载人深空探测被动屏蔽优化仿真研究

杨 涛，于 梅，牛 睿，蔡明辉，2，韩建伟，2

（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，北京100049；3.上海航天控制技术研究所，上海201109）

1 引言

载人深空火星探测任务中，银河宇宙射线（Galactic Cosmic Rays，GCR）是航天员主要遭受的空间辐射环境之一，其主要成分为质子，约占总粒子数量的87.5%，其次是α粒子，约占总粒子数量的10%，其余为高能重离子［1］。GCR中高能重离子能量可达数TeV·n［2］，其中铁离子丰度为0.02%，但对航天员的生物效应贡献可达到20%以上［3］。而目前载人深空探测任务的空间防护，一般采用被动防护的方式，即使用一定质量厚度材料屏蔽的方法来降低航天员接受的剂量［4］。被动防护中高能重离子与舱体被动屏蔽材料发生复杂相互作用，会产生大量的次级粒子，如反冲质子、次级中子和其它重核等粒子［5］。

为了减轻原初粒子和次级粒子对舱内的航天员辐射损伤，需分析屏蔽后辐射粒子成分及能谱随被动屏蔽厚度变化规律。国内外学者针对深空探测的被动屏蔽做了大量仿真计算研究，如NASA的Hzetrn［5］对铝、液氢和水的屏蔽情况作了分析；Cucinotta等［6］对1972年太阳质子事件的剂量当量进行了剂量分析；南京航天航空大学的方美华博士［3］研究了高能铁离子在水介质中核反应导致的能量沉积；新疆大学荀明珠［7］分析了单能铁离子入射屏蔽材料后次级粒子分布规律，但是都没有解决深空GCR连续环境谱的被动屏蔽的辐射规律，同时缺失对次级中子优化屏蔽设计方法。

GEANT4 Toolkits由 C＋＋语言编写，能够模拟各种粒子与物质相互作用，功能强、可扩展性和自由度大，广泛应用在空间辐射环境模拟、高能粒子加速器的仿真、放射医学、粒子探测器设计等高能物理及核物理领域［8］。本文以Geant4为基础，分析单能铁离子与GCR辐射粒子经过不同材料屏蔽体后其碎片及次级中子随屏蔽厚度变化规律，及屏蔽后不同辐射粒子对人体剂量当量的贡献，并根据次级粒子成分及能谱分布优化设计被动屏蔽材料组分。

2 物理模型及仿真建模

2.1 物理模型

对于重离子入射被动屏蔽材料产生次级粒子的相互作用过程的截面如式（1）所示［8］：

式中，Z为重离子的原子序数，E为原初重离子的能量，T为产生次级粒子的能量，Tcut为产生的次级粒子截止阈能，Tmax为转移到次级粒子的最大能量。

除了需要采用离子反应的相互作用截面，还要建立合适的基本核反应的模型，而Geant4在处理原初重离子与屏蔽体材料靶核发生核反应方面，可选择采用的基本核反应模型有Binary、Abrasion-Ablation、Bertini核内级联、核粒子蒸发、复合核过程及衰变等物理模型，另外还可采用有原子核碎裂反应过程、高能重离子核反应碎裂过程等其它模型，本文在仿真计算中选择的模型是Abrasion-Ablation 核反应模型［9-11］。

2.2 仿真几何建模

仿真几何模型构造为球壳模型，如图1所示。球壳外是粒子源，用以定义单能重离子（Fe）或者GCR中连续谱重离子谱，且离子垂直入射。中间浅绿球壳为屏蔽体（被动屏蔽材料），屏蔽体厚度选择为 20 g／cm2、10 g／cm2、5 g／cm2和 2 g／cm2，材料选择三种基本材料：聚乙烯（Pol）、铝（Al）及硼（B），材料数据来源于美国国家标准与技术局数据库［12］，①聚乙烯（ρ＝0.94 g·cm－3）：氢元素含量为12.05%、碳元素含量为80.51%、氮元素含量为2.26%、氧元素含量5.18%，激发能I＝57.54 eV；②铝（ρ＝2.699 g·cm－3）：激发能 I＝166 eV；③硼（ρ＝2.34 g·cm－3）：激发能 I＝5.73 eV。 黄色球体为粒子探测器，收集经过屏蔽体屏蔽后的各种原初粒子与次级粒子能谱。计算使用Geant4.9.6版本，原初入射粒子数为1×109个。

