空間輻射環境工程的現狀及發展趨勢

修湛博

摘 要 空間輻射環境是重要的環境因素之一，由其所誘導的單粒子效應、總劑量效應、位移損傷效應，會造成材料、設備損傷和性能惡化。與此同時空間輻射環境也可以用于其他空間活動，且活動會受到空間環境影響，這是影響其活動的最大的因素。空間環境可能會導致工程劣化和失敗。但是，如果能夠合理利用空間環境，在促進人類社會發展方面會起到積極作用。在這個背景下，本文對空間輻射環境工程進行了詳細的研究。

關鍵詞 空間輻射環境 空間輻射環境效應 地面模擬試驗

中圖分類號：TL7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）11-0001-02

空間環境對工程活動的順利進行至關重要，因為空間環境可能會引起材料、裝置和結構的損傷，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境工程的科學研究人員和技術人員提供參考。

1 空間輻射環境工程

空間環境是導致環境工程出現問題的主要因素之一。基于對中國早期六個衛星故障原因的統計分析，發現空間環境造成的故障可以占到全部故障的百分之四十五，空間輻射環境是空間環境引起故障的主要原因。美國的地球物理數據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星和準靜止衛星軌道上的異常進行了計數，在空間環境引起的衛星故障中，有將近百分之六七十的故障與問題均是由空間輻射環境引起的。由此可見，需要科學技術人員加強學習，同時加強自身專業素質的培養，以便可以更好地研究空間輻射環境和效應，使得其可以得到進一步的發展。環境工程各個方面和設備篩選的各個步驟，都可以看到空間輻射環境工程的身影，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]

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

2 研究現狀

2.1 空間輻射環境及模型

現在廣泛使用的地球輻射區模型是AE8和APA8模型。然而，AE8和AP8模型的最新檢測數據的年份已經超過三四十年，并且這個模型的低能量區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境模型正在被一些具有先進科學技術的環境工程機構研發。現在，它們可以應用于科學研究，但目前不用于工程設計。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。

關于深空間輻射環境和模型，目前研究了月球、火星、木星和土星的輻射環境，建立了相關模型。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。其中木星的輻射環境最為強烈，得到的空間探測數據最多。

目前，已經建立了一系列的空間輻射環境模型，并應用于科學研究和模型開發任務，但是在對環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環境模型，因此模型的不確定性比較大。

2.2 空間輻射環境效應及機理

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

電離損傷的瞬態影響主要是由于光電流終端瞬態電壓變化、電荷激活、電荷轉移等電離損傷引起，這是因為長期效應所造成的。世界各國完全認識到宇宙輻射損傷對環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：一方面已經進行了許多關于空間輻射效應的實驗研究，但是關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的數據不足，空間輻射效應的一些關鍵材料需要仔細評估;最后需要研究各種輻射環境因素、輻射環境和其他環境因素的協同效應。

3 發展趨勢

3.1 空間輻射環境及模型

1.開發動態輻射環境模型。有必要開發動態環境模型，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境模型。該環境模型有發展的必要性，因為各項同性模型在實際使用過程中有著一定的弊端，不能真正展現其內部環境的輻射效應。

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

3.2 空間輻射效應及機理研究

該部分一方面研究了不同的空間輻射環境元素及地上模擬源的相似和不同之處，將空間輻射環境效應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。另一方面工程環境不是單一的環境，它是由許多因素共同構成的一個環境。為了正確評估環境工程中敏感材料和裝置的空間輻射效應，應該注意相關的因素對環境工程產生的協同效應。

3.3 空間輻射環境及效應試驗評價標準

首先，制定一些修改環境工程輻射環境的標準制度跟規范設施。根據現有的環境工程輻射環境的標準制度跟規范設施，準備更完整、更準確的環境工程輻射環境的標準制度和規范設施，讓我們可以更好的進行科學研究和工程應用。[3]

其次，是完善環境工程輻射環境的一些標準制度跟規范設施。使用6co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一完善。

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

3.4 環境工程輻射及效應地面模擬試驗方法

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范圍內的紫外輻射效應的實驗方法，以及溫度和加速度因子等實驗參數的研究;在環境工程檢測中，輻射也可以起到一定作用，環境工程輻射及效應地面模擬主要是對一些電子元素進行了分析，增強了質子和脈沖激光器的單粒子效應及其等效性的實驗方法;對環境工程中多電子環境的協同效應的模擬實驗進行了分析研究。

3.5 空間輻射環境及效應地面模擬試驗設備

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

2.監視手段完整且布局妥當。由于地面模擬空間環境中面積均勻性是一個很大的問題，需要將監視裝置和監視器合理地配置，監控手段要盡可能多，如使用四極質量分析儀、真空計、溫度調節器、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主要在以下方向上發展：首先空間環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的。飛行試驗裝置可以配置在任意衛星平臺上，該裝置壽命長、可靠性高，可同時檢測或監視各種輻射效應;其次可以實現空間環境檢測和環境效果檢測。[4]

3.6 空間輻射環境及效應數值模擬

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

在未來的空間輻射環境和效應的數值模擬平臺上，環境參數和結構參數可以很容易被編輯，同時也可以實時顯示數字模擬結果。

3.7 抗輻射加固技術

抗輻射加固被納入空間開發的整個過程中。應該從材料設計、準備、選擇、驗證、結構設計和布局、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，所以有必要加強抗輻射。[5]

與單粒子效應和總劑量效應相比，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，我們應該將目光逐漸放到對該效應的抗輻射和對人工抗輻射技術的研究上，加強抗輻射效果驗證和定量評估技術研究。其可以測試和驗證某些材料或設備，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 結語

環境工程輻射是一門跨學科、系統的工程科學。在經過多年的發展之后，獲得了令人滿意的結果，在模型的開發中起著重要的作用，但是隨著新材料、新設備以及空間探索的開發，仍需要繼續努力發展空間輻射環境工程。

參考文獻：

[1] 趙雪，蔡震波.空間環境與衛星在軌異常分析[C].烏魯木齊：中國空間科學學會空間探測專業委員會第十七次學術會議論文集，2004-09-01：43-49.

[2] 王宇鯤. 空間輻射環境工程的發展[J].科技經濟導刊，2017，32（274）：101.

[3] 賴祖武.我國抗輻射電子學發展的回顧與展望[J].核電子學與探測技術，1990（05）：295.

[4] 敬國彪.輻射防護與環境工程研究[J].中文科技期刊數據庫（文摘版）工程技術，2017（04）：200.

[5] 周淑娟.環境工程中的高壓輸變電工程電磁輻射風險及其策略[J].魅力中國，2015（51）：308.