王 磊,韓 丹,2,*,蔡毓龍,崔 帥,曹榮幸,2,李紅霞,2,薛玉雄,2,*

(1.揚(yáng)州大學(xué) 電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127;2.國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心,北京 102413;3.中國(guó)科學(xué)院 微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院,上海 201203)

近地空間輻射環(huán)境主要由地球輻射帶、太陽(yáng)宇宙線和銀河宇宙線中的帶電粒子等組成,相比其他帶電粒子,質(zhì)子具有較高的通量和較寬的能量范圍,是近地空間中誘發(fā)空間輻射效應(yīng)的主要來(lái)源[1-2]。中低軌遙感衛(wèi)星所處的空間環(huán)境中存在的高通量質(zhì)子,容易造成光電器件性能退化,甚至最終失效,影響了遙感衛(wèi)星在軌壽命和成像質(zhì)量[3-5]。與其他傳統(tǒng)衛(wèi)星類似,目前中低軌遙感衛(wèi)星主要還是使用鋁(Al)作為防護(hù)材料[6-7],然而隨著遙感衛(wèi)星觀測(cè)精度和成像分辨率需求的不斷提高,國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者都在積極探索新型高效質(zhì)子防護(hù)材料。

長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)外學(xué)者對(duì)新型質(zhì)子防護(hù)材料的研究較為關(guān)注,特別是研究航天器外殼屏蔽層的防護(hù)效能以及其熱力學(xué)性能。目前普遍認(rèn)為氫是屏蔽質(zhì)子和重核的最有效元素。然而,由于氫在化學(xué)上不穩(wěn)定且不易處理,因此富含氫的物質(zhì)如聚乙烯(PE)被認(rèn)為是屏蔽質(zhì)子的良好材料。近年來(lái)國(guó)內(nèi)也對(duì)PE等材料進(jìn)行了研究,劉佳強(qiáng)等[8]利用Geant4模擬軟件分析PE材料對(duì)輻射帶的質(zhì)子輻射環(huán)境的屏蔽效能,證明在相同質(zhì)量厚度下,PE對(duì)質(zhì)子的屏蔽效能高于Al,并且產(chǎn)生更少的次級(jí)粒子輻射。荀明珠等[9]利用Geant4模擬軟件計(jì)算PE、Al和水對(duì)100 MeV質(zhì)子的屏蔽效能,研究發(fā)現(xiàn)有效屏蔽100 MeV質(zhì)子時(shí),使用PE材料可以比Al減輕27.29%的質(zhì)量。然而,PE等材料的力學(xué)穩(wěn)定性較差,不適合應(yīng)用于惡劣的空間環(huán)境。目前碳納米管(CNT)被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建復(fù)合屏蔽材料。已有研究表明[10-11],通過(guò)在高分子材料中添加CNT,可以有效提高復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性。此外,添加CNT還有助于屏蔽空間中的質(zhì)子。Laurenzi等[12]開(kāi)展不同空間環(huán)境下PE基納米復(fù)合材料輻射屏蔽性能研究,發(fā)現(xiàn)摻雜1%～5%CNT的復(fù)合材料,其質(zhì)子屏蔽性能與純PE相當(dāng),而摻雜濃度在10%以上復(fù)合材料才逐漸呈現(xiàn)出比純PE更好的屏蔽性能。Li等[13]通過(guò)對(duì)聚二甲基硅氧烷(PDMS)中摻雜單壁碳納米管(SWCNT)的質(zhì)子屏蔽特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真研究,發(fā)現(xiàn)PDMS/SWCNT的屏蔽性能隨著質(zhì)子能量的增加而提高,并表明復(fù)合材料對(duì)質(zhì)子的屏蔽能力會(huì)受到CNT結(jié)構(gòu)的影響。然而現(xiàn)有研究尚未厘清CNT摻雜濃度、管壁直徑、排布方式以及管壁層數(shù)等參數(shù)對(duì)復(fù)合材料屏蔽性能的影響機(jī)制,因此亟需設(shè)計(jì)一種PE摻雜CNT陣列的復(fù)合材料,研究不同摻雜參數(shù)對(duì)質(zhì)子屏蔽效能的影響,進(jìn)而綜合分析復(fù)合材料對(duì)于空間質(zhì)子的屏蔽性能。

