載人航天器艙內(nèi)輻射環(huán)境及劑量分析

吳正新，孫慧斌,，何承發(fā)，童永彭，馬玉剛，陸景彬，荀明珠，呼延奇，蔡震波，朱志鵬（. 吉林大學(xué) 物理學(xué)院，長(zhǎng)春 00；. 深圳大學(xué) 核技術(shù)研究所，深圳 58060；. 中國(guó)科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所，烏魯木齊 800；. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 0009）

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載人航天器艙內(nèi)輻射環(huán)境及劑量分析

吳正新1，孫慧斌1,2，何承發(fā)3，童永彭2，馬玉剛1，
陸景彬1，荀明珠3，呼延奇4，蔡震波4，朱志鵬2
（1. 吉林大學(xué) 物理學(xué)院，長(zhǎng)春 130012；2. 深圳大學(xué) 核技術(shù)研究所，深圳 518060；
3. 中國(guó)科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所，烏魯木齊 830011；4. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

摘要：構(gòu)建載人航天器模型，利用Geant4軟件計(jì)算了銀河宇宙射線中的質(zhì)子穿過(guò)載人航天器后在水模體中的總吸收劑量以及次級(jí)粒子吸收劑量，并且統(tǒng)計(jì)了不同種類的次級(jí)粒子在水模體中的總數(shù)量分布。計(jì)算結(jié)果表明，次級(jí)粒子引起的輻射劑量所占比例為50%，且二次電子總數(shù)量達(dá)到了107量級(jí)。

關(guān)鍵詞：吸收劑量；銀河宇宙射線；載人航天器；屏蔽材料；蒙特卡羅方法；數(shù)值分析

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0　引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的載人深空探索活動(dòng)將集中于月球以及火星甚至更遠(yuǎn)的空間區(qū)域，航天器將會(huì)遭遇與近地軌道不同的輻射環(huán)境。由于失去了地磁場(chǎng)的保護(hù)，航天器直接暴露在銀河宇宙射線與太陽(yáng)粒子輻射環(huán)境中。太陽(yáng)粒子事件具有偶然性，與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)，相對(duì)于宇宙射線來(lái)說(shuō)更容易防護(hù)[1]；而銀河宇宙射線中，質(zhì)子占約87%[2]，這些質(zhì)子會(huì)危及航天器壽命以及航天員的生命健康，因而研究高能質(zhì)子的輻射屏蔽效應(yīng)非常有必要。瑞典D. Mancusi以及意大利A. Bertucci等人[3-4]對(duì)能量為1GeV的質(zhì)子做了大量實(shí)驗(yàn)，通過(guò)研究質(zhì)子在航天器材料中的劑量深度分布來(lái)考察質(zhì)子的輻射屏蔽效應(yīng)。本文主要研究高能質(zhì)子穿過(guò)航天器外殼屏蔽材料后在水模體中的劑量深度分布：水模體的吸收劑量代表了穿過(guò)航天器艙壁材料之后初始射線以及次級(jí)射線在艙內(nèi)的總能量沉積，而航天器外殼屏蔽材料中的劑量深度分布代表的是射線在外殼及屏蔽材料中的能量沉積，并不能反映艙內(nèi)航天員的輻射損傷。因此，本文通過(guò)三維的蒙特卡羅程序Geant4建立簡(jiǎn)易載人航天器模型時(shí)，在屏蔽材料之后設(shè)置了一個(gè)水模體來(lái)模擬人體組織，以獲得水模體中的劑量深度分布曲線，然后采用積分的方法可以獲得高能質(zhì)子在水模體中沉積的總能量以及次級(jí)粒子引起的能量沉積。

1　Geant4程序與載人航天器模型

1.1Geant4程序介紹

Geant4[5-8]是基于C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的一款開(kāi)源軟件，它是由歐洲核子中心與日本高能所主導(dǎo)，大約100多位科學(xué)家參與完成的一款蒙特卡羅程序包，其主要特點(diǎn)是采用面向?qū)ο笠约邦惖母拍顦?gòu)建數(shù)據(jù)模型，通過(guò)編寫C++代碼調(diào)用合適的物理包，最后統(tǒng)計(jì)所需要的數(shù)據(jù)。Geant4包括許多內(nèi)置的和用戶編制的精細(xì)物理模型，常用的粒子與物質(zhì)相互作用的物理過(guò)程有電磁相互作用和強(qiáng)相互作用：電磁相互作用包括多次散射、電離、光電效應(yīng)、軔致輻射等過(guò)程；強(qiáng)相互作用包括彈性散射、非彈性散射和原子核嬗變。Geant4模擬的粒子種類繁多，幾乎包括了自然界中的所有粒子。總之，相對(duì)于其他蒙特卡羅軟件，Geant4具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，因而在高能物理、重離子治療以及空間輻射效應(yīng)等研究中都有著廣泛的應(yīng)用。

