载人火星任务带电粒子辐射探测方案与应用技术研究

郝志华，陈鸿飞，贾晓宇，李衍存

（1.北京空间飞行器总体设计部，北京100094；2.北京大学地球与空间科学学院，北京100871）

1 引言

载人火星任务与近地载人航天任务相比有所不同，它不仅脱离了地球磁场的保护，而且在空间滞留时间更长（约520天），空间辐射尤其是带电粒子辐射对航天员的影响将更大［1-2］。一旦遭遇太阳粒子事件，可能会威胁航天员的生命安全。为确保航天员的安全，有必要搭载辐射探测设备对舱内辐射环境进行测量，实时获取环境数据，为航天员及时采取防护措施提供依据。目前国外火星探测任务已多次成功搭载辐射探测设备，包括“水手 4”搭载的捕获带辐射探测器［3-4］（TRD），“奥德赛”搭载的火星辐射环境探测仪［5］（MARIE）和“火星科学实验室”探测任务“好奇号”漫游车上搭载的辐射评估探测仪［6］（RAD）。这些探测设备获得了大量的实测数据。国内还尚未开展火星辐射环境探测。空间辐射对航天员的辐射效应通常用剂量当量（H）来表征，H与辐射剂量（D）和辐射品质因数（Q）相关，而Q又与带电粒子在水中的传能线密度（LET）相关［7］。 因此，D和LET的探测对分析载人火星任务航天员所遭受的辐射损伤具有重要意义。

本文在对载人火星任务辐射环境分析的基础上，确定探测器的测量指标。基于该指标完成探测器的方案设计，包括探头设计和可变采样快门时间的采样设计。此外，还针对人体组织与探测材料不同，探测数据无法直接用于航天员辐射损伤预估的问题，研究D和LET在硅和水间的转换关系。

2 载人火星任务辐射环境分析及辐射探测器指标确定

2.1 辐射环境分析

如图1所示，载人火星任务按阶段可分为奔火、驻留和返回三个阶段，期间航天员所遭遇的带电粒子主要来自地球辐射带（Earth Radiation Belt， ERB）、 银 河 宇 宙 线［1，8］（ Galactic Cosmic Ray，GCR）和太阳粒子事件（Solar Energetic Particles，SEP）。ERB由地球磁场捕获的带电粒子组成，主要是捕获带质子（0.1～400 MeV）和捕获带电子（0.04 ～7 MeV）［9］。 GCR 来源于银河系，主要是质子，约占85%，其次是α粒子，约占14%，其他重核约占1%［10］。SEP太阳爆发性活动产生的短时带电粒子增强现象，可持续数小时到数天，主要是质子［1］。

图1 载人火星任务遭遇的带电粒子环境Fig.1 Charged particles radiation environment in manned Mars mission

采用国际辐射单位与计量委员会（International Commission on Radiation Units＆Measurements，ICRU）提出的ICRU球模型，建模分析了载人火星任务航天员遭受的剂量当量。考虑任务周期520天，往返火星490天［2］，航天员活动区相对舱外空间屏蔽厚度为10 g／cm2的等效铝。载人火星任务航天员体表（皮肤）受到的剂量当量：①两次穿越地球辐射带约16 mSv；②奔火和返回巡航途中银河宇宙线的贡献，在太阳活动高年约470 mSv，在太阳活动低年约为145 mSv；③1次1989年特大太阳耀斑约2 Sv。由分析结果可知：地球辐射带对航天员造成的剂量当量小，时间短，可采取针对性的防护措施。因此，载人火星任务航天员遭遇的剂量当量主要来自长期低通量的GCR质子和重离子，以及突发性短时SEP质子，这也是辐射探测的重点。

2.2 辐射探测器指标确定

由MARIE和RAD的探测结果［10-11］可确定辐射剂量的测量分辨率要优于0.1 rad（Si），考虑获取探测数据的实时性，剂量测量的时间分辨率越小越好，这样在SPE爆发时，就可以快速探测到太阳质子事件，提醒航天员及时采取措施以避免辐射损伤，但时间分辨率越小生成的数据量就越大，综合考虑剂量测量的时间分辨率应在几分钟量级。

