PE/CNT复合材料对空间质子的屏蔽效能仿真分析

王 磊,韩 丹,2,*,蔡毓龙,崔 帅,曹荣幸,2,李红霞,2,薛玉雄,2,*

(1.扬州大学 电气与能源动力工程学院,江苏 扬州 225127;2.国家原子能机构抗辐照应用技术创新中心,北京 102413;3.中国科学院 微小卫星创新研究院,上海 201203)

近地空间辐射环境主要由地球辐射带、太阳宇宙线和银河宇宙线中的带电粒子等组成,相比其他带电粒子,质子具有较高的通量和较宽的能量范围,是近地空间中诱发空间辐射效应的主要来源[1-2]。中低轨遥感卫星所处的空间环境中存在的高通量质子,容易造成光电器件性能退化,甚至最终失效,影响了遥感卫星在轨寿命和成像质量[3-5]。与其他传统卫星类似,目前中低轨遥感卫星主要还是使用铝(Al)作为防护材料[6-7],然而随着遥感卫星观测精度和成像分辨率需求的不断提高,国内外研究学者都在积极探索新型高效质子防护材料。

长期以来,国外学者对新型质子防护材料的研究较为关注,特别是研究航天器外壳屏蔽层的防护效能以及其热力学性能。目前普遍认为氢是屏蔽质子和重核的最有效元素。然而,由于氢在化学上不稳定且不易处理,因此富含氢的物质如聚乙烯(PE)被认为是屏蔽质子的良好材料。近年来国内也对PE等材料进行了研究,刘佳强等[8]利用Geant4模拟软件分析PE材料对辐射带的质子辐射环境的屏蔽效能,证明在相同质量厚度下,PE对质子的屏蔽效能高于Al,并且产生更少的次级粒子辐射。荀明珠等[9]利用Geant4模拟软件计算PE、Al和水对100 MeV质子的屏蔽效能,研究发现有效屏蔽100 MeV质子时,使用PE材料可以比Al减轻27.29%的质量。然而,PE等材料的力学稳定性较差,不适合应用于恶劣的空间环境。目前碳纳米管(CNT)被广泛应用于构建复合屏蔽材料。已有研究表明[10-11],通过在高分子材料中添加CNT,可以有效提高复合材料的结构特性。此外,添加CNT还有助于屏蔽空间中的质子。Laurenzi等[12]开展不同空间环境下PE基纳米复合材料辐射屏蔽性能研究,发现掺杂1%～5%CNT的复合材料,其质子屏蔽性能与纯PE相当,而掺杂浓度在10%以上复合材料才逐渐呈现出比纯PE更好的屏蔽性能。Li等[13]通过对聚二甲基硅氧烷(PDMS)中掺杂单壁碳纳米管(SWCNT)的质子屏蔽特性进行实验和仿真研究,发现PDMS/SWCNT的屏蔽性能随着质子能量的增加而提高,并表明复合材料对质子的屏蔽能力会受到CNT结构的影响。然而现有研究尚未厘清CNT掺杂浓度、管壁直径、排布方式以及管壁层数等参数对复合材料屏蔽性能的影响机制,因此亟需设计一种PE掺杂CNT阵列的复合材料,研究不同掺杂参数对质子屏蔽效能的影响,进而综合分析复合材料对于空间质子的屏蔽性能。

本文使用蒙特卡罗方法构建PE掺杂CNT阵列复合材料结构模型,通过Geant4仿真软件开展复合材料屏蔽质子效能仿真研究,首先探究CNT的掺杂浓度、管壁直径、排布方式以及管壁层数等因素对复合材料质子屏蔽效能的影响,随后分析复合材料、PE屏蔽质子后在探测器中电离剂量的差异,并研究复合材料质子透射能谱及次级辐射情况,为后续辐射防护材料设计提供数据支撑。

