载人航天器舱内辐射环境及剂量分析

吴正新，孙慧斌,，何承发，童永彭，马玉刚，陆景彬，荀明珠，呼延奇，蔡震波，朱志鹏（. 吉林大学 物理学院，长春 00；. 深圳大学 核技术研究所，深圳 58060；. 中国科学院 新疆理化技术研究所，乌鲁木齐 800；. 北京空间飞行器总体设计部，北京 0009）



载人航天器舱内辐射环境及剂量分析

吴正新1，孙慧斌1,2，何承发3，童永彭2，马玉刚1，
陆景彬1，荀明珠3，呼延奇4，蔡震波4，朱志鹏2
（1. 吉林大学 物理学院，长春 130012；2. 深圳大学 核技术研究所，深圳 518060；
3. 中国科学院 新疆理化技术研究所，乌鲁木齐 830011；4. 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

摘要：构建载人航天器模型，利用Geant4软件计算了银河宇宙射线中的质子穿过载人航天器后在水模体中的总吸收剂量以及次级粒子吸收剂量，并且统计了不同种类的次级粒子在水模体中的总数量分布。计算结果表明，次级粒子引起的辐射剂量所占比例为50%，且二次电子总数量达到了107量级。

关键词：吸收剂量；银河宇宙射线；载人航天器；屏蔽材料；蒙特卡罗方法；数值分析

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0　引言

随着航天技术的发展，未来的载人深空探索活动将集中于月球以及火星甚至更远的空间区域，航天器将会遭遇与近地轨道不同的辐射环境。由于失去了地磁场的保护，航天器直接暴露在银河宇宙射线与太阳粒子辐射环境中。太阳粒子事件具有偶然性，与太阳活动有关，相对于宇宙射线来说更容易防护[1]；而银河宇宙射线中，质子占约87%[2]，这些质子会危及航天器寿命以及航天员的生命健康，因而研究高能质子的辐射屏蔽效应非常有必要。瑞典D. Mancusi以及意大利A. Bertucci等人[3-4]对能量为1GeV的质子做了大量实验，通过研究质子在航天器材料中的剂量深度分布来考察质子的辐射屏蔽效应。本文主要研究高能质子穿过航天器外壳屏蔽材料后在水模体中的剂量深度分布：水模体的吸收剂量代表了穿过航天器舱壁材料之后初始射线以及次级射线在舱内的总能量沉积，而航天器外壳屏蔽材料中的剂量深度分布代表的是射线在外壳及屏蔽材料中的能量沉积，并不能反映舱内航天员的辐射损伤。因此，本文通过三维的蒙特卡罗程序Geant4建立简易载人航天器模型时，在屏蔽材料之后设置了一个水模体来模拟人体组织，以获得水模体中的剂量深度分布曲线，然后采用积分的方法可以获得高能质子在水模体中沉积的总能量以及次级粒子引起的能量沉积。

1　Geant4程序与载人航天器模型

1.1Geant4程序介绍

Geant4[5-8]是基于C++面向对象程序设计的一款开源软件，它是由欧洲核子中心与日本高能所主导，大约100多位科学家参与完成的一款蒙特卡罗程序包，其主要特点是采用面向对象以及类的概念构建数据模型，通过编写C++代码调用合适的物理包，最后统计所需要的数据。Geant4包括许多内置的和用户编制的精细物理模型，常用的粒子与物质相互作用的物理过程有电磁相互作用和强相互作用：电磁相互作用包括多次散射、电离、光电效应、轫致辐射等过程；强相互作用包括弹性散射、非弹性散射和原子核嬗变。Geant4模拟的粒子种类繁多，几乎包括了自然界中的所有粒子。总之，相对于其他蒙特卡罗软件，Geant4具有无可比拟的优势，因而在高能物理、重离子治疗以及空间辐射效应等研究中都有着广泛的应用。

