地球同步軌道上真空紫外光電倍增管的高能粒子屏蔽研究

摘要 空間輻射環(huán)境是導(dǎo)致光電倍增管性能衰變甚至失效的主要原因。本文運(yùn)用MULASSIS程序模擬運(yùn)行于地球同步軌道的真空紫外光電倍增管在高能粒子輻射環(huán)境下對(duì)于不同材料以及不同組合的屏蔽效果，并針對(duì)計(jì)算結(jié)果提出優(yōu)化組合。

關(guān)鍵詞 地球同步軌道 紫外 光電倍增管 高能粒子 屏蔽

中圖分類號(hào)：04 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

在日地空間范圍內(nèi)存在著大量的高能粒子，它們主要是銀河宇宙線、太陽宇宙線(也稱太陽質(zhì)子事件)、地球輻射帶粒子，它們構(gòu)成了航天器軌道上高能帶電粒子環(huán)境。在地球同步軌道上，主要威脅來自位于赤道上空的內(nèi)外輻射帶的高能粒子以及太陽宇宙射線。

隨著人類空間活動(dòng)的增加，空間環(huán)境對(duì)技術(shù)系統(tǒng)的影響日益嚴(yán)重。而光電倍增管是空間光學(xué)探測(cè)應(yīng)用的重要探測(cè)器件之一，該器件在星上使用過程中將不可避免會(huì)受到空間高能粒子的影響。航天器內(nèi)部輻射環(huán)境不僅與所處軌道的空間輻射環(huán)境有關(guān)，同時(shí)也與航天器殼體材料與厚度相關(guān)。航天器殼體不僅能阻止部分粒子進(jìn)入艙內(nèi)，同時(shí)對(duì)進(jìn)入艙體內(nèi)的粒子也起到能量衰減改變粒子能譜分布，并且有可能導(dǎo)致次級(jí)粒子的產(chǎn)生。

而根據(jù)探測(cè)需求，測(cè)量對(duì)象為真空紫外光，陰極材料為碘化銫，窗口材料為氟化鎂。高能粒子對(duì)真空紫外光電倍增管的影響有總劑量效應(yīng)。總劑量效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光譜響應(yīng)特性的改變，當(dāng)累積的劑量超過器件允許劑量時(shí)，會(huì)使電子器件的性能參數(shù)迅速衰退，造成其性能或功能完全下降，直至功能全部喪失。所以對(duì)于微弱光進(jìn)行探測(cè)的真空紫外光電倍增管，如果沒有合適的屏蔽措施，空間高能粒子的影響可能導(dǎo)致光電倍增管無法正常工作。

1 空間高能粒子環(huán)境模擬

本文運(yùn)用歐空局的空間環(huán)境信息系統(tǒng)SPENVIS(TheSpace Environment Information System)軟件模擬地球同步軌道空間環(huán)境。具體參數(shù)設(shè)置為：運(yùn)行周期為4年；輻射帶模型選擇美國國家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心(NSSDC)編制的AP-8 Max和AE-8Max模型，太陽質(zhì)子模型選用的是NASA編制ESP，PSYCHIC模型。運(yùn)用SHIELDOSE2計(jì)算在高度為800km的地球同步軌道上的沉積于Sj靶材中的劑量與鋁的深度關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知，在地球同步軌道上，高能粒子作用產(chǎn)生的總劑量高達(dá)109rad(si)。電子對(duì)總劑量的貢獻(xiàn)最大。韌致輻射不隨厚度的增加而減少。捕獲質(zhì)子對(duì)于輻射劑量幾乎沒有貢獻(xiàn)，說明在此軌道上捕獲質(zhì)子能量和通量都比較小。太陽質(zhì)子能量較高部分產(chǎn)生的二次粒子不易屏蔽。綜合各種因素考慮，處于地球同步軌道上運(yùn)行的紫外光電倍增管主要應(yīng)考慮屏蔽捕獲電子。

