空间重离子在水模体中剂量深度分布的蒙特卡罗模拟

吴正新，孙慧斌,*，何承发，童永彭，马玉刚，陆景彬，呼延奇，刘玉敏

(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)



·基础研究·

空间重离子在水模体中剂量深度分布的蒙特卡罗模拟

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，呼延奇4，刘玉敏1

(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:利用蒙特卡罗方法模拟计算了56 GeV铁离子穿过简化空间飞行器中水模体的总剂量深度分布以及次级粒子剂量深度分布，统计了次级中子在水模体中的通量深度分布。计算结果表明：56 GeV铁离子穿过简化空间飞行器在水模体中产生较完整的布拉格曲线，并且次级核碎片对总剂量的贡献达到了58%，其次是初始入射的铁离子以及电子和质子，其他的粒子对总剂量贡献比例较小，可忽略不计。次级中子通量在布拉格峰值附近达到最大值。

关键词:空间飞行器；铁离子；吸收剂量；核碎片；蒙特卡罗方法

1引言

多数空间辐射效应的研究与计算主要针对神舟飞船、国际空间站以及我国空间实验室等航天器所处的低轨道辐射环境[1]。近年来随着人类探索太空活动的增强，将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。由于深空环境失去了地磁场的保护，航天器直接暴露在银河宇宙射线与偶发的太阳粒子辐射环境，将会遭遇与近地轨道不同的辐射环境状态，与太阳活动有关深空探测将成为研究热点。

虽然银河宇宙射线粒子的通量强度与地球磁场捕获的其他粒子相比小几个数量级，但因其具有很高的能量所以难以防护，例如高能量的铁离子可以穿透数十厘米厚的航天器防护层[2]，通过与航天器屏蔽材料核反应，进而产生大量的次级射线，比如次级质子、核碎片、光子、电子、中子等粒子。这些次级粒子构成了航天器内次级辐射环境，严重影响航天器内电子元器件的使用寿命以及威胁宇航员的生命安全，因而研究高能量的重离子对材料辐射损伤效应是非常有必要的。本文通过欧洲核子中心开发的大型蒙特卡罗软件包Geant4建立典型简化空间飞行器模型[3]。银河宇宙射线中铁离子含量较低，但引起的生物有效性较大[4]，因而本文将56 GeV的铁作为银河宇宙射线典型能量的重离子，分析了56 GeV铁离子穿过典型简化空间飞行器中水模体的剂量深度分布以及次级粒子剂量深度分布，并且研究了不同粒子对总剂量的贡献以及统计了水模体中的次级中子通量的深度分布。

2模型的建立

2.1Geant4及物理过程的选取

Geant4[5]是由CERN(欧洲核子中心)基于C++开发的蒙特卡罗应用软件包，用于模拟粒子在物质中输运的物理过程，相对于MCNP、EGS等蒙特卡罗软件来说，主要优势是源代码完全开放，用户可以根据实际需要更改、扩充。目前，Geant4已经广泛应用于天体物理、空间辐射物理、核技术、核医学等研究领域。

本文在模拟计算过程中，首先确定了计算中所使用的物理模型。Geant4中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模块和强相互作用模块[6]，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。电磁相互作用调用Geant4中比较精细的option3模型，该模型对光子、电子、离子等等与靶原子作用都有较好的输运。强相互作用(即核反应过程)调用geant4中的FTFP_INCLXX_HP[7]物理包，该物理包基本上包含了强子弹性散射、非弹性散射、中子俘获、离子非弹性碰撞等等物理过程。

2.2空间飞行器材料

1) Al合金：93%铝，6.7%铜，0.3%铁，密度为2.84 g/cm3；

2) Kevlar合金：4%氢，52%氧，33%铝，11%硅，密度为1.4 g/cm3；

3) Nextel陶瓷纤维：4%氢，71%氧，12%铝，13%硅，密度为2.7 g/cm3；

4) Al：100%铝，密度为2.7 g/cm3。

表1　简化空间飞行器外壳材料成份

2.3简化空间飞行器模型

按照国际上通用的方法，将水模体代替人体复杂的生物组织，因为水是人体的重要组成部分，人体中大约70%是水，血液中约83%是水，研究表明，水在物理密度、电子密度和有效原子序数方面与肌肉组织都非常接近，因而将水作为等效人体组织是可行的[8]。

模拟计算时选取的模型为简易圆柱体壳形空间飞行器，为典型空间飞行器通用模型，其大小是内半径为375 cm，圆柱体高为750 cm。其中绿色是多层飞行器外壳材料，蓝色是水模体，大小是直径30 cm，高为30 cm的圆柱体。入射粒子数为105，入射方向为各向同性分布。图1是56 GeV铁离子穿过飞行器外壳材料的粒子径迹以及飞行器模型图，从图1中可以看出，当高能重离子的与飞行器外壳相互作用时，会激发出大量的次级射线，其中绿色、红色、蓝色分别表示带正电、负电以及不带电的粒子。

图1　简化空间飞行器模型Fig.1　Simplified manned spacecraft model

2.4重离子与物质的相互作用

In cases with more advanced tissue damage, the expression of TGF-β receptor appeared to be less intense than during the early stages[32]. This finding may suggest that TGF-β1 should be taken into consideration as an early stage fibrosis marker.

