可穿戴太陽質子應急輻射防護服的仿真設計

蔡明輝， 楊 濤， 許亮亮， 夏 清， 韓建偉

（1.中國科學院國家空間科學中心， 北京 100190； 2.中國科學院大學天文與空間科學學院， 北京 100049）

1 引言

宇宙線高能粒子對航天員的輻射劑量危害是載人深空飛行亟待解決的一個重要問題。 由于缺少磁場和大氣的屏蔽，航天員在月球及深空飛行中遭遇的日均輻射劑量遠遠高于近地空間站軌道。 NASA 好奇號輻射評估探測器在2012 ～2013年的探測結果表明， 平均輻射劑量約為1.84 mSv／d，而且95%的輻射劑量來源于銀河宇宙線（Galactic Cosmic Ray，GCR）；中國嫦娥四號搭載的月球中子和劑量探測器最新探測結果表明，月面平均輻射劑量大約為1.37 mSv／d，其中77%來自于GCR，23%來自月表次級中子輻射；國際空間站上的劑量探測結果為0.73 mSv／d，其中72%來自于GCR，28%來自南大西洋異常區高能質子。 以上是沒有發生太陽質子事件（Solar Particle Event，SPE）下的輻射劑量，如果遭遇類似1972 年8 月的強太陽質子事件，輻射劑量可在短時間內達到1000 mSv。 美國輻射防護與測量委員會規定，考慮到重離子輻射劑量的不確定性及空間輻射在導致癌癥、中樞神經損傷、心血管疾病方面的不確定性，NASA 建議置信度95%下輻射致癌風險小于3%的劑量限制是150 mSv。 對于30 天左右的短期載人月球探測任務，航天員輻射防護的主要目標是偶發的SPE，尤其當航天員在艙外活動時如何利用航天服有限質量資源來保障航天員輻射安全至關重要。

目前，材料被動屏蔽是航天員應對空間輻射最行之有效的防護措施。 NASA 系統研究了現有各種元素材料對宇宙線高能粒子的防護效果，研究結果表明，原子序數越低，防護效果越好。 1936年，NASA 首次提出將載人航天必需的液氫和水作為防護材料的思路。 1998 年，美國勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Labora?tory，LBNL）利用地面加速器產生的高能粒子對Al、石墨、水、聚乙烯等材料開展了一系列實驗研究；截止到2005 年，LBNL 已經試驗獲得了液氫、水、聚乙烯、碳、Al、Cu、Sn、Pb 等大量材料對1 GeV／nFe 離子的屏蔽效果；2006 年，NASA 把聚乙烯當作實驗室的一種標準材料用以評價材料屏蔽GCR 效能的優劣。 NASA 馬歇爾飛行中心（Marshall Space Flight Center ，MSFC）的研究結果表明，隨著屏蔽厚度的增大，初級宇宙線核反應生成的次級中子、伽馬射線輻射劑量貢獻逐漸變大，在等效鋁屏蔽厚度10 cm 下，GCR 產生的次級粒子輻射劑量貢獻可占50%。 因此，可在富氫材料的基礎上進一步配置不同原子序數的材料，以更好防護次級中子、γ 射線的輻射。 例如，可在富氫材料中添加中子捕獲吸收截面大的B、Li 等核素降低中子輻射劑量，可添加Pb、W 來降低γ射線劑量。 1994 年，Myung 等美國弗吉尼亞大學就在新型聚合物屏蔽材料中摻雜硼和鋰元素以減弱中子劑量；2004 年，Abdo 等用聚乙烯和PbO 組成復合材料將γ 射線輻射劑量降低一個數量級；2005 年，Adams 等研制了新型聚乙烯材料作為未來航天器建造用新材料，這種材料的密度約為鋁的1／3，堅固3 倍，并可最大限度地減少次級輻射；2009 年，Zhong 等在超高分子量聚乙烯（Ultra?High Molecular Weight Polyethylene，UHMWPE）中加入了納米環氧材料以提高聚乙烯材料的機械和物理性能，同時對GCR 具有較好的屏蔽效果；2014 年，Ji 等通過在高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）中摻雜氮化硼，使次級中子輻射劑量顯著減小。 近年來，各國科學家試圖通過添加重金屬或硼元素提升富氫材料的防護效果。

本文將結合典型太陽質子事件能譜特征系統仿真不同材料的屏蔽效能，篩選性能最優的抗輻射材料；結合艙內航天服和艙外航天服2 種應用場景，仿真相同面密度下不同配比、不同結構的防護效果。

