吳正新，孫慧斌,*，何承發(fā)，童永彭，馬玉剛，陸景彬，呼延奇，劉玉敏

(1. 吉林大學(xué)物理學(xué)院，長(zhǎng)春 130012； 2.深圳大學(xué)核技術(shù)研究所，深圳 518060；3.中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，烏魯木齊 830011； 4.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

?

·基礎(chǔ)研究·

空間重離子在水模體中劑量深度分布的蒙特卡羅模擬

吳正新1，孫慧斌1,2*，何承發(fā)3，童永彭2，馬玉剛1，陸景彬1，呼延奇4，劉玉敏1

(1. 吉林大學(xué)物理學(xué)院，長(zhǎng)春 130012； 2.深圳大學(xué)核技術(shù)研究所，深圳 518060；3.中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，烏魯木齊 830011； 4.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

摘要:利用蒙特卡羅方法模擬計(jì)算了56 GeV鐵離子穿過簡(jiǎn)化空間飛行器中水模體的總劑量深度分布以及次級(jí)粒子劑量深度分布，統(tǒng)計(jì)了次級(jí)中子在水模體中的通量深度分布。計(jì)算結(jié)果表明：56 GeV鐵離子穿過簡(jiǎn)化空間飛行器在水模體中產(chǎn)生較完整的布拉格曲線，并且次級(jí)核碎片對(duì)總劑量的貢獻(xiàn)達(dá)到了58%，其次是初始入射的鐵離子以及電子和質(zhì)子，其他的粒子對(duì)總劑量貢獻(xiàn)比例較小，可忽略不計(jì)。次級(jí)中子通量在布拉格峰值附近達(dá)到最大值。

關(guān)鍵詞:空間飛行器；鐵離子；吸收劑量；核碎片；蒙特卡羅方法

1引言

多數(shù)空間輻射效應(yīng)的研究與計(jì)算主要針對(duì)神舟飛船、國(guó)際空間站以及我國(guó)空間實(shí)驗(yàn)室等航天器所處的低軌道輻射環(huán)境[1]。近年來隨著人類探索太空活動(dòng)的增強(qiáng)，將來的載人深空探索活動(dòng)將集中于月球以及火星甚至更遠(yuǎn)的空間區(qū)域。由于深空環(huán)境失去了地磁場(chǎng)的保護(hù)，航天器直接暴露在銀河宇宙射線與偶發(fā)的太陽粒子輻射環(huán)境，將會(huì)遭遇與近地軌道不同的輻射環(huán)境狀態(tài)，與太陽活動(dòng)有關(guān)深空探測(cè)將成為研究熱點(diǎn)。

雖然銀河宇宙射線粒子的通量強(qiáng)度與地球磁場(chǎng)捕獲的其他粒子相比小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但因其具有很高的能量所以難以防護(hù)，例如高能量的鐵離子可以穿透數(shù)十厘米厚的航天器防護(hù)層[2]，通過與航天器屏蔽材料核反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生大量的次級(jí)射線，比如次級(jí)質(zhì)子、核碎片、光子、電子、中子等粒子。這些次級(jí)粒子構(gòu)成了航天器內(nèi)次級(jí)輻射環(huán)境，嚴(yán)重影響航天器內(nèi)電子元器件的使用壽命以及威脅宇航員的生命安全，因而研究高能量的重離子對(duì)材料輻射損傷效應(yīng)是非常有必要的。本文通過歐洲核子中心開發(fā)的大型蒙特卡羅軟件包Geant4建立典型簡(jiǎn)化空間飛行器模型[3]。銀河宇宙射線中鐵離子含量較低，但引起的生物有效性較大[4]，因而本文將56 GeV的鐵作為銀河宇宙射線典型能量的重離子，分析了56 GeV鐵離子穿過典型簡(jiǎn)化空間飛行器中水模體的劑量深度分布以及次級(jí)粒子劑量深度分布，并且研究了不同粒子對(duì)總劑量的貢獻(xiàn)以及統(tǒng)計(jì)了水模體中的次級(jí)中子通量的深度分布。

2模型的建立

2.1Geant4及物理過程的選取

Geant4[5]是由CERN(歐洲核子中心)基于C++開發(fā)的蒙特卡羅應(yīng)用軟件包，用于模擬粒子在物質(zhì)中輸運(yùn)的物理過程，相對(duì)于MCNP、EGS等蒙特卡羅軟件來說，主要優(yōu)勢(shì)是源代碼完全開放，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要更改、擴(kuò)充。目前，Geant4已經(jīng)廣泛應(yīng)用于天體物理、空間輻射物理、核技術(shù)、核醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域。

