多層材料空間輻射屏蔽優(yōu)化分析

曹 洲，高 欣，薛玉雄，楊生勝

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000)

1 引言

在航天器設(shè)計(jì)中，針對(duì)星用電子部件或器件進(jìn)行輻射屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)師們所采取的防護(hù)措施之一。在上世紀(jì)80年代，人們第一次建議將屏蔽技術(shù)用于集成電路抗輻射防護(hù)設(shè)計(jì)中，在考慮集成電路輻射屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，在空間輻射環(huán)境方面，僅僅考慮了高能電子的影響。在1997年，J.P.Spratt等計(jì)算分析了集成電路的封裝材料種類和結(jié)構(gòu)形式對(duì)空間輻射環(huán)境中高能帶電粒子的屏蔽效果［1］，屏蔽計(jì)算采用蒙特卡洛方法，而計(jì)算中主要考慮了封裝材料的厚度、種類和邊緣效應(yīng)的影響。在1998年，B.D.Spieth等［2］計(jì)算分析了含有高原子序數(shù)(Z)值材料的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對(duì)空間輻射的屏蔽效果，指出在相同的總劑量屏蔽效果下，含有高Z值材料的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)比純鋁材料結(jié)構(gòu)可以減輕質(zhì)量約30%。但在空間輻射屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用中，常常仍會(huì)遇到這樣的要求，即在一定厚度下，哪種材料對(duì)空間高能帶電粒子的屏蔽效果最好［3］，基于一定厚度(或一定質(zhì)量)材料屏蔽設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，有沒(méi)有一種通過(guò)多層材料的結(jié)構(gòu)組合方式來(lái)達(dá)到最佳空間輻射屏蔽設(shè)計(jì)等。這樣的問(wèn)題仍然是工程設(shè)計(jì)中需解決的技術(shù)難題，為此，利用基于GEANT4軟件包［4］的MULLASIS軟件［5］開(kāi)展了相關(guān)材料的屏蔽效率計(jì)算分析，探索不同種類屏蔽材料多層組合方式的屏蔽效果，期望獲得應(yīng)用于空間輻射環(huán)境中的多層材料屏蔽最優(yōu)結(jié)構(gòu)方式。

2 輻射環(huán)境及屏蔽結(jié)構(gòu)

2.1 輻射環(huán)境分析

在多層材料屏蔽效果計(jì)算分析中，采用SPACE RADIATION空間輻射環(huán)境及效應(yīng)分析計(jì)算軟件包，針對(duì)低地球軌道(LEO)分別計(jì)算了國(guó)際空間站運(yùn)行軌道(高度400 km，傾角51.60)和太陽(yáng)同步軌道(高度800 km，傾角98.80)高能電子和質(zhì)子的能量積分譜。計(jì)算結(jié)果表明，基于AE8模型計(jì)算出的低地球軌道高能電子的年積分通量較低［5］，能量高于3.0 MeV的電子年積分通量小于5.7×108。也針對(duì)高地球軌道(HEO，GEO)分別計(jì)算了地球同步軌道(高度36 500 km，傾角0°)和地球輻射帶中高能電子分布峰區(qū)軌道(高度20 000 km，傾角56°)的高能電子和質(zhì)子的能量積分譜。計(jì)算結(jié)果表明，基于AP8模型計(jì)算出的高地球軌道高能質(zhì)子的年積分通量較低［6］，在地球同步軌道，能量高于2.0 MeV的質(zhì)子年積分通量為零;在高度為20 000 km的圓形軌道，能量高于7.0 MeV的質(zhì)子年積分通量也為零。

2.2 屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在多層屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要依據(jù)對(duì)不同單層材料屏蔽效果計(jì)算分析結(jié)果，選擇對(duì)空間高能電子和質(zhì)子屏蔽效果最好的鎢作為主屏蔽材料，輔助屏蔽材料選用衛(wèi)星工程上常用的鋁屏蔽材料。針對(duì)這2種材料，設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)方式的4種多層屏蔽結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，總的質(zhì)量厚度保持不變，總質(zhì)量厚度分別選取1.09 g/cm2、1.35 g/cm2。另外，在多層屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鎢作為主屏蔽材料，其厚度分別保持0.1 mm和0.2 mm 不變。

