淺談空間輻射對子注射技術的影響

淺談空間輻射對子注射技術的影響

自20世紀60年代以來，航天技術得到了發(fā)展，航天工業(yè)也在不同國家之間進行。中國也是繼美國和俄羅斯之后的另一個航天大國。由國際國內(nèi)航天事業(yè)發(fā)展狀況可以看出,其趨勢是由短期航天飛行向長時間的載人航天發(fā)展,由近地軌道向深空探測發(fā)展,由近地空間站向星球基地發(fā)展。飛行時間的延長、航天員的參與、向深部空間的推進等特征向航天技術提出了新的挑戰(zhàn),出現(xiàn)了如航天器能源與動力、器件及航天器本身的可靠性、航天員的健康等許多問題。其中,航天員的健康保障問題尤為重要。身處在航天環(huán)境中的航天員健康不僅受到微重力、超重、震動等因素的影響,而且宇宙環(huán)境中的各種粒子還會對其造成健康損傷,甚至生命受到威脅?？臻g環(huán)境中由各種粒子形成了空間輻射環(huán)境,主要由空間帶電粒子、空間中性粒子以及空間X射線、空間γ射線等多種輻射粒子組成。這些輻射隨緯度、經(jīng)度、高度、方向和時間等因素的變化而變化,而且受太陽活動的影響。在低地球軌道(LEO,low-earthorbit),按照其粒子來源而言,輻射主要分為3類:1)地球磁場捕獲的高能電子和質(zhì)子,它形成地球輻射帶(ERBs,theearth’sradiationbelts);2)太陽粒子事件(SPEs,solarparticleevents),是在強太陽耀斑期間發(fā)射的高通量帶電粒子;3)銀河宇宙射線(GCRs,galacticcosmicrays),主要是來自太陽系外的帶電粒子。在深空條件下,后兩者占主導。這些帶電粒子對人體造成的損傷有多種層次,宏觀層次如引發(fā)癌癥,微觀層次如細胞凋亡、DNA斷裂等,一般用相對輻射生物效應(RelativeBiologicalEffect,RBE)來表征射線引起生物損傷的能力。RBE與射線的種類相關,中子的RBE較大,引起的生物效應是很高的,但是由于中子不帶電,測量困難及中子的損傷機理復雜等原因,宇宙射線中的中子沒有受到足夠的關注。對于空間帶電粒子測量研究我國已經(jīng)有了較多的技術和經(jīng)驗,而對空間中子的研究和測量很少。隨著我國空間事業(yè)發(fā)展,保障航天器安全和航天員的健康,以及進一步的深空探測計劃提供技術,迫切需要對空間中子環(huán)境和探測進行全面而深入的研究。文中借助本課題組在這方面的研究基礎,對空間中子的分布和來源、中子輻射劑量測量、中子對航天器危害和航天員的損傷,以及中子的探測作了簡要的介紹。1空間中的中等空間輻射環(huán)境中的輻射粒子主要包括中子、電子、質(zhì)子、重離子等多種粒子。早在20世紀30年代后期就開始了對空間中子的測量,但是真正取得有意義的結果還是在60年代以后。國際空間站和航天飛機上探測的中子數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在太陽活動高時,低地球軌道大約50%的電離輻射來自銀河宇宙線,35%來自地球輻射帶的捕獲粒子,大約15%來自中子?？臻g中的中子能量范圍從零點幾個eV到幾百MeV,空間中子廣泛地存在于空間中的各個角落,航天飛機和空間站的低地球軌道、衛(wèi)星運行的高軌道、月球和火星等行星的表面都存在中子輻射場?？