本文在模擬計(jì)算過程中，首先確定了計(jì)算中所使用的物理模型。Geant4中包括許多內(nèi)置的和用戶編制的精細(xì)物理模型，常用的粒子與物質(zhì)相互作用的物理過程有電磁相互作用模塊和強(qiáng)相互作用模塊[6]，電磁相互作用包括多次散射、電離、光電效應(yīng)、軔致輻射等過程，強(qiáng)相互作用包括彈性散射、非彈性散射和原子核嬗變。電磁相互作用調(diào)用Geant4中比較精細(xì)的option3模型，該模型對(duì)光子、電子、離子等等與靶原子作用都有較好的輸運(yùn)。強(qiáng)相互作用(即核反應(yīng)過程)調(diào)用geant4中的FTFP_INCLXX_HP[7]物理包，該物理包基本上包含了強(qiáng)子彈性散射、非彈性散射、中子俘獲、離子非彈性碰撞等等物理過程。

2.2空間飛行器材料

1) Al合金：93%鋁，6.7%銅，0.3%鐵，密度為2.84 g/cm3；

2) Kevlar合金：4%氫，52%氧，33%鋁，11%硅，密度為1.4 g/cm3；

3) Nextel陶瓷纖維：4%氫，71%氧，12%鋁，13%硅，密度為2.7 g/cm3；

4) Al：100%鋁，密度為2.7 g/cm3。

表1　簡(jiǎn)化空間飛行器外殼材料成份

2.3簡(jiǎn)化空間飛行器模型

按照國(guó)際上通用的方法，將水模體代替人體復(fù)雜的生物組織，因?yàn)樗侨梭w的重要組成部分，人體中大約70%是水，血液中約83%是水，研究表明，水在物理密度、電子密度和有效原子序數(shù)方面與肌肉組織都非常接近，因而將水作為等效人體組織是可行的[8]。

模擬計(jì)算時(shí)選取的模型為簡(jiǎn)易圓柱體殼形空間飛行器，為典型空間飛行器通用模型，其大小是內(nèi)半徑為375 cm，圓柱體高為750 cm。其中綠色是多層飛行器外殼材料，藍(lán)色是水模體，大小是直徑30 cm，高為30 cm的圓柱體。入射粒子數(shù)為105，入射方向?yàn)楦飨蛲苑植?。圖1是56 GeV鐵離子穿過飛行器外殼材料的粒子徑跡以及飛行器模型圖，從圖1中可以看出，當(dāng)高能重離子的與飛行器外殼相互作用時(shí)，會(huì)激發(fā)出大量的次級(jí)射線，其中綠色、紅色、藍(lán)色分別表示帶正電、負(fù)電以及不帶電的粒子。

圖1　簡(jiǎn)化空間飛行器模型Fig.1　Simplified manned spacecraft model

2.4重離子與物質(zhì)的相互作用

In cases with more advanced tissue damage, the expression of TGF-β receptor appeared to be less intense than during the early stages[32]. This finding may suggest that TGF-β1 should be taken into consideration as an early stage fibrosis marker.

高能重粒子與空間飛行器材料相互作用，通過電離激發(fā)、核反應(yīng)等過程在物質(zhì)中沉積能量，能量沉積的空間分布具有在入射束方向布拉格曲線的分布形式，末端出現(xiàn)布拉格峰(Bragg peak)，其次，入射粒子與飛行器外殼屏蔽材料以及水模體發(fā)生核反應(yīng)而產(chǎn)生次級(jí)粒子，如質(zhì)子、阿爾法粒子、中子及其它帶電粒子[9-11]。在入射高能重離子的徑跡周圍，核反應(yīng)產(chǎn)生大部分的次級(jí)碎片，這些次級(jí)粒子也會(huì)引起能量沉積，次級(jí)核碎片的能量沉積會(huì)改變介質(zhì)中高能重離子能量沉積的分布。

3計(jì)算結(jié)果與討論

基于上述分析，本文模擬計(jì)算了56 GeV鐵離子穿過簡(jiǎn)化空間飛行器中水模體的總劑量深度分布以及次級(jí)粒子劑量深度分布，圖2是簡(jiǎn)化空間飛行器總劑量以及次級(jí)粒子劑量深度分布，圖3是次級(jí)電子、光子等粒子在水中的劑量深度分布。圖4是穿過簡(jiǎn)化空間飛行器后水模體中產(chǎn)生的次級(jí)中子通量深度分布。

