蔡明輝，楊濤，韓瑞龍，許亮亮，夏 清，韓建偉，李興冀

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100049；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

0 引言

月球一直以來(lái)被視為人類(lèi)飛出地球邁向深空領(lǐng)域的重要門(mén)戶(hù)，世界各大航天強(qiáng)國(guó)紛紛開(kāi)展無(wú)人和有人月球探測(cè)。美國(guó)政府已經(jīng)啟動(dòng)了重返月球計(jì)劃，聯(lián)合多個(gè)國(guó)家建造“月球軌道平臺(tái)—門(mén)廊”，作為著陸月球和通往深空的“跳板”；歐洲提出了“月球村”概念，計(jì)劃以國(guó)際合作的方式在月球南極建立集科學(xué)研究、商業(yè)、旅游于一身的永久太空基地；俄羅斯規(guī)劃的“月球25號(hào)”（Luna-25）、“月球26號(hào)”（Luna-26）、“月球27號(hào)”（Luna-27）、“月球28號(hào)”（Luna-28）都將月球南極作為探測(cè)的目標(biāo)區(qū)域；我國(guó)也明確將月球無(wú)人科研站和載人探月任務(wù)提上日程[1-2]。

為了應(yīng)對(duì)月球探測(cè)的需求，輻射環(huán)境及其影響研究必不可少。月球上輻射環(huán)境主要包括銀河宇宙射線(xiàn)（galactic cosmic ray,GCR）、太陽(yáng)質(zhì)子事件（solar proton event,SPE）以及高能粒子與月壤發(fā)生核反應(yīng)生成的次級(jí)輻射。在GCR 和SPE 方面，已發(fā)展了基于大量探測(cè)數(shù)據(jù)的較為成熟的環(huán)境模型，如CREME、Nymmik、JPL、ESP等[3-6]；在月表次級(jí)輻射方面，通常采用蒙特卡羅方法仿真不同月壤成分、不同高度的輻射環(huán)境特征[7-9]。由于次級(jí)中子輻射可以反演水冰含量，同時(shí)其具有高穿透性，可對(duì)航天員造成輻射傷害，所以在月球探測(cè)中得到高度關(guān)注[10]。國(guó)際上，在月球探測(cè)任務(wù)中攜帶中子探測(cè)器已經(jīng)成為常態(tài)。我國(guó)“嫦娥四號(hào)”著陸器上的月表中子與輻射劑量探測(cè)儀也在國(guó)際上首次獲得了月表中子環(huán)境探測(cè)結(jié)果。

本文將根據(jù)典型月壤成分和宇宙線(xiàn)輻射環(huán)境能譜，利用GEANT4軟件仿真不同月壤深度的中子環(huán)境能譜，并與“嫦娥四號(hào)”探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證仿真結(jié)果的有效性。研究結(jié)果可為我國(guó)后續(xù)月球探測(cè)任務(wù)中有效載荷和航天員的輻射防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 仿真建模

1.1 宇宙線(xiàn)輻射環(huán)境

宇宙線(xiàn)輻射環(huán)境主要包括GCR 和SPE。GCR是起源于太陽(yáng)系之外的高能帶電粒子，粒子成分包括元素周期表從氫到鈾核的所有元素，其中質(zhì)子占93.0%，α 粒子占6.3%，其他重粒子只占0.1%。GCR最突出的特征是能譜范圍特別寬，從幾十MeV 到105MeV。SPE是發(fā)生太陽(yáng)耀斑時(shí)發(fā)射出的高能帶電粒子流，伴隨太陽(yáng)耀斑的爆發(fā)太陽(yáng)宇宙線(xiàn)通量會(huì)出現(xiàn)急劇增長(zhǎng)，瞬時(shí)增幅可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，其成分主要是質(zhì)子，能量范圍從10 MeV 到數(shù)十GeV。SPE 是偶發(fā)性的，每次質(zhì)子事件的強(qiáng)度和能譜都不完全相同。圖1 是利用CREME96模型計(jì)算的太陽(yáng)活動(dòng)低年銀河宇宙線(xiàn)典型成分能譜，圖2是歷史上典型太陽(yáng)質(zhì)子事件積分能譜。本文中的仿真主要研究GCR 和1989年SPE 中數(shù)量眾多的質(zhì)子轟擊月壤產(chǎn)生的次級(jí)中子分布規(guī)律。

