月球表面次級中子輻射環(huán)境仿真研究

蔡明輝，楊濤，韓瑞龍，許亮亮，夏 清，韓建偉，李興冀

（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)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

月球一直以來被視為人類飛出地球邁向深空領(lǐng)域的重要門戶，世界各大航天強國紛紛開展無人和有人月球探測。美國政府已經(jīng)啟動了重返月球計劃，聯(lián)合多個國家建造“月球軌道平臺—門廊”，作為著陸月球和通往深空的“跳板”；歐洲提出了“月球村”概念，計劃以國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”（Luna-25）、“月球26號”（Luna-26）、“月球27號”（Luna-27）、“月球28號”（Luna-28）都將月球南極作為探測的目標區(qū)域；我國也明確將月球無人科研站和載人探月任務(wù)提上日程[1-2]。

為了應(yīng)對月球探測的需求，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（galactic cosmic ray,GCR）、太陽質(zhì)子事件（solar proton event,SPE）以及高能粒子與月壤發(fā)生核反應(yīng)生成的次級輻射。在GCR 和SPE 方面，已發(fā)展了基于大量探測數(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]。由于次級中子輻射可以反演水冰含量，同時其具有高穿透性，可對航天員造成輻射傷害，所以在月球探測中得到高度關(guān)注[10]。國際上，在月球探測任務(wù)中攜帶中子探測器已經(jīng)成為常態(tài)。我國“嫦娥四號”著陸器上的月表中子與輻射劑量探測儀也在國際上首次獲得了月表中子環(huán)境探測結(jié)果。

本文將根據(jù)典型月壤成分和宇宙線輻射環(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”探測數(shù)據(jù)進行比對，以驗證仿真結(jié)果的有效性。研究結(jié)果可為我國后續(xù)月球探測任務(wù)中有效載荷和航天員的輻射防護設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 仿真建模

1.1 宇宙線輻射環(huán)境

宇宙線輻射環(huán)境主要包括GCR 和SPE。GCR是起源于太陽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)生太陽耀斑時發(fā)射出的高能帶電粒子流，伴隨太陽耀斑的爆發(fā)太陽宇宙線通量會出現(xiàn)急劇增長，瞬時增幅可達幾個數(shù)量級，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)子事件的強度和能譜都不完全相同。圖1 是利用CREME96模型計算的太陽活動低年銀河宇宙線典型成分能譜，圖2是歷史上典型太陽質(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)生的次級中子分布規(guī)律。

圖1 銀河宇宙線能譜Fig.1 Energy spectrum of galactic cosmic rays

圖2 太陽質(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。為簡化模擬，將月壤模型設(shè)置為一個高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。為真實模擬空間輻射粒子的各項同性的特點，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）開發(fā)的GEANT4（GEometry ANd Tracking）軟件進行仿真計算。GEANT4是基于C++面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā)的蒙特卡羅應(yīng)用軟件包，用于模擬粒子在物質(zhì)中輸運的物理過程。相較于MCNP等商業(yè)軟件，GEANT4的主要優(yōu)點是源代碼完全開放，用戶可以根據(jù)實際需要更改、擴充程序。由于具有良好的通用性和擴展能力，GEANT4在涉及微觀粒子與物質(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物理模型進行月表次級輻射環(huán)境模擬。

2 仿真結(jié)果

2.1 GCR 導(dǎo)致的次級中子能譜分布

在月球幾何模型的各個組成截面上，深度分別為0 cm、35 cm、100 cm 及700 cm 處設(shè)立探測半徑R=5 m 的中子探測器，探測中子能譜特征。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，進行仿真計算并歸一化，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，在大約1 m 處達到最大值。因此，在利用月壤建立有人長期月球基地時，必須有效防護次級中子的輻射。

2.2 SPE導(dǎo)致的次級中子能譜分布

在月壤深度0 cm、35 cm、100 cm、200 cm 及700 cm 處設(shè)置中子探測器，記錄SPE 導(dǎo)致的次級中子能譜特征。以1989年最惡劣一天的SPE 質(zhì)子能譜環(huán)境為輸入，GEANT4的跟蹤粒子數(shù)為109個，進行仿真計算并歸一化，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，同樣在大約1 m 達到最大值。

2.3 GCR 與SPE導(dǎo)致的次級中子能譜對比

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

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

2.4 計算結(jié)果的驗證

將本文工作與美國NASA 的G.W.McKinney等[11]利用MCNPX 對Apollo 17月壤樣品仿真的結(jié)果進行對比，如圖7所示。從圖中可見，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比Fig.7 Comparison of neutron spectrum distributions on lunar surface

同時，將本文結(jié)果與中國“嫦娥四號”著陸器上中子與輻射劑量探測儀的首次月面觀測數(shù)據(jù)進行對比[12]。首先采用GCR 活動低年能譜、3.5 mm 鋁的屏蔽貢獻進行計算，得到月表艙外和艙內(nèi)中子能譜如圖8所示。從圖中可見，由于高能宇宙線粒子與著陸器材料的核反應(yīng)產(chǎn)生了大量次級中子，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”探測結(jié)果進行對比，結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可見，“嫦娥四號”探測結(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”探測結(jié)果的對比Table 1 Comparison of simulation resultsof neutron doseand Chang’E-4 detection results

3 結(jié)束語

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中子能譜，并與美國NASA 仿真結(jié)果、中國“嫦娥四號”探測數(shù)據(jù)進行了比對。研究結(jié)果表明：GCR 導(dǎo)致的次級中子在月壤中可達數(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；在月表GCR 導(dǎo)致的次級中子強度遠小于SPE導(dǎo)致的中子強度，在深度數(shù)m 的月壤內(nèi)部GCR 導(dǎo)致的次級中子強度則大于SPE 導(dǎo)致的中子強度。本文的研究結(jié)果可為我國未來載人月球探測任務(wù)中航天員、月球基地的輻射防護設(shè)計提供參考。