圖2　56 GeV鐵離子入射簡(jiǎn)化空間飛行器中水模體總劑量以及次級(jí)粒子劑量深度分布Fig.2　Total and the different secondary particles dose depth distribution in the water phantom when 56 GeV iron ion passed the simplified spacecraft

圖3　56 GeV鐵離子入射簡(jiǎn)化空間飛行器產(chǎn)生不同的次級(jí)粒子劑量深度分布Fig.3　The different secondary particles dose depth distribution in the water phantom when 56 GeV iron ion passed the simplified spacecraft

圖4　56 GeV鐵離子穿過簡(jiǎn)化空間飛行器中水模體產(chǎn)生的次級(jí)中子通量深度分布Fig.4　Secondary neutron flux depth distribution generated in the water phantom when 56 GeV iron ion passed the simplified spacecraft

從圖2與圖3可以看出，56 GeV Fe離子在穿過空間飛行器屏蔽材料的過程中產(chǎn)生了包括次級(jí)重核碎片和次級(jí)質(zhì)子、電子、X射線、中子和介子等次級(jí)射線，總的深度劑量分布包括穿過屏蔽材料的初級(jí)鐵離子和次級(jí)重核碎片和其他次級(jí)粒子的貢獻(xiàn)。從圖2可以看出，對(duì)56 GeV Fe離子穿越水屏蔽材料，深度劑量分布中貢獻(xiàn)最大的是次級(jí)重核碎片，貢獻(xiàn)達(dá)到了58%，并且次級(jí)重核碎片的深度劑量分布也存在Bragg峰，峰位基本與總劑量分布的峰位相同；布拉格峰右側(cè)的總的能量沉積緩慢下降趨勢(shì)和次級(jí)碎片能量沉積的下降曲線基本吻合，說明布拉格峰右側(cè)的劑量基本上由核反應(yīng)產(chǎn)生的碎片所造成，F(xiàn)e粒子不斷在其徑跡周圍產(chǎn)生次級(jí)重碎片，這也是導(dǎo)致布拉格峰尾部能量沉積緩慢下降的主要原因。其次是穿透屏蔽材料的初始Fe離子，貢獻(xiàn)達(dá)到了32%，初始Fe離子的深度劑量分布在水模體表面較高，隨著深度增加而衰減，在末端有一個(gè)小的峰值。如圖3所示，其他次級(jí)射線的貢獻(xiàn)比較低，劑量分布隨著深度呈平緩的分布。這部分次級(jí)射線中，對(duì)總劑量貢獻(xiàn)比較大的次級(jí)射線主要是次級(jí)質(zhì)子和次級(jí)電子，其中次級(jí)電子的貢獻(xiàn)隨著深度的增大而逐漸減小，而次級(jí)質(zhì)子的貢獻(xiàn)則隨著深度的增加而增大。從圖4可以看出，次級(jí)中子通量在布拉格峰值附近達(dá)到最大值，由此可以得出，鐵離子在布拉格峰值附近通過核反應(yīng)產(chǎn)生了大量的次級(jí)中子。而中子的穿透性極強(qiáng)，對(duì)人體組織損傷較大。因而研究次級(jí)中子通量的深度分布對(duì)航天員的生命安全具有重要的意義。

4結(jié)論

利用大型蒙特卡羅軟件Geant4模擬計(jì)算了56 GeV鐵離子穿過簡(jiǎn)化空間飛行器中水模體的總劑量深度分布以及次級(jí)粒子對(duì)總劑量的貢獻(xiàn)。通過計(jì)算可得到以下結(jié)論：

1) 重離子在介質(zhì)中的能量沉積主要來自三類貢獻(xiàn)：重核碎片、初始鐵離子以及其他次級(jí)粒子；

2) 56 GeV鐵離子穿過簡(jiǎn)化空間飛行器在水模體中產(chǎn)生明顯的布拉格曲線，并且次級(jí)重核碎片對(duì)總劑量的貢獻(xiàn)較大，貢獻(xiàn)達(dá)到了58%，其次是初始入射鐵離子，貢獻(xiàn)達(dá)到了32%，最后是次級(jí)電子與質(zhì)子，其他的粒子對(duì)總劑量貢獻(xiàn)比例較小，可忽略不計(jì)；

3)統(tǒng)計(jì)了次級(jí)中子在水模體中的通量分布，發(fā)現(xiàn)中子通量在布拉格峰值附近達(dá)到最大值；該項(xiàng)研究工作將為空間輻射效應(yīng)分析及輻射防護(hù)提供一定的技術(shù)參考，也可為下一步的工作開展做鋪墊。

致謝：本工作得到了美國(guó)航天局馬歇爾太空飛行中心的Lin Zi Wei教授以及復(fù)旦大學(xué)的核科學(xué)與技術(shù)系的鄭川老師的幫助與支持，在此一并表示衷心的感謝！

參考文獻(xiàn)(References)

[1]Bernabeu J, Casanova I. Geant4-based radiation hazard assessment for human exploration missions[J]. Advances in Space Research. 2007, 40(9): 1368-1380.

