蔡明辉， 杨 涛， 许亮亮， 夏 清， 韩建伟

（1.中国科学院国家空间科学中心， 北京 100190； 2.中国科学院大学天文与空间科学学院， 北京 100049）

1 引言

宇宙线高能粒子对航天员的辐射剂量危害是载人深空飞行亟待解决的一个重要问题。 由于缺少磁场和大气的屏蔽，航天员在月球及深空飞行中遭遇的日均辐射剂量远远高于近地空间站轨道。 NASA 好奇号辐射评估探测器在2012 ～2013年的探测结果表明， 平均辐射剂量约为1.84 mSv／d，而且95%的辐射剂量来源于银河宇宙线（Galactic Cosmic Ray，GCR）；中国嫦娥四号搭载的月球中子和剂量探测器最新探测结果表明，月面平均辐射剂量大约为1.37 mSv／d，其中77%来自于GCR，23%来自月表次级中子辐射；国际空间站上的剂量探测结果为0.73 mSv／d，其中72%来自于GCR，28%来自南大西洋异常区高能质子。 以上是没有发生太阳质子事件（Solar Particle Event，SPE）下的辐射剂量，如果遭遇类似1972 年8 月的强太阳质子事件，辐射剂量可在短时间内达到1000 mSv。 美国辐射防护与测量委员会规定，考虑到重离子辐射剂量的不确定性及空间辐射在导致癌症、中枢神经损伤、心血管疾病方面的不确定性，NASA 建议置信度95%下辐射致癌风险小于3%的剂量限制是150 mSv。 对于30 天左右的短期载人月球探测任务，航天员辐射防护的主要目标是偶发的SPE，尤其当航天员在舱外活动时如何利用航天服有限质量资源来保障航天员辐射安全至关重要。

目前，材料被动屏蔽是航天员应对空间辐射最行之有效的防护措施。 NASA 系统研究了现有各种元素材料对宇宙线高能粒子的防护效果，研究结果表明，原子序数越低，防护效果越好。 1936年，NASA 首次提出将载人航天必需的液氢和水作为防护材料的思路。 1998 年，美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Labora⁃tory，LBNL）利用地面加速器产生的高能粒子对Al、石墨、水、聚乙烯等材料开展了一系列实验研究；截止到2005 年，LBNL 已经试验获得了液氢、水、聚乙烯、碳、Al、Cu、Sn、Pb 等大量材料对1 GeV／nFe 离子的屏蔽效果；2006 年，NASA 把聚乙烯当作实验室的一种标准材料用以评价材料屏蔽GCR 效能的优劣。 NASA 马歇尔飞行中心（Marshall Space Flight Center ，MSFC）的研究结果表明，随着屏蔽厚度的增大，初级宇宙线核反应生成的次级中子、伽马射线辐射剂量贡献逐渐变大，在等效铝屏蔽厚度10 cm 下，GCR 产生的次级粒子辐射剂量贡献可占50%。 因此，可在富氢材料的基础上进一步配置不同原子序数的材料，以更好防护次级中子、γ 射线的辐射。 例如，可在富氢材料中添加中子捕获吸收截面大的B、Li 等核素降低中子辐射剂量，可添加Pb、W 来降低γ射线剂量。 1994 年，Myung 等美国弗吉尼亚大学就在新型聚合物屏蔽材料中掺杂硼和锂元素以减弱中子剂量；2004 年，Abdo 等用聚乙烯和PbO 组成复合材料将γ 射线辐射剂量降低一个数量级；2005 年，Adams 等研制了新型聚乙烯材料作为未来航天器建造用新材料，这种材料的密度约为铝的1／3，坚固3 倍，并可最大限度地减少次级辐射；2009 年，Zhong 等在超高分子量聚乙烯（Ultra⁃High Molecular Weight Polyethylene，UHMWPE）中加入了纳米环氧材料以提高聚乙烯材料的机械和物理性能，同时对GCR 具有较好的屏蔽效果；2014 年，Ji 等通过在高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）中掺杂氮化硼，使次级中子辐射剂量显著减小。 近年来，各国科学家试图通过添加重金属或硼元素提升富氢材料的防护效果。

本文将结合典型太阳质子事件能谱特征系统仿真不同材料的屏蔽效能，筛选性能最优的抗辐射材料；结合舱内航天服和舱外航天服2 种应用场景，仿真相同面密度下不同配比、不同结构的防护效果。

