摘要

  被动辐射屏蔽是设计综合解决方案以减轻辐射在长时间深空航行过程中对人类探测的影响的一个强制性要素。因此，理解和利用适用于太空飞行中辐射屏蔽的材料的特性至关重要。在此，我们将介绍Kevlar和聚乙烯的辐射屏蔽能力的第一次空间测试的结果，以及对背景基线的直接测量（无屏蔽）结果。在ALTEA-shield欧空局赞助计划期间，在国际空间站（哥伦布模式）上进行了测量。首次在类似于深空的辐射环境中测试了这种材料的屏蔽能力，这得益于ALTEA系统的特点，它允许仅选择国际空间站的高纬度轨道。聚乙烯广泛应用于太空辐射屏蔽，因此是对比研究中使用的优良基准材料。此项研究中，我们发现Kevlar具有与聚乙烯相当的辐射屏蔽性能，达到剂量率降低32±2％，剂量当量率降低55±4％（对于10 g/cm2的屏蔽）。

  引言

  辐射风险的减轻是允许人类对深空探索最重要的问题之一。深空栖息地的辐射组成有：银河宇宙线（GCR），与太阳活动相关的辐射（如太阳粒子活动（SPEs））以及由GCR和SPE与空间栖息地外壳或其他中间材料（如太空服或实验架）相互作用产生的二次辐射。因此了解材料的辐射屏蔽特性是空间中辐射的综合解决对策中的重要一步，在此过程中，被动屏蔽将发挥主要作用。

  此类研究的目标是为了将机组人员的辐射风险降低到合理可实现的水平（ALARA），降到理想情况时，暴露在太空中的辐射风险将和地球上相当，不影响允许的任务持续时间。由于这一目标仍未达到可用技术的范围，未来的任务计划将考虑“额外的”辐射风险必须低于一些预定的阈值。

  对用于空间任务中的给定材料的辐射屏蔽性能的研究通常包括三个主要步骤。首先，材料的屏蔽能力通过蒙特卡罗模拟的验证。如果结果有希望，则可以通过在粒子加速器设备进行离子辐照来评估材料的性能。测试中使用的离子预期是空间中最多的离子。最后，对只有在前两个步骤中表现出最佳特性的材料进行空间中的表征。

  在高纬度的低地球轨道（LEO）中的测量使利用正确的离子谱研究类似于深空的辐射场成为可能，这些研究将评估材料作为辐射屏蔽物的特性。然而，这些测量比基于地面的测量对能源的要求高得多。因此，它们需要对地面材料（如上所述）进行全面的初步表征，并清楚地表明该材料确实是有希望的候选物。

  国际空间站（ISS）是测试这些材料对空间辐射的反应的最佳实验室。即使在地球磁场的保护下，在高纬度地区的ISS中的辐射频谱环境是外层空间辐射光谱的最接近的可用复制品。

  这些测量需要一个有效的检测系统，其允许选择仅在适当的轨道（高纬度地区）获取的数据。这个选择能够从数据中排除南大西洋的异常（SAA）区域的影响（SAA是范艾伦带更接近地球并捕获大量低能质子，产生与深空无关的辐射场的区域）。

  ISS内的辐射通量的改变主要是由于i：）由于太阳周期而导致的银河系宇宙线（GCR）的调制；ii）由于地球磁场内的ISS位置导致的GCR的调制；iii）外部活动，如太阳日冕物质抛射（CME）和耀斑。此外，必须考虑将ISS的壳体和设备（通常在ISS内部不同的位置移动）作为具有不同密度和厚度的外部辐射的屏蔽器。为了测量屏蔽效能，考虑到这种辐射通量变化，因此需要在检测器上同时进行使用及不使用屏蔽材料的测量。

  在最近，已经对芳纶进行了Monte Carlo模拟和地面试验，以及在空间中的第一次初步测试。这些测试表现出良好的辐射屏蔽性能，与聚乙烯相当。高度氢化的材料在空间中作为辐射屏蔽效能最好，因为它们防止核碎裂过程，这可以增强剂量。聚乙烯是目前被认为具有高水平氢化，易于处理和机加工以及经济实惠的材料。它通常被用于作为比较其他材料屏蔽性能的基准。同时考虑到对抗冲击力（对碎片屏蔽很重要），Kevlar是一个很好的候选物。此外，可以作为纤维使用，它可以容易地适应于其他目的，例如舱外活动（EVA）套装或在某些特定位置的栖息地的“额外”屏蔽，例如在船员睡觉区域中。

