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星际飞行中地球磁场的质量屏蔽 人类的太空探测不可避免地暴露在外层空间的辐射环境中。关于空间辐射源主要有三种：宇宙战舰（tcr）、地震跟踪（tpr）和太阳粒子事件（spe）。近地轨道(low earth orbit,LEO)载人航天飞行期间,由于存在地球磁场和地球自身的屏蔽,大大减少了航天员受到的空间辐射剂量。因此,对于目前我国载人航天的近地轨道、短期飞行,适当的质量厚度屏蔽就可以基本满足空间辐射防护的要求。 对于星际飞行,飞船在飞离和返回地球时需要穿过地磁捕获辐射带。在星际飞行期间,虽然脱离了地磁捕获辐射带的影响,但也失去了近地轨道的自然防护条件,从而加大了银河宇宙辐射和太阳粒子事件的影响。根据NASA发表的计算结果,深部空间的银河宇宙辐射可以使航天员接受0.6 Sv/a的剂量,该值已经超过了国际放射防护委员会(ICRP)第103号报告推荐的职业照射剂量限值0.5 Sv/a。太阳粒子事件是一种潜在的辐射危险源,载人航天持续时间越长,遭遇太阳粒子事件的概率越大。假如飞行中遇到1972年8月事件(历史上观测到的注量最大)的注量并且具有迄今为止最硬的1956年2月事件(历史上观测到的能谱硬度最大)的能谱,此时在深部空间飞行的航天员预估剂量见表1。在2 g/cm2铝屏蔽厚度条件下,造血器官剂量为4.4 Sv,即使具有20 g/cm2的铝屏蔽厚度,造血器官剂量也达到2.6 Sv。根据ICRP第103号出版物,单次短暂照射剂量达到0.5 Gy(约1 Sv)就能使造血机能低下,估算的LD10(死亡概率为10%的剂量中位值)为1～2 Gy(约2～4 Sv)。因此,如在星际飞行期间遭遇特大太阳粒子事件,可发生严重的急性电离辐射效应,甚至威胁到航天员生命。 通过计算,在上述太阳粒子事件发生时,要使航天员的空间辐射剂量值控制在0.45 Sv内,需要50 g/cm2的铝屏蔽厚度,由于航天器载荷重量限制,增加屏蔽厚度费用相当昂贵;同时,随着质量屏蔽厚度的增加,初级空间辐射与屏蔽材料相互作用产生的次级辐射剂量贡献也逐渐增大。计算表明,在屏蔽小于10 g/cm2时,初级粒子剂量远高于次级粒子剂量;在屏蔽到20 g/cm2以上时,初级和次级粒子的剂量就大体相同了。因此,质量厚度屏蔽方法不能满足长期飞行和深空飞行的需要。 因此,探寻新的方法的航天员在星际飞行中的空间辐射进行合理防护,是载人航天必须要面对和急待解决的问题。主动防护方法是指利用磁场或电场偏转入射带电粒子,将其引离航天器,从而降低航天器内航天员的辐射剂量。本文主要介绍了静电场防护、等离子体防护、磁场防护(包括约束磁场和非约束磁场)3种载人航天的主动防护方法,并且分别对它们的防护原理进行了阐述。 1 带电粒子防护结构 Vogler等早期提出的静电场防护为两球同心结构,内层球内部为保护区。若内层球半径为a,球壳表面带正电荷,电量为Qa;外层球半径为b,球壳表面带负电荷,电量为Qb,真空介电常数为ε0。那么,距离球心r处电势由方程(1)表示: V(r)={Qa4πε0a+Qb4πε0b(r≤a)Qa4πε0r+Qb4πε0b(arb)qa-Qb4πε0r(r≥b)(1)V(r)=???????????Qa4πε0a+Qb4πε0b(r≤a)Qa4πε0r+Qb4πε0b(arb)qa?Qb4πε0r(r≥b)(1) 假设内层球表面(即r=a处)电势为Va,外层球表面(即r=b处)电势为Vb,那么距离球心r处电势也可由方程(2)表示: V(r)={Va(r≤a)bVb-aVab-a-((abb-a)(Vb-Var)(arb)0(r≥b)(2)V(r)=?????????Va(r≤a)bVb?aVab?a?((abb?a)(Vb?Var)(arb)0(r≥b)(2) 因为外层球壳带负电,与电子产生斥力,通过计算,能量不超过1 MeV的电子将无法达到外层球壳表面。而对于带正电荷的粒子,外层球壳与其产生引力,带电粒子动能将有所增加,增量约为Ze|Vb|,若入射粒子为铁离子,那么其增加能量约26 MeV/核子。在银河宇宙辐射的能谱中,注量较大的铁离子能量约1 GeV/核子,增量与其相比可以忽略。 为了防止真空击穿,2个球壳上的电场密度均不能低于3 × 107V/m,球的半径需要达到数百米。因此,同心球结构很显然无法应用于星际航行中的辐射防护。为了解决上述问题,Sussinham 和 Townsend等提出了另一种静电场防护结构(图1)。 这种静电场防护结构由13个球组成,中心球的内部为受保护区域,半径为20 m,球壳表面电压为300 MV;周围6个小球的半径为10 m,每个球的球心距离中心球的球心50 m,球壳表面电压V=+300 MV;外层6个球的半径为20 m,每个球的球心距离中心球的球心160 m,球壳表面