2 仿真条件

2.1 仿真工具

拟采用欧洲核子研究中心开发的Geant4（GEometry and Tracking） 软件进行仿真计算。Geant4 是基于C++面向对象技术开发的蒙特卡罗应用软件包，用于模拟粒子在物质中输运的物理过程。 相对于MCNP（Monte Carlo N Particle Transport Code）、EGS（Electron⁃Gamma Shower ）等商业软件来说，其优点是源代码完全开放，用户可以根据实际需要更改、扩充Geant4 程序。 由于具有良好的通用性和扩展能力，Geant4 在涉及微观粒子与物质相互作用的诸多领域获得了广泛应用。 例如，空间应用中用于模拟太空环境中宇宙射线对飞行器设备的损害，微电子学中研究电离作用对微电子器件的影响，辐射医学中模拟放射线对生物体组织的各种效应。

2.2 宇宙线辐射环境

空间的宇宙线辐射环境主要包括GCR 和太阳宇宙线。 GCR 是起源于太阳系之外的高能带电粒子，粒子成分包括元素周期表从氢到铀的所有元素，其中质子占93.0%，α 粒子占6.3%，其他重粒子只占0.1%。 GCR 最突出的特征是能谱范围特别宽、通量低，强度与太阳活动水平呈反相关，低年的银河宇宙线强度比高年的要高1 ～2 倍。 太阳宇宙线是太阳上发生耀斑时发出的高能带电粒子流，由于绝大部分是质子，故又常称为SPE。 SPE 主要由质子组成，此外还有氦核（3%～15%），也有电荷（＞2）的重核存在，其中C、N、O 核通量占总粒子的0.05%。 每次太阳爆发所产生的太阳宇宙线， 其强度和能谱都是不完全相同的。 虽然太阳宇宙线质子的能量范围没有银河宇宙线宽， 但在低于100 MeV的范围内， 太阳宇宙线通量要比银河宇宙线通量高几个数量级。

目前， 国际上普遍采用CRME96（Cosmic Ray Effectson Micro⁃Electronics）模型描述银河宇宙线和太阳宇宙线的微分通量，图1 是利用CREME96计算的太阳活动低年，即银河宇宙线极大时粒子能谱，图2 给出了历史上发生的5 次特大质子事件的能谱。 以上5 次SPE 属于极端恶劣情况，考虑空间更加真实的能谱特征，本文采用高能太阳粒子（Energetic Solar Particle，ESP）模型给出的统计平均能谱进行仿真计算，如图3 所示。

图1 太阳活动低年银河宇宙线能谱［3］Fig.1 Galactic cosmic ray spectra at solar minimum［3］

图2 历史上的太阳质子事件拟合积分能谱［3］Fig.2 Spectra of larger solar particle events from 1956 to 1990［3］

图3 在轨1 年置信度90%计算的SPE 能谱Fig.3 SPE energy spectrum calculated with 90%confidence in orbit for one year

3 不同材料SPE 防护效能仿真

3.1 几何模型设置

当航天员在舱外活动（Extra⁃vehicular activity，EVA）时，SPE 直接作用于航天服材料，最后再作用于人体，如图4 所示；当航天员在舱内活动（Intra⁃vehicular activity，IVA）时，SPE 需要先穿过舱体铝和空气的屏蔽，再作用于航天服材料和人体上，如图5 所示。 计算中用水代表人体组织，计算沉积的辐射剂量。

图4 EVA 几何模型Fig.4 EVA geometric model

图5 IVA 几何模型Fig.5 IVA geometric model

3.2 材料参数

针对航天7 种典型材料进行SPE 辐射防护性能的仿真计算，分析IVA、EVA 不同应用场景下航天服屏蔽材料的防护效能，表1 列出屏蔽材料的主要技术参数。

表1 屏蔽材料参数Table 1 Parameters of shielding materials

3.3 仿真结果

图6 和图7 分别给出了IVA 场景和EVA场景下不同材料的屏蔽防护效能。 从图中可以看到，无论是IVA 场景还是EVA 场景，相同质量面密度下氢元素含量较高的POLYOXYM⁃ETHYLENE、PE 和WATER 对SPE 辐射的防护效能最好，铝、钽等金属材料防护效能最差。

图6 IVA 场景下不同材料的屏蔽效能Fig.6 Shielding effectiveness of different materials in IVA scenario

图7 EVA 场景下不同材料的屏蔽效能Fig.7 Shielding effectiveness of different materials in EVA scenario

