楊 濤，于 梅，牛 睿，蔡明輝，2，韓建偉，2

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.上海航天控制技術(shù)研究所，上海201109）

1 引言

載人深空火星探測(cè)任務(wù)中，銀河宇宙射線（Galactic Cosmic Rays，GCR）是航天員主要遭受的空間輻射環(huán)境之一，其主要成分為質(zhì)子，約占總粒子數(shù)量的87.5%，其次是α粒子，約占總粒子數(shù)量的10%，其余為高能重離子［1］。GCR中高能重離子能量可達(dá)數(shù)TeV·n［2］，其中鐵離子豐度為0.02%，但對(duì)航天員的生物效應(yīng)貢獻(xiàn)可達(dá)到20%以上［3］。而目前載人深空探測(cè)任務(wù)的空間防護(hù)，一般采用被動(dòng)防護(hù)的方式，即使用一定質(zhì)量厚度材料屏蔽的方法來降低航天員接受的劑量［4］。被動(dòng)防護(hù)中高能重離子與艙體被動(dòng)屏蔽材料發(fā)生復(fù)雜相互作用，會(huì)產(chǎn)生大量的次級(jí)粒子，如反沖質(zhì)子、次級(jí)中子和其它重核等粒子［5］。

為了減輕原初粒子和次級(jí)粒子對(duì)艙內(nèi)的航天員輻射損傷，需分析屏蔽后輻射粒子成分及能譜隨被動(dòng)屏蔽厚度變化規(guī)律。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)深空探測(cè)的被動(dòng)屏蔽做了大量仿真計(jì)算研究，如NASA的Hzetrn［5］對(duì)鋁、液氫和水的屏蔽情況作了分析；Cucinotta等［6］對(duì)1972年太陽質(zhì)子事件的劑量當(dāng)量進(jìn)行了劑量分析；南京航天航空大學(xué)的方美華博士［3］研究了高能鐵離子在水介質(zhì)中核反應(yīng)導(dǎo)致的能量沉積；新疆大學(xué)荀明珠［7］分析了單能鐵離子入射屏蔽材料后次級(jí)粒子分布規(guī)律，但是都沒有解決深空GCR連續(xù)環(huán)境譜的被動(dòng)屏蔽的輻射規(guī)律，同時(shí)缺失對(duì)次級(jí)中子優(yōu)化屏蔽設(shè)計(jì)方法。

GEANT4 Toolkits由 C＋＋語言編寫，能夠模擬各種粒子與物質(zhì)相互作用，功能強(qiáng)、可擴(kuò)展性和自由度大，廣泛應(yīng)用在空間輻射環(huán)境模擬、高能粒子加速器的仿真、放射醫(yī)學(xué)、粒子探測(cè)器設(shè)計(jì)等高能物理及核物理領(lǐng)域［8］。本文以Geant4為基礎(chǔ)，分析單能鐵離子與GCR輻射粒子經(jīng)過不同材料屏蔽體后其碎片及次級(jí)中子隨屏蔽厚度變化規(guī)律，及屏蔽后不同輻射粒子對(duì)人體劑量當(dāng)量的貢獻(xiàn)，并根據(jù)次級(jí)粒子成分及能譜分布優(yōu)化設(shè)計(jì)被動(dòng)屏蔽材料組分。

2 物理模型及仿真建模

2.1 物理模型

對(duì)于重離子入射被動(dòng)屏蔽材料產(chǎn)生次級(jí)粒子的相互作用過程的截面如式（1）所示［8］：

式中，Z為重離子的原子序數(shù)，E為原初重離子的能量，T為產(chǎn)生次級(jí)粒子的能量，Tcut為產(chǎn)生的次級(jí)粒子截止閾能，Tmax為轉(zhuǎn)移到次級(jí)粒子的最大能量。

除了需要采用離子反應(yīng)的相互作用截面，還要建立合適的基本核反應(yīng)的模型，而Geant4在處理原初重離子與屏蔽體材料靶核發(fā)生核反應(yīng)方面，可選擇采用的基本核反應(yīng)模型有Binary、Abrasion-Ablation、Bertini核內(nèi)級(jí)聯(lián)、核粒子蒸發(fā)、復(fù)合核過程及衰變等物理模型，另外還可采用有原子核碎裂反應(yīng)過程、高能重離子核反應(yīng)碎裂過程等其它模型，本文在仿真計(jì)算中選擇的模型是Abrasion-Ablation 核反應(yīng)模型［9-11］。