图1 仿真计算的几何模型Fig.1 The geometric model of simulation calculation

3 Geant4仿真计算结果及分析

3.1 单能铁离子通过屏蔽材料后产生次级粒子分析

为详细分析1000 MeV·n－1的铁离子与被动屏蔽体（铝或聚乙烯）相互作用后每一种次级粒子的通量随厚度变化规律，需仿真研究10 g／cm2、5 g／cm2和2 g／cm2等三种不同厚度的屏蔽体（铝或聚乙烯）。并依托建立的几何模型，统计屏蔽体后产生的次级重核，得到各种核碎片种类及其对应的粒子数，其中也统计各种同位素，并对统计粒子数进行了归一化通量处理，其结果如图2所示。

图2 铁离子与屏蔽材料作用后次级碎片的归一化通量Fig.2 Flux of secondary debris after Fe iron inject in shielding material

图2结果表明：在屏蔽材料面密度为2～10 g／cm2范围内，被动屏蔽体材料厚度越厚，产生的次级粒子通量越高，这是由于原初粒子在屏蔽体内所经历的碰撞越多，则发生核反应次数越多。只要原初粒子能量高于相互作用核反应阈值，且其核反应产生的次级粒子数目大于被阻止粒子的数目，则屏蔽后次级粒子数目会逐渐增加。

同样质量屏蔽体厚度、同样能量原初粒子入射情况下，聚乙烯屏蔽后的次级粒子数目是铝的数倍。原初粒子与屏蔽体相互作用后产生的次级碎片比原初粒子的原子序数要小，且所带电荷也少。依据粒子阻止本领与电荷的平方成正比，带电粒子的电荷越多，能量损失率越大，穿透能力越弱，可以得知：在同等质量的屏蔽厚度下，宇宙重离子入射到含氢材料或轻元素材料的路径上会遇到更多的原子核，从而加大与靶核相互作用的几率；另外，轻核含有较少的质子数，在通过电子耦合轫致辐射产生次级电子和γ射线较少，因此选择含氢元素屏蔽材料的屏蔽防护效果较其它元素屏蔽材料屏蔽效果要好。

3.2 GCR中粒子通过屏蔽材料后辐射粒子成分分析

深空辐射环境是复杂的混合场，GCR中的每一种原初粒子种类和能量分布都不同，如图3所示［13］。随着粒子原子序数增加，粒子通量快速下降。为了分析GCR环境不同粒子与被动屏蔽材料（铝或聚乙烯）相互作用后粒子分布规律，本模拟仿真建立 20 g／cm2、10 g／cm2、5 g／cm2和2 g／cm2等4种屏蔽厚度，仿真计算GCR中高能离子与屏蔽材料作用。图4显示GCR原初粒子穿过4种不同厚度的铝或聚乙烯后典型三种辐射粒子的能谱。由于产生次级粒子种类较多，主要分析数量较多的粒子，如质子、中子、He核等粒子分布规律，其它重核粒子的分布规律与He核类似。

图3 银河宇宙射线能谱Fig.3 The spectrum of galactic cosmic rays

从图4可知，在屏蔽材料面密度为2～20 g／cm2范围内，随着屏蔽体厚度增加，产生次级中子通量越来越高，而其它带电重核粒子的通量越来越低。因为中子穿透能力高于其它带电粒子，且由于随着屏蔽体厚度的增加，中子与高Z次级重核发生级联反应，增加次级中子产额。而不同质量厚度，同样入射能量条件情况下，低能次级中子随能量增加，其通量平缓上升；而高能次级中子随能量增加，其通量趋于定值并快速下降。其他次级带电粒子随能量增加先增加后衰减。

3.3 GCR中辐射粒子通过屏蔽材料后对人体剂量当量分析

由于GCR经过不同屏蔽材料后产生的次级粒子的能量不同及照射条件不同导致产生的生物效应是不同的。而在深空载人任务中辐射防护中最关心的是人体受到各种类型辐射的照射后将发生什么样的效应，因此，引入剂量当量，用以评估人体所受电离辐射的危害程度［13］。GCR辐射环境通过4种屏蔽厚度的铝及聚乙烯后的29种原初宇宙线粒子及次级粒子对人体的剂量当量如图5所示。

图4 GCR与屏蔽材料作用后部分次级离子能谱Fig.4 The energy spectrum of some secondary ions after GCR inject in shielding material