臻g中子可以分為兩大類:1)空間初級中子,包括太陽發(fā)射的中子,日地系統(tǒng)以外的其他中子源及宇宙線在大氣中產(chǎn)生的中子,由于中子的半衰期為10.80min,太陽系以外的任何天體發(fā)出的中子很難到達地球附近,能量很高的中子也難在一個天文單位的距離內(nèi)探測到,因此,大氣中產(chǎn)生的中子具有重要的貢獻;2)高能粒子和航天器材料發(fā)生相互作用產(chǎn)生的次級中子。第1類空間中子與空間環(huán)境有很強的關聯(lián),第2類空間中子與航天器有很大關系。1.1軌道上多球能譜分布的研究大氣中子主要是銀河宇宙射線、太陽宇宙射線同地球外圍濃密的大氣層相互作用時產(chǎn)生的。核反應過程中的級聯(lián)作用和蒸發(fā)作用是產(chǎn)生中子的主要過程;其次是負μ子被俘獲產(chǎn)生的中子以及高能γ量子引起的原子核光分裂反應產(chǎn)生的中子。含有質(zhì)子、電子、重離子等粒子的初級宇宙射線與大氣中的氮、氧原子彈性和非彈性散射,發(fā)生級聯(lián)的核反應并產(chǎn)生許多次級粒子,其中有很大一部分是中子,此外有質(zhì)子、π介子、μ介子、電子和光子。另一部分中子從大氣層向外逃逸,稱為反照中子,包括宇宙射線中其它粒子與地表介質(zhì)的核作用產(chǎn)生的中子,天然放射性產(chǎn)生的中子和某些重核自發(fā)裂變產(chǎn)生的中子,其衰變被認為是內(nèi)輻射帶高能質(zhì)子(能量大于20MeV)的一個主要源。輻射劑量反映了輻射粒子在材料中能量沉積的行為,輻射劑量和輻射引起的損傷程度相關。不同種類的輻射具有的輻射危險度不同,將各種不同的輻射,按照其輻射危險程度,給予不同的權重,就能得到輻射劑量當量。在臨近空間,中子和電子(γ射線)劑量當量占總劑量的80%~90%,宇宙射線各種粒子所占的劑量當量比如圖1所示。從圖1看,劑量當量在較高海拔時主要來自于中子和電子(γ射線)的貢獻,在靠近海平面時則主要是μ子的貢獻,份額近80%。中子通量的最大值在18.3km處,海平面處的通量是最大值的1/(200~300)。并且中子劑量隨飛行高度的增加的變化類似于單指數(shù)曲線關系。根據(jù)表1給出了在航線高度上不同地理位置的多球中子譜儀測量結果,可以看出中子有效劑量率與海拔高度和截止剛度相關。雖然中子不帶電,其分布不直接受地磁場的影響,但是大量的中子是由宇宙射線和大氣作用產(chǎn)生的次級粒子,宇宙射線中的質(zhì)子、電子等帶電粒子卻受地磁場分布的影響。因此,宇宙中子的空間分布會間接受到地磁場影響。不同的地理緯度,有著不同的地磁緯度,體現(xiàn)著不同的截止剛度,導致不同的中子注量率。普遍表現(xiàn)為隨地理緯度增加,地磁緯度增加,截止剛度減少,中子注量率增大。此外,由于宇宙線強度還隨大氣深度而變化,在不同大氣深度的中子通量是不同的,大約在大氣深度為50~80g/cm2左右達到最大值。從表1可以看出,在航線高度范圍內(nèi),海拔高度越高,截止剛度越小,劑量率越高。同時,在航線高度范圍內(nèi),當大氣深度相同時,截止剛度越大,中子注量率越低;當截止剛度相同時,大氣深度越大,中子注量率越低。大氣中子的能量范圍分布很廣,從熱中子到幾個GeV,并且由于中子不帶電,能夠在大氣中傳輸較遠距離。表1中的4種大氣深度分別為56、100、200和1030g/cm2的多球譜儀測得中子能譜如圖2所示。