月球表面次级中子辐射环境仿真研究

蔡明辉，杨涛，韩瑞龙，许亮亮，夏 清，韩建伟，李兴冀

（1.中国科学院国家空间科学中心，北京 100190；2.中国科学院大学天文与空间科学学院，北京 100049；3.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150001）

0 引言

月球一直以来被视为人类飞出地球迈向深空领域的重要门户，世界各大航天强国纷纷开展无人和有人月球探测。美国政府已经启动了重返月球计划，联合多个国家建造“月球轨道平台—门廊”，作为着陆月球和通往深空的“跳板”；欧洲提出了“月球村”概念，计划以国际合作的方式在月球南极建立集科学研究、商业、旅游于一身的永久太空基地；俄罗斯规划的“月球25号”（Luna-25）、“月球26号”（Luna-26）、“月球27号”（Luna-27）、“月球28号”（Luna-28）都将月球南极作为探测的目标区域；我国也明确将月球无人科研站和载人探月任务提上日程[1-2]。

为了应对月球探测的需求，辐射环境及其影响研究必不可少。月球上辐射环境主要包括银河宇宙射线（galactic cosmic ray,GCR）、太阳质子事件（solar proton event,SPE）以及高能粒子与月壤发生核反应生成的次级辐射。在GCR 和SPE 方面，已发展了基于大量探测数据的较为成熟的环境模型，如CREME、Nymmik、JPL、ESP等[3-6]；在月表次级辐射方面，通常采用蒙特卡罗方法仿真不同月壤成分、不同高度的辐射环境特征[7-9]。由于次级中子辐射可以反演水冰含量，同时其具有高穿透性，可对航天员造成辐射伤害，所以在月球探测中得到高度关注[10]。国际上，在月球探测任务中携带中子探测器已经成为常态。我国“嫦娥四号”着陆器上的月表中子与辐射剂量探测仪也在国际上首次获得了月表中子环境探测结果。

本文将根据典型月壤成分和宇宙线辐射环境能谱，利用GEANT4软件仿真不同月壤深度的中子环境能谱，并与“嫦娥四号”探测数据进行比对，以验证仿真结果的有效性。研究结果可为我国后续月球探测任务中有效载荷和航天员的辐射防护设计提供参考依据。

1 仿真建模

1.1 宇宙线辐射环境

宇宙线辐射环境主要包括GCR 和SPE。GCR是起源于太阳系之外的高能带电粒子，粒子成分包括元素周期表从氢到铀核的所有元素，其中质子占93.0%，α 粒子占6.3%，其他重粒子只占0.1%。GCR最突出的特征是能谱范围特别宽，从几十MeV 到105MeV。SPE是发生太阳耀斑时发射出的高能带电粒子流，伴随太阳耀斑的爆发太阳宇宙线通量会出现急剧增长，瞬时增幅可达几个数量级，其成分主要是质子，能量范围从10 MeV 到数十GeV。SPE 是偶发性的，每次质子事件的强度和能谱都不完全相同。图1 是利用CREME96模型计算的太阳活动低年银河宇宙线典型成分能谱，图2是历史上典型太阳质子事件积分能谱。本文中的仿真主要研究GCR 和1989年SPE 中数量众多的质子轰击月壤产生的次级中子分布规律。

图1 银河宇宙线能谱Fig.1 Energy spectrum of galactic cosmic rays

图2 太阳质子事件积分能谱Fig.2 Integrated energy spectrum of solar proton events

1.2 月壤成分及几何模型

月壤包括月尘层、月壤层、岩石层等，其成分复杂，不同的月壤其元素含量占比不同。本文采用苏联“Luan-16”月壤样品进行建模[10]，其质量组成百分比为：43.5%的SiO2，5.5%的TiO2，13.9%的Al2O3，20.2%的FeO，6.1%的MgO，10.8%的CaO。为简化模拟，将月壤模型设置为一个高9 m、半径为5 m 的圆柱体，如图3所示。该圆柱体按照厚度分成5层，其中：月壤层分为上、中、下层，总厚度为5 m；月壤层之下是岩石层，之上是月尘层。月尘层厚度h1=0.5 cm，密度ρ=0.6 g/cm3。月壤上层厚度h2=19.5 cm，密度ρ=1.2 g/cm3；中层厚度h3=15 cm，密度ρ=1.5 g/cm3；下层厚度h4=465 cm，密度ρ=2.0 g/cm3。岩石层厚度h5=400 cm，密度ρ=3.4 g/cm3。为真实模拟空间辐射粒子的各项同性的特点，辐射入射粒子为2π 的面源。

