多層材料空間輻射屏蔽優化分析

曹 洲，高 欣，薛玉雄，楊生勝

(蘭州空間技術物理研究所，真空低溫技術與物理重點實驗室，甘肅蘭州730000)

1 引言

在航天器設計中，針對星用電子部件或器件進行輻射屏蔽防護設計是設計師們所采取的防護措施之一。在上世紀80年代，人們第一次建議將屏蔽技術用于集成電路抗輻射防護設計中，在考慮集成電路輻射屏蔽設計時，在空間輻射環境方面，僅僅考慮了高能電子的影響。在1997年，J.P.Spratt等計算分析了集成電路的封裝材料種類和結構形式對空間輻射環境中高能帶電粒子的屏蔽效果［1］，屏蔽計算采用蒙特卡洛方法，而計算中主要考慮了封裝材料的厚度、種類和邊緣效應的影響。在1998年，B.D.Spieth等［2］計算分析了含有高原子序數(Z)值材料的復合材料結構對空間輻射的屏蔽效果，指出在相同的總劑量屏蔽效果下，含有高Z值材料的復合材料結構比純鋁材料結構可以減輕質量約30%。但在空間輻射屏蔽防護設計的工程應用中，常常仍會遇到這樣的要求，即在一定厚度下，哪種材料對空間高能帶電粒子的屏蔽效果最好［3］，基于一定厚度(或一定質量)材料屏蔽設計的基礎上，有沒有一種通過多層材料的結構組合方式來達到最佳空間輻射屏蔽設計等。這樣的問題仍然是工程設計中需解決的技術難題，為此，利用基于GEANT4軟件包［4］的MULLASIS軟件［5］開展了相關材料的屏蔽效率計算分析，探索不同種類屏蔽材料多層組合方式的屏蔽效果，期望獲得應用于空間輻射環境中的多層材料屏蔽最優結構方式。

2 輻射環境及屏蔽結構

2.1 輻射環境分析

在多層材料屏蔽效果計算分析中，采用SPACE RADIATION空間輻射環境及效應分析計算軟件包，針對低地球軌道(LEO)分別計算了國際空間站運行軌道(高度400 km，傾角51.60)和太陽同步軌道(高度800 km，傾角98.80)高能電子和質子的能量積分譜。計算結果表明，基于AE8模型計算出的低地球軌道高能電子的年積分通量較低［5］，能量高于3.0 MeV的電子年積分通量小于5.7×108。也針對高地球軌道(HEO，GEO)分別計算了地球同步軌道(高度36 500 km，傾角0°)和地球輻射帶中高能電子分布峰區軌道(高度20 000 km，傾角56°)的高能電子和質子的能量積分譜。計算結果表明，基于AP8模型計算出的高地球軌道高能質子的年積分通量較低［6］，在地球同步軌道，能量高于2.0 MeV的質子年積分通量為零;在高度為20 000 km的圓形軌道，能量高于7.0 MeV的質子年積分通量也為零。

2.2 屏蔽結構設計

在多層屏蔽結構設計過程中，主要依據對不同單層材料屏蔽效果計算分析結果，選擇對空間高能電子和質子屏蔽效果最好的鎢作為主屏蔽材料，輔助屏蔽材料選用衛星工程上常用的鋁屏蔽材料。針對這2種材料，設計了不同結構方式的4種多層屏蔽結構。在結構設計中，總的質量厚度保持不變，總質量厚度分別選取1.09 g/cm2、1.35 g/cm2。另外，在多層屏蔽結構設計中，鎢作為主屏蔽材料，其厚度分別保持0.1 mm和0.2 mm 不變。

2.3 MULASSIS 軟件簡介

相對其他帶電粒子在材料中輸運過程計算的軟件包而言，基于GEANT4的MULASSIS軟件的最大特點是可以選擇的物理模型最全［4，5］。采用MULASSIS軟件包對電子和質子在材料中的輸運過程進行計算時，可以根據能量的不同，選擇不同的物理模型進行計算。如針對電磁物理模型(EM)而言，當電子或γ射線的能量高于10.0 keV以上時，采用標準電磁模型(st－EM)進行計算，而當電子或γ射線的能量低于100 eV以下時，則采用低能電磁模型(le－EM)進行計算。

3 計算結果及分析

3.1 多層屏蔽結構計算舉例

現以3層Al－Ti－Al結構為例，說明其對質子屏蔽效果計算分析的基本要求和過程。

(1)太陽同步軌道質子的積分通量計算

在屏蔽效果計算分析中，首先利用Space Radiation軟件包計算出太陽同步軌道質子的積分通量。在計算分析中，有時為了方便數據的輸入，對基于空間輻射環境計算出的有關數據進行數據擬合處理，得出相關參數的解析表達式，圖1給出了太陽同步軌道質子積分通量譜的擬合曲線。

圖1 太陽同步軌道質子的積分通量譜擬合曲線

數據擬合的數學表述:

y=A1*exp(－x/t1)+y0，其中 A1=4.778 3E12，t1=71.091 57。入射質子的主要參數為能量和離子入射角，取入射質子的能量分布為指數分布，按照擬和結果進行計算。

(2)3 層 Al－Ti－Al平板設計

在3層Al－Ti－Al平板屏蔽結構設計中，總厚度為4.0 mm，其中外層的兩層鋁厚度均為1.0 mm，中間鈦層厚度為2.0 mm。三層Al－Ti－Al平板屏蔽結構示意圖如圖2所示。