從圖2可以看出各能譜基本特征相同,且在高能區(qū)有兩個峰值,但是大氣深度為1030g/cm2的中子能譜即地面測量的中子能譜除了高能區(qū)有兩個峰值,在低能區(qū)還有一個峰值。對于大氣中子的角分布,已做過許多測量和理論計算。早期White等人指出,在低能時,中子通量在0°和180°有峰值,在中等能量時變平,在高能時中子通量接近90°有峰值,后來發(fā)現(xiàn),理論和實驗結果是相當一致的。大氣中子的輸運并不均勻,利用MonteCarlo方法,計算跟蹤100萬個中子通過大氣傳輸?shù)讲煌叨溶壍赖念~中子注量、能譜,其中的源是瞬發(fā)、各向同性的點源。計算出源高度為500km的裂變中子譜數(shù)據(jù)見表2。從表2列出的500km裂變源中子譜數(shù)據(jù)可以看出,對同一源高度,在傳輸距離基本相同的情況下,向下傳輸?shù)牡湍苤凶臃蓊~要比向上傳輸?shù)牡湍苤凶臃蓊~高出2倍多,而向下傳輸?shù)母吣苤凶臃蓊~要比向上傳輸?shù)母吣苤凶臃蓊~有所減少,這是因為向下方傳輸時,大氣中的核子數(shù)量要多一些,因此發(fā)生中子散射的機會也就多。1.2衛(wèi)星觀測實例太陽活動時產(chǎn)生高能粒子流,包括太陽質(zhì)子和電子,還有少量的中子。其中太陽中子是直接由加速質(zhì)子和重離子與周圍大氣相互作用產(chǎn)生的(包括p-p反應、α-α反應、質(zhì)子、α粒子與周圍重核相互作用以及它們的逆反應等)。太陽中子是與耀斑活動相關的,這些中子可被地面宇宙線探測裝置探測到,表現(xiàn)為計數(shù)瞬時突增。同時,這些太陽中子攜帶著爆發(fā)源區(qū)的物理信息:耀斑大氣地元素組成、大氣高度、磁場的匯聚程度以及磁流體湍動等。1980年6月21日太陽耀斑爆發(fā)時,S.M.M衛(wèi)星正好處在非常適于觀測太陽的位置上,當太陽發(fā)生短時間的γ射線和X射線爆發(fā)后大約1min,S.M.M衛(wèi)星上的中子探測器記錄到了這次明顯的中子爆發(fā)過程,直到衛(wèi)星沿軌道轉到了地球背面才無法探測到中子。最先到達的中子能量最高,而較低能的中子滯后到達,中子強度隨時間的延長而減弱。此外,衛(wèi)星還記錄了1982年6月3日的某次太陽中子爆發(fā),其中子強度見表3。目前,對太陽中子的研究主要有理論模型和實驗觀測2種方法。模型法是通過MonteCarlo模擬建立模型,計算逃逸中子的角分布和能譜,以及逃逸到地球附近的中子的能譜。在對中子產(chǎn)生、逃逸以及最終傳輸?shù)降厍虮砻娴难芯孔畛跤蒐ingenfelter等人提出。在此基礎上經(jīng)過多年的發(fā)展,Hua等人利用新的中子產(chǎn)生截面以及動能值,考慮磁場的螺旋角散射作用和磁鏡效應,具體對各相異性中子的產(chǎn)生與大氣高度、時間、角度和能量因素之間的關系,日面逃逸中子的分布和能譜,以及逃逸到地球的中子能譜分別進行了計算研究。觀測法結合空間與地面探測到的數(shù)據(jù),由γ射線退激發(fā)核譜線與中子探測器探測到的中子信號時間差,也就是飛行時間法,能獲得太陽中子的能量。根據(jù)太陽中子在地球大氣層中的衰變模型,得出到達地球的太陽中子通量和能譜。雖然計算模擬得到的數(shù)據(jù)基本能和觀測數(shù)據(jù)自洽,但其中模型和測量還需要進一步改進,如粒子探測技術區(qū)分π介子、光子和中子在閃爍體中產(chǎn)生的電子和正電子。