太阳系边际探测任务辐射效应综合分析

王 颖，张 熇，任德鹏，韩承志，刘飞标，田百义，李衍存

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

0 引言

我国深空探测项目启动较晚，但进步迅速、具有明显的中国特色、在部分领域也已取得了长足的发展，为适应未来空间探测的发展、进一步提升综合探测能力和科技创新牵引力，我国将计划开展太阳系边际探测工程［1］，这不仅具有推进人类探索疆域的深远意义，还将有助于推动空间科学、空间技术和空间应用的全面发展［2-4］，在服务人类文明可持续发展的同时，提升我国在空间科学探索领域的地位。

太阳系边际探测任务飞往日球层顶区域（即太阳风与局部星际介质压力平衡的地方）进行探测，距离太阳70～150 AU（1 AU是指地球与太阳之间的平均距离，1 AU=1.496×108km）。由于太阳辐射能量密度与距离平方成反比，100 AU 处的太阳光通量仅为地球轨道的10-4倍，因此对于超远距离的深空探测任务而言，太阳能已不能继续作为主能源，选择核能源能够满足探测器的能源动力需求，但是会对探测器产生核辐射及其他影响，需开展系统论证和分析。

太阳系边际探测器在轨运行期间，除了会经受传统探测器所面临的空间环境外，特别是木星强辐射环境，核电源本身产生的高能γ射线、高能中子也会对探测器系统的运行产生辐射效应。这两种辐射环境的叠加会对探测器所使用的电子产品和原材料等产生辐射综合效应，对探测器造成一定程度的损伤与危害，甚至威胁探测器安全，而核电源的辐射剂量是整器开展辐射防护工作的重要输入，因此在任务论证的初期就需要对辐射环境及其各种效应进行详细的分析，从而对产生的辐射效应进行有效防护，确保探测器在轨运行安全可靠。本文将系统分析太阳系边际探测任务所经历的空间辐射环境及效应、核电源辐射及效应以及两者的综合影响。

1 空间辐射环境分析

太阳系边际探测任务分为鼻尖探测和尾部探测两次任务，任务周期为23 年左右，太阳系边际探测器脱离太阳系进入宇宙空间对地球发射特征能量C3（Characteristic energy，发射双曲线轨道剩余速度的平方）需求高达150 km²/s²以上，远超过运载能力，为降低能量需求，探测器必须采取天体借力。木星是太阳系内引力常数最大的行星，且是距离地球最近的一颗可以1次借力即可使探测器飞离太阳系的行星，是太阳系边际探测任务必选的借力天体。木星轨道以外的太阳系大天体为土星、天王星、海王星及冥王星，其运行相对位置决定了能否继续为探测器提供借力飞行。尾部探测任务中，木星借力后探测器可继续飞掠海王星，再次实现借力加速。借力的同时还可进行木星和海王星的观测，获取更多科学目标。

鼻尖探测任务从地球出发，途经木星飞掠借力后，飞向日球层鼻尖方向；尾部探测任务从地球出发，途经木星飞掠借力后，飞向海王星，借力后飞向日球层尾部方向。两次任务飞行路径存在差异，因此将遭遇不同的空间辐射效应影响。两次任务涉及到的空间辐射环境为：①地球辐射环境，②太阳宇宙线辐射环境，③银河宇宙线辐射环境，④木星辐射环境，⑤海王星辐射环境。各种辐射环境和主要粒子如图1 所示。根据两次任务的飞行特点，对两次任务的辐射环境及效应进行分析。

图1 太阳系边际探测两次任务涉及到的空间辐射环境Fig.1 Space radiation environment involved in two missions to probe the boundary of the Solar System

