郝志華，陳鴻飛，賈曉宇，李衍存

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京100094；2.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京100871）

1 引言

載人火星任務(wù)與近地載人航天任務(wù)相比有所不同，它不僅脫離了地球磁場的保護，而且在空間滯留時間更長（約520天），空間輻射尤其是帶電粒子輻射對航天員的影響將更大［1-2］。一旦遭遇太陽粒子事件，可能會威脅航天員的生命安全。為確保航天員的安全，有必要搭載輻射探測設(shè)備對艙內(nèi)輻射環(huán)境進行測量，實時獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，為航天員及時采取防護措施提供依據(jù)。目前國外火星探測任務(wù)已多次成功搭載輻射探測設(shè)備，包括“水手 4”搭載的捕獲帶輻射探測器［3-4］（TRD），“奧德賽”搭載的火星輻射環(huán)境探測儀［5］（MARIE）和“火星科學(xué)實驗室”探測任務(wù)“好奇號”漫游車上搭載的輻射評估探測儀［6］（RAD）。這些探測設(shè)備獲得了大量的實測數(shù)據(jù)。國內(nèi)還尚未開展火星輻射環(huán)境探測?？臻g輻射對航天員的輻射效應(yīng)通常用劑量當(dāng)量（H）來表征，H與輻射劑量（D）和輻射品質(zhì)因數(shù)（Q）相關(guān)，而Q又與帶電粒子在水中的傳能線密度（LET）相關(guān)［7］。 因此，D和LET的探測對分析載人火星任務(wù)航天員所遭受的輻射損傷具有重要意義。

本文在對載人火星任務(wù)輻射環(huán)境分析的基礎(chǔ)上，確定探測器的測量指標(biāo)?；谠撝笜?biāo)完成探測器的方案設(shè)計，包括探頭設(shè)計和可變采樣快門時間的采樣設(shè)計。此外，還針對人體組織與探測材料不同，探測數(shù)據(jù)無法直接用于航天員輻射損傷預(yù)估的問題，研究D和LET在硅和水間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

2 載人火星任務(wù)輻射環(huán)境分析及輻射探測器指標(biāo)確定

2.1 輻射環(huán)境分析

如圖1所示，載人火星任務(wù)按階段可分為奔火、駐留和返回三個階段，期間航天員所遭遇的帶電粒子主要來自地球輻射帶（Earth Radiation Belt， ERB）、 銀 河 宇 宙 線［1，8］（ Galactic Cosmic Ray，GCR）和太陽粒子事件（Solar Energetic Particles，SEP）。ERB由地球磁場捕獲的帶電粒子組成，主要是捕獲帶質(zhì)子（0.1～400 MeV）和捕獲帶電子（0.04 ～7 MeV）［9］。 GCR 來源于銀河系，主要是質(zhì)子，約占85%，其次是α粒子，約占14%，其他重核約占1%［10］。SEP太陽爆發(fā)性活動產(chǎn)生的短時帶電粒子增強現(xiàn)象，可持續(xù)數(shù)小時到數(shù)天，主要是質(zhì)子［1］。

圖1 載人火星任務(wù)遭遇的帶電粒子環(huán)境Fig.1 Charged particles radiation environment in manned Mars mission

采用國際輻射單位與計量委員會（International Commission on Radiation Units＆Measurements，ICRU）提出的ICRU球模型，建模分析了載人火星任務(wù)航天員遭受的劑量當(dāng)量。考慮任務(wù)周期520天，往返火星490天［2］，航天員活動區(qū)相對艙外空間屏蔽厚度為10 g／cm2的等效鋁。載人火星任務(wù)航天員體表（皮膚）受到的劑量當(dāng)量：①兩次穿越地球輻射帶約16 mSv；②奔火和返回巡航途中銀河宇宙線的貢獻，在太陽活動高年約470 mSv，在太陽活動低年約為145 mSv；③1次1989年特大太陽耀斑約2 Sv。由分析結(jié)果可知：地球輻射帶對航天員造成的劑量當(dāng)量小，時間短，可采取針對性的防護措施。因此，載人火星任務(wù)航天員遭遇的劑量當(dāng)量主要來自長期低通量的GCR質(zhì)子和重離子，以及突發(fā)性短時SEP質(zhì)子，這也是輻射探測的重點。

2.2 輻射探測器指標(biāo)確定

由MARIE和RAD的探測結(jié)果［10-11］可確定輻射劑量的測量分辨率要優(yōu)于0.1 rad（Si），考慮獲取探測數(shù)據(jù)的實時性，劑量測量的時間分辨率越小越好，這樣在SPE爆發(fā)時，就可以快速探測到太陽質(zhì)子事件，提醒航天員及時采取措施以避免輻射損傷，但時間分辨率越小生成的數(shù)據(jù)量就越大，綜合考慮劑量測量的時間分辨率應(yīng)在幾分鐘量級。

