基于結構表面云圖的三維總劑量效應評估方法研究

高著秀，王玉林，孫 健，張耀磊

（中國運載火箭技術研究院，北京100076）

0 引言

總劑量效應是大量輻射粒子進入半導體器件材料內部，與材料的原子核外電子發生電離作用而產生額外的電荷，這些電荷在器件內的氧化層堆積，或者在Si／SiO2交界面誘發界面態，導致器件性能逐步退化乃至失效的現象?？倓┝啃绊懙拇笮∨c材料吸收的劑量值的多少有關，屬累積效應［1－7］?？臻g輻射環境中對總劑量效應有貢獻的主要是地球輻射帶的電子和質子，其次是太陽宇宙線質子。銀河宇宙線與輻射帶和太陽質子相比，其通量很低，產生的劑量很小，可以忽略。

對飛行器的吸收劑量評價，目前主要有兩種方法。一種是一維輻射劑量評估方法，分析過程中只考慮飛行器艙體及單機殼體，依據實心球模型得到飛行器在軌時的劑量深度曲線，進而評估各單機內部吸收的輻射劑量，作為輻射防護設計的依據，這種情況往往忽略了飛行器內部不同組件之間的相互屏蔽效果，高估了各單機內部吸收的輻射總劑量，相應的屏蔽設計屬于過設計。另一種是三維輻射劑量評估方法，分析過程中依據具體的飛行器結構布局，考慮各部分結構互相之間的屏蔽，可以獲取飛行器內部任意位置不同方向的屏蔽厚度，結合空間環境能譜分析結果得到更為準確的輻射劑量。根據分析結果，調整飛行器布局及局部屏蔽方案，利用大質量設備對輻射效應敏感的器件提供質量屏蔽，優化屏蔽效果的同時降低選用抗輻射性能更優的器件的代價。

歐空局基于Monte Carlo軟件Geant4開發了三維屏蔽與輻射劑量評估工具SSAT，在國內外得到了廣泛應用，但是需要應用GDML （The Geometry Description Markup Language）語言來定義復雜幾何結構，以便于SSAT軟件識別與分析。飛行器各部分的結構和材料非常復雜，用戶需要開展大量建模工作，分析效率低且分析結果的準確性未知。歐洲宇航防務集團的Austrium公司在其SYSTEMA航天器空間環境及效應數值模擬分析系統中開發了Dosrad模塊，但是建模過程復雜，且輻射環境模型不夠全面。國內哈爾濱工業大學、中科院國家空間科學中心及航天五院等相關研究單位開發了三維輻射劑量分析軟件［1－3］，可以給出分析位置在各個方向的屏蔽厚度和輻射劑量，在顯示方法上各有特色，包括基于包圍分析目標的球面顯示及射線顯示等。本文在借鑒國內已開發軟件的經驗基礎上，提出了一種可在目標表面進行屏蔽厚度和吸收劑量的全向分布顯示的總劑量效應評估方法，并針對具體結構模型開展分析，分析結果與一維總劑量效應分析模式相比較，并給出分析精度與效率說明。

1 輻射劑量三維評估原理及流程

1．1 輻射劑量三維分析原理

1．1．1 粒子穿越徑跡計算方法

虛擬粒子穿越某一幾何體時的粒子徑跡有兩種方式，一種是NORM方法，即沿法向傳輸；另一種是SLANT方法，即沿直線傳輸，如圖1所示。法向傳輸考慮的是射線在垂直屏蔽材料表面方向的傳輸距離，而直線傳輸則可以與任何材料表面傾斜相交，對于復雜的屏蔽結構而言，法向傳輸會高估實際的屏蔽厚度。本文的三維屏蔽與輻射劑量評估采用了直線近似傳輸原理，即對飛行器內部特定方向的屏蔽厚度計算采用沿該方向直線上的物質厚度作為屏蔽厚度。這種簡化是合理的，因為首先粒子的初級成分是直線運行的，對輻射效應的貢獻最大；其次，高能粒子在運動中產生的次級成分在粒子的入射方向上的分布最密集。Cai等［1］在三維屏蔽估算方法采用的都是直線近似法，即對飛行器內部特定方向的屏蔽厚度計算采用沿該方向直線上的物質厚度作為屏蔽厚度［8－10］。

圖1 粒子穿越徑跡計算方法Fig．1 Method of particles traversing

1．1．2 扇形角分析方法

一般認為空間高能帶電粒子各向同性，應用扇形角等效分析方法計算三維復雜結構飛行器表面或艙內某點的吸收劑量，首先需要對空間能譜進行轉換，即將空間各向同性粒子能譜轉化為某一方向入射的粒子能譜。為了完成能譜的轉化，需要將整個4π空間上的粒子通量轉化為某一特定方向上的粒子通量。圖2為空間環境下粒子入射立體角計算示意圖。θ是極角，在空間范圍內，其角度范圍為0～π；ω為方位角，在空間范圍內為0～2π。依據空間粒子入射的極角θ和方位角ω，計算得到空間環境下單位能量和單位球面角范圍內入射粒子的通量。