1.2載人航天器模型

航天員的人體輻射劑量效應(yīng)分析是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，將真正的人體作為對(duì)象研究輻射粒子的能量沉積，目前并不是一個(gè)可行的辦法。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，按照國(guó)際上通用的方法，用水模體代替人體復(fù)雜的生物組織。水是人體的重要組成部分，構(gòu)成人體中大約70%的重量和血液中約83%的重量，研究表明，水在質(zhì)量密度、電子密度和原子序數(shù)上都與肌肉組織非常接近，因而將水作為等效人體組織是可行的。

模擬計(jì)算時(shí)選取的模型為簡(jiǎn)易圓柱體殼形航天器[9]（見(jiàn)圖1），是典型空間航天器通用模型，其內(nèi)半徑為50cm，高為50cm。其中綠色代表多層航天器外殼材料，藍(lán)色代表水模體（為直徑30cm、高30cm的圓柱體）。表1是簡(jiǎn)易航天器外殼材料的成分[9]，圖1還給出銀河宇宙射線質(zhì)子穿過(guò)航天器外殼材料的粒子徑跡。可以看出，當(dāng)高能量的質(zhì)子與飛行器外殼相互作用時(shí)，會(huì)激發(fā)出大量的次級(jí)射線，其中綠線、紅線、藍(lán)線分別表示帶正電、負(fù)電以及不帶電的粒子。

表1　簡(jiǎn)易載人航天器外殼材料成分Table1　The composition of spacecraft’s external structural material

圖1　簡(jiǎn)易載人航天器模型及穿越粒子徑跡Fig. 1　Model of manned spacecraft and the pass-through charged particles

銀河宇宙射線質(zhì)子通量占了整個(gè)銀河宇宙射線的87%，因而選取質(zhì)子作為典型宇宙射線，其能譜由美國(guó)NRL主導(dǎo)編制的 CREME96模型獲得，計(jì)算了太陽(yáng)活動(dòng)周期為1年的銀河宇宙射線質(zhì)子微分能譜（將1977年太陽(yáng)活動(dòng)極小年時(shí)作為參考時(shí)期），如圖2所示[2]。模擬計(jì)算時(shí)，調(diào)用Geant4中的通用源GPS功能。

圖2　銀河宇宙質(zhì)子能譜Fig. 2　GCR proton energy spectrum

2　模擬結(jié)果與討論

2.1模擬結(jié)果

本文在模擬計(jì)算中，調(diào)用了Geant4中電磁相互作用物理包以及強(qiáng)相互作用物理包：選取的電磁作用為Opition3物理包，該模型對(duì)光子、電子、離子等與靶原子作用都有較好的輸運(yùn)；強(qiáng)相互作用調(diào)用Geant4中自帶的QGSP_BIC_HP[10]物理包，該物理包囊括了原子核內(nèi)級(jí)聯(lián)、核粒子蒸發(fā)、復(fù)合核、衰變等基本的核反應(yīng)過(guò)程，能跟蹤次級(jí)質(zhì)子、中子以及其他帶電粒子。因而當(dāng)高能質(zhì)子與飛行器外殼材料發(fā)生相互作用時(shí)，該物理包能較好地處理質(zhì)子、中子等等次級(jí)粒子的輸運(yùn)，從而保證計(jì)算結(jié)果的正確性。圖3為計(jì)算出的銀河宇宙射線質(zhì)子穿過(guò)載人航天器艙后在水模體中的總劑量深度分布及次級(jí)粒子劑量深度分布；圖4為水模體總的吸收劑量與次級(jí)粒子吸收劑量直方分布；圖5是銀河宇宙射線質(zhì)子穿過(guò)航天器在水模體中產(chǎn)生的不同次級(jí)粒子數(shù)量。

圖3　GCR質(zhì)子穿過(guò)航天器在水模體中的總劑量與次級(jí)粒子劑量深度分布Fig. 3　Dose-depth distribution of total and secondary particles in the water phantom when GCR protons pass through the spacecraft

圖 4　水模體吸收總劑量與次級(jí)粒子劑量直方分布Fig. 4　Histogram of total dose and secondary particle dose distributions in the water phantom

圖5　GCR質(zhì)子穿過(guò)航天器在水模體中產(chǎn)生的不同次級(jí)粒子數(shù)量Fig. 5　The different secondary particles generated in the water phantom when GCR protons pass through the spacecraft

從圖3中可以看出，總的吸收劑量隨著水模體深度的增加變化平緩，次級(jí)粒子引起的劑量分布與總劑量分布曲線類似。從圖4中可得出，次級(jí)粒子引起的吸收劑量所占比例達(dá)到50%，因此這部分吸收劑量不可忽視。從圖5中可以看出，銀河宇宙射線質(zhì)子穿過(guò)航天器后，與航天器外殼材料相互作用，產(chǎn)生次級(jí)粒子數(shù)量最多可達(dá)到107量級(jí)。