1 理论基础

1.1 碳纳米管结构

CNT是一种管状的纳米级石墨晶体。它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管,是一种具有特殊结构的一维量子材料。CNT中的碳原子以sp2杂化为主,同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲,形成空间拓扑结构[14]。按照卷曲石墨片的层数划分,CNT可分为SWCNT和多壁碳纳米管(MWCNT),如图1所示。典型SWCNT的直径在0.7～1.5 nm范围内,而MWCNT的最内层管状层的直径在2～10 nm范围内[15]。MWCNT层与层之间保持固定的距离,约为0.34 nm[16]。此外,在一定条件下,CNT可以呈现特定方向排列,形成CNT阵列,从而发挥其高长径比带来的各种优异特性[17]。

a——单壁碳纳米管;b——多壁碳纳米管图1 碳纳米管结构图Fig.1 Schematic diagram of carbon nanotube

1.2 质子与材料相互作用机理

当质子与物质相互作用时,主要会与靶原子的核外电子发生库仑碰撞,导致原子被激发或电离,从而质子本身失去能量,这种能量损失称为电子能损。此外,质子还会与靶原子核发生弹性碰撞或非弹性碰撞。弹性碰撞是指质子在库仑力下直接与原子核碰撞,并将其部分能量传递给目标原子,这部分能量称为非电离能损,非弹性碰撞包括了质子捕获反应和核反应[18]。

CNT具有中空结构,在质子和管壁碳原子相互作用的过程中,携带能量的质子会不同程度地激发管壁价电子,进而产生单电子激发或者集体激发行为。当质子的能量在MeV能量范围时,CNT的管壁价电子集体激发产生电子的极化效应,对质子产生两个方向的极化力:反方向的阻止力和垂直方向的镜像力。前者导致质子不断失去能量,造成能量损失,后者吸引质子不断靠近CNT管壁运动,改变其运动轨迹[19-20]。

CNT与聚合物组合形成的复合材料能改善质子屏蔽性能,归因如下:首先入射质子与基体材料发生相互作用,有效减小了质子的能量和数量,这在含氢量高的聚合物中体现得更为明显。同时,入射质子受到CNT的影响,会在穿过CNT管壁时损失能量,并改变运动轨迹,从复合材料出射的质子将进一步减少。此外,质子能量较低,会直接沉积在复合材料中,引起复合材料的含氢量增加,间接提升了复合材料对后续质子的屏蔽能力。

2 仿真建模

本文利用Geant4[21]蒙特卡罗模拟程序计算掺杂CNT阵列的PE对地球辐射带捕获质子的屏蔽效能。其中PE作为基体材料,CNT作为填充物。CNT阵列基本参数设定如下:长度为0.5 μm,管壁直径为2 nm,管壁厚度为0.182 nm,排布方式为水平方向排布。

针对质子与材料的物理过程,分别采用G4LElastic、G4CascadeInterface、G4hIonisation模型描述质子与材料发生反应过程中发生的弹性散射、非弹性散射及电离过程,对于除质子以外的反冲原子,分别采用G4ionIonisation、G4BinaryLightIonReaction模型描述其电离与核相互作用过程[22-23]。此外通过添加StandardNR物理模型,对于能量小于100 MeV的离子或核子,用单库仑散射物理模型替换多重散射的标准电磁物理模型,使能量在0～100 MeV范围内质子模拟的物理过程更精确[24]。由于仿真中几何模型尺寸为nm～μm量级,故在物理列表中粒子的截断阈值设置为1 nm。

本文选择轨道参数如下:近地点高度为600 km,远地点高度为5 200 km,轨道倾角为63°,辐射带质子模型为AP8max。通过SPENVIS软件计算获得该轨道捕获质子积分能谱,如图2所示。设定粒子源为各向同性入射的面源,在探究CNT掺杂参数对复合材料屏蔽性能的影响时,结合模型大小以及时间因素,抽样总粒子数为1×105个;而对复合材料进行综合屏蔽性能仿真时,抽样总粒子数为1×108个,超过积分能谱的最大通量,确保每个能量段的质子都有从粒子源出射的概率。

图2 典型轨道空间捕获质子积分能谱Fig.2 Captured proton integral energy spectrum in typical orbital space