  在本文中，我们展示了在ALTEA-shield项目期间在ISS中进行研究Polyethylene和Kevlar的屏蔽效能的测量结果。研究使用了ALTEA系统7的三个检测器。这些有效的检测器能够将辐射测量与ISS位置合并。因此，选择在轨道中最能模拟在深空间环境中预期的辐射的测量是可行的。此外，作为三个检测器是相同的，它们适合同时使用：一个用于非屏蔽基线，另外两个用于测量两种与屏蔽相同的不同量材料的辐射。

  实验部分

  1.ALTEA硅检测器单元：六个相同的ALTEA SDU中的每一个是由六个平行的硅平面构成的粒子望远镜。每个硅平面（380μm厚）由8×8cm2的两个平方的硅芯片组成，间隔5mm，以32mm的间隔分段。ALTEA SDU内的连续平面具有正交条带分割，以便重建轨道的xy坐标，而z方向由SDU内的成对平面的相对位置给出。两个平面之间的距离为37.5毫米。该结构导致根据Sullivan计算的每单个SDU的230cm2 -Sr 的双向几何因子（GF）。

  2.测试材料：

  Kevlar，由杜邦专利的纤维，是芳香族聚酰胺家族的有机纤维。它具有强度，韧性和热稳定性的独特组合。Kevlar的标称密度为1.4g/cm3。

  聚乙烯（PE）是由密度为0.92~0.97g/cm3的乙烯聚合制成的合成树脂。所选PE是Ensinger制造商（TECAFINE PE5）的高密度（0.96g/cm3）PE。

  在测量期间，三个SDU中有一个是非屏蔽的并且用作参考。另外两个作为屏蔽的是具有不同厚度的相同材料（聚乙烯或凯夫拉尔）。瓦片放置在每个检测器的两个视图上。

  这种数据采集策略，具有和不具有屏蔽瓦片的同时测量允许测量瓦片材料的屏蔽效能，排除周围的屏蔽贡献。这种技术也解决了在测量期间由于材料位置（移动机架，实验等）的可能变化引起的问题。

  3.数据处理：数据处理的第一步是针对检测器的每个硅带执行基准（无输入偏移）。通过读取检测器对注入的测试电流的响应，在测量期间周期性地获取基座数据。第二步是单轨活动选择。每个事件与相对地理（纬度，经度和高度）和磁性坐标一起存储，用于在特定区域发生的事件的离线选择。

  4.角度选择：不是所有触发SDU的离子都穿过所有瓷砖厚度：其中一些将从瓦片侧退出（或进入）。使用更大的瓷砖以覆盖所有的ALTEA视野，将是不切实际的。此外，材料垂直于瓦片表面的离子轨迹比有角度的轨道具有更短的路径。为了最小化这种现象，我们使用ALTEA跟踪功能来评估轨道的角度，以窄入射角进行切割，以便假设所有离子在材料中行进相同的路径长度。这个过程减少了几何因素，所以统计了。即使这对于所有能量的综合计算都是可以接受的，但这种解决方案大大地抑制了光谱的统计。为了呈现有意义的光谱，我们稍微放松角度选择标准，仍然获得在材料中相同长度行进的轨道的相当好的选择。

  5.剂量和剂量当量计算

  6.错误评估

  结论：

  这项工作描述了在与深空相似的辐射环境中使用同时测量的基线的空间材料屏蔽效能的初次测量。研究的材料是Kevlar，由于聚乙烯正在成为空间中被动辐射屏蔽的标准，故将其行为与聚乙烯进行了比较。我们的测量结果表明，Kevlar的屏蔽性能与聚乙烯相当。对于剂量率和剂量当量率，使用10 g/cm2的屏蔽材料，分别降低了30％和50％的还原因子。

  考虑到高纬度的数据，得到了最好地模仿深空间辐射环境的结果。这些测量的两个主要特征（并发基线和高纬度数据选择）对于最大化测量的可靠性至关重要。

  最后，Kevlar的抗冲击性和灵活性（其也是纤维）的特征使其成为集成屏蔽方法中作为执行元件的最佳候选者。

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