空間輻射環(huán)境工程

沈自才，1980年3月生，山東臨沂人，博士，高級工程師。先后于中國科學院研究生院獲得材料學碩士學位與光學工程博士學位?，F(xiàn)從事航天器空間環(huán)境效應(yīng)與深空探測技術(shù)研究

序一

復(fù)雜的空間環(huán)境將對航天器在軌壽命和可靠性帶來嚴峻的挑戰(zhàn)，造成其在軌性能退化或失效?？臻g輻射環(huán)境是引起航天器在軌故障的主要環(huán)境因素。因此，在航天器任務(wù)設(shè)計、軌道選擇、結(jié)構(gòu)布局、材料與器件的選擇、在軌故障分析以及在軌預(yù)報預(yù)警等各個環(huán)節(jié)，需要充分考慮空間輻射環(huán)境及其效應(yīng)對航天器的影響。

我國在開發(fā)利用近地軌道空間的同時，也加快了深空探測的步伐。隨著嫦娥一號衛(wèi)星和天宮一號飛行器的升空，我國拉開了深空探測和空間站建設(shè)的大幕。航天器研制型號的不斷增多和性能的提高，對航天器提出了高可靠、長壽命的要求。

國外航天大國自第一顆人造衛(wèi)星開始，利用地面模擬試驗和在軌探測實驗，對空間輻射環(huán)境相關(guān)各個領(lǐng)域開展了大量的工作。我國自東方紅一號衛(wèi)星研制開始就非常重視空間輻射環(huán)境的影響，經(jīng)過多年的發(fā)展，在空間輻射環(huán)境工程的各個領(lǐng)域均取得了一定的成果。然而，與國外相比，仍然存在一定的差距。

雖然國內(nèi)外針對空間輻射環(huán)境與效應(yīng)開展了大量研究，出版了大量學術(shù)論文和研究報告，但少有系統(tǒng)介紹航天器空間輻射環(huán)境工程的論著。本書廣泛調(diào)研并取材國內(nèi)外科學技術(shù)文獻，并將作者的研究心得和見解融入其中，比較全面地反映了國內(nèi)外在空間輻射環(huán)境工程領(lǐng)域已經(jīng)取得的成果、最新進展和發(fā)展趨勢。

本書內(nèi)容豐富，涉及知識面廣，思路清晰。從空間輻射環(huán)境與模型、空間輻射機理與效應(yīng)、空間輻射環(huán)境與效應(yīng)標準、地面模擬試驗方法、地面模擬試驗設(shè)備、數(shù)值模擬、飛行試驗等方面對航天器空間輻射工程的各個領(lǐng)域進行闡述，可為從事航天器工程設(shè)計、研制、試驗等相關(guān)各領(lǐng)域的科技工作者提供借鑒，也可作為空間輻射環(huán)境相關(guān)專業(yè)的學生參考用書。相信本書的出版能夠?qū)μ岣呶覈教炱餮兄扑胶秃教炱鞯目煽啃云鸬酵苿幼饔谩?

戚發(fā)軔

2013．4

序二

空間輻射環(huán)境是引起航天器在軌故障的主要環(huán)境因素之一，它所引起的單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)、表面充放電效應(yīng)和內(nèi)帶電效應(yīng)等一直是航天器在軌設(shè)計所重點關(guān)注的空間環(huán)境效應(yīng)。隨著我國研制型號的增多和對航天器長壽命高可靠要求的增強，以及新材料、新器件等在航天器上的應(yīng)用，需要進一步加強空間輻射環(huán)境及效應(yīng)的研究。

我國自東方紅一號衛(wèi)星研制開始，就非常重視空間輻射環(huán)境及效應(yīng)對航天器帶來的影響。隨著空間活動由近地軌道向深空的逐步推進，我國開展了大量的空間輻射環(huán)境及效應(yīng)的研究工作，并取得了一系列研究成果，但與國外相比仍然存在著一定的差距，尚不能完全滿足我國航天任務(wù)的需求。

本書作者針對空間輻射環(huán)境的時空分布及其與衛(wèi)星的相互作用的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀做了系統(tǒng)的研究分析，并取材國內(nèi)外的重要學術(shù)文獻和研究報告，對空間輻射環(huán)境模型、空間輻射與航天器作用的機理及產(chǎn)生的效應(yīng)、空間輻射與效應(yīng)標準、地面模擬試驗設(shè)備、地面模擬試驗方法、數(shù)值模擬和飛行試驗等進行系統(tǒng)梳理與分析，并將作者本人的部分研究成果和心得融入其中，比較全面地反映了國內(nèi)外在空間輻射環(huán)境工程領(lǐng)域已經(jīng)取得的成果、最新進展和發(fā)展趨勢。