圖2 空間各向同性粒子入射立體角計算示意圖Fig．2 Incident solid angle calculation diagram of spatial isotropic particle

1．1．3 基于Creo模型的飛行器屏蔽與輻射劑量三維評估方法

計算飛行器內某一位置的吸收劑量，可由兩種計算方法實現。一種為扇形角等效分析法，適合于工程上計算復雜結構的吸收劑量；另一種為Monte Carlo方法，計算精度較高，但計算速度較慢。在實際計算過程中，按照扇形角等效分析方法建立剖分模式，確定粒子在某一向上立體角內的入射概率并進行吸收劑量的計算。這種方法能夠大大提高計算效率和計算精度。

計算復雜結構的總劑量的關鍵是建立衛星的三維屏蔽模型，模型需要定義飛行器的幾何結構和材料屬性。目前飛行器的模型設計主要采用Pro／E、AutoCAD、UG等計算機輔助設計軟件?；贑reo模型的飛行器三維屏蔽與輻射劑量評估方法，采用有限元基本原理并結合Creo軟件的基本功能來實現飛行器三維屏蔽與輻射劑量的分析計算，可兼容Pro／E模型，克服了SSAT工具幾何建模方面的不足，使得總劑量效應的分析評估更加快速、準確、可靠，符合我國航天工程特有的現狀和需求。

1．2 輻射劑量三維分析流程

與一維分析模式相比，三維輻射劑量分析模式兼顧艙內各單機遮擋關系及整體布局，在飛行器結構模型的處理上更為精確。圖3給出了簡單的一維總劑量分析與三維總劑量分析的流程對比?；景?個步驟：首先，結合任務軌道參數分析輻射環境能譜，對航天器總體提供的結構模型進行預處理，包括模型實體化處理和簡化處理等，去除管路等小質量結構件；其次，采用有限元原理對圍繞指定分析位置的4π立體空間進行空間網格劃分，可采用等角度或等立體角劃分，也可采用計算網格所占立體角比例的方法；最后，利用一定的方法計算三維屏蔽厚度分布，并結合劑量深度曲線得出分析位置處在三維屏蔽下的輻射總劑量。

圖3 一維與三維輻射劑量分析流程Fig．3 Radiation dose evaluating process

1．3 基于結構表面云圖的輻射劑量分析流程

基于結構表面云圖顯示的輻射劑量三維評估方法具體分析流程如下：

第一步：模型預處理。

針對實際飛行器Creo模型進行預處理，去除所有片體模型及可以忽略屏蔽效果的緊固件、插針、管路等小件，以提高解算速度。

第二步：模型離散化。

根據模型復雜情況，選擇一定的分析精度，對模型進行離散化處理，為后續計算提供基礎。

第三步：發射射線。

指定結構模型樹中要分析的單機為目標單機，從選定的單機內部向2π立體角內均勻發射射線；射線密度選取可根據模型復雜程度及計算允許時間進行設定。

第四步：計算屏蔽厚度。

針對某射線，計算穿過該射線的所有實體的等效鋁厚度，并進行累加，得到該射線方向的等效鋁防護厚度，對所有射線方向的厚度加權累加得到單機總的屏蔽厚度，對應每條射線所計算的厚度對照厚度色條進行顏色賦值，并在對應面片上進行顏色顯示。

第五步：計算輻射劑量。

對照劑量深度曲線進行插值，得到該方向吸收的輻射劑量，對所有射線方向的吸收劑量累加得到單機總的吸收劑量。對應每條射線所計算的劑量，對劑量照色條進行顏色賦值，并在對應面片上進行顏色顯示。

2 分析實例

為檢驗該評估方法的有效性，下面以某飛行器結構模型為例，分析其三維屏蔽效果與輻射劑量，并與一維分析模式進行對比。另外以復雜模型為例，檢驗該評估方法的分析效率。

2．1 簡單模型分析實例

假設某飛行器飛行軌道為圓軌道，軌道高度為1000km，傾角為60°，飛行任務周期為1年，輻射劑量主要來源于地球輻射帶電子、地球輻射帶質子及太陽宇宙線質子。選取模型為太陽活動高年情況。

飛行器內某單機結構如圖4所示，艙體為圓柱形，艙體材料為鋁，厚度為3mm，單機材料為鋁，厚度為2mm。

圖4 飛行器結構模型Fig．4 Aircraft structural model

圖5為飛行軌道輻射劑量—深度分布曲線。按照輻射劑量的一維分析模式，該單機等效鋁防護厚度為5mm，任務期間累計吸收的輻射劑量為2063rad。

圖5 輻射劑量—深度分布曲線圖Fig．5 Radiation dose—depth distribution curve

按照1．3節的分析步驟，首先選定目標單機作為分析對象，進行離散化處理后選擇射線數量，然后分析該單機屏蔽厚度，圖6為分析得到的單機屏蔽厚度分布云圖?？梢钥吹?，單機8個頂角的防護厚度略高于平面部分防護厚度，符合物理實際。