本文使用蒙特卡羅方法構(gòu)建PE摻雜CNT陣列復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型,通過(guò)Geant4仿真軟件開(kāi)展復(fù)合材料屏蔽質(zhì)子效能仿真研究,首先探究CNT的摻雜濃度、管壁直徑、排布方式以及管壁層數(shù)等因素對(duì)復(fù)合材料質(zhì)子屏蔽效能的影響,隨后分析復(fù)合材料、PE屏蔽質(zhì)子后在探測(cè)器中電離劑量的差異,并研究復(fù)合材料質(zhì)子透射能譜及次級(jí)輻射情況,為后續(xù)輻射防護(hù)材料設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 碳納米管結(jié)構(gòu)

CNT是一種管狀的納米級(jí)石墨晶體。它是由單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無(wú)縫納米級(jí)管,是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料。CNT中的碳原子以sp2雜化為主,同時(shí)六角型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)存在一定程度的彎曲,形成空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[14]。按照卷曲石墨片的層數(shù)劃分,CNT可分為SWCNT和多壁碳納米管(MWCNT),如圖1所示。典型SWCNT的直徑在0.7～1.5 nm范圍內(nèi),而MWCNT的最內(nèi)層管狀層的直徑在2～10 nm范圍內(nèi)[15]。MWCNT層與層之間保持固定的距離,約為0.34 nm[16]。此外,在一定條件下,CNT可以呈現(xiàn)特定方向排列,形成CNT陣列,從而發(fā)揮其高長(zhǎng)徑比帶來(lái)的各種優(yōu)異特性[17]。

a——單壁碳納米管;b——多壁碳納米管圖1 碳納米管結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of carbon nanotube

1.2 質(zhì)子與材料相互作用機(jī)理

當(dāng)質(zhì)子與物質(zhì)相互作用時(shí),主要會(huì)與靶原子的核外電子發(fā)生庫(kù)侖碰撞,導(dǎo)致原子被激發(fā)或電離,從而質(zhì)子本身失去能量,這種能量損失稱為電子能損。此外,質(zhì)子還會(huì)與靶原子核發(fā)生彈性碰撞或非彈性碰撞。彈性碰撞是指質(zhì)子在庫(kù)侖力下直接與原子核碰撞,并將其部分能量傳遞給目標(biāo)原子,這部分能量稱為非電離能損,非彈性碰撞包括了質(zhì)子捕獲反應(yīng)和核反應(yīng)[18]。

CNT具有中空結(jié)構(gòu),在質(zhì)子和管壁碳原子相互作用的過(guò)程中,攜帶能量的質(zhì)子會(huì)不同程度地激發(fā)管壁價(jià)電子,進(jìn)而產(chǎn)生單電子激發(fā)或者集體激發(fā)行為。當(dāng)質(zhì)子的能量在MeV能量范圍時(shí),CNT的管壁價(jià)電子集體激發(fā)產(chǎn)生電子的極化效應(yīng),對(duì)質(zhì)子產(chǎn)生兩個(gè)方向的極化力:反方向的阻止力和垂直方向的鏡像力。前者導(dǎo)致質(zhì)子不斷失去能量,造成能量損失,后者吸引質(zhì)子不斷靠近CNT管壁運(yùn)動(dòng),改變其運(yùn)動(dòng)軌跡[19-20]。

