空间轨道辐射仿真模拟实验平台

空间辐射是与航天器安全运行紧密相关的空间环境,与之相关的仿真模拟实验平台对于相关领域学生学习与理解空间辐射环境十分重要。该文编制了一个空间轨道辐射仿真模拟实验平台——SORA(simulator fororbitandradiation),介绍了SORA“输入—计算—输出”的总体结构设计及数据流,描述了SORA所应用的基于轨道根数的在轨位置计算、基于AE(辐射带电子)/AP(辐射带质子)的辐射带模型计算和在轨通量计算方法,展示了SORA GUI界面的构成要素及使用方法。该文使用SORA以一组标准GTO轨道参数作为实例输入,演示了SORA的执行与运算流程,并验证了SORA计算结果与同类型计算平台的一致性。SORA设计简洁的GUI界面及其精细化采样参数调整、离线数据实时计算等特点使其成为相关领域学生能够快速上手使用的模拟实验平台,其内在设计的科学性也保证其计算结果可供学生用于空间轨道辐射对于航天器影响的后续评估。

全局减方差方法在大空间γ辐射场计算中的应用

为了提高大空间γ辐射场全局计算效率,开展了全局减方差(Global Variance Reduction,GVR)方法在大空间γ辐射场计算中的应用研究。针对计数栅元/网格体积差异造成的过度分裂问题,引入体积修正因子修改全空间权窗参数。体积修正后的基于通量的GVR方法计算的全局品质因子(FOMG)比直接模拟提高约39倍。针对非计数区计算耗时问题,提出了非计数区修正方法,使得FOMG因子进一步提高40%。在引入体积和非计数区修正的基础上,在大空间γ辐射场计算中与基于粒子误差、权重、径迹、数目、能量、碰撞和通量的7种GVR方法进行对比。结果表明:7种GVR方法计算的FOMG因子比直接模拟提高2~3个量级,基于误差的标准差σ降低2~3个量级;而基于权重的GVR方法计算的FOMG因子比直接模拟提高2304倍,在所有GVR方法中减方差效果最好。在基于通量的GVR方法中引入光滑因子SI后,模拟计算的权窗下限随SI增加而减小,FOMG因子随SI的增加先增加后减小。当SI=0.8时,该方法计算的FOMG因子最大,比直接模拟提高3246倍。

空间辐射屏蔽材料研究进展

银河宇宙射线、太阳宇宙射线、辐射带等辐射环境会对元器件、航天员等产生各种空间辐射效应,威胁航天器的正常工作以及航天员的生命健康。材料屏蔽是目前最有效的辐射防护措施之一,对保障航天任务的顺利进行有着重要的作用。本文针对元器件、航天员以及飞行器平台防护3类典型对象,梳理不同场景下空间辐射屏蔽材料研究进展,并对金属复合材料、聚合物材料等空间辐射屏蔽材料的发展方向进行探讨。

空间辐射对甲基苯基乙烯基硅橡胶胶料性能的影响

研究空间辐射对甲基苯基乙烯基硅橡胶(MPVQ)胶料性能的影响。结果表明:随着辐射剂量的增大,MPVQ胶料的外观颜色呈现白-淡黄-灰黄的变化趋势,硬度增大,拉伸强度和撕裂强度曲线呈S形变化;当辐射剂量为1×10^(6)Gy(Si)时,MPVQ胶料的拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度分别减小20%,89%和69%,当辐射剂量大于1×10^(6)Gy(Si)时,MPVQ胶料的拉伸强度和撕裂强度出现一定程度反弹,随着辐射剂量的进一步增大,MPVQ胶料的拉伸强度和撕裂强度回落,而MPVQ胶料的拉断伸长率始终呈下降趋势;MPVQ制品基本满足静态运行航天器15年的运行寿命要求,但最终MPVQ制品的弹性和承力能力基本丧失,在外力作用下易脆裂,MPVQ制品不宜应用于裸露在空间环境中的长寿命航天器动态机构中。

硅基光电探测器空间辐射效应研究进展

硅基光电子技术结合了高集成度的大规模集成电路制造技术与光电子芯片的大带宽、高速率等优势,推动硅基光电器件在高能物理实验、医学影像和高能粒子碰撞器等领域的广泛应用。然而,应用于空间环境和医疗探测器的光电探测器在运行周期中预计会受到~10^(12)particles/cm^(2)的累积注量,而应用于大型粒子对撞机的新型探测器则要经受~10^(14)particles/cm^(2)的辐射注量。本文详细阐述了硅基光电探测器的空间辐射效应研究现状,主要包括不同粒子辐照后硅基光电二极管、雪崩光电二极管、单光子探测器以及光电倍增管等主流光电探测器的辐射效应研究进展。研究结果表明,探测器抗电离总剂量性能较好,位移损伤是导致其关键性能参数退化的主要原因,由于工作原理差异,各类器件在辐射环境中表现出不同退化行为和作用机理。

