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        不同屏蔽材料對空間100 MeV質(zhì)子防護效果分析

        2019-01-10 08:44:48荀明珠何承發(fā)鄭玉展
        載人航天 2018年6期
        關(guān)鍵詞:面密度中子質(zhì)子

        荀明珠,何承發(fā)*,鄭玉展

        (1. 新疆電子信息材料與器件重點實驗室,烏魯木齊 830011; 2. 中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所,烏魯木齊 830011; 3.北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京100094)

        1 引言

        地球空間輻射環(huán)境主要包括地球俘獲帶(Van Allen Belts)粒子、銀河宇宙射線(Galactic Cosmic Rays)及太陽高能粒子(Solar High-Energy Particles),主要由87.5%的質(zhì)子、10%的α粒子及少量重帶電粒子組成[1-2],同等能量下質(zhì)子的穿透能力高于其他粒子。隨著載人航天器深空活動的深入,如月球、火星探測計劃等,載人航天器將進入更遠的深空區(qū)域中,此時航天器將失去地磁場的保護而主要面臨銀河宇宙射線的影響。銀河宇宙射線能譜具有粒子能量范圍廣、粒子種類多的特點,包含的粒子從氫到鈾,其中質(zhì)子能量范圍可達到1 MeV~10 GeV。這些高能質(zhì)子在與航天器屏蔽材料相互作用后可在屏蔽材料內(nèi)產(chǎn)生大量次級粒子,如質(zhì)子、電子、核反應(yīng)產(chǎn)生的中子與次級重核等,透射初級質(zhì)子和次級粒子將共同影響航天器內(nèi)的航天員和電子元器件。目前國內(nèi)外對空間輻射環(huán)境中各種粒子的屏蔽效果進行了大量的研究,主要研究近地軌道載人航天器和空間站內(nèi)航天員受地球俘獲帶粒子及太陽質(zhì)子的影響等[3-6],國內(nèi)對載人航天器深空探測活動中屏蔽材料對銀河宇宙射線中高能質(zhì)子的屏蔽能力及屏蔽材料產(chǎn)生的次級粒子研究相對較少。

        目前研究粒子與材料的相互作用過程常用Geant4蒙特卡羅軟件對粒子的輸運過程進行模擬仿真。Geant4軟件是由歐洲核子中心(CERN)基于C++語言開發(fā)的蒙特卡羅模擬工具包,可以同時模擬每一個入射粒子與材料的相互作用過程,并將粒子入射材料后的每一次碰撞過程中的碰撞位置、能量損失、方向變化等信息記錄并輸出,主要應(yīng)用在高能物理、核物理、加速器物理、空間輻射環(huán)境模擬、暗物質(zhì)探測、放射醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的模擬仿真[7]。

        因此本文針對地球空間輻射環(huán)境中高能質(zhì)子的屏蔽問題,使用Geant4軟件模擬100 MeV質(zhì)子入射鋁(Al)、聚乙烯(PE)、水三種屏蔽材料,分析高能質(zhì)子在同等面密度下不同屏蔽材料內(nèi)的深度劑量分布、屏蔽材料內(nèi)的能量沉積、屏蔽材料產(chǎn)生的次級粒子能譜等。

        2 模擬計算及分析

        2.1 模型設(shè)計

        Geant4在仿真運行前需要設(shè)置模型的幾何形狀并選擇合適的物理過程。本文計算使用Al、PE、水三種屏蔽材料為屏蔽體,在屏蔽體平板后放置50 cm厚的方形水吸收體,在吸收體表面統(tǒng)計粒子穿過屏蔽體入射到吸收體表面的次級中子能譜,通過統(tǒng)計入射質(zhì)子在屏蔽體中的入射深度和能量沉積分布,得到質(zhì)子在不同屏蔽材料內(nèi)的深度劑量分布,改變屏蔽體的面密度,并統(tǒng)計吸收體內(nèi)的能量沉積可得到不同面密度下屏蔽材料的透射能量與吸收能量。三種屏蔽材料均使用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)中規(guī)定的材料密度和電離能[8],見表1。

        表1 屏蔽體材料信息

        Geant4中包含了多種相互作用物理過程模型,本次仿真計算中添加物理過程包括電磁相互作用過程G4EmStandard Physics option4、強相互作用過程(核反應(yīng)過程)Shielding、衰變過程G4Radioactive Decay Physics、離子相互作用過程G4Ion Physics、Wentzel庫倫散射過程及粒子阻止過程G4Stopping Physics等。其中電磁相互作用過程中包含了光電效應(yīng)、電子對效應(yīng)、軔致輻射。相互作用過程Shielding模型是專門為空間輻射環(huán)境的屏蔽計算設(shè)計的物理過程包,適用于空間各種高能粒子與材料的相互作用過程的屏蔽計算,包含了光核反應(yīng)、中子核反應(yīng)、質(zhì)子核反應(yīng)、重核反應(yīng)等多種核反應(yīng)過程。影響次級粒子產(chǎn)生數(shù)量的截止距離(Setcuts)設(shè)置為1 mm。仿真入射質(zhì)子數(shù)量為1×108個,每次仿真時間約為10 h。

