高能宇宙射线对航天落月探测的影响

高能宇宙射线对航天落月探测的影响

几千年来，中国人就已经给月亮编织了一个美丽的故事---嫦娥奔月，古往今来我国对探索月球有着矢志不渝的追求。2004年，中国正式开展月球探测工程，并命名为“嫦娥工程”。嫦娥工程分为“无人月球探测”“载人登月”和“建立月球基地”三个阶段。2007年10月24日18时05分，“嫦娥一号”成功发射升空，在圆满完成各项使命后，于2009年按预定计划受控撞月。2010年10月1日18时57分59秒“嫦娥二号”顺利发射，也已圆满并超额完成各项既定任务。2012年9月19日，探月工程正在进行嫦娥三号卫星和玉兔号月球车的月面勘测任务。嫦娥四号是嫦娥三号的备份星。嫦娥五号主要科学目标包括对着陆区的现场调查和分析，以及月球样品返回地球以后的分析与研究。为圆满完成嫦娥奔月工程的预期计划，我们必须考虑到太空中高能宇宙射线对航天落月探测的影响，为此我们必须了解什么是宇宙射线和高能宇宙射线，宇宙射线源于何处，宇宙射线的能谱及相互作用等等有关的信息，并且学会用MCNPX（ Monte Carlo N-Particle Transport Code System )软件来模拟月球表面探测器着陆的情景。该软件是用Monte Carlo方法来模拟多粒子系统中的粒子输运问题。这次我们主要是考虑太阳大爆发是发射出许多的高能宇宙射线，其中包括质子、光子、电子等。我们主要考虑的是高能宇宙射线中的质子在发射到月球表面时对航天落月探测的影响，经过一系列的研究发现，当太阳大爆发时发射的高能宇宙射线对航天落月探测是有很大的影响的。我们必须认真对待，进一步为我国的航天事业做出贡献。

宇宙射线是从地球外射来的射线，它的成分很复杂，但不外乎是由各种原子核组成的高速带电的粒子流，其中最主要的成分是质子。宇宙射线的强度很弱，在大气层以外，每秒钟穿过每一平方厘米的面积的粒子数大约只有一个，虽然它的强度比较弱，但组成宇宙射线粒子流的每个粒子的动能却非常高，他们都几乎以光速相等的速度运动，能量最低粒子也具有2×109电子伏特的动能。那这种强大的宇宙射线是由什么组成的呢？根据科学家用威尔孙云室和计数器在高空探测的结果得知，初级宇宙射线是由带正电的高能量的粒子组成的，其中大约有80％是质子，20％是ɑ离子。此外，还有及少量的大约1％包含从锂到铁各种质量较大的原子核；初级宇宙射线进入大气层以后，与大气中的原子核相互作用产生一系列新的粒子，这些粒子的射线束称做次级宇宙射线，这样就构成了全部的宇宙射线。然而这些来自宇宙的高能宇宙射线虽然对我们搞清物质结构和粒子的

特性都有很大的价值，以及宇宙射线的研究对了解其他星球上的物质的成分，星球所产生的磁场的特性和天文学上的一些基本问题，都有着很重要的意义。但是这些高能的宇宙射线对于我们在“嫦娥工程”中所进行的落月探测计划带来一定的风险，因此为了我国在月球探测计划的顺利进行，我们必须搞清楚这些来自宇宙中的高能宇宙射线对航天落月探测到底有什么影响和危害，而初级宇宙射线中质子约占80％，为了解决这一个问题，我们主要考虑宇宙射线中质子对航天落月探测的影响，因此我们可以在计算机上进行一个模拟计算，建立一个类似在月球表明上落月探测器着陆的一个模型来计算太空中的宇宙射线对航天落月探测的影响。这个计算机模拟需要用到一个MCNPX软件，该软件是用Monte Carlo 方法来模拟多粒子系统中的粒子输运问题，Monte Carlo方法是一种随机过程方法，它并不是严格去求解一些物理方程，而是通过模拟单粒子在介质中的随机运动过程，然后将大量粒子的平均结果作为系统结构的近似，给出粒子系统在介质中输运的最后结果。由我们所测得到的数据从而进行分析研究可以定量的给出宇宙射线中的质子对于航天落月探测的影响，这不仅对于我国航天事业有着极大的促进作用，彰显大国实力的真实写照，也对人类未来进一步探索宇宙有着重要的意义。

