用于空间辐射效应评估的软件—SEREAT

陈善强，刘四清，师立勤，陈 东

(1. 中国科学院国家空间科学中心，北京100190；2. 中国科学院大学，北京100190)

用于空间辐射效应评估的软件—SEREAT

陈善强1,2，刘四清1，师立勤1，陈 东1

(1. 中国科学院国家空间科学中心，北京100190；2. 中国科学院大学，北京100190)

为快速准确地评估航天器内部的空间辐射效应，本文基于Open CASCADE工具包和Geant4开发了一套空间环境辐射效应评估软件SEREAT。SEREAT扇段分析模块读取计算机辅助设计(CAD)文件建立航天器三维模型，利用射线追踪方法计算航天器内任意位置的屏蔽厚度分布，并将CAD文件直接转换为Geant4能够识别的几何描述语言(The Geometry Description Markup Language，GDML)，为基于Geant4的三维空间辐射效应评估提供几何建模数据接口。在此基础上，SEREAT常规辐射效应模块读取屏蔽厚度分布，完成舱内屏蔽能谱、单粒子翻转、总剂量等辐射效应的计算。利用本方法对地球同步轨道卫星的辐射效应进行计算，结果表明SEREAT可以满足复杂航天器辐射效应分析的需求。

辐射效应；射线追踪法；总剂量；Open CASCADE；Geant4

0 引 言

空间辐射效应严重影响航天器的在轨运行安全。快速准确地评估航天器可能遭受的辐射风险成为航天器方案和研制阶段的必要步骤。目前常用的SPENVIS、OMERE、CREME96等辐射效应分析工具均采用简化的一维屏蔽模型，仅能完成方案的常规辐射效应评估，不能满足屏蔽优化设计的需求[1-3]。为此，国内外均基于CAD软件和蒙特卡罗工具包Geant4开发了多种扇段分析和蒙特卡罗三维模拟软件[4-5]。三维屏蔽分析相对于一维模型更加真实，可以用来进行航天器屏蔽优化设计，为防护薄弱位置的识别和抗辐射加固设计提供重要参考[6-7]。

航天器设计部门采用Pro/E、SolidWorks等商业CAD软件建立的卫星模型过于复杂，不能直接用于屏蔽分析，需要进行处理和简化。Geant4工具包不支持直接读取CAD软件导出的模型文件，需要进行格式转换。考虑到复杂航天器三维屏蔽建模存在的上述困难和扇段分析在屏蔽优化中的重要作用，本文提出了基于Open CASCADE和Geant4的三维屏蔽建模和扇段分析方法，并将CAD格式转换为Geant4能够直接调用的GDML格式,为基于Geant4的三维辐射效应评估提供几何建模数据接口。在完成扇段分析之后，还需要结合卫星轨道上的空间环境状况，给出卫星舱内各位置的辐射效应水平。为此，本文调研了当前工程上常用的空间环境模型和辐射效应计算模型，开发了常规辐射效应分析模块，通过读取扇段分析模块提供的屏蔽厚度分布，完成航天器内部的屏蔽粒子能谱、单粒子翻转率、总剂量等辐射效应的计算。

1 三维屏蔽建模

三维屏蔽模型是空间辐射效应分析的核心问题之一，屏蔽模型的精度直接影响到效应分析的最终结果。Open CASCADE是由法国Matra Datavision公司开发的开源CAD工具包，主要用于开发几何建模、数据交换、模型显示等应用程序，支持STEP中性文件的读取[8]。本文采用基于Open CASCADE的开源FreeCAD软件的程序框架开发了SEREAT的建模和显示界面[9]，如图1所示。

在三维屏蔽建模过程中，SEREAT可以直接读取Pro/E、SolidWorks等商业CAD软件导出的STEP中性文件，或是创建立方体、球体、圆柱体等简单几何模型，并生成模型树结构显示。在扇段分析中和蒙特卡罗模拟中都需要几何体的材料信息，而在STEP文件中，并不包含材料属性，因此在辐射效应分析之前，需要手动添加几何体的材料属性。为方便添加，本文建立XML格式的数据库，用户可以从数据库中选择或创建新材料。目前SEREAT仅能通过创建简单几何模型替代复杂模型的方式进行简化，去除小零件、小孔等简化操作需要借助商业CAD软件完成，自动简化功能有待开发。

