用于空間輻射效應評估的軟件—SEREAT

陳善強，劉四清，師立勤，陳 東

(1. 中國科學院國家空間科學中心，北京100190；2. 中國科學院大學，北京100190)

用于空間輻射效應評估的軟件—SEREAT

陳善強1,2，劉四清1，師立勤1，陳 東1

(1. 中國科學院國家空間科學中心，北京100190；2. 中國科學院大學，北京100190)

為快速準確地評估航天器內部的空間輻射效應，本文基于Open CASCADE工具包和Geant4開發了一套空間環境輻射效應評估軟件SEREAT。SEREAT扇段分析模塊讀取計算機輔助設計(CAD)文件建立航天器三維模型，利用射線追蹤方法計算航天器內任意位置的屏蔽厚度分布，并將CAD文件直接轉換為Geant4能夠識別的幾何描述語言(The Geometry Description Markup Language，GDML)，為基于Geant4的三維空間輻射效應評估提供幾何建模數據接口。在此基礎上，SEREAT常規輻射效應模塊讀取屏蔽厚度分布，完成艙內屏蔽能譜、單粒子翻轉、總劑量等輻射效應的計算。利用本方法對地球同步軌道衛星的輻射效應進行計算，結果表明SEREAT可以滿足復雜航天器輻射效應分析的需求。

輻射效應；射線追蹤法；總劑量；Open CASCADE；Geant4

0 引 言

空間輻射效應嚴重影響航天器的在軌運行安全。快速準確地評估航天器可能遭受的輻射風險成為航天器方案和研制階段的必要步驟。目前常用的SPENVIS、OMERE、CREME96等輻射效應分析工具均采用簡化的一維屏蔽模型，僅能完成方案的常規輻射效應評估，不能滿足屏蔽優化設計的需求[1-3]。為此，國內外均基于CAD軟件和蒙特卡羅工具包Geant4開發了多種扇段分析和蒙特卡羅三維模擬軟件[4-5]。三維屏蔽分析相對于一維模型更加真實，可以用來進行航天器屏蔽優化設計，為防護薄弱位置的識別和抗輻射加固設計提供重要參考[6-7]。

航天器設計部門采用Pro/E、SolidWorks等商業CAD軟件建立的衛星模型過于復雜，不能直接用于屏蔽分析，需要進行處理和簡化。Geant4工具包不支持直接讀取CAD軟件導出的模型文件，需要進行格式轉換。考慮到復雜航天器三維屏蔽建模存在的上述困難和扇段分析在屏蔽優化中的重要作用，本文提出了基于Open CASCADE和Geant4的三維屏蔽建模和扇段分析方法，并將CAD格式轉換為Geant4能夠直接調用的GDML格式,為基于Geant4的三維輻射效應評估提供幾何建模數據接口。在完成扇段分析之后，還需要結合衛星軌道上的空間環境狀況，給出衛星艙內各位置的輻射效應水平。為此，本文調研了當前工程上常用的空間環境模型和輻射效應計算模型，開發了常規輻射效應分析模塊，通過讀取扇段分析模塊提供的屏蔽厚度分布，完成航天器內部的屏蔽粒子能譜、單粒子翻轉率、總劑量等輻射效應的計算。

1 三維屏蔽建模

三維屏蔽模型是空間輻射效應分析的核心問題之一，屏蔽模型的精度直接影響到效應分析的最終結果。Open CASCADE是由法國Matra Datavision公司開發的開源CAD工具包，主要用于開發幾何建模、數據交換、模型顯示等應用程序，支持STEP中性文件的讀取[8]。本文采用基于Open CASCADE的開源FreeCAD軟件的程序框架開發了SEREAT的建模和顯示界面[9]，如圖1所示。

在三維屏蔽建模過程中，SEREAT可以直接讀取Pro/E、SolidWorks等商業CAD軟件導出的STEP中性文件，或是創建立方體、球體、圓柱體等簡單幾何模型，并生成模型樹結構顯示。在扇段分析中和蒙特卡羅模擬中都需要幾何體的材料信息，而在STEP文件中，并不包含材料屬性，因此在輻射效應分析之前，需要手動添加幾何體的材料屬性。為方便添加，本文建立XML格式的數據庫，用戶可以從數據庫中選擇或創建新材料。目前SEREAT僅能通過創建簡單幾何模型替代復雜模型的方式進行簡化，去除小零件、小孔等簡化操作需要借助商業CAD軟件完成，自動簡化功能有待開發。

