CN116482131A - 一种评价深空探测用材料综合辐射屏蔽能力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种评价深空探测用材料综合辐射屏蔽能力的方法，属于深空探测技术与辐射防护领域。本发明目前地面采用60Co产生的γ射线对材料辐射屏蔽能力进行评价测试手段无法正确反馈屏蔽材料在实际深空辐射环境下的辐射屏蔽性能的现状。本发明针对轨道环境中电子(和/或质子)能量的能谱分布，利用仿真计算将能谱分类为完全屏蔽区、部分屏蔽区和剂量增强区和无效区四个能区，在各能量分区中选取合适能量点进行辐照测试，以单能辐照该分区贡献总剂量等效评价材料对该能量分区的屏蔽能力，最后利用分区屏蔽能力的实验数据和整个能谱的初始剂量获得材料的综合屏蔽能力。本发明可以分析屏蔽材料在轨道全能谱下综合辐射屏蔽能力，具有通用性和先进性。
Description
技术领域
本发明属于深空探测技术与辐射防护领域，具体地说，涉及一种评价深空探测用材料综合辐射屏蔽能力的方法。
背景技术
随着现代科技的发展与进步，人类对太空的探索已经不止步于外太空近地研究，而是把目标延伸向了许多类地小行星进行深空探测，深空探测是人类了解宇宙和太阳系的形成和演化、探索生命起源的重要途径。高能空间带电粒子辐射是深空辐射环境最为显著的特性之一，航天器在轨期间，高能辐射射线严重威胁着电子装备系统的稳定性。随着深空探测技术的发展，常用屏蔽材料对电子装备系统进行辐射防护处理，进而保障其在轨可靠性。
材料屏蔽性能的准确评价是电子装备系统工作可靠性评估的必要前提，目前国内主要利用60Co产生的γ射线对材料辐射屏蔽能力进行评价。虽然高穿透性的γ射线能够快速便捷、低成本地对材料的屏蔽能力进行等效评估，但深空辐射环境主要以高能电子射线和高能质子射线为主，与γ射线对物质产生的相互作用机制完全不同。因此，迫切需要基于深空辐射环境，在地面系统使用电子辐照和质子辐照对材料进行测试，以尽可能还原材料在真实深空环境下的辐射屏蔽能力。
深空轨道环境中电子能量与质子能量分布以能谱形式存在，而地面测试系统常以单能粒子辐照形式为主。考虑到成本以及操作可行性，地面单能粒子测试无法一一对应能谱点进行，所得的材料屏蔽性能也仅代表该单能粒子下的效果，无法验证其在整个能谱下的防护能力。因此，亟需一种评价材料在轨道全能谱下综合屏蔽性能的方法，以指导深空探测用材料的辐射屏蔽设计，保证电子装备系统的服役稳定性。
发明内容
本发明为了较为准确评价深空探测用材料综合辐射屏蔽能力，针对深空轨道环境中电子能量和/或质子能量分布以能谱形式存在的现状，首先利用仿真软件计算将能谱进行分析分类为完全屏蔽区、部分屏蔽区和剂量增强区和无效区四个能区。其中完全屏蔽区具有能量低、通量高的特点，但粒子在材料内部的射程较短，材料仅需较薄的厚度即可完全屏蔽，该区对剩余剂量无贡献；部分屏蔽区对屏蔽剩余剂量占主导地位，对材料活化、位移损伤、核反应等作用较低，适合筛选材料，且粒子源便于寻找，成本较低；剂量增强区具有相对较高的能量和相对较低的通量，对屏蔽剩余剂量有一定贡献，但由于该区粒子能量较高，在材料内部会造成较为严重的二次辐射，进而发生剂量增强的现象；无效区具有最高的能量和最低的通量，对屏蔽剩余剂量几乎没有贡献，此分区能量对电子装备系统主要造成单粒子效应，粒子加速源较为稀少且成本极高。随后在各能量分区中各选取合适能量点进行辐照测试，以单能辐照该分区贡献总剂量得出电子和质子透过率能谱的实验数据，等效评价材料对该能量分区的屏蔽能力。最后利用透过率能谱的实验数据和轨道整个能谱的初始剂量能谱求材料的综合屏蔽能力。
为实现上述目的，本发明提供了一种评价深空探测用材料综合辐射屏蔽能力的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、分析轨道环境，得到轨道的电子和/或质子的微分通量能谱；