图3 月壤几何模型Fig.3 Geometric model of the lunar soil

1.3 仿真工具

采用欧洲核子研究组织（CERN）开发的GEANT4（GEometry ANd Tracking）软件进行仿真计算。GEANT4是基于C++面向对象技术开发的蒙特卡罗应用软件包，用于模拟粒子在物质中输运的物理过程。相较于MCNP等商业软件，GEANT4的主要优点是源代码完全开放，用户可以根据实际需要更改、扩充程序。由于具有良好的通用性和扩展能力，GEANT4在涉及微观粒子与物质相互作用的诸多领域获得了广泛应用。本文使用GEANT 4.9.6版本，选择QGSP_BIC_HP物理模型进行月表次级辐射环境模拟。

2 仿真结果

2.1 GCR 导致的次级中子能谱分布

在月球几何模型的各个组成截面上，深度分别为0 cm、35 cm、100 cm 及700 cm 处设立探测半径R=5 m 的中子探测器，探测中子能谱特征。分别以GCR 极大值和极小值辐射环境为输入，GEANT4的跟踪粒子数为109个，进行仿真计算并归一化，获得的中子能谱如图4所示。

图4 GCR 在月壤不同深度形成的次级中子能谱分布Fig.4 Secondary neutron spectrum induced by GCR atdifferent depths of lunar soil

从图4可以看到：中子能量范围很宽，为10-7～105MeV；随着月壤深度的增加，中子通量呈现出先增加后减小的趋势，在大约1 m 处达到最大值。因此，在利用月壤建立有人长期月球基地时，必须有效防护次级中子的辐射。

2.2 SPE导致的次级中子能谱分布

在月壤深度0 cm、35 cm、100 cm、200 cm 及700 cm 处设置中子探测器，记录SPE 导致的次级中子能谱特征。以1989年最恶劣一天的SPE 质子能谱环境为输入，GEANT4的跟踪粒子数为109个，进行仿真计算并归一化，获得的中子能谱如图5所示。

图5 SPE 在月壤不同深度形成的次级中子能谱分布Fig.5 Secondary neutron spectrum induced by SPE atdifferent depthsof lunar soil

从图5可以看到，中子能量范围很宽，为10-7～103MeV，同时随着月壤深度的增加，中子通量呈现先增加后减小的趋势，同样在大约1 m 达到最大值。

2.3 GCR 与SPE导致的次级中子能谱对比

图6为GCR 和SPE诱导次级中子能谱分布的对比，可以看到：在月表附近，GCR 导致的次级中子强度远小于SPE 导致的中子强度；在深度5 m 的月壤内部，GCR 导致的次级中子强度则大于SPE 导致的中子强度。因此，载人探月或长期月球基地建设中，即使采用数米厚的月壤进行辐射防护也不能完全阻挡次级中子的辐射剂量。

图6 GCR 和SPE 诱导次级中子能谱分布的对比Fig.6 Comparison of secondary neutrons spectrum induced by GCR and SPE,respectively

2.4 计算结果的验证

将本文工作与美国NASA 的G.W.McKinney等[11]利用MCNPX 对Apollo 17月壤样品仿真的结果进行对比，如图7所示。从图中可见，月表中子能谱的结果与NASA 研究结果基本吻合。存在差异的主要原因是几何建模时月壤成分和结构设置的不同，且所采用的仿真工具GEANT4 和MCNPX之间也存在一定系统误差。

图7 月球表面中子能谱分布对比Fig.7 Comparison of neutron spectrum distributions on lunar surface

同时，将本文结果与中国“嫦娥四号”着陆器上中子与辐射剂量探测仪的首次月面观测数据进行对比[12]。首先采用GCR 活动低年能谱、3.5 mm 铝的屏蔽贡献进行计算，得到月表舱外和舱内中子能谱如图8所示。从图中可见，由于高能宇宙线粒子与着陆器材料的核反应产生了大量次级中子，舱内中子通量约为舱外的10倍。再利用该着陆器舱内中子能谱结果分析水中吸收剂量，并与“嫦娥四号”探测结果进行对比，结果如表1所示。从表中数据可见，“嫦娥四号”探测结果与仿真结果基本吻合，剂量偏差只有30%左右。

图8 月表舱外和舱内中子能谱分布Fig.8 Neutron spectrum distributions on lunar surface and insidethecabin

表1 中子剂量仿真结果与“嫦娥四号”探测结果的对比Table 1 Comparison of simulation resultsof neutron doseand Chang’E-4 detection results

3 结束语

本文采用蒙特卡罗方法模拟了GCR 和SPE高能粒子辐射环境与月壤相互作用生成的次生中子环境，给出了不同空间环境条件在月壤不同深度中的次级中子能谱，并与美国NASA 仿真结果、中国“嫦娥四号”探测数据进行了比对。研究结果表明：GCR 导致的次级中子在月壤中可达数米深度，随着月壤深度的增加中子通量呈现出先增加后减小的趋势；在月表GCR 导致的次级中子强度远小于SPE导致的中子强度，在深度数m 的月壤内部GCR 导致的次级中子强度则大于SPE 导致的中子强度。本文的研究结果可为我国未来载人月球探测任务中航天员、月球基地的辐射防护设计提供参考。