2 仿真條件

2.1 仿真工具

擬采用歐洲核子研究中心開發的Geant4（GEometry and Tracking） 軟件進行仿真計算。Geant4 是基于C++面向對象技術開發的蒙特卡羅應用軟件包，用于模擬粒子在物質中輸運的物理過程。 相對于MCNP（Monte Carlo N Particle Transport Code）、EGS（Electron?Gamma Shower ）等商業軟件來說，其優點是源代碼完全開放，用戶可以根據實際需要更改、擴充Geant4 程序。 由于具有良好的通用性和擴展能力，Geant4 在涉及微觀粒子與物質相互作用的諸多領域獲得了廣泛應用。 例如，空間應用中用于模擬太空環境中宇宙射線對飛行器設備的損害，微電子學中研究電離作用對微電子器件的影響，輻射醫學中模擬放射線對生物體組織的各種效應。

2.2 宇宙線輻射環境

空間的宇宙線輻射環境主要包括GCR 和太陽宇宙線。 GCR 是起源于太陽系之外的高能帶電粒子，粒子成分包括元素周期表從氫到鈾的所有元素，其中質子占93.0%，α 粒子占6.3%，其他重粒子只占0.1%。 GCR 最突出的特征是能譜范圍特別寬、通量低，強度與太陽活動水平呈反相關，低年的銀河宇宙線強度比高年的要高1 ～2 倍。 太陽宇宙線是太陽上發生耀斑時發出的高能帶電粒子流，由于絕大部分是質子，故又常稱為SPE。 SPE 主要由質子組成，此外還有氦核（3%～15%），也有電荷（＞2）的重核存在，其中C、N、O 核通量占總粒子的0.05%。 每次太陽爆發所產生的太陽宇宙線， 其強度和能譜都是不完全相同的。 雖然太陽宇宙線質子的能量范圍沒有銀河宇宙線寬， 但在低于100 MeV的范圍內， 太陽宇宙線通量要比銀河宇宙線通量高幾個數量級。

目前， 國際上普遍采用CRME96（Cosmic Ray Effectson Micro?Electronics）模型描述銀河宇宙線和太陽宇宙線的微分通量，圖1 是利用CREME96計算的太陽活動低年，即銀河宇宙線極大時粒子能譜，圖2 給出了歷史上發生的5 次特大質子事件的能譜。 以上5 次SPE 屬于極端惡劣情況，考慮空間更加真實的能譜特征，本文采用高能太陽粒子（Energetic Solar Particle，ESP）模型給出的統計平均能譜進行仿真計算，如圖3 所示。

圖1 太陽活動低年銀河宇宙線能譜［3］Fig.1 Galactic cosmic ray spectra at solar minimum［3］

圖2 歷史上的太陽質子事件擬合積分能譜［3］Fig.2 Spectra of larger solar particle events from 1956 to 1990［3］

圖3 在軌1 年置信度90%計算的SPE 能譜Fig.3 SPE energy spectrum calculated with 90%confidence in orbit for one year

3 不同材料SPE 防護效能仿真

3.1 幾何模型設置

當航天員在艙外活動（Extra?vehicular activity，EVA）時，SPE 直接作用于航天服材料，最后再作用于人體，如圖4 所示；當航天員在艙內活動（Intra?vehicular activity，IVA）時，SPE 需要先穿過艙體鋁和空氣的屏蔽，再作用于航天服材料和人體上，如圖5 所示。 計算中用水代表人體組織，計算沉積的輻射劑量。

圖4 EVA 幾何模型Fig.4 EVA geometric model

圖5 IVA 幾何模型Fig.5 IVA geometric model

3.2 材料參數

針對航天7 種典型材料進行SPE 輻射防護性能的仿真計算，分析IVA、EVA 不同應用場景下航天服屏蔽材料的防護效能，表1 列出屏蔽材料的主要技術參數。

表1 屏蔽材料參數Table 1 Parameters of shielding materials

3.3 仿真結果

圖6 和圖7 分別給出了IVA 場景和EVA場景下不同材料的屏蔽防護效能。 從圖中可以看到，無論是IVA 場景還是EVA 場景，相同質量面密度下氫元素含量較高的POLYOXYM?ETHYLENE、PE 和WATER 對SPE 輻射的防護效能最好，鋁、鉭等金屬材料防護效能最差。

圖6 IVA 場景下不同材料的屏蔽效能Fig.6 Shielding effectiveness of different materials in IVA scenario

圖7 EVA 場景下不同材料的屏蔽效能Fig.7 Shielding effectiveness of different materials in EVA scenario