太阳系边际探测器经历的空间环境较复杂，除常规空间辐射环境外，与其他航天器相比需重点考虑木星环境及其影响，下面具体分析探测任务涉及的5种辐射环境。

1.1 地球辐射环境

地球辐射带是指近地空间被地磁场捕获的高强度带电粒子区域，常称为地磁捕获辐射带。太阳系边际鼻尖探测器采用化学推进舱在地球近地点点火，很快脱离地球，因此地球辐射环境影响较小。太阳系边际尾部探测器采用全电推，为了增加C3，需要进行一次地球借力，飞行约一年，因此需考虑地球辐射环境，将尾部探测器轨道上捕获电子和捕获质子的积分能谱（采用AE8 和AP8 模型计算，是工程上常用的地球辐射带电子和质子模型，各自包括太阳活动高年和低年两个模式）与800 km 高度、66°轨道倾角的典型低地球轨道（LEO）卫星能谱进行对比，从图2 和图3 的能谱中可以看出：探测器地球借力段捕获电子通量与LEO 相当，质子通量高于LEO，约一个数量级。

图2 捕获电子轨道积分能谱Fig.2 Orbital integral spectrum of trapped electrons

图3 捕获质子轨道积分能谱Fig.3 Orbital integral spectrum of trapped protons

1.2 太阳宇宙线辐射环境

太阳宇宙线是太阳耀斑爆发期间，从太阳表面活动区喷射出来的带电粒子流，主要由H、He 以及其他重离子组成。

距离太阳越远，太阳宇宙线越弱，目前航天器的粒子模型都是地球附近（1 AU）的数据，按照“Space engineering-Space environment”（ECSS-E-ST-10-04C）标准，1 AU 以内的太阳宇宙线通量按照1/r2进行估计，1 AU 以外的太阳宇宙线通量按照1/r进行估计，其中r为到太阳的距离。太阳系边际探测器飞行过程中，与太阳的距离变化较大，但均大于1 AU，考虑设计余量可按照1 AU附近的数据进行估计。

1.3 银河宇宙线环境

银河宇宙线来源于太阳以外的宇宙空间，主要由H、He 以及其他重离子组成。银河宇宙线受到太阳磁场调制作用，距离太阳越远，银河宇宙线通量越大，太阳活动越弱，银河宇宙线通量越大。

太阳系边际探测器与太阳的距离远大于1 AU，其遭遇的银河宇宙线粒子通量大于地球附近的通量。在工程应用中，可近似认为在整个日球层范围（半径约120 AU）内，银河宇宙线均匀分布，因此太阳系边际探测器遭遇的银河宇宙线可采用地球附近的银河宇宙线模型。

银河宇宙线通量较低，主要对探测器形成单粒子效应，图4 给出了90%最恶劣情况的LET（线性能量传输）谱，LET谱可用于单粒子效应的影响评估。

图4 银河宇宙线90%最恶劣情况的LET谱Fig.4 LET spectrum of galactic cosmic rays under the 90% worst case

1.4 木星辐射环境

1) 木星辐射环境特点

与地球范艾伦辐射带一样，木星辐射带也呈壳层分布。从空间分布的角度来看，赤道平面上的粒子通量随着木星距离变远而逐渐衰减。但是与地球的范艾伦辐射带不同，木星内外辐射带的分界线不存在明显特征。木星辐射带与地球辐射带能量大于10 MeV 质子和大于1 MeV 电子的积分通量［5-6］相比，空间覆盖范围更大，且俘获粒子的能量更高，通量更大。

2) 木星辐射带与探测器轨道的影响分析

木星辐射带取决于其磁场分布，目前采用的GIRE 辐射带模型所用的磁场模型为偶极子模型，偶极子轴与木星自转轴有大约11°夹角。考虑到木星自转周期约为9 h 55 min 30 s，因此空间中同一位置的带电粒子也存在5 h 左右的变化周期。探测器与木星距离相同时，在偶极子模型下，磁纬度越小，磁场的L值（磁壳参数，指一根磁力线与磁赤道面交点到行星中心的距离，与行星半径的比值）越大，辐射带越强。从探测器轨道角度来看，在相同的借力高度下，不同的轨道倾角会遭遇不同的辐射带区域。