太陽中子由于通量很小,需要高靈敏度、大面積的探測器.還必須排除大氣中子(反照中子)和γ射線背景的影響,而許多對中子靈敏的探測器也對γ射線靈敏。1.3發(fā)射活動發(fā)生的子研究航天器內(nèi)部的中子主要來源于空間中的帶電粒子與航天器材料發(fā)生核反應而產(chǎn)生。航天器內(nèi)部的中子通量主要是銀河宇宙線產(chǎn)生的次級中子,其次才是反照中子,而地球輻射帶產(chǎn)生的次級中子對其貢獻是極小的。在國際空間站中,中子等效劑量占宇航員總劑量的30%~60%,其中除少量來源于地球大氣層的反照中子外,大部分都是由于宇宙中的GCR或者SPE與航天器材料發(fā)生核反應產(chǎn)生的。由于GCR和SPE能量涵蓋范圍大、粒子種類多,這些粒子與靶材發(fā)生核反應后產(chǎn)生的次級中子的能量范圍將從熱中子能量延伸到GeV,對劑量貢獻較大的有多個來源:能量較低的蒸發(fā)中子,核反應直接過程產(chǎn)生的中子,高能GCR與靶材發(fā)生碎裂反應產(chǎn)生的中子,緩發(fā)中子。如表4所示不同飛行參數(shù)的航天活動,中子產(chǎn)生的劑量率及其與平均吸收劑量率的比值。從表中可以看出,中子劑量對平均劑量的貢獻在5.7%~18.4%之間,這與航天任務發(fā)生的高度、緯度、測量時間等有關。2中藥的危害2.1單粒子效應概述深空輻射環(huán)境中充滿了高能電子、質(zhì)子和少量的重離子。這些高能粒子和重離子與航天器材料作用,將引起航天器材料的性能損傷與破壞,以及電子器件的失靈。高能電子對航天器材料產(chǎn)生電離作用;高能質(zhì)子和重離子對航天器材料產(chǎn)生電離作用和位移作用。在臨近空間中子對總劑量的貢獻明顯增加,中子對飛行器和衛(wèi)星材料性能的損傷效應不容忽視。需要指出的是,航天器艙內(nèi)的輻射環(huán)境要比艙外環(huán)境復雜得多,除了有貫穿航天器艙壁未曾與航天器材料發(fā)生核作用的初級輻射粒子外,還有初級輻射粒子與艙壁材料發(fā)生核反應而到達艙內(nèi)的次級粒子輻射,如反沖質(zhì)子、次級中子和軔致輻射等。應用于衛(wèi)星或飛行器的電子學系統(tǒng),在天然空間輻射環(huán)境中因受空間輻射而導致性能降低而失靈,甚至最終導致衛(wèi)星或空間飛行器的災難性的后果?，F(xiàn)在飛行器電子系統(tǒng)要依賴大量的微處理器、存儲器等。隨著器件加工工藝的不斷改進,器件單元尺寸越來越小,工作電壓越來越低,使得電子元器件應對單粒子效應的能力不斷下降。質(zhì)子和中子與物質(zhì)相互作用的機理不同,但是它們在大規(guī)模集成電路中引起單粒子效應的物理過程卻是相近的。質(zhì)子雖然能夠直接在物質(zhì)中引起電離,產(chǎn)生電子空穴對,但由于其LET值較小而直接導致單粒子效應不很大,當它與核發(fā)生相互作用產(chǎn)生α粒子、反沖核等較重的帶電粒子時,引起單粒子效應就會增大;中子是靠與核相互作用所產(chǎn)生的較重帶電粒子引起單粒子效應的,中子單粒子效應可與質(zhì)子單粒子效應很近似?？臻g中子誘發(fā)飛行器電子設備多種輻射效應,包括單粒子效應、位移損傷和總劑量效應。表5具體給出了單粒子效應的各種類型。單粒子翻轉最為常見,功率場效應管的單粒子燒毀和CMOS器件的單粒子鎖定雖然發(fā)生幾率較小,但后果嚴重,不容忽視。