CNT與聚合物組合形成的復(fù)合材料能改善質(zhì)子屏蔽性能,歸因如下:首先入射質(zhì)子與基體材料發(fā)生相互作用,有效減小了質(zhì)子的能量和數(shù)量,這在含氫量高的聚合物中體現(xiàn)得更為明顯。同時(shí),入射質(zhì)子受到CNT的影響,會(huì)在穿過(guò)CNT管壁時(shí)損失能量,并改變運(yùn)動(dòng)軌跡,從復(fù)合材料出射的質(zhì)子將進(jìn)一步減少。此外,質(zhì)子能量較低,會(huì)直接沉積在復(fù)合材料中,引起復(fù)合材料的含氫量增加,間接提升了復(fù)合材料對(duì)后續(xù)質(zhì)子的屏蔽能力。

2 仿真建模

本文利用Geant4[21]蒙特卡羅模擬程序計(jì)算摻雜CNT陣列的PE對(duì)地球輻射帶捕獲質(zhì)子的屏蔽效能。其中PE作為基體材料,CNT作為填充物。CNT陣列基本參數(shù)設(shè)定如下:長(zhǎng)度為0.5 μm,管壁直徑為2 nm,管壁厚度為0.182 nm,排布方式為水平方向排布。

針對(duì)質(zhì)子與材料的物理過(guò)程,分別采用G4LElastic、G4CascadeInterface、G4hIonisation模型描述質(zhì)子與材料發(fā)生反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生的彈性散射、非彈性散射及電離過(guò)程,對(duì)于除質(zhì)子以外的反沖原子,分別采用G4ionIonisation、G4BinaryLightIonReaction模型描述其電離與核相互作用過(guò)程[22-23]。此外通過(guò)添加StandardNR物理模型,對(duì)于能量小于100 MeV的離子或核子,用單庫(kù)侖散射物理模型替換多重散射的標(biāo)準(zhǔn)電磁物理模型,使能量在0～100 MeV范圍內(nèi)質(zhì)子模擬的物理過(guò)程更精確[24]。由于仿真中幾何模型尺寸為nm～μm量級(jí),故在物理列表中粒子的截?cái)嚅撝翟O(shè)置為1 nm。

本文選擇軌道參數(shù)如下:近地點(diǎn)高度為600 km,遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為5 200 km,軌道傾角為63°,輻射帶質(zhì)子模型為AP8max。通過(guò)SPENVIS軟件計(jì)算獲得該軌道捕獲質(zhì)子積分能譜,如圖2所示。設(shè)定粒子源為各向同性入射的面源,在探究CNT摻雜參數(shù)對(duì)復(fù)合材料屏蔽性能的影響時(shí),結(jié)合模型大小以及時(shí)間因素,抽樣總粒子數(shù)為1×105個(gè);而對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行綜合屏蔽性能仿真時(shí),抽樣總粒子數(shù)為1×108個(gè),超過(guò)積分能譜的最大通量,確保每個(gè)能量段的質(zhì)子都有從粒子源出射的概率。

圖2 典型軌道空間捕獲質(zhì)子積分能譜Fig.2 Captured proton integral energy spectrum in typical orbital space

在仿真設(shè)置中,如果采用Geant4默認(rèn)的偽隨機(jī)數(shù)引擎[25],那么在相同條件下的仿真結(jié)果是確定的。而對(duì)于微模型來(lái)說(shuō),使用偽隨機(jī)數(shù)會(huì)帶來(lái)偶然性和較大仿真誤差。因此,為了降低偶然因素產(chǎn)生的仿真誤差,在仿真中設(shè)置采用真隨機(jī)數(shù)引擎,并對(duì)同一次計(jì)算進(jìn)行多次仿真,最終結(jié)果取多次結(jié)果的平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 碳納米管摻雜參數(shù)對(duì)PE/CNT復(fù)合材料屏蔽性能的影響

為了研究CNT摻雜參數(shù)對(duì)復(fù)合材料屏蔽性能的影響,建立的初始幾何模型如圖3所示,模型(World)周?chē)O(shè)置的是真空環(huán)境。在World中心放置1個(gè)PE基體模型,其大小為0.5 μm×0.5 μm×0.5 μm。構(gòu)造CNT陣列的方式是先將1組CNT模型組合成1排,形成1個(gè)組合整體,然后將這個(gè)組合整體在基體中按一定間距鋪排,形成陣列結(jié)構(gòu)。