2 GDML格式转换

Geant4是基于蒙特卡罗方法的粒子输运工具包，广泛用于空间辐射效应评估领域。国内外开发了多种Geant4辐射效应评估软件，例如SSAT、GRAS等[10-12]，其均存在手工建模耗时容易出错，建立复杂航天器模型比较困难等问题。如果能够将Pro/E、SolidWorks等商业CAD建立的模型直接导入Geant4进行仿真分析，可以大大提高建模效率。国内外也相继开展了格式转换的相关工作[13-14]。

Geant4支持GDML语言进行建模。GDML是一种基于XML的几何描述标记语言，通过定义形状、材料、位置以及继承关系，建立复杂的几何模型。借鉴国内外格式转换的相关工作，在三维建模的基础上，本文开发了格式转换模块，即将STEP中性文件转换为GDML格式。GDML采用由三角形或四角形面片组成的封闭几何体Tessellated Solids描述复杂几何模型，因此可以将复杂模型面片化并转换为Tessellated Solids格式，最后将材料和几何关系按照GDML格式输出，完成格式转换。为测试模型转换的正确性，利用本方法将五种几何体转换为GDML文件，采用Geant4读取并显示，转换效果如图2所示。

3 扇段分析

扇段分析考虑卫星的真实结构，计算卫星内部任意位置在不同方向上的等效铝屏蔽厚度，是总剂量计算和屏蔽优化设计的重要手段。ESA的ECSS-E-10-12标准指出扇段分析的屏蔽厚度计算主要有法向传输(NORM)和直线传输(SLANT)两种方法。直线传输假设粒子沿直线传播，主要用于评估材料对质子和重粒子的屏蔽效果；法向传输假设电子受多重散射的影响其传输方向将发生改变，主要用于评估材料对电子的屏蔽效果，如图3所示[15]。

Geant4中的虚拟粒子geantino不与材料发生物理作用，仅在几何体边界记录穿入和穿出的位置。本文利用虚拟粒子的上述特性，获得粒子出射方向上的等效屏蔽厚度，实现了扇段分析直线传输方法。对于法向传输，我们采用了欧空局开发的扇段分析软件SSAT中的相关代码，实现虚拟粒子的法向传输[11]。SEREAT可以在任意位置添加多个十字星标记点，并以标记点为中心计算屏蔽厚度分布，如图1所示。为方便评估某一单机对屏蔽效果的影响，本文利用SEREAT的三维建模界面中的显示/隐藏几何体的功能，在扇段分析中实现了忽略隐藏几何体的功能，方便进行屏蔽优化设计。下面利用简单几何体和复杂几何结构对扇段分析进行功能验证。

3.1 简单几何体

本文建立了一个由3mm厚度立方体壳+1mm厚度球壳组成的简单几何结构，标记点位于立方体中心位置。在法向传输模式下，标记点周围屏蔽厚度为4mm，结果符合预期。在直线传输模式下，屏蔽厚度最大的区域为立方体的8个顶点方向，最小区域为垂直于立方体6个面的方向,屏蔽厚度分布如图4(a)所示。隐藏立方体壳的一个侧板之后，计算得到等效铝屏蔽厚度分布如图4(b)，屏蔽最薄的地方来自该侧板方向，屏蔽厚度为1mm，剂量贡献也主要来自这部分立体角。

3.2 复杂结构模型

为验证扇段分析模块对复杂航天器的处理能力，本文构建了一个边长为5000mm、厚度为3mm的空心铝壳，包含1000个单机的卫星屏蔽模型，所有单机均为边长200mm实心立方体，重量2.16kg，实心均化密度为0.27g/cm3，模型结构如图5所示。在靠近顶端的单机中心设置标记点，将4π立体角划分为1800个小立体角，从立体角中心方向发射粒子，得到屏蔽厚度分布如图6所示。由图6可以看出，标记点在+Z方向上缺少其他单机的遮挡，屏蔽厚度较小，约为13mm等效铝。

4 辐射效应分析模块

影响航天器在轨运行安全的空间辐射环境主要包括地球辐射带、银河宇宙线、太阳宇宙线。SEREAT辐射效应模块集成了目前常用的空间环境模型和辐射效应评估模型，结合由扇段分析模块计算的等效铝屏蔽厚度分布，能够给出卫星轨道上的空间辐射环境、舱内屏蔽能谱、单粒子翻转率、总剂量、位移损伤、太阳电池损伤等辐射效应的常规评估，其主要功能如图7所示。

