飞行器的抗辐射屏蔽模拟计算

摘要

飞行器运行于低地球空间轨道(LEO)时，与空间带能粒子发生相互作用，产生各种威胁飞行器安全的空间辐射效应。因此，一方面为了保证飞行器的安全和确保飞行任务的实现，必须加强飞行器的抗辐射屏蔽；而另一方面，飞行器要求有效载荷比高，即以最小的飞行器体积和重量承载更多的飞行器有效载荷。要同时满足以上两点，必须找出更经济有效的屏蔽方法。而对飞行器进行抗辐射屏蔽模拟计算则是找出屏蔽方法的有效手段。 本文主要采用基于Monte-Carlo方法的FLUKA(FLUktuierende KAskade)程序进行模拟计算，文中概述了该程序的物理模型、几何模型和一些使用技巧，如怎样利用Mome-Carlo方法解决小概率事件和深穿透问题。使用该程序进行抗辐射屏蔽模拟计算国内未见报道。 用FLUKA程序详细模拟几种不同能量电子、质子在轻金属和重金属材料中的能损过程，发现轻金属与重金属材料结合使用可更有效屏蔽电子，且不同的轻重材料排列次序对电子的屏蔽效果影响较大，但对质子的屏蔽效果几乎没有影响。此外，利用工程软件OMERE程序计算两条不同LEO轨道上简化飞行器模型中硅球的电离吸收剂量，分析得出这两条轨道、不同寿命飞行器所需要的屏蔽厚度。 由于飞行器载体中半导体和光电器件的位移损伤主要源于非电离能损(NIEL)，本文还讨论了非电离能损问题。我国的NIEL 研究只有零星的工作，因此本文从NIEL 的产生机制出发，提出其研究方法，建立NIEL标尺；利用NEMO程序计算不同能量电子和质子在硅中产生的NIEL，并从物理模型出发，与其它程序计算结果进行了比较。此外，计算得到LEO轨道上电子和质子在硅中产生的位移损伤剂量。 针对宇航员的辐射防护，提出聚乙烯、锂化氢和石墨纤维作为新型屏蔽材料，利用FLUKA程序模拟了他们与电子和质子的相互作用，从透射粒子与产生二次粒子方面进行分析比较，得出石墨纤维和聚乙烯材料作为载人航天的屏蔽材料效果较理想；计算了不同能量电子和质子入射，采用不同材料屏蔽后三个人体关键器官中能量沉积情况、比较了在低地球轨道上不同屏蔽材料屏蔽人体中的剂量大小。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1课题背景

1.2飞行器的抗辐射屏蔽研究概况

1.2.1电子元器件抗辐射屏蔽

1.2.2宇航员的辐射防护

1.3研究方法和预期目标

1.4论文的主要内容

第二章蒙特卡罗计算方法及程序

2.1蒙特卡罗方法

2.1.1 MC方法的收敛性和误差

2.1.2输运问题中常用物理量的计算

2.2相关的MC计算程序

第三章程序开发

3.1 FLUKAMC计算程序系统

3.2 FLUKA中采用的物理模型

3.2.1模型简介

3.2.2 FLUKA中物理模型的选择

3.2.3减小方差技巧

3.3 FLUKA程序中的几何

3.3.1常用几何体定义

3.3.2区域定义

3.3.3 VOXEL几何体定义

3.4 FLUKA程序的主要特点

第四章飞行器的抗辐射屏蔽模拟计算

4.1射线与物质的相互作用

4.1.1电子与物质的相互作用

4.1.2质子与物质的相互作用

4.2空间辐射环境的辐射效应

4.3总剂量效应抗辐射屏蔽

4.3.1抗辐射屏蔽材料

4.3.2涂层方法的屏蔽效果模拟

4.3.3简化卫星球形模型计算

4.4非电离能损

4.4.1电子产生的非电离能损

4.4.2质子产生的非电离能损

4.4.3 NIEL的应用

4.5本章小结

第五章宇航员的辐射防护模拟计算

5.1载人飞行器屏蔽材料的选择

5.2简化人体几何模型

5.3模拟结果及分析

5.3.1不同屏蔽材料屏蔽情况下关键器官中能量沉积

5.3.2简化人体几何模型计算

5.4本章小结

第六章结论和展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

致 谢