空间重离子辐照效应评述

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1、航天器环境工程第27卷第2期148SPACECRAFTENVIRONMENTENGlNEERn、JG2010年4月空间重离子辐照效应评述魏强1，姜利祥2，刘珊1，王丹1，刘圣贤1(1．天津大学材料科学与工程学院天津市材料复合与功能化重点实验室，天津300072；2．北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：文章对生物、半导体、光学材料、金属、聚合物的空间重离子辐照效应的研究工作进行了评述，也阐明了深入开展重离子空间环境模型以及重离子辐照效应与演化规律的研究具有重要意义．研究表明空间环境中重离子的含量虽少，但由于其高的电离能力和穿透力，对生

2、物、半导体、光学材料、金属、聚合物等会产生各种辐射损伤效应，导致卫星信号故障、光学器件失效、金属与聚合物性能及形貌改变，甚至影响航天员的生命安全。关键词：空间环境；重离子；辐照效应中图分类号：V520．2文献标识码：A文章编号：1673—1379(2010)02-0148-05DoI：10．39690．issn．1673—1379．2010．02．004l引言伴随着人类对广阔无垠的宇宙空间的探索，特别是近几十年来人类航天事业的不断发展，人们对情况极其复杂的宇宙环境有了相当的了解【1】。国外航天实践和很多空间环境暴露试验表明，空间辐照环境对许多材

3、料都有不可忽视的影响。多数材料在空间环境暴露一定时间后，其性能都会有不同程度的变化【21。随着航天技术的发展，对航天器的长寿命和高可靠性要求日益迫切。在这样的背景下，对各类材料的空间辐射效应研究已受到越来越多科研工作者的重视。近年来人们广泛地开展了宇宙空间质子、电子的辐照效应的研究，而对于重离子的研究较少。虽然空间粒子环境中重离子的含量只有l％，远远小于质子和电子的含量，但是重离子的辐照效应仍是破坏航天器的重要因素之一，因此有必要对重离子辐射的损伤规律和机理进行实验研究。本文在概述空间重离子环境的基础上，评述了重离子对生物、半导体、光学材料、金

4、属等的辐照效应。2重离子的来源与分布银河宇宙射线主要成分是质子，约占总数的84．3％：其次是a粒子，约占总数的14．4％；其他重核成分(C、O、Mg、Si、Fe)约占总数的1．3％0-6]。离子通量随原子质量数分布如图1所示【7】。从图1可以看出高能重离子(如Fe)的通量与质子(如矿)的通量相比差几个数量级。尽管重离子通量较小，但它们具有很高的电离能力和穿透力【8】，其辐射效应同样不容忽视。矿E?2艺jS、嘲昭图1离子通量随原子质量数分布Fig．1Ionfluxdistributionversusatomic玎强略s图2为银河宇宙射线中各种离子

5、的能谱图【7】。由图2可见各种离子的角通量峰对应的离子能量为100--一1000MeV／Nu，其中质子和氦离子的最高通量所对应的离子能量可达l000MeV／卜『u，碳离子通量谱峰对应的粒子能量约高达240MeV／Nu。对于如此高能的粒子，卫星壳体已经无法阻止它们进入舱体内。收稿日期：2009．09．26；修回日期：2010．03．01基金项目：国家自然科学基金(10705021)资助作者简介：魏强(1978．)，男，副教授，主要从事空间环境地面模拟及材料行为、生物材料与表面工程的研究．E．mail：tju．weiqiang@yahoo．com．

6、c11．魏强等：空间重离子辐照效应评述149言二三叩E≮衄圈正图2银河宇宙射线中各种离子的能谱图Fig．2EnergyspectrumofGalaxycosmicray银河宇宙射线中不同原子序数粒子的通量、剂量、剂量当量的相对贡献率如图3所示。由图3可知大部分重离子为银河宇宙射线的主要贡献者；而在剂量当量方面，铁(原子序数为26)可能是图谱所有离子中贡献最大者[9】。图3银河宇宙射线中不同原子序数粒子的通量、剂量、剂量当量的相对贡献率Fig．3Relativecontributionofflux,dose，anddoseequivalentfo

7、rdifferentionsofgalacticcosmicradiation地球辐射带又称范·艾伦辐射带，分为内辐射带和外辐射带[101。其中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(能量范围为0．1～400MeV)和电子(能量范围为0．04～7MeV)组成，同时还有少量的重离子。根据文献[10】报道，我国“风云一号B”气象卫星上的重离子探测器在地球辐射带观测到除He、C、N、O等离子外，还有Fe重离子的存在(能量范围3""23MeV／u)，各离子的角通量密度分别是：He为1．6x10-a(em2·S·sr)-1，C为5x10-4

8、～lxlff3(em2．S·sr)1，N和O约为5×10-4(em2·s·sr)1，Fe的最大强度小于5x104(cm2·S·sr)～。3重离子的辐照