境 空間輻射環(huán)境效應(yīng) 地面模擬試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TL7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）11-0001-02

空間環(huán)境對(duì)工程活動(dòng)的順利進(jìn)行至關(guān)重要，因?yàn)榭臻g環(huán)境可能會(huì)引起材料、裝置和結(jié)構(gòu)的損傷，從而導(dǎo)致性能降低或故障，而對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，獨(dú)特的空間資源是有益的。通過(guò)本文的研究分析，希望能為從事空間輻射環(huán)境工程的科學(xué)研究人員和技術(shù)人員提供參考。

1 空間輻射環(huán)境工程

空間環(huán)境是導(dǎo)致環(huán)境工程出現(xiàn)問(wèn)題的主要因素之一?；趯?duì)中國(guó)早期六個(gè)衛(wèi)星故障原因的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)空間環(huán)境造成的故障可以占到全部故障的百分之四十五，空間輻射環(huán)境是空間環(huán)境引起故障的主要原因。美國(guó)的地球物理數(shù)據(jù)中心對(duì)二十世紀(jì)七十年代初期到二十世紀(jì)八十年代末期的靜止衛(wèi)星和準(zhǔn)靜止衛(wèi)星軌道上的異常進(jìn)行了計(jì)數(shù)，在空間環(huán)境引起的衛(wèi)星故障中，有將近百分之六七十的故障與問(wèn)題均是由空間輻射環(huán)境引起的。由此可見(jiàn)，需要科學(xué)技術(shù)人員加強(qiáng)學(xué)習(xí)，同時(shí)加強(qiáng)自身專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)，以便可以更好地研究空間輻射環(huán)境和效應(yīng)，使得其可以得到進(jìn)一步的發(fā)展。環(huán)境工程各個(gè)方面和設(shè)備篩選的各個(gè)步驟，都可以看到空間輻射環(huán)境工程的身影，因此需要對(duì)故障問(wèn)題進(jìn)行精準(zhǔn)研究分析、空間預(yù)測(cè)和預(yù)警，提高工程的可靠性和使用年限。[1]

空間輻射環(huán)境工程是一種在空間探測(cè)和空間應(yīng)用過(guò)程中，將空間輻射環(huán)境影響應(yīng)用于環(huán)境工程的技術(shù)，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估、預(yù)測(cè)、保護(hù)和利用，是空間輻射環(huán)境科學(xué)和工程的組合產(chǎn)品。它具有多種學(xué)術(shù)領(lǐng)域的滲透，存在于工程開(kāi)發(fā)的全過(guò)程，是環(huán)境工程不可或缺的重要部分。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 空間輻射環(huán)境及模型

現(xiàn)在廣泛使用的地球輻射區(qū)模型是AE8和APA8模型。然而，AE8和AP8模型的最新檢測(cè)數(shù)據(jù)的年份已經(jīng)超過(guò)三四十年，并且這個(gè)模型的低能量區(qū)域并沒(méi)有被加入進(jìn)來(lái)，加之其他因素的影響使得本身不完善的模型更加搖搖欲墜，在它的使用過(guò)程中有一些不可控制的地方，因此新一代的空間輻射環(huán)境模型正在被一些具有先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的環(huán)境工程機(jī)構(gòu)研發(fā)。現(xiàn)在，它們可以應(yīng)用于科學(xué)研究，但目前不用于工程設(shè)計(jì)。這個(gè)模型在以下兩個(gè)方面得到改善：擴(kuò)展覆蓋和空間覆蓋的范圍，同時(shí)給出了因儀器的不確定性和空間天氣變化引起的模型的不確定度。

關(guān)于深空間輻射環(huán)境和模型，目前研究了月球、火星、木星和土星的輻射環(huán)境，建立了相關(guān)模型。眾所周知木星和土星本身具有輻射帶，并且還是屬于它們自己的，其根本原因是因?yàn)檫@兩個(gè)行星自身磁場(chǎng)特別強(qiáng)，所以有自己的輻射帶。其中木星的輻射環(huán)境最為強(qiáng)烈，得到的空間探測(cè)數(shù)據(jù)最多。

目前，已經(jīng)建立了一系列的空間輻射環(huán)境模型，并應(yīng)用于科學(xué)研究和模型開(kāi)發(fā)任務(wù)，但是在對(duì)環(huán)境工程的眾多影響中，并沒(méi)有考慮各項(xiàng)異性的影響。究其根本是因?yàn)槟Ｐ褪情L(zhǎng)期的靜態(tài)環(huán)境模型，因此模型的不確定性比較大。