2.3 MULASSIS 軟件簡(jiǎn)介

相對(duì)其他帶電粒子在材料中輸運(yùn)過(guò)程計(jì)算的軟件包而言，基于GEANT4的MULASSIS軟件的最大特點(diǎn)是可以選擇的物理模型最全［4，5］。采用MULASSIS軟件包對(duì)電子和質(zhì)子在材料中的輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以根據(jù)能量的不同，選擇不同的物理模型進(jìn)行計(jì)算。如針對(duì)電磁物理模型(EM)而言，當(dāng)電子或γ射線的能量高于10.0 keV以上時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)電磁模型(st－EM)進(jìn)行計(jì)算，而當(dāng)電子或γ射線的能量低于100 eV以下時(shí)，則采用低能電磁模型(le－EM)進(jìn)行計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 多層屏蔽結(jié)構(gòu)計(jì)算舉例

現(xiàn)以3層Al－Ti－Al結(jié)構(gòu)為例，說(shuō)明其對(duì)質(zhì)子屏蔽效果計(jì)算分析的基本要求和過(guò)程。

(1)太陽(yáng)同步軌道質(zhì)子的積分通量計(jì)算

在屏蔽效果計(jì)算分析中，首先利用Space Radiation軟件包計(jì)算出太陽(yáng)同步軌道質(zhì)子的積分通量。在計(jì)算分析中，有時(shí)為了方便數(shù)據(jù)的輸入，對(duì)基于空間輻射環(huán)境計(jì)算出的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理，得出相關(guān)參數(shù)的解析表達(dá)式，圖1給出了太陽(yáng)同步軌道質(zhì)子積分通量譜的擬合曲線。

圖1 太陽(yáng)同步軌道質(zhì)子的積分通量譜擬合曲線

數(shù)據(jù)擬合的數(shù)學(xué)表述:

y=A1*exp(－x/t1)+y0，其中 A1=4.778 3E12，t1=71.091 57。入射質(zhì)子的主要參數(shù)為能量和離子入射角，取入射質(zhì)子的能量分布為指數(shù)分布，按照擬和結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。

(2)3 層 Al－Ti－Al平板設(shè)計(jì)

在3層Al－Ti－Al平板屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，總厚度為4.0 mm，其中外層的兩層鋁厚度均為1.0 mm，中間鈦層厚度為2.0 mm。三層Al－Ti－Al平板屏蔽結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 3層Al－Ti－Al平板屏蔽結(jié)構(gòu)示意圖

(3)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1 3層 Al－Ti－Al結(jié)構(gòu)對(duì)質(zhì)子屏蔽效果

3.2 多層屏蔽結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果及分析

利用MULYSSIS軟件包，針對(duì)幾種屏蔽結(jié)構(gòu)，在保持結(jié)構(gòu)中鎢的厚度為0.1 mm不變的情況下，分別計(jì)算了在國(guó)際空間站運(yùn)行軌道(高度400 km，傾角51.6°)、太陽(yáng)同步軌道(高度800 km，傾角98.8°)、高地球軌道(高度20 000 km，傾角56°)及地球同步軌道(高度36 500 km，傾角0°)輻射環(huán)境中，幾種屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)電子、質(zhì)子的屏蔽效果和對(duì)二者引起的總劑量的屏蔽效果;計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所列，表2中也給出了針對(duì)單層Al和W的計(jì)算結(jié)果。另外，在保持結(jié)構(gòu)中鎢的厚度為0.2 mm不變的情況下，也分別計(jì)算了在國(guó)際空間站運(yùn)行軌道(高度400 km，傾角 51.6°)、太陽(yáng)同步軌道(高度800 km，傾角 98.8°)、高地球軌道(高度 20 000 km，傾角56°)及地球同步軌道(高度36 500 km，傾角0°)輻射環(huán)境中，幾種屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)電子、質(zhì)子的屏蔽效果和對(duì)二者引起的總劑量的屏蔽效果;計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3所列。

表2 MULYSSIS軟件計(jì)算結(jié)果 (鎢材料厚度為0.1 mm)

(續(xù)表1)

表3 MULYSSIS軟件計(jì)算結(jié)果 (鎢材料厚度為0.2 mm)

依據(jù)表2和表3給出的計(jì)算結(jié)果，圖3、圖4和圖5分別給出了不同屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)不同軌道總劑量的屏蔽效果。

圖3 多層屏蔽結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果 (鎢材料厚度為0.1 mm)

圖4 多層屏蔽結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果 (鎢材料厚度為0.2 mm)

圖5 多層屏蔽結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果(鎢材料厚度為0.2 mm)