載人火星任務(wù)航天員所遭遇的帶電粒子主要是質(zhì)子和重離子。質(zhì)子的LET值較小，但其空間通量大。重離子的LET值較大，其空間通量隨著LET值的增加而迅速減小，當(dāng)LET值增加到一定值后，重離子的空間的通量很小，給測量帶來很大不確定性?？紤]探測器測量的動態(tài)范圍，同時參考國外的探測設(shè)備指標(biāo)，可確定LET的測量范圍1～1000 keV／μm。

綜上可以確定載人火星任務(wù)輻射探測器的指標(biāo)：①探頭采用兩片硅傳感器串列構(gòu)成的望遠鏡探頭；②劑量測量的時間分辨率5 min，劑量分辨率優(yōu)于0.01 rad（Si）；③LET 測量范圍：1 ～1000 keV／μm。

3 輻射探測器方案設(shè)計

根據(jù)以上確定的指標(biāo)，開展探測器的方案設(shè)計，最終設(shè)計出的輻射探測器可同時測量輻射劑量（D）和傳能線密度（LET），其原理框圖如圖2，由三部分組成。

圖2 探測器原理框圖Fig.2 Block diagram of the detector

第一部分為探頭及讀出電路，采用兩個探頭并行工作以擴大探測效率，每個探頭由兩片傳感器組成，共4片傳感器（D11、D12、D21 和 D22），需要 4個前放。前放輸出到4個主放大器，產(chǎn)生4個信號。該部分還包括探頭偏壓電源模塊，用來提供探頭工作電壓。第二部分為信號調(diào)理單元，來自4個前放輸出的信號送入閾值甄別及邏輯復(fù)合器（DLA）產(chǎn)生觸發(fā)信號TRIG，其中D12和D22信號用于符合反符合判斷入射事件是否有效，不會進入到存儲器（FIFO）。DLA由數(shù)據(jù)處理單元提供甄別閾值。觸發(fā)信號TRIG控制確認為有效信號輸入。S1和S3分別為兩個探頭的前端傳感器產(chǎn)生的信號，把它們通過一個信號相加放大器相加并放大為EAN信號送ADC準(zhǔn)備采樣。在DLA輸出信號TRIG控制下，啟動ADC對EAN信號采樣形成粒子信號數(shù)據(jù)輸出給數(shù)據(jù)處理單元。第三個部分為數(shù)據(jù)處理單元，負責(zé)控制儀器的工作方式，設(shè)置甄別閾值，進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理以及與上位機的通信管理。粒子信號數(shù)據(jù)代表一個入射粒子的能量。在數(shù)據(jù)處理單元中，對粒子信號數(shù)據(jù)進行分類計數(shù)，獲得多個譜段的LET。

3.1 探頭設(shè)計

探測器探頭采用兩片硅傳感器組成望遠鏡探頭來測量LET和D，如圖3所示。

圖3 探測器探頭原理示意圖Fig.3 diagram of detector probe

D1傳感器用于測量入射粒子的LET；D2傳感器用于指示粒子是否穿透D1傳感器。圖中的θ0為視場角的一半，即視場角為2θ0。當(dāng) D1和D2傳感器同時收到信號，表明入射粒子穿透D1傳感器到達D2傳感器。粒子在D1傳感器上沉積能量（ΔE）轉(zhuǎn)換為電信號可由電路測量得到。LET可由公式（1）獲得：

式中，Ei為沉積能量（MeV），ρ為硅傳感器密度2320 mg／cm3，d 為 D1 傳感器厚度（cm），LET為傳能線密度 MeV／（mg／cm2），θ為粒子入射角在［0，θ0］之間。當(dāng)D1傳感器足夠?。╠很?。┣姚?很小時，公式（1）可簡化為公式（2），即可獲得入射粒子的LET。

在數(shù)據(jù)處理單元中，對粒子信號數(shù)據(jù)進行分類計數(shù)，獲得多個譜段的LET。對每個LET譜段上入射粒子沉積的能量（Ei）除以傳感器的質(zhì)量求和可獲得輻射劑量（D），如式（3）所示：

式中，Ei每個 LET譜段上粒子沉積能量（MeV），m 為傳感器靈敏區(qū)的質(zhì)量（kg），D 為輻射劑量戈瑞（Gy）。

3.2 可變采樣快門時間的采樣方法

其中，Nmax為最大時間片數(shù)，N為當(dāng)前經(jīng)歷的時間片數(shù)，CN為當(dāng)前經(jīng)歷的時間片數(shù)所記錄的空間粒子數(shù)，Cmax為估算總粒子數(shù)。如時間片長度取50 ms，Nmax取100，最大采樣快門時間5 s，存儲器選用4 kbyte容量。該方法可實現(xiàn)從5 s測1個計數(shù)到50 ms測4000個計數(shù)的大動態(tài)范圍（～105）粒子采樣。如需要擴展采樣范圍，擴充下限需要增大時間片長度與Nmax的乘積，即最大采樣快門時間。擴充上限需要縮短時間片長度或增加存儲器的容量。

