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DESCSS

Dose Estimation by Simulation of China Space Station

中国空间站模拟剂量评估

空间辐射环境

轨道

  1. 空间站轨道根数（TLE, 2022.05.11）1
1 48274U 21035A   22131.00000000  .00018566  00000-0  21317-3 0  9998
2 48274  41.4696  84.9802 0011517 308.1456  44.4159 15.61130380 58963
偏心率 倾角
deg		 升交点赤经
deg		 近地点辐角
deg		 平近点角
deg
0.001152 41.4696 84.9802 308.1456 44.4159

  1. 轨道参数
    平近点角M与偏近点角E满足：

    $
M = E - e\cdot\sin{E}

    真近点角$T$与偏近点角$E$满足：

    $
\tan{\frac{T}{2}}=\sqrt{\frac{1+e}{1-e}}\tan{\frac{E}{2}}

    由此有：
    近地点
    km    		 远地点
    km    		 倾角
    deg    		 升交点赤经
    deg    		 近地点辐角
    deg    		 偏近点角
    deg    		 真近点角
    deg
    379.2 393.8 41.4696 84.9802 308.1456 44.4167 44.4629

  2. 生成轨道
    使用SPENVIS的Coordinate generators生成预计轨道，总计30天，保存为assets/orbit.csv文件。

辐射环境

银河宇宙射线2

银河宇宙射线 (GCR，Galactic cosmic rays) 是从系外进入太阳系的高能带电粒子，其通量与太阳活动负相关，主要由质子、电子和完全电离的原子核组成，核成分约占98\%，分别为H（\approx87\%）、He（\approx12\%）和少量较重的原子核（\approx1\%）。

GCR一般各向同性，通量约为1\sim10\ \mathrm{cm^{-2}s^{−1}}，以高能粒子为主（可达到10^{11}\ \mathrm{GeV}），贡献绝大部分有效剂量。一般在太阳活动极小时最大（还取决太阳磁性）。

GCR中还包含有所谓异常成分（anomalous component），星际间的中性粒子进入太阳系后，太阳辐射使其失去电子，离子太阳风作用和碰撞加速，其穿透地磁场的能力比其他成分更大，又可分为部分电离（singly-ionized anomalous component）和完全电离（fully-ionized anomalous component）。

考虑异常部分，我们使用SPENVIS+CREME86模型进行模拟，获取1号（H）至28号（Ni）元素在90\%最坏情况下的GCR通量（即实际情况大约只有10\%的可能通量大于这一估计值，M=3）。

太阳辐射3

太阳辐射的主要来源是日冕抛射和太阳耀斑，具有明显的周期性，主要的周期有11年、22年等。太阳辐射以质子为主（90\sim95\%），通量可达10^9\ \mathrm{cm^{-2}s^{−1}}；其次为α粒子（5\sim8\%）。太阳活动较强时，质子的比例会上升。

使用SPENVIS+SAPPHIRE模型太阳质子和太阳α粒子任务期间总通量，置信概率为95\%（即实际情况大约只有5\%的可能通量大于这一估计值）。

可以发现，整个任务期间的总通量不超过10^3\ \mathrm{cm^{-2}}，远远小于银河宇宙射线和俘获辐射带的通量，因此在后续模拟中忽略这一因素的剂量。

俘获辐射带3

近地俘获辐射带被称为Van Allen带，是部分宇宙射线、宇宙射线与地球磁场和大气层作用产生的带电粒子被地磁场俘获形成的辐射带，分为内外两个辐射带。

电子能量可达7\ \mathrm{MeV}，质子能量可达600\ \mathrm{MeV}，重带电粒子可达50\ \mathrm{MeV/u}，绝大部分是中低能量。

内带的高度一般在600\ \mathrm{km}以上，但是在高纬度地区和南大西洋地区，由于地磁异常，内袋高度会下降至\sim300\ \mathrm{km}，因此只有经过这些区域时才会有明显的俘获带电粒子通量。

使用VDL的AE8/AP8模型，计算轨道上的太阳活动极大时的俘获质子通量和太阳活动极小时的俘获电子通量，对整个任务期间求均值，获得俘获质子/电子通量的能谱。同时使用AE9/AP9模型进行计算，通量略高于AE8/AP8模型。保险起见，采用AE9/AP9模型的结果。


AE8/AP8模型结果

AE9/AP9模型结果

辐射环境拟合

银河宇宙射线4

考虑GCR中1号（H）至28号（Ni）元素的强度模型，定义粒子刚度（particle rigidity）R=\frac{pc}{Ze}，其中p是粒子动量，c为光速，Ze是粒子电荷量，则有：