空间辐射对心血管系统的影响

太空飞行过程中,空间辐射引发心血管及循环系统调控改变,是太空飞行对航天员健康的重要威胁。本文旨在介绍空间辐射的来源和种类、心血管系统损害及辐射防护方法,并重点关注心肌细胞、内皮细胞、心肌成纤维细胞的适应性改变,尤其针对抗氧化剂、抑制剂等生物防护措施进行了分析与讨论,以期为未来的太空飞行辐射防护提供新思路。

空间紫外辐射侵蚀环境下SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料的服役特性演变规律

在波长为200~400 nm、最低温度为-50℃、辐射度为3.0 W/m^(2)的紫外辐射环境下,对SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料分别进行0、10、30、60、120 h辐射实验,结合微观组织结构、组分与力学性能演变情况,研究了紫外辐射服役环境对SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料的影响。结果表明,相比于未受紫外辐射的SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料,当紫外辐射10 h后,SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料的弯曲强度和模量均有小幅度增加;当紫外辐射超过30 h后,随着辐射时间进一步增加,弯曲强度先增加后降低,而弯曲模量持续降低并且材料表层的裂纹缺陷基本呈现出尺寸和数量均增加的趋势,表明紫外辐射进一步损伤了材料内层。紫外辐射前后SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料均表现为台阶状的弯曲断裂行为。未进行紫外辐射的SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料断口以纤维断裂为主;紫外辐射10 h的试样表现出与未辐射试样类似的断裂形貌且纤维受侵蚀不明显;紫外辐射30 h后,试样断口除发现碳纤维断裂现象外,还可发现明显的碳纤维拔出和界面层脱壳现象,碳纤维受到的侵蚀作用较明显;紫外辐射120 h后,SiC/(C_(f)/SiC)陶瓷基复合材料内部碳纤维受到的侵蚀作用进一步加剧,界面层剥离严重,碳纤维端头呈现针状结构。

地月空间粒子辐射环境及其对月表物质的影响研究进展

由于没有全球磁场和稠密大气保护,月球直接受宇宙线、太阳风和地球风粒子的轰击.了解月球空间粒子辐射的特性、粒子的来源和传输等过程,本身是亟待解决的空间科学基础问题,同时还可帮助更好地提供预报和预警,为保障探月和载人登月等活动的安全提供理论参考;此外,月球空间辐射环境中的粒子与月表作用产生的水等物质对载人登月和月球基地意义重大,且月表物质保存了空间环境较为完整的信息和演化历史,对研究地月系统及太阳系其他天体(乃至系外行星)的宜居性与演化,也具有重要的科学价值.本文在简要总结地月空间粒子辐射环境研究现状的基础上,重点分析了近月粒子辐射环境及其对月表物质所产生的影响,梳理了宇宙线、太阳能量粒子事件、太阳风、地球风以及月源粒子等不同辐射的来源和传输机制,这些粒子与月表作用产生水、赤铁矿、中性原子等物质的过程,以及相关过程对月球空间环境的影响、对地月系统演化的启示等关键科学问题,并提出了解决问题所面临的技术难点,最后对未来可能的重点研究内容进行了展望,可为后续月球探测任务(例如嫦娥四期和国际月球科研站等)相关领域科技规划提供一定的参考.

基于蒙特卡罗模拟的方舱CT辐射剂量空间分布研究

目的:基于蒙特卡罗仿真模拟方法,研究方舱CT机房内辐射剂量空间分布,为促进医疗机构现有方舱CT的再利用提供参考和数据支撑。方法:采用蒙特卡罗方法和蒙特卡罗粒子输运(MCNP)模拟计算程序,模拟头部模体和体部模体作为CT扫描散射体,在模拟的方舱机房内部,长、宽、高3个方向上每间隔10 cm设置一个剂量模拟计算网格点。在不同准直宽度下分别获取方舱机房内的周围剂量当量分布。使用Matlab软件对MCNP模拟计算结果进行处理,在相应的水平面、垂直面分别绘制0.005 mGy、0.01 mGy、0.015 mGy、0.02 mGy、0.025 mGy和0.03 mGy共6条等剂量分布曲线图。结果:根据模拟计算结果,在水平面、垂直面分别绘制的6条等剂量分布曲线图显示,CT扫描时机房内的辐射场呈不对称的蝶状分布,辐射剂量最大区域(>0.03 mGy)位于CT扫描孔径内,机架两侧区域周围剂量当量<0.005 mGy,相比之下在与CT扫描中心轴成45°角的范围内周围剂量当量处于较高水平。结论:蒙特卡罗仿真模拟方法用于方舱CT空间辐射剂量分布研究结果可靠,可为促进医疗机构现有方舱CT的再利用提供参考和数据支撑。

