PE/CNT復合材料對空間質子的屏蔽效能仿真分析

王 磊,韓 丹,2,*,蔡毓龍,崔 帥,曹榮幸,2,李紅霞,2,薛玉雄,2,*

(1.揚州大學 電氣與能源動力工程學院,江蘇 揚州 225127;2.國家原子能機構抗輻照應用技術創新中心,北京 102413;3.中國科學院 微小衛星創新研究院,上海 201203)

近地空間輻射環境主要由地球輻射帶、太陽宇宙線和銀河宇宙線中的帶電粒子等組成,相比其他帶電粒子,質子具有較高的通量和較寬的能量范圍,是近地空間中誘發空間輻射效應的主要來源[1-2]。中低軌遙感衛星所處的空間環境中存在的高通量質子,容易造成光電器件性能退化,甚至最終失效,影響了遙感衛星在軌壽命和成像質量[3-5]。與其他傳統衛星類似,目前中低軌遙感衛星主要還是使用鋁(Al)作為防護材料[6-7],然而隨著遙感衛星觀測精度和成像分辨率需求的不斷提高,國內外研究學者都在積極探索新型高效質子防護材料。

長期以來,國外學者對新型質子防護材料的研究較為關注,特別是研究航天器外殼屏蔽層的防護效能以及其熱力學性能。目前普遍認為氫是屏蔽質子和重核的最有效元素。然而,由于氫在化學上不穩定且不易處理,因此富含氫的物質如聚乙烯(PE)被認為是屏蔽質子的良好材料。近年來國內也對PE等材料進行了研究,劉佳強等[8]利用Geant4模擬軟件分析PE材料對輻射帶的質子輻射環境的屏蔽效能,證明在相同質量厚度下,PE對質子的屏蔽效能高于Al,并且產生更少的次級粒子輻射。荀明珠等[9]利用Geant4模擬軟件計算PE、Al和水對100 MeV質子的屏蔽效能,研究發現有效屏蔽100 MeV質子時,使用PE材料可以比Al減輕27.29%的質量。然而,PE等材料的力學穩定性較差,不適合應用于惡劣的空間環境。目前碳納米管(CNT)被廣泛應用于構建復合屏蔽材料。已有研究表明[10-11],通過在高分子材料中添加CNT,可以有效提高復合材料的結構特性。此外,添加CNT還有助于屏蔽空間中的質子。Laurenzi等[12]開展不同空間環境下PE基納米復合材料輻射屏蔽性能研究,發現摻雜1%～5%CNT的復合材料,其質子屏蔽性能與純PE相當,而摻雜濃度在10%以上復合材料才逐漸呈現出比純PE更好的屏蔽性能。Li等[13]通過對聚二甲基硅氧烷(PDMS)中摻雜單壁碳納米管(SWCNT)的質子屏蔽特性進行實驗和仿真研究,發現PDMS/SWCNT的屏蔽性能隨著質子能量的增加而提高,并表明復合材料對質子的屏蔽能力會受到CNT結構的影響。然而現有研究尚未厘清CNT摻雜濃度、管壁直徑、排布方式以及管壁層數等參數對復合材料屏蔽性能的影響機制,因此亟需設計一種PE摻雜CNT陣列的復合材料,研究不同摻雜參數對質子屏蔽效能的影響,進而綜合分析復合材料對于空間質子的屏蔽性能。

本文使用蒙特卡羅方法構建PE摻雜CNT陣列復合材料結構模型,通過Geant4仿真軟件開展復合材料屏蔽質子效能仿真研究,首先探究CNT的摻雜濃度、管壁直徑、排布方式以及管壁層數等因素對復合材料質子屏蔽效能的影響,隨后分析復合材料、PE屏蔽質子后在探測器中電離劑量的差異,并研究復合材料質子透射能譜及次級輻射情況,為后續輻射防護材料設計提供數據支撐。