[2]Silvestri M, Tracino E, Briccarello M, et al. Impact of spacecraftshell composition on 1 GeV/Nucleon56Fe ion-fragmentation and dose reduction[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science. 2011, 58(6): 3126-3133.

[3]Martinez L M, Kingston J. Space radiation analysis: Radiation effects and particle interaction outside the Earth's magnetosphere using GRAS and GEANT4[J]. Acta Astronautica. 2012, 72: 156-164.

[4]Taylor G C, Hawkes N P, Shippen A. Accurate simulations of TEPC neutron spectra using Geant4[J]. Radiation Physics and Chemistry. 2015, 116: 186-188.

[5]Asai M, Dotti A, Verderi M, et al. Recent developments in Geant4[J]. Annals of Nuclear Energy. 2015, 82: 19-28.

[6]Sabra M S. Geant4 validation of neutron production on thick targets bombarded with 120GeV protons[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2015, 358: 245-250.

[7]Leray S, Boudard A, Braunn B, et al. Recent developments of the Liège Intranuclear Cascade model in view of its use into high-energy transport codes[J]. Nuclear Data Sheets. 2014, 118: 312-315.

[8]Gang B. The simulation of radiation effects to astronauts due to solar energetic particles in deep space[J]. Acta Astronautica. 2012, 71: 32-37.

[9]Ivantchenko A V, Ivanchenko V N, Molina J Q, et al. Geant4 hadronic physics for space radiation environment[J]. International Journal of Radiation Biology. 2012, 88(1-2): 171-175.

[10]De Napoli M, Agodi C, Cirrone G A P, et al. Carbon fragmentation cross sections for hadrontherapy and space radiation protection[J]. Nuclear Data Sheets. 2014, 119: 273-276.

[11]Ersmark T, Carlson P, Daly E, et al. Geant4 Monte Carlo simulations of the galactic cosmic ray radiation environment on-board the international space station/columbus[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science. 2007, 54(5): 1854-1862.

Monte-Carlo Simulation of Space Heavy Ion Dose Depth Distribution in Water Phantom

WU Zhengxin1，SUN Huibin1,2*，HE Chengfa3，TONG Yongpeng2，MA Yugang1，LU Jingbin1，HU Yanqi4，LIU Yumin1

(1.College of Physics Jilin University，Changchun 130012，China；2. Institute of Nuclear Technology， Shenzhen University，Shenzhen 518060，China；3. Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry，Urumqi 830011, China；4. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

Abstract:Total and the different secondary particles dose depth distribution were estimated in the water phantom by Monte-Carlo simulation of the particle transportation when 56 GeV iron ion passed the simplified spacecraft. The secondary neutron flux depth distribution was also estimated in the water phantom. The results showed that: a Bragg curve was achieved for the total dose depth distribution in the water phantom; the secondary nuclear fragments had the largest contribution to the total dose, which was 58%, followed by the initial incident iron ion, electron and proton; other particles contributed a smaller proportion of the total dose which was negligible; the secondary neutron flux reached its maximum near the Bragg peak.

Key words:spacecraft; iron ion; absorbed dose; nuclear fragment; Monte-Carlo method

收稿日期：2015-11-18；修回日期：2016-02-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)基金(2012YQ240121)；國(guó)家自然科學(xué)基金(11575118)；國(guó)家自然科學(xué)基金(11375117)

作者簡(jiǎn)介：吳正新(1987-)，男，博士研究生，研究方向?yàn)榭臻g輻射效應(yīng)的蒙特卡羅模擬。E-mail:wuzx13@mails.jlu.edu.cn*通訊作者：孫慧斌(1957-)，男，博士，教授，研究方向?yàn)楹宋锢砑昂思夹g(shù)應(yīng)用。E-mail:hbsun@szu.edu.cn

中圖分類號(hào)：TL99

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5825(2016)03-0371-04