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地球內(nèi)輻射帶核心區(qū)環(huán)境特征分析及質(zhì)子屏蔽的蒙特卡羅模擬

2022-08-31 09:12劉佳強(qiáng)張振龍趙班池王慧元
航天器環(huán)境工程 2022年4期

劉佳強(qiáng),張振龍,2*,趙班池,劉 洋,王慧元,高 輝

(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) 天文與空間科學(xué)學(xué)院,北京 101408;3. 中國科學(xué)院 微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院,上海 201210)

0 引言

空間輻射是導(dǎo)致航天器故障或失效的重要原因之一。近地空間輻射環(huán)境主要由地球輻射帶粒子以及太陽宇宙線和銀河宇宙線的高能質(zhì)子和重離子等構(gòu)成,對電子器件造成總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)、單粒子效應(yīng)及充放電效應(yīng)等威脅。其中,總劑量效應(yīng)是因電離輻射累積導(dǎo)致器件參數(shù)發(fā)生退化的現(xiàn)象,是最普遍的輻射效應(yīng),可對幾乎所有類型的器件造成影響。相較于銀河宇宙線和太陽宇宙線,輻射帶粒子通量較高,是近地空間中總劑量效應(yīng)的主要來源;吸收劑量大小與軌道條件直接相關(guān),具有明顯的區(qū)域分布特征,設(shè)計(jì)合適的屏蔽層保護(hù)輻射敏感器件是降低總劑量效應(yīng)的有效方式之一。

以往的航天器輻射防護(hù)研究中,主要關(guān)注的是LEO、GEO 等電子輻射環(huán)境為主的軌道,國內(nèi)外已針對這些軌道的輻射防護(hù)進(jìn)行了較多研究,但對內(nèi)輻射帶(2000~10 000 km 高度)中軌軌道的環(huán)境分析和防護(hù)方法研究還很少。而隨著對地觀測等任務(wù)需求的不斷上升,該軌道區(qū)域已逐漸展現(xiàn)出其他軌道不具備的優(yōu)勢和潛力,如:在對地觀測中,中軌衛(wèi)星同時(shí)具有LEO 的高分辨和GEO 的長駐留等優(yōu)點(diǎn);在通信服務(wù)中,中軌衛(wèi)星的信號往返延遲較GEO 顯著縮短。限制該軌道區(qū)域衛(wèi)星部署的重要因素是其惡劣的高能質(zhì)子輻射環(huán)境,而對高能質(zhì)子采用傳統(tǒng)的屏蔽防護(hù)方式將給航天器帶來很大的載荷負(fù)擔(dān)。

為此,本文計(jì)算了近地空間內(nèi)、不同屏蔽厚度下衛(wèi)星艙內(nèi)輻射劑量隨軌道高度的變化,分析了2000~10 000 km 內(nèi)輻射帶輻射環(huán)境特性;利用蒙特卡羅模擬,針對內(nèi)輻射帶質(zhì)子進(jìn)行不同屏蔽材料的屏蔽效能計(jì)算,包括總劑量、透射能譜及次級輻射情況,旨在為內(nèi)輻射帶中心區(qū)域衛(wèi)星的輻射防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 內(nèi)輻射帶環(huán)境特征分析