1 理論基礎

1.1 碳納米管結構

CNT是一種管狀的納米級石墨晶體。它是由單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米級管,是一種具有特殊結構的一維量子材料。CNT中的碳原子以sp2雜化為主,同時六角型網格結構存在一定程度的彎曲,形成空間拓撲結構[14]。按照卷曲石墨片的層數劃分,CNT可分為SWCNT和多壁碳納米管(MWCNT),如圖1所示。典型SWCNT的直徑在0.7～1.5 nm范圍內,而MWCNT的最內層管狀層的直徑在2～10 nm范圍內[15]。MWCNT層與層之間保持固定的距離,約為0.34 nm[16]。此外,在一定條件下,CNT可以呈現特定方向排列,形成CNT陣列,從而發揮其高長徑比帶來的各種優異特性[17]。

a——單壁碳納米管;b——多壁碳納米管圖1 碳納米管結構圖Fig.1 Schematic diagram of carbon nanotube

1.2 質子與材料相互作用機理

當質子與物質相互作用時,主要會與靶原子的核外電子發生庫侖碰撞,導致原子被激發或電離,從而質子本身失去能量,這種能量損失稱為電子能損。此外,質子還會與靶原子核發生彈性碰撞或非彈性碰撞。彈性碰撞是指質子在庫侖力下直接與原子核碰撞,并將其部分能量傳遞給目標原子,這部分能量稱為非電離能損,非彈性碰撞包括了質子捕獲反應和核反應[18]。

CNT具有中空結構,在質子和管壁碳原子相互作用的過程中,攜帶能量的質子會不同程度地激發管壁價電子,進而產生單電子激發或者集體激發行為。當質子的能量在MeV能量范圍時,CNT的管壁價電子集體激發產生電子的極化效應,對質子產生兩個方向的極化力:反方向的阻止力和垂直方向的鏡像力。前者導致質子不斷失去能量,造成能量損失,后者吸引質子不斷靠近CNT管壁運動,改變其運動軌跡[19-20]。

CNT與聚合物組合形成的復合材料能改善質子屏蔽性能,歸因如下:首先入射質子與基體材料發生相互作用,有效減小了質子的能量和數量,這在含氫量高的聚合物中體現得更為明顯。同時,入射質子受到CNT的影響,會在穿過CNT管壁時損失能量,并改變運動軌跡,從復合材料出射的質子將進一步減少。此外,質子能量較低,會直接沉積在復合材料中,引起復合材料的含氫量增加,間接提升了復合材料對后續質子的屏蔽能力。

2 仿真建模

本文利用Geant4[21]蒙特卡羅模擬程序計算摻雜CNT陣列的PE對地球輻射帶捕獲質子的屏蔽效能。其中PE作為基體材料,CNT作為填充物。CNT陣列基本參數設定如下:長度為0.5 μm,管壁直徑為2 nm,管壁厚度為0.182 nm,排布方式為水平方向排布。

針對質子與材料的物理過程,分別采用G4LElastic、G4CascadeInterface、G4hIonisation模型描述質子與材料發生反應過程中發生的彈性散射、非彈性散射及電離過程,對于除質子以外的反沖原子,分別采用G4ionIonisation、G4BinaryLightIonReaction模型描述其電離與核相互作用過程[22-23]。此外通過添加StandardNR物理模型,對于能量小于100 MeV的離子或核子,用單庫侖散射物理模型替換多重散射的標準電磁物理模型,使能量在0～100 MeV范圍內質子模擬的物理過程更精確[24]。由于仿真中幾何模型尺寸為nm～μm量級,故在物理列表中粒子的截斷閾值設置為1 nm。

本文選擇軌道參數如下:近地點高度為600 km,遠地點高度為5 200 km,軌道傾角為63°,輻射帶質子模型為AP8max。通過SPENVIS軟件計算獲得該軌道捕獲質子積分能譜,如圖2所示。設定粒子源為各向同性入射的面源,在探究CNT摻雜參數對復合材料屏蔽性能的影響時,結合模型大小以及時間因素,抽樣總粒子數為1×105個;而對復合材料進行綜合屏蔽性能仿真時,抽樣總粒子數為1×108個,超過積分能譜的最大通量,確保每個能量段的質子都有從粒子源出射的概率。

圖2 典型軌道空間捕獲質子積分能譜Fig.2 Captured proton integral energy spectrum in typical orbital space