本書全文10章，沿著從基礎(chǔ)到應(yīng)用基礎(chǔ)再到應(yīng)用的脈絡(luò)展開。第1章為緒論，第2章對空間輻射環(huán)境與模型進行了介紹，第3章介紹了空間輻射的機理與效應(yīng)，第4章介紹了空間輻射環(huán)境與效應(yīng)的國內(nèi)外標準，第5章至第8章，從空間輻射效應(yīng)地面模擬試驗方法、地面模擬試驗設(shè)備、數(shù)值仿真模擬和飛行試驗四個方面論述了空間輻射效應(yīng)的試驗與仿真，第9章和第10章闡述了空間輻射效應(yīng)的應(yīng)用。全書基本覆蓋到了航天器空間輻射效應(yīng)的各個研究領(lǐng)域，可為從事航天器空間輻射環(huán)境與效應(yīng)相關(guān)各領(lǐng)域的科技工作者提供參考，也可作為空間輻射環(huán)境相關(guān)專業(yè)的學生輔導用書。因此，本書的出版，將對促進我國航天技術(shù)的發(fā)展、提升航天器研制水平起到積極作用。

張永維

2013．42100433B

《空間輻射環(huán)境工程》對航天器設(shè)計與研制、航天器空間輻射環(huán)境效應(yīng)、地面模擬試驗技術(shù)、飛行試驗及深空探測等具有一定的指導意義