2.2 仿真幾何建模

仿真幾何模型構(gòu)造為球殼模型，如圖1所示。球殼外是粒子源，用以定義單能重離子（Fe）或者GCR中連續(xù)譜重離子譜，且離子垂直入射。中間淺綠球殼為屏蔽體（被動(dòng)屏蔽材料），屏蔽體厚度選擇為 20 g／cm2、10 g／cm2、5 g／cm2和 2 g／cm2，材料選擇三種基本材料：聚乙烯（Pol）、鋁（Al）及硼（B），材料數(shù)據(jù)來源于美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局?jǐn)?shù)據(jù)庫［12］，①聚乙烯（ρ＝0.94 g·cm－3）：氫元素含量為12.05%、碳元素含量為80.51%、氮元素含量為2.26%、氧元素含量5.18%，激發(fā)能I＝57.54 eV；②鋁（ρ＝2.699 g·cm－3）：激發(fā)能 I＝166 eV；③硼（ρ＝2.34 g·cm－3）：激發(fā)能 I＝5.73 eV。 黃色球體為粒子探測(cè)器，收集經(jīng)過屏蔽體屏蔽后的各種原初粒子與次級(jí)粒子能譜。計(jì)算使用Geant4.9.6版本，原初入射粒子數(shù)為1×109個(gè)。

圖1 仿真計(jì)算的幾何模型Fig.1 The geometric model of simulation calculation

3 Geant4仿真計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 單能鐵離子通過屏蔽材料后產(chǎn)生次級(jí)粒子分析

為詳細(xì)分析1000 MeV·n－1的鐵離子與被動(dòng)屏蔽體（鋁或聚乙烯）相互作用后每一種次級(jí)粒子的通量隨厚度變化規(guī)律，需仿真研究10 g／cm2、5 g／cm2和2 g／cm2等三種不同厚度的屏蔽體（鋁或聚乙烯）。并依托建立的幾何模型，統(tǒng)計(jì)屏蔽體后產(chǎn)生的次級(jí)重核，得到各種核碎片種類及其對(duì)應(yīng)的粒子數(shù)，其中也統(tǒng)計(jì)各種同位素，并對(duì)統(tǒng)計(jì)粒子數(shù)進(jìn)行了歸一化通量處理，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 鐵離子與屏蔽材料作用后次級(jí)碎片的歸一化通量Fig.2 Flux of secondary debris after Fe iron inject in shielding material

圖2結(jié)果表明：在屏蔽材料面密度為2～10 g／cm2范圍內(nèi)，被動(dòng)屏蔽體材料厚度越厚，產(chǎn)生的次級(jí)粒子通量越高，這是由于原初粒子在屏蔽體內(nèi)所經(jīng)歷的碰撞越多，則發(fā)生核反應(yīng)次數(shù)越多。只要原初粒子能量高于相互作用核反應(yīng)閾值，且其核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子數(shù)目大于被阻止粒子的數(shù)目，則屏蔽后次級(jí)粒子數(shù)目會(huì)逐漸增加。

同樣質(zhì)量屏蔽體厚度、同樣能量原初粒子入射情況下，聚乙烯屏蔽后的次級(jí)粒子數(shù)目是鋁的數(shù)倍。原初粒子與屏蔽體相互作用后產(chǎn)生的次級(jí)碎片比原初粒子的原子序數(shù)要小，且所帶電荷也少。依據(jù)粒子阻止本領(lǐng)與電荷的平方成正比，帶電粒子的電荷越多，能量損失率越大，穿透能力越弱，可以得知：在同等質(zhì)量的屏蔽厚度下，宇宙重離子入射到含氫材料或輕元素材料的路徑上會(huì)遇到更多的原子核，從而加大與靶核相互作用的幾率；另外，輕核含有較少的質(zhì)子數(shù)，在通過電子耦合軔致輻射產(chǎn)生次級(jí)電子和γ射線較少，因此選擇含氫元素屏蔽材料的屏蔽防護(hù)效果較其它元素屏蔽材料屏蔽效果要好。