2 GDML格式轉換

Geant4是基于蒙特卡羅方法的粒子輸運工具包，廣泛用于空間輻射效應評估領域。國內外開發了多種Geant4輻射效應評估軟件，例如SSAT、GRAS等[10-12]，其均存在手工建模耗時容易出錯，建立復雜航天器模型比較困難等問題。如果能夠將Pro/E、SolidWorks等商業CAD建立的模型直接導入Geant4進行仿真分析，可以大大提高建模效率。國內外也相繼開展了格式轉換的相關工作[13-14]。

Geant4支持GDML語言進行建模。GDML是一種基于XML的幾何描述標記語言，通過定義形狀、材料、位置以及繼承關系，建立復雜的幾何模型。借鑒國內外格式轉換的相關工作，在三維建模的基礎上，本文開發了格式轉換模塊，即將STEP中性文件轉換為GDML格式。GDML采用由三角形或四角形面片組成的封閉幾何體Tessellated Solids描述復雜幾何模型，因此可以將復雜模型面片化并轉換為Tessellated Solids格式，最后將材料和幾何關系按照GDML格式輸出，完成格式轉換。為測試模型轉換的正確性，利用本方法將五種幾何體轉換為GDML文件，采用Geant4讀取并顯示，轉換效果如圖2所示。

3 扇段分析

扇段分析考慮衛星的真實結構，計算衛星內部任意位置在不同方向上的等效鋁屏蔽厚度，是總劑量計算和屏蔽優化設計的重要手段。ESA的ECSS-E-10-12標準指出扇段分析的屏蔽厚度計算主要有法向傳輸(NORM)和直線傳輸(SLANT)兩種方法。直線傳輸假設粒子沿直線傳播，主要用于評估材料對質子和重粒子的屏蔽效果；法向傳輸假設電子受多重散射的影響其傳輸方向將發生改變，主要用于評估材料對電子的屏蔽效果，如圖3所示[15]。

Geant4中的虛擬粒子geantino不與材料發生物理作用，僅在幾何體邊界記錄穿入和穿出的位置。本文利用虛擬粒子的上述特性，獲得粒子出射方向上的等效屏蔽厚度，實現了扇段分析直線傳輸方法。對于法向傳輸，我們采用了歐空局開發的扇段分析軟件SSAT中的相關代碼，實現虛擬粒子的法向傳輸[11]。SEREAT可以在任意位置添加多個十字星標記點，并以標記點為中心計算屏蔽厚度分布，如圖1所示。為方便評估某一單機對屏蔽效果的影響，本文利用SEREAT的三維建模界面中的顯示/隱藏幾何體的功能，在扇段分析中實現了忽略隱藏幾何體的功能，方便進行屏蔽優化設計。下面利用簡單幾何體和復雜幾何結構對扇段分析進行功能驗證。

3.1 簡單幾何體

本文建立了一個由3mm厚度立方體殼+1mm厚度球殼組成的簡單幾何結構，標記點位于立方體中心位置。在法向傳輸模式下，標記點周圍屏蔽厚度為4mm，結果符合預期。在直線傳輸模式下，屏蔽厚度最大的區域為立方體的8個頂點方向，最小區域為垂直于立方體6個面的方向,屏蔽厚度分布如圖4(a)所示。隱藏立方體殼的一個側板之后，計算得到等效鋁屏蔽厚度分布如圖4(b)，屏蔽最薄的地方來自該側板方向，屏蔽厚度為1mm，劑量貢獻也主要來自這部分立體角。

3.2 復雜結構模型

為驗證扇段分析模塊對復雜航天器的處理能力，本文構建了一個邊長為5000mm、厚度為3mm的空心鋁殼，包含1000個單機的衛星屏蔽模型，所有單機均為邊長200mm實心立方體，重量2.16kg，實心均化密度為0.27g/cm3，模型結構如圖5所示。在靠近頂端的單機中心設置標記點，將4π立體角劃分為1800個小立體角，從立體角中心方向發射粒子，得到屏蔽厚度分布如圖6所示。由圖6可以看出，標記點在+Z方向上缺少其他單機的遮擋，屏蔽厚度較小，約為13mm等效鋁。

4 輻射效應分析模塊

影響航天器在軌運行安全的空間輻射環境主要包括地球輻射帶、銀河宇宙線、太陽宇宙線。SEREAT輻射效應模塊集成了目前常用的空間環境模型和輻射效應評估模型，結合由扇段分析模塊計算的等效鋁屏蔽厚度分布，能夠給出衛星軌道上的空間輻射環境、艙內屏蔽能譜、單粒子翻轉率、總劑量、位移損傷、太陽電池損傷等輻射效應的常規評估，其主要功能如圖7所示。