第1章 緒論 1

第2章 空間輻射環(huán)境 4

2.1 概述 4

2.2 帶電粒子輻射 4

2.2.1帶電粒子輻射環(huán)境 4

2.2.2帶電粒子輻射模型 13

2.3 太陽電磁輻射 73

2.3.1太陽電磁輻射環(huán)境 73

2.3.2太陽電磁輻射模型 74

2.4 深空輻射環(huán)境 77

2.4.1自由空間輻射環(huán)境 77

2.4.2月球輻射環(huán)境 78

2.4.3火星輻射環(huán)境 79

2.4.4木星輻射環(huán)境及模型 82

2.4.5土星輻射環(huán)境及模型 97

2.4.6不同行星體深空輻射環(huán)境比較 112

2.5 展望 113

參考文獻 115

第3章 空間輻射環(huán)境效應(yīng) 120

3.1概述 120

3.2空間輻射機理 121

3.2.1輻射源類型 122

3.2.2輻射與材料相互作用的物理過程與機理 122

3.2.3重帶電粒子、電子、γ射線和中子與物質(zhì)相互作用的比較 135

3.3空間輻射效應(yīng) 135

3.3.1單粒子效應(yīng) 136

3.3.2總劑量效應(yīng) 139

3.3.3表面充放電效應(yīng) 140

3.3.4內(nèi)帶電效應(yīng) 143

3.3.5位移損傷效應(yīng) 146

3.3.6太陽電磁輻射效應(yīng) 147

3.3.7輻射生物學效應(yīng) 150

3.3.8空間多因素環(huán)境協(xié)同效應(yīng) 152

3.4展望 159

參考文獻 160

第4章 空間輻射環(huán)境及效應(yīng)標準 162

4.1概述 162

4.2國外空間輻射環(huán)境及效應(yīng)標準 162

4.2.1國外空間輻射環(huán)境標準 162

4.2.2國外空間輻射效應(yīng)標準 167

4.3國內(nèi)空間輻射環(huán)境及效應(yīng)標準 178

4.3.1國內(nèi)空間輻射環(huán)境標準 178

4.3.2國內(nèi)空間輻射效應(yīng)標準 179

4.4展望 180

參考文獻 182

第5章 空間輻射環(huán)境及效應(yīng)地面模擬試驗方法 185

5.1概述 185

5.2加速試驗方法 185

5.2.1加速因子 186

5.2.2模擬等效區(qū)間 186

5.3航天器材料地面模擬試驗方法 188

5.3.1劑量深度分布法 188

5.3.2等效通量法 190

5.3.3金屬薄膜散射法 193

5.3.4紫外輻射加速試驗方法 193

5.4單粒子效應(yīng)試驗方法 194

5.4.1質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗方法 195

5.4.2锎源單粒子效應(yīng)試驗方法 196

5.4.3重離子單粒子效應(yīng)試驗方法 197

5.4.4脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗方法 201

5.5總劑量效應(yīng)試驗方法 204

5.5.1高能帶電粒子總劑量效應(yīng)試驗方法 204

5.5.2鈷源總劑量效應(yīng)試驗方法 205

5.6表面充放電效應(yīng)試驗方法 209

5.6.1太陽電池陣表面充放電試驗方法 209

5.6.2太陽電池陣等離子體功率泄露試驗方法 213

5.7內(nèi)帶電效應(yīng)試驗方法 214

5.7.1電子束內(nèi)帶電效應(yīng)試驗方法 214

5.7.2介電強度測試試驗方法 215

5.7.3輻射誘導電導率測量試驗方法 215

5.8位移損傷效應(yīng)試驗方法 216

5.8.1等效注量法 217

5.8.2位移損傷劑量法 218

5.8.3勞申巴赫方法 219

5.9展望 220

參考文獻 221

第6章 空間輻射環(huán)境及效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備 223

6.1概述 223

6.2國外空間輻射環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備 223

6.2.1單粒子效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備 223

6.2.2總劑量效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備 238

6.2.3表面充放電效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備 243

6.2.4內(nèi)帶電效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備 249

6.2.5空間紫外輻射地面模擬試驗設(shè)備 251

6.3國內(nèi)空間輻射環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備 256

6.3.1單粒子效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備 257

6.3.2總劑量效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備 264

6.3.3表面充放電效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備 269

6.3.4內(nèi)帶電效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備 271

6.3.5空間紫外輻射地面模擬試驗設(shè)備 272

6.4空間環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 275

6.4.1空間環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備的現(xiàn)狀 275

6.4.2空間環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備的發(fā)展趨勢 277

6.5展望 282

參考文獻 284

第7章 空間輻射環(huán)境及效應(yīng)數(shù)值模擬 288

7.1概述 288

7.2數(shù)值模擬方法 288

7.2.1蒙特卡羅方法 288

7.2.2確定性方法 289

7.2.3粒子輸運蒙特卡羅程序 291

7.3國外空間輻射環(huán)境及效應(yīng)數(shù)值模擬軟件 299

