空間輻射環(huán)境工程的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

修湛博

（遼寧省遼陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧遼陽 111000）

空間環(huán)境對工程活動的順利進行至關(guān)重要，因為空間環(huán)境可能會引起材料、裝置和結(jié)構(gòu)的損傷，從而導致性能降低或故障，而對于人類來說，獨特的空間資源是有益的。通過本文的研究分析，希望能為從事空間輻射環(huán)境工程的科學研究人員和技術(shù)人員提供參考。

1 空間輻射環(huán)境工程

空間環(huán)境是導致環(huán)境工程出現(xiàn)問題的主要因素之一。基于對中國早期六個衛(wèi)星故障原因的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)空間環(huán)境造成的故障可以占到全部故障的百分之四十五，空間輻射環(huán)境是空間環(huán)境引起故障的主要原因。美國的地球物理數(shù)據(jù)中心對二十世紀七十年代初期到二十世紀八十年代末期的靜止衛(wèi)星和準靜止衛(wèi)星軌道上的異常進行了計數(shù)，在空間環(huán)境引起的衛(wèi)星故障中，有將近百分之六七十的故障與問題均是由空間輻射環(huán)境引起的。由此可見，需要科學技術(shù)人員加強學習，同時加強自身專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)，以便可以更好地研究空間輻射環(huán)境和效應(yīng)，使得其可以得到進一步的發(fā)展。環(huán)境工程各個方面和設(shè)備篩選的各個步驟，都可以看到空間輻射環(huán)境工程的身影，因此需要對故障問題進行精準研究分析、空間預測和預警，提高工程的可靠性和使用年限。[1]

空間輻射環(huán)境工程是一種在空間探測和空間應(yīng)用過程中，將空間輻射環(huán)境影響應(yīng)用于環(huán)境工程的技術(shù)，同時進行實驗評估、預測、保護和利用，是空間輻射環(huán)境科學和工程的組合產(chǎn)品。它具有多種學術(shù)領(lǐng)域的滲透，存在于工程開發(fā)的全過程，是環(huán)境工程不可或缺的重要部分。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 空間輻射環(huán)境及模型

現(xiàn)在廣泛使用的地球輻射區(qū)模型是AE8 和APA8 模型。然而，AE8 和AP8 模型的最新檢測數(shù)據(jù)的年份已經(jīng)超過三四十年，并且這個模型的低能量區(qū)域并沒有被加入進來，加之其他因素的影響使得本身不完善的模型更加搖搖欲墜，在它的使用過程中有一些不可控制的地方，因此新一代的空間輻射環(huán)境模型正在被一些具有先進科學技術(shù)的環(huán)境工程機構(gòu)研發(fā)。現(xiàn)在，它們可以應(yīng)用于科學研究，但目前不用于工程設(shè)計。這個模型在以下兩個方面得到改善：擴展覆蓋和空間覆蓋的范圍，同時給出了因儀器的不確定性和空間天氣變化引起的模型的不確定度。

關(guān)于深空間輻射環(huán)境和模型，目前研究了月球、火星、木星和土星的輻射環(huán)境，建立了相關(guān)模型。眾所周知木星和土星本身具有輻射帶，并且還是屬于它們自己的，其根本原因是因為這兩個行星自身磁場特別強，所以有自己的輻射帶。其中木星的輻射環(huán)境最為強烈，得到的空間探測數(shù)據(jù)最多。

目前，已經(jīng)建立了一系列的空間輻射環(huán)境模型，并應(yīng)用于科學研究和模型開發(fā)任務(wù)，但是在對環(huán)境工程的眾多影響中，并沒有考慮各項異性的影響。究其根本是因為模型是長期的靜態(tài)環(huán)境模型，因此模型的不確定性比較大。