1.2载人航天器模型

航天员的人体辐射剂量效应分析是一个十分复杂的问题，将真正的人体作为对象研究辐射粒子的能量沉积，目前并不是一个可行的办法。为简化起见，按照国际上通用的方法，用水模体代替人体复杂的生物组织。水是人体的重要组成部分，构成人体中大约70%的重量和血液中约83%的重量，研究表明，水在质量密度、电子密度和原子序数上都与肌肉组织非常接近，因而将水作为等效人体组织是可行的。

模拟计算时选取的模型为简易圆柱体壳形航天器[9]（见图1），是典型空间航天器通用模型，其内半径为50cm，高为50cm。其中绿色代表多层航天器外壳材料，蓝色代表水模体（为直径30cm、高30cm的圆柱体）。表1是简易航天器外壳材料的成分[9]，图1还给出银河宇宙射线质子穿过航天器外壳材料的粒子径迹。可以看出，当高能量的质子与飞行器外壳相互作用时，会激发出大量的次级射线，其中绿线、红线、蓝线分别表示带正电、负电以及不带电的粒子。

表1　简易载人航天器外壳材料成分Table1　The composition of spacecraft’s external structural material

图1　简易载人航天器模型及穿越粒子径迹Fig. 1　Model of manned spacecraft and the pass-through charged particles

银河宇宙射线质子通量占了整个银河宇宙射线的87%，因而选取质子作为典型宇宙射线，其能谱由美国NRL主导编制的 CREME96模型获得，计算了太阳活动周期为1年的银河宇宙射线质子微分能谱（将1977年太阳活动极小年时作为参考时期），如图2所示[2]。模拟计算时，调用Geant4中的通用源GPS功能。

图2　银河宇宙质子能谱Fig. 2　GCR proton energy spectrum

2　模拟结果与讨论

2.1模拟结果

本文在模拟计算中，调用了Geant4中电磁相互作用物理包以及强相互作用物理包：选取的电磁作用为Opition3物理包，该模型对光子、电子、离子等与靶原子作用都有较好的输运；强相互作用调用Geant4中自带的QGSP_BIC_HP[10]物理包，该物理包囊括了原子核内级联、核粒子蒸发、复合核、衰变等基本的核反应过程，能跟踪次级质子、中子以及其他带电粒子。因而当高能质子与飞行器外壳材料发生相互作用时，该物理包能较好地处理质子、中子等等次级粒子的输运，从而保证计算结果的正确性。图3为计算出的银河宇宙射线质子穿过载人航天器舱后在水模体中的总剂量深度分布及次级粒子剂量深度分布；图4为水模体总的吸收剂量与次级粒子吸收剂量直方分布；图5是银河宇宙射线质子穿过航天器在水模体中产生的不同次级粒子数量。

图3　GCR质子穿过航天器在水模体中的总剂量与次级粒子剂量深度分布Fig. 3　Dose-depth distribution of total and secondary particles in the water phantom when GCR protons pass through the spacecraft

图 4　水模体吸收总剂量与次级粒子剂量直方分布Fig. 4　Histogram of total dose and secondary particle dose distributions in the water phantom

图5　GCR质子穿过航天器在水模体中产生的不同次级粒子数量Fig. 5　The different secondary particles generated in the water phantom when GCR protons pass through the spacecraft

从图3中可以看出，总的吸收剂量随着水模体深度的增加变化平缓，次级粒子引起的剂量分布与总剂量分布曲线类似。从图4中可得出，次级粒子引起的吸收剂量所占比例达到50%，因此这部分吸收剂量不可忽视。从图5中可以看出，银河宇宙射线质子穿过航天器后，与航天器外壳材料相互作用，产生次级粒子数量最多可达到107量级。

2.2讨论

高能质子与航天器外壳材料碰撞涉及的物理过程复杂，主要包括3种相互作用：电磁相互作用，放射性衰变作用，强相互作用。

1）电磁相互作用

主要是指初始粒子与靶核作用，当粒子靠近靶核时，速度降低，传递能量，进而损失能量。

2）放射性衰变作用

入射粒子通常为银河宇宙射线或者太阳质子，当粒子能量大于1GeV时，可能产生次级中子与次级介子；不带电的介子会衰变成光子，光子又能产生电子；而带电的介子会衰变为µ子，µ子继而又衰变为正负电子。