在仿真設置中,如果采用Geant4默認的偽隨機數引擎[25],那么在相同條件下的仿真結果是確定的。而對于微模型來說,使用偽隨機數會帶來偶然性和較大仿真誤差。因此,為了降低偶然因素產生的仿真誤差,在仿真中設置采用真隨機數引擎,并對同一次計算進行多次仿真,最終結果取多次結果的平均值。

3 結果與討論

3.1 碳納米管摻雜參數對PE/CNT復合材料屏蔽性能的影響

為了研究CNT摻雜參數對復合材料屏蔽性能的影響,建立的初始幾何模型如圖3所示,模型(World)周圍設置的是真空環境。在World中心放置1個PE基體模型,其大小為0.5 μm×0.5 μm×0.5 μm。構造CNT陣列的方式是先將1組CNT模型組合成1排,形成1個組合整體,然后將這個組合整體在基體中按一定間距鋪排,形成陣列結構。

圖3 PE/CNT復合材料示意圖Fig.3 Schematic diagram of PE/CNT composite material

3.1.1摻雜不同濃度CNT陣列對PE/CNT復合材料屏蔽性能的影響 保持CNT陣列基本參數,僅改變CNT摻雜濃度為1%、5%、10%、15%、20%。通過統計屏蔽后的質子出射個數,探究復合屏蔽材料對質子的屏蔽效能。如圖4所示為復合材料屏蔽后出射質子個數隨CNT摻雜濃度的變化。由圖4可知,當CNT摻雜濃度為1%時,復合材料屏蔽后出射質子個數為99 882;而當CNT摻雜濃度為20%時,復合材料屏蔽后出射質子個數減小至99 141。這表明隨著PE中CNT的摻雜濃度增大,屏蔽后出射質子個數呈減小趨勢。CNT摻雜濃度增加表明復合材料中CNT的數量增加,將會增加質子與屏蔽材料的碰撞概率,使得材料阻止本領增強。由于阻止本領的改變,能譜中部分低能質子的射程變短,無法穿透材料,從而減小了出射后的質子個數,增強了復合材料的質子屏蔽效能。此外,本文通過計算相同尺寸下的純PE材料屏蔽后出射質子個數(99 965),證明摻雜CNT復合材料的屏蔽性能優于純PE材料的屏蔽性能。

圖4 穿過復合材料的質子個數隨碳納米管摻雜濃度的變化Fig.4 Number change of proton passing through composite material with doping concentration of CNT

3.1.2摻雜不同管壁直徑CNT陣列對PE/CNT復合材料屏蔽性能的影響 基于上述研究結果,固定CNT摻雜濃度為10%,僅改變CNT管壁直徑為1、2、3、4、5 nm。復合材料屏蔽后出射質子個數隨CNT管壁直徑的變化如圖5所示。由圖5可知,當CNT管壁直徑為1 nm時,復合材料屏蔽后出射質子個數為99 616;而當CNT管壁直徑為5 nm時,復合材料屏蔽后出射質子個數減小至99 057。這表明在PE中摻雜不同管壁直徑的CNT后,其屏蔽后出射的質子個數隨著CNT管壁直徑的增加呈減小趨勢。這是由于在相同摻雜濃度下,CNT管壁直徑增加表明摻雜CNT數量減少,同時CNT側面積增大。通過計算CNT陣列在入射面上的投影,可以發現總投影面積是隨CNT管壁直徑增加而逐漸增大的。這里的投影面積并非直接影響核過程,而是增加質子與CNT陣列的相互作用概率,有效降低入射質子的能量,從而減小出射后的質子個數,增強復合材料的質子屏蔽效能。

圖5 穿過復合材料的質子個數隨碳納米管管壁直徑的變化Fig.5 Number change of proton passing through composite material with diameter of CNT