圖1 銀河宇宙線(xiàn)能譜Fig.1 Energy spectrum of galactic cosmic rays

圖2 太陽(yáng)質(zhì)子事件積分能譜Fig.2 Integrated energy spectrum of solar proton events

1.2 月壤成分及幾何模型

月壤包括月塵層、月壤層、巖石層等，其成分復(fù)雜，不同的月壤其元素含量占比不同。本文采用蘇聯(lián)“Luan-16”月壤樣品進(jìn)行建模[10]，其質(zhì)量組成百分比為：43.5%的SiO2，5.5%的TiO2，13.9%的Al2O3，20.2%的FeO，6.1%的MgO，10.8%的CaO。為簡(jiǎn)化模擬，將月壤模型設(shè)置為一個(gè)高9 m、半徑為5 m 的圓柱體，如圖3所示。該圓柱體按照厚度分成5層，其中：月壤層分為上、中、下層，總厚度為5 m；月壤層之下是巖石層，之上是月塵層。月塵層厚度h1=0.5 cm，密度ρ=0.6 g/cm3。月壤上層厚度h2=19.5 cm，密度ρ=1.2 g/cm3；中層厚度h3=15 cm，密度ρ=1.5 g/cm3；下層厚度h4=465 cm，密度ρ=2.0 g/cm3。巖石層厚度h5=400 cm，密度ρ=3.4 g/cm3。為真實(shí)模擬空間輻射粒子的各項(xiàng)同性的特點(diǎn)，輻射入射粒子為2π 的面源。

圖3 月壤幾何模型Fig.3 Geometric model of the lunar soil

1.3 仿真工具

采用歐洲核子研究組織（CERN）開(kāi)發(fā)的GEANT4（GEometry ANd Tracking）軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。GEANT4是基于C++面向?qū)ο蠹夹g(shù)開(kāi)發(fā)的蒙特卡羅應(yīng)用軟件包，用于模擬粒子在物質(zhì)中輸運(yùn)的物理過(guò)程。相較于MCNP等商業(yè)軟件，GEANT4的主要優(yōu)點(diǎn)是源代碼完全開(kāi)放，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際需要更改、擴(kuò)充程序。由于具有良好的通用性和擴(kuò)展能力，GEANT4在涉及微觀(guān)粒子與物質(zhì)相互作用的諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。本文使用GEANT 4.9.6版本，選擇QGSP_BIC_HP物理模型進(jìn)行月表次級(jí)輻射環(huán)境模擬。

2 仿真結(jié)果

2.1 GCR 導(dǎo)致的次級(jí)中子能譜分布

在月球幾何模型的各個(gè)組成截面上，深度分別為0 cm、35 cm、100 cm 及700 cm 處設(shè)立探測(cè)半徑R=5 m 的中子探測(cè)器，探測(cè)中子能譜特征。分別以GCR 極大值和極小值輻射環(huán)境為輸入，GEANT4的跟蹤粒子數(shù)為109個(gè)，進(jìn)行仿真計(jì)算并歸一化，獲得的中子能譜如圖4所示。

圖4 GCR 在月壤不同深度形成的次級(jí)中子能譜分布Fig.4 Secondary neutron spectrum induced by GCR atdifferent depths of lunar soil

從圖4可以看到：中子能量范圍很寬，為10-7～105MeV；隨著月壤深度的增加，中子通量呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，在大約1 m 處達(dá)到最大值。因此，在利用月壤建立有人長(zhǎng)期月球基地時(shí)，必須有效防護(hù)次級(jí)中子的輻射。

2.2 SPE導(dǎo)致的次級(jí)中子能譜分布

在月壤深度0 cm、35 cm、100 cm、200 cm 及700 cm 處設(shè)置中子探測(cè)器，記錄SPE 導(dǎo)致的次級(jí)中子能譜特征。以1989年最?lèi)毫右惶斓腟PE 質(zhì)子能譜環(huán)境為輸入，GEANT4的跟蹤粒子數(shù)為109個(gè)，進(jìn)行仿真計(jì)算并歸一化，獲得的中子能譜如圖5所示。