高能重粒子与空间飞行器材料相互作用，通过电离激发、核反应等过程在物质中沉积能量，能量沉积的空间分布具有在入射束方向布拉格曲线的分布形式，末端出现布拉格峰(Bragg peak)，其次，入射粒子与飞行器外壳屏蔽材料以及水模体发生核反应而产生次级粒子，如质子、阿尔法粒子、中子及其它带电粒子[9-11]。在入射高能重离子的径迹周围，核反应产生大部分的次级碎片，这些次级粒子也会引起能量沉积，次级核碎片的能量沉积会改变介质中高能重离子能量沉积的分布。

3计算结果与讨论

基于上述分析，本文模拟计算了56 GeV铁离子穿过简化空间飞行器中水模体的总剂量深度分布以及次级粒子剂量深度分布，图2是简化空间飞行器总剂量以及次级粒子剂量深度分布，图3是次级电子、光子等粒子在水中的剂量深度分布。图4是穿过简化空间飞行器后水模体中产生的次级中子通量深度分布。

图2　56 GeV铁离子入射简化空间飞行器中水模体总剂量以及次级粒子剂量深度分布Fig.2　Total and the different secondary particles dose depth distribution in the water phantom when 56 GeV iron ion passed the simplified spacecraft

图3　56 GeV铁离子入射简化空间飞行器产生不同的次级粒子剂量深度分布Fig.3　The different secondary particles dose depth distribution in the water phantom when 56 GeV iron ion passed the simplified spacecraft

图4　56 GeV铁离子穿过简化空间飞行器中水模体产生的次级中子通量深度分布Fig.4　Secondary neutron flux depth distribution generated in the water phantom when 56 GeV iron ion passed the simplified spacecraft

从图2与图3可以看出，56 GeV Fe离子在穿过空间飞行器屏蔽材料的过程中产生了包括次级重核碎片和次级质子、电子、X射线、中子和介子等次级射线，总的深度剂量分布包括穿过屏蔽材料的初级铁离子和次级重核碎片和其他次级粒子的贡献。从图2可以看出，对56 GeV Fe离子穿越水屏蔽材料，深度剂量分布中贡献最大的是次级重核碎片，贡献达到了58%，并且次级重核碎片的深度剂量分布也存在Bragg峰，峰位基本与总剂量分布的峰位相同；布拉格峰右侧的总的能量沉积缓慢下降趋势和次级碎片能量沉积的下降曲线基本吻合，说明布拉格峰右侧的剂量基本上由核反应产生的碎片所造成，Fe粒子不断在其径迹周围产生次级重碎片，这也是导致布拉格峰尾部能量沉积缓慢下降的主要原因。其次是穿透屏蔽材料的初始Fe离子，贡献达到了32%，初始Fe离子的深度剂量分布在水模体表面较高，随着深度增加而衰减，在末端有一个小的峰值。如图3所示，其他次级射线的贡献比较低，剂量分布随着深度呈平缓的分布。这部分次级射线中，对总剂量贡献比较大的次级射线主要是次级质子和次级电子，其中次级电子的贡献随着深度的增大而逐渐减小，而次级质子的贡献则随着深度的增加而增大。从图4可以看出，次级中子通量在布拉格峰值附近达到最大值，由此可以得出，铁离子在布拉格峰值附近通过核反应产生了大量的次级中子。而中子的穿透性极强，对人体组织损伤较大。因而研究次级中子通量的深度分布对航天员的生命安全具有重要的意义。

4结论

利用大型蒙特卡罗软件Geant4模拟计算了56 GeV铁离子穿过简化空间飞行器中水模体的总剂量深度分布以及次级粒子对总剂量的贡献。通过计算可得到以下结论：

1) 重离子在介质中的能量沉积主要来自三类贡献：重核碎片、初始铁离子以及其他次级粒子；

2) 56 GeV铁离子穿过简化空间飞行器在水模体中产生明显的布拉格曲线，并且次级重核碎片对总剂量的贡献较大，贡献达到了58%，其次是初始入射铁离子，贡献达到了32%，最后是次级电子与质子，其他的粒子对总剂量贡献比例较小，可忽略不计；

3)统计了次级中子在水模体中的通量分布，发现中子通量在布拉格峰值附近达到最大值；该项研究工作将为空间辐射效应分析及辐射防护提供一定的技术参考，也可为下一步的工作开展做铺垫。

致谢：本工作得到了美国航天局马歇尔太空飞行中心的Lin Zi Wei教授以及复旦大学的核科学与技术系的郑川老师的帮助与支持，在此一并表示衷心的感谢！

参考文献(References)

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[4]Taylor G C, Hawkes N P, Shippen A. Accurate simulations of TEPC neutron spectra using Geant4[J]. Radiation Physics and Chemistry. 2015, 116: 186-188.

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Monte-Carlo Simulation of Space Heavy Ion Dose Depth Distribution in Water Phantom

WU Zhengxin1，SUN Huibin1,2*，HE Chengfa3，TONG Yongpeng2，MA Yugang1，LU Jingbin1，HU Yanqi4，LIU Yumin1

(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，Urumqi 830011, China；4. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

Abstract:Total and the different secondary particles dose depth distribution were estimated in the water phantom by Monte-Carlo simulation of the particle transportation when 56 GeV iron ion passed the simplified spacecraft. The secondary neutron flux depth distribution was also estimated in the water phantom. The results showed that: a Bragg curve was achieved for the total dose depth distribution in the water phantom; the secondary nuclear fragments had the largest contribution to the total dose, which was 58%, followed by the initial incident iron ion, electron and proton; other particles contributed a smaller proportion of the total dose which was negligible; the secondary neutron flux reached its maximum near the Bragg peak.

Key words:spacecraft; iron ion; absorbed dose; nuclear fragment; Monte-Carlo method

收稿日期：2015-11-18；修回日期：2016-02-03

基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项基金(2012YQ240121)；国家自然科学基金(11575118)；国家自然科学基金(11375117)

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*通讯作者：孙慧斌(1957-)，男，博士，教授，研究方向为核物理及核技术应用。E-mail:hbsun@szu.edu.cn

中图分类号：TL99

文献标识码：A

文章编号：1674-5825(2016)03-0371-04