探测器轨道沿着木星赤道方向时，由于木星磁场的转动，此时探测器会反复穿越辐射带最强区域，此种轨道形成的辐射影响最大。探测器轨道与赤道平面垂直，即沿着极轨轨道运行时，只有运动到赤道附近时才会遭遇辐射带最强区域，其余情况下辐射带较弱，此种轨道辐射影响最小。探测器轨道与赤道平面有一定角度时，电离总剂量处于上述两种情况之间。

在轨道设计过程中，应采取设计主动避开木星辐射带的高强度区域。

1.5 海王星辐射环境

海王星探测数据目前均来自旅行者2 号，1989年8 月，旅行者2 号飞掠海王星，实现人类历史上第一次近距离观察海王星，由于是飞掠探测，探测数据十分有限。海王星辐射模型（NMOD）的带电粒子成分是基于旅行者2 号宇宙射线光谱仪（CRS）的测量结果，海王星上的高能电子模型是基于CRS 的电子望远镜上两个传感器获得的数据。该仪器提供了1.0 MeV 到2.5 MeV 之间的粒子通量数据，受限于探测精度，会有一定的探测和数据处理误差。根据海王星捕获电子和质子通量模型，就可以计算相应的总剂量值，海王星捕获电子微分能谱来自Selesnick等［7］和Stone等［8］的研究工作，能谱数据和拟合结果如图5所示。

图5 海王星辐射带电子微分能谱Fig.5 Electron differential spectrum of the Neptune’s radiation belt

海王星辐射模型涵盖了电子从0.022 MeV 到5 MeV，质子从0.028 MeV 到5 MeV 的范围。海王星1 MeV 的电子和5 MeV 的质子随L值的通量分布［9］类似于地球辐射带，海王星的辐射带也呈壳状分布。然而，海王星的电子辐射带内部和外部没有明显的区别。根据上述5 种空间辐射环境，下面具体分析相应的辐射效应及防护方法。

2 空间辐射效应

2.1 电离总剂量效应

对于探测器的辐射效应影响，电离总剂量是重点考虑的辐射效应之一。

1) 地球借力和太阳宇宙线产生的总剂量计算

尾部探测器地球借力段总剂量仿真结果如图6 所示，2.54 mm 等效铝厚度处电离总剂量为8.7 krad（Si），8 mm 处总剂量约为0.68 krad（Si）；鼻尖探测器由于地球附近飞行时间较短，总剂量较小，2.54 mm 等效铝厚度处约为0.5 krad（Si），8 mm处总剂量约为0.04 krad（Si），远小于尾部探测。

图6 地球借力和太阳宇宙线产生的总剂量-深度曲线（尾部任务）Fig.6 Curve of the total dose versus depth caused by the Earth fly-by and solar cosmic rays（in a tail mission）

2) 木星借力产生的总剂量估算结果

木星借力产生的总剂量根据伽利略号探测数据获得［10］。假设鼻尖和尾部两次任务借力高度为9.5Rj，木星借力时间约为3～10 天，选取和伽利略号相近的轨道，通过等效时间折算出不同屏蔽厚度下的总剂量值，图7 是9.5Rj处的积分电子和质子能谱获得的剂量值。通过估算，屏蔽厚度为2.54 mm等效铝厚度处总剂量约为105 krad（Si），8 mm 处总剂量约为27 krad（Si）。

图7 木星借力产生的总剂量-深度曲线Fig.7 Curve of the total dose versus depth caused by Jupiter fly-by

3) 海王星借力产生的总剂量计算结果

美国JPL 实验室根据旅行者2 号探测数据并结合分析模型获得了总剂量率数据，结合具体探测任务就可得到探测器的总剂量值。

假设任务借力海王星时间约3～5 天，根据图8中给出的总剂量率，在环绕距离L值为7 处，总剂量约为0.04 krad（Si），比起木星借力的总剂量要小很多，约千分之一。

