空間輻射環(huán)境工程的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

修湛博

摘 要 空間輻射環(huán)境是重要的環(huán)境因素之一，由其所誘導(dǎo)的單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)，會造成材料、設(shè)備損傷和性能惡化。與此同時空間輻射環(huán)境也可以用于其他空間活動，且活動會受到空間環(huán)境影響，這是影響其活動的最大的因素?？臻g環(huán)境可能會導(dǎo)致工程劣化和失敗。但是，如果能夠合理利用空間環(huán)境，在促進(jìn)人類社會發(fā)展方面會起到積極作用。在這個背景下，本文對空間輻射環(huán)境工程進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

關(guān)鍵詞 空間輻射環(huán)境 空間輻射環(huán)境效應(yīng) 地面模擬試驗(yàn)

中圖分類號：TL7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）11-0001-02

空間環(huán)境對工程活動的順利進(jìn)行至關(guān)重要，因?yàn)榭臻g環(huán)境可能會引起材料、裝置和結(jié)構(gòu)的損傷，從而導(dǎo)致性能降低或故障，而對于人類來說，獨(dú)特的空間資源是有益的。通過本文的研究分析，希望能為從事空間輻射環(huán)境工程的科學(xué)研究人員和技術(shù)人員提供參考。

1 空間輻射環(huán)境工程

空間環(huán)境是導(dǎo)致環(huán)境工程出現(xiàn)問題的主要因素之一?；趯χ袊缙诹鶄€衛(wèi)星故障原因的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)空間環(huán)境造成的故障可以占到全部故障的百分之四十五，空間輻射環(huán)境是空間環(huán)境引起故障的主要原因。美國的地球物理數(shù)據(jù)中心對二十世紀(jì)七十年代初期到二十世紀(jì)八十年代末期的靜止衛(wèi)星和準(zhǔn)靜止衛(wèi)星軌道上的異常進(jìn)行了計數(shù)，在空間環(huán)境引起的衛(wèi)星故障中，有將近百分之六七十的故障與問題均是由空間輻射環(huán)境引起的。由此可見，需要科學(xué)技術(shù)人員加強(qiáng)學(xué)習(xí)，同時加強(qiáng)自身專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)，以便可以更好地研究空間輻射環(huán)境和效應(yīng)，使得其可以得到進(jìn)一步的發(fā)展。環(huán)境工程各個方面和設(shè)備篩選的各個步驟，都可以看到空間輻射環(huán)境工程的身影，因此需要對故障問題進(jìn)行精準(zhǔn)研究分析、空間預(yù)測和預(yù)警，提高工程的可靠性和使用年限。[1]

空間輻射環(huán)境工程是一種在空間探測和空間應(yīng)用過程中，將空間輻射環(huán)境影響應(yīng)用于環(huán)境工程的技術(shù)，同時進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評估、預(yù)測、保護(hù)和利用，是空間輻射環(huán)境科學(xué)和工程的組合產(chǎn)品。它具有多種學(xué)術(shù)領(lǐng)域的滲透，存在于工程開發(fā)的全過程，是環(huán)境工程不可或缺的重要部分。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 空間輻射環(huán)境及模型

現(xiàn)在廣泛使用的地球輻射區(qū)模型是AE8和APA8模型。然而，AE8和AP8模型的最新檢測數(shù)據(jù)的年份已經(jīng)超過三四十年，并且這個模型的低能量區(qū)域并沒有被加入進(jìn)來，加之其他因素的影響使得本身不完善的模型更加搖搖欲墜，在它的使用過程中有一些不可控制的地方，因此新一代的空間輻射環(huán)境模型正在被一些具有先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的環(huán)境工程機(jī)構(gòu)研發(fā)?，F(xiàn)在，它們可以應(yīng)用于科學(xué)研究，但目前不用于工程設(shè)計。這個模型在以下兩個方面得到改善：擴(kuò)展覆蓋和空間覆蓋的范圍，同時給出了因儀器的不確定性和空間天氣變化引起的模型的不確定度。

關(guān)于深空間輻射環(huán)境和模型，目前研究了月球、火星、木星和土星的輻射環(huán)境，建立了相關(guān)模型。眾所周知木星和土星本身具有輻射帶，并且還是屬于它們自己的，其根本原因是因?yàn)檫@兩個行星自身磁場特別強(qiáng)，所以有自己的輻射帶。其中木星的輻射環(huán)境最為強(qiáng)烈，得到的空間探測數(shù)據(jù)最多。

目前，已經(jīng)建立了一系列的空間輻射環(huán)境模型，并應(yīng)用于科學(xué)研究和模型開發(fā)任務(wù)，但是在對環(huán)境工程的眾多影響中，并沒有考慮各項異性的影響。究其根本是因?yàn)槟Ｐ褪情L期的靜態(tài)環(huán)境模型，因此模型的不確定性比較大。

