1、磁场下夹层结构的高能电子屏蔽性能 陈托 汤晓斌 陈飞达 倪敏轩 张云 南京航空航天大学核科学与工程系 江苏省核能装备材料工程实验室 摘 要： 针对空间高能电子环境可能造成的航天设备故障、宇航员辐照损伤等情况, 基于电子束返回效应, 提出了一种磁场下金属/真空夹层式高能电子屏蔽结构。采用 Geant4 软件, 模拟空间高能电子连续能谱, 研究磁场下夹层式结构的高能电子屏蔽性能。此外, 建立体素模型, 计算射线在人体中的累积剂量, 从而评估磁感应强度、屏蔽体材料对屏蔽性能的影响。结果表明:与传统被动屏蔽方式相比, 夹层式结构具有电子屏蔽性能高、生成透射次级 X 射线少的特点;随着磁感应强度增加,
2、体模中累积剂量下降, 证明夹层结构的电子屏蔽性能不断提升;Ti/Ti 材料组合的屏蔽方式具有更优越的高能电子屏蔽性能。该结构具备较好的高能电子屏蔽性能, 将来有望对空间高能电子辐射环境进行有效防护。关键词： 夹层结构; 磁场; 电子屏蔽; 电子束返回效应; 剂量评估; 作者简介：陈托 (1992) , 男, 硕士生, 从事新型辐射屏蔽材料研究;。作者简介：汤晓斌 (1978) , 男, 教授, 从事核技术及应用研究;。收稿日期：2017-06-21基金：南京航空航天大学研究生创新基地开放基金 (kfjj20160608, kfjj20170609) Shielding ability of s
3、andwich configuration for high-energy electrons in magnetic fieldChen Tuo Tang Xiaobin Chen Feida Ni Minxuan Zhang Yun Department of Nuclear Science Abstract： Given the aerospace equipment failure and radiation damage of astronauts caused by spatial high-energy electron, a metal/vacuum sandwich conf
4、iguration was proposed based on electron return effects induced by magnetic field.The continuous energy spectrum of spatial high-energy electron was simulated and shielding ability of sandwich configuration in magnetic field was investigated by using the Monte Carlo method.Moreover, the influences o
5、f magnetic flux density and layer of metal on the shielding property of sandwich systems were investigated by using a female Chinese hybrid reference phantom based on cumulative dose.Results show that the sandwich systems presented have improved shielding ability to electrons and less secondary X-ra
6、y transmissions than the conventional systems.The cumulative dose decreased and shielding ability increased with increasing magnetic flux intensity.The Ti/Ti sandwich configuration exhibited superior high-energy shielding performance.Due to its effective high-energy electron shielding ability, this
7、type of shielding system might be used for further space radiation protection in a highenergy electron environment.Keyword： sandwich configuration; magnetic field; electron shielding; electron return effects; dose evaluation; Received： 2017-06-21空间高能电子辐射防护的研究, 对航天器、空间站的运行以及宇航员安全至关重要。一方面, 航天器进行空间探索时,