F(p,t) = \frac{C_i\beta^{\alpha_i}}{R(p)^{\gamma_i}}\left[\frac{R(p)}{R(p)+(0.37+3\times10^{-4}W(t)^{1.45})}\right]^{b\cdot W(t)+c}\frac{A_i}{Z_i}\frac{1}{\beta}

其中pc=\sqrt{2m_0c^2E+E^2}，不考虑t，则W(t)为常数，C_i，\gamma_i，\alpha_i为与粒子有关的常数，A_i，Z_i分别为质量数与电荷数，\beta=\frac{v}{c}=\frac{pc}{\sqrt{m_0^2c^4+E^2}}，则可简化为：


F(pc) = \frac{C_1\beta^{\alpha-1}}{pc}\left(\frac{pc}{pc+C_2}\right)^{C_3}

同时考虑简单的双指数模型：


F(E)=C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_4})

两者同时进行拟合与比较，同时考虑简洁性，除H以外，其余元素均采用双指数模型，H采用简化模型。

Z H He Li Be B C N O F Ne
R^2 0.98915 0.98936 0.99755 0.99708 0.99569 0.98936 0.98892 0.98936 0.99323 0.99014
Z Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca
R^2 0.99263 0.98972 0.99217 0.98873 0.99183 0.98873 0.99087 0.99432 0.98963 0.98935
Z Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni
R^2 0.99251 0.9934 0.99424 0.99313 0.99385 0.99351 0.99426 0.99231

俘获辐射带

  1. 电子5 在轨道较高（L>2.5）的内带中，电子能谱中有\sim64\%符合指数分布，\sim4\%符合幂律分布。

    但在本例中，轨道较低（L\sim1.06），因此使用指数模型j = j_0e^{-\frac{E}{E_0}}和幂律模型j=j_0E^{-\alpha}进行拟合，随后使用Origin Lab对两者进行BIC test，最终选用指数模型j_0=1.333680\times10^6,\ E_0=0.0824。

    Model R^2 BIC BIC diff
    Ex 0.98107 402.50208 0
    Pow 0.94279 423.51296 21.01088

  2. 质子 与电子保持一致，幂律模型修改为j=j_0(E-\beta)^{-\alpha}，进行BIC test，最终选用幂律模型j_0=559.76377,\ \alpha=2.40873,\ \beta=-1.53424。

    Model R^2 BIC BIC diff
    Ex 0.9957 67.24594 0
    Pow-T 0.99883 39.11969 28.12625

辐射源设置

使用Geant4的General Particle Source（GPS）生成源，考虑在World球面上均匀随机发射粒子（各向同性），保证入射方向为球内，则球面上的计数率为：


F = A\int_{E_a}^{E_b} \phi(E)\mathrm{d}E,\ A=4\pi R^2

GCR的单位为\mathrm{m^{-2}sr^{-1}s^{-1}}，乘以4\pi A即可得到计数率；俘获辐射的单位为\mathrm{cm^{-2}s^{-1}}，乘以A即可得到计数率。经过检验，模型中使用的外壳（3层，2mm 铝 + 10mm 芳纶 + 5mm 铝）能够抵挡能量在50\ \mathrm{MeV}以下的质子和能量在100\ \mathrm{keV}以下的电子，最终结果如下表所述。

Partical Model E_{min}(\mathrm{MeV}) E_{max}(\mathrm{MeV}) Flux(\mathrm{s^{-1}})
e^{-} j=j_0e^{-\frac{E}{E_0}} 0.1 10 9.23242E+11
p j=j_0(E-\beta)^{-\alpha} 50 1000 42853994.15
H \frac{C_1\beta^{\alpha-1}}{pc}\left(\frac{pc}{pc+C_2}\right)^{C_3} 200 100000 12854310.92
He C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_4}) 200 100000 1718828.12
Li C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_5}) 200 100000 12982.36284
Be C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_6}) 200 100000 6687.159271
B C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_7}) 200 100000 17093.65985
C C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_8}) 200 100000 52245.07239
N C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_9}) 200 100000 13564.66838
O C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_10}) 200 100000 48807.93662
F C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_11}) 200 100000 1122.681148
Ne C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_12}) 200 100000 8065.236798
Na C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_13}) 200 100000 1865.503552
Mg C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_14}) 200 100000 10928.24228
Al C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_15}) 200 100000 1938.943418
Si C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_16}) 200 100000 8262.870777
P C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_17}) 200 100000 413.5749377
S C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_18}) 200 100000 1659.707
Cl C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_19}) 200 100000 371.7198798
Ar C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_20}) 200 100000 751.2576633
K C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_21}) 200 100000 466.3178791
Ca C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_22}) 200 100000 1161.134206
Sc C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_23}) 200 100000 231.3722059
Ti C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_24}) 200 100000 828.6605823
V C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_25}) 200 100000 403.8859746
Cr C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_26}) 200 100000 783.4909673
Mn C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_27}) 200 100000 570.5548534
Fe C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_28}) 200 100000 6024.476681
Co C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_29}) 200 100000 20.89166947
Ni C_1e^{-C_2E}(1-e^{-C_3E+C_30}) 200 100000 292.8131737