载人火星任务航天员所遭遇的带电粒子主要是质子和重离子。质子的LET值较小，但其空间通量大。重离子的LET值较大，其空间通量随着LET值的增加而迅速减小，当LET值增加到一定值后，重离子的空间的通量很小，给测量带来很大不确定性。考虑探测器测量的动态范围，同时参考国外的探测设备指标，可确定LET的测量范围1～1000 keV／μm。

综上可以确定载人火星任务辐射探测器的指标：①探头采用两片硅传感器串列构成的望远镜探头；②剂量测量的时间分辨率5 min，剂量分辨率优于0.01 rad（Si）；③LET 测量范围：1 ～1000 keV／μm。

3 辐射探测器方案设计

根据以上确定的指标，开展探测器的方案设计，最终设计出的辐射探测器可同时测量辐射剂量（D）和传能线密度（LET），其原理框图如图2，由三部分组成。

图2 探测器原理框图Fig.2 Block diagram of the detector

第一部分为探头及读出电路，采用两个探头并行工作以扩大探测效率，每个探头由两片传感器组成，共4片传感器（D11、D12、D21 和 D22），需要 4个前放。前放输出到4个主放大器，产生4个信号。该部分还包括探头偏压电源模块，用来提供探头工作电压。第二部分为信号调理单元，来自4个前放输出的信号送入阈值甄别及逻辑复合器（DLA）产生触发信号TRIG，其中D12和D22信号用于符合反符合判断入射事件是否有效，不会进入到存储器（FIFO）。DLA由数据处理单元提供甄别阈值。触发信号TRIG控制确认为有效信号输入。S1和S3分别为两个探头的前端传感器产生的信号，把它们通过一个信号相加放大器相加并放大为EAN信号送ADC准备采样。在DLA输出信号TRIG控制下，启动ADC对EAN信号采样形成粒子信号数据输出给数据处理单元。第三个部分为数据处理单元，负责控制仪器的工作方式，设置甄别阈值，进行数据采集和数据管理以及与上位机的通信管理。粒子信号数据代表一个入射粒子的能量。在数据处理单元中，对粒子信号数据进行分类计数，获得多个谱段的LET。

3.1 探头设计

探测器探头采用两片硅传感器组成望远镜探头来测量LET和D，如图3所示。

图3 探测器探头原理示意图Fig.3 diagram of detector probe

D1传感器用于测量入射粒子的LET；D2传感器用于指示粒子是否穿透D1传感器。图中的θ0为视场角的一半，即视场角为2θ0。当 D1和D2传感器同时收到信号，表明入射粒子穿透D1传感器到达D2传感器。粒子在D1传感器上沉积能量（ΔE）转换为电信号可由电路测量得到。LET可由公式（1）获得：

式中，Ei为沉积能量（MeV），ρ为硅传感器密度2320 mg／cm3，d 为 D1 传感器厚度（cm），LET为传能线密度 MeV／（mg／cm2），θ为粒子入射角在［0，θ0］之间。当D1传感器足够薄（d很小）且θ0很小时，公式（1）可简化为公式（2），即可获得入射粒子的LET。

在数据处理单元中，对粒子信号数据进行分类计数，获得多个谱段的LET。对每个LET谱段上入射粒子沉积的能量（Ei）除以传感器的质量求和可获得辐射剂量（D），如式（3）所示：

式中，Ei每个 LET谱段上粒子沉积能量（MeV），m 为传感器灵敏区的质量（kg），D 为辐射剂量戈瑞（Gy）。

3.2 可变采样快门时间的采样方法

其中，Nmax为最大时间片数，N为当前经历的时间片数，CN为当前经历的时间片数所记录的空间粒子数，Cmax为估算总粒子数。如时间片长度取50 ms，Nmax取100，最大采样快门时间5 s，存储器选用4 kbyte容量。该方法可实现从5 s测1个计数到50 ms测4000个计数的大动态范围（～105）粒子采样。如需要扩展采样范围，扩充下限需要增大时间片长度与Nmax的乘积，即最大采样快门时间。扩充上限需要缩短时间片长度或增加存储器的容量。