3.1.3摻雜不同排布角度CNT陣列對PE/CNT復合材料屏蔽性能的影響 基于上述研究結果,固定CNT摻雜濃度和管壁直徑分別為10%和5 nm,僅改變CNT排布角度為0°、30°、60°、90°,其中0°和90°的排布角度分別對應水平方向排布和十字交叉排布2種排布方式。根據不同排布角度構建的模型如圖6所示。復合材料屏蔽后出射質子個數隨CNT排布角度的變化如圖7所示。由圖7可知,在PE中摻雜不同排布角度的CNT后,規則排布(水平方向排布或十字交叉排布)時質子屏蔽效能要優于非規則排布。這是由于當CNT排布角度為30°和60°時,CNT陣列會存有較大空隙,導致質子與材料碰撞概率減小,從而減弱了材料的屏蔽性能。在規則排布中,十字交叉排布對質子的屏蔽性能要優于水平方向排布。十字交叉排布的CNT陣列會增加質子與CNT的接觸面積,增大質子與材料的碰撞概率,進而降低質子出射個數,提高材料的屏蔽效果。

a——0°;b——30°;c——60°;d——90°圖6 不同排布角度CNT陣列模型Fig.6 CNT array model with different arrangement angles

圖7 穿過復合材料的質子個數隨碳納米管排布角度的變化Fig.7 Number change of proton passing through composite material with arrangement angle of CNT

3.1.4摻雜不同管壁層數CNT陣列對PE/CNT復合材料屏蔽性能的影響 基于上述研究結果,固定CNT摻雜濃度為10%,排布角度為90°,僅改變CNT管壁層數(以下簡稱“壁數”)為1、2、3、4、5、10層,最內層的直徑為2 nm。圖8所示為復合材料屏蔽后出射質子個數隨CNT壁數的變化。由圖8可知,CNT壁數為1時,復合材料屏蔽后出射質子個數為99 129;CNT壁數為2時,個數降低至99 100;CNT壁數為5時,個數增大至99 207;CNT壁數為10時,個數為99 241。數據表明在PE中摻雜不同壁數的CNT后,其屏蔽后出射質子個數隨著CNT壁數的增加先減小后增大,但總體變化幅度不大。這是由于在相同摻雜濃度下,CNT壁數增加,導致摻雜的CNT數量減少,MWCNT側面積增大。通過計算CNT陣列在入射面上的投影,發現總投影面積幾乎相差不大,故復合材料的質子屏蔽效能對該參數不敏感。

圖8 穿過復合材料的質子個數隨碳納米管管壁層數的變化Fig.8 Number change of proton passing through composite material with layer number of CNT

3.2 PE/CNT復合材料綜合屏蔽性能分析

將屏蔽體模型擴展為長方體模型,屏蔽材料類型為PE/CNT。基于3.1節研究結果,CNT的參數設定如下:長度為10 μm,管壁直徑為2 nm,管壁厚度為0.182 nm,排布方式為十字交叉排布。具體結構示意圖如圖9所示。基于該模型,研究不同厚度PE/CNT復合材料質子屏蔽性能。

圖9 PE/CNT復合材料屏蔽模型示意圖Fig.9 Diagram of shielding model of PE/CNT composite material

3.2.1PE/CNT復合材料的質子屏蔽效能 CNT摻雜濃度選取為0%(未摻雜)、10%和20%。圖10所示為PE/CNT中CNT不同摻雜濃度時材料的電離劑量-質量厚度曲線,由圖10可知,3種質子防護材料的曲線下降趨勢幾乎一致,經過局部放大后可明顯看出:在相同質量厚度下,3種質子防護材料屏蔽后在探測器中的電離劑量大小關系是PE/20%CNT

圖10 CNT不同摻雜濃度時質子防護材料的電離劑量-質量厚度曲線Fig.10 Ionization dose-mass thickness curve of proton shielding material with different doping concentrations of CNT