氫元素在空間輻射屏蔽防護方面具有獨特優勢，主要在于其獨特的荷質比特性。 氫原子內部沒有中子，因此在單位質量下可以含有更多的核外電子和原子核，可以對初級粒子造成更大的能量能損，同時次級中子產額也更少。

4 航天服SPE 抗輻射仿真設計

針對SPE 防護效能最高的PE 材料，擬研究摻雜不同配比氮化硼（BN）對材料輻射防護能力的影響，并結合NASA 典型航天服結構材料參數進行航天服抗輻射性能的優化設計。

4.1 富氫復合材料配比的仿真設計

針對由高密度聚乙烯（HDPE）和BN 組成的多種單層富氫復合材料進行SPE 防護效能仿真計算，詳細材料設計參數如表2 所示，圖8、圖9給出了IVA 和EVA 場景下不同材料的屏蔽效能。

表2 單層富氫復合材料參數Table 2 Parameters of single?layer hydrogen rich com?posites

從圖8、圖9 中可以看到，在IVA 和EVA 場景下，隨著材料中BN 含量的增加，輻射劑量均緩慢增強，這是因為雖然B 元素可以吸收次級中子劑量，但同時由于氫元素含量減少會降低對初級質子的屏蔽能力，因此在相同質量密度下，增加BN 對降低最終輻射劑量并沒有顯著幫助。 仿真結果與美國MSFC 的仿真結果一致，地面重離子試驗也可以得到類似的試驗結果。

圖8 IVA 場景下不同材料的屏蔽效能Fig.8 Shielding effectiveness of different materials in IVA scenario

圖9 EVA 場景下不同材料的屏蔽效能Fig.9 Shielding effectiveness of different materials in EVA scenario

4.2 現有航天服SPE 抗輻射能力仿真分析

根據NASA 航天服的結構設計和組成進行仿真分析，研究其對SPE 的防護能力，表3 ～表5 給出了計算采用的不同部位從外到內所用材料的基本參數。 圖10 是結合圖3 的SPE 能譜仿真得到EVA 場景下航天服不同部位輻射劑量結果。

表3 航天服頭盔從外到內材料參數Table 3 Material parameters of spacesuit helmet from outside to inside

表4 航天服上部軀體從外到內材料參數Table 4 Material parameters of upper body of spacesuit from outside to inside

表5 航天服下部軀體（手臂和腿部）從外到內材料參數Table 5 Material parameters of lower body （arms and legs） of spacesuit from outside to inside

圖10 EVA 場景下航天服不同部位輻射劑量Fig.10 Radiation dose at different parts of spacesuit under EVA scenario

從表3～表5 中可以看到，航天服頭盔總屏蔽厚度最大，為1.217 g／cm；上部軀體總屏蔽厚度次之，為0.599 g／cm；下部軀體總屏蔽厚度最小，為0.28 g／cm。 從圖10 中可以看到，屏蔽越厚，對應的SPE 輻射劑量越小，頭盔里的相對輻射劑量可高達近20 Gy。

4.3 可穿戴SPE 應急防護服仿真設計

從圖10 可以看到，現有航天服防護下SPE對航天員仍將造成較高的輻射劑量，不足以保護航天員輻射健康安全。 以屏蔽效能較高的PE 材料為例，研究不同PE 屏蔽面密度下，航天服不同部位遭遇的輻射劑量和屏蔽效率，如圖11、12 所示。 從圖中可見，增加相同厚度PE 材料對于下部軀體效率較高、上部軀體次之、頭盔最低。 主要原因為SPE 中隨著粒子能量的增大數量迅速減?。ㄈ鐖D3 所示），因此航天服厚度越小的部位，增加PE 的輻射防護，改進效率越高。 本文計算中，航天服頭盔、上部軀體、下部軀體的總屏蔽厚度分別為1.217，0.599，0.28 g／cm，故增加相同厚度PE 材料對于下部軀體效率最高。

圖11 不同PE 屏蔽厚度下航天服不同部位遭遇的輻射劑量Fig.11 Radiation dose encountered by different parts of spacesuit under different PE shielding thickness

圖12 不同PE 屏蔽厚度下航天服不同部位的屏蔽效率Fig.12 Shielding efficiency of different parts of spacesuit under different PE shielding thick?ness

5 結論

1） 富氫材料對SPE 事件防護效果最佳，氫含量越高，輻射防護能力越強；

2） 添加B 元素，屏蔽材料優化效果并不明顯，因為相同質量下添加B 元素可以降低次級中子劑量，但同時會增大初級質子輻射劑量；

3）在增加相同質量厚度的PE 材料情況下，航天服初始屏蔽厚度越小的部位，輻射防護提升效率越高。