多层材料空间辐射屏蔽优化分析

曹 洲，高 欣，薛玉雄，杨生胜

(兰州空间技术物理研究所，真空低温技术与物理重点实验室，甘肃兰州730000)

1 引言

在航天器设计中，针对星用电子部件或器件进行辐射屏蔽防护设计是设计师们所采取的防护措施之一。在上世纪80年代，人们第一次建议将屏蔽技术用于集成电路抗辐射防护设计中，在考虑集成电路辐射屏蔽设计时，在空间辐射环境方面，仅仅考虑了高能电子的影响。在1997年，J.P.Spratt等计算分析了集成电路的封装材料种类和结构形式对空间辐射环境中高能带电粒子的屏蔽效果［1］，屏蔽计算采用蒙特卡洛方法，而计算中主要考虑了封装材料的厚度、种类和边缘效应的影响。在1998年，B.D.Spieth等［2］计算分析了含有高原子序数(Z)值材料的复合材料结构对空间辐射的屏蔽效果，指出在相同的总剂量屏蔽效果下，含有高Z值材料的复合材料结构比纯铝材料结构可以减轻质量约30%。但在空间辐射屏蔽防护设计的工程应用中，常常仍会遇到这样的要求，即在一定厚度下，哪种材料对空间高能带电粒子的屏蔽效果最好［3］，基于一定厚度(或一定质量)材料屏蔽设计的基础上，有没有一种通过多层材料的结构组合方式来达到最佳空间辐射屏蔽设计等。这样的问题仍然是工程设计中需解决的技术难题，为此，利用基于GEANT4软件包［4］的MULLASIS软件［5］开展了相关材料的屏蔽效率计算分析，探索不同种类屏蔽材料多层组合方式的屏蔽效果，期望获得应用于空间辐射环境中的多层材料屏蔽最优结构方式。

2 辐射环境及屏蔽结构

2.1 辐射环境分析

在多层材料屏蔽效果计算分析中，采用SPACE RADIATION空间辐射环境及效应分析计算软件包，针对低地球轨道(LEO)分别计算了国际空间站运行轨道(高度400 km，倾角51.60)和太阳同步轨道(高度800 km，倾角98.80)高能电子和质子的能量积分谱。计算结果表明，基于AE8模型计算出的低地球轨道高能电子的年积分通量较低［5］，能量高于3.0 MeV的电子年积分通量小于5.7×108。也针对高地球轨道(HEO，GEO)分别计算了地球同步轨道(高度36 500 km，倾角0°)和地球辐射带中高能电子分布峰区轨道(高度20 000 km，倾角56°)的高能电子和质子的能量积分谱。计算结果表明，基于AP8模型计算出的高地球轨道高能质子的年积分通量较低［6］，在地球同步轨道，能量高于2.0 MeV的质子年积分通量为零;在高度为20 000 km的圆形轨道，能量高于7.0 MeV的质子年积分通量也为零。

2.2 屏蔽结构设计

在多层屏蔽结构设计过程中，主要依据对不同单层材料屏蔽效果计算分析结果，选择对空间高能电子和质子屏蔽效果最好的钨作为主屏蔽材料，辅助屏蔽材料选用卫星工程上常用的铝屏蔽材料。针对这2种材料，设计了不同结构方式的4种多层屏蔽结构。在结构设计中，总的质量厚度保持不变，总质量厚度分别选取1.09 g/cm2、1.35 g/cm2。另外，在多层屏蔽结构设计中，钨作为主屏蔽材料，其厚度分别保持0.1 mm和0.2 mm 不变。

2.3 MULASSIS 软件简介

相对其他带电粒子在材料中输运过程计算的软件包而言，基于GEANT4的MULASSIS软件的最大特点是可以选择的物理模型最全［4，5］。采用MULASSIS软件包对电子和质子在材料中的输运过程进行计算时，可以根据能量的不同，选择不同的物理模型进行计算。如针对电磁物理模型(EM)而言，当电子或γ射线的能量高于10.0 keV以上时，采用标准电磁模型(st－EM)进行计算，而当电子或γ射线的能量低于100 eV以下时，则采用低能电磁模型(le－EM)进行计算。

3 计算结果及分析

3.1 多层屏蔽结构计算举例

现以3层Al－Ti－Al结构为例，说明其对质子屏蔽效果计算分析的基本要求和过程。

(1)太阳同步轨道质子的积分通量计算

在屏蔽效果计算分析中，首先利用Space Radiation软件包计算出太阳同步轨道质子的积分通量。在计算分析中，有时为了方便数据的输入，对基于空间辐射环境计算出的有关数据进行数据拟合处理，得出相关参数的解析表达式，图1给出了太阳同步轨道质子积分通量谱的拟合曲线。

图1 太阳同步轨道质子的积分通量谱拟合曲线

数据拟合的数学表述:

y=A1*exp(－x/t1)+y0，其中 A1=4.778 3E12，t1=71.091 57。入射质子的主要参数为能量和离子入射角，取入射质子的能量分布为指数分布，按照拟和结果进行计算。