2.2討論

高能質(zhì)子與航天器外殼材料碰撞涉及的物理過(guò)程復(fù)雜，主要包括3種相互作用：電磁相互作用，放射性衰變作用，強(qiáng)相互作用。

1）電磁相互作用

主要是指初始粒子與靶核作用，當(dāng)粒子靠近靶核時(shí)，速度降低，傳遞能量，進(jìn)而損失能量。

2）放射性衰變作用

入射粒子通常為銀河宇宙射線或者太陽(yáng)質(zhì)子，當(dāng)粒子能量大于1GeV時(shí)，可能產(chǎn)生次級(jí)中子與次級(jí)介子；不帶電的介子會(huì)衰變成光子，光子又能產(chǎn)生電子；而帶電的介子會(huì)衰變?yōu)棣套樱套永^而又衰變?yōu)檎?fù)電子。

3）強(qiáng)相互作用

空間環(huán)境中含有的射線種類復(fù)雜，特別是當(dāng)能量較高的宇宙射線穿過(guò)靶核時(shí)，會(huì)發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生各種不同的次級(jí)粒子。例如當(dāng)高能量的質(zhì)子或者中子與靶核反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生靶核碎片；靶核碎片與飛船屏蔽材料發(fā)生非彈性散射，繼而產(chǎn)生大量的中子；中子不斷地累加，進(jìn)入飛船內(nèi)會(huì)嚴(yán)重威脅航天員的健康。總之，進(jìn)入航天器艙內(nèi)的次級(jí)輻射環(huán)境極其復(fù)雜。銀河宇宙射線質(zhì)子入射航天器后，與航天器外殼材料相互作用發(fā)生核反應(yīng)，因其能量較高，產(chǎn)生大量的次級(jí)粒子，與總吸收劑量相比，次級(jí)粒子引起的吸收劑量也較大。另外，因?yàn)榇渭?jí)質(zhì)子與中子隨著屏蔽材料的厚度增加而增加，所以對(duì)高通量的質(zhì)子較難屏蔽。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文利用Geant4構(gòu)建了簡(jiǎn)易三維圓柱體空殼型航天器，模擬計(jì)算了高能量的銀河宇宙射線質(zhì)子與航天器外殼材料相互作用，通過(guò)調(diào)用Geant4中電磁相互作用與強(qiáng)相互作用物理包，得到了高能量的宇宙質(zhì)子穿過(guò)載人航天器后在水模體中的總劑量以及次級(jí)粒子引起的劑量深度分布。計(jì)算結(jié)果表明，次級(jí)粒子引起的劑量占總吸收劑量比例為50%，在水模體的電子總數(shù)量達(dá)到了107量級(jí)。

本文建立的載人航天器模型可為我國(guó)將來(lái)的深空輻射探測(cè)提供借鑒，也可為空間輻射效應(yīng)分析及輻射防護(hù)提供一定的數(shù)據(jù)參考。

致謝

本工作得到了美國(guó)NASA馬歇爾空間飛行中心林子威教授以及復(fù)旦大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)系鄭川老師的幫助與支持，在此一并表示衷心感謝。

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（編輯：閆德葵）

Analysis of radiation environment and its dose within sealed cabin of manned spacecraft

Wu Zhengxin1, Sun Huibin1,2, He Chengfa3, Tong Yongpeng2, Ma Yugang1, Lu Jingbin1, Xun Mingzhu3, Hu Yanqi4, Cai Zhenbo4, Zhu Zhipeng2
(1. College of Physics, Jilin University, Changchun 130012, China;
2. Institute of Nuclear Technology, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China;
3. Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry, China Academy of Sciences, Urumqi 830011, China; 4. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

Abstract:By using the Geant4 toolkit, we have modeled the interaction process of the most abundant galactic cosmic ray particle fluxes(protons)injected into the water phantom in a manned spacecraft model. The total absorbed dose due to the protons and the absorbed dose due to the secondary particles generated by the radiation are estimated, as well as the total number of different kinds of secondary particles. Final results indicate that the proportion of the absorbed dose due to the secondary particles generated accounts for 50% of the total dose, and the total amount of the secondary electrons reaches the order of 107.

Key words:absorbed dose; GCR; manned spacecrafts; shield material; Monte Carlo method; numerical analysis

作者簡(jiǎn)介：吳正新（1987—），男，博士研究生，研究方向?yàn)榭臻g輻射效應(yīng)的蒙特卡羅模擬；E-mail:wuzx13@mails.jlu.edu.cn。通信作者：孫慧斌（1957—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹宋锢砑昂思夹g(shù)應(yīng)用；E-mail: hbsun@szu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)基金（批準(zhǔn)號(hào)：2012YQ240121）；國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：11575118；11375117）

收稿日期：2015-10-05；修回日期：2016-03-12

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.02.007

中圖分類號(hào)：TL99

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-1379(2016)02-0154-04