2.2 空間輻射環(huán)境效應(yīng)及機(jī)理

眾所周知，空間輻射環(huán)境有利自然有弊，它會(huì)給材料和裝置帶來(lái)嚴(yán)重的輻射損傷。輻射損傷效應(yīng)能夠根據(jù)不同的條件進(jìn)行不同的分類，它可以根據(jù)影響時(shí)間劃分成兩種：瞬態(tài)與長(zhǎng)期。長(zhǎng)期效應(yīng)意味著材料或裝置的性能長(zhǎng)期變化或降級(jí)，瞬態(tài)效應(yīng)指的是可以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)材料和裝置的性能變化或降級(jí)。[2]

電離損傷的瞬態(tài)影響主要是由于光電流終端瞬態(tài)電壓變化、電荷激活、電荷轉(zhuǎn)移等電離損傷引起，這是因?yàn)殚L(zhǎng)期效應(yīng)所造成的。世界各國(guó)完全認(rèn)識(shí)到宇宙輻射損傷對(duì)環(huán)境工程安全性的影響，并進(jìn)行了很多研究，但還存在以下缺點(diǎn)：一方面已經(jīng)進(jìn)行了許多關(guān)于空間輻射效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，但是關(guān)于宇宙輻射損傷機(jī)制的研究相對(duì)較少;另一方面由于空間輻射效應(yīng)的數(shù)據(jù)不足，空間輻射效應(yīng)的一些關(guān)鍵材料需要仔細(xì)評(píng)估;最后需要研究各種輻射環(huán)境因素、輻射環(huán)境和其他環(huán)境因素的協(xié)同效應(yīng)。

3 發(fā)展趨勢(shì)

3.1 空間輻射環(huán)境及模型

1.開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)輻射環(huán)境模型。有必要開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)環(huán)境模型，因?yàn)槠淇梢苑从程?yáng)活動(dòng)、地磁干擾、長(zhǎng)期地磁漂移。

2.各項(xiàng)異性空間輻射環(huán)境模型。該環(huán)境模型有發(fā)展的必要性，因?yàn)楦黜?xiàng)同性模型在實(shí)際使用過(guò)程中有著一定的弊端，不能真正展現(xiàn)其內(nèi)部環(huán)境的輻射效應(yīng)。

3.更準(zhǔn)確的空間輻射環(huán)境模型?？臻g模型的開(kāi)發(fā)在世界各個(gè)國(guó)家間大不相同，因此有必要開(kāi)發(fā)更準(zhǔn)確的空間輻射環(huán)境模型來(lái)提高模型的可靠性。

3.2 空間輻射效應(yīng)及機(jī)理研究

該部分一方面研究了不同的空間輻射環(huán)境元素及地上模擬源的相似和不同之處，將空間輻射環(huán)境效應(yīng)的測(cè)試方法也做了一定修改，使得測(cè)試方法變得更加科學(xué)有效。另一方面工程環(huán)境不是單一的環(huán)境，它是由許多因素共同構(gòu)成的一個(gè)環(huán)境。為了正確評(píng)估環(huán)境工程中敏感材料和裝置的空間輻射效應(yīng)，應(yīng)該注意相關(guān)的因素對(duì)環(huán)境工程產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)。

3.3 空間輻射環(huán)境及效應(yīng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

首先，制定一些修改環(huán)境工程輻射環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)制度跟規(guī)范設(shè)施。根據(jù)現(xiàn)有的環(huán)境工程輻射環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)制度跟規(guī)范設(shè)施，準(zhǔn)備更完整、更準(zhǔn)確的環(huán)境工程輻射環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)制度和規(guī)范設(shè)施，讓我們可以更好的進(jìn)行科學(xué)研究和工程應(yīng)用。[3]

其次，是完善環(huán)境工程輻射環(huán)境的一些標(biāo)準(zhǔn)制度跟規(guī)范設(shè)施。使用6co代替高能粒子來(lái)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)高能帶電粒子總劑量的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一完善。

最后，確定質(zhì)子單粒子效應(yīng)和脈沖激光單粒子效應(yīng)地面模擬測(cè)試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范;確立光電器件位移損傷效應(yīng)的一般標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。空間材料的紫外線效應(yīng)，特別是在大于10nm小于110nm的范圍內(nèi)，需要建立紫外線效應(yīng)的通用標(biāo)準(zhǔn)，然后為了得到更好的保障，還要進(jìn)一步研討設(shè)定的辦法及經(jīng)驗(yàn)。

