年季学期研究生课程考核
（结课论文）
考核科目 :空间环境与光电系统防护技术 学生所在院（系）:
学生所在学科 :
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学 生 类 别 :
考核结果
航天学院21系 物理电子学 陈毅强 13S 121013 非委培 阅卷人
辐射环境监测
引言
航天器在轨期间将受到各种空间环境因素的强烈作用。空间环境因素多种多样, 主要有电磁辐射、带电粒子辐射、高真空、冷黑环境、原子氧侵蚀以及微流星和空间碎片的撞击等。会对航天器表面材料的性能产生很大的影响，尽管 30 多年的载人太空飞行积累了大量的空间辐射数据, 但仍然不能完全确定航天员在太空中所受到的辐射风险。这主要是由于空间辐射环境的复杂性, 例如航天任务持续时间、太阳活动周期的特定阶段、太阳粒子事件的次数和强度、防护层情况以及低地轨道高度和倾角等因素都会产生不同的辐射影响。因而, 空间辐射测量工作仍然是辐射防护领域面临的最大挑战之一。
关键词：空间辐射环境 辐射环境检测 国内外辐射环境检测
一．空间辐射环境简介
1.1 空间辐射来源
在 LEO 轨道（低地轨道）中，辐射的来源主要有 3 种：
(1)太阳粒子事件( SPEs);
电离辐射的一个主要来源是在太阳耀斑和日冕物质抛射( CME) 期间由太阳发射出的几乎完全电离的等离子体, 包括质子、电子和原子序数直到铁的重离子。这种等离子体流也叫太阳风, 其导电性很强, 在太阳系中形成行星际磁场( IMF) 。从空间辐射健康角度看, 我们最关心的是质子, 这是由于质子所占比例大及高能量。这样的太阳粒子事件主要集中在太阳 11 年周期的太阳活动极大年期间, 而在太阳活动极小年发生次数相对较少。太阳粒子事件有不同的定义, 主要区别是质子通量不同。把质子能量大于 30 MeV、通量大于106cm -2或 3*106cm -2或 107cm -2的事件叫太阳粒子事件。SPEs 事件发生的频率不固定, 但在一个太阳周期大约发生 50 次左右。严重的太阳粒子事件是指质子能量大于 30 MeV、通量大于 1010cm -2的事件。这样大规模的事件一个周期大约会发生一二次。有记录的最大的 SPEs 事件之一发生在 1972 年 8 月, 恰好发生在阿波 罗 16 和阿波罗 17( Apollo) 执行月球任务间隙。如果在此事件期间, Apollo
飞船处在往返月球途中, 航天员很可能会遭受致命的急性辐射疾病。
(2)银河系宇宙射线( GCRs);
银河系宇宙射线是来自太阳系以外的带电粒子, 在整个行星际空间的分布被认为是相对稳定、各向同性的。GCRs 粒子的能谱范围很宽, 在几十到1012MeV 之间。如果不考虑地球磁场的影响, 能量越高的粒子, 其通量也越低。在太阳系, GCRs 粒子的能谱峰值在 1 GeV 左右。GCRs 包含 98%的质子和重离子及 2%的正负电子。高能重离子(HZE), 尤其是相对富含的铁离子具有很高的线性能量传递(LET)和很强的穿透性, 其辐射损伤能力非常强。能量在 1 GeV 以下的 GCRs 粒子通量受到太阳活动周期的影响。在太阳活动极大年, 太阳风最强, IMF 磁场也最强, 此时通量被削弱的程度最大; 在太阳活动极小年, 通量被削弱的程度最小。
在赤道附近地磁磁场线平行于地球表面, 大部分带电荷能粒子被地磁场所偏转。而在地磁场的南北极, 由于磁场线垂直于地球表面, 高纬度的 GCRs 粒子就能沿着磁力线进入两极。因此, LEO 航天器在通过两极时受到的 GCRs 辐射通量最大, 在赤道时最小。
(3)地球磁场捕获的荷能电子和质子, 组成地球的辐射带( ERBs).