在仿真设置中,如果采用Geant4默认的伪随机数引擎[25],那么在相同条件下的仿真结果是确定的。而对于微模型来说,使用伪随机数会带来偶然性和较大仿真误差。因此,为了降低偶然因素产生的仿真误差,在仿真中设置采用真随机数引擎,并对同一次计算进行多次仿真,最终结果取多次结果的平均值。

3 结果与讨论

3.1 碳纳米管掺杂参数对PE/CNT复合材料屏蔽性能的影响

为了研究CNT掺杂参数对复合材料屏蔽性能的影响,建立的初始几何模型如图3所示,模型(World)周围设置的是真空环境。在World中心放置1个PE基体模型,其大小为0.5 μm×0.5 μm×0.5 μm。构造CNT阵列的方式是先将1组CNT模型组合成1排,形成1个组合整体,然后将这个组合整体在基体中按一定间距铺排,形成阵列结构。

图3 PE/CNT复合材料示意图Fig.3 Schematic diagram of PE/CNT composite material

3.1.1掺杂不同浓度CNT阵列对PE/CNT复合材料屏蔽性能的影响 保持CNT阵列基本参数,仅改变CNT掺杂浓度为1%、5%、10%、15%、20%。通过统计屏蔽后的质子出射个数,探究复合屏蔽材料对质子的屏蔽效能。如图4所示为复合材料屏蔽后出射质子个数随CNT掺杂浓度的变化。由图4可知,当CNT掺杂浓度为1%时,复合材料屏蔽后出射质子个数为99 882;而当CNT掺杂浓度为20%时,复合材料屏蔽后出射质子个数减小至99 141。这表明随着PE中CNT的掺杂浓度增大,屏蔽后出射质子个数呈减小趋势。CNT掺杂浓度增加表明复合材料中CNT的数量增加,将会增加质子与屏蔽材料的碰撞概率,使得材料阻止本领增强。由于阻止本领的改变,能谱中部分低能质子的射程变短,无法穿透材料,从而减小了出射后的质子个数,增强了复合材料的质子屏蔽效能。此外,本文通过计算相同尺寸下的纯PE材料屏蔽后出射质子个数(99 965),证明掺杂CNT复合材料的屏蔽性能优于纯PE材料的屏蔽性能。

图4 穿过复合材料的质子个数随碳纳米管掺杂浓度的变化Fig.4 Number change of proton passing through composite material with doping concentration of CNT

3.1.2掺杂不同管壁直径CNT阵列对PE/CNT复合材料屏蔽性能的影响 基于上述研究结果,固定CNT掺杂浓度为10%,仅改变CNT管壁直径为1、2、3、4、5 nm。复合材料屏蔽后出射质子个数随CNT管壁直径的变化如图5所示。由图5可知,当CNT管壁直径为1 nm时,复合材料屏蔽后出射质子个数为99 616;而当CNT管壁直径为5 nm时,复合材料屏蔽后出射质子个数减小至99 057。这表明在PE中掺杂不同管壁直径的CNT后,其屏蔽后出射的质子个数随着CNT管壁直径的增加呈减小趋势。这是由于在相同掺杂浓度下,CNT管壁直径增加表明掺杂CNT数量减少,同时CNT侧面积增大。通过计算CNT阵列在入射面上的投影,可以发现总投影面积是随CNT管壁直径增加而逐渐增大的。这里的投影面积并非直接影响核过程,而是增加质子与CNT阵列的相互作用概率,有效降低入射质子的能量,从而减小出射后的质子个数,增强复合材料的质子屏蔽效能。

图5 穿过复合材料的质子个数随碳纳米管管壁直径的变化Fig.5 Number change of proton passing through composite material with diameter of CNT