3.2 GCR中粒子通過屏蔽材料后輻射粒子成分分析

深空輻射環(huán)境是復(fù)雜的混合場(chǎng)，GCR中的每一種原初粒子種類和能量分布都不同，如圖3所示［13］。隨著粒子原子序數(shù)增加，粒子通量快速下降。為了分析GCR環(huán)境不同粒子與被動(dòng)屏蔽材料（鋁或聚乙烯）相互作用后粒子分布規(guī)律，本模擬仿真建立 20 g／cm2、10 g／cm2、5 g／cm2和2 g／cm2等4種屏蔽厚度，仿真計(jì)算GCR中高能離子與屏蔽材料作用。圖4顯示GCR原初粒子穿過4種不同厚度的鋁或聚乙烯后典型三種輻射粒子的能譜。由于產(chǎn)生次級(jí)粒子種類較多，主要分析數(shù)量較多的粒子，如質(zhì)子、中子、He核等粒子分布規(guī)律，其它重核粒子的分布規(guī)律與He核類似。

圖3 銀河宇宙射線能譜Fig.3 The spectrum of galactic cosmic rays

從圖4可知，在屏蔽材料面密度為2～20 g／cm2范圍內(nèi)，隨著屏蔽體厚度增加，產(chǎn)生次級(jí)中子通量越來越高，而其它帶電重核粒子的通量越來越低。因?yàn)橹凶哟┩改芰Ω哂谄渌鼛щ娏Ｗ?，且由于隨著屏蔽體厚度的增加，中子與高Z次級(jí)重核發(fā)生級(jí)聯(lián)反應(yīng)，增加次級(jí)中子產(chǎn)額。而不同質(zhì)量厚度，同樣入射能量條件情況下，低能次級(jí)中子隨能量增加，其通量平緩上升；而高能次級(jí)中子隨能量增加，其通量趨于定值并快速下降。其他次級(jí)帶電粒子隨能量增加先增加后衰減。

3.3 GCR中輻射粒子通過屏蔽材料后對(duì)人體劑量當(dāng)量分析

由于GCR經(jīng)過不同屏蔽材料后產(chǎn)生的次級(jí)粒子的能量不同及照射條件不同導(dǎo)致產(chǎn)生的生物效應(yīng)是不同的。而在深空載人任務(wù)中輻射防護(hù)中最關(guān)心的是人體受到各種類型輻射的照射后將發(fā)生什么樣的效應(yīng)，因此，引入劑量當(dāng)量，用以評(píng)估人體所受電離輻射的危害程度［13］。GCR輻射環(huán)境通過4種屏蔽厚度的鋁及聚乙烯后的29種原初宇宙線粒子及次級(jí)粒子對(duì)人體的劑量當(dāng)量如圖5所示。

圖4 GCR與屏蔽材料作用后部分次級(jí)離子能譜Fig.4 The energy spectrum of some secondary ions after GCR inject in shielding material

從圖5可知：GCR輻射粒子經(jīng)過材料面密度厚度為2～20 g／cm2范圍屏蔽后，不同原子序數(shù)（0～28）的原初宇宙線粒子及次級(jí)粒子對(duì)人體劑量當(dāng)量貢獻(xiàn)值差距較大。 其中1H、2He、12C、16O、20Ne、24Mg、28Si、32S、40Ca、48Ti、52Cr、56Fe、59Ni及中子對(duì)人體的劑量當(dāng)量為主要貢獻(xiàn)，即這些粒子對(duì)人體的輻射危害比較突出。隨著屏蔽厚度的增加，中子對(duì)人體的劑量當(dāng)量隨著屏蔽厚度增加而增大，且屏蔽材料厚度越大，對(duì)人體的輻射危害越明顯，而帶電粒子對(duì)人體劑量當(dāng)量值隨屏蔽厚度增加顯著下降。比較圖5a、b可知，屏蔽材料厚度大于10 g／cm2面密度情況下，聚乙烯材料降低原初宇宙線粒子及次級(jí)粒子的對(duì)人體的劑量當(dāng)量效果比鋁材料要突出。