利用Shieldose 程序計(jì)算了600~36 000 km軌道高度范圍、衛(wèi)星艙內(nèi)5 年內(nèi)的Si 吸收劑量。計(jì)算時(shí),軌道條件設(shè)置為0°傾角的圓軌道,屏蔽條件設(shè)置為1 mm、3 mm 和10 mm 鋁屏蔽,屏蔽模型為有限平板屏蔽,粒子全向入射,輻射帶環(huán)境模擬采用AE9、AP9長期平均模型,磁場為IGRF(內(nèi)場)和OPQ77(外場)模型。計(jì)算結(jié)果如圖1 所示,可以看到:隨軌道高度的增加,總劑量在約3000 km和20 000 km 軌道高度上出現(xiàn)2 個(gè)峰值,分別對應(yīng)地球輻射帶內(nèi)帶和外帶的核心區(qū);第1 個(gè)劑量峰值在1 mm、3 mm 和10 mm 鋁屏蔽條件下分別為4.1×10krad(Si)、4.8×10krad(Si)和1.5×10krad(Si),第2 個(gè)劑量峰值在1 mm、3 mm 和10 mm 鋁屏蔽條件下分別為1.8×10krad(Si)、1.7×10krad(Si)和1.1×10krad(Si)。屏蔽厚度較薄時(shí),外輻射帶劑量峰值更高,但隨著屏蔽厚度增加,外輻射帶劑量峰值迅速降低,減少了3 個(gè)數(shù)量級,而內(nèi)輻射帶劑量峰值只減少了1 個(gè)數(shù)量級??梢姡瑢τ趦?nèi)輻射帶環(huán)境,單純增加鋁厚度對屏蔽效能的提升十分有限。本文重點(diǎn)討論內(nèi)輻射帶中心區(qū)域環(huán)境。

圖1 總劑量-軌道高度曲線Fig. 1 Curves of total dose vs orbital altitude

圖2 為內(nèi)輻射帶不同軌道高度下,質(zhì)子、電子的積分能譜。隨軌道高度的降低,高能質(zhì)子通量趨于增大。在屏蔽厚度較大時(shí),穿透能力更強(qiáng)的高能質(zhì)子對電離劑量起主導(dǎo)作用,因此劑量峰值出現(xiàn)在高能質(zhì)子通量最大的3000 km 高度左右。

圖2 不同高度軌道的質(zhì)子、電子積分能譜Fig. 2 Integral energy spectrum of proton and electron on different orbit altitude

圖3 為3000 km 圓軌道上電子和質(zhì)子的劑量-深度曲線:當(dāng)鋁屏蔽厚度約0.7 mm(0.19 g/cm)時(shí),電子劑量和質(zhì)子劑量相等;隨著鋁屏蔽厚度增加,電子劑量迅速減小,質(zhì)子劑量則下降緩慢;當(dāng)鋁屏蔽厚度超過6 mm(1.62 g/cm)時(shí),總劑量由質(zhì)子主導(dǎo),電子劑量已小于400 rad(Si),只占總劑量的0.2%以下,可忽略不計(jì)。

圖3 3000 km 圓軌道的劑量-深度曲線Fig. 3 Dose-depth curves on 3000 km circular orbit

圖4 為3000 km 圓軌道、GEO 和導(dǎo)航衛(wèi)星軌道的劑量-深度曲線對比:當(dāng)總劑量限值為100 krad(Si)時(shí),3000 km 圓軌道所需的鋁屏蔽厚度約為GEO的7 倍??梢姡瑢τ趦?nèi)輻射帶軌道輻射環(huán)境,使用傳統(tǒng)的鋁屏蔽效果十分有限,須采用對質(zhì)子屏蔽效率更高的材料予以替代。

圖4 3000 km 圓軌道、GEO、導(dǎo)航衛(wèi)星軌道的劑量-深度曲線對比Fig. 4 Total dose-depth curves on 3000 km circular orbit,GEO, and navigation satellite orbit

電子、質(zhì)子是近地空間中總劑量效應(yīng)的主要來源,二者與物質(zhì)相互作用的規(guī)律和特點(diǎn)不同。

電子與物質(zhì)相互作用包括彈性散射、非彈性散射及軔致輻射,在彈性散射和非彈性散射過程中,單位質(zhì)量厚度下的能量損失大致分別與屏蔽材料的/和/成正比,其中為屏蔽材料的原子序數(shù),為屏蔽材料的原子質(zhì)量數(shù);軔致輻射會產(chǎn)生次生光子,其截面亦與屏蔽材料的/正相關(guān)。對于GEO 和導(dǎo)航衛(wèi)星軌道,總劑量主要由輻射帶電子及次級軔致輻射光子主導(dǎo),采用低原子序數(shù)材料吸收電子輻射、高原子序數(shù)材料吸收軔致輻射是較好的屏蔽手段,典型的屏蔽結(jié)構(gòu)為Fan 等采用的低-高-低原子序數(shù)材料三明治屏蔽結(jié)構(gòu),可在相同質(zhì)量厚度下比單層鋁的屏蔽效能提升60%。