中国城市群产业集聚空间辐射效应非线性测度

文章采用2000-2021年中国五大城市群面板数据,运用EG指数与Tobit模型对城市群产业集聚水平及影响因素进行测度,并利用Gumbel Copula函数测算各城市群产业集聚非线性空间辐射效应。发现:中国五大城市群的产业集聚水平存在差异,其中长三角与京津冀城市群产业集聚水平较高且呈稳步增长趋势,成渝、哈长及中原城市群产业集聚水平较低,且呈逐年下降趋势;城市群产业集聚水平各影响因素的作用机制存在差异,经济发展水平与对外开放水平的正向影响作用显著,资本存量水平和劳动力水平的负向影响作用显著,而政府规模的影响作用不显著;不同城市群的产业集聚空间辐射效应非线性特征差异显著,主要表现为长三角城市群强于成渝城市群强于中原城市群。

面向可见光通信的LED空间辐射特性仿真实验研究

LED已经广泛渗透到大众生活的照明、指示、通信、定位等众多领域。特别是在可见光通信领域,LED自身的空间辐射特性主导了其在不同可见光通信场景的实际性能。实际上,如何基于不同类别、不同复杂程度的光源辐射特性解析模型,平滑地实现LED光波束三维建模及直观展示,仍然缺少针对性的阐述和讨论。面向各类新型光源应用对LED空间辐射特性的表征实验需求,本文提出了面向LED朗伯辐射特性、对称非朗伯辐射特性以及非对称非朗伯辐射特性空间建模及直观展示的仿真实验方法。该方法能够满足商用迥异LED光波束的三维展示需求,同时能够满足对LED空间辐射特性进行针对性地二维剖析需求。此外,上述工作为后续开展可见光通信组合光波束的优化设计提供了路径和便利。

空间辐射环境模拟装置与空间辐射生物效应研究进展

空间环境中宇航员受到的高能辐射主要来源于太阳粒子事件、银河宇宙射线和地球捕获带中的高能离子及其次生放射性粒子。太空辐射暴露具有低剂量率、多品质辐射和高线性能量传递(LET)等特点,是宇航员在深空执行长时间太空探索任务时面临的主要风险因素。基于地面高能加速器的空间辐射模拟装置及空间辐射生物效应研究是空间辐射风险评估科学依据的关键。单离子微束技术作为一种先进的能提供精确至单离子精准辐照的辐照装置,是真实模拟空间高能辐射条件开展生物效应研究的独特平台。本文首先介绍了近地任务以及深空探索中的辐射环境以及世界各国可供开展空间辐射地基模拟的粒子加速器设施,以及近年来的空间辐射效应研究进展,最后介绍了兰州重离子研究装置的高能微束装置及其在空间辐射生物学研究中的应用。

空间应用激光薄膜元件研究进展

随着空间激光技术的不断进步,空间激光系统逐渐向更短应用波长、更长使用寿命、更高应用轨道等方向发展,对薄膜元件提出了更高的性能要求。本文综述国内外主要空间激光器的发展方向,在空间激光系统研制过程中薄膜元件的真空、高低温、质子辐射、伽马射线辐射等空间环境损伤效应,以及使役条件(即空间与激光耦合作用)下薄膜的性能演化机理。介绍在高性能空间激光薄膜元件研制技术方面的新进展,结合空间引力波探测、深空探测等未来发展方向对空间激光薄膜元件提出了展望。

基于多域融合的空间辐射源细微特征识别

辐射源识别主要关注辐射源的个体差异,通过信号处理手段,获取辐射源信号上与设备硬件相关的特征参数,从而掌握辐射源设备的型号、工作状态等信息。由于通信信号愈发复杂,单一域特征识别无法全面反映信号的细微差异,直接对信号处理结果进行识别存在大量数据冗余,导致识别效果不佳。为提高空间辐射源的识别效果,提出了一种基于多域特征融合的辐射源识别方法,通过对信号进行Hilbert-Huang变换和高阶谱分析,并提取变换结果的均值、方差、峰度、偏度和信息熵,将其拼接、融合形成空间辐射源信号的多域特征,利用SVM分类器进行分类,实现多域融合的辐射源细微特征识别。仿真结果表明,使用多域融合方法进行辐射源识别,在20 dB的信噪比下可达到95.44%的正确率,与传统基于边际谱信息熵的分类识别方法对比,正确率提升9.41%。对比基于HHT边际谱、边际谱信息熵、双谱投影、双谱矩形积分、四阶累积量切片谱的分类识别方法,本方法的识别效果均有提升。