3.1.3掺杂不同排布角度CNT阵列对PE/CNT复合材料屏蔽性能的影响 基于上述研究结果,固定CNT掺杂浓度和管壁直径分别为10%和5 nm,仅改变CNT排布角度为0°、30°、60°、90°,其中0°和90°的排布角度分别对应水平方向排布和十字交叉排布2种排布方式。根据不同排布角度构建的模型如图6所示。复合材料屏蔽后出射质子个数随CNT排布角度的变化如图7所示。由图7可知,在PE中掺杂不同排布角度的CNT后,规则排布(水平方向排布或十字交叉排布)时质子屏蔽效能要优于非规则排布。这是由于当CNT排布角度为30°和60°时,CNT阵列会存有较大空隙,导致质子与材料碰撞概率减小,从而减弱了材料的屏蔽性能。在规则排布中,十字交叉排布对质子的屏蔽性能要优于水平方向排布。十字交叉排布的CNT阵列会增加质子与CNT的接触面积,增大质子与材料的碰撞概率,进而降低质子出射个数,提高材料的屏蔽效果。

a——0°;b——30°;c——60°;d——90°图6 不同排布角度CNT阵列模型Fig.6 CNT array model with different arrangement angles

图7 穿过复合材料的质子个数随碳纳米管排布角度的变化Fig.7 Number change of proton passing through composite material with arrangement angle of CNT

3.1.4掺杂不同管壁层数CNT阵列对PE/CNT复合材料屏蔽性能的影响 基于上述研究结果,固定CNT掺杂浓度为10%,排布角度为90°,仅改变CNT管壁层数(以下简称“壁数”)为1、2、3、4、5、10层,最内层的直径为2 nm。图8所示为复合材料屏蔽后出射质子个数随CNT壁数的变化。由图8可知,CNT壁数为1时,复合材料屏蔽后出射质子个数为99 129;CNT壁数为2时,个数降低至99 100;CNT壁数为5时,个数增大至99 207;CNT壁数为10时,个数为99 241。数据表明在PE中掺杂不同壁数的CNT后,其屏蔽后出射质子个数随着CNT壁数的增加先减小后增大,但总体变化幅度不大。这是由于在相同掺杂浓度下,CNT壁数增加,导致掺杂的CNT数量减少,MWCNT侧面积增大。通过计算CNT阵列在入射面上的投影,发现总投影面积几乎相差不大,故复合材料的质子屏蔽效能对该参数不敏感。

图8 穿过复合材料的质子个数随碳纳米管管壁层数的变化Fig.8 Number change of proton passing through composite material with layer number of CNT

3.2 PE/CNT复合材料综合屏蔽性能分析

将屏蔽体模型扩展为长方体模型,屏蔽材料类型为PE/CNT。基于3.1节研究结果,CNT的参数设定如下:长度为10 μm,管壁直径为2 nm,管壁厚度为0.182 nm,排布方式为十字交叉排布。具体结构示意图如图9所示。基于该模型,研究不同厚度PE/CNT复合材料质子屏蔽性能。

图9 PE/CNT复合材料屏蔽模型示意图Fig.9 Diagram of shielding model of PE/CNT composite material

3.2.1PE/CNT复合材料的质子屏蔽效能 CNT掺杂浓度选取为0%(未掺杂)、10%和20%。图10所示为PE/CNT中CNT不同掺杂浓度时材料的电离剂量-质量厚度曲线,由图10可知,3种质子防护材料的曲线下降趋势几乎一致,经过局部放大后可明显看出:在相同质量厚度下,3种质子防护材料屏蔽后在探测器中的电离剂量大小关系是PE/20%CNT

图10 CNT不同掺杂浓度时质子防护材料的电离剂量-质量厚度曲线Fig.10 Ionization dose-mass thickness curve of proton shielding material with different doping concentrations of CNT