質(zhì)子在材料中主要通過彈性散射和非彈性散射損失能量。對于能量超過1 MeV 的質(zhì)子,非彈性散射,即電離作用占其能量損失方式的99%以上。質(zhì)子的電離能量損失率可由Bether 公式表示為

2 內(nèi)輻射帶質(zhì)子屏蔽蒙特卡羅模擬

2.1 電子、質(zhì)子能量損失特點(diǎn)

其中:和為入射粒子的電荷和速度;為入射粒子原子序數(shù);和為屏蔽材料的原子密度和原子序數(shù);為電子靜止質(zhì)量;為屏蔽材料的原子電離勢。

由式(1)可知,大致與成正比,若將轉(zhuǎn)化為吸收材料的質(zhì)量厚度,則有

其中:為屏蔽材料的質(zhì)量密度;為阿伏加德羅常數(shù)。由式(1)、式(2)可知,單位質(zhì)量厚度下荷質(zhì)比高的材料對質(zhì)子的阻止能力更強(qiáng),因此應(yīng)采用富含氫元素的材料對質(zhì)子進(jìn)行屏蔽。

2.2 不同屏蔽材料蒙特卡羅模擬

蒙特卡羅模擬程序是用于模擬粒子在材料中輸運(yùn)過程的工具包,廣泛應(yīng)用于高能物理、加速器物理、醫(yī)學(xué)及空間科學(xué)等領(lǐng)域。本文利用Geant4蒙特卡羅模擬程序計(jì)算了不同屏蔽材料對3000 km軌道質(zhì)子輻射劑量的屏蔽效能,選用的屏蔽材料分別為單層Al、Ta、聚乙烯(PE)、環(huán)氧樹脂(EP)以及Al-Ta-Al 三明治屏蔽結(jié)構(gòu)。其中:Al 為傳統(tǒng)的衛(wèi)星艙壁、單機(jī)機(jī)殼所用材料;Ta 為高密度、高原子序數(shù)屏蔽材料,常用于惡劣環(huán)境下的輻射屏蔽;PE、EP 為高荷質(zhì)比的候選屏蔽材料;Al-Ta-Al 三明治屏蔽結(jié)構(gòu)中,參照Fan 等采用的結(jié)構(gòu),將后2 層的Ta 和Al 厚度分別固定為0.25 mm(0.416 g/cm)和0.125 mm(0.034 g/cm)。模擬采用的粒子源通過Geant4 內(nèi)置的粒子源定義,為全向入射的面源,物理過程包括標(biāo)準(zhǔn)電磁相互作用過程和強(qiáng)子物理過程,抽樣粒子數(shù)為10個(gè),計(jì)算模型如圖5 所示。

圖5 不同屏蔽材料屏蔽效能模擬計(jì)算模型Fig. 5 Sketch map of shielding structure, (a) single-layer shielding (b) sandwich shielding structure

圖6 為上述所選不同屏蔽材料的質(zhì)子劑量-深度曲線,為直觀比較相同質(zhì)量下不同材料的屏蔽效率,橫軸單位采用質(zhì)量厚度g/cm??梢钥吹?,對于3000 km 高度軌道,Al-Ta-Al 三明治結(jié)構(gòu)的屏蔽能力低于單層Al 屏蔽,含氫量最高的PE 屏蔽能力最佳,EP 次之,而低荷質(zhì)比的單層Ta 屏蔽能力最差。