考虑到GCR和俘获辐射计数率相差太大，分为两部分分别进行模拟，同时按比例进行放缩。

GCR

电子计数率与质子计数率之比约为21544，设置质子的源强为1，模拟923285个入射事件（数值上为F\times10^{-6}\ \mathrm{s}），因此最终的剂量需要乘以10^6\ \mathrm{s^{-1}}\times30\ \mathrm{d}\times86400\ \mathrm{s/d}倍。

/gps/source/add 21544
/gps/particle e-
/gps/pos/type Surface
/gps/pos/shape Sphere
/gps/pos/radius 15 m
/gps/ene/type Exp
/gps/ene/min 100 keV
/gps/ene/max 10 MeV
/gps/ene/ezero 0.0824
/gps/ang/type iso
/gps/ang/maxtheta 90 deg

/gps/source/add 1
/gps/particle proton
/gps/pos/type Surface
/gps/pos/shape Sphere
/gps/pos/radius 15 m
/gps/ene/type Pow
/gps/ene/min 200 MeV
/gps/ene/max 100 GeV
/gps/ene/alpha 2.40873
/gps/ang/type iso
/gps/ang/maxtheta 90 deg

/run/beamOn 923285

俘获辐射

假定Co的计数率为1，设定其他粒子的计数率，模拟707013个入射事件，因此最终的剂量需要乘以20.9\ \mathrm{s^{-1}}\times30\ \mathrm{d}\times86400\ \mathrm{s/d}倍。

空间站建模

  1. 尺寸与分区6
  • 全长：16.6 m
  • 总重：22.5 t
  • 体积：143.6 \mathrm{m^3}
  • 分区：
    • 大柱段
      • 外径：4.2 m
      • 长度：4.32 + 2.40 m (生活控制舱 + 资源舱)(直线过渡)
    • 过渡段：0.815 m
    • 小柱端
      • 外径：2.8 m
      • 长度：5.18 m
    • 过渡段：0.33 m
    • 节点舱：以直径 2.8 m 的球体近似
  1. 材料
  • 外壳： 3层 2mm 铝 + 10mm 芳纶 + 5mm 铝
    • 5系铝合金7
    • 泰普龙8
  • 填充：金属为主，使得总重大致相当
  • 内部：空气
  • 玻璃：有机玻璃（G4_PLEXIGLASS）
  1. 特别区域
    睡眠区无填充，仅考虑加厚外壳为 3层 5mm 铝 + 15mm 芳纶 + 10mm 铝

待改进

  • 建模
    • 体模
    • 空间站模型
      • 材料
      • 大小
  • 辐射环境
    • 太阳活动极大时
    • 太阳活动极小时
    • 更长的任务尺度
    • 各向异性的模拟（如俘获辐射带质子各向异性通量）
    • 太阳质子的检验

  1. 中国空间站轨道参数 ↩︎

  2. 程彭超,闵锐.近地空间辐射环境与防护方法概述[J].辐射防护通讯,2017,37(01):14-21. ↩︎

  3. Bourdarie S, Xapsos M. The near-earth space radiation environment[J]. IEEE transactions on nuclear science, 2008, 55(4): 1810-1832. ↩︎

  4. Matthiä D, Berger T, Mrigakshi A I, et al. A ready-to-use galactic cosmic ray model[J]. Advances in Space Research, 2013, 51(3): 329-338. ↩︎

  5. Zhao H, Johnston W R, Baker D N, et al. Characterization and evolution of radiation belt electron energy spectra based on the Van Allen Probes measurements[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2019, 124(6): 4217-4232. ↩︎

  6. 【知识点·航天】“天和”核心舱、“天宫”空间站和新一代载人飞船的最新知识点（干货版） ↩︎

  7. 中铝造为“天和”号核心舱披“铠甲”壮“筋骨” ↩︎

  8. 泰普龙产品相关知识 ↩︎