不同屏蔽材料對空間100 MeV質(zhì)子防護效果分析

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準與技術(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、電子對效應、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、中子核反應、質(zhì)子核反應、重核反應等多種核反應過程。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，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。