        2.2 模型驗證

        在Windows環(huán)境下使用VisualStudio2012建立上述幾何體模型和物理過程模型,在 Step()函數(shù)中調(diào)用GetEnergyDeposit()函數(shù)和GetPosition()函數(shù),獲取每次入射粒子與材料碰撞的能量沉積和位置信息,并將這些信息輸入到Root數(shù)據(jù)處理軟件中,通過統(tǒng)計碰撞能量沉積和碰撞位置信息即可畫出粒子在材料中的Bragg曲線。設(shè)置入射粒子為質(zhì)子編譯并運行Geant4代碼后可得到仿真結(jié)果和Root數(shù)據(jù)。通過模擬160 MeV質(zhì)子在水中的Bragg曲線,并與文獻[5]中的深度劑量分布進行比對驗證物理過程和幾何體的準(zhǔn)確性。計算結(jié)果如圖1所示,Geant4的計算出的160 MeV質(zhì)子在水中的Bragg曲線與文獻[5]中的深度劑量分布結(jié)果非常一致,驗證了幾何模型和物理過程模型的準(zhǔn)確性。

        圖1 160 MeV質(zhì)子在水中深度劑量分布Fig.1 Depth dose distribution of 160 MeV proton in water

        3 計算結(jié)果及分析

        3.1 布拉格曲線分析

        質(zhì)子入射靶材料后與入射徑跡上的原子發(fā)生彈性碰撞或非彈性碰撞而使靶原子位移或電離,在材料內(nèi)造成位移損傷和電離損傷,電離損傷可產(chǎn)生次級電子和次級γ射線;高能質(zhì)子被靶材料原子核捕獲而與靶材料發(fā)生核反應(yīng),產(chǎn)生大量次級質(zhì)子、次級中子、次級γ射線和次級重粒子[9]。質(zhì)子在材料入射徑跡上能量沉積大小與入射深度有關(guān),在材料徑跡末端出現(xiàn)明顯的布拉格曲線峰值。

        100 MeV質(zhì)子入射Al、PE、水三種材料的深度劑量分布曲線如圖2所示,圖中將橫坐標(biāo)由入射深度轉(zhuǎn)換為入射面密度,以便分析空間同等載荷的情況下三種屏蔽材料的屏蔽效果,從圖中可以看出100 MeV質(zhì)子在PE屏蔽材料中的布拉格峰值位置為7.224 g/cm2,在水屏蔽材料中的布拉格峰值位置為7.704 g/cm2,比PE屏蔽稍差,在Al屏蔽材料中的布拉格峰值位置為9.936 g/cm2,比PE材料多2.712 g/cm2,說明對于空間100 MeV質(zhì)子輻射環(huán)境,使用PE屏蔽材料比Al屏蔽材料節(jié)省27.29%的屏蔽材料重量即可實現(xiàn)對質(zhì)子的有效屏蔽。同樣對于使用水屏蔽材料比Al材料節(jié)省22.46%的屏蔽材料重量。

        圖2 100 MeV質(zhì)子在三種材料內(nèi)的深度劑量分布Fig.2 Depth dose distribution of 100 MeV proton in three shielding materials

        為了分析100 MeV質(zhì)子入射三種材料的射程,本文在Geant4仿真后又使用SRIM軟件對相同條件的質(zhì)子射程進行仿真,仿真結(jié)果比對如表2所示,從中可以看出兩種仿真結(jié)果比較吻合,雖然質(zhì)子在Al材料的最大射程為3.679 cm,但由于其密度為2.7 g/cm2,使得Al材料在最大射程處等效面密度大于PE材料。

        表2100MeV質(zhì)子在三種材料中的射程

        Table2Rangeof100MeVprotoninthreeshieldingmaterials

        屏蔽材料SRIM材料內(nèi)射程/cmSRIM等效面密度/(g/cm2)Geant4仿真結(jié)果/(g/cm2)Al3.6799.9339.936PE7.6287.1717.224水7.6037.6037.704