1.2空间辐射环境模型
(1)SPEs 模型：一般来说, SPEs 粒子通量是随机性的, 因此必须用统计的方法进行处理。
(2)GCRs 模型：关于计算 GCRs 通量的模型, 早期的 CREME 模型已经被更新的模型取代, 包括 Badhwar 和 O′Neill 模型( 包含在 SIREST 程序中) 及 Nymmik 模型( 包含在 CREME96 程序中) 。这些新的模型是基于太阳调制作 用的扩散和对流理论。对于太阳活动极大年和极小年的 GCRs 质子通量峰值, SIREST 程序预测的要比CREME96 程序预测的高 3 倍。原因尚不清楚, 部分原因可能是二者使用不同的地磁场函数。
(3)ERBs 模型：ERBs 模型现在主要还是基于 NASA 的静态 AE- 8 电子和 AP- 8 质子模型, 这也是事实上的标准模型。其中 AP8 模型有 2 个版本, 即 AP8- MIN 和 AP8- MAX, 分别用于模拟太阳活动极小年和极大年的质子辐射带。这 2 个版本的模型都是全向模型, 即它们只能提供所有方向的平均统计质子通量谱,
而不能给出各向异性的结果。其他质子全向模型还有 PSB97、CRRESPRO 和 NOAAPRO 。这些模型也可从 SPENVIS 网站得到。
AP8 能模拟所有高度和倾角的轨道的质子能谱, 然而会低估较低高度处的高能质子通量。模型所基于的高能质子测量数据也比较缺乏。此外在较低高度处, AP8 模型主要基于外推的结果。PSB97 模型能模拟在太阳活动极小年期间, 轨道低于约 600 km 的质子能谱。CRRESPRO 模型被应用在太阳活动极大年期间, 质子
能量范围直到 100 MeV、高度在 1 000 km 以上的任意倾角轨道的质子通量谱。NOAAPRO 模型能模拟太阳活动周期任意期间的 3 个能量范围的积分通量谱, 大于 16 MeV、大于 36 MeV 和大于 80 MeV, 轨道高度直到 850 km。该模型仅在美国可得到。
(4)次级粒子模型：次级粒子模型一般采用蒙特卡罗方法或者通过解玻尔兹曼方程( Boltzmann) 来建立。最近 NASA 发起并组织多所大学和研究机构, 以进一步发展如下几种辐射粒子在物质中的输运模型及其代码, 它们是 HETC蒙特卡罗代码、FLUKA 蒙特卡罗代码和 HZETRN 代码。其中 HZETRN 代码是基于解一维玻尔兹曼方程。Geant4是基于 3D 蒙特卡罗方法的通用粒子输运工具箱, 是由 ESA 、CERN 和很多大学与研究机构合作的成果。蒙特卡罗程序 SHIELD是 1994 年由 Dementyev 和 Sobolevsky 基于俄罗斯著名的核反应模型推出的强子传输程序。
1.3空间放射量的测定
搭载在载人航天器上的用于辐射测定的探测器设备, 按工作原理可以分为两类: 无源探测器 和有源探测器。
（1）无源探测器固有的优点是体积小、质量轻、安全、易操作及零功耗。无源探测器通常用于测量航天员所受的辐射, 并且几乎每个航天员都配戴至少一个无源探测器。用于空间辐射测量的无源探测器主要有两类: 热致发光探测器和固态核痕迹探测器 。
（2）有源探测器的优点就是能够提供实时或时间分辨的数据, 而且数据分析处理方便快捷。得益于微电子技术的进步, 数据存储能力的增加和长寿命电池的出现, 有源探测器现在发展得越来越适合在空间使用了。
二．我国的辐射环境及监测
2.1 我国辐射环境监测概况
辐射环境监测是环境监测的重要组成部分, 也是辐射环境管理的基础, 对环境放射性污染的防治是公众所关心的热点之一。我国的辐射环境监测始于20世纪50年代核工业建立初期, 当时主要由核设施营运者自行监测, 监测范围局限于核设施周围地区。1964年我国开始进行大气层核试验, 随后于90年代又组织开展了针对核设施和核技术应用项目的放射性污染源调查和重点源监测, 近年来, 原国家环境保护总局开始组织建设全国辐射环境监测网络，对重点核设施进行流出物监测和环境监测, 对全国辐射环境质量进行监测。经过几十年的不懈努力, 我国辐射环境监测工作从无到有、从弱到强、从局部到全国, 得到了比较全面的发展。