2.2 空間輻射環(huán)境效應(yīng)及機理

眾所周知，空間輻射環(huán)境有利自然有弊，它會給材料和裝置帶來嚴重的輻射損傷。輻射損傷效應(yīng)能夠根據(jù)不同的條件進行不同的分類，它可以根據(jù)影響時間劃分成兩種：瞬態(tài)與長期。長期效應(yīng)意味著材料或裝置的性能長期變化或降級，瞬態(tài)效應(yīng)指的是可以在短時間內(nèi)恢復材料和裝置的性能變化或降級。[2]

電離損傷的瞬態(tài)影響主要是由于光電流終端瞬態(tài)電壓變化、電荷激活、電荷轉(zhuǎn)移等電離損傷引起，這是因為長期效應(yīng)所造成的。世界各國完全認識到宇宙輻射損傷對環(huán)境工程安全性的影響，并進行了很多研究，但還存在以下缺點：一方面已經(jīng)進行了許多關(guān)于空間輻射效應(yīng)的實驗研究，但是關(guān)于宇宙輻射損傷機制的研究相對較少；另一方面由于空間輻射效應(yīng)的數(shù)據(jù)不足，空間輻射效應(yīng)的一些關(guān)鍵材料需要仔細評估；最后需要研究各種輻射環(huán)境因素、輻射環(huán)境和其他環(huán)境因素的協(xié)同效應(yīng)。

3 發(fā)展趨勢

3.1 空間輻射環(huán)境及模型

1.開發(fā)動態(tài)輻射環(huán)境模型。有必要開發(fā)動態(tài)環(huán)境模型，因為其可以反映太陽活動、地磁干擾、長期地磁漂移。

2.各項異性空間輻射環(huán)境模型。該環(huán)境模型有發(fā)展的必要性，因為各項同性模型在實際使用過程中有著一定的弊端，不能真正展現(xiàn)其內(nèi)部環(huán)境的輻射效應(yīng)。

3.更準確的空間輻射環(huán)境模型。空間模型的開發(fā)在世界各個國家間大不相同，因此有必要開發(fā)更準確的空間輻射環(huán)境模型來提高模型的可靠性。

3.2 空間輻射效應(yīng)及機理研究

該部分一方面研究了不同的空間輻射環(huán)境元素及地上模擬源的相似和不同之處，將空間輻射環(huán)境效應(yīng)的測試方法也做了一定修改，使得測試方法變得更加科學有效。另一方面工程環(huán)境不是單一的環(huán)境，它是由許多因素共同構(gòu)成的一個環(huán)境。為了正確評估環(huán)境工程中敏感材料和裝置的空間輻射效應(yīng)，應(yīng)該注意相關(guān)的因素對環(huán)境工程產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)。

3.3 空間輻射環(huán)境及效應(yīng)試驗評價標準

首先，制定一些修改環(huán)境工程輻射環(huán)境的標準制度跟規(guī)范設(shè)施。根據(jù)現(xiàn)有的環(huán)境工程輻射環(huán)境的標準制度跟規(guī)范設(shè)施，準備更完整、更準確的環(huán)境工程輻射環(huán)境的標準制度和規(guī)范設(shè)施，讓我們可以更好的進行科學研究和工程應(yīng)用。[3]

其次，是完善環(huán)境工程輻射環(huán)境的一些標準制度跟規(guī)范設(shè)施。使用6’co 代替高能粒子來進行測試，并對高能帶電粒子總劑量的測試標準進行統(tǒng)一完善。

最后，確定質(zhì)子單粒子效應(yīng)和脈沖激光單粒子效應(yīng)地面模擬測試的相關(guān)標準和規(guī)范；確立光電器件位移損傷效應(yīng)的一般標準或規(guī)范。空間材料的紫外線效應(yīng)，特別是在大于10nm 小于110nm的范圍內(nèi)，需要建立紫外線效應(yīng)的通用標準，然后為了得到更好的保障，還要進一步研討設(shè)定的辦法及經(jīng)驗。