為驗證輻射效應模塊的各項功能，本文以任務周期2016-2030年的地球同步軌道衛星的輻射效應分析為例，說明輻射效應評估的完整流程，并與常用的SPENVIS、OMERE等輻射效應工具進行比較。同步軌道的輻射環境主要包括輻射帶電子、銀河宇宙線、太陽宇宙線。根據太陽活動周的預測結果，衛星有8.87年處于太陽活動高年，選擇AE8-Max模型、CREME96-SolarMin、90%置信度的ESP模型分別計算衛星軌道上的輻射帶電子能譜、銀河宇宙線能譜、太陽質子注量[16]。在實心球鋁屏蔽模型下，本文計算了上述空間輻射環境在硅中產生的劑量-深度曲線、位移損傷等效注量，計算結果如圖8、圖9所示。

本文計算了0、1、3、5、8、10、15、20mm鋁屏蔽下的銀河宇宙線LET譜。圖10給出了無屏蔽和20mm鋁屏蔽下的LET譜，并與SPENVIS、OMERE的計算結果進行了對比。

根據文獻[17]中的VIRTEX-II FPGA配置存儲器重粒子和質子Weibull參數，結合上述不同鋁屏蔽厚度下的LET譜，本文計算了銀河宇宙線的單粒子翻轉率，如圖11所示。

上述輻射效應分析結果表明，SEREAT輻射效應模塊的計算結果與SPENVIS和OMERE基本一致，可以用來進行輻射效應評估。為進一步評估各方向屏蔽厚度對總劑量的貢獻，本文采用第3小節中的方法，計算了4種幾何屏蔽結構下的屏蔽厚度分布，并分別計算了中心位置的總劑量以及對應的等效屏蔽厚度，結果如表1所示。

計算結果表明3mm立方體殼+1mm球殼幾何結構中心的三維輻射劑量為136krad[Si]，與一維劑量-深度曲線在4mm實心球模型下的輻射劑量256krad[Si]相比，大約降低了46.9%的劑量。去掉側板之后，上述屏蔽模型的最小屏蔽厚度為1mm鋁，因此輻射劑量明顯上升。立方體殼的厚度由3mm增加到5mm，輻射劑量僅降低了6.4%，說明存在明顯薄弱環節的情況下，單純增加其他立體角方向上的屏蔽厚度并不能有效地降低總劑量。

表1 不同屏蔽結構下的輻射劑量

5 結束語

本文介紹了自主開發的空間輻射效應分析軟件SEREAT。SEREAT通過讀取CAD文件建立三維屏蔽模型，可以準確快速地評估航天器內部任意位置的屏蔽厚度分布。常規輻射效應分析模塊結合衛星軌道、空間環境參數、屏蔽厚度分布，給出航天器內部的任意位置的輻射環境和輻射效應水平。三維屏蔽的扇段分析將航天器模型簡化為等效鋁屏蔽厚度分布，忽略了衛星結構和不同材料對不同種類粒子的屏蔽效果，具有一定的局限性，進一步的輻射效應評估需要進行三維蒙特卡羅模擬。考慮到蒙特卡羅模擬三維建模的需要，SEREAT提供了一個航天器建模CAD軟件和輻射效應模擬工具包Geant4 之間的數據接口。通過地球同步軌道衛星的效應分析，驗證了SEREAT的上述功能，結果符合預期，可以為航天器的效應分析和屏蔽優化設計提供參考。

[1] Heynderickx D, Quaghebeur B, Wera J, et al. New radiation environment and effects models in the European Space Agency's Space Environment Information System (SPENVIS) [J]. Space Weather-the International Journal of Research&Applications, 2004, 2(10): 643-646.

[2] Tylka A J, Adams J H, Boberg P R, et al. CREME96: A revision of the cosmic ray effects on micro-electronics code [J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1997, 44(6): 2150-2160.

[3] OMERE, A freeware dedicated to space environment and radiation effects on electronic devices[EB/OL]. http://trad.fr/OMERE-Software.html.

[4] 蔡明輝, 韓建偉. 基于ProE的航天器三維屏蔽與輻射劑量評估方法研究[J]. 宇航學報, 2012, 33(6):830-835. [Cai Ming-hui, Han Jian-wei. Method for evaluating shielding thicknesses and radiation dose inside spacecraft based on proe [J]. Journal of Astronautics, 2012, 33(6): 830-835.]