2.2 空間輻射環(huán)境效應(yīng)及機(jī)理

眾所周知，空間輻射環(huán)境有利自然有弊，它會給材料和裝置帶來嚴(yán)重的輻射損傷。輻射損傷效應(yīng)能夠根據(jù)不同的條件進(jìn)行不同的分類，它可以根據(jù)影響時間劃分成兩種：瞬態(tài)與長期。長期效應(yīng)意味著材料或裝置的性能長期變化或降級，瞬態(tài)效應(yīng)指的是可以在短時間內(nèi)恢復(fù)材料和裝置的性能變化或降級。[2]

電離損傷的瞬態(tài)影響主要是由于光電流終端瞬態(tài)電壓變化、電荷激活、電荷轉(zhuǎn)移等電離損傷引起，這是因?yàn)殚L期效應(yīng)所造成的。世界各國完全認(rèn)識到宇宙輻射損傷對環(huán)境工程安全性的影響，并進(jìn)行了很多研究，但還存在以下缺點(diǎn)：一方面已經(jīng)進(jìn)行了許多關(guān)于空間輻射效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，但是關(guān)于宇宙輻射損傷機(jī)制的研究相對較少;另一方面由于空間輻射效應(yīng)的數(shù)據(jù)不足，空間輻射效應(yīng)的一些關(guān)鍵材料需要仔細(xì)評估;最后需要研究各種輻射環(huán)境因素、輻射環(huán)境和其他環(huán)境因素的協(xié)同效應(yīng)。

3 發(fā)展趨勢

3.1 空間輻射環(huán)境及模型

1.開發(fā)動態(tài)輻射環(huán)境模型。有必要開發(fā)動態(tài)環(huán)境模型，因?yàn)槠淇梢苑从程柣顒?、地磁干擾、長期地磁漂移。

2.各項異性空間輻射環(huán)境模型。該環(huán)境模型有發(fā)展的必要性，因?yàn)楦黜椡阅Ｐ驮趯?shí)際使用過程中有著一定的弊端，不能真正展現(xiàn)其內(nèi)部環(huán)境的輻射效應(yīng)。

3.更準(zhǔn)確的空間輻射環(huán)境模型?？臻g模型的開發(fā)在世界各個國家間大不相同，因此有必要開發(fā)更準(zhǔn)確的空間輻射環(huán)境模型來提高模型的可靠性。

3.2 空間輻射效應(yīng)及機(jī)理研究

該部分一方面研究了不同的空間輻射環(huán)境元素及地上模擬源的相似和不同之處，將空間輻射環(huán)境效應(yīng)的測試方法也做了一定修改，使得測試方法變得更加科學(xué)有效。另一方面工程環(huán)境不是單一的環(huán)境，它是由許多因素共同構(gòu)成的一個環(huán)境。為了正確評估環(huán)境工程中敏感材料和裝置的空間輻射效應(yīng)，應(yīng)該注意相關(guān)的因素對環(huán)境工程產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)。

3.3 空間輻射環(huán)境及效應(yīng)試驗(yàn)評價標(biāo)準(zhǔn)

首先，制定一些修改環(huán)境工程輻射環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)制度跟規(guī)范設(shè)施。根據(jù)現(xiàn)有的環(huán)境工程輻射環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)制度跟規(guī)范設(shè)施，準(zhǔn)備更完整、更準(zhǔn)確的環(huán)境工程輻射環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)制度和規(guī)范設(shè)施，讓我們可以更好的進(jìn)行科學(xué)研究和工程應(yīng)用。[3]

其次，是完善環(huán)境工程輻射環(huán)境的一些標(biāo)準(zhǔn)制度跟規(guī)范設(shè)施。使用6co代替高能粒子來進(jìn)行測試，并對高能帶電粒子總劑量的測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一完善。

最后，確定質(zhì)子單粒子效應(yīng)和脈沖激光單粒子效應(yīng)地面模擬測試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范;確立光電器件位移損傷效應(yīng)的一般標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。空間材料的紫外線效應(yīng)，特別是在大于10nm小于110nm的范圍內(nèi)，需要建立紫外線效應(yīng)的通用標(biāo)準(zhǔn)，然后為了得到更好的保障，還要進(jìn)一步研討設(shè)定的辦法及經(jīng)驗(yàn)。

3.4 環(huán)境工程輻射及效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法

從材料性能降解評估的角度，研究了能量譜等效法及金屬膜散射法的測試方法和有效性;研究在大于10nm卻小于110nm范圍內(nèi)的紫外輻射效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，以及溫度和加速度因子等實(shí)驗(yàn)參數(shù)的研究;在環(huán)境工程檢測中，輻射也可以起到一定作用，環(huán)境工程輻射及效應(yīng)地面模擬主要是對一些電子元素進(jìn)行了分析，增強(qiáng)了質(zhì)子和脈沖激光器的單粒子效應(yīng)及其等效性的實(shí)驗(yàn)方法;對環(huán)境工程中多電子環(huán)境的協(xié)同效應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析研究。