3.4 環(huán)境工程輻射及效應(yīng)地面模擬試驗方法

從材料性能降解評估的角度，研究了能量譜等效法及金屬膜散射法的測試方法和有效性；研究在大于10nm 卻小于110nm 范圍內(nèi)的紫外輻射效應(yīng)的實驗方法，以及溫度和加速度因子等實驗參數(shù)的研究；在環(huán)境工程檢測中，輻射也可以起到一定作用，環(huán)境工程輻射及效應(yīng)地面模擬主要是對一些電子元素進行了分析，增強了質(zhì)子和脈沖激光器的單粒子效應(yīng)及其等效性的實驗方法；對環(huán)境工程中多電子環(huán)境的協(xié)同效應(yīng)的模擬實驗進行了分析研究。

3.5 空間輻射環(huán)境及效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備

1.包括所有環(huán)境和效果因素。為了研究空間多因子環(huán)境的協(xié)同效應(yīng)，將電子、質(zhì)子等整合到多個復合實驗室，得出設(shè)計性能指數(shù)可靠合理。它不僅滿足了環(huán)境工程的材料和設(shè)備的性能降級評估，還可以避免由于不必要的高指標而引起的經(jīng)濟廢物。

2.監(jiān)視手段完整且布局妥當。由于地面模擬空間環(huán)境中面積均勻性是一個很大的問題，需要將監(jiān)視裝置和監(jiān)視器合理地配置，監(jiān)控手段要盡可能多，如使用四極質(zhì)量分析儀、真空計、溫度調(diào)節(jié)器、紫外線照度計等。必須充分考慮原位試驗的必要性，如果沒有采用原位試驗，其回復效果會有一定的問題。空間輻射影響測試技術(shù)主要在以下方向上發(fā)展：首先空間環(huán)境和效果飛行試驗平臺是向公共、綜合、多功能等方面進行開發(fā)的。飛行試驗裝置可以配置在任意衛(wèi)星平臺上，該裝置壽命長、可靠性高，可同時檢測或監(jiān)視各種輻射效應(yīng)；其次可以實現(xiàn)空間環(huán)境檢測和環(huán)境效果檢測。[4]

3.6 空間輻射環(huán)境及效應(yīng)數(shù)值模擬

未來的模型能夠精準分析輻射效應(yīng)，與此同時還可以控制各種常見的空間環(huán)境和環(huán)境模型。在該數(shù)值平臺中，不僅可以確保所有的要素都是在空間輻射環(huán)境中進行的，還可以確保輻射效應(yīng)的實現(xiàn)。

在未來的空間輻射環(huán)境和效應(yīng)的數(shù)值模擬平臺上，環(huán)境參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)可以很容易被編輯，同時也可以實時顯示數(shù)字模擬結(jié)果。

3.7 抗輻射加固技術(shù)

抗輻射加固被納入空間開發(fā)的整個過程中。應(yīng)該從材料設(shè)計、準備、選擇、驗證、結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局、軌道故障分析和處理的角度充分考慮輻射增強的重要性以及新材料和裝置抗輻射的強化。高性能和高集成的新電子元件和材料通常具有高輻射敏感性，并且容易引起單個粒子效應(yīng)，所以有必要加強抗輻射。[5]

與單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)相比，在諸多效能里面，近年來位移損傷逐漸在眾多效能里面贏得一席之地。因此在研究的過程中，我們應(yīng)該將目光逐漸放到對該效應(yīng)的抗輻射和對人工抗輻射技術(shù)的研究上，加強抗輻射效果驗證和定量評估技術(shù)研究。其可以測試和驗證某些材料或設(shè)備，但不能進行某些過于詳細的測試和評估，因此有必要進一步研究效果驗證和定量評價的方法。

4 結(jié)語

環(huán)境工程輻射是一門跨學科、系統(tǒng)的工程科學。在經(jīng)過多年的發(fā)展之后，獲得了令人滿意的結(jié)果，在模型的開發(fā)中起著重要的作用，但是隨著新材料、新設(shè)備以及空間探索的開發(fā)，仍需要繼續(xù)努力發(fā)展空間輻射環(huán)境工程。