在獲取上述屏蔽厚度后，導入任務劑量深度曲線，分析單機內部吸收的輻射劑量，圖7為分析后獲取的輻射劑量分布云圖。由于該模型中等效鋁防護厚度基本處于5mm～7mm范圍，各個方向輻射劑量都在1000rad～5000rad內。

圖6 屏蔽厚度分布云圖Fig．6 Shield thickness distribution cloud picture

圖7 輻射劑量分布云圖Fig．7 Radiation dose distribution cloud picture

將各方向獲取的輻射劑量進行加權累計后，計算得到整個單機吸收的輻射劑量為1590rad，而一維分析模式中分析結果為2063rad，比較一維分析模式與本文的三維分析模式下的計算結果可知，一維分析模式明顯低估了防護效果。

2．2 復雜模型分析實例

為檢驗該評估方法對于復雜模型的分析效率，下面構建了一個結構相對復雜、單機數量相對較多的飛行器模型，該模型艙體外安裝有太陽電池陣及雷達，艙體單機結構包括立方體結構、球殼結構及圓柱形結構等，艙內單機總數為39個，結構模型如圖8所示。該飛行器艙體為圓柱形，艙體等效鋁防護厚度為1mm，分析目標單機件殼體厚度約為1mm。

圖8 飛行器結構模型及目標單機厚度分布圖Fig．8 More complex aircraft structure model diagram and shield thickness distribution

選取與簡單模型分析相同的輻射環境參數，按照一維評估模式，單機內部吸收的輻射劑量為8852rad。在三維評估模式下，分析得到該單機吸收的輻射劑量為1393rad?？梢姡S評估模式計算的輻射劑量遠低于一維評估模式，如果采取相同抗輻射性能指標的電子器件，理論上單機殼體厚度可減小約0．85mm，單機包絡為Φ100mm×40mm，質量減小約0．07kg。對于含有39個單機的飛行器，粗略估計整個飛行器可降低質量約3kg。對于一次飛行任務，可以增加約3kg的其他有效載荷質量。本次分析中，單機包絡、厚度及質量規模較小，在實際工程中，采用三維劑量分析后，飛行器可減小的質量將更大。

本次分析中，利用硬件配置為2．4GHz處理器、12G內存的計算機對該模型進行屏蔽厚度分析，模型解析用時5min，防護厚度分析用時約50min，輻射劑量用時約1min，分析耗時可以滿足工程研制需求。

3 評估特征及優勢

國內外已經開發的三維輻射劑量分析工具各具特色，本文中提出的評估方法的特征及優勢體現在以下方面：

1）本文提出的三維輻射劑量評估方法結合工程應用實際，在飛行器結構設計中常用的工具軟件Creo基礎功能之上進行二次開發，能夠直接導入復雜的結構設計模型，無需開展復雜的建模工作，同時也避免了建模帶來的誤差。分析結果直接反饋給結構設計專業，提高了專業迭代效率。

2）該平臺創新性地實現了在飛行器結構表面的防護厚度云圖顯示，其對應關系更直接，能夠直觀地顯示屏蔽厚度分布情況，并且根據防護薄弱方向的指示，分析該方向上的質量分布，通過增加局部屏蔽屏或者調整布局的方式，優化質量屏蔽效果，使電子設備敏感器件處于輻射劑量相對較低的位置，降低選用輻射性能更優的電子器件的工程代價。

3）基于結構表面的三維輻射劑量評估方法不僅能夠顯示屏蔽厚度的分布，還能夠在所分析目標結構的表面顯示吸收劑量在4π立體角內的全向分布，將分布情況以云圖的方式顯示在結構表面，而不是僅僅得到所分析位置的輻射劑量總和，為空間環境專業設計人員對布局進行調整和優化提供更直接的參考依據。

4）通過改變分析精度參數，包括調整對結構的離散化程度，調整從分析位置出發的射線總數，能夠根據飛行器結構模型復雜程度控制分析精度，通過權衡分析耗費時間與分析準確度要求，選取合適的分析精度值。

4 結論

本文介紹了基于結構表面的三維屏蔽效果及輻射劑量評估方法，分析過程貼近工程應用實際，分析過程簡便，能夠快速獲取飛行器內部某一位置的輻射劑量，能夠以云圖方式顯示屏蔽厚度與劑量的分布，并指示出防護薄弱方向，分析結果直接應用于結構設計的優化。可為空間環境專業人員設計及仿真分析工作提供分析理論和模型上的參考。