魯 維，許 峰，2，國耀宇，費錦學，賈向紅*

(中國航天員科研訓練中心,北京100094；2.北京航空航天大學航空科學與工程學院,北京100191)

1 引言

空間輻射是載人深空探測面臨的重要環(huán)境因素之一,也是目前制約載人深空探測的瓶頸。在行星際探索中,輻射環(huán)境主要包括銀河宇宙射線(Galaxy Cosmic Rays,GCR)和太陽粒子事件(So-lar Particle Events,SPE)［1］。 美國國家海洋大氣管理局定義太陽粒子事件為在一定時間內大于10 MeV的粒子(主要為質子)的積分通量大于10/(s·cm2·sr)的太陽活動［2］。 太陽粒子事件絕大部分為質子,其發(fā)生時間、持續(xù)時間和粒子通量具有不確定性,但能量在1 GeV/n以上的粒子通量較少。

月球表面有稀薄的大氣,在平靜期的夜晚密度大約為2×105分子/cm3,白天則降到104,比地球大氣密度小14個數量級,因此大氣中受到太陽風電離出的離子密度很低,可認為近月空間幾乎不存在完整的電離層［3］。所以不同于地球磁層對空間輻射的防護,近月空間會受到空間輻射的直接作用。據NASA計算,在太陽活動極大年期間、無防護的情況下,人體造血器官受到的銀河宇宙射線造成的劑量約為0.3 mSv/d,太陽活動極小年為1 mSv/d［4］。對于月面長期駐留任務(＞1年),其劑量在限值內,而對于一次嚴重的太陽粒子事件,無防護情況下造血器官受到的劑量約為900 mSv,遠超出目前ICRP制定的航天員劑量限值［5］。由于太陽粒子事件具有不確定性,對月面長期駐留人員的健康會造成巨大威脅,是載人深空探測任務中必須考慮和防護的重要因素之一。

航天器、航天服和月球車等設備只能為航天員提供基本的輻射防護條件,面對可能爆發(fā)的高強度太陽粒子事件,需要建立專門的緊急避難區(qū)。研究表明富含氫元素的材料輻射防護性能最好。R.C.等人曾提出水箱屏蔽［6］,但水作為消耗品,長期駐留任務無法提供持續(xù)的防護能力。且目前的技術條件無法向月球運輸大量的輻射防護材料［7］。針對以上不足,一種可能的替代方法是直接利用月壤作為防護材料,這樣可在不增加過多載荷的情況下,實現月面長期駐留期間對太陽粒子事件的防護。

J.Miller等人利用阿波羅任務帶回的月壤和模擬物,同鋁、鉛、石墨和聚乙烯一起比較了不同能量質子、重離子減少單位劑量所需的材料屏蔽厚度,結果表明月壤和模擬物要優(yōu)于鋁、石墨和聚乙烯［7］。J.Bernabeu等人計算了月壤對1956年SPE的防護效果,表明至少50 cm厚的月壤可明顯降低航天員輻射劑量［8］,但這些研究并未分析屏蔽后產生的次級質子和中子情況。

本文從屏蔽太陽粒子事件質子通量的角度出發(fā),分析計算屏蔽不同質子通量對應的月壤的質量厚度,并以相應質量厚度作為防護參考,計算該屏蔽下太陽粒子事件造成的皮膚劑量。進一步分析比較不同截止能量的質子照射月壤和鋁兩種材料產生的中子和次級質子的產額,比較兩種材料的優(yōu)點和缺點,并對質量厚度和次級粒子的關系進行分析。

2 材料和方法

2.1 月壤成分

月壤是月球巖石空間風化的產物,組成月壤的基本顆粒有：礦物碎屑、原始結晶巖碎屑、角礫巖碎屑、粘合集塊巖和隕石碎片,大部分的月壤顆粒密度在2.3～3.2 g/cm3之間［9］。歷次阿波羅和Luna飛行任務均有月壤采樣,本文選取阿波羅14號任務14163號樣品,該樣品月壤顆粒密度為2.9 g/cm3,其化學組成如表1所示［10］。

表1 14163號月壤樣品化學組成［10］Table 1 Components of 14163 lunar soil sample［10］

2.2 太陽粒子事件能譜

本研究選擇1956年2月和1989年10月兩個太陽粒子事件。Xapsos等人根據觀測數值給出了1989年10月太陽粒子事件微分譜函數如式(1)所示［11］：

式中,Φ0＝7.323×1011,k＝2.115,α＝0.2815,以上3個均為常數系數；E為粒子能量。求解得到的微分譜通量單位為cm－2·s－1·sr－1·MeV－1。 Webber等人建立了1956年2月太陽粒子事件微分通量的數學模型,見式(2)［11］：