图8 海王星借力产生的总剂量-深度曲线（2.54 mm等效铝厚度）Fig.8 Curve of the total dose versus depth caused by the Neptune’s gravity assistant（2.54 mm Al）

4) 整个任务期的总剂量

鼻尖探测任务从地球出发，途经木星飞掠借力后，飞向日球层鼻尖方向；尾部探测任务从地球出发，途经木星飞掠借力后，飞向海王星，借力后飞向日球层尾部方向。两次任务飞行路径存在差异，因此将遭遇不同的空间辐射效应影响，两次任务总剂量计算结果见表1。

表1 鼻尖和尾部任务空间环境产生的总剂量Table 1 Total dose generated by space environment of nose and tail missions

太阳系边际探测任务由木星借力带来的总剂量影响要远大于地球辐射带、太阳和宇宙射线、海王星辐射带影响，考虑目前航天器选用的器件大多数抗总剂量阈值低于100 krad（Si），从表1 中可以看出，如果屏蔽从2.54 mm 等效铝厚度增加到8 mm，鼻尖总剂量可以从105.5 krad（Si）降低到27.04 krad（Si），尾部总剂量从113.74 krad（Si）降低到27.68 krad（Si），因此增大屏蔽是降低总剂量效应的有效手段之一。

2.2 其他辐射效应

1) 单粒子效应

引发单粒子效应的辐射源，来自于地球和木星辐射带高能质子、太阳宇宙线和银河宇宙线的高能重离子和质子。

探测器上的电子元器件是否发生单粒子效应，不但与所遭遇的高能粒子LET（线性能量传输）值及通量有关系，而且与其自身耐受单粒子效应的能力（用LET 阈值和单粒子事件截面描述）密切相关。因此，在太阳系边际探测器的工程研制中，需重点考虑木星高能质子，采取系统级抗单粒子设计措施等，以确保探测器不受单粒子效应的影响。

2) 内带电效应

在空间环境中使用电子设备，由高能电子引起的深层介质充电/放电是一个重要的考虑因素，因为可能导致航天器异常和故障。类木行星中，包括土星、天王星、海王星和木星的卫星，相关研究［5］称具有相对论能量的电子辐射带。木星被认为在旅行者1 号飞越期间造成了至少42 次内部静电放电事件。需采取更厚的屏蔽层或更高的介电导电性，采用双金属层接地的电介质和更薄的电介质可以降低放电的可能性。

3) 位移损伤效应

地球辐射带捕获质子、太阳耀斑质子、木星捕获质子是对探测器电子元器件和材料产生位移损伤效应的主要辐射环境，会对光电器件、双极器件和太阳电池片等器件的性能产生影响，设计时需考虑余量。

2.3 小结

影响太阳系边际探测器的辐射效应主要有总剂量效应、单粒子效应、内带电效应和位移损伤效应。表2中梳理了任务涉及的辐射效应及工程上典型的防护设计。

表2 探测任务涉及的辐射效应及防护方法Table 2 Radiation effects and protection methods in such mission

3 核电源辐射及效应分析

3.1 空间核电源系统概述

空间用的核能主要有两种，一种是核衰变能（Pu-238），另一种是核裂变能（U-235）。本文主要考虑后者——核裂变能的空间核反应堆电源系统。

空间核反应堆电源主要由几部分组成：核反应堆本体、辐射屏蔽、热电转换系统、废热排放系统和自动控制系统［11-12］。

太阳系边际探测任务对空间核反应堆电源需要解决长寿命问题，而核反应堆工作二十几年会持续对探测器平台辐射γ 射线和中子，对探测器平台的辐射防护提出了挑战。

3.2 核电源辐射粒子

核反应堆采用U-235 作为燃料，释放辐射粒子种类较多，包括中子、电子、X 射线、γ 射线；由于中子和γ射线的穿透能力强，反应堆采取必要的屏蔽，将中子和γ 射线强度降低到适当的水平，而其他粒子的辐射可忽略。因此反应堆产生的外部辐射环境主要考虑中子和γ射线。