2.2全国环境天然放射性水平调查研究(1983～1990年)
自1983年至1990年, 结合我国核工业、核技术利用和核电事业的发展需要, 在全国范围内组织开展了以摸清环境天然放射性水平及其分布为主要目的的“全国环境天然放射性水平调查研究”。该课题覆盖全国范围内, 基本上25km ×25 km 网络均匀布点, 调查了环境陆地(原野、道路、建筑物室内) γ辐射剂量率(离地1 m 高处的空气吸收剂量率); 与此同时, 同位布点采集土壤样品, 分析测定了土壤中238U 、226Ra 、232Th 、40K 含量; 与非放射性常规监测同位布点, 调查了我国主要流域水体中U 、Th 、226Ra 、40K 浓度。
2.3 20世纪90年代开展的放射性污染源调查与重点源监测
随着核能和核技术在我国的发展与应用日益广泛, 环境放射性污染问题日渐受到关注。原国家环境保护总局从1993年起对全国各类放射性污染源进行了历时2年的统计调查这次调查基本掌握了全国放射性污染源的数量、行业与地区分布、放射源的种类、放射性“三废”排放方式、对环境的污染情况与治理的现状。
2.4 20世纪90年代开展的放射性伴生石煤矿开发和利用对环境影响研究
自1991年至2002年, 原国家环境保护总局和原中国核工业总公司开展了放射性石煤伴生矿开发利用对环境影响的研究。该课题调查了石煤矿区及其周围环境陆地γ辐射剂量率(离地1 m高处的空气吸收剂量率); 地区石煤矿区石煤、石煤渣、碳化砖、石煤矿区和周围环境土壤, 气溶胶, 以及石煤矿区和周围环境水体中238U 、226Ra 、232Th 、40K 含量; 石煤矿区及其周围环境中碳化砖和普通红砖建筑物内、外的氡浓度。通过本次调查可以看出, 由于石煤的开采与综合利用已导致石煤矿区原野、道路和碳化砖房室内γ辐射水平有明显的升高, 矿区和生活区大气气溶胶天然放射性核素浓度较高, 石煤矿区调查的碳化砖房室内氡浓度普遍较高; 调查地区的石煤矿区环境介质中核素238U 和226Ra 的比活度较高。
三．欧洲的辐射环境及监测
3.1欧洲辐射环境概况
自1960年代起, 欧洲各国建设了大量的核电厂。在核电发展初期, 由于对辐射环境监测认识不足, 因此对监测能力建设投入较少。切尔诺贝利事故以后, 以法国、德国、英国为首的欧洲国家加强了辐射环境监测工作, 开展辐射环境监测关键技术的研究, 每年组织人员进行大量的辐射监测工作, 建设辐射监测基础设施并配备先进的监测仪器, 形成完整的辐射环境监测网络, 可随时了解全国境内的辐射环境状态, 并通过数据交换平台了解欧洲其他国家的环境辐射水平。至今, 已建立了完善的辐射环境监测基础设施和核与辐射应急预警机制, 为环境质量评价和应急决策提供支持, 为核能发展提供了保障。
3.2 切尔诺贝利事故
切尔诺贝利核事故或简称“切尔诺贝利事件”，是一件发生在前苏联下乌克兰境内切尔诺贝利核电站的核子反应堆事故。该事故被认为是历史上最严重的核电事故，也是首例被国际核事件分级表评为第七级事件的特大事故（目前为止第二例为2011年3月11日发生于日本福岛县的福岛第一核电站事故）。
1986年4月26日凌晨1点23分，乌克兰普里皮亚季邻近的切尔诺贝利核电厂的第四号反应堆发生了爆炸。连续的爆炸引发了大火并散发出大量高能辐射物质到大气层中，这些放射性尘埃涵盖了大面积区域。这次灾难所释放出的辐射
线剂量是二战时期爆炸于广岛的原子弹的400倍以上。
经济上，这场灾难总共损失大概两千亿美元（已计算通货膨胀），是近代历史中代价最“昂贵”的灾难事件没有之一。
3.3 法国的辐射环境监测