氢元素在空间辐射屏蔽防护方面具有独特优势，主要在于其独特的荷质比特性。 氢原子内部没有中子，因此在单位质量下可以含有更多的核外电子和原子核，可以对初级粒子造成更大的能量能损，同时次级中子产额也更少。

4 航天服SPE 抗辐射仿真设计

针对SPE 防护效能最高的PE 材料，拟研究掺杂不同配比氮化硼（BN）对材料辐射防护能力的影响，并结合NASA 典型航天服结构材料参数进行航天服抗辐射性能的优化设计。

4.1 富氢复合材料配比的仿真设计

针对由高密度聚乙烯（HDPE）和BN 组成的多种单层富氢复合材料进行SPE 防护效能仿真计算，详细材料设计参数如表2 所示，图8、图9给出了IVA 和EVA 场景下不同材料的屏蔽效能。

表2 单层富氢复合材料参数Table 2 Parameters of single⁃layer hydrogen rich com⁃posites

从图8、图9 中可以看到，在IVA 和EVA 场景下，随着材料中BN 含量的增加，辐射剂量均缓慢增强，这是因为虽然B 元素可以吸收次级中子剂量，但同时由于氢元素含量减少会降低对初级质子的屏蔽能力，因此在相同质量密度下，增加BN 对降低最终辐射剂量并没有显著帮助。 仿真结果与美国MSFC 的仿真结果一致，地面重离子试验也可以得到类似的试验结果。

图8 IVA 场景下不同材料的屏蔽效能Fig.8 Shielding effectiveness of different materials in IVA scenario

图9 EVA 场景下不同材料的屏蔽效能Fig.9 Shielding effectiveness of different materials in EVA scenario

4.2 现有航天服SPE 抗辐射能力仿真分析

根据NASA 航天服的结构设计和组成进行仿真分析，研究其对SPE 的防护能力，表3 ～表5 给出了计算采用的不同部位从外到内所用材料的基本参数。 图10 是结合图3 的SPE 能谱仿真得到EVA 场景下航天服不同部位辐射剂量结果。

表3 航天服头盔从外到内材料参数Table 3 Material parameters of spacesuit helmet from outside to inside

表4 航天服上部躯体从外到内材料参数Table 4 Material parameters of upper body of spacesuit from outside to inside

表5 航天服下部躯体（手臂和腿部）从外到内材料参数Table 5 Material parameters of lower body （arms and legs） of spacesuit from outside to inside

图10 EVA 场景下航天服不同部位辐射剂量Fig.10 Radiation dose at different parts of spacesuit under EVA scenario

从表3～表5 中可以看到，航天服头盔总屏蔽厚度最大，为1.217 g／cm；上部躯体总屏蔽厚度次之，为0.599 g／cm；下部躯体总屏蔽厚度最小，为0.28 g／cm。 从图10 中可以看到，屏蔽越厚，对应的SPE 辐射剂量越小，头盔里的相对辐射剂量可高达近20 Gy。

4.3 可穿戴SPE 应急防护服仿真设计

从图10 可以看到，现有航天服防护下SPE对航天员仍将造成较高的辐射剂量，不足以保护航天员辐射健康安全。 以屏蔽效能较高的PE 材料为例，研究不同PE 屏蔽面密度下，航天服不同部位遭遇的辐射剂量和屏蔽效率，如图11、12 所示。 从图中可见，增加相同厚度PE 材料对于下部躯体效率较高、上部躯体次之、头盔最低。 主要原因为SPE 中随着粒子能量的增大数量迅速减小（如图3 所示），因此航天服厚度越小的部位，增加PE 的辐射防护，改进效率越高。 本文计算中，航天服头盔、上部躯体、下部躯体的总屏蔽厚度分别为1.217，0.599，0.28 g／cm，故增加相同厚度PE 材料对于下部躯体效率最高。

图11 不同PE 屏蔽厚度下航天服不同部位遭遇的辐射剂量Fig.11 Radiation dose encountered by different parts of spacesuit under different PE shielding thickness

图12 不同PE 屏蔽厚度下航天服不同部位的屏蔽效率Fig.12 Shielding efficiency of different parts of spacesuit under different PE shielding thick⁃ness

5 结论

1） 富氢材料对SPE 事件防护效果最佳，氢含量越高，辐射防护能力越强；

2） 添加B 元素，屏蔽材料优化效果并不明显，因为相同质量下添加B 元素可以降低次级中子剂量，但同时会增大初级质子辐射剂量；

3）在增加相同质量厚度的PE 材料情况下，航天服初始屏蔽厚度越小的部位，辐射防护提升效率越高。