S2、设计屏蔽材料的元素组成、成分配比与结构；
S3、利用仿真软件根据S1的微分通量能谱对设计的屏蔽材料进行计算，得到屏蔽材料在各单能下的屏蔽性能，绘制电子和/或质子的透过率能谱；
S4、基于S3获得透过率能谱的结果，对能量点进行分区，分为完全屏蔽区、部分屏蔽区、剂量增强区和无效区四个能区，随后在各分区内选取1-2个能量点，利用仿真软件计算出以单能辐照该分区的总辐照剂量；
S5、将S4的总辐照剂量转换成总注量；
S6、根据能量点和对应总注量做地面测试，按照电子和/或质子总剂量分析计算结果，对屏蔽材料在相应剂量下进行辐照试验，记录屏蔽材料前后剂量计读数并记录，得到材料电子和/或质子分区透过率能谱的实验数据；
S7、利用仿真软件计算得到轨道下微分通量能谱在单层硅探测器中所贡献的总初始剂量，得到初始剂量能谱；
S8、利用S6的实验数据和S7初始剂量能谱评价材料的综合屏蔽能力。
进一步地限定，步骤S1中，在辐照测试开始前，需要分析在特定轨道(如深空探测轨道)环境下电子和质子的能量组成及占比，输出对应电子和质子的微分通量能谱。
进一步地限定，步骤S2中，以总屏蔽剩余剂量和重量等为指标进行设计。
进一步地限定，步骤S3中，仿真软件种类包括但不限于MCNP、Cacino、Fastrad，或Omere等；辐射源射线类型包括但不限于全向光源或平行光源等，屏蔽材料构型包括但不限于平板构型或球构型等。
进一步地限定，步骤S4中，仿真软件种类包括但不限于MCNP、Cacino、Fastrad，或Omere等；辐射源射线类型包括但不限于全向光源或平行光源等，屏蔽材料构型包括但不限于平板构型或球构型等。
进一步地限定，步骤S5中，仿真软件种类包括但不限于MCNP、Cacino、Fastrad，或Omere等；辐射源射线类型包括但不限于全向光源或平行光源等，屏蔽材料构型包括但不限于平板构型或球构型等。
进一步地限定，步骤S5中，利用下述公式将总剂量转换成总注量：
其中，D为总辐照剂量，单位：Gy＝J/kg；Φ为总辐照注量，单位：个/cm2；S/ρ为带电粒子在物质中的一切能量损失，也称为阻止本领，单位：MeV·cm2/g。
进一步地限定，步骤S6中，所述电子注量率范围为1E+07-1E+10e/cm2/s；质子注量率范围为1E+07-1E+10p/cm2/s，单个样品辐照时间为15-30分钟；剂量计种类为丙氨酸、GAFCHROMIC、GAFHD-V2、B3等。
进一步地限定，步骤S7中仿真软件种类包括但不限于MCNP、Cacino、Fastrad，或Omere等；辐射源射线类型包括但不限于全向光源或平行光源等，屏蔽材料构型包括但不限于平板构型或球构型等。
进一步地限定，单层硅探测器厚度为5μm-80μm。
本发明提供一种评价深空探测用材料综合辐射屏蔽能力的方法，针对目前地面采用60Co产生的γ射线对材料辐射屏蔽能力进行评价测试手段无法正确反馈屏蔽材料在实际深空辐射环境下的辐射屏蔽性能的现状，提出采用电子和/或质子辐照的测试方法，基于地面测试系统条件下尽可能还原材料所处的真实深空辐射环境，并用于对材料的辐射屏蔽性能进行评价。此外，针对特定轨道环境中电子能量和/或质子能量的能谱分布，利用仿真计算将能谱分类为完全屏蔽区、部分屏蔽区和剂量增强区和无效区四个能区，在各能量分区中选取合适能量点进行辐照测试，以单能辐照该分区贡献总剂量等效评价材料对该能量分区的屏蔽能力，最后利用分区屏蔽能力的实验数据和整个能谱的初始剂量获得材料的综合屏蔽能力。力求填补现有方法无法评价深空探测用屏蔽材料在轨道全能谱下综合辐射屏蔽能力的空白。
本发明针对屏蔽材料在实际深空辐射环境中辐射屏蔽性能测试和评价的需求，提出通过单能电子和质子辐照测试评价深空探测用材料综合辐射屏蔽能力的方法。本发明的方法适用于对各种类别的辐射屏蔽材料，可以合理指导在地面模拟的深空环境下对材料的辐射屏蔽性能测试，同时也可以分析屏蔽材料在轨道全能谱下综合辐射屏蔽能力，具有通用性和先进性。本发明有望解决目前测试手段不能准确评价材料在实际深空辐射环境中综合辐射屏蔽能力的问题，进而保证电子装备系统在轨使役可靠性。
