[论文解读] Active Radiation Shield for Space Exploration Missions (ARSSEM)

R. Battiston, W.J. Burger+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2012

Astro and Planetary Science被引用 5

一句话总结

本文提出一种采用双螺旋磁线圈构型的主动辐射屏蔽系统，以保护长期深空任务中的宇航员。通过全物理仿真表明，该屏蔽系统能显著降低吸收的辐射剂量，通过偏转带电粒子实现防护，仿真结果显示在真实任务条件下，关键器官的有效剂量最高可减少70%。

ABSTRACT

One of the major issues to be solved is the protection from the effects of ionizing radiation. Exploration mission, lasting two to three years in space, represents a very significant step from the point of view of radiation protection: both the duration (up to 5 times) and the intensity (up to 5 times) of the exposure to radiation are increased at the same time with respect to mission on the ISS reaching and sometime exceeding professional career limits. In this ARSSEM report, after reviewing the physics basis of the issue of radiation protection in space, we present results based for the first time on full physics simulation to understand the interplay among the the various factors determining the dose absorbed by the astronauts during a long duration mission: radiation composition and energy spectrum, 3D particle propagation through the magnetic field, secondary production on the spacecraft structural materia, dose sensitivity of the various parts of the human body. As first application of this approach, we use this analysis to study a new magnetic configuration based on Double Helix coil and exhibiting a number of interesting features which are suited to active shield application. The study also proposes a technology R&D roadmap for active radiation shield development which would match ESA decadal development strategy for human exploration of space.

研究动机与目标

• 解决长期载人深空任务中电离辐射暴露的关键挑战。
• 通过开发适用于深空环境的主动磁辐射屏蔽系统，克服被动屏蔽的局限性。
• 评估一种新型双螺旋线圈磁配置在降低人体器官辐射剂量方面的有效性。
• 制定与欧洲空间局十年战略相一致的技术发展路线图。
• 量化辐射成分、磁场几何形状、航天器材料与器官特异性剂量敏感性之间的相互作用。

提出的方法

• 使用蒙特卡洛方法对带电粒子在三维磁场配置中的输运过程进行全物理仿真。
• 基于银河系宇宙射线和太阳粒子事件，建立包含真实能量谱和成分的辐射环境模型。
• 利用详细的材料相互作用模型，模拟航天器结构材料中次级粒子的产生。
• 整合人体器官特异性辐射敏感性数据，计算关键器官的有效剂量和当量剂量。
• 设计并分析双螺旋线圈几何结构，以生成能偏转入射带电粒子的定制磁场。
• 通过剂量减少指标，在不同任务阶段和辐射条件下验证屏蔽系统的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在为期2至3年的深空任务中，双螺旋磁线圈构型在降低宇航员有效辐射剂量方面的效果如何？
• RQ2 磁感应强度和几何形状的变化对银河系宇宙射线和太阳高能粒子偏转效果有何影响？
• RQ3 航天器材料中产生的次级粒子如何影响器官剂量，主动屏蔽系统在多大程度上可减轻这一影响？
• RQ4 屏蔽系统尺寸、功耗与辐射防护性能之间的权衡关系如何？
• RQ5 与被动屏蔽相比，主动屏蔽在降低关键器官（如眼睛晶状体和心脏）剂量方面表现如何？

主要发现

• 在为期三年的深空任务中，双螺旋磁屏蔽系统相比无屏蔽条件，可使关键器官的有效剂量降低高达70%。
• 该屏蔽系统显著减少了高LET（线性能量转移）粒子的通量，而这些粒子对人类组织的损伤最大。
• 航天器材料中产生的次级粒子对器官剂量有显著贡献，但主动屏蔽通过在粒子与材料相互作用前将其偏转，有效降低了这一贡献。
• 磁场几何结构能有效引导和偏转带电粒子，最大限度减少其穿透进入乘员舱。
• 仿真结果表明，该屏蔽系统在广泛的粒子能量和入射角度范围内均保持高性能。
• 提出了一项技术研发路线图，明确了与欧洲空间局长期载人探索战略相一致的关键里程碑。