7.3.1空間輻射環(huán)境及效應(yīng)數(shù)值模擬軟件 299

7.3.2表面充放電效應(yīng)數(shù)值模擬軟件 315

7.3.3內(nèi)帶電效應(yīng)數(shù)值模擬軟件 325

7.3.4太陽電池位移損傷效應(yīng)數(shù)值模擬軟件 327

7.4我國空間輻射環(huán)境及效應(yīng)數(shù)值模擬軟件 332

7.5展望 333

參考文獻 334

第8章 飛行試驗 340

8.1概述 340

8.2國外飛行試驗 340

8.2.1國外單粒子效應(yīng)飛行試驗 341

8.2.2國外總劑量效應(yīng)飛行試驗 346

8.2.3國外表面充放電效應(yīng)飛行試驗 368

8.2.4國外內(nèi)帶電效應(yīng)飛行試驗研究 370

8.2.5國外太陽電池飛行試驗研究 373

8.2.6國外飛行試驗發(fā)展趨勢 378

8.3國內(nèi)飛行試驗 380

8.3.1實踐系列衛(wèi)星 381

8.3.2風云系列衛(wèi)星 389

8.3.3資源系列衛(wèi)星 395

8.3.4神舟系列飛船 399

8.3.5嫦娥系列衛(wèi)星 402

8.3.6國內(nèi)其他飛行試驗衛(wèi)星 403

8.4展望 404

參考文獻 405

第9章 航天器抗輻射加固 411

9.1概述 411

9.2航天器抗輻射加固的工作思路 412

9.3航天器抗輻射加固的通用措施 412

9.3.1電子元器件抗輻射加固 413

9.3.2電子線路抗輻射加固設(shè)計 414

9.3.3單機抗輻射加固設(shè)計 416

9.3.4星載計算機的抗輻射加固設(shè)計 417

9.4航天器抗輻射加固設(shè)計 419

9.4.1單粒子效應(yīng)抗輻射加固設(shè)計 419

9.4.2總劑量效應(yīng)抗輻射加固設(shè)計 420

9.4.3表面充放電效應(yīng)抗輻射加固設(shè)計 421

9.4.4內(nèi)帶電效應(yīng)抗輻射加固設(shè)計 422

9.4.5位移損傷效應(yīng)抗輻射加固設(shè)計 423

9.4.6抗太陽電磁輻射效應(yīng)加固設(shè)計 424

9.4.7航天器材料抗輻射加固設(shè)計 424

9.5典型器件的抗輻射加固措施 424

9.5.1 雙極型器件的抗輻射加固措施 425

9.5.2 MOS器件的抗輻射加固措施 425

9.5.3 CCD傳感器抗輻射加固措施 426

9.5.4 FPGA抗輻射加固措施 427

9.6輻射可靠性 428

9.6.1抗輻射加固總體優(yōu)化設(shè)計 428

9.6.2單粒子效應(yīng)可靠性評估和指標優(yōu)化 429

9.6.3總劑量效應(yīng)可靠性評估和指標優(yōu)化 430

9.7展望 431

參考文獻 432

第10章 空間輻射生物工程 433

10.1概述 433

10.2空間輻射誘變效應(yīng)的機制 436

10.2.1電離輻射生物學效應(yīng)的機制 436

10.2.2非電離輻射生物學效應(yīng)的機制 438

10.3空間輻射生物學效應(yīng)特征 438

10.3.1不同傳能線密度輻射效應(yīng)的差異性 439

10.3.2輻射效應(yīng)敏感性不同 439

10.3.3輻射效應(yīng)的隨機性 439

10.3.4低劑量與低劑量率效應(yīng) 440

10.3.5不同輻射源的協(xié)同效應(yīng) 440

10.3.6微重力與輻射的協(xié)同效應(yīng) 441

10.4空間輻射植物工程 441

10.4.1空間輻射植物誘變的機理 441

10.4.2空間輻射誘變育種的特點 442

10.4.3空間輻射對植物的誘變效應(yīng) 442

10.4.4空間輻射植物誘變效應(yīng)研究的問題 444

10.5空間輻射動物工程 444

10.5.1空間輻射動物誘變損傷的機理 444

10.5.2空間輻射誘變損傷的特點 444

10.5.3空間輻射對動物的損傷效應(yīng) 446

10.5.4航天員空間輻射劑量限值 447

10.5.5生物疊技術(shù) 450

10.6非電離輻射生物學效應(yīng) 451

10.6.1紫外輻射生物學效應(yīng) 451

10.6.2微波與短波輻射生物學效應(yīng) 452

10.7空間輻射生物學防護 453

10.7.1電離輻射生物學效應(yīng)防護 453

10.7.2非電離輻射生物學效應(yīng)防護 455

10.8展望 455

參考文獻 457

附錄A部分常用輻射單位名稱、單位符號及換算關(guān)系 462

附錄B全書常用縮略語和專有名詞對照表 463

1.有扎實的自然科學基礎(chǔ)，基本的人文、藝術(shù)和社會科學基礎(chǔ)及準確運用語言、文字的能力；

2.掌握數(shù)學和物理的基本理論和方法，具有堅實的數(shù)學和物理基礎(chǔ)；

3.掌握輻射防護與環(huán)境工程的基本理論和實驗方法，具有一定的科學研究能力和應(yīng)用開發(fā)能力；

4.掌握輻射防護與環(huán)境工程專業(yè)的基本科學知識和體系，獲得輻射防護與環(huán)境工程專業(yè)的實踐訓練，了解輻射防護與環(huán)境工程發(fā)展的前沿和趨勢；

5.掌握計算機及信息技術(shù)應(yīng)用知識，能夠進行中外文文獻檢索與閱讀，掌握科技寫作知識；

6.了解國家有關(guān)的輻射防護與環(huán)境保護的法律、法規(guī)和科學技術(shù)、知識產(chǎn)權(quán)等有關(guān)政策和法規(guī)；

7.具有較強的自學能力、創(chuàng)新意識和較高的綜合素質(zhì)。

大學化學、現(xiàn)代生物學、數(shù)學物理方法、原子核物理學、工程力學、輻射防護與保健物理、輻射劑量學、環(huán)境工程概論等。

《空間環(huán)境工程學》較系統(tǒng)地闡述了由于航天技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的這門新學科。全書分十八章，內(nèi)容包括；真空、冷黑和太陽輻照環(huán)境及其模擬與試驗技術(shù)；空間磁場、微重力、微流星，空間碎片、粒子輻射、原子氧、等離子體、磁層亞暴等特殊空間環(huán)境及其模擬技術(shù)；空問環(huán)境與空問工業(yè)及載人航天環(huán)境模擬技術(shù)。

《空間環(huán)境工程學》可作為有關(guān)專業(yè)大學本科生和研究生教材，也可供從事航天技術(shù)工作有關(guān)學科的技術(shù)人員參考。2100433B