圖3 PE/CNT復(fù)合材料示意圖Fig.3 Schematic diagram of PE/CNT composite material

3.1.1摻雜不同濃度CNT陣列對(duì)PE/CNT復(fù)合材料屏蔽性能的影響 保持CNT陣列基本參數(shù),僅改變CNT摻雜濃度為1%、5%、10%、15%、20%。通過(guò)統(tǒng)計(jì)屏蔽后的質(zhì)子出射個(gè)數(shù),探究復(fù)合屏蔽材料對(duì)質(zhì)子的屏蔽效能。如圖4所示為復(fù)合材料屏蔽后出射質(zhì)子個(gè)數(shù)隨CNT摻雜濃度的變化。由圖4可知,當(dāng)CNT摻雜濃度為1%時(shí),復(fù)合材料屏蔽后出射質(zhì)子個(gè)數(shù)為99 882;而當(dāng)CNT摻雜濃度為20%時(shí),復(fù)合材料屏蔽后出射質(zhì)子個(gè)數(shù)減小至99 141。這表明隨著PE中CNT的摻雜濃度增大,屏蔽后出射質(zhì)子個(gè)數(shù)呈減小趨勢(shì)。CNT摻雜濃度增加表明復(fù)合材料中CNT的數(shù)量增加,將會(huì)增加質(zhì)子與屏蔽材料的碰撞概率,使得材料阻止本領(lǐng)增強(qiáng)。由于阻止本領(lǐng)的改變,能譜中部分低能質(zhì)子的射程變短,無(wú)法穿透材料,從而減小了出射后的質(zhì)子個(gè)數(shù),增強(qiáng)了復(fù)合材料的質(zhì)子屏蔽效能。此外,本文通過(guò)計(jì)算相同尺寸下的純PE材料屏蔽后出射質(zhì)子個(gè)數(shù)(99 965),證明摻雜CNT復(fù)合材料的屏蔽性能優(yōu)于純PE材料的屏蔽性能。

圖4 穿過(guò)復(fù)合材料的質(zhì)子個(gè)數(shù)隨碳納米管摻雜濃度的變化Fig.4 Number change of proton passing through composite material with doping concentration of CNT

3.1.2摻雜不同管壁直徑CNT陣列對(duì)PE/CNT復(fù)合材料屏蔽性能的影響 基于上述研究結(jié)果,固定CNT摻雜濃度為10%,僅改變CNT管壁直徑為1、2、3、4、5 nm。復(fù)合材料屏蔽后出射質(zhì)子個(gè)數(shù)隨CNT管壁直徑的變化如圖5所示。由圖5可知,當(dāng)CNT管壁直徑為1 nm時(shí),復(fù)合材料屏蔽后出射質(zhì)子個(gè)數(shù)為99 616;而當(dāng)CNT管壁直徑為5 nm時(shí),復(fù)合材料屏蔽后出射質(zhì)子個(gè)數(shù)減小至99 057。這表明在PE中摻雜不同管壁直徑的CNT后,其屏蔽后出射的質(zhì)子個(gè)數(shù)隨著CNT管壁直徑的增加呈減小趨勢(shì)。這是由于在相同摻雜濃度下,CNT管壁直徑增加表明摻雜CNT數(shù)量減少,同時(shí)CNT側(cè)面積增大。通過(guò)計(jì)算CNT陣列在入射面上的投影,可以發(fā)現(xiàn)總投影面積是隨CNT管壁直徑增加而逐漸增大的。這里的投影面積并非直接影響核過(guò)程,而是增加質(zhì)子與CNT陣列的相互作用概率,有效降低入射質(zhì)子的能量,從而減小出射后的質(zhì)子個(gè)數(shù),增強(qiáng)復(fù)合材料的質(zhì)子屏蔽效能。