(2)3 层 Al－Ti－Al平板设计

在3层Al－Ti－Al平板屏蔽结构设计中，总厚度为4.0 mm，其中外层的两层铝厚度均为1.0 mm，中间钛层厚度为2.0 mm。三层Al－Ti－Al平板屏蔽结构示意图如图2所示。

图2 3层Al－Ti－Al平板屏蔽结构示意图

(3)计算结果

计算结果列于表1。

表1 3层 Al－Ti－Al结构对质子屏蔽效果

3.2 多层屏蔽结构计算结果及分析

利用MULYSSIS软件包，针对几种屏蔽结构，在保持结构中钨的厚度为0.1 mm不变的情况下，分别计算了在国际空间站运行轨道(高度400 km，倾角51.6°)、太阳同步轨道(高度800 km，倾角98.8°)、高地球轨道(高度20 000 km，倾角56°)及地球同步轨道(高度36 500 km，倾角0°)辐射环境中，几种屏蔽结构对电子、质子的屏蔽效果和对二者引起的总剂量的屏蔽效果;计算结果见表2所列，表2中也给出了针对单层Al和W的计算结果。另外，在保持结构中钨的厚度为0.2 mm不变的情况下，也分别计算了在国际空间站运行轨道(高度400 km，倾角 51.6°)、太阳同步轨道(高度800 km，倾角 98.8°)、高地球轨道(高度 20 000 km，倾角56°)及地球同步轨道(高度36 500 km，倾角0°)辐射环境中，几种屏蔽结构对电子、质子的屏蔽效果和对二者引起的总剂量的屏蔽效果;计算结果见表3所列。

表2 MULYSSIS软件计算结果 (钨材料厚度为0.1 mm)

(续表1)

表3 MULYSSIS软件计算结果 (钨材料厚度为0.2 mm)

依据表2和表3给出的计算结果，图3、图4和图5分别给出了不同屏蔽结构对不同轨道总剂量的屏蔽效果。

图3 多层屏蔽结构计算结果 (钨材料厚度为0.1 mm)

图4 多层屏蔽结构计算结果 (钨材料厚度为0.2 mm)

图5 多层屏蔽结构计算结果(钨材料厚度为0.2 mm)

从表2及图3可以看出，就总剂量屏蔽效果而言，对不同轨道，不同屏蔽结构屏蔽后的剂量分布不同;在主屏蔽材料钨的厚度保持0.1 mm不变的情况下，对双层结构A而言，在不同轨道辐射环境下，综合起来看，其屏蔽效果较好;但3层屏蔽结构方式对太阳同步轨道和20 000 km高轨道辐射环境下的总剂量屏蔽效果最好。另外，从表2及图3也可以看出，双层结构A和双层结构B对总剂量屏蔽效果的主要差异是由于其对高能质子的屏蔽效果不同而引起。同样，从表3及图4、图5可以看出，就总剂量屏蔽效果而言，在主屏蔽材料钨的厚度保持0.2 mm不变的情况下，在不同轨道辐射环境下，综合起来看，双层结构A和3层屏蔽结构方式其屏蔽效果最好。

综合不同屏蔽结构在不同轨道辐射环境中对高能电子和质子的屏蔽效果看，存在着最佳材料屏蔽结构方式，即高低Z值的材料组合结构可以优化和改善屏蔽效果。在质量厚度一定的条件下，这种最佳材料屏蔽结构方式与所选取高Z值屏蔽材料(如本计算工作中选取的钨材料)的厚度相关，但一般来讲，3层屏蔽结构方式和双层结构A方式其屏蔽效果最好。在以电子为主的高轨道辐射环境中，最佳屏蔽结构是Al/W/Al 3层屏蔽结构方式。其主要原因是最外层的Al材料首先使大部分能量电子降低了速度，然后中间高Z值材料对轫致辐射产生很大的阻止作用，而最里层Al材料又可以吸收高Z值材料产生的二次电子及轫致辐射，从而形成了一种最佳Al/W/Al 3层屏蔽结构方式。

4 结论

在多层屏蔽结构设计中，主要依据对不同单层材料屏蔽效果计算分析结果，选择对空间高能电子和质子屏蔽效果最好的高Z值材料钨作为主屏蔽材料，设计了4种多层屏蔽结构。在结构设计中，总的质量厚度保持不变，总质量厚度分别选取 1.09 g/cm2、1.35 g/cm2。

利用基于GEANT4的MULYSSIS软件包，针对几种屏蔽结构，分别计算了4种典型轨道辐射环境中，几种屏蔽结构对电子、质子的屏蔽效果和对二者引起的总剂量的屏蔽效果;计算结果表明，在不同轨道辐射环境下，存在最优的屏蔽结构方式。在主屏蔽材料钨的厚度保持0.1 mm不变的情况下，双层结构A的结构方式屏蔽效果较好，但3层屏蔽结构方式对一定轨道辐射环境下的总剂量屏蔽效果最好。而在主屏蔽材料钨的厚度保持0.2 mm不变的情况下，在不同轨道辐射环境下，最佳屏蔽结构方式为3层屏蔽结构。

［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，杨世宇，等.空间质子的辐射屏蔽计算［J］.真空与低温，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.