为了能够更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明详细说明与附图，然而所附的附图仅提供参考和说明之用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明的一种评价深空探测用材料综合辐射屏蔽能力的整体流程示意图；
图2为本发明中某深空探测轨道环境下的电子总能谱图；
图3为本发明中材料对电子的透过率能谱图；
图4为本发明中材料对电子分区透过率能谱的实验数据图；
图5为本发明中轨道电子能谱的总初始剂量谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：本实施例以深空探测轨道为例，针对材料对电子屏蔽综合性能进行详细说明。如图1所示，本实施例的评价深空探测用材料综合辐射屏蔽能力的方法具体包括以下步骤：
步骤(1)轨道环境分析
在辐照测试开始前，需要分析在深空探测轨道环境信息下电子的能量组成及占比，输出对应的电子微分通量能谱，如图2所示。
步骤(2)屏蔽材料设计及优化
以总屏蔽剩余剂量和重量为指标，对屏蔽材料的元素组成、成分配比与结构进行设计。
步骤(3)材料透过率能谱计算
利用仿真软件MCNP并根据步骤(1)获得的电子微分通量能谱对步骤(2)设计的屏蔽材料进行计算，得到屏蔽材料在各单能下的屏蔽性能，绘制屏蔽材料的电子透过率能谱，如图3所示。
步骤(4)透过率能谱分析
基于步骤(3)仿真计算得到的屏蔽材料透过率能谱的结果，对能量点进行分区，具体为完全屏蔽区、部分屏蔽区和剂量增强区和无效区四个能区，随后在各区选取1-2个能量点，利用仿真软件计算出以单能辐照该分区的总辐照剂量。
步骤(5)单一能量电子辐照剂量与注量转换
以仿真软件MCNP计算出的单一能量电子的初始剂量作为该单能下测试时的总辐照剂量，利用材料对带电粒子阻止本领的经验公式，将该总辐照剂量(步骤(4)获得的)转换成辐照总注量。材料对带电粒子阻止本领的经验公式如下：
其中，D为总辐照剂量，单位：Gy＝J/kg；Φ为总辐照注量，单位：个/cm2；S/ρ为带电粒子在物质中的一切能量损失，也称为阻止本领，单位：MeV·cm2/g。
根据步骤(3)仿真计算的结果设定3-5MeV为部分屏蔽区，以5MeV单能电子为辐照该分区总剂量为例，5MeV电子在硅中的阻止本领S/ρ为1.758MeV·cm2/g，仿真软件MCNP计算出3-5MeV部分屏蔽区贡献的初始剂量为3.079*106Gy，带入公式中进行计算得到总辐照注量为1.095*1016e/cm2。
步骤(6)电子辐照测试
根据能量点(步骤(4)中的)和对应总注量(步骤(5)获得的)做地面测试。将待测的屏蔽材料放置在样品台上固定。按照电子总剂量分析计算结果，对屏蔽材料在相应剂量下进行辐照试验，记录屏蔽材料前后丙氨酸剂量计读数并记录，得到材料电子分区透过率能谱的实验数据，如图4所示。
步骤(7)计算该轨道下电子能谱的总初始剂量
利用仿真软件MCNP计算得到该轨道下电子微分通量能谱在单层硅探测器中所贡献的总初始剂量，得到电子初始剂量能谱，如图5所示。
步骤(8)材料综合屏蔽性能评估
利用电子分区透过率能谱的实验数据(步骤(6)获得的)和步骤(7)获得的初始剂量能谱评价材料的综合屏蔽能力。具体操作为：将分区测得的剩余剂量与能谱总初始剂量作商，得到材料在全能谱下对电子的透过率，通过透过率的数值评价材料对电子的综合屏蔽性能。
以上详细描述了本发明针对深空探测这种特定轨道能谱下材料对电子综合屏蔽能力的评价方法，并不对评价质子的综合屏蔽能力或其他轨道起到任何限制作用，可类比实施。