3）强相互作用

空间环境中含有的射线种类复杂，特别是当能量较高的宇宙射线穿过靶核时，会发生核反应，产生各种不同的次级粒子。例如当高能量的质子或者中子与靶核反应，会产生靶核碎片；靶核碎片与飞船屏蔽材料发生非弹性散射，继而产生大量的中子；中子不断地累加，进入飞船内会严重威胁航天员的健康。总之，进入航天器舱内的次级辐射环境极其复杂。银河宇宙射线质子入射航天器后，与航天器外壳材料相互作用发生核反应，因其能量较高，产生大量的次级粒子，与总吸收剂量相比，次级粒子引起的吸收剂量也较大。另外，因为次级质子与中子随着屏蔽材料的厚度增加而增加，所以对高通量的质子较难屏蔽。

3　结束语

本文利用Geant4构建了简易三维圆柱体空壳型航天器，模拟计算了高能量的银河宇宙射线质子与航天器外壳材料相互作用，通过调用Geant4中电磁相互作用与强相互作用物理包，得到了高能量的宇宙质子穿过载人航天器后在水模体中的总剂量以及次级粒子引起的剂量深度分布。计算结果表明，次级粒子引起的剂量占总吸收剂量比例为50%，在水模体的电子总数量达到了107量级。

本文建立的载人航天器模型可为我国将来的深空辐射探测提供借鉴，也可为空间辐射效应分析及辐射防护提供一定的数据参考。

致谢

本工作得到了美国NASA马歇尔空间飞行中心林子威教授以及复旦大学核科学与技术系郑川老师的帮助与支持，在此一并表示衷心感谢。

参考文献（References）

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[2]Bernabeu J, Casanova I. Geant4-based radiation hazard assessment for human exploration missions[J]. Advances in Space Research, 2007, 40(9): 1368-1380

[3]Mancusi D, Bertucci A, Gialanella G, et al. Comparison of aluminum and lucite for shielding against 1GeV protons[J]. Advances in Space Research, 2007, 40(4): 581-585

[4]Bertucci A, Durante M, Gialanella G, et al. Shielding of relativistic protons[J]. Radiation and Environmental Biophysics, 2007, 46(2): 107-111

[5]Asai M, Dotti A, Verderi M, et al. Recent developments in Geant4[J]. Annals of Nuclear Energy, 2015, 82: 19-28

[6]Bao G. The simulation of radiation effects to astronauts due to solar energetic particles in deep space[J]. Acta Astronautica, 2012, 71: 32-37

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[8]Ersmark T, Carlson P, Daly E, et al. Geant4 Monte Carlo simulations of the galactic cosmic ray radiation environment on-board the International Space Station/ Columbus[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2007, 54(5): 1854-1862

[9]Martinez L M, Kingston J. Space radiation analysis: radiation effects and particle interaction outside the Earth's magnetosphere using GRAS and GEANT4[J]. Acta Astronautica, 2012, 72: 156-164

[10]Lin Z W, Adams J H, Barghouty A F, et al. Comparisons of several transport models in their predictions in typical space radiation environments[J]. Advances in Space Research, 2012, 49(4): 797-806

（编辑：闫德葵）

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

作者简介：吴正新（1987—），男，博士研究生，研究方向为空间辐射效应的蒙特卡罗模拟；E-mail:wuzx13@mails.jlu.edu.cn。通信作者：孙慧斌（1957—），男，教授，博士生导师，研究方向为核物理及核技术应用；E-mail: hbsun@szu.edu.cn。

基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项基金（批准号：2012YQ240121）；国家自然科学基金（编号：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

中图分类号：TL99

文献标志码：A

文章编号：1673-1379(2016)02-0154-04