2.2深空探測的基礎環(huán)境和人類活動的關系中子會造成器件材料的晶格缺陷等損傷,對航天員的身體造成損害,而且中子對人體的傷害遠大于其對材料的損傷。中子具有很強的穿透力,對人體造成的危害相比同等劑量的γ射線和帶電粒子更為嚴重。人體含有氫元素數(shù)目約占65%,由于氫元素的質(zhì)量和中子相當,因此更容易與中子相互作用,造成人體內(nèi)部組織或者細胞病變,給航天員帶來很大的健康威脅,甚至于生命威脅。由于地球磁場的保護,使人類在地面和近地活動中受到相對比較小的宇宙射線照射,但是對人類活動和器件仍有損害,特別是在高空。進行深空探測時,雖然空間輻射因地磁場和防護材料的作用有所削弱,但航天員仍將受到來自初級和次級粒子相當大的輻射。同時隨屏蔽厚度的增加,次級中子增加,次級中子劑量帶來的危害增大。中子將誘導DNA損傷及修復、基因組不穩(wěn)定性、染色體畸變、細胞周期阻滯、細胞凋亡和相對生物效應。人體在受到中子輻射后,人體關鍵器官會遭到嚴重損傷、誘導腫瘤、也可導致死亡,中子所致眼晶體混濁的相對生物效應為γ射線的2~14倍。3在研究環(huán)境和測量環(huán)境方面的作用中子探測是空間環(huán)境監(jiān)測的內(nèi)容之一,中子探測為研究空間輻射對人體的生物效應提供了重要參量。此外,中子探測還能在執(zhí)行行星找水任務、尋找地球以外的生命現(xiàn)象、行星表面混合輻射環(huán)境測量等方面發(fā)揮重要作用。中子不帶電,不能直接被探測,探測中子借助于中子與原子核發(fā)生的相互作用?；诖嗽?探測中子方法主要有以下4類。1帶電粒子反沖核的探測中子與原子碰撞時,將部分動能傳遞給反沖核。反沖核可以作為帶電粒子被記錄,需要能量大于100keV才能被探測到,適用于探測快中子。為了使反沖核有較大的能量,常用選氫反沖核。這類探測器主要有含氫正比管,有機閃爍體和核乳膠等。2電粒子或射線探測中子與原子核發(fā)生核反應后,放出能量較高的帶電粒子(如α、p)或γ射線,通過記錄這些帶電粒子或γ射線,達到對中子的探測。常用的核素有3He,6Li,10B,155Gd和等。3冷暴裂變研究中子與裂變物質(zhì)作用使重核發(fā)生裂變,可以通過記錄裂變產(chǎn)物來探測中子。裂變分為無閾裂變和有閾裂變兩種,分別用于探測熱中子和快中子。通常選用233U,235U,239Pu裂變材料來探測熱中子,通常選用232Th,238U和237Np裂變材料來探測快中子。4新型能譜測量系統(tǒng)部分穩(wěn)定的核被中子輻照后具有放射性,衰變時放出β、γ射線,因此就可以通過測定β、γ射線來達到探測中子的目的。常用的中子探測器有氣體探測器、閃爍探測器、半導體望遠鏡、裂變室、核乳膠和固體徑跡探測器、活化片等。這些探測器各有優(yōu)勢,適合的測量領域也有所不同。如固體徑跡探測器操作方便,對β、γ射線不靈敏,空間分辨率高,但是其測量精度不高,而且測量徑跡密度比較費事,不能顯示注量率隨時間的變化,僅僅進行累積過程測量。這些探測器不斷地完善和改進,出現(xiàn)了一些新型探測器,用于測量單粒子時間(如金剛石快中子探測器等)和積分事件探測(核泵浦激光中子探測器等)。常見的能譜測量系統(tǒng)有多球中子譜儀、閾探測器和氣泡中子譜儀。它們都是由幾個具有不同能量響應函數(shù)的探測器構成的。多球中子譜儀的探頭的慢化體設計為球形聚乙烯材料。球中心置