1956年和1989年的太陽粒子事件微分譜曲線如圖1所示。由圖可見,1989年的太陽粒子事件總通量高于1956年,二者的微分通量隨著粒子能量的增加呈指數衰減。但相較于1956年,1989年的太陽粒子事件通量更多集中在能量較低的部分,通過對太陽粒子事件微分譜進行積分,求得對應的積分譜。

2.3 質量屏蔽厚度求解

質量屏蔽厚度是指物質的厚度與密度的乘積,即單位面積上的質量,其單位為g/cm2,利用該單位可以使不同種材料的屏蔽效能有一個統(tǒng)一的評價量［12］。本研究選取屏蔽太陽粒子事件質子總通量的90%、95%和99%對應的能量作為截止能量,利用SRIM軟件,通過輸入屏蔽材料原子組成和密度參數,求得了屏蔽質量厚度和可截止的質子能量的關系曲線,通過三次樣條插值的方法分別求得截止能量對應的鋁、水和月壤的屏蔽質量厚度。

2.4 皮膚劑量求解

太陽粒子事件主要有質子組成,其通量主要集中在幾百MeV/n能量以下,該能量質子造成的輻射劑量主要集中在皮膚上,皮膚劑量是進行空間輻射防護評價中較常用的量［4］。組織器官的吸收劑量可利用劑量轉換系數快速求得,如式(3)所示：

式中φ( Ei)為粒子通量,f( Ei)為劑量轉換系數［13］。為比較不同厚度的月壤屏蔽太陽粒子事件后皮膚劑量的變化情況,首先求得屏蔽后的能譜,然后根據(3)式,將求得的各能量對應的質子通量乘以劑量轉換系數以得皮膚劑量。

2.5 次級粒子產額統(tǒng)計

空間輻射防護中還需考慮屏蔽后次級粒子可能造成的二次輻射,因此本研究利用基于蒙特卡羅方法的Geant4軟件統(tǒng)計屏蔽后的次級質子和中子信息,屏蔽后產生的其它粒子由于通量很小,因此可忽略不計。將出射粒子按照能量進行分道,求出了次級質子和中子產額。

3 結果與分析

3.1 質量屏蔽厚度

利用1956年和1989年太陽粒子事件積分譜,求得90%、95%和99%粒子通量屏蔽對應的截止能量如表2所示。由表可見,由于1989年的粒子通量主要集中在能量較低的部分,因此相同屏蔽百分比對應的粒子能量小于1956年的太陽粒子事件。

表2 質子通量屏蔽對應的截止能量Table 2 Cut-off energy with different shield percentage of proton

月壤屏蔽質量厚度與可完全屏蔽住的質子入射能量關系如圖2所示。從圖中可以看出,該曲線呈e指數增長的趨勢,隨著質子能量的增加,所需要的質量厚度增加趨勢變大。通過對該曲線插值,可求得月壤不同截止能量對應的質量屏蔽厚度,結果如表3所示。

可見在粒子屏蔽通量百分比為99%時,所需的屏蔽厚度明顯增大,這是因為質量屏蔽厚度同粒子能量呈指數關系,所以當屏蔽百分比達到99%時,屏蔽厚度呈非線性增加。相較于1956年的太陽粒子事件,1989年的太陽粒子事件通量更多集中在能量較低的范圍,所以同樣屏蔽百分比的情況下,后者所需的屏蔽厚度均小于前者。對于1956和1989年2個太陽粒子事件,當月壤的屏蔽厚度為13.43 g/cm2時,就可以阻擋99%的質子。

表3 屏蔽質量厚度Table 3 Shielding mass thickness

為了進一步對月壤的太陽粒子事件防護性能進行比較,加入了水和鋁進行比對,其屏蔽質量厚度對比如圖3所示。在屏蔽相同數量粒子時,水所需的質量厚度最小,月壤所需的小于鋁?？偟脕碚f,以鋁作為參考,1956年的太陽粒子事件不同質子通量屏蔽情況下,月壤的屏蔽質量厚度比鋁平均小5.65%,1989年太陽粒子事件的情況下為5.51%。因此從屏蔽質量厚度的角度考慮,月壤的性能優(yōu)于鋁,但是低于水。