針對載人火星任務(wù)航天員遭遇的帶電粒子通量動態(tài)漲落大，探測采樣快門時間選取困難的問題，提出了可變采樣快門時間的采樣方法。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)調(diào)整采樣快門時間，可有效解決空間粒子通量動態(tài)范圍大，無法選取合適的采樣快門時間的問題。

可變采樣快門時間的采樣方法具體實現(xiàn)過程如下：①將采樣快門時間按照時間片數(shù)劃分，并于每一個時間片數(shù)檢測存儲器的存儲量狀態(tài)，其中存儲器存儲采樣的空間粒子信號。②在經(jīng)歷第N個時間片數(shù)時檢測到所述存儲量狀態(tài)為半滿狀態(tài)，采樣快門時間為N×k，1≤N≤Nmax，k為單個時間片的長度，Nmax為最大時間片數(shù)。③當(dāng)?shù)贜max個時間片數(shù)時檢測所述存儲量狀態(tài)未達到半滿狀態(tài)，采樣快門時間為Nmax×k。④在檢測到所述存儲量狀態(tài)為半滿狀態(tài)或達到第Nmax個時間片數(shù)時，停止采樣，從所述存儲器讀取空間粒子信號，根據(jù)當(dāng)前經(jīng)歷的時間片數(shù)、最大時間片數(shù)、當(dāng)前經(jīng)歷的時間片數(shù)所記錄的空間粒子數(shù)確定估算總粒子數(shù)Cmax，如式（4）所示：

4 探測數(shù)據(jù)不同材料間探測量的轉(zhuǎn)換

由于人體組織與探測材料不同，將探測數(shù)據(jù)用于航天員輻射損傷預(yù)估，必須開展探測量（LET和D）在不同材料間的轉(zhuǎn)換。考慮人體組織中水約占總質(zhì)量的73%［12］，可將人體組織近似成水，開展LET和D在硅和水之間的轉(zhuǎn)換。

4.1 傳能線密度的轉(zhuǎn)換

采用 SRIM程序，對空間中典型帶電粒子（H、He、C、N、O、Si、Fe）在硅和水中的 LET 進行分析，可獲取空間中典型帶電粒子在水中與硅中的傳能線密度的比值（LET水／LET硅）隨粒子能量的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 空間典型帶電粒子在硅和水中LET比值隨粒子能量的變化關(guān)系Fig.4 Changes of LET ratio with the particle energy of typical space charged particles in silicon and water

由圖4可以看出，在粒子能量較低（＜2 MeV／u）時，LET水／LET硅在0.63～0.72之間。 隨著粒子能量的增加，LET水／LET硅趨向一致。在粒子能量為40 MeV／u時，所有粒子在兩種材料中的傳能線密度之比均為0.55。隨后這個比值隨著粒子能量的增加而減小，在粒子能量1000 MeV／u，該比值減小到0.53。也即粒子能量從40 MeV／u到2000 MeV／u，該比值大約只有5%的變化。圖5給出了不同帶電粒子的LET水隨LET硅的變化關(guān)系，基于這種變化，采用回歸擬合得到LET水和LET硅的關(guān)系表達式如式（5）所示：

4.2 輻射劑量的轉(zhuǎn)換

粒子入射到傳感器通過電離作用在傳感器中輻射劑量即為式（6）：

圖5 空間典型帶電粒子在硅和水中LET關(guān)系圖Fig.5 LET relationship of typical space charged particles in the silicon and water

式中，ΔE為電離輻射授于能（J），Δm為物質(zhì)的質(zhì)量（kg），D 為輻射劑量（J／kg），也稱 Gy。

粒子在傳感器中沉積的總能量及質(zhì)量如式（7）、式（8）所示：

式中，LETi不同譜段上粒子的傳能線密度（keV／μm），ni為單位面積上不同 LETi對應(yīng)的粒子數(shù)（個），d為傳感器的厚度（μm），s為傳感器的面積（cm2），ρ為傳感器材料的密度（g／cm3）。將式（7）、（8）帶入式（6）可得式（9）：

由式（9）可得D在水中和硅中的轉(zhuǎn)換關(guān)系近似為： D水／D硅＝ LET水ρ硅／LET硅ρ水。

5 結(jié)論

1）針對載人火星任務(wù)航天員輻射損傷預(yù)估需要同時測量D和LET，完成了基于兩片硅傳感器望遠鏡探頭的探測器方案設(shè)計。

2）針對帶電粒子通量動態(tài)漲落大，探測采樣快門時間選取困難的問題，提出了可變采樣快門時間的采樣方法。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)調(diào)整采樣快門時間，即在粒子通量較小時增大采樣快門時間保證探測的有效性和探測精度，在粒子通量較大時減小采樣快門時間節(jié)約處理資源，提高粒子探測中通量測量的動態(tài)范圍，提高采樣效率。該方法可實現(xiàn)105動態(tài)范圍的采樣。

3）針對人體組織與硅不同，探測數(shù)據(jù)無法直接用于航天員輻射損傷預(yù)估的問題，將人體組織近似成水，研究給出了LET和D在硅和水之間的函數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系LET水＝0.527×LET硅1.016。