3.4 屏蔽次級(jí)中子被動(dòng)材料參硼比例設(shè)計(jì)分析

屏蔽材料在一定面密度厚度范圍內(nèi)，產(chǎn)生的次級(jí)中子的通量隨著屏蔽厚度增大而增高，導(dǎo)致對(duì)人體的傷害加大，為了有效地降低次級(jí)中子對(duì)人體傷害，必須減少次級(jí)中子產(chǎn)額。減少次級(jí)中子產(chǎn)額主要包括兩個(gè)過程：產(chǎn)生的快中子與屏蔽體材料中的重核元素發(fā)生非彈性散射或與屏蔽體材料中的輕核元素發(fā)生彈性散射，慢化成能量較低的熱中子；慢化后的熱中子被吸收截面大的元素俘獲并吸收。而聚乙烯材料含氫可以慢化中子，慢化后的熱中子需被截面大的元素吸收，而10B中子吸收截面高達(dá)3837b，且10B俘獲熱中子后不會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的二次γ射線，因此，對(duì)聚乙烯材料摻硼是較為理想的中子屏蔽方法。根據(jù)表1制備7種復(fù)合材料，經(jīng)過仿真計(jì)算獲得次級(jí)粒子的能譜，利用ICRP標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫［13］獲得如圖6所示的人體腺體劑量當(dāng)量結(jié)果。

圖5 GCR與屏蔽材料作用后不同離子對(duì)人體的劑量當(dāng)量Fig.5 The dose Equivalent of various ions after GCR inject in shielding material

表1 聚乙烯與硼摻雜比例參數(shù)Table 1 Parameters of polyethylene and boron doping ratio

圖6 摻雜硼比例與人體腺體劑量當(dāng)量關(guān)系Fig.6 The relationship between boron proportion and dose equivalent of human gland

從圖6可知：在GCR中的輻射粒子經(jīng)過面度為20 g／cm2組合材料屏蔽后，帶電粒子與次級(jí)中子產(chǎn)生對(duì)人體腺體的劑量當(dāng)量隨硼比例增加而先下降后上升，當(dāng)硼比例約15%時(shí)，輻射粒子對(duì)人體腺體劑量當(dāng)量約下降11%，達(dá)到最低劑量當(dāng)量；但隨著硼比例上升，屏蔽體厚度顯著減小，而劑量當(dāng)量顯著上升。因?yàn)殡S著10B含量的增加，屏蔽厚度下降比較快，其含氫量也在下降，對(duì)中子的慢化作用下降，導(dǎo)致對(duì)原初粒子和次級(jí)中子屏蔽效率下降，最終導(dǎo)致對(duì)人體腺體吸收劑量上升。

4 結(jié)論

本文利用Geant4仿真工具，對(duì)深空輻射粒子與被動(dòng)屏蔽材料相互作用進(jìn)行Monte Carlo模擬，結(jié)果表明：

1）單能鐵離子在與等效介質(zhì)鋁及聚乙烯相互作用后，次級(jí)粒子種類變多，高原子序數(shù)的碎片明顯高于低原子序數(shù)的碎片。同樣質(zhì)量厚度、同樣入射能量情況下，聚乙烯的次級(jí)碎片數(shù)目是鋁的數(shù)倍。

2）在材料面密度厚度2～20 g／cm2范圍內(nèi)，GCR中輻射粒子與鋁或聚乙烯相互作用后，次級(jí)中子隨著屏蔽厚度增加，通量隨之增加，而其它帶電粒子隨屏蔽厚度的增加，其通量下降，且屏蔽后29種不同輻射粒子對(duì)人體的劑量當(dāng)量貢獻(xiàn)差距較大，其中1H、2He、12C、16O、20Ne、24Mg、28Si、32S、40Ca、48Ti、52Cr、56Fe、59Ni及中子對(duì)人體的劑量當(dāng)量為主要貢獻(xiàn)，即該粒子對(duì)人體輻射危害比較突出。

3）依據(jù)屏蔽后帶電粒子及次級(jí)中子的能譜特征，研究摻雜硼的復(fù)合屏蔽材料對(duì)所有輻射環(huán)境的累積屏蔽效果，當(dāng)質(zhì)量面密度為20 g／cm2復(fù)合材料，其硼比例約15%時(shí)，輻射粒子對(duì)人體腺體的劑量當(dāng)量下降了11%，該模擬計(jì)算得到的結(jié)果能為深空探測(cè)任務(wù)的輻射防護(hù)材料制備提供依據(jù)。