空间重粒子入射屏蔽材料的蒙特卡罗模拟

2019-04-25荀明珠何承发郑玉展

载人航天 2019年2期

荀明珠，何承发∗，郑玉展

(1.新疆电子信息材料与器件重点实验室，乌鲁木齐830011；2.中国科学院新疆理化技术研究所，乌鲁木齐830011；3.北京空间飞行器总体设计部，北京100094)

1 引言

空间辐射环境中银河宇宙射线(Galactic Cosmic Rays，GCR)由87%的质子、12%的α粒子和1%的重粒子组成，其中重粒子包括原子序数Z＝3(Li)到Z＝92(U)的所有元素，其能量范围可达1 TeV/n[1]。虽然重粒子在GCR中的含量只占1%，但重粒子与太空舱屏蔽材料相互作用后的透射粒子与屏蔽材料产生的次级粒子，如次级中子、次级重核、次级质子等对航天员的影响可达到20%[2]。有研究表明，GCR射线每天对航天员造成的辐射当量剂量可达1 mSv[3]。因此研究高能GCR粒子对材料的辐射损伤机理、分析GCR粒子与次级粒子在人体器官内的吸收剂量、优化屏蔽材料结构对保障航天员人身安全非常重要。

目前国内外对空间辐射环境主要以近地轨道范艾仑辐射带中电子、质子能谱，太阳质子能谱为研究热点，研究主要针对航天器辐射屏蔽结构的材料的选择、结构的优化等[4-5]，而对于深空探测活动，载人航天器遭受的空间辐射环境不仅包含范艾伦辐射带、太阳质子事件，而且要面对GCR中的各种粒子。对于空间辐射环境中的重粒子屏蔽，目前国内外通常使用富含氢元素的屏蔽材料，如聚乙烯(PE)、高密度聚乙烯(HDPE)、水、液态氢等，由于太空舱屏蔽结构需要一定的机械强度，因此太空舱屏蔽材料结构一般由 Al屏蔽与HDPE屏蔽、水屏蔽等叠加组合而成[6]。对于高能重粒子与材料相互作用通常使用蒙特卡罗模拟方法，目前常用的蒙特卡罗模拟软件包括Geant4、MCNP、FLUKA等。Geant4是由欧洲核子中心(CERN)基于C++语言开发的蒙特卡罗模拟工具包，包含多种入射粒子、多种能量范围的物理过程包，可以方便灵活地建立复杂几何结构模型和人体模型，追踪并记录每个入射粒子与材料的相互作用过程，广泛应用在空间辐射环境模拟、高能物理探测、加速器物理、放射性核医学等各个领域的模拟仿真。

本文使用Geant4模拟330 MeV/n12C粒子入射铝、PE、水、液态氢4种屏蔽材料，分析入射粒子在屏蔽材料内的布拉格曲线，分析由屏蔽材料产生的次级粒子能谱，并建立MIRD人体模型，对空间GCR粒子入射时人体器官吸收剂量进行仿真计算。

2 高能带电粒子散射过程计算

高能带电粒子入射屏蔽材料时与材料原子发生弹性散射和非弹性散射等相互作用过程，Geant4中计算能量为50 keV～10 TeV带电粒子与材料的散射时使用修正的Wentzel库伦散射模型[7]。该模型假设入射粒子的原子序数为Z1，质量为m1，靶材料的原子序数为Z2，质量为m2，体系能量为Ecm，在实验室坐标系内入射粒子能量为E1lab，则带电粒子入射屏蔽材料的散射截面σ(θr) 如式(1)所示[7]：

散射后粒子能量T如式(2)所示：

公式(1)中θr为实验室坐标系下的散射角度，pr为体系动量，βr为相对论修正粒子速度，如公式(3)、(4)所示[7]：

其中粒子质量μr为式(5)：

体系能量Ecm为式(6)：

3 模拟计算及分析

3.1 几何体模型设计

在Geant4运行前需设计合适的几何体模型和物理过程模型，本文计算中使用铝、PE、水、液态氢4种屏蔽材料为屏蔽体，在屏蔽体平板后放置MIRD成年男性人体模型，如图1所示，重粒子(图1中蓝色射线)从左侧均匀随机入射屏蔽材料，与材料相互作用后穿过屏蔽材料并在材料中产生次级Gamma射线(图1中绿色射线)和次级电子(图1中红色射线)，透射的初级粒子与次级粒子共同射入人体中，与人体器官相互作用而沉积能量。

MIRD模型是美国橡树岭国家实验室为美国医学协会开发的一个人体模型，该模型体重70 kg，身高170 cm，包括22个主要器官和多个子区域[8]，具体包含的器官名称、器官体积和器官重量等详见表1。本文使用MIRD成年男性人体模型分析330 MeV/n12C粒子入射不同屏蔽材料在器官内的吸收剂量。

图1 MIRD人体模型设计(a)及屏蔽示意图(b)Fig.1 MIRD human model(a)and the sketch of shielding(b)