圖5 穿過(guò)復(fù)合材料的質(zhì)子個(gè)數(shù)隨碳納米管管壁直徑的變化Fig.5 Number change of proton passing through composite material with diameter of CNT

3.1.3摻雜不同排布角度CNT陣列對(duì)PE/CNT復(fù)合材料屏蔽性能的影響 基于上述研究結(jié)果,固定CNT摻雜濃度和管壁直徑分別為10%和5 nm,僅改變CNT排布角度為0°、30°、60°、90°,其中0°和90°的排布角度分別對(duì)應(yīng)水平方向排布和十字交叉排布2種排布方式。根據(jù)不同排布角度構(gòu)建的模型如圖6所示。復(fù)合材料屏蔽后出射質(zhì)子個(gè)數(shù)隨CNT排布角度的變化如圖7所示。由圖7可知,在PE中摻雜不同排布角度的CNT后,規(guī)則排布(水平方向排布或十字交叉排布)時(shí)質(zhì)子屏蔽效能要優(yōu)于非規(guī)則排布。這是由于當(dāng)CNT排布角度為30°和60°時(shí),CNT陣列會(huì)存有較大空隙,導(dǎo)致質(zhì)子與材料碰撞概率減小,從而減弱了材料的屏蔽性能。在規(guī)則排布中,十字交叉排布對(duì)質(zhì)子的屏蔽性能要優(yōu)于水平方向排布。十字交叉排布的CNT陣列會(huì)增加質(zhì)子與CNT的接觸面積,增大質(zhì)子與材料的碰撞概率,進(jìn)而降低質(zhì)子出射個(gè)數(shù),提高材料的屏蔽效果。

a——0°;b——30°;c——60°;d——90°圖6 不同排布角度CNT陣列模型Fig.6 CNT array model with different arrangement angles

圖7 穿過(guò)復(fù)合材料的質(zhì)子個(gè)數(shù)隨碳納米管排布角度的變化Fig.7 Number change of proton passing through composite material with arrangement angle of CNT

3.1.4摻雜不同管壁層數(shù)CNT陣列對(duì)PE/CNT復(fù)合材料屏蔽性能的影響 基于上述研究結(jié)果,固定CNT摻雜濃度為10%,排布角度為90°,僅改變CNT管壁層數(shù)(以下簡(jiǎn)稱“壁數(shù)”)為1、2、3、4、5、10層,最內(nèi)層的直徑為2 nm。圖8所示為復(fù)合材料屏蔽后出射質(zhì)子個(gè)數(shù)隨CNT壁數(shù)的變化。由圖8可知,CNT壁數(shù)為1時(shí),復(fù)合材料屏蔽后出射質(zhì)子個(gè)數(shù)為99 129;CNT壁數(shù)為2時(shí),個(gè)數(shù)降低至99 100;CNT壁數(shù)為5時(shí),個(gè)數(shù)增大至99 207;CNT壁數(shù)為10時(shí),個(gè)數(shù)為99 241。數(shù)據(jù)表明在PE中摻雜不同壁數(shù)的CNT后,其屏蔽后出射質(zhì)子個(gè)數(shù)隨著CNT壁數(shù)的增加先減小后增大,但總體變化幅度不大。這是由于在相同摻雜濃度下,CNT壁數(shù)增加,導(dǎo)致?lián)诫s的CNT數(shù)量減少,MWCNT側(cè)面積增大。通過(guò)計(jì)算CNT陣列在入射面上的投影,發(fā)現(xiàn)總投影面積幾乎相差不大,故復(fù)合材料的質(zhì)子屏蔽效能對(duì)該參數(shù)不敏感。

圖8 穿過(guò)復(fù)合材料的質(zhì)子個(gè)數(shù)隨碳納米管管壁層數(shù)的變化Fig.8 Number change of proton passing through composite material with layer number of CNT