3.5 空間輻射環(huán)境及效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)設(shè)備

1.包括所有環(huán)境和效果因素。為了研究空間多因子環(huán)境的協(xié)同效應(yīng)，將電子、質(zhì)子等整合到多個復(fù)合實(shí)驗(yàn)室，得出設(shè)計性能指數(shù)可靠合理。它不僅滿足了環(huán)境工程的材料和設(shè)備的性能降級評估，還可以避免由于不必要的高指標(biāo)而引起的經(jīng)濟(jì)廢物。

2.監(jiān)視手段完整且布局妥當(dāng)。由于地面模擬空間環(huán)境中面積均勻性是一個很大的問題，需要將監(jiān)視裝置和監(jiān)視器合理地配置，監(jiān)控手段要盡可能多，如使用四極質(zhì)量分析儀、真空計、溫度調(diào)節(jié)器、紫外線照度計等。必須充分考慮原位試驗(yàn)的必要性，如果沒有采用原位試驗(yàn)，其回復(fù)效果會有一定的問題?？臻g輻射影響測試技術(shù)主要在以下方向上發(fā)展：首先空間環(huán)境和效果飛行試驗(yàn)平臺是向公共、綜合、多功能等方面進(jìn)行開發(fā)的。飛行試驗(yàn)裝置可以配置在任意衛(wèi)星平臺上，該裝置壽命長、可靠性高，可同時檢測或監(jiān)視各種輻射效應(yīng);其次可以實(shí)現(xiàn)空間環(huán)境檢測和環(huán)境效果檢測。[4]

3.6 空間輻射環(huán)境及效應(yīng)數(shù)值模擬

未來的模型能夠精準(zhǔn)分析輻射效應(yīng)，與此同時還可以控制各種常見的空間環(huán)境和環(huán)境模型。在該數(shù)值平臺中，不僅可以確保所有的要素都是在空間輻射環(huán)境中進(jìn)行的，還可以確保輻射效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。

在未來的空間輻射環(huán)境和效應(yīng)的數(shù)值模擬平臺上，環(huán)境參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)可以很容易被編輯，同時也可以實(shí)時顯示數(shù)字模擬結(jié)果。

3.7 抗輻射加固技術(shù)

抗輻射加固被納入空間開發(fā)的整個過程中。應(yīng)該從材料設(shè)計、準(zhǔn)備、選擇、驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局、軌道故障分析和處理的角度充分考慮輻射增強(qiáng)的重要性以及新材料和裝置抗輻射的強(qiáng)化。高性能和高集成的新電子元件和材料通常具有高輻射敏感性，并且容易引起單個粒子效應(yīng)，所以有必要加強(qiáng)抗輻射。[5]

與單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)相比，在諸多效能里面，近年來位移損傷逐漸在眾多效能里面贏得一席之地。因此在研究的過程中，我們應(yīng)該將目光逐漸放到對該效應(yīng)的抗輻射和對人工抗輻射技術(shù)的研究上，加強(qiáng)抗輻射效果驗(yàn)證和定量評估技術(shù)研究。其可以測試和驗(yàn)證某些材料或設(shè)備，但不能進(jìn)行某些過于詳細(xì)的測試和評估，因此有必要進(jìn)一步研究效果驗(yàn)證和定量評價的方法。

4 結(jié)語

環(huán)境工程輻射是一門跨學(xué)科、系統(tǒng)的工程科學(xué)。在經(jīng)過多年的發(fā)展之后，獲得了令人滿意的結(jié)果，在模型的開發(fā)中起著重要的作用，但是隨著新材料、新設(shè)備以及空間探索的開發(fā)，仍需要繼續(xù)努力發(fā)展空間輻射環(huán)境工程。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙雪，蔡震波.空間環(huán)境與衛(wèi)星在軌異常分析[C].烏魯木齊：中國空間科學(xué)學(xué)會空間探測專業(yè)委員會第十七次學(xué)術(shù)會議論文集，2004-09-01：43-49.

[2] 王宇鯤. 空間輻射環(huán)境工程的發(fā)展[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2017，32（274）：101.

[3] 賴祖武.我國抗輻射電子學(xué)發(fā)展的回顧與展望[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，1990（05）：295.

[4] 敬國彪.輻射防護(hù)與環(huán)境工程研究[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（文摘版）工程技術(shù)，2017（04）：200.

[5] 周淑娟.環(huán)境工程中的高壓輸變電工程電磁輻射風(fēng)險及其策略[J].魅力中國，2015（51）：308.