火星土壤中银河宇宙射线辐射剂量的模拟研究

摘要

随着科学技术的进步，人类登陆火星的计划已被提上NASA、ESA和我国空间探索事业发展的日程。空间辐射是人类开展星际旅行和移民火星必须面对的极端恶劣环境之一。火星表面主要的粒子辐射来源为:由剧烈太阳活动产生的高能太阳粒子（Solar Energetic Particles，SEPs）和来自银河系的高能宇宙射线(Galactic Cosmic Rays，GCRs)。其中GCRs粒子的能量高(最高可达1021eV)，穿透能力强，通量长期分布较为稳定，辐射防护难度大。因此，对GCRs辐射的常规剂量评估和风险研究，是实现载人星际旅行和登陆火星的重要前提。 由于火星大气稀薄、磁场微弱，具有特定成分的火星土壤被认为是人类登陆火星后的首选GCRs辐射屏障。本文基于蒙特卡洛(Monte Carlo)方法，以Path Finder火星探测器着陆点Ares Vallis处的土壤为样本，以行星际年平均GCRs能谱(CREME96模型，Cosmic Ray Effects on Micro-Electronics Code)和火星气候环境数据(MCD，MarsClimate Database)为基础，利用辐射与物质相互作用模拟工具GEANT4，考虑QGSP-BERT-HP物理相互作用，模拟了102MeV～106MeV之间的GCRs主要粒子（质子、α粒子、碳离子与氧离子）辐照火星表层土壤，造成能量沉积并产生次级粒子的微观过程，计算分析了太阳活动极小期中GCRs在火星表层土壤中的辐射剂量，以及不同种类、不同能量区间的GCRs粒子产生的辐射剂量，随火星地表深度的分布。结果显示: 1.火星大气对能量低于1.86×102MeV的质子和能量低于6.38×102MeV的α粒子具有较好的屏蔽作用。GCRs粒子对火星土壤产生的辐射剂量，自地表起先单调快速增加，后逐步减弱。其中，地表最上层剂量为6.10×10-2Gy/year;剂量峰值为7.62×10-2Gy/year，位于火星地表以下76cm处;在1000cm深度，辐射剂量低至1.013×10-3Gy;地表对应的当量剂量0.69Sv;地表下剂量当量最大的位置在76cm处，为0.809Sv;地下716cm处的剂量当量为0.05Sv，等于ICRP的规定年承受量上限;1000cm深度对应的当量剂量为1.04×10-2Sv，为规定剂量上限的21％;对于两极冰层，地表对应的当量剂量为0.95Sv;峰值位于地下58cm，为0.99Sv;地下694cm处对应的剂量为0.05Sv，地下1000cm对应的当量剂量为6.51×10-3Sv，为ICRP标准的13％。 2.对不同能量区间的GCRs辐射剂量贡献分析表明:由1×103 MeV～1×105 MeV能段GCRs粒子的剂量贡献占总能量的83.61％;更低和更高能段的GCRs粒子剂量贡献分别占7.20％和9.19％。 3.质子和α粒子对GCRs在土地中的辐射的贡献分别为:91.8％和7.8％。两种粒子在3D图像上各自峰值位于1.86×102MeV和6.38×102MeV位置，对应剂量值分别为1.240×10-4Gy/year和5.9×10-5Gy/year。两者叠加导致在1.86×102MeV～1.90×103MeV能区（0～92cm深度中），GCRs总剂量均保持在较高范围。 上述结果可为人类开展火星地表及地下活动的辐射风险评估提供参考和依据。以本文工作为基础，我们可进一步全面分析火星不同地理位置、不同地质状况下的GCRs辐射剂量沉积图;并用类似方法评估剧烈太阳爆发引起的SEP事件对火星辐射环境的影响。

目录

声明

摘要

第一章前言

1．1研究背景和意义

1．2本领域前沿动态

1．2．1火星土壤成分探测

1．2．2火星辐射环境观测及模拟

1．3论文目标与结构

第二章火星状况与空间辐射

2．1火星情况

2．1．1火星磁场

2．1．2火星大气

2．2空间辐射环境

2．2．1辐射来源

2．2．2辐射分类及危害

2．2．3辐射单位

第三章电离辐射与物质相互作用模拟程序

3．1粒子传输的模拟

3．2 GEANT4模块介绍

第四章GCRs辐照火星土壤的模型配置及数据处理方法

4．1模型配置

4．1．1模型尺寸

4．1．2火星大气模型

4．1．3火星土壤数据

4．1．4 GCRs能谱模型

4．1．5物理模型

4．2数据处理方法

第五章模拟结果与分析

5．1 GCRs质子在土壤中的辐射剂量

5．2α粒子、碳、氧和铁离子在土壤中的辐射剂量

5．3土壤中GCRs粒子分能段剂量贡献率

5．4 GCRs质子在极区冰层中的辐射剂量

第六章总结与展望

6．1小结

6．2论文创新点

6．3工作展望

参考文献

作者简介

致谢