关于高能带电粒子的屏蔽防护问题

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1、关于高能带电粒子的屏蔽防护问题叶宗海孙越强韩建伟薛丙森蔡燕霞(中国科：学院空间科学与应用研究中心)摘要空间高能带电粒子对航天器的材料、电子器件、仪器设备、生物、航天员等均产生不同的影响，甚至带来严重的损伤，利用屏蔽是航天工程师常用的对高能带电粒子的防护手段之一。但是，在什么样的航天器轨道上采用什么样的屏蔽材料、采用多厚的材料屏蔽最为合适?仍是设计中的问题。本文概要描述屏蔽对总剂量效应的影响、屏蔽对单粒子事件的影响，介绍选取屏蔽材料及厚度的原则，以便获得最佳屏蔽设计。关键词：空间高能带电粒子、屏蔽与防护、总剂量效应、单粒子事件X一日U舌在同地空间范围内存在着大量的高能带电粒子，它们主要是

2、银河宇宙线、太阳宇宙线(也称太阳质子事件)、地球辐射带粒子，它们构成了航天器轨道上高能带电粒子环境。银河宇宙线是来自太阳系以外的高能带电粒子，其主要成分是质子(约占总数的84．3％)，其次是氦核(约占总数的14．4％)，其它重核约占总数的1．3％，‘银河宇宙线几乎包含了元素周期表中所有的元素：银河宇宙线有很高的能量，且能谱极宽(几百MeV至10“eV)；银河宇宙线的通量不高，在远离地球、地磁场影响可以忽略的空间，其最大通量约为4个粒子／cm2·s(在太阳活动极小年)。太阳宇宙线是太阳发生爆发时发射出的高能带电粒子流。由于它的绝大部分是由质子组成的，故又常叫做太阳质子事件。除质子外，还有

3、氦核(占总数的3一j％)，还有少量的其它重核，不同的事件，其重核的含量也不相同。太阳质子事件具有偶发性和高通量的特点，最大通量可高达104以上，事件(几小时至几十小时)的总通量可达10“。以上；太阳宇宙线粒子的能量一般从lOMeV到数十6eV之间，最高可达数百GeV，因此，对航天器及航天员具有很大的威胁。地球辐射带是指在近地空间被地磁场捕获的带电粒子区域，常称为地磁捕获辐射带或VanAllen辐射带。根据辐射带的结构和空间分布又分为内辐射带和外辐射带。内辐射带是靠近地球最近的捕获带电粒子区域，主要由质子和电子组成，还有少量的重离子存在。其空间范围在赤道平面上，大约为600—10000k

4、m的高度范围．在负地磁异常区(南大西洋上空)内辐射带的高度可低至200km左右。内辐射带质子的能量从数MeV至数百MeV之间，电子能量从几十KeV至4MeV之间，通量可高达108粒子／cm：!s。离地球较远的捕获带电粒子区域称为外辐射带，其空间范围在赤道平面内的平均位置离地面约10L6X104km．外辐射带主要由电子和质子组成，而质子的能量很低，通常在数MeV以下，其通量可高达10?粒子／cm!s。上述高能带电粒子对航天器的影响主要表现在两个方面；一是对航天器的材料、电子器件、生物及航天员的辐射损伤效应；二是对大规模集成电路的微电子器件产生的单粒子事件效应。此外，太阳质子事件、沉降粒子

5、的注入．使电离层电子浓度增加．造成通讯、测控和导航的严重干扰。在航天发展历史上．由于空间高能带电粒子环境造成的航天器异常事件、甚至造成灾难性的后果的事例己累见不鲜，因此，高能带电粒子环境及其对航天活动的影响，是当前航天界十分关注的热点之一。如何采取相应的防护措施和对策，防止和减轻它们对航天器的危害，以保障航天器的飞行安全，延长航天器的使用寿命是非常重要的。采取屏蔽措施是航天工程师常用来对高能带电粒子的防护手段之一。然而，并不是屏蔽越厚越好，对于不同的航天器轨道、采用什么样的材料、用多厚的屏蔽材料、屏蔽产生的负效应评估、采用什么样的屏蔽方式以达到最佳效果等，仍是航天器设计中的重要问题。本

6、文将概要介绍屏蔽在防护和减轻高能带电粒子中的作用，它在对总剂量效应的影响、对单粒子事件的影响方面的利与弊，以及如何进行屏蔽设计和考虑，以保障获得最佳效果。二屏蔽对总剂量的影响空间高能带电粒子对总剂量的影响最终体现在对航天器的辐射损伤效应。带电粒子对航天器的辐射损伤作用，主要是通过以下两个作用方式：一是电离作用，即入射粒子的能量通过被照物质的原予电离而被吸收；高能电子大都是产生这种电离作用；另一种是原子的位移作用，即被高能离子击中的原子的位置移动而脱离原来所处的晶格中的位置，造成晶格缺陷。高能质子和重离子既能产生电离作用，又能产生位移作用。这些作用导致航天器上的各种材料、电子器件等的性能

7、变差，严重时会损坏。如玻璃材料在严重辐照后会变黑、变暗，胶卷变得模糊不清，人体感到不舒服、患病甚至死亡；太阳能电池输出降低，各种半导体器件性能衰退，如增益降低．，工作点漂移，甚至完全损坏。在半导体器件和太阳电池中，由于电离作用使二氧化硅绝缘层中的电子一空穴对增加，导致MOS晶体管的阈值电压漂移，双极型晶体管增益下降，普遍地使漏电流增加，造成器件的性能下降，使单元电路不能完成原定的功能。位移作用的后果是硅中少数载流子的寿命不断缩短，造成晶体管电流