3.4 環(huán)境工程輻射及效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法

從材料性能降解評(píng)估的角度，研究了能量譜等效法及金屬膜散射法的測(cè)試方法和有效性;研究在大于10nm卻小于110nm范圍內(nèi)的紫外輻射效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，以及溫度和加速度因子等實(shí)驗(yàn)參數(shù)的研究;在環(huán)境工程檢測(cè)中，輻射也可以起到一定作用，環(huán)境工程輻射及效應(yīng)地面模擬主要是對(duì)一些電子元素進(jìn)行了分析，增強(qiáng)了質(zhì)子和脈沖激光器的單粒子效應(yīng)及其等效性的實(shí)驗(yàn)方法;對(duì)環(huán)境工程中多電子環(huán)境的協(xié)同效應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析研究。

3.5 空間輻射環(huán)境及效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)設(shè)備

1.包括所有環(huán)境和效果因素。為了研究空間多因子環(huán)境的協(xié)同效應(yīng)，將電子、質(zhì)子等整合到多個(gè)復(fù)合實(shí)驗(yàn)室，得出設(shè)計(jì)性能指數(shù)可靠合理。它不僅滿足了環(huán)境工程的材料和設(shè)備的性能降級(jí)評(píng)估，還可以避免由于不必要的高指標(biāo)而引起的經(jīng)濟(jì)廢物。

2.監(jiān)視手段完整且布局妥當(dāng)。由于地面模擬空間環(huán)境中面積均勻性是一個(gè)很大的問(wèn)題，需要將監(jiān)視裝置和監(jiān)視器合理地配置，監(jiān)控手段要盡可能多，如使用四極質(zhì)量分析儀、真空計(jì)、溫度調(diào)節(jié)器、紫外線照度計(jì)等。必須充分考慮原位試驗(yàn)的必要性，如果沒(méi)有采用原位試驗(yàn)，其回復(fù)效果會(huì)有一定的問(wèn)題。空間輻射影響測(cè)試技術(shù)主要在以下方向上發(fā)展：首先空間環(huán)境和效果飛行試驗(yàn)平臺(tái)是向公共、綜合、多功能等方面進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。飛行試驗(yàn)裝置可以配置在任意衛(wèi)星平臺(tái)上，該裝置壽命長(zhǎng)、可靠性高，可同時(shí)檢測(cè)或監(jiān)視各種輻射效應(yīng);其次可以實(shí)現(xiàn)空間環(huán)境檢測(cè)和環(huán)境效果檢測(cè)。[4]

3.6 空間輻射環(huán)境及效應(yīng)數(shù)值模擬

未來(lái)的模型能夠精準(zhǔn)分析輻射效應(yīng)，與此同時(shí)還可以控制各種常見(jiàn)的空間環(huán)境和環(huán)境模型。在該數(shù)值平臺(tái)中，不僅可以確保所有的要素都是在空間輻射環(huán)境中進(jìn)行的，還可以確保輻射效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。

在未來(lái)的空間輻射環(huán)境和效應(yīng)的數(shù)值模擬平臺(tái)上，環(huán)境參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)可以很容易被編輯，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)顯示數(shù)字模擬結(jié)果。

3.7 抗輻射加固技術(shù)

抗輻射加固被納入空間開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程中。應(yīng)該從材料設(shè)計(jì)、準(zhǔn)備、選擇、驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局、軌道故障分析和處理的角度充分考慮輻射增強(qiáng)的重要性以及新材料和裝置抗輻射的強(qiáng)化。高性能和高集成的新電子元件和材料通常具有高輻射敏感性，并且容易引起單個(gè)粒子效應(yīng)，所以有必要加強(qiáng)抗輻射。[5]

與單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)相比，在諸多效能里面，近年來(lái)位移損傷逐漸在眾多效能里面贏得一席之地。因此在研究的過(guò)程中，我們應(yīng)該將目光逐漸放到對(duì)該效應(yīng)的抗輻射和對(duì)人工抗輻射技術(shù)的研究上，加強(qiáng)抗輻射效果驗(yàn)證和定量評(píng)估技術(shù)研究。其可以測(cè)試和驗(yàn)證某些材料或設(shè)備，但不能進(jìn)行某些過(guò)于詳細(xì)的測(cè)試和評(píng)估，因此有必要進(jìn)一步研究效果驗(yàn)證和定量評(píng)價(jià)的方法。

4 結(jié)語(yǔ)

環(huán)境工程輻射是一門跨學(xué)科、系統(tǒng)的工程科學(xué)。在經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展之后，獲得了令人滿意的結(jié)果，在模型的開(kāi)發(fā)中起著重要的作用，但是隨著新材料、新設(shè)備以及空間探索的開(kāi)發(fā)，仍需要繼續(xù)努力發(fā)展空間輻射環(huán)境工程。

參考文獻(xiàn)：

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