截至2006年底, 法国共有19座商用核电厂, 在役机组58个, 总装机容量达到63.1 GW 。法国对辐射环境监测非常重视, 目前已在全国范围内建立了大气、水以及其它介质的辐射环境监测系统。法国的辐射环境监测系统主要包括环境γ剂量率监测网(TELERAY)、放射性监测站(OPERA)、河流自动取样监测(HYDROTELERAY)、废水自动取样监测网(TELEHYDRO)、大气气溶胶连续监测网(SARA),以及核电厂设置的厂区及周围辐射环境监测网络。
3.4 德国的辐射环境监测
切尔诺贝利事故后, 德国加强了对环境放射性的监测, 将核设施以及常规辐射环境监测纳入监管范围。德国对核设施的监测采用双轨制, 即政府与核电厂各自负责, 其中作为政府部门负责的监测设施主要是核电厂远程监测系统(KFU)。另外, 德国还建立了综合测量与信息系统(IMIS),对德国全境的辐射环境进行日常监测。
3.5 英国的辐射环境监测
切尔诺贝利事故后, 英国地方政府建立了各种辐射环境监测联盟, 以评估环境中的辐射水平。这种联盟可以委托独立的监测机构进行监测, 包括大学、医院的监测机构或商业实验室均可承担。地方政府辐射环境监测联盟主要有北爱尔兰辐射环境监测组织(NIRMG)、南英格兰辐射环境监测组织(SERMG)、Lancashire 放射性监测组织(RAD-MIL)、西苏格兰辐射环境监测组织(WSERMS)等。地方政府的监测形成了覆盖全英国的地方辐射环境监测网(LARNET),并最终为英国最高层次的辐射事故监测网(RIMNET)提供数据支持。除了政府部门组织的监测网络外, 英国的核电厂运营单位也建立了辐射环境实验室, 配备各种监测仪器, 负责电厂周围15～40 km范围的辐射环境监测, 在核事故应急时为辐射事故监测网（RIMNET ）补充数据。
四．对我国辐射环境监测的展望
辐射环境监测是一门综合性的应用科学, 它涉及许多科学技术领域, 要真正
做好全国辐射环境监测工作需要多学科、多专业的技术力量支持。近几年我国的辐射环境监测将在以下这五个方面开展工作：
4.1 完善全国辐射环境监测网络
(1)环境辐射剂量率监测的自动化、网络化和标准化;
(2)放射性气溶胶监测自动化、网络化和标准化;
(3)环境样品分析流程化、自动化和标准化;
(4)标准物质的研制和开发;
(5)辐射环境监测网络的质量保证;
(6)氡监测技术及其应用。
4.2 加强辐射预警监测, 防范核和辐射恐怖袭击
(1)建立核恐怖预警监测系统;
(2)开发核和辐射恐怖事件的应急监测技术。
4.3 全面开展核设施辐射环境监测和评价
(1)核设施周围环境辐射监测方案的优化设计;
(2)完善核设施流出物及周围环境中人工放射性核素的监测技术;
(3)建立和完善核设施流出物的监督性监测制度和监测技术。
4.4 高度重视核事故应急快速响应和应急监测
(1)完善核事故应急快速响应和监测系统;
(2)建立核事故应急监测远程、自动、现场无人值守监测系统;
(3)开展跨国辐射监测和合作。
4.5 研究开发海洋环境放射性监测和评价技术
(1)建立海洋环境放射性监测实验室;
(2)研发海洋环境放射性监测方法和技术。
参考文献： 【1】《我国辐射环境监测网络质量管理现状及发展对策》 黄仁杰，张荣锁，沈 钢 ，倪士英；辐射防护（期刊）2009-9 第29卷第5期
【2】《我国辐射环境监测的回顾与展望》 刘华，赵顺平，梁梅燕，邵海江，倪士英；辐射防护（期刊）2008-11 第28卷第6期
【3】《欧洲的辐射环境监测》 黄彦君，上官志洪，赵锋，张晓峰；辐射防护通讯（期刊）2008-8 第28卷第4期
【4】《空间紫外辐射环境及效应研究》 刘宇明；航天器环境工程（期刊）2007-12
第24卷第6期
【5】《空间辐射环境与测量》 高欣, 杨生胜, 牛小乐, 王云飞；真空与低温 （期刊）2007-03 第13卷第1期