从图5可知：GCR辐射粒子经过材料面密度厚度为2～20 g／cm2范围屏蔽后，不同原子序数（0～28）的原初宇宙线粒子及次级粒子对人体剂量当量贡献值差距较大。 其中1H、2He、12C、16O、20Ne、24Mg、28Si、32S、40Ca、48Ti、52Cr、56Fe、59Ni及中子对人体的剂量当量为主要贡献，即这些粒子对人体的辐射危害比较突出。随着屏蔽厚度的增加，中子对人体的剂量当量随着屏蔽厚度增加而增大，且屏蔽材料厚度越大，对人体的辐射危害越明显，而带电粒子对人体剂量当量值随屏蔽厚度增加显著下降。比较图5a、b可知，屏蔽材料厚度大于10 g／cm2面密度情况下，聚乙烯材料降低原初宇宙线粒子及次级粒子的对人体的剂量当量效果比铝材料要突出。

3.4 屏蔽次级中子被动材料参硼比例设计分析

屏蔽材料在一定面密度厚度范围内，产生的次级中子的通量随着屏蔽厚度增大而增高，导致对人体的伤害加大，为了有效地降低次级中子对人体伤害，必须减少次级中子产额。减少次级中子产额主要包括两个过程：产生的快中子与屏蔽体材料中的重核元素发生非弹性散射或与屏蔽体材料中的轻核元素发生弹性散射，慢化成能量较低的热中子；慢化后的热中子被吸收截面大的元素俘获并吸收。而聚乙烯材料含氢可以慢化中子，慢化后的热中子需被截面大的元素吸收，而10B中子吸收截面高达3837b，且10B俘获热中子后不会产生较强的二次γ射线，因此，对聚乙烯材料掺硼是较为理想的中子屏蔽方法。根据表1制备7种复合材料，经过仿真计算获得次级粒子的能谱，利用ICRP标准数据库［13］获得如图6所示的人体腺体剂量当量结果。

图5 GCR与屏蔽材料作用后不同离子对人体的剂量当量Fig.5 The dose Equivalent of various ions after GCR inject in shielding material

表1 聚乙烯与硼掺杂比例参数Table 1 Parameters of polyethylene and boron doping ratio

图6 掺杂硼比例与人体腺体剂量当量关系Fig.6 The relationship between boron proportion and dose equivalent of human gland

从图6可知：在GCR中的辐射粒子经过面度为20 g／cm2组合材料屏蔽后，带电粒子与次级中子产生对人体腺体的剂量当量随硼比例增加而先下降后上升，当硼比例约15%时，辐射粒子对人体腺体剂量当量约下降11%，达到最低剂量当量；但随着硼比例上升，屏蔽体厚度显著减小，而剂量当量显著上升。因为随着10B含量的增加，屏蔽厚度下降比较快，其含氢量也在下降，对中子的慢化作用下降，导致对原初粒子和次级中子屏蔽效率下降，最终导致对人体腺体吸收剂量上升。

4 结论

本文利用Geant4仿真工具，对深空辐射粒子与被动屏蔽材料相互作用进行Monte Carlo模拟，结果表明：

1）单能铁离子在与等效介质铝及聚乙烯相互作用后，次级粒子种类变多，高原子序数的碎片明显高于低原子序数的碎片。同样质量厚度、同样入射能量情况下，聚乙烯的次级碎片数目是铝的数倍。

2）在材料面密度厚度2～20 g／cm2范围内，GCR中辐射粒子与铝或聚乙烯相互作用后，次级中子随着屏蔽厚度增加，通量随之增加，而其它带电粒子随屏蔽厚度的增加，其通量下降，且屏蔽后29种不同辐射粒子对人体的剂量当量贡献差距较大，其中1H、2He、12C、16O、20Ne、24Mg、28Si、32S、40Ca、48Ti、52Cr、56Fe、59Ni及中子对人体的剂量当量为主要贡献，即该粒子对人体辐射危害比较突出。

3）依据屏蔽后带电粒子及次级中子的能谱特征，研究掺杂硼的复合屏蔽材料对所有辐射环境的累积屏蔽效果，当质量面密度为20 g／cm2复合材料，其硼比例约15%时，辐射粒子对人体腺体的剂量当量下降了11%，该模拟计算得到的结果能为深空探测任务的辐射防护材料制备提供依据。