1) γ射线

γ 射线本质为电磁辐射，在与物质原子一次碰撞中损失大部分或全部能量，在材料相互作用过程与带电粒子和中子不同，在30 MeV 能量以下，γ 射线与物质的相互作用主要为光电效应、康普顿效应（散射）和电子对效应。γ 射线通过相互作用，会产生次级能量较低的γ 光子、电子等。次级γ 光子射程较长，会继续在物质中传播；电子射程较短，会在物质中停留并沉积能量，形成电离总剂量。

2) 中子

中子在物质中损失能量的主要机制是中子与物质中原子核之间的相互作用，其作用过程基本上可以分为两类：散射（包括弹性散射和非弹性散射）和吸收（包括辐射俘获、核裂变、（n，ɑ）、（n，p）反应等）。

3.3 核电源辐射量计算方法

反应堆通过设计给出了不同条件下到达探测器表面的γ射线和中子谱，依据这两种射线的数据，分析了对探测器的影响。其中γ射线对探测器形成总剂量效应，中子对探测器主要形成位移效应。

1) γ射线

γ 射线主要产生总剂量效应，采用下面的公式进行计算：

式中：D为电离总剂量，单位为rad（Si）；E为γ 光子能量，单位为MeV；ϕ(E)为单位面积上的γ 光子微分通量，单位为cm-2⋅MeV-1；μen(E)/ρ为γ 光子在硅中的质能吸收系数，单位为cm2/g，质能吸收系数采用美国国家标准技术研究院（NIST）数据。

2) 中子

中子主要产生位移效应，将各能量中子的非电离能相加，并与1 MeV 中子的非电离能系数进行比较，获得等效1 MeV中子通量，计算公式为：

式中：F为等效1 MeV 中子通量，单位为cm-2；ϕ(E)为单位面积上的中子微分通量，单位为cm-2·MeV-1；NNIEL（E）为非电离能系数，采用“Space engineering—Calculation of radiation and its effects and margin policy handbook”（ECSS-E-HB-10-12A）标准中的数据；NNIEL(1 MeV)是1 MeV 中子的非电离能系数，将ECSS-E-HB-10-12A中数据采用线性插值方法得到。

3.4 核电源辐射效应分析

U-235燃料产生的γ射线主要产生总剂量效应，中子主要产生位移损伤效应。核电源辐射效应主要分析思路是：

1) 根据堆芯设计计算获得γ 射线和中子的能谱；

2) 根据屏蔽结构计算辐射剂量，考虑器件或者载荷距离得到该位置的辐射剂量；

3) 结合任务期寿命计算防护效果。

两种辐射粒子产生的辐射效应计算方法如下：

1) γ射线产生总剂量效应估算方法

采用窄束模型，可以获得不同屏蔽材料和厚度下核电源产生总剂量值，单能γ 射线在物质中的减弱是遵从指数规律，即：

式中：N0和N分别表示穿过物质层前、后的光子数；d是物质层的厚度，单位是m-1；ρ是吸收体的密度，单位是g/cm3；μ是γ射线在该物质中的线减弱系数；μ/ρ是质量减弱系数，单位是cm2·g-1。γ 射线经过屏蔽后的剂量变化符合如下规律：

其中，E是光子能量，单位eV；φ是光子注量，单位为cm-2。

2) 中子产生位移损伤效应估算方法

目前对中子注量的要求参考NASA 的新千年计划（New millennium program，NMP），对各个轨道包括低中高地球轨道（LEO/MEO/GEO）、火星轨道、木星轨道等设定了位移损伤效应的中子注量值，见表3。作为参考，可以初步判断核电源到达平台的中子注量是否满足任务要求。

表3 不同轨道任务对等效1 MeV的中子注量要求Table 3 Neutron fluence requirements of equivalent 1 MeV for missions in different orbits