[5] Pourrouquet P, Thomas J, Peyrard P, et al. FASTRAD 3.2:radiation shielding tool with a new monte carlo module [J]. Renaissance Quarterly, 2002, 55(55): 1259-1286.

[6] 馮彥君, 華更新, 劉淑芬. 航天電子抗輻射研究綜述[J]. 宇航學報, 2007, 28(5): 6-15. [Feng Yan-jun, Hua Geng-xin, Liu Shu-fen. Radiation hardness for space electronics [J]. Journal of Astronautics, 2007, 28(5): 6-15.]

[7] 趙海濤, 于登云, 呂欣琦,等. 航天器單粒子防護薄弱點的識別[J]. 宇航學報, 2016, 37(5):600-604. [Zhao Hai-tao, Yu Deng-yun, Lv Xin-qi, et al. Weakness identification of single event protection for spacecraft [J]. Journal of Astronautics, 2016, 37(5): 600-604.]

[8] 袁媛, 王延紅, 江凌,等. 基于Qt及OpenCASCADE的建模技術研究[J]. 現代電子技術, 2013, 36(10):74-77. [Yuan Yuan, Wang Yan-hong, Jiang Ling, et al. Research on modeling technology based on Qt and OpenCASCADE[J]. Modern Electronics Technique, 2013, 36(10): 74-77.]

[9] FreeCAD, An open-source parametric 3D CAD modeler[EB/OL]. http://www.freecadweb.org.

[10] Allison J, Amako K, Apostolakis J, et al. Geant4 developments and applications [J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2006, 53(1): 270-278.

[11] QinetiQ, Inc. Space information systems, Sector shielding analysis tool based on geant4[EB/OL]. 2001 [2001].http://www.space.qinetiq.com/geant4/ssat.html.

[12] Santin G, Ivanchenko V, Evans H, et al. GRAS:a general-purpose 3D modular simulation tool for space environment effects analysis [J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2005, 52(6): 2294 -2299.

[13] 聶凡智, 胡麗琴, 汪冬, 等. Geant4自動建模方法研究[J]. 核科學與工程, 2015, 35(1):8-12. [Nie Fan-zhi, Hu Li-qin, Wang Dong, et al. Automatic modeling for the monte carlo transport code geant4 [J]. Nuclear Science and Engineering, 2015, 35(1): 8-12.]

[14] Poole C M, Cornelius I, Trapp J V, et al. A CAD interface for GEANT4 [J]. Australasian Physical& Engineering Sciences in Medicine, 2011, 35(3): 329-334.

[15] Space engineering-methods for the calculation of radiation received and its effects, and a policy for design margins [S]. ECSS-E-10-12, 2005.

[16] Xapsos M A, Summers G P, Barth J L, et al. Probability model for cumulative solar proton event fluences [J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2000, 47(3): 486-490.

[17] Swift G. Xilinx single event effects, 1st consortium report, virtex-II static SEU characterization[R]. JPL California Institute of Technology, 2004.

通信地址：北京市8701信箱( 100190)

電話：(010)62586415

E-mail:chenshanqiang@nssc.ac.cn

(編輯：張宇平)

SEREAT: A Software for Space Radiation Effects Assessment

CHEN Shan-qiang1,2, LIU Si-qing1, SHI Li-qin1, CHEN Dong1

(1. National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

In order to calculate the space radiation effects precisely and instantly in a spacecraft, a new Space Environment and Radiation Effect Analysis Tool (SEREAT) is developed based on Open CASCADE and Geant4. The sector analysis module of SEREAT has been developed to calculate the spacecraft shielding at any point by integrating the ray tracing method. This study provides a convenient tool to convert the computer-aided design (CAD) geometry models into the GDML (The Geometry Description Markup Language) models for Geant4 applications. Using the distribution of the shielding thickness produced by the sector analysis module, SEREAT can calculate and analyze the radiation effects, such as the particle flux behind the shielding, total ionization dose, single event upsets, etc. Total ionization dose at a geostationary orbit is calculated by SEREAT, and the result shows that SEREAT can meet the needs of radiation effect analysis in a complex spacecraft.

Space radiation; Ray tracing; Total ionization dose; Open CASCADE; Geant4

2016-09-05;

2016-12-27

國家重點研發計劃(2016YFB0501503)

TP731

A

1000-1328(2017)03-0317-06

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.03.013

陳善強(1985-)，男，助理研究員、博士生，主要從事空間輻射環境及其效應研究。