8、 要穿过地球轨道, 势必会遭遇地球辐射带高能量电子及其次级 X 射线1。另一方面, 在研究宇宙星系时, 航天设备也需要长期处于高能电子环境中。比如, 伽利略号 (GIRE) 探测到木星星系上存在连续的高能电子能谱环境2。严峻的高能电子环境, 不仅对航天器设备造成辐照损伤, 影响航天任务, 而且透射电子在宇航员体内的能量沉积, 可能导致各种放射性疾病。因此空间高能电子辐射防护的研究, 对于今后空间探索具有重要意义。过去十多年里, NASA 和 ESA 等对空间高能电子环境及其防护已经进行大量研究3。目前广泛应用的电子屏蔽方式为被动屏蔽, 如用金属、聚合物作为屏蔽体4。这种方式通过增加材料质量和厚
9、度, 使电子与物质相互作用增多, 从而提升高能电子的屏蔽性能, 然而, 这同样增加了轫致辐射生成的大量次级 X 射线5。此外, 由于长期探索任务导致宇航员需要较大的可居住体积, 这类被动屏蔽方式需求的屏蔽体质量重达几百吨, 所以目前空间辐射防护开始关注另一种屏蔽方式, 即主动屏蔽。近年来, 磁场的主动屏蔽方式研究颇多, 它通过带电粒子受洛伦兹力作用发生偏转, 并被引离航天器, 从而降低航天器内宇航员的辐射剂量6。但是, 这种方式需要在一个较大范围、磁感应强度达到几 T 的强磁场条件下进行7。为了提升高能电子屏蔽效率和优化屏蔽结构, 本文结合主动屏蔽与被动屏蔽, 提出了一种磁场条件下的夹层结构屏
10、蔽方式。该结构包含金属/真空夹层, 在磁场中产生电子束返回效应 (ERE) , 即电子透过金属层到达真空层, 在真空层中受洛伦兹力作用偏转, 形成圆形径迹返回金属层, 并与金属层再次相互作用而产生沉积能量的效应8。因而, 该结构使得透射电子、光子减少, 高能电子屏蔽性能提升, 同时降低了对磁感应强度的需求。本文采用蒙特卡罗软件模拟比较了夹层结构与被动方式的高能电子屏蔽性能, 并用人体模型做剂量评估的方式, 研究磁感应强度、屏蔽体材料对夹层结构屏蔽性能的影响。1 方法与模型1.1 粒子输运的蒙特卡罗方法Geant4 是欧洲核子中心 (CERN) 开发的基于面向对象技术的蒙特卡罗模拟软件包, 主要
11、用于模拟粒子与物质相互作用的物理过程及其效应9, 也可用于空间辐射环境、辐射屏蔽效应及电磁场等模拟10。本文采用 Geant4 (10.01 版本) 蒙卡软件, 选用标准电磁模型、QBBC 强子物理模型, 模拟高能电子在空间辐射环境下与物质相互作用的过程。1.2 被动屏蔽与夹层结构屏蔽模型建立 a1, a2, b, c1 和 c2 五种结构, 几何模型如图 1, 具体参数见表 1。a1, a2, b 结构选取单层铝;c1, c2 结构选用铝/真空/铝的夹层结构, 其中真空层厚度设置为 30mm。屏蔽体的尺寸设置为 40cm40cm, 依据 1550MeV 连续电子能谱 (如图 2) 2, 模拟
12、半径 0.5cm 的圆束状放射源沿-X 轴方向入射。磁场设置成局部匀强磁场, 分布于 a2 的单层铝、c2 的铝/真空/铝夹层中, 沿+Y 轴。铝作为一种顺磁质材料, 在磁场条件下磁化作用小, 因此电子在铝层输运过程中仍受洛伦兹力影响。为了尽可能减小误差, 本节模拟选用电子数 110。Fig.1 Geometrical models of shielding 图 1 屏蔽体几何结构模型 下载原图Fig.2 Integral flux of high energy electron in Jupiter system 图 2 木星星系的高能电子积分通量 下载原图表 1 不同屏蔽体几何结构的参数
13、Table 1 Parameters of different shielding configurations 下载原表 1.3 体模剂量评估通过计算人体模型累积剂量来评估磁感应强度、屏蔽体材料对夹层结构屏蔽性能的影响。夹层结构的磁感应强度选择 01.6T, 磁场范围设置在铝/真空/铝层中, 方向沿+Y 轴。屏蔽体材料参数列表见表 2, 铝、钛是常用航天金属材料, 并且磁导率与真空接近, 所以选择作为屏蔽体材料。由于相同质量下, 铝、钛的厚度有所不同, 因此将匀强磁场设置在真空层中, 方向沿+Y 轴。考虑到宇航员在空间辐射环境可能遭受的有效剂量, 建立人体体素模型, 模拟射线在体素模型重要器
14、官的能量沉积, 并考虑组织权重因子、辐射权重因子, 通过计算累积剂量来评估屏蔽体屏蔽性能, 结构如图 3。体素模型高 1.58m, 宽 0.563m, 与 2m1.2m 屏蔽体在同一底面, 其中心与屏蔽体表面的距离为 1m。源项设置成与屏蔽体等大小的面源, 模拟 1550 MeV 的电子沿-X 轴入射。为保证所有关注器官中能量沉积的统计学误差低于 5%, 模拟粒子数为 110 个。Fig.3 Schematic of dose evaluation for sandwich system using a female phantom 图 3 人体模型剂量评估夹层结构高能电子屏蔽性能原理图 下载