圖2 3層Al－Ti－Al平板屏蔽結構示意圖

(3)計算結果

計算結果列于表1。

表1 3層 Al－Ti－Al結構對質子屏蔽效果

3.2 多層屏蔽結構計算結果及分析

利用MULYSSIS軟件包，針對幾種屏蔽結構，在保持結構中鎢的厚度為0.1 mm不變的情況下，分別計算了在國際空間站運行軌道(高度400 km，傾角51.6°)、太陽同步軌道(高度800 km，傾角98.8°)、高地球軌道(高度20 000 km，傾角56°)及地球同步軌道(高度36 500 km，傾角0°)輻射環境中，幾種屏蔽結構對電子、質子的屏蔽效果和對二者引起的總劑量的屏蔽效果;計算結果見表2所列，表2中也給出了針對單層Al和W的計算結果。另外，在保持結構中鎢的厚度為0.2 mm不變的情況下，也分別計算了在國際空間站運行軌道(高度400 km，傾角 51.6°)、太陽同步軌道(高度800 km，傾角 98.8°)、高地球軌道(高度 20 000 km，傾角56°)及地球同步軌道(高度36 500 km，傾角0°)輻射環境中，幾種屏蔽結構對電子、質子的屏蔽效果和對二者引起的總劑量的屏蔽效果;計算結果見表3所列。

表2 MULYSSIS軟件計算結果 (鎢材料厚度為0.1 mm)

(續表1)

表3 MULYSSIS軟件計算結果 (鎢材料厚度為0.2 mm)

依據表2和表3給出的計算結果，圖3、圖4和圖5分別給出了不同屏蔽結構對不同軌道總劑量的屏蔽效果。

圖3 多層屏蔽結構計算結果 (鎢材料厚度為0.1 mm)

圖4 多層屏蔽結構計算結果 (鎢材料厚度為0.2 mm)

圖5 多層屏蔽結構計算結果(鎢材料厚度為0.2 mm)

從表2及圖3可以看出，就總劑量屏蔽效果而言，對不同軌道，不同屏蔽結構屏蔽后的劑量分布不同;在主屏蔽材料鎢的厚度保持0.1 mm不變的情況下，對雙層結構A而言，在不同軌道輻射環境下，綜合起來看，其屏蔽效果較好;但3層屏蔽結構方式對太陽同步軌道和20 000 km高軌道輻射環境下的總劑量屏蔽效果最好。另外，從表2及圖3也可以看出，雙層結構A和雙層結構B對總劑量屏蔽效果的主要差異是由于其對高能質子的屏蔽效果不同而引起。同樣，從表3及圖4、圖5可以看出，就總劑量屏蔽效果而言，在主屏蔽材料鎢的厚度保持0.2 mm不變的情況下，在不同軌道輻射環境下，綜合起來看，雙層結構A和3層屏蔽結構方式其屏蔽效果最好。

綜合不同屏蔽結構在不同軌道輻射環境中對高能電子和質子的屏蔽效果看，存在著最佳材料屏蔽結構方式，即高低Z值的材料組合結構可以優化和改善屏蔽效果。在質量厚度一定的條件下，這種最佳材料屏蔽結構方式與所選取高Z值屏蔽材料(如本計算工作中選取的鎢材料)的厚度相關，但一般來講，3層屏蔽結構方式和雙層結構A方式其屏蔽效果最好。在以電子為主的高軌道輻射環境中，最佳屏蔽結構是Al/W/Al 3層屏蔽結構方式。其主要原因是最外層的Al材料首先使大部分能量電子降低了速度，然后中間高Z值材料對軔致輻射產生很大的阻止作用，而最里層Al材料又可以吸收高Z值材料產生的二次電子及軔致輻射，從而形成了一種最佳Al/W/Al 3層屏蔽結構方式。

4 結論

在多層屏蔽結構設計中，主要依據對不同單層材料屏蔽效果計算分析結果，選擇對空間高能電子和質子屏蔽效果最好的高Z值材料鎢作為主屏蔽材料，設計了4種多層屏蔽結構。在結構設計中，總的質量厚度保持不變，總質量厚度分別選取 1.09 g/cm2、1.35 g/cm2。

利用基于GEANT4的MULYSSIS軟件包，針對幾種屏蔽結構，分別計算了4種典型軌道輻射環境中，幾種屏蔽結構對電子、質子的屏蔽效果和對二者引起的總劑量的屏蔽效果;計算結果表明，在不同軌道輻射環境下，存在最優的屏蔽結構方式。在主屏蔽材料鎢的厚度保持0.1 mm不變的情況下，雙層結構A的結構方式屏蔽效果較好，但3層屏蔽結構方式對一定軌道輻射環境下的總劑量屏蔽效果最好。而在主屏蔽材料鎢的厚度保持0.2 mm不變的情況下，在不同軌道輻射環境下，最佳屏蔽結構方式為3層屏蔽結構。

［1］SPRATT J P，PASSENHEIM B C，LEADON R E，et al.Effectiveness of IC Shielded Packages Against Space Radiation ［J］.IEEE Trans Nucl Sci，1997，44(6):2018 ～2025.

［2］SPIETH B D，QASSIM K S，PITTMAN R N，et al.Shielding Electronics Behind Composite Structures［J］.IEEE Trans.Nucl.Sci.，1998，45(6):2752 ～2757.

［3］薛玉雄，曹洲，楊世宇，等.空間質子的輻射屏蔽計算［J］.真空與低溫，2007，13(增刊):338～340.

［4］GEANT4 Homepage［EB/DL］.http://geant4.web.cern.ch/geant4/G4UsersDocuments/.

［5］TRUSCOTT P，LEI Fan，DYER C，et al.Geant4 －A New Monte Carlo Toolkit for Simulating Space Radiation Shielding and Effects［R］.0－7803－6474－0/00/$10.(C00)2000 IEEE.

［6］WILSON J W，KIM M－H，SHINN，et al.Solar Cycle Variation and Application to the Space Radiation Environment［R］.NASA/TP－1999－209369.