摘要

    被動輻射屏蔽是設計綜合解決方案以減輕輻射在長時間深空航行過程中對人類探測的影響的一個強制性要素。因此，理解和利用適用于太空飛行中輻射屏蔽的材料的特性至關重要。在此，我們將介紹Kevlar和聚乙烯的輻射屏蔽能力的第一次空間測試的結果，以及對背景基線的直接測量（無屏蔽）結果。在ALTEA-shield歐空局贊助計劃期間，在國際空間站（哥倫布模式）上進行了測量。首次在類似于深空的輻射環境中測試了這種材料的屏蔽能力，這得益于ALTEA系統的特點，它允許僅選擇國際空間站的高緯度軌道。聚乙烯廣泛應用于太空輻射屏蔽，因此是對比研究中使用的優良基準材料。此項研究中，我們發現Kevlar具有與聚乙烯相當的輻射屏蔽性能，達到劑量率降低32±2％，劑量當量率降低55±4％（對于10 g/cm2的屏蔽）。

    引言

    輻射風險的減輕是允許人類對深空探索最重要的問題之一。深空棲息地的輻射組成有：銀河宇宙線（GCR），與太陽活動相關的輻射（如太陽粒子活動（SPEs））以及由GCR和SPE與空間棲息地外殼或其他中間材料（如太空服或實驗架）相互作用產生的二次輻射。因此了解材料的輻射屏蔽特性是空間中輻射的綜合解決對策中的重要一步，在此過程中，被動屏蔽將發揮主要作用。

    此類研究的目標是為了將機組人員的輻射風險降低到合理可實現的水平（ALARA），降到理想情況時，暴露在太空中的輻射風險將和地球上相當，不影響允許的任務持續時間。由于這一目標仍未達到可用技術的范圍，未來的任務計劃將考慮“額外的”輻射風險必須低于一些預定的閾值。

    對用于空間任務中的給定材料的輻射屏蔽性能的研究通常包括三個主要步驟。首先，材料的屏蔽能力通過蒙特卡羅模擬的驗證。如果結果有希望，則可以通過在粒子加速器設備進行離子輻照來評估材料的性能。測試中使用的離子預期是空間中最多的離子。最后，對只有在前兩個步驟中表現出最佳特性的材料進行空間中的表征。

    在高緯度的低地球軌道（LEO）中的測量使利用正確的離子譜研究類似于深空的輻射場成為可能，這些研究將評估材料作為輻射屏蔽物的特性。然而，這些測量比基于地面的測量對能源的要求高得多。因此，它們需要對地面材料（如上所述）進行全面的初步表征，并清楚地表明該材料確實是有希望的候選物。

    國際空間站（ISS）是測試這些材料對空間輻射的反應的最佳實驗室。即使在地球磁場的保護下，在高緯度地區的ISS中的輻射頻譜環境是外層空間輻射光譜的最接近的可用復制品。

    這些測量需要一個有效的檢測系統，其允許選擇僅在適當的軌道（高緯度地區）獲取的數據。這個選擇能夠從數據中排除南大西洋的異常（SAA）區域的影響（SAA是范艾倫帶更接近地球并捕獲大量低能質子，產生與深空無關的輻射場的區域）。

    ISS內的輻射通量的改變主要是由于i：）由于太陽周期而導致的銀河系宇宙線（GCR）的調制；ii）由于地球磁場內的ISS位置導致的GCR的調制；iii）外部活動，如太陽日冕物質拋射（CME）和耀斑。此外，必須考慮將ISS的殼體和設備（通常在ISS內部不同的位置移動）作為具有不同密度和厚度的外部輻射的屏蔽器。為了測量屏蔽效能，考慮到這種輻射通量變化，因此需要在檢測器上同時進行使用及不使用屏蔽材料的測量。

    在最近，已經對芳綸進行了Monte Carlo模擬和地面試驗，以及在空間中的第一次初步測試。這些測試表現出良好的輻射屏蔽性能，與聚乙烯相當。高度氫化的材料在空間中作為輻射屏蔽效能最好，因為它們防止核碎裂過程，這可以增強劑量。聚乙烯是目前被認為具有高水平氫化，易于處理和機加工以及經濟實惠的材料。它通常被用于作為比較其他材料屏蔽性能的基準。同時考慮到對抗沖擊力（對碎片屏蔽很重要），Kevlar是一個很好的候選物。此外，可以作為纖維使用，它可以容易地適應于其他目的，例如艙外活動（EVA）套裝或在某些特定位置的棲息地的“額外”屏蔽，例如在船員睡覺區域中。