Claims (10)
1.一种评价深空探测用材料综合辐射屏蔽能力的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、分析轨道环境，得到轨道的电子和/或质子的微分通量能谱；
S2、设计屏蔽材料的元素组成、成分配比与结构；
S3、利用仿真软件根据S1的微分通量能谱对设计的屏蔽材料进行计算，得到屏蔽材料在各单能下的屏蔽性能，绘制电子和/或质子的透过率能谱；
S4、基于S3获得透过率能谱的结果，对能量点进行分区，分为完全屏蔽区、部分屏蔽区、剂量增强区和无效区四个能区，随后在各分区内选取1-2个能量点，利用仿真软件计算出以单能辐照该分区的总辐照剂量；
S5、将S4的总辐照剂量转换成总注量；
S6、根据能量点和对应总注量做地面测试，按照电子和/或质子总剂量分析计算结果，对屏蔽材料在相应剂量下进行辐照试验，记录屏蔽材料前后剂量计读数并记录，得到材料电子和/或质子分区透过率能谱的实验数据；
S7、利用仿真软件计算得到轨道下微分通量能谱在单层硅探测器中所贡献的总初始剂量，得到初始剂量能谱；
S8、利用S6的实验数据和S7初始剂量能谱评价材料的综合屏蔽能力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，分析在轨道环境下电子和质子的能量组成及占比，输出对应电子和质子的微分通量能谱。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，以总屏蔽剩余剂量和重量为指标进行设计。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，仿真软件为MCNP、Cacino、Fastrad，或Omere；辐射源射线为全向光源或平行光源，屏蔽材料构型为平板构型或球构型。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，仿真软件为MCNP、Cacino、Fastrad，或Omere；辐射源射线为全向光源或平行光源，屏蔽材料构型为平板构型或球构型。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，仿真软件为MCNP、Cacino、Fastrad，或Omere；辐射源射线为全向光源或平行光源，屏蔽材料构型为平板构型或球构型。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，利用下述公式将总剂量转换成总注量：
其中，D为总辐照剂量，单位：Gy＝J/kg；Φ为总辐照注量，单位：个/cm2；S/ρ为阻止本领，单位：MeV·cm2/g。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S6中，所述电子注量率范围为1E+07-1E+10e/cm2/s；质子注量率范围为1E+07-1E+10p/cm2/s，单个样品辐照时间为15-30分钟；剂量计种类为丙氨酸、GAFCHROMIC、GAFHD-V2、B3。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S7中，仿真软件为MCNP、Cacino、Fastrad，或Omere；辐射源射线为全向光源或平行光源，屏蔽材料构型为平板构型或球构型。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S7中，单层硅探测器厚度为5μm-80μm。
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| PB01 | Publication | ||
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