3.2.2PE/CNT復合材料屏蔽后的粒子通量分析 分別選取5 mm和10 mm厚度、摻雜10%CNT的復合材料進行模擬仿真,研究經過復合材料屏蔽后的粒子能譜。圖11所示為復合材料屏蔽前后的質子能譜。由圖11可知,經5 mm復合材料屏蔽后,能量低于10 MeV的質子通量要比屏蔽前明顯降低2～4個數量級,而經10 mm復合材料屏蔽后,能量低于10 MeV的質子通量較之5 mm復合材料降低1個數量級。5 mm厚度的復合材料已經可以吸收屏蔽前全部低能質子。圖11中屏蔽后存在的低能質子,一部分是由高能質子經過復合材料損失能量之后轉化的低能質子,另一部分是由于質子與靶原子核發生碰撞后產生的次級質子。而對于100 MeV以上的質子,使用5 mm或10 mm厚度的復合材料進行屏蔽,質子通量的變化不明顯。比較屏蔽前后總質子通量變化,屏蔽前總質子通量為3.175×1014cm-2,5 mm和10 mm復合材料屏蔽后總質子通量分別為9.288×1011、3.287×1011cm-2,總質子通量在屏蔽后約下降了3個數量級。

圖11 PE/CNT復合材料屏蔽前后質子能譜Fig.11 Proton energy spectrum before and after PE/CNT composite material shielding

在綜合研究復合材料的屏蔽效能時,需要考慮因屏蔽產生的次級粒子。表1列出了復合材料屏蔽后主要的3種次級粒子通量。由表1可知,次級粒子當中通量最高的是γ光子,且10 mm厚度的復合材料屏蔽后產生的3種次級粒子通量均高于5 mm厚度材料產生的粒子通量。這是由于厚度增加導致質子與復合材料之間發生反應增多,從而產生了更多的次級粒子。圖12所示為復合材料屏蔽后次級γ射線能譜,由圖12可知,2種厚度復合材料屏蔽后產生的γ射線均在4 MeV和10 MeV這兩個能量點周圍有較高的通量比例。利用仿真追蹤產生γ射線的反應過程,發現均為入射質子與復合屏蔽材料中的碳原子核發生了非彈性散射,且產生γ射線的同時,會伴有反沖碳原子核和次級質子的產生。當入射質子高速撞擊碳原子核,大概率會將部分或全部能量傳遞給碳原子核,在這個過程中碳原子核吸收質子能量后進入激發態,激發態的原子核會立即嘗試將多余的能量釋放,恢復到基態或低激發態,過程中會釋放一個能量比初始質子低的次生質子,同時以發出γ射線的形式對外釋放能量。由此推斷碳原子核的亞穩定激發態能量比基態能量高4 MeV或者10 MeV。

表1 PE/CNT復合材料屏蔽后次級粒子通量Table 1 Flux of secondary particle after PE/CNT composite material shielding

圖12 PE/CNT復合材料屏蔽后次級γ射線能譜Fig.12 Secondary γ-ray energy spectrum after PE/CNT composite material shielding

4 結論

本文使用Geant4軟件針對空間軌道捕獲質子環境下PE/CNT復合材料的屏蔽效能進行仿真研究,主要結論如下。

1) 較大摻雜濃度或管壁直徑的CNT可有效增大質子與屏蔽材料的相互作用碰撞概率,提高復合材料的屏蔽效能。同時比較了5種不同CNT摻雜濃度的復合材料屏蔽后的出射質子個數,摻雜濃度越大,出射的質子個數越少,屏蔽效能越好;比較了分別摻入5種管壁直徑不同的CNT的復合材料屏蔽后的出射質子個數,管壁直徑越大,出射的質子個數越少,屏蔽效能越好。

2) 排布方式為非規則排布(排布角度為30°和60°)的結構內部存在較大空隙,會降低碰撞概率,削弱屏蔽效能。對于排布方式為規則排布(排布角度為0°和90°)的結構,CNT排列角度為90°的復合材料由于在入射面上投影面積更大,碰撞概率更高,所以具有更好的質子屏蔽效能。

3) CNT管壁層數對復合材料的質子屏蔽效能影響不明顯。構建了多種管壁層數的CNT分別摻入聚乙烯中,在摻雜濃度一定的情況下,CNT的管壁層數對復合材料屏蔽質子的影響沒有改變CNT管壁直徑或排布角度造成的影響大。

4) 分析了PE/CNT復合材料的綜合屏蔽性能,與聚乙烯相比,同一質量厚度下復合材料的屏蔽效能要優于聚乙烯,其屏蔽后在探測器中電離劑量最大降幅為7.40%(CNT濃度10%)和12.83%(CNT濃度20%)。