3.2 皮膚劑量

不同屏蔽百分比后得到的皮膚劑量如圖4所示,該劑量僅考慮了屏蔽后的質子的劑量貢獻,未計算其它次級粒子的劑量。其中1989年SPE皮膚劑量曲線中95%屏蔽比90%略高,這是因為這兩個屏蔽百分比對應的出射譜相近,因此計算得到的劑量也無較大差異,可認為這兩個屏蔽百分比對應的劑量接近?？傮w來看,當屏蔽90%的粒子通量時,按照NASA-STD-3001里面規(guī)定的皮膚年劑量限值為3 Gy/yr［14］,則結果表明經屏蔽后皮膚吸收劑量已低于劑量限值,屏蔽99%時,太陽粒子事件造成的劑量已明顯降低。

3.3 不同截止能量對應的次級粒子產額

前面的計算已表明,水的防護效果要好于月壤和鋁,因此分析次級粒子產額不再將水加入比對。該部分重點計算分析質子不同截止能量照射到對應質量厚度的月壤和鋁的出射粒子產額,比較二者次級粒子產額的劑量貢獻。除中子和質子外,其它粒子通量很小,因此未做分析。中子產額如圖5所示,由圖可見：鋁屏蔽后產生的中子多于月壤屏蔽；在屏蔽能量較高時,鋁和月壤幾乎不產生小于10－3MeV的中子。

鋁和月壤屏蔽太陽粒子事件不同質子通量百分比后的次級質子產額如圖6所示,由圖可見：

1)對于相同屏蔽百分比,月壤和鋁屏蔽后的質子產額曲線相近,這是因為鋁和月壤的防護性能較為接近。

2)以30～40 MeV/n為分界區(qū),低于該區(qū)域,屏蔽百分比越大(入射質子能量越高),次級質子產額越小；高于該區(qū)域,則屏蔽百分比越小,次級質子產額越大。這可能是因為屏蔽百分比越大時,質量厚度越高,產生的能量較低的次級質子被材料本身阻擋,無法出射出來；而對于屏蔽百分比較低的情況,由于入射質子能量本身較低,則出射的高能次級質子產額較小,質量厚度較薄,則低能次級質子容易穿透屏蔽。

綜上,從次級粒子通量的角度考慮,月壤的防護性能優(yōu)于鋁。

進一步分析不同質量厚度月壤屏蔽后產生的次級質子和中子產額,如圖7所示,由圖可見：

1)對于次級質子產額,1989年的太陽粒子事件中,質量厚度越小,產生的10 MeV以下的次級質子可能性越大,100 MeV以上的越小。在10～100 MeV能量區(qū)間內,質量厚度和次級質子產額由反比關系向正比關系過渡。這是因為屏蔽材料越厚,材料內部產生的次級質子越多。但過簿的質量厚度無法將靶材料內產生的能量較低的質子屏蔽掉,因此屏蔽材料越簿,出射的低能次級質子可能性越大,隨著厚度增加,低能次級質子被屏蔽得越多。而當產生的次級質子能量較高時,該質量厚度無法有效屏蔽,這個時候因為越厚的材料產生的次級質子越多,因此出射的次級質子可能性也越大。1956年的太陽粒子事件中,質量厚度越小,次級質子越多。因為對應的屏蔽厚度均較大,靶材料內產生的次級質子會被更厚的材料屏蔽掉。

2)整體來看,質量厚度越厚,中子產額越大。這是因為屏蔽厚度越大,材料內發(fā)生的核反應越多,所以產額會越大一些。但對于能量較低的區(qū)間,如10－3～10－1MeV區(qū)間,可能薄一點的屏蔽材料造成中子產額更高。

綜上,在進行緊急避難區(qū)設計的時候,從次級粒子的角度考慮需選擇合適的屏蔽厚度,過厚的屏蔽材料會產生更多的中子和高能次級質子,而過簿的屏蔽材料則難以達到防護要求,并且會產生更多的低能次級質子。

4 結論

對于月面長期駐留任務來說,隨機爆發(fā)的太陽粒子事件嚴重威脅航天員的生命健康,因此需專門建立用于防護的緊急防護區(qū)。但受到載荷限制,大量向月球直接運輸用于防護太陽粒子事件的材料并不現實。本研究表明,對于1956年和1989年的太陽粒子事件,13.43 g/cm2的月壤可以屏蔽99%的質子,此時的皮膚劑量已在劑量限值內。在屏蔽相同質子通量的情況下,月壤所需的屏蔽質量厚度均小于鋁,且屏蔽后產生的中子產額也比鋁少。因此從工程實現的角度考慮,月壤可以作為一種有效的防護太陽粒子事件的屏蔽材料。