2 屏蔽材料及模擬計(jì)算

電子在物質(zhì)中的輸運(yùn)是幾個(gè)物理過程的復(fù)雜函數(shù)，其中最主要的過程是：(1)與原子核外電子的非彈性碰撞；(2)與原子核的彈性散射；(3)產(chǎn)生韌致輻射光子。對(duì)于質(zhì)子，其與電子相互作用表現(xiàn)形式為束縛電子的激發(fā)和電離。質(zhì)子與和核相互作用要考慮到核外電子對(duì)核庫侖勢(shì)的影響，主要是彈性碰撞。除了上述兩種相互作用外，在高能質(zhì)子入射的情況下，還包括核反應(yīng)過程。通過理論計(jì)算可知，高原子序數(shù)的材料能有效的阻止帶電粒子的透過，但是產(chǎn)生韌致輻射；而低原子序數(shù)的屏蔽材料則更有效的阻止質(zhì)子。所以綜合各自的特點(diǎn)，選用合適的組合能使屏蔽優(yōu)化。考慮所使用的環(huán)境，一般輕材料以鋁為代表，重材料以鎢為最佳選擇。

本文運(yùn)用IvIULASSIS(multi-layered shielding simulationsoftware)計(jì)算程序進(jìn)行模擬計(jì)算。其原理基于Monte-Carlo方法的GEANT4軟件包，可有效模擬入射粒子以及穿過靶材的剩余粒子與二次粒子與物質(zhì)的相互作用，最后得到各種所需物理量的期望值和相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)誤差。根據(jù)之前的SPENVIS程序輸入的軌道參數(shù)，運(yùn)用MULASSIS程序，選用平板形模型，模擬入射粒子為105個(gè)，方向角為0°到90°，得到AlW在各軌道高能粒子輻射下的劑量深度曲線如圖2，劑量深度曲線

圖2中縱坐標(biāo)表示運(yùn)行為期四年的高能粒子輻射產(chǎn)生的總劑量，橫坐標(biāo)表示A1的等效厚度。由圖可見，在該軌道上劑量深度曲線的起始階段，金屬W的吸收效果比A1好，但是w比Al的韌致輻射高，因而在曲線的后半段，w的吸收劑量高于A1。

考慮到所使用光電倍增管的特性，輻射劑量應(yīng)在103rad的上下。對(duì)于地球同步軌道選用單一的材料等效的Al厚度約為7mm，在此厚度下以置于屏蔽材料后的lmmSi中的吸收劑量作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。由于各自的特點(diǎn)，綜合高能電子和高能質(zhì)子的輻射影響的考慮，為了達(dá)到在可接受的劑量?jī)?nèi)屏蔽質(zhì)量最小，嘗試分別采用單一材料，以及將A1和w按一定的方式復(fù)合成雙層和三層來屏蔽，來考量屏蔽效果。計(jì)算數(shù)據(jù)是按照每次增加lmm的Al的等效厚度。下面是分別用單層，雙層和三層屏蔽結(jié)果。

對(duì)于地球同步軌道而言，最佳屏蔽組合為Al在上W在下，厚度分別為6mm和0.13989mm。在此屏蔽條件下最后劑量為7.16×10rad(Si)。達(dá)到了屏蔽的需要。綜合考慮高能粒子輻射，則劑量與結(jié)構(gòu)厚度并非線性關(guān)系，而是基于高能粒子與物質(zhì)相互作用的各種因素，在一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)下才有最好的效果。

3 結(jié)論

從以上模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，而在地球同步軌道上則主要考慮電子帶來的輻射劑量。對(duì)于電子的屏蔽，采用A1在上層W在下層的屏蔽結(jié)構(gòu)優(yōu)于其他組合。其原因可能是由于A1能使電子減速，然后再經(jīng)過W就產(chǎn)生較少的韌致輻射。而高能質(zhì)子的屏蔽最終的沉積劑量并不是隨屏蔽厚度的增加而一直減少，是由于低能部分質(zhì)子被屏蔽層擋住，但是能量較高的部分會(huì)直接穿透屏蔽層。所以高能質(zhì)子輻射的二次粒子是總劑量效應(yīng)的主要原因。并且對(duì)于多層屏蔽時(shí)不同配比與劑量也不是呈線性的關(guān)系，而是在某一特定厚度的組合才能達(dá)到最好的效果。這是因?yàn)橘|(zhì)子與物質(zhì)相互作用是彈性碰撞，非彈性碰撞以及核反應(yīng)的綜合作用的結(jié)果。

綜合高能粒子因素，而對(duì)于地球同步軌道而言，采用Al在上W在下，厚度分別為6mm和0.13989mm。在此屏蔽條件將原本為7.76×108rad(Si)的劑量下降為7.16×102rad(Si)。達(dá)到了屏蔽的需要。

參考文獻(xiàn)

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