(完整版)辐射环境及监测

2014 年春季学期研究生课程考核

（结课论文）

考核科目:空间环境与光电系统防护技术学生所在院（系）:航天学院21系

学生所在学科:物理电子学

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学号:13S121013

学生类别:非委培

考核结果阅卷人

辐射环境监测

引言

航天器在轨期间将受到各种空间环境因素的强烈作用。空间环境因素多种多样,主要有电磁辐射、带电粒子辐射、高真空、冷黑环境、原子氧侵蚀以及微流星和空间碎片的撞击等。会对航天器表面材料的性能产生很大的影响，尽管 30 多年的载人太空飞行积累了大量的空间辐射数据, 但仍然不能完全确定航天员在太空中所受到的辐射风险。这主要是由于空间辐射环境的复杂性, 例如航天任务持续时间、太阳活动周期的特定阶段、太阳粒子事件的次数和强度、防护层情况以及低地轨道高度和倾角等因素都会产生不同的辐射影响。因而, 空间辐射测量工作仍然是辐射防护领域面临的最大挑战之一。

关键词：空间辐射环境 辐射环境检测 国内外辐射环境检测

一．空间辐射环境简介

1.1 空间辐射来源

在 LEO 轨道（低地轨道）中，辐射的来源主要有 3 种：

(1)太阳粒子事件( SPEs);

电离辐射的一个主要来源是在太阳耀斑和日冕物质抛射( CME) 期间由太阳发射出的几乎完全电离的等离子体, 包括质子、电子和原子序数直到铁的重离子。这种等离子体流也叫太阳风, 其导电性很强, 在太阳系中形成行星际磁场( IMF) 。从空间辐射健康角度看, 我们最关心的是质子, 这是由于质子所占比例大及高能量。这样的太阳粒子事件主要集中在太阳 11 年周期的太阳活动极大年期间, 而在太阳活动极小年发生次数相对较少。太阳粒子事件有不同的定义, 主要区别是质子通量不同。把质子能量大于 30 MeV 、通量大于2610-cm 或 26cm 10*3-或 2710-cm 的事件叫太阳粒子事件。SPEs 事件发生的频率不固定, 但在一个太阳周期大约发生 50 次左右。严重的太阳粒子事件是指质子能量大于 30 MeV 、通量大于 21010-cm 的事件。这样大规模的事件一个周期大约会发生一二次。有记录的最大的 SPEs 事件之一发生在 1972 年 8 月, 恰好发生在阿波 罗 16 和阿波罗 17( Apollo) 执行月球任务间隙。如果在此事件期间, Apollo

飞船处在往返月球途中, 航天员很可能会遭受致命的急性辐射疾病。

(2)银河系宇宙射线( GCRs);

银河系宇宙射线是来自太阳系以外的带电粒子, 在整个行星际空间的分布被认为是相对稳定、各向同性的。GCRs 粒子的能谱范围很宽, 在几十到1012MeV 之间。如果不考虑地球磁场的影响, 能量越高的粒子, 其通量也越低。在太阳系, GCRs 粒子的能谱峰值在 1 GeV 左右。GCRs 包含 98%的质子和重离子及 2%的正负电子。高能重离子(HZE), 尤其是相对富含的铁离子具有很高的线性能量传递(LET)和很强的穿透性, 其辐射损伤能力非常强。能量在 1 GeV 以下的 GCRs 粒子通量受到太阳活动周期的影响。在太阳活动极大年, 太阳风最强, IMF 磁场也最强, 此时通量被削弱的程度最大; 在太阳活动极小年, 通量被削弱的程度最小。

在赤道附近地磁磁场线平行于地球表面, 大部分带电荷能粒子被地磁场所偏转。而在地磁场的南北极,由于磁场线垂直于地球表面, 高纬度的 GCRs 粒子就能沿着磁力线进入两极。因此, LEO 航天器在通过两极时受到的 GCRs 辐射通量最大, 在赤道时最小。

(3)地球磁场捕获的荷能电子和质子, 组成地球的辐射带( ERBs).

1.2空间辐射环境模型

(1)SPEs 模型：一般来说, SPEs 粒子通量是随机性的, 因此必须用统计的方法进行处理。

(2)GCRs 模型：关于计算 GCRs 通量的模型, 早期的 CREME 模型已经被更新的模型取代, 包括 Badhwar 和 O′Neill 模型( 包含在 SIREST 程序中) 及Nymmik 模型( 包含在 CREME96 程序中) 。这些新的模型是基于太阳调制作

用的扩散和对流理论。对于太阳活动极大年和极小年的 GCRs 质子通量峰值, SIREST 程序预测的要比CREME96 程序预测的高 3 倍。原因尚不清楚, 部分原因可能是二者使用不同的地磁场函数。

(3)ERBs 模型：ERBs 模型现在主要还是基于 NASA 的静态 AE- 8 电子和 AP- 8 质子模型, 这也是事实上的标准模型。其中 AP8 模型有 2 个版本, 即 AP8- MIN 和 AP8- MAX, 分别用于模拟太阳活动极小年和极大年的质子辐射带。这 2 个版本的模型都是全向模型, 即它们只能提供所有方向的平均统计质子通量谱,

而不能给出各向异性的结果。其他质子全向模型还有 PSB97、CRRESPRO 和NOAAPRO。这些模型也可从 SPENVIS 网站得到。

AP8 能模拟所有高度和倾角的轨道的质子能谱, 然而会低估较低高度处的高能质子通量。模型所基于的高能质子测量数据也比较缺乏。此外在较低高度处, AP8 模型主要基于外推的结果。PSB97 模型能模拟在太阳活动极小年期间, 轨道低于约 600 km 的质子能谱。CRRESPRO 模型被应用在太阳活动极大年期间, 质子

能量范围直到 100 MeV、高度在 1 000 km 以上的任意倾角轨道的质子通量谱。NOAAPRO 模型能模拟太阳活动周期任意期间的 3 个能量范围的积分通量谱, 大于 16 MeV、大于 36 MeV 和大于 80 MeV, 轨道高度直到 850 km。该模型仅在美国可得到。

(4)次级粒子模型：次级粒子模型一般采用蒙特卡罗方法或者通过解玻尔兹曼方程( Boltzmann) 来建立。最近 NASA 发起并组织多所大学和研究机构, 以进一步发展如下几种辐射粒子在物质中的输运模型及其代码, 它们是 HETC蒙特卡

罗代码、FLUKA 蒙特卡罗代码和 HZETRN 代码。其中 HZETRN 代码是基于解一维玻尔兹曼方程。Geant4是基于 3D 蒙特卡罗方法的通用粒子输运工具箱, 是由ESA、CERN 和很多大学与研究机构合作的成果。蒙特卡罗程序 SHIELD是 1994 年由 Dementyev 和 Sobolevsky 基于俄罗斯著名的核反应模型推出的强子传输程序。

1.3空间放射量的测定

搭载在载人航天器上的用于辐射测定的探测器设备, 按工作原理可以分为两类: 无源探测器和有源探测器。

（1）无源探测器固有的优点是体积小、质量轻、安全、易操作及零功耗。无源探测器通常用于测量航天员所受的辐射, 并且几乎每个航天员都配戴至少一个无源探测器。用于空间辐射测量的无源探测器主要有两类: 热致发光探测器和固态核痕迹探测器。

（2）有源探测器的优点就是能够提供实时或时间分辨的数据, 而且数据分析处理方便快捷。得益于微电子技术的进步, 数据存储能力的增加和长寿命电池的出现, 有源探测器现在发展得越来越适合在空间使用了。