圖5 SPE 在月壤不同深度形成的次級(jí)中子能譜分布Fig.5 Secondary neutron spectrum induced by SPE atdifferent depthsof lunar soil

從圖5可以看到，中子能量范圍很寬，為10-7～103MeV，同時(shí)隨著月壤深度的增加，中子通量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，同樣在大約1 m 達(dá)到最大值。

2.3 GCR 與SPE導(dǎo)致的次級(jí)中子能譜對(duì)比

圖6為GCR 和SPE誘導(dǎo)次級(jí)中子能譜分布的對(duì)比，可以看到：在月表附近，GCR 導(dǎo)致的次級(jí)中子強(qiáng)度遠(yuǎn)小于SPE 導(dǎo)致的中子強(qiáng)度；在深度5 m 的月壤內(nèi)部，GCR 導(dǎo)致的次級(jí)中子強(qiáng)度則大于SPE 導(dǎo)致的中子強(qiáng)度。因此，載人探月或長(zhǎng)期月球基地建設(shè)中，即使采用數(shù)米厚的月壤進(jìn)行輻射防護(hù)也不能完全阻擋次級(jí)中子的輻射劑量。

圖6 GCR 和SPE 誘導(dǎo)次級(jí)中子能譜分布的對(duì)比Fig.6 Comparison of secondary neutrons spectrum induced by GCR and SPE,respectively

2.4 計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證

將本文工作與美國(guó)NASA 的G.W.McKinney等[11]利用MCNPX 對(duì)Apollo 17月壤樣品仿真的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。從圖中可見(jiàn)，月表中子能譜的結(jié)果與NASA 研究結(jié)果基本吻合。存在差異的主要原因是幾何建模時(shí)月壤成分和結(jié)構(gòu)設(shè)置的不同，且所采用的仿真工具GEANT4 和MCNPX之間也存在一定系統(tǒng)誤差。

圖7 月球表面中子能譜分布對(duì)比Fig.7 Comparison of neutron spectrum distributions on lunar surface

同時(shí)，將本文結(jié)果與中國(guó)“嫦娥四號(hào)”著陸器上中子與輻射劑量探測(cè)儀的首次月面觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比[12]。首先采用GCR 活動(dòng)低年能譜、3.5 mm 鋁的屏蔽貢獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)算，得到月表艙外和艙內(nèi)中子能譜如圖8所示。從圖中可見(jiàn)，由于高能宇宙線(xiàn)粒子與著陸器材料的核反應(yīng)產(chǎn)生了大量次級(jí)中子，艙內(nèi)中子通量約為艙外的10倍。再利用該著陸器艙內(nèi)中子能譜結(jié)果分析水中吸收劑量，并與“嫦娥四號(hào)”探測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，“嫦娥四號(hào)”探測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，劑量偏差只有30%左右。

圖8 月表艙外和艙內(nèi)中子能譜分布Fig.8 Neutron spectrum distributions on lunar surface and insidethecabin

表1 中子劑量仿真結(jié)果與“嫦娥四號(hào)”探測(cè)結(jié)果的對(duì)比Table 1 Comparison of simulation resultsof neutron doseand Chang’E-4 detection results

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用蒙特卡羅方法模擬了GCR 和SPE高能粒子輻射環(huán)境與月壤相互作用生成的次生中子環(huán)境，給出了不同空間環(huán)境條件在月壤不同深度中的次級(jí)中子能譜，并與美國(guó)NASA 仿真結(jié)果、中國(guó)“嫦娥四號(hào)”探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)。研究結(jié)果表明：GCR 導(dǎo)致的次級(jí)中子在月壤中可達(dá)數(shù)米深度，隨著月壤深度的增加中子通量呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)；在月表GCR 導(dǎo)致的次級(jí)中子強(qiáng)度遠(yuǎn)小于SPE導(dǎo)致的中子強(qiáng)度，在深度數(shù)m 的月壤內(nèi)部GCR 導(dǎo)致的次級(jí)中子強(qiáng)度則大于SPE 導(dǎo)致的中子強(qiáng)度。本文的研究結(jié)果可為我國(guó)未來(lái)載人月球探測(cè)任務(wù)中航天員、月球基地的輻射防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。