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數(shù)TeV·n［2］，其中鐵離子豐度為0.02%，但對航天員的生物效應(yīng)貢獻可達到20%以上［3］。而目前載人深空探測任務(wù)的空間防護，一般采用被動防護的方式，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］。被動防護中高能重離子與艙體被動屏蔽材料發(fā)生復(fù)雜相互作用，會產(chǎn)生大量的次級粒子，如反沖質(zhì)子、次級中子和其它重核等粒子［5］。

為了減輕原初粒子和次級粒子對艙內(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屏蔽厚度變化規(guī)律。國內(nèi)外學(xué)者針對深空探測的被動屏蔽做了大量仿真計算研究，如NASA的Hzetrn［5］對鋁、液氫和水的屏蔽情況作了分析；Cucinotta等［6］對1972年太陽質(zhì)子事件的劑量當量進行了劑量分析；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)境譜的被動屏蔽的輻射規(guī)律，同時缺失對次級中子優(yōu)化屏蔽設(shè)計方法。

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、可擴展性和自由度大，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)、粒子探測器設(shè)計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中子隨屏蔽厚度變化規(guī)律，及屏蔽后不同輻射粒子對人體劑量當量的貢獻，并根據(jù)次級粒子成分及能譜分布優(yōu)化設(shè)計被動屏蔽材料組分。

2 物理模型及仿真建模

2.1 物理模型

對于重離子入射被動屏蔽材料產(chǎn)生次級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)生次級粒子的能量，Tcut為產(chǎn)生的次級粒子截止閾能，Tmax為轉(zhuǎn)移到次級粒子的最大能量。

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)來源于美國國家標準與技術(shù)局數(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器，收集經(jīng)過屏蔽體屏蔽后的各種原初粒子與次級粒子能譜。計算使用Geant4.9.6版本，原初入射粒子數(shù)為1×109個。

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

3 Geant4仿真計算結(jié)果及分析

3.1 單能鐵離子通過屏蔽材料后產(chǎn)生次級粒子分析

為詳細分析1000 MeV·n－1的鐵離子與被動屏蔽體（鋁或聚乙烯）相互作用后每一種次級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)計屏蔽體后產(chǎn)生的次級重核，得到各種核碎片種類及其對應(yīng)的粒子數(shù)，其中也統(tǒng)計各種同位素，并對統(tǒng)計粒子數(shù)進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)，被動屏蔽體材料厚度越厚，產(chǎn)生的次級粒子通量越高，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)生的次級粒子數(shù)目大于被阻止粒子的數(shù)目，則屏蔽后次級粒子數(shù)目會逐漸增加。

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，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。因為中子穿透能力高于其它帶電粒子，且由于隨著屏蔽體厚度的增加，中子與高Z次級重核發(fā)生級聯(lián)反應(yīng)，增加次級中子產(chǎn)額。而不同質(zhì)量厚度，同樣入射能量條件情況下，低能次級中子隨能量增加，其通量平緩上升；而高能次級中子隨能量增加，其通量趨于定值并快速下降。其他次級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人體劑量當量分析

由于GCR經(jīng)過不同屏蔽材料后產(chǎn)生的次級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，引入劑量當量，用以評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粒子對人體的劑量當量如圖5所示。

圖4 GCR與屏蔽材料作用后部分次級離子能譜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粒子對人體劑量當量貢獻值差距較大。 其中1H、2He、12C、16O、20Ne、24Mg、28Si、32S、40Ca、48Ti、52Cr、56Fe、59Ni及中子對人體的劑量當量為主要貢獻，即這些粒子對人體的輻射危害比較突出。隨著屏蔽厚度的增加，中子對人體的劑量當量隨著屏蔽厚度增加而增大，且屏蔽材料厚度越大，對人體的輻射危害越明顯，而帶電粒子對人體劑量當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粒子的對人體的劑量當量效果比鋁材料要突出。

3.4 屏蔽次級中子被動材料參硼比例設(shè)計分析

屏蔽材料在一定面密度厚度范圍內(nèi)，產(chǎn)生的次級中子的通量隨著屏蔽厚度增大而增高，導(dǎo)致對人體的傷害加大，為了有效地降低次級中子對人體傷害，必須減少次級中子產(chǎn)額。減少次級中子產(chǎn)額主要包括兩個過程：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3837b，且10B俘獲熱中子后不會產(chǎn)生較強的二次γ射線，因此，對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)過仿真計算獲得次級粒子的能譜，利用ICRP標準數(shù)據(jù)庫［13］獲得如圖6所示的人體腺體劑量當量結(jié)果。

圖5 GCR與屏蔽材料作用后不同離子對人體的劑量當量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，帶電粒子與次級中子產(chǎn)生對人體腺體的劑量當量隨硼比例增加而先下降后上升，當硼比例約15%時，輻射粒子對人體腺體劑量當量約下降11%，達到最低劑量當量；但隨著硼比例上升，屏蔽體厚度顯著減小，而劑量當量顯著上升。因為隨著10B含量的增加，屏蔽厚度下降比較快，其含氫量也在下降，對中子的慢化作用下降，導(dǎo)致對原初粒子和次級中子屏蔽效率下降，最終導(dǎo)致對人體腺體吸收劑量上升。

4 結(jié)論

本文利用Geant4仿真工具，對深空輻射粒子與被動屏蔽材料相互作用進行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種不同輻射粒子對人體的劑量當量貢獻差距較大，其中1H、2He、12C、16O、20Ne、24Mg、28Si、32S、40Ca、48Ti、52Cr、56Fe、59Ni及中子對人體的劑量當量為主要貢獻，即該粒子對人體輻射危害比較突出。

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