15、原图表 2 不同金属层材料组合的夹层屏蔽体结构参数 Table 2 Parameters of sandwich systems 下载原表 2 结果与讨论2.1 a1, a2, b, c1 和 c2 结构屏蔽性能模拟 a1, a2, b, c1 和 c2 结构的电子及光子透射结果如图 4。数据显示:与 a1相比, a2 透射的电子数降低、光子数增加。电子在铝中受洛伦兹力影响, 与物质相互作用增多, 电子减少从而生成更多光子。c1 与 a1 透射粒子数及强度相近, 表明两层界面对于屏蔽性能影响微弱。c2 的屏蔽性能明显优于 a1, a2, c1, 这是由于低能电子在真空层偏转显著, 重新返回铝层
16、且再次发生相互作用。此外, c2 的电子透射率 (42.845%) 与 b 结构 (43.802%) 相当, 但 c2 的光子产额 (1.701) 明显低于 b (2.078) 。电子在真空中发生偏转返回第一层铝, 致使生成的次级 X 射线往入射电子方向增加。Fig.4 Transmission particles for configurations a1, a2, b, c1, and c2图 4 a1, a2, b, c1 和 c2 结构的透射粒子统计 下载原图2.2 磁感应强度的影响在不同磁感应强度下, 电子束入射金属/真空夹层结构的可视化径迹如图 5 所示。图中红色曲线代表电子径迹,
17、 灰色矩形表示金属层, 电子由上方入射, 穿过第一层金属, 在真空中受洛伦兹力作用偏转, 或返回第一层, 或在真空层旋转, 又或者射入第二层金属。磁感应强度越大, 电子在真空层中偏转越明显。图 6为模拟高能电子透射夹层结构后在体素模型的能量沉积, 通过计算所得累积剂量与磁感应强度关系曲线。随着磁感应强度增加, 体素模型的累积剂量不断降低。电子透射率、电子强度、光子产额和光子强度随磁感应强度变化曲线如图 7 所示。随磁感应强度增加, 电子、光子的计数、强度都随磁感应器增加不断减小, 较好地符合累积剂量变化趋势。由于磁感应强度增加, 电子在屏蔽体内偏转明显, 返回的电子、光子增加。Fig.5 Tr
18、ack of electron rendered by an OpenGL visualization driver in different magnetic flux density 图 5 OpenGL 可视化电子在不同磁感应条件下的径迹图 下载原图Fig.6 Variation in cumulative dose in a phantom with increasing magnetic flux density for sandwich system 图 6 体模中累积剂量随夹层结构中磁感应强度变化曲线 下载原图2.3 金属层材料的影响不同金属层材料在 1T 磁感应强度下, 结构及
19、电子可视化径迹如图 8。高能电子在透过不同金属夹层结构后所得累计剂量如图 9。结果表明, Ti/Ti, Al/Ti, Ti/Al, Al/Al 金属夹层结构的累计剂量依次增加。从透射粒子的计数、强度 (图 10) 可知, Ti/Ti 金属层组合透射光子数最多、强度最大, 但是透射电子数最少、强度最低。由于电子在人体模型内造成的能量沉积份额远超过光子, 因此 Ti/Ti 组合方式在体模中累积剂量最低。同时, 考虑到人体模型累积剂量最低的需求, 认为 Ti/Ti 组合具备较好的高能电子屏蔽性能。Fig.7 Transmission electron and photon with increasi
20、ng magnetic flux density for sandwich system 图 7 夹层结构透射电子、光子随磁感应强度增加变化曲线 下载原图Fig.8 Track of electron rendered by an OpenGL visualization driver in different layer of metal 图 8 OpenGL 可视化电子在不同金属层材料下的径迹图 下载原图Fig.9 Variation in cumulative dose in a phantom with different layer of metal for sandwich sys