4 空间环境与核电源综合辐射效应

4.1 综合辐射效应分析

太阳系边际探测在整个任务过程中将经受5类空间辐射影响及核辐射影响，电离总剂量效应是累加所有辐射影响。参考木星探测项目JIMO（Jupiter icy moons orbiter），核电源到达探测器平台的辐射指标为50 krad（Si）［13］，核电源辐射的γ 射线穿透能力很强，因此2.54 mm等效铝厚度屏蔽后衰减很小，近似仍为50 krad（Si），结合表1计算的空间环境引起的总剂量值，2.54 mm Al 厚度处鼻尖和尾部两次任务的总剂量分别为155.5 krad（Si）和163.74 krad（Si）。

由此可见，整个探测任务所遭受的电离总剂量影响很严峻，需要采取常规航天器抗辐射设计之外的方法，开展针对性的防护设计。

4.2 防护方法

1) 总剂量效应防护

传统航天器在轨自然环境产生的电离总剂量主要通过铝屏蔽、提高元器件的抗辐照指标等途经进行防护。太阳系边际探测任务需考虑自然环境和反应堆衍生的中子和γ射线产生的总剂量综合效应，应对其进行分析和防护。

整器总剂量效应防护目标也由两部分组成，其中空间自然环境的剂量相对稳定，核反应堆作用在平台产品上的辐射剂量主要依赖于反应堆的屏蔽设计、反应堆与平台产品之间的距离以及平台局部屏蔽方案3个方面的因素，因此应在开展距离、反应堆屏蔽重量、构型优化设计的基础上，确定防护剂量。

2) 位移损伤效应防护

对于光电器件、光耦器件等，非电离能量损失会对其产生位移效应，其剂量与防护设计方法与总剂量效应基本相同，也要依赖于反应堆的屏蔽设计、反应堆与平台产品之间的距离以及平台局部屏蔽方案3 个方面的因素来确定，继承产品需要开展进一步的试验验证或影响分析。

3) 内带电效应防护

探测器穿过木星需要考虑内带电效应。内带电是指大量高能电子穿透探测器屏蔽层，沉积在电路板等绝缘介质中并逐步建立电场的过程，一旦电荷累积产生的电场超过绝缘材料放电阈值，便可造成材料击穿，即发生深层放电，严重威胁探测器的安全。介质的内带电过程和空间环境、屏蔽厚度、介质特性、接地条件等紧密相关，还取决于探测器运行轨道的选择，是一个复杂的时变过程。因此内带电仿真分析是抗辐射设计中的关键技术，设计中需要详细考虑。

4) 单粒子效应防护

地球和木星辐射带高能质子、太阳宇宙线和银河宇宙线的高能重离子和质子、核反应堆高能中子等在器件中发生核反应后产生的重离子会引起单粒子效应，相对于单粒子阈值高的电子元器件，单粒子效应影响通过传统航天器防护设计就可减缓。采用现有成熟并经过飞行验证的抗单粒子闩锁（SEL）、抗单粒子翻转（SEU）、抗单粒子烧毁（SEB）和单粒子栅击穿（SEGR）等措施。

5 结论

任务的特殊性决定了太阳系边际探测器同时受空间环境和核反应堆的辐射影响，因此在探测器进行方案论证工作时，尽早从整器角度在核反应堆的类型、功率选取、整器布局等方面开展辐射防护设计，根据各种环境及效应的特点，进行必要的防护分析、迭代设计和辐照试验，并采取适当防护措施，以保证探测器在轨安全运行。

本文针对太阳系边际探测任务的整个过程，分析了任务涉及的地球辐射环境、太阳宇宙线辐射环境、银河宇宙线辐射环境、木星辐射环境和海王星辐射环境共5 类空间辐射环境的特点，以及探测器上核电源的辐射特性，采取模型仿真并结合国外探测数据获得了鼻尖和尾部两次任务期的辐射剂量估算结果，提出了系统级防护策略，为探测任务的后续实施提供参考和技术支持。