为验证辐射效应模块的各项功能，本文以任务周期2016-2030年的地球同步轨道卫星的辐射效应分析为例，说明辐射效应评估的完整流程，并与常用的SPENVIS、OMERE等辐射效应工具进行比较。同步轨道的辐射环境主要包括辐射带电子、银河宇宙线、太阳宇宙线。根据太阳活动周的预测结果，卫星有8.87年处于太阳活动高年，选择AE8-Max模型、CREME96-SolarMin、90%置信度的ESP模型分别计算卫星轨道上的辐射带电子能谱、银河宇宙线能谱、太阳质子注量[16]。在实心球铝屏蔽模型下，本文计算了上述空间辐射环境在硅中产生的剂量-深度曲线、位移损伤等效注量，计算结果如图8、图9所示。

本文计算了0、1、3、5、8、10、15、20mm铝屏蔽下的银河宇宙线LET谱。图10给出了无屏蔽和20mm铝屏蔽下的LET谱，并与SPENVIS、OMERE的计算结果进行了对比。

根据文献[17]中的VIRTEX-II FPGA配置存储器重粒子和质子Weibull参数，结合上述不同铝屏蔽厚度下的LET谱，本文计算了银河宇宙线的单粒子翻转率，如图11所示。

上述辐射效应分析结果表明，SEREAT辐射效应模块的计算结果与SPENVIS和OMERE基本一致，可以用来进行辐射效应评估。为进一步评估各方向屏蔽厚度对总剂量的贡献，本文采用第3小节中的方法，计算了4种几何屏蔽结构下的屏蔽厚度分布，并分别计算了中心位置的总剂量以及对应的等效屏蔽厚度，结果如表1所示。

计算结果表明3mm立方体壳+1mm球壳几何结构中心的三维辐射剂量为136krad[Si]，与一维剂量-深度曲线在4mm实心球模型下的辐射剂量256krad[Si]相比，大约降低了46.9%的剂量。去掉侧板之后，上述屏蔽模型的最小屏蔽厚度为1mm铝，因此辐射剂量明显上升。立方体壳的厚度由3mm增加到5mm，辐射剂量仅降低了6.4%，说明存在明显薄弱环节的情况下，单纯增加其他立体角方向上的屏蔽厚度并不能有效地降低总剂量。

表1 不同屏蔽结构下的辐射剂量

5 结束语

本文介绍了自主开发的空间辐射效应分析软件SEREAT。SEREAT通过读取CAD文件建立三维屏蔽模型，可以准确快速地评估航天器内部任意位置的屏蔽厚度分布。常规辐射效应分析模块结合卫星轨道、空间环境参数、屏蔽厚度分布，给出航天器内部的任意位置的辐射环境和辐射效应水平。三维屏蔽的扇段分析将航天器模型简化为等效铝屏蔽厚度分布，忽略了卫星结构和不同材料对不同种类粒子的屏蔽效果，具有一定的局限性，进一步的辐射效应评估需要进行三维蒙特卡罗模拟。考虑到蒙特卡罗模拟三维建模的需要，SEREAT提供了一个航天器建模CAD软件和辐射效应模拟工具包Geant4 之间的数据接口。通过地球同步轨道卫星的效应分析，验证了SEREAT的上述功能，结果符合预期，可以为航天器的效应分析和屏蔽优化设计提供参考。

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通信地址：北京市8701信箱( 100190)

电话：(010)62586415

E-mail:chenshanqiang@nssc.ac.cn

(编辑：张宇平)

SEREAT: A Software for Space Radiation Effects Assessment

CHEN Shan-qiang1,2, LIU Si-qing1, SHI Li-qin1, CHEN Dong1

(1. National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

In order to calculate the space radiation effects precisely and instantly in a spacecraft, a new Space Environment and Radiation Effect Analysis Tool (SEREAT) is developed based on Open CASCADE and Geant4. The sector analysis module of SEREAT has been developed to calculate the spacecraft shielding at any point by integrating the ray tracing method. This study provides a convenient tool to convert the computer-aided design (CAD) geometry models into the GDML (The Geometry Description Markup Language) models for Geant4 applications. Using the distribution of the shielding thickness produced by the sector analysis module, SEREAT can calculate and analyze the radiation effects, such as the particle flux behind the shielding, total ionization dose, single event upsets, etc. Total ionization dose at a geostationary orbit is calculated by SEREAT, and the result shows that SEREAT can meet the needs of radiation effect analysis in a complex spacecraft.

Space radiation; Ray tracing; Total ionization dose; Open CASCADE; Geant4

2016-09-05;

2016-12-27

国家重点研发计划(2016YFB0501503)

TP731

A

1000-1328(2017)03-0317-06

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.03.013

陈善强(1985-)，男，助理研究员、博士生，主要从事空间辐射环境及其效应研究。