3.2 PE/CNT復(fù)合材料綜合屏蔽性能分析

將屏蔽體模型擴(kuò)展為長(zhǎng)方體模型,屏蔽材料類型為PE/CNT?；?.1節(jié)研究結(jié)果,CNT的參數(shù)設(shè)定如下:長(zhǎng)度為10 μm,管壁直徑為2 nm,管壁厚度為0.182 nm,排布方式為十字交叉排布。具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。基于該模型,研究不同厚度PE/CNT復(fù)合材料質(zhì)子屏蔽性能。

圖9 PE/CNT復(fù)合材料屏蔽模型示意圖Fig.9 Diagram of shielding model of PE/CNT composite material

3.2.1PE/CNT復(fù)合材料的質(zhì)子屏蔽效能 CNT摻雜濃度選取為0%(未摻雜)、10%和20%。圖10所示為PE/CNT中CNT不同摻雜濃度時(shí)材料的電離劑量-質(zhì)量厚度曲線,由圖10可知,3種質(zhì)子防護(hù)材料的曲線下降趨勢(shì)幾乎一致,經(jīng)過(guò)局部放大后可明顯看出:在相同質(zhì)量厚度下,3種質(zhì)子防護(hù)材料屏蔽后在探測(cè)器中的電離劑量大小關(guān)系是PE/20%CNT

圖10 CNT不同摻雜濃度時(shí)質(zhì)子防護(hù)材料的電離劑量-質(zhì)量厚度曲線Fig.10 Ionization dose-mass thickness curve of proton shielding material with different doping concentrations of CNT

3.2.2PE/CNT復(fù)合材料屏蔽后的粒子通量分析 分別選取5 mm和10 mm厚度、摻雜10%CNT的復(fù)合材料進(jìn)行模擬仿真,研究經(jīng)過(guò)復(fù)合材料屏蔽后的粒子能譜。圖11所示為復(fù)合材料屏蔽前后的質(zhì)子能譜。由圖11可知,經(jīng)5 mm復(fù)合材料屏蔽后,能量低于10 MeV的質(zhì)子通量要比屏蔽前明顯降低2～4個(gè)數(shù)量級(jí),而經(jīng)10 mm復(fù)合材料屏蔽后,能量低于10 MeV的質(zhì)子通量較之5 mm復(fù)合材料降低1個(gè)數(shù)量級(jí)。5 mm厚度的復(fù)合材料已經(jīng)可以吸收屏蔽前全部低能質(zhì)子。圖11中屏蔽后存在的低能質(zhì)子,一部分是由高能質(zhì)子經(jīng)過(guò)復(fù)合材料損失能量之后轉(zhuǎn)化的低能質(zhì)子,另一部分是由于質(zhì)子與靶原子核發(fā)生碰撞后產(chǎn)生的次級(jí)質(zhì)子。而對(duì)于100 MeV以上的質(zhì)子,使用5 mm或10 mm厚度的復(fù)合材料進(jìn)行屏蔽,質(zhì)子通量的變化不明顯。比較屏蔽前后總質(zhì)子通量變化,屏蔽前總質(zhì)子通量為3.175×1014cm-2,5 mm和10 mm復(fù)合材料屏蔽后總質(zhì)子通量分別為9.288×1011、3.287×1011cm-2,總質(zhì)子通量在屏蔽后約下降了3個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖11 PE/CNT復(fù)合材料屏蔽前后質(zhì)子能譜Fig.11 Proton energy spectrum before and after PE/CNT composite material shielding