從表2及圖3可以看出，就總劑量屏蔽效果而言，對(duì)不同軌道，不同屏蔽結(jié)構(gòu)屏蔽后的劑量分布不同;在主屏蔽材料鎢的厚度保持0.1 mm不變的情況下，對(duì)雙層結(jié)構(gòu)A而言，在不同軌道輻射環(huán)境下，綜合起來(lái)看，其屏蔽效果較好;但3層屏蔽結(jié)構(gòu)方式對(duì)太陽(yáng)同步軌道和20 000 km高軌道輻射環(huán)境下的總劑量屏蔽效果最好。另外，從表2及圖3也可以看出，雙層結(jié)構(gòu)A和雙層結(jié)構(gòu)B對(duì)總劑量屏蔽效果的主要差異是由于其對(duì)高能質(zhì)子的屏蔽效果不同而引起。同樣，從表3及圖4、圖5可以看出，就總劑量屏蔽效果而言，在主屏蔽材料鎢的厚度保持0.2 mm不變的情況下，在不同軌道輻射環(huán)境下，綜合起來(lái)看，雙層結(jié)構(gòu)A和3層屏蔽結(jié)構(gòu)方式其屏蔽效果最好。

綜合不同屏蔽結(jié)構(gòu)在不同軌道輻射環(huán)境中對(duì)高能電子和質(zhì)子的屏蔽效果看，存在著最佳材料屏蔽結(jié)構(gòu)方式，即高低Z值的材料組合結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化和改善屏蔽效果。在質(zhì)量厚度一定的條件下，這種最佳材料屏蔽結(jié)構(gòu)方式與所選取高Z值屏蔽材料(如本計(jì)算工作中選取的鎢材料)的厚度相關(guān)，但一般來(lái)講，3層屏蔽結(jié)構(gòu)方式和雙層結(jié)構(gòu)A方式其屏蔽效果最好。在以電子為主的高軌道輻射環(huán)境中，最佳屏蔽結(jié)構(gòu)是Al/W/Al 3層屏蔽結(jié)構(gòu)方式。其主要原因是最外層的Al材料首先使大部分能量電子降低了速度，然后中間高Z值材料對(duì)軔致輻射產(chǎn)生很大的阻止作用，而最里層Al材料又可以吸收高Z值材料產(chǎn)生的二次電子及軔致輻射，從而形成了一種最佳Al/W/Al 3層屏蔽結(jié)構(gòu)方式。

4 結(jié)論

在多層屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要依據(jù)對(duì)不同單層材料屏蔽效果計(jì)算分析結(jié)果，選擇對(duì)空間高能電子和質(zhì)子屏蔽效果最好的高Z值材料鎢作為主屏蔽材料，設(shè)計(jì)了4種多層屏蔽結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，總的質(zhì)量厚度保持不變，總質(zhì)量厚度分別選取 1.09 g/cm2、1.35 g/cm2。

利用基于GEANT4的MULYSSIS軟件包，針對(duì)幾種屏蔽結(jié)構(gòu)，分別計(jì)算了4種典型軌道輻射環(huán)境中，幾種屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)電子、質(zhì)子的屏蔽效果和對(duì)二者引起的總劑量的屏蔽效果;計(jì)算結(jié)果表明，在不同軌道輻射環(huán)境下，存在最優(yōu)的屏蔽結(jié)構(gòu)方式。在主屏蔽材料鎢的厚度保持0.1 mm不變的情況下，雙層結(jié)構(gòu)A的結(jié)構(gòu)方式屏蔽效果較好，但3層屏蔽結(jié)構(gòu)方式對(duì)一定軌道輻射環(huán)境下的總劑量屏蔽效果最好。而在主屏蔽材料鎢的厚度保持0.2 mm不變的情況下，在不同軌道輻射環(huán)境下，最佳屏蔽結(jié)構(gòu)方式為3層屏蔽結(jié)構(gòu)。

［1］SPRATT J P，PASSENHEIM B C，LEADON R E，et al.Effectiveness of IC Shielded Packages Against Space Radiation ［J］.IEEE Trans Nucl Sci，1997，44(6):2018 ～2025.

［2］SPIETH B D，QASSIM K S，PITTMAN R N，et al.Shielding Electronics Behind Composite Structures［J］.IEEE Trans.Nucl.Sci.，1998，45(6):2752 ～2757.

［3］薛玉雄，曹洲，楊世宇，等.空間質(zhì)子的輻射屏蔽計(jì)算［J］.真空與低溫，2007，13(增刊):338～340.

［4］GEANT4 Homepage［EB/DL］.http://geant4.web.cern.ch/geant4/G4UsersDocuments/.

［5］TRUSCOTT P，LEI Fan，DYER C，et al.Geant4 －A New Monte Carlo Toolkit for Simulating Space Radiation Shielding and Effects［R］.0－7803－6474－0/00/$10.(C00)2000 IEEE.

［6］WILSON J W，KIM M－H，SHINN，et al.Solar Cycle Variation and Application to the Space Radiation Environment［R］.NASA/TP－1999－209369.