表1 MIRD人体器官信息Table 1 Information of MIRD human organ

Geant4中的物理模型可分为电磁相互作用模型和强相互作用模型，电磁相互作用模型适用于γ射线、电子等与材料的相互作用过程，强相互作用模型适用于中子、重粒子与靶原子核的弹性散射与核反应等过程[7]。在本次仿真计算中使用的物理过程包括电磁相互作用过程、强相互作用过程、衰变过程、离子相互作用过程、库伦散射过程等，其中Shielding物理过程为欧洲核子中心(CERN)为空间辐射环境中高能谱范围下各种粒子与材料相互作用开发的物理作用过程包，其中包含了量子分子动力学修正过程等。由于重粒子与材料相互作用产生次级γ射线、次级电子等，因此添加了标准电磁相互作用过程，其中包含了γ射线康普顿散射、瑞利散射、电子对效应等过程。此外，在Geant4中设置截止距离为1 mm。本次仿真过程模拟1×106个12C粒子入射，每次仿真时间约为7 h。

3.2 模型验证

在Geant4中设置上述的几何体模型和物理过程模型，统计粒子在水中的能量沉积和位置并将数据在Root软件中绘制深度剂量分布曲线。270 MeV/n12C粒子在水中深度剂量分布如图2所示，Geant4仿真结果与文献[9]中的实验结果比对结果较一致，布拉格峰值位置为14.4 cm，在布拉格曲线平缓区域的仿真结果与实验结果有偏差，这与Geant4中的物理模型选择有关，不同物理模型对布拉格曲线的影响见文献[10]。

图2 270 MeV/n12C粒子在水中深度剂量分布Fig.2 Depth dose distribution of 270 MeV/n12C in water

4 计算结果及分析

4.1 12C粒子在四种屏蔽材料中的布拉格曲线分析

在Geant4中模拟330 MeV/n12C粒子在铝、PE、水、液态氢4种材料内的深度剂量分布，结果如图3所示，图中将横坐标入射深度转换为材料的面密度可以方便地比较出同等航天器载荷下不同材料对射线的屏蔽能力。从图中可以看出12C粒子在液态氢中的入射深度为9.66 g/cm2，在Al中的入射深度为25.41 g/cm2，Al中的入射深度为液态氢中入射深度的2.63倍；12C粒子在PE和水中的入射深度分别为18.83 g/cm2和20.16 g/cm2，水中入射深度比PE入射深度增加7%，两者相差较小。曲线纵坐标为12C粒子在材料内单位面密度下的能量沉积，从图中可以看出12C粒子在液态氢中布拉格峰值位置单位面密度能量沉积为965.16 MeV·cm2/g，约为其余3种材料布拉格峰值位置能量沉积的2倍。结果表明12C粒子在液态氢中能够在较短的面密度射程内沉积全部能量，这与空间重粒子屏蔽常使用富含H元素的屏蔽材料结果一致[11-14]。

图3 330 MeV/n12C粒子在4种材料内的深度剂量分布Fig.3 Depth dose distribution of 330 MeV/n12C in four materials

4.2 同等面密度屏蔽下器官的吸收剂量分析

在Geant4中建立如图1(b)所示的屏蔽结构和MIRD人体模型，模拟330 MeV/n12C粒子入射5 g/cm2Al、PE、水、液态氢 4种屏蔽材料，统计人体睾丸器官内的吸收剂量，并对初级粒子、次级粒子、次级γ射线、次级质子等各种粒子在器官内的剂量分类统计，结果如图4所示。从图中可以看出，12C粒子入射Al屏蔽材料后在器官内的吸收剂量为2.98×10-14Gy/Ion，在液态氢屏蔽后器官内的吸收剂量为2.29×10-14Gy/Ion，与Al屏蔽相比吸收剂量降低23.2%，说明液态氢屏蔽效果更好。其中Al屏蔽下初级粒子在器官内的吸收剂量占器官总剂量的87.5%，液态氢屏蔽下初级粒子在器官内的吸收剂量占器官总剂量的54.2%，其余为次级粒子在器官内产生的吸收剂量。5 g/cm2面密度下4种屏蔽材料产生的次级γ射线、次级电子在器官内的吸收剂量很小，可忽略不计。

图4 330 MeV/n12C粒子穿过5 g/cm2的4种屏蔽材料后在睾丸内的吸收剂量Fig.4 Equivalent testis dose of 330 MeV/n12C transmitting four 5 g/cm2shielding materials

4.3 PE屏蔽产生的次级粒子能谱

在Geant4中建立5 g/cm2PE屏蔽体，仿真1×106个330 MeV/n12C粒子入射PE屏蔽体，并在人体表面统计次级粒子能谱，PE材料产生的次级中子能谱和次级质子能谱如图5、图6所示，其中次级中子和次级质子的能量均在500 MeV以下，PE材料产生的次级中子主要集中在20 MeV以下，在240 MeV处缓慢增加出现峰值，PE材料产生的次级质子能量峰值在240 MeV处，在240 MeV～500 MeV快速下降。从次级粒子数量可以看出，每个入射粒子在PE屏蔽体产生的次级中子为6×10-2个，次级质子为1.6×10-2个。