        3.2 屏蔽材料內(nèi)能量沉積

        100 MeV質(zhì)子入射Al、PE、水三種材料在不同面密度下屏蔽材料內(nèi)的能量沉積如表3所示,從表中可以看出,在同等面密度下PE屏蔽材料內(nèi)的能量沉積最多,其次為水屏蔽材料,Al屏蔽材料的能量沉積最少,在面密度為6.48 g/cm2、等效鋁厚度為24 mm的PE屏蔽材料內(nèi)的能量沉積比Al屏蔽材料內(nèi)的能量沉積增加59.23%,并且PE材料比Al材料屏蔽能力增加值隨著面密度的增加而逐漸增加,直到達到PE材料的最大射程。此時PE材料內(nèi)的能量沉積不再繼續(xù)增加,而使得PE屏蔽比Al屏蔽能力增加達到最大值82.96%,此時的面密度約為7.30 g/cm2,等效Al厚度為27 mm。

        100 MeV質(zhì)子在三種屏蔽材料的透射能量與材料的面密度厚度曲線如圖3所示,對于同種面密度下的三種屏蔽材料,PE材料的質(zhì)子透射能量最小,其次為水屏蔽材料,Al屏蔽材料的透射能量最大。當(dāng)面密度達到質(zhì)子的最大射程后,透射能量為零,100 MeV質(zhì)子全部停留在屏蔽材料內(nèi)。

        表3100MeV質(zhì)子在不同面密度屏蔽下的能量沉積

        Table3Energydepositionof100MeVprotonindifferentarealdensity

        等效Al厚度/mm面密度/(g/cm2)PE屏蔽/MeV水屏蔽/MeVAl屏蔽/MeVPE比AL屏蔽增加/%225.9462.7256.7240.7953.75%236.2167.5460.7243.2356.24%246.4872.4964.6245.5259.23%256.7578.2568.8847.8863.43%267.0286.4874.1250.5471.11%277.3097.0979.7753.0682.96%287.5698.2587.1655.6976.43%297.8299.5596.9958.4268.17%

        圖3 不同屏蔽厚度下三種材料的透射能量Fig.3 Energy transmission percent of different shielding areal density

        3.3 屏蔽材料的次級中子能譜

        質(zhì)子與靶材料原子核發(fā)生核反應(yīng)會產(chǎn)生大量次級粒子,主要包含次級電子、次級γ射線、次級中子、次級質(zhì)子和次級重核等[10-12]。太空艙內(nèi)環(huán)境中的次級中子對艙內(nèi)的航天員的影響較大,國際放射防護委員會ICRP(International Commission on Radiological Protection)60號報告中規(guī)定不同能量的中子輻射權(quán)重因子WR為5~20,γ射線、電子的輻射權(quán)重因子為WR為1,質(zhì)子的輻射權(quán)重因子WR為2~5[13-14]。

        在Geant4中設(shè)置Al屏蔽材料,在吸收體表面統(tǒng)計由屏蔽材料產(chǎn)生的次級中子能量,設(shè)置合適的截止距離(SetCut)并仿真1×106個質(zhì)子入射,得到次級中子能譜如圖4所示,從圖中可以看出,高能質(zhì)子與Al材料發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的次級中子能量范圍在10 keV~90 MeV,其中20 MeV以下的次級中子數(shù)量較大,每個入射質(zhì)子可以產(chǎn)生10-4~10-2個次級中子,在20 MeV~50 MeV內(nèi)的次級中子較數(shù)量穩(wěn)定,每個入射質(zhì)子可以產(chǎn)生10-4個次級中子,在50 MeV以上次級中子產(chǎn)生數(shù)量快速下降。

        圖4 Al屏蔽材料中產(chǎn)生的次級中子能譜Fig.4 Secondary neutron spectrum produced by Al shielding

        4 結(jié)論

        本文通過仿真160 MeV質(zhì)子在水中深度劑量分布并于文獻中實驗結(jié)果比對驗證了物理過程和幾何模型的正確性。通過Geant4對100 MeV質(zhì)子入射Al、PE、水三種屏蔽材料的模擬仿真,分析射線在同等面密度下的三種材料內(nèi)的深度劑量分布、屏蔽材料內(nèi)能量沉積和次級中子能譜發(fā)現(xiàn):

        1)100 MeV質(zhì)子在PE屏蔽材料中的布拉格峰值位置為7.224 g/cm2,Al屏蔽材料為9.936 g/cm2,使用PE屏蔽材料比Al屏蔽材料節(jié)省27.29%的重量即可實現(xiàn)對100MeV質(zhì)子的完全屏蔽。

        2)面密度為6.48 g/cm2的PE材料內(nèi)的能量沉積比Al材料多59.23%,說明同等面密度下PE材料對100 MeV質(zhì)子的屏蔽能力大于Al材料。面密度為7.30 g/cm2時,PE屏蔽比Al屏蔽對100 MeV質(zhì)子的屏蔽能力增加82.96%。

        3)100 MeV質(zhì)子入射Al屏蔽材料后的次級中子能譜范圍在10 keV~90 MeV,產(chǎn)生的次級中子以20 MeV以下低能量為主,每個入射質(zhì)子可以產(chǎn)生10-6~10-2個次級中子。

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