针对载人火星任务航天员遭遇的带电粒子通量动态涨落大，探测采样快门时间选取困难的问题，提出了可变采样快门时间的采样方法。该方法能够实现动态调整采样快门时间，可有效解决空间粒子通量动态范围大，无法选取合适的采样快门时间的问题。

可变采样快门时间的采样方法具体实现过程如下：①将采样快门时间按照时间片数划分，并于每一个时间片数检测存储器的存储量状态，其中存储器存储采样的空间粒子信号。②在经历第N个时间片数时检测到所述存储量状态为半满状态，采样快门时间为N×k，1≤N≤Nmax，k为单个时间片的长度，Nmax为最大时间片数。③当第Nmax个时间片数时检测所述存储量状态未达到半满状态，采样快门时间为Nmax×k。④在检测到所述存储量状态为半满状态或达到第Nmax个时间片数时，停止采样，从所述存储器读取空间粒子信号，根据当前经历的时间片数、最大时间片数、当前经历的时间片数所记录的空间粒子数确定估算总粒子数Cmax，如式（4）所示：

4 探测数据不同材料间探测量的转换

由于人体组织与探测材料不同，将探测数据用于航天员辐射损伤预估，必须开展探测量（LET和D）在不同材料间的转换。考虑人体组织中水约占总质量的73%［12］，可将人体组织近似成水，开展LET和D在硅和水之间的转换。

4.1 传能线密度的转换

采用 SRIM程序，对空间中典型带电粒子（H、He、C、N、O、Si、Fe）在硅和水中的 LET 进行分析，可获取空间中典型带电粒子在水中与硅中的传能线密度的比值（LET水／LET硅）随粒子能量的变化关系如图4所示。

图4 空间典型带电粒子在硅和水中LET比值随粒子能量的变化关系Fig.4 Changes of LET ratio with the particle energy of typical space charged particles in silicon and water

由图4可以看出，在粒子能量较低（＜2 MeV／u）时，LET水／LET硅在0.63～0.72之间。 随着粒子能量的增加，LET水／LET硅趋向一致。在粒子能量为40 MeV／u时，所有粒子在两种材料中的传能线密度之比均为0.55。随后这个比值随着粒子能量的增加而减小，在粒子能量1000 MeV／u，该比值减小到0.53。也即粒子能量从40 MeV／u到2000 MeV／u，该比值大约只有5%的变化。图5给出了不同带电粒子的LET水随LET硅的变化关系，基于这种变化，采用回归拟合得到LET水和LET硅的关系表达式如式（5）所示：

4.2 辐射剂量的转换

粒子入射到传感器通过电离作用在传感器中辐射剂量即为式（6）：

图5 空间典型带电粒子在硅和水中LET关系图Fig.5 LET relationship of typical space charged particles in the silicon and water

式中，ΔE为电离辐射授于能（J），Δm为物质的质量（kg），D 为辐射剂量（J／kg），也称 Gy。

粒子在传感器中沉积的总能量及质量如式（7）、式（8）所示：

式中，LETi不同谱段上粒子的传能线密度（keV／μm），ni为单位面积上不同 LETi对应的粒子数（个），d为传感器的厚度（μm），s为传感器的面积（cm2），ρ为传感器材料的密度（g／cm3）。将式（7）、（8）带入式（6）可得式（9）：

由式（9）可得D在水中和硅中的转换关系近似为： D水／D硅＝ LET水ρ硅／LET硅ρ水。

5 结论

1）针对载人火星任务航天员辐射损伤预估需要同时测量D和LET，完成了基于两片硅传感器望远镜探头的探测器方案设计。

2）针对带电粒子通量动态涨落大，探测采样快门时间选取困难的问题，提出了可变采样快门时间的采样方法。该方法能够实现动态调整采样快门时间，即在粒子通量较小时增大采样快门时间保证探测的有效性和探测精度，在粒子通量较大时减小采样快门时间节约处理资源，提高粒子探测中通量测量的动态范围，提高采样效率。该方法可实现105动态范围的采样。

3）针对人体组织与硅不同，探测数据无法直接用于航天员辐射损伤预估的问题，将人体组织近似成水，研究给出了LET和D在硅和水之间的函数转换关系LET水＝0.527×LET硅1.016。