圖6 不同屏蔽材料的質(zhì)子劑量-深度曲線Fig. 6 Dose-depth curve for different shielding materials

圖7 為經(jīng)1.5 g/cm的不同屏蔽材料屏蔽后的質(zhì)子微分能譜。可以看到,與劑量-深度曲線類似,PE 和EP 屏蔽條件下透射質(zhì)子數(shù)最小,Ta 屏蔽條件下透射質(zhì)子數(shù)最大。

圖7 經(jīng)1.5 g/cm2 的不同屏蔽材料屏蔽后的質(zhì)子微分能譜Fig. 7 Energy spectrum of proton behind 1.5 g/cm2 Al, PE,EP, Ta, Al-Ta-Al shielding

在指定劑量限值條件下,使用PE 屏蔽明顯比其他材料節(jié)省重量。以型號任務(wù)對器件的典型抗輻射要求——30 krad(Si)為例,列出不同屏蔽材料將總劑量降低至30 krad(Si)所需的質(zhì)量厚度及對應(yīng)幾何厚度,如表1 所示。由前文可知,當(dāng)屏蔽厚度大于6 mm 等效鋁時(shí),電子劑量小于1 krad(Si),因此表1 中忽略電子劑量影響。

表1 不同屏蔽材料將總劑量降低至30 krad(Si)所需的厚度Table 1 Thickness required to reduce the total dose below 30 krad(Si) with different materials

由表1 可見,對于高度3000 km,5 年壽命的圓軌衛(wèi)星,若要將總劑量降至30 krad(Si)以下,使用PE 屏蔽可比Al 屏蔽減重28%。

2.3 次級輻射

次級輻射是屏蔽中需要考慮的重要因素,對于電子屏蔽,主要的次級輻射為軔致輻射;對于質(zhì)子屏蔽,軔致輻射可忽略不計(jì),主要次生射線為中子。次生中子會引發(fā)位移損傷、單粒子效應(yīng)等,且難以屏蔽。

圖8 為經(jīng)1.5 g/cm的不同屏蔽材料屏蔽后的次生中子微分能譜。能量較高的中子更容易與高原子序數(shù)材料發(fā)生非彈性散射而快速損失能量,因此在單層Ta 屏蔽條件下,高能(約10 MeV 以上)中子注量最低,其他屏蔽材料產(chǎn)生的高能中子注量相近;能量較低的中子更容易與低原子序數(shù)材料發(fā)生彈性散射而損失能量,因此PE 和EP 屏蔽產(chǎn)生的10 MeV 以下次生中子最少。

圖8 經(jīng)1.5 g/cm2 的不同屏蔽材料屏蔽后的次生中子微分能譜Fig. 8 Energy spectrum of secondary neutron produced by protons behind 1.5 g/cm2 Al、PE、EP、Ta、Al-Ta-Al shielding

3 結(jié)束語

本文利用AE9、AP9 模型計(jì)算了近地空間內(nèi)不同軌道高度下的輻射帶粒子環(huán)境和總劑量,分析了內(nèi)輻射帶環(huán)境特征;利用Geant4 蒙特卡羅計(jì)算工具,針對地球內(nèi)輻射帶軌道進(jìn)行了不同屏蔽材料的屏蔽效能計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明:傳統(tǒng)低-高-低原子序數(shù)材料三明治屏蔽結(jié)構(gòu)對于以質(zhì)子輻射為主的內(nèi)輻射帶環(huán)境并不適用,且增加屏蔽厚度對總劑量的減小十分有限;相同質(zhì)量厚度下PE 對質(zhì)子劑量的屏蔽效能最高,且產(chǎn)生的次級輻射最少;對于3000 km 圓軌道,在總劑量限制在30 krad(Si)條件下,使用PE 材料比Al 屏蔽可減重約28%。

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