在綜合研究復(fù)合材料的屏蔽效能時(shí),需要考慮因屏蔽產(chǎn)生的次級(jí)粒子。表1列出了復(fù)合材料屏蔽后主要的3種次級(jí)粒子通量。由表1可知,次級(jí)粒子當(dāng)中通量最高的是γ光子,且10 mm厚度的復(fù)合材料屏蔽后產(chǎn)生的3種次級(jí)粒子通量均高于5 mm厚度材料產(chǎn)生的粒子通量。這是由于厚度增加導(dǎo)致質(zhì)子與復(fù)合材料之間發(fā)生反應(yīng)增多,從而產(chǎn)生了更多的次級(jí)粒子。圖12所示為復(fù)合材料屏蔽后次級(jí)γ射線能譜,由圖12可知,2種厚度復(fù)合材料屏蔽后產(chǎn)生的γ射線均在4 MeV和10 MeV這兩個(gè)能量點(diǎn)周?chē)休^高的通量比例。利用仿真追蹤產(chǎn)生γ射線的反應(yīng)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)均為入射質(zhì)子與復(fù)合屏蔽材料中的碳原子核發(fā)生了非彈性散射,且產(chǎn)生γ射線的同時(shí),會(huì)伴有反沖碳原子核和次級(jí)質(zhì)子的產(chǎn)生。當(dāng)入射質(zhì)子高速撞擊碳原子核,大概率會(huì)將部分或全部能量傳遞給碳原子核,在這個(gè)過(guò)程中碳原子核吸收質(zhì)子能量后進(jìn)入激發(fā)態(tài),激發(fā)態(tài)的原子核會(huì)立即嘗試將多余的能量釋放,恢復(fù)到基態(tài)或低激發(fā)態(tài),過(guò)程中會(huì)釋放一個(gè)能量比初始質(zhì)子低的次生質(zhì)子,同時(shí)以發(fā)出γ射線的形式對(duì)外釋放能量。由此推斷碳原子核的亞穩(wěn)定激發(fā)態(tài)能量比基態(tài)能量高4 MeV或者10 MeV。

表1 PE/CNT復(fù)合材料屏蔽后次級(jí)粒子通量Table 1 Flux of secondary particle after PE/CNT composite material shielding

圖12 PE/CNT復(fù)合材料屏蔽后次級(jí)γ射線能譜Fig.12 Secondary γ-ray energy spectrum after PE/CNT composite material shielding

4 結(jié)論

本文使用Geant4軟件針對(duì)空間軌道捕獲質(zhì)子環(huán)境下PE/CNT復(fù)合材料的屏蔽效能進(jìn)行仿真研究,主要結(jié)論如下。

1) 較大摻雜濃度或管壁直徑的CNT可有效增大質(zhì)子與屏蔽材料的相互作用碰撞概率,提高復(fù)合材料的屏蔽效能。同時(shí)比較了5種不同CNT摻雜濃度的復(fù)合材料屏蔽后的出射質(zhì)子個(gè)數(shù),摻雜濃度越大,出射的質(zhì)子個(gè)數(shù)越少,屏蔽效能越好;比較了分別摻入5種管壁直徑不同的CNT的復(fù)合材料屏蔽后的出射質(zhì)子個(gè)數(shù),管壁直徑越大,出射的質(zhì)子個(gè)數(shù)越少,屏蔽效能越好。

2) 排布方式為非規(guī)則排布(排布角度為30°和60°)的結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在較大空隙,會(huì)降低碰撞概率,削弱屏蔽效能。對(duì)于排布方式為規(guī)則排布(排布角度為0°和90°)的結(jié)構(gòu),CNT排列角度為90°的復(fù)合材料由于在入射面上投影面積更大,碰撞概率更高,所以具有更好的質(zhì)子屏蔽效能。

3) CNT管壁層數(shù)對(duì)復(fù)合材料的質(zhì)子屏蔽效能影響不明顯。構(gòu)建了多種管壁層數(shù)的CNT分別摻入聚乙烯中,在摻雜濃度一定的情況下,CNT的管壁層數(shù)對(duì)復(fù)合材料屏蔽質(zhì)子的影響沒(méi)有改變CNT管壁直徑或排布角度造成的影響大。

4) 分析了PE/CNT復(fù)合材料的綜合屏蔽性能,與聚乙烯相比,同一質(zhì)量厚度下復(fù)合材料的屏蔽效能要優(yōu)于聚乙烯,其屏蔽后在探測(cè)器中電離劑量最大降幅為7.40%(CNT濃度10%)和12.83%(CNT濃度20%)。