    在本文中，我們展示了在ALTEA-shield項目期間在ISS中進行研究Polyethylene和Kevlar的屏蔽效能的測量結果。研究使用了ALTEA系統7的三個檢測器。這些有效的檢測器能夠將輻射測量與ISS位置合并。因此，選擇在軌道中最能模擬在深空間環境中預期的輻射的測量是可行的。此外，作為三個檢測器是相同的，它們適合同時使用：一個用于非屏蔽基線，另外兩個用于測量兩種與屏蔽相同的不同量材料的輻射。

    實驗部分

    1.ALTEA硅檢測器單元：六個相同的ALTEA SDU中的每一個是由六個平行的硅平面構成的粒子望遠鏡。每個硅平面（380μm厚）由8×8cm2的兩個平方的硅芯片組成，間隔5mm，以32mm的間隔分段。ALTEA SDU內的連續平面具有正交條帶分割，以便重建軌道的xy坐標，而z方向由SDU內的成對平面的相對位置給出。兩個平面之間的距離為37.5毫米。該結構導致根據Sullivan計算的每單個SDU的230cm2 -Sr 的雙向幾何因子（GF）。

    2.測試材料：

    Kevlar，由杜邦專利的纖維，是芳香族聚酰胺家族的有機纖維。它具有強度，韌性和熱穩定性的獨特組合。Kevlar的標稱密度為1.4g/cm3。

    聚乙烯（PE）是由密度為0.92~0.97g/cm3的乙烯聚合制成的合成樹脂。所選PE是Ensinger制造商（TECAFINE PE5）的高密度（0.96g/cm3）PE。

    在測量期間，三個SDU中有一個是非屏蔽的并且用作參考。另外兩個作為屏蔽的是具有不同厚度的相同材料（聚乙烯或凱夫拉爾）。瓦片放置在每個檢測器的兩個視圖上。

    這種數據采集策略，具有和不具有屏蔽瓦片的同時測量允許測量瓦片材料的屏蔽效能，排除周圍的屏蔽貢獻。這種技術也解決了在測量期間由于材料位置（移動機架，實驗等）的可能變化引起的問題。

    3.數據處理：數據處理的第一步是針對檢測器的每個硅帶執行基準（無輸入偏移）。通過讀取檢測器對注入的測試電流的響應，在測量期間周期性地獲取基座數據。第二步是單軌活動選擇。每個事件與相對地理（緯度，經度和高度）和磁性坐標一起存儲，用于在特定區域發生的事件的離線選擇。

    4.角度選擇：不是所有觸發SDU的離子都穿過所有瓷磚厚度：其中一些將從瓦片側退出（或進入）。使用更大的瓷磚以覆蓋所有的ALTEA視野，將是不切實際的。此外，材料垂直于瓦片表面的離子軌跡比有角度的軌道具有更短的路徑。為了最小化這種現象，我們使用ALTEA跟蹤功能來評估軌道的角度，以窄入射角進行切割，以便假設所有離子在材料中行進相同的路徑長度。這個過程減少了幾何因素，所以統計了。即使這對于所有能量的綜合計算都是可以接受的，但這種解決方案大大地抑制了光譜的統計。為了呈現有意義的光譜，我們稍微放松角度選擇標準，仍然獲得在材料中相同長度行進的軌道的相當好的選擇。

    5.劑量和劑量當量計算

    6.錯誤評估

    結論：

    這項工作描述了在與深空相似的輻射環境中使用同時測量的基線的空間材料屏蔽效能的初次測量。研究的材料是Kevlar，由于聚乙烯正在成為空間中被動輻射屏蔽的標準，故將其行為與聚乙烯進行了比較。我們的測量結果表明，Kevlar的屏蔽性能與聚乙烯相當。對于劑量率和劑量當量率，使用10 g/cm2的屏蔽材料，分別降低了30％和50％的還原因子。

    考慮到高緯度的數據，得到了最好地模仿深空間輻射環境的結果。這些測量的兩個主要特征（并發基線和高緯度數據選擇）對于最大化測量的可靠性至關重要。

    最后，Kevlar的抗沖擊性和靈活性（其也是纖維）的特征使其成為集成屏蔽方法中作為執行元件的最佳候選者。

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責任編輯：殷鵬飛

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