3.2.2PE/CNT复合材料屏蔽后的粒子通量分析 分别选取5 mm和10 mm厚度、掺杂10%CNT的复合材料进行模拟仿真,研究经过复合材料屏蔽后的粒子能谱。图11所示为复合材料屏蔽前后的质子能谱。由图11可知,经5 mm复合材料屏蔽后,能量低于10 MeV的质子通量要比屏蔽前明显降低2～4个数量级,而经10 mm复合材料屏蔽后,能量低于10 MeV的质子通量较之5 mm复合材料降低1个数量级。5 mm厚度的复合材料已经可以吸收屏蔽前全部低能质子。图11中屏蔽后存在的低能质子,一部分是由高能质子经过复合材料损失能量之后转化的低能质子,另一部分是由于质子与靶原子核发生碰撞后产生的次级质子。而对于100 MeV以上的质子,使用5 mm或10 mm厚度的复合材料进行屏蔽,质子通量的变化不明显。比较屏蔽前后总质子通量变化,屏蔽前总质子通量为3.175×1014cm-2,5 mm和10 mm复合材料屏蔽后总质子通量分别为9.288×1011、3.287×1011cm-2,总质子通量在屏蔽后约下降了3个数量级。

图11 PE/CNT复合材料屏蔽前后质子能谱Fig.11 Proton energy spectrum before and after PE/CNT composite material shielding

在综合研究复合材料的屏蔽效能时,需要考虑因屏蔽产生的次级粒子。表1列出了复合材料屏蔽后主要的3种次级粒子通量。由表1可知,次级粒子当中通量最高的是γ光子,且10 mm厚度的复合材料屏蔽后产生的3种次级粒子通量均高于5 mm厚度材料产生的粒子通量。这是由于厚度增加导致质子与复合材料之间发生反应增多,从而产生了更多的次级粒子。图12所示为复合材料屏蔽后次级γ射线能谱,由图12可知,2种厚度复合材料屏蔽后产生的γ射线均在4 MeV和10 MeV这两个能量点周围有较高的通量比例。利用仿真追踪产生γ射线的反应过程,发现均为入射质子与复合屏蔽材料中的碳原子核发生了非弹性散射,且产生γ射线的同时,会伴有反冲碳原子核和次级质子的产生。当入射质子高速撞击碳原子核,大概率会将部分或全部能量传递给碳原子核,在这个过程中碳原子核吸收质子能量后进入激发态,激发态的原子核会立即尝试将多余的能量释放,恢复到基态或低激发态,过程中会释放一个能量比初始质子低的次生质子,同时以发出γ射线的形式对外释放能量。由此推断碳原子核的亚稳定激发态能量比基态能量高4 MeV或者10 MeV。

表1 PE/CNT复合材料屏蔽后次级粒子通量Table 1 Flux of secondary particle after PE/CNT composite material shielding

图12 PE/CNT复合材料屏蔽后次级γ射线能谱Fig.12 Secondary γ-ray energy spectrum after PE/CNT composite material shielding

4 结论

本文使用Geant4软件针对空间轨道捕获质子环境下PE/CNT复合材料的屏蔽效能进行仿真研究,主要结论如下。

1) 较大掺杂浓度或管壁直径的CNT可有效增大质子与屏蔽材料的相互作用碰撞概率,提高复合材料的屏蔽效能。同时比较了5种不同CNT掺杂浓度的复合材料屏蔽后的出射质子个数,掺杂浓度越大,出射的质子个数越少,屏蔽效能越好;比较了分别掺入5种管壁直径不同的CNT的复合材料屏蔽后的出射质子个数,管壁直径越大,出射的质子个数越少,屏蔽效能越好。

2) 排布方式为非规则排布(排布角度为30°和60°)的结构内部存在较大空隙,会降低碰撞概率,削弱屏蔽效能。对于排布方式为规则排布(排布角度为0°和90°)的结构,CNT排列角度为90°的复合材料由于在入射面上投影面积更大,碰撞概率更高,所以具有更好的质子屏蔽效能。

3) CNT管壁层数对复合材料的质子屏蔽效能影响不明显。构建了多种管壁层数的CNT分别掺入聚乙烯中,在掺杂浓度一定的情况下,CNT的管壁层数对复合材料屏蔽质子的影响没有改变CNT管壁直径或排布角度造成的影响大。

4) 分析了PE/CNT复合材料的综合屏蔽性能,与聚乙烯相比,同一质量厚度下复合材料的屏蔽效能要优于聚乙烯,其屏蔽后在探测器中电离剂量最大降幅为7.40%(CNT浓度10%)和12.83%(CNT浓度20%)。