地球同步軌道上真空紫外光電倍增管的高能粒子屏蔽研究

摘要 空間輻射環境是導致光電倍增管性能衰變甚至失效的主要原因。本文運用MULASSIS程序模擬運行于地球同步軌道的真空紫外光電倍增管在高能粒子輻射環境下對于不同材料以及不同組合的屏蔽效果，并針對計算結果提出優化組合。

關鍵詞 地球同步軌道 紫外 光電倍增管 高能粒子 屏蔽

中圖分類號：04 文獻標識碼：A

0 引言

在日地空間范圍內存在著大量的高能粒子，它們主要是銀河宇宙線、太陽宇宙線(也稱太陽質子事件)、地球輻射帶粒子，它們構成了航天器軌道上高能帶電粒子環境。在地球同步軌道上，主要威脅來自位于赤道上空的內外輻射帶的高能粒子以及太陽宇宙射線。

隨著人類空間活動的增加，空間環境對技術系統的影響日益嚴重。而光電倍增管是空間光學探測應用的重要探測器件之一，該器件在星上使用過程中將不可避免會受到空間高能粒子的影響。航天器內部輻射環境不僅與所處軌道的空間輻射環境有關，同時也與航天器殼體材料與厚度相關。航天器殼體不僅能阻止部分粒子進入艙內，同時對進入艙體內的粒子也起到能量衰減改變粒子能譜分布，并且有可能導致次級粒子的產生。

而根據探測需求，測量對象為真空紫外光，陰極材料為碘化銫，窗口材料為氟化鎂。高能粒子對真空紫外光電倍增管的影響有總劑量效應。總劑量效應會導致光譜響應特性的改變，當累積的劑量超過器件允許劑量時，會使電子器件的性能參數迅速衰退，造成其性能或功能完全下降，直至功能全部喪失。所以對于微弱光進行探測的真空紫外光電倍增管，如果沒有合適的屏蔽措施，空間高能粒子的影響可能導致光電倍增管無法正常工作。

1 空間高能粒子環境模擬

本文運用歐空局的空間環境信息系統SPENVIS(TheSpace Environment Information System)軟件模擬地球同步軌道空間環境。具體參數設置為：運行周期為4年；輻射帶模型選擇美國國家空間科學數據中心(NSSDC)編制的AP-8 Max和AE-8Max模型，太陽質子模型選用的是NASA編制ESP，PSYCHIC模型。運用SHIELDOSE2計算在高度為800km的地球同步軌道上的沉積于Sj靶材中的劑量與鋁的深度關系如圖1所示。

由圖1可知，在地球同步軌道上，高能粒子作用產生的總劑量高達109rad(si)。電子對總劑量的貢獻最大。韌致輻射不隨厚度的增加而減少。捕獲質子對于輻射劑量幾乎沒有貢獻，說明在此軌道上捕獲質子能量和通量都比較小。太陽質子能量較高部分產生的二次粒子不易屏蔽。綜合各種因素考慮，處于地球同步軌道上運行的紫外光電倍增管主要應考慮屏蔽捕獲電子。

2 屏蔽材料及模擬計算

電子在物質中的輸運是幾個物理過程的復雜函數，其中最主要的過程是：(1)與原子核外電子的非彈性碰撞；(2)與原子核的彈性散射；(3)產生韌致輻射光子。對于質子，其與電子相互作用表現形式為束縛電子的激發和電離。質子與和核相互作用要考慮到核外電子對核庫侖勢的影響，主要是彈性碰撞。除了上述兩種相互作用外，在高能質子入射的情況下，還包括核反應過程。通過理論計算可知，高原子序數的材料能有效的阻止帶電粒子的透過，但是產生韌致輻射；而低原子序數的屏蔽材料則更有效的阻止質子。所以綜合各自的特點，選用合適的組合能使屏蔽優化。考慮所使用的環境，一般輕材料以鋁為代表，重材料以鎢為最佳選擇。

本文運用IvIULASSIS(multi-layered shielding simulationsoftware)計算程序進行模擬計算。其原理基于Monte-Carlo方法的GEANT4軟件包，可有效模擬入射粒子以及穿過靶材的剩余粒子與二次粒子與物質的相互作用，最后得到各種所需物理量的期望值和相應的統計誤差。根據之前的SPENVIS程序輸入的軌道參數，運用MULASSIS程序，選用平板形模型，模擬入射粒子為105個，方向角為0°到90°，得到AlW在各軌道高能粒子輻射下的劑量深度曲線如圖2，劑量深度曲線

圖2中縱坐標表示運行為期四年的高能粒子輻射產生的總劑量，橫坐標表示A1的等效厚度。由圖可見，在該軌道上劑量深度曲線的起始階段，金屬W的吸收效果比A1好，但是w比Al的韌致輻射高，因而在曲線的后半段，w的吸收劑量高于A1。

考慮到所使用光電倍增管的特性，輻射劑量應在103rad的上下。對于地球同步軌道選用單一的材料等效的Al厚度約為7mm，在此厚度下以置于屏蔽材料后的lmmSi中的吸收劑量作為衡量標準。由于各自的特點，綜合高能電子和高能質子的輻射影響的考慮，為了達到在可接受的劑量內屏蔽質量最小，嘗試分別采用單一材料，以及將A1和w按一定的方式復合成雙層和三層來屏蔽，來考量屏蔽效果。計算數據是按照每次增加lmm的Al的等效厚度。下面是分別用單層，雙層和三層屏蔽結果。

對于地球同步軌道而言，最佳屏蔽組合為Al在上W在下，厚度分別為6mm和0.13989mm。在此屏蔽條件下最后劑量為7.16×10rad(Si)。達到了屏蔽的需要。綜合考慮高能粒子輻射，則劑量與結構厚度并非線性關系，而是基于高能粒子與物質相互作用的各種因素，在一個特定的結構下才有最好的效果。

3 結論

從以上模擬計算結果可以看出，而在地球同步軌道上則主要考慮電子帶來的輻射劑量。對于電子的屏蔽，采用A1在上層W在下層的屏蔽結構優于其他組合。其原因可能是由于A1能使電子減速，然后再經過W就產生較少的韌致輻射。而高能質子的屏蔽最終的沉積劑量并不是隨屏蔽厚度的增加而一直減少，是由于低能部分質子被屏蔽層擋住，但是能量較高的部分會直接穿透屏蔽層。所以高能質子輻射的二次粒子是總劑量效應的主要原因。并且對于多層屏蔽時不同配比與劑量也不是呈線性的關系，而是在某一特定厚度的組合才能達到最好的效果。這是因為質子與物質相互作用是彈性碰撞，非彈性碰撞以及核反應的綜合作用的結果。

綜合高能粒子因素，而對于地球同步軌道而言，采用Al在上W在下，厚度分別為6mm和0.13989mm。在此屏蔽條件將原本為7.76×108rad(Si)的劑量下降為7.16×102rad(Si)。達到了屏蔽的需要。

參考文獻

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