二、宇宙线物理

2.1 宇宙线

2.1.1 宇宙线的发现

1900年，科学家在研究大气的导电性的时候，无意中发现在没有放射源且又屏蔽的很好的情况下，验电器总是缓慢的泄露静电。这个现象表明，一定存在有一种穿透力极强的射线，并且它不是来自于地下的放射性物质。

奥地利物理学家赫斯（Victor Franz Hess)首先揭示了这种神秘射线的地外本质。在1912年的夏天，南欧地区晴空万里，赫斯乘坐热气球到达5000米的高空，气球携带的电离室测量发现空气的导电率比在地面上增加了好几倍，赫斯认为这是来自地球之外的辐射造成的[1]。1913年，科赫斯特（Werner Kolhorster)也乘坐热气球来到了距离地面9300米的高空。测得的电离度比地面大了6倍，这再次验证了赫斯的实验结果[2]。1926年密立根（Robeert Millikan）第一次将这种来自地球之外的辐射命名为“宇宙线”，这便是宇宙线名称的由来。1927年克莱（Jacob Clay）发现了宇宙线的“纬度效应”[3]，即不同纬度上的宇宙线的强度会发生变化，到1932年康普顿（Arthur Holly Compton）同样多次测量了“纬度效应”[4]。从而证明了宇宙线中含有带电粒子，后来又发现了“东

西效应”，证明宇宙线中主要是带正电的粒子。1929年斯科贝尔琴（Dmitri Skobeltsyn）利用云雾室记录下了第一批宇宙线的径迹。

2.1.2 宇宙线与粒子物理

宇宙线的发现给了粒子物理学家的研究各种粒子奠定了基础。在加速器没有出现的时候，宇宙线一直是各种基本粒子的重要来源。1932年安德森（Carl David Anderson）利用云雾室发现了狄拉克之前在理论上预言过的正电子[5]，如图2.1所示。1933年罗西（Bruno Rossi）发现了宇宙线存在两种成分——软成分和硬成分，前者被证明主要是电子，后者到1937年被安德森和他的学生尼德美尔（Seth Neddermeyer）利用云雾室发现，也就是我们现在所说的μ子[6]。1947年鲍威尔（Cecil Powell）利用5500米海拔高度上的核乳胶实验发现了π介子的存在[7]。随后K介子[8]等粒子也先后被人发现。1948年布拉特（Hale Bradt）利用气球载核乳胶以及云室发现了初级宇宙线的重核成分[9]，随后人们发现了宇宙线的核丰度和太阳系的成分很相似，但同时又有着显著的不同。2.2 宇宙线的成分

宇宙线分为初级宇宙射线和次级宇宙射线，其区别在于是否与地球大气层中的原子核发生相互作用。通常我们定义把同大气作用之前的宇宙射线叫做初级宇宙射线，而把与大气中的原子核发生碰撞之后的宇宙射线及各种次生粒子叫做次级宇宙射线。在大气层外观测到的初级宇宙射线的成分主要取决于三个因素：1）星际空间，原初宇宙射线在星际空间传播的过程中与星际气体和磁场发生相互作用；2）太阳系空间，原初宇宙线到达太阳系后会受到太阳风的影响；3)宇宙线的能量。当我们在地面上观测到的宇宙射线中，有一半以上是穿透力极强的质子和μ介子，这一部分被称为硬成分，另外一部分是贯穿性能较弱的μ介子的各种衰变产物，如电子、正电子和γ光子等，这一部分被称为软成分。初级宇宙射线和次级宇宙射线在组成上有很大的不同。初级宇宙射线中有以质子为主的各种原子核以及电子、正电子、中微子及高能光子（X射线和γ射线）。其中质子约占总数的90％，ɑ粒子占9％，其余的原子核多为轻核，原子核的质量越大，其数量就越小，不过也有像铀那样复杂的重核。迄今为止，在初级宇宙射线中已经观测到门捷列夫元素周期表中的大多数元素。