21、tem 图 9 不同金属夹层结构屏蔽体条件下的体模累积剂量 下载原图3 结论本文基于电子束返回效应, 提出了一种磁场下金属/真空夹层式高能电子屏蔽结构。相对于被动屏蔽方式而言, 该种夹层屏蔽方式不仅具有更优越的高能电子屏蔽性能, 而且能够大幅度降低透射的次级 X 射线。在相同电子透射率的情形下, 多层式屏蔽方式的光子产额降低了 22.112%, 光子强度降低了 13.017%。此外, 磁场条件下的多层式屏蔽结构受磁感应强度、屏蔽体材料影响。随着磁感应强度的增加, 累积剂量持续下降, 高能电子屏蔽性能提升。Ti/Ti 金属层的组合相对于 Al/Al, Al/Ti, Ti/Al 组合的累积剂量更低
22、, 即对体模造成的辐照剂量最小、高能电子屏蔽性能最佳。磁场条件下夹层式屏蔽结构具有优越的高能电子屏蔽性能和更低的透射次级 X 射线, 将来有望用于空间高能电子的辐射防护。Fig.10 Transmission electron and photon with different layer of metal for sandwich system 图 10 不同金属夹层结构透射电子、光子计数和强度 下载原图参考文献1Vette J I.The AE-8trapped electron model environmentR.NASA-TM-107820, 1991. 2Jun I, Garret
23、t H B, Evans R W.High-energy trapped particle environments at Jupiter:An updateJ.IEEE Trans Nucl Sci, 2005, 52 (61) :2281-2286. 3Cherng M, Jun I, Jordan T.Optimum shielding in Jovian radiation environmentJ.Nucl Instrum Methods Phys Res A, 2007, 580 (1) :633-636. 4Fujimoto T, Monzen H, Nakata M, et a
24、l.Dosimetric shield evaluation with tungsten sheet in 4, 6, and 9 MeV electron beamsJ.Phys Med, 2014, 30 (7) :838-842. 5Manjunatha H C.Bremsstrahlung dose induced by high energy beta particles (1 MeV) in boneJ.Ann Nucl Energy, 2013, 59:53-62. 6Spillantini P, Casolino M, Durante M, et al.Shielding fr
25、om cosmic radiation for interplanetary missions:Active and passive methodsJ.Radiat Meas, 2007, 42 (1) :14-23. 7Papini P, Spillantini P.Toroidal magnetic fields for protecting astronauts from ionizing radiation in long duration deep space missionsJ.Acta Astronaut, 2014, 104 (2) :531-537. 8Raaijmakers
26、 A J, Raaymakers B W, van der Meer S, et al.Integrating a MRI scanner with a 6MV radiotherapy accelerator:Impact of the surface orientation on the entrance and exit dose due to the transverse magnetic fieldJ.Phys Med Biol, 2007, 52 (4) :929-939. 9Agostinelli S, Allison J, Amako K A, et al.Geant4A si
27、mulation toolkitJ.Nucl Instrum Methods Phys Res A, 2003, 506 (3) :250-303. 10耿长冉, 汤晓斌, 谢芹, 等.空间辐射环境及人体剂量蒙特卡罗模拟J.强激光与粒子束, 2012, 24 (12) :3028-3032. (Geng Changran, Tang Xiaobin, Xie Qin, et al.Space radiation environment and human dose calculation based on Monte Carlo method.High Power Laser and Particle Beams, 2012, 24 (12) :3028-3032)