电子初始位置对高能电子空间及时间辐射特性的影响

为了研究电子初始位置对圆偏振紧聚焦激光脉冲中高能电子的运动时间谱和空间分布特征的影响,本文通过结合相关理论,对高能电子的全时间运动方程和空间运动方程进行推导,同时运用MATLAB程序进行数值模拟,作出空间辐射三维图和时间谱。结果表明,当激光脉冲中电子的初位置逐渐向+z方向移动时,空间辐射特征呈现出四向对称性的趋势,单位立体角辐射功率时间谱中峰值辐射的半高全宽(FWHM)也不断增大,从初位置为z=-10λ_(0)时的3.5 as变为z=10λ_(0)时的7.9 as,并且与初始位置成近似正向线性关系,因此可以得到电子初位置对电子的能量分布有较大影响的结论,这也为后续研究电子初位置对激光脉冲中高能电子的辐射影响提供了一定的理论基础。

一种基于硅传感器的空间中子探测器设计

针对空间站轨道复杂的中子辐射环境,设计一种中子探测器,采用硅层叠结构,利用核反冲法及核反应法进行中子的间接探测,获取空间站轨道中子辐射的能谱信息。该中子探测器的探测范围指标为0.025 eV~10MeV,搭载于天宫空间站梦天实验舱的空间辐射生物学暴露实验装置上,用于监测空间站低地球轨道的中子辐射环境,获取在轨探测数据,可为研究空间中子对生物体造成辐射效应的作用机理提供重要依据,也可为研究次级粒子对航天器电子元件造成的单粒子效应提供必要的空间环境参数。

空间辐射粒子致航天员辐射剂量的蒙特卡罗模拟计算

空间辐射是航天员执行空间站飞行任务过程中面临的主要风险之一。空间辐射粒子组成复杂,能量范围广泛,研究空间辐射粒子能谱对航天员的辐射剂量能够更好地辅助研究空间辐射粒子效应,进一步完善航天员安全保护机制。采用山东高等技术研究院阿尔法磁谱仪(AMS)测量的空间辐射粒子能谱和ICRP成人男性体素模型,基于蒙特卡罗工具包Geant4构建“天和”核心舱等比例模型,完成了模拟计算空间辐射粒子能谱对核心舱内航天员的辐射剂量,并通过粒子能谱通量数据估算了航天员于近地轨道空间站长期飞行所受到的空间辐射剂量。结果表明,空间辐射163天后皮肤剂量吸收率达到2.22 mGy·d^(-1),空间辐射粒子谱中占比仅0.5%的高能重离子贡献了空间辐射剂量的14.6%。该研究对航天员长期飞行辐射剂量的模拟计算、航天员健康风险评估和高能重离子辐射生物效应具有一定指导和参考意义。

NCRP第183号报告“空间辐射照射和对中枢神经系统影响的可能性:第二阶段”简介

本报告是应美国国家航空航天局(美国航天局)的要求编写的。这是两阶段努力的第二阶段,旨在就空间辐射暴露对机组人员中枢神经系统(CNS)的健康影响和任务影响向NASA提供指导。第一阶段的工作努力产生了国家辐射防护和测量委员会(NCRP)第25号评意书,即“空间活动期间辐射照射对中枢神经系统的影响”。第一阶段的概述,描述了围绕空间辐射对中枢神经系统的潜在短期和长期后果的关键问题,并为作为本报告基础的更全面的调查奠定了基础。

空间飞行器对背景辐射的反射特性

介绍了飞行器在地球大气层外的主要辐射 ,给出了飞行器反射背景辐射强度空间分布的计算方法 ,并运用计算机对距地面几百千米的某圆锥形飞行器中午和晚上在 3～ 5 μm和 8～ 14μm波段内辐射强度的空间分布进行了数值计算 ,得到了合理的结果。

载人航天飞行空间辐射研究进展

空间辐射是载人航天长期飞行及深空探测面临的最重要的环境因素之一。本文系统介绍了近地轨道飞行及载人登月、深空探测任务中空间辐射的时空分布特征,对当前空间辐射生物效应的研究热点(致癌、中枢神经系统影响、退行性变、辐射综合症)、空间辐射剂量测量、风险评估及防护技术的研究现状及进展进行综述,并提出了后续发展方向建议。