魯 維，許 峰，2，國耀宇，費錦學(xué)，賈向紅*

(中國航天員科研訓(xùn)練中心,北京100094；2.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)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(nèi)大于10 MeV的粒子(主要為質(zhì)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(zhì)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(shù)量級,因此大氣中受到太陽風(fēng)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(jù)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(wù)(＞1年),其劑量在限值內(nèi),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(wù)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(shè)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(wù)無法提供持續(xù)的防護能力。且目前的技術(shù)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(xiàn)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(wù)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(zhì)子、重離子減少單位劑量所需的材料屏蔽厚度,結(jié)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(chǎn)生的次級質(zhì)子和中子情況。

本文從屏蔽太陽粒子事件質(zhì)子通量的角度出發(fā),分析計算屏蔽不同質(zhì)子通量對應(yīng)的月壤的質(zhì)量厚度,并以相應(yīng)質(zhì)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(zhì)子照射月壤和鋁兩種材料產(chǎn)生的中子和次級質(zhì)子的產(chǎn)額,比較兩種材料的優(yōu)點和缺點,并對質(zhì)量厚度和次級粒子的關(guān)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(fēng)化的產(chǎn)物,組成月壤的基本顆粒有：礦物碎屑、原始結(jié)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(wù)均有月壤采樣,本文選取阿波羅14號任務(wù)14163號樣品,該樣品月壤顆粒密度為2.9 g/cm3,其化學(xué)組成如表1所示［10］。

表1 14163號月壤樣品化學(xué)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(jù)觀測數(shù)值給出了1989年10月太陽粒子事件微分譜函數(shù)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(shù)系數(shù)；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(shù)學(xué)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(shù)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(yīng)的積分譜。

2.3 質(zhì)量屏蔽厚度求解

質(zhì)量屏蔽厚度是指物質(zhì)的厚度與密度的乘積,即單位面積上的質(zhì)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(zhì)子總通量的90%、95%和99%對應(yīng)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(shù),求得了屏蔽質(zhì)量厚度和可截止的質(zhì)子能量的關(guān)系曲線,通過三次樣條插值的方法分別求得截止能量對應(yīng)的鋁、水和月壤的屏蔽質(zhì)量厚度。

2.4 皮膚劑量求解

太陽粒子事件主要有質(zhì)子組成,其通量主要集中在幾百MeV/n能量以下,該能量質(zhì)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(zhuǎn)換系數(shù)快速求得,如式(3)所示：

式中φ( Ei)為粒子通量,f( Ei)為劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)［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(jù)(3)式,將求得的各能量對應(yīng)的質(zhì)子通量乘以劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)以得皮膚劑量。

2.5 次級粒子產(chǎn)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(zhì)子和中子信息,屏蔽后產(chǎn)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(zhì)子和中子產(chǎn)額。

3 結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)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(yīng)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(yīng)的粒子能量小于1956年的太陽粒子事件。

表2 質(zhì)子通量屏蔽對應(yīng)的截止能量Table 2 Cut-off energy with different shield percentage of proton

月壤屏蔽質(zhì)量厚度與可完全屏蔽住的質(zhì)子入射能量關(guān)系如圖2所示。從圖中可以看出,該曲線呈e指數(shù)增長的趨勢,隨著質(zhì)子能量的增加,所需要的質(zhì)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(yīng)的質(zhì)量屏蔽厚度,結(jié)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(zhì)量屏蔽厚度同粒子能量呈指數(shù)關(guān)系,所以當(dāng)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(dāng)月壤的屏蔽厚度為13.43 g/cm2時,就可以阻擋99%的質(zhì)子。

表3 屏蔽質(zhì)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(zhì)量厚度對比如圖3所示。在屏蔽相同數(shù)量粒子時,水所需的質(zhì)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(zhì)子通量屏蔽情況下,月壤的屏蔽質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(yīng)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(yīng)的劑量接近?？傮w來看,當(dāng)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(jié)果表明經(jīng)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(yīng)的次級粒子產(chǎn)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(chǎn)額不再將水加入比對。該部分重點計算分析質(zhì)子不同截止能量照射到對應(yīng)質(zhì)量厚度的月壤和鋁的出射粒子產(chǎn)額,比較二者次級粒子產(chǎn)額的劑量貢獻。除中子和質(zhì)子外,其它粒子通量很小,因此未做分析。中子產(chǎn)額如圖5所示,由圖可見：鋁屏蔽后產(chǎn)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(chǎn)生小于10－3MeV的中子。

鋁和月壤屏蔽太陽粒子事件不同質(zhì)子通量百分比后的次級質(zhì)子產(chǎn)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(zhì)子產(chǎn)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(zhì)子能量越高),次級質(zhì)子產(chǎn)額越??；高于該區(qū)域,則屏蔽百分比越小,次級質(zhì)子產(chǎn)額越大。這可能是因為屏蔽百分比越大時,質(zhì)量厚度越高,產(chǎn)生的能量較低的次級質(zhì)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(zhì)子能量本身較低,則出射的高能次級質(zhì)子產(chǎn)額較小,質(zhì)量厚度較薄,則低能次級質(zhì)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(zhì)量厚度月壤屏蔽后產(chǎn)生的次級質(zhì)子和中子產(chǎn)額,如圖7所示,由圖可見：

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

2)整體來看,質(zhì)量厚度越厚,中子產(chǎn)額越大。這是因為屏蔽厚度越大,材料內(nèi)發(fā)生的核反應(yīng)越多,所以產(chǎn)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(chǎn)額更高。

綜上,在進行緊急避難區(qū)設(shè)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(chǎn)生更多的中子和高能次級質(zhì)子,而過簿的屏蔽材料則難以達到防護要求,并且會產(chǎn)生更多的低能次級質(zhì)子。

4 結(jié)論

對于月面長期駐留任務(wù)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(xiàn)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(zhì)子,此時的皮膚劑量已在劑量限值內(nèi)。在屏蔽相同質(zhì)子通量的情況下,月壤所需的屏蔽質(zhì)量厚度均小于鋁,且屏蔽后產(chǎn)生的中子產(chǎn)額也比鋁少。因此從工程實現(xiàn)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。