Geant4在空间辐射效应分析中的应用研究

论文摘要

空间辐射效应是影响在轨航天器安全运行的重要因素之一,辐射效应评估是航天工程中不可或缺的重要环节。本文围绕空间辐射效应的评估问题,基于Geant4工具包开展了大气中子模拟、航天器建模与屏蔽分析等研究工作。在现有空间环境和效应模型的基础上,开发了一套比较完整的效应分析软件,计算了全电推进转移轨道上的辐射效应水平。首先,本文以实测数据和Geant4工具包为核心,完成了宇宙线从磁层外到航空高度的传输模拟,实现了1小时分辨率的大气中子实时计算。以Bon14银河宇宙线模型和多种太阳质子事件能谱拟合函数为基础,利用ACE/CRIS和GOES实测数据,实现了宇宙线能谱的实时计算,并与实测数据进行了对比分析。针对地磁截至刚度计算过程中,计算效率低不能满足实时计算的问题,本文从带电粒子在磁场中的洛伦兹运动方程出发,以网格化的IGRF12内源场和Tsy05外源场模型基础,利用修改后的MAGNETOCOSMICS程序实现了100km高度上地磁截止刚度的实时计算。本文采用NLRMSISE-00大气模型计算大气成分和密度分布,建立了1km为间隔的大气分层结构,基于Geant4开发了宇宙线质子和α粒子在大气分层结构中传输的模拟程序。利用该程序分析了单能粒子和典型太阳质子事件引起的航空高度上的大气中子能谱,以此为基础形成了大气中子数据库。在不考虑地磁截止刚度的情况下,大气中子数据库与同类模型进行了对比验证,在10、20、60km高度上,总有效剂量的最大误差为16.47%。综合以上研究内容,采用在大气中子数据库中线性插值的方式,结合ICRP103出版物给出的粒子通量-有效剂量转换系数,实现了1小时分辨率的全球大气中子能谱和有效剂量的实时计算,为临近空间的辐射效应评估奠定了基础。其次,随着民用航天的发展,航天工程师们迫切需要在降低工程成本的同时保障航天器在轨安全运行。本文采用GDML几何描述语言搭建航天器三维模型,并根据建模实际需求对GDML进行了扩展,以方便建模。Geant4是功能强大的蒙卡工具包,但航天器设计部门采用的Pro/Engineer、SolidWorks等商业CAD软件与Geant4蒙特卡罗工具包之间缺乏必要的数据转换接口,不利于后续蒙特卡罗模拟的开展。本文利用开源几何造型基础平台Open Cascade读入STEP中性文件,然后利用NETGEN进行网格剖分并按照GDML格式输出。数据转换接口能够弥补手动编写GDML耗时且容易出错的不足,且能满足建立复杂几何体的需求。针对深层充电三维蒙卡模拟的需求,本文利用NETGEN体网格剖分功能,将几何体转换为Elmer有限元网格,并实现了复杂几何体中的物理参量收集统计功能,为以后的深层充电模拟打下了良好基础。本文以FREECAD框架为基础,形成了一套具有友好用户界面的航天器建模和屏蔽分析软件,具备简单模型的创建、复杂几何体的导入导出、扇段分析、屏蔽粒子能谱计算等功能。以欧洲空间引力波探测器为例,验证了上述软件的各项功能。计算结果表明三维屏蔽分析相对于一维模型更加真实,可以用于防护薄弱位置的识别和进行有针对性的屏蔽防护优化,降低屏蔽重量。最后,本文比较分析了最新的辐射带模型-Ap9Ae9与工程常用的Ap8Ae8模型在低地球轨道、太阳同步轨道、地球同步转移轨道、中地球轨道、地球同步轨道等典型轨道上的辐射带粒子能谱,以及3mm铝屏蔽下剂量的差异,初步给出了Ap9Ae9模式的选择建议。本文开发了基于Geant4的多灵敏体积单粒子效应评估软件G4Upset,以AT60142F SRAM为例,介绍了多灵敏体积的建模和在轨单粒子翻转率计算过程。根据辐射效应评估的业务流程,本文详细介绍了各种辐射效应的计算方法,全面系统的集成了目前工程上常用的空间环境模型和辐射效应评估模型,结合扇段分析模块计算的等效铝屏蔽厚度分布,能够给出卫星轨道上的空间辐射环境、舱内屏蔽能谱、单粒子翻转率、总剂量、位移损伤、太阳电池损伤等辐射效应的常规评估。除了常规效应分析,本文还利用最新的Ap9平均子模式,给出了低轨道卫星穿越南大西洋异常区的预报,已经为多颗先导卫星服务,以及集成了以Kp指数表征地磁活动状况的大气中子能谱计算模块。利用本文自主开发的空间辐射效应分析软件计算了全电推进卫星在转移轨道上遭遇的辐射效应水平,计算结果表明因卫星长时间运行在辐射带,导致全电推进转移轨道上的单粒子效应和太阳电池损伤效应非常严重,需要特别关注。

论文目录

摘要

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第1章绪论

1.1 空间环境及其效应

1.1.1 空间辐射环境

1.1.2 空间环境效应

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目标和主要内容

第2章 Geant4 蒙特卡罗工具包

2.1 Geant4 概述

2.2 Geant4 应用程序的开发流程

2.2.1 物理过程

2.2.2 入射粒子源

2.2.3 物理参量

2.3 Geant4 加速优化算法

2.3.1 几何优化算法

2.3.2 减方差技巧

2.4 本章小结

第3章大气中子实时计算模式

3.1 研究背景

3.2 银河宇宙线能谱的实时计算

3.2.1 Badhwar&O'Neill模型

3.2.2 太阳调制参数的计算方法

3.3 太阳质子事件能谱拟合

3.3.1 太阳质子事件实测数据

3.3.2 太阳质子事件能谱拟合方法

3.4 实时地磁截止刚度计算方法

3.4.1 粒子在磁场中的运动方程

3.4.2 基于MAGNETOCOSMICS的地磁截止刚度计算

3.4.3 全球地磁垂直截止刚度的实时计算

3.5 大气中子的蒙特卡罗仿真模拟

3.5.1 基于Geant4 的大气中子传输计算程序

3.5.2 单能粒子诱发的大气中子分布

3.5.3 典型太阳质子事件诱发的大气中子能谱

3.6 大气中子实时计算模式

3.6.1 大气中子数据库

3.6.2 大气中子辐射剂量

3.6.3 系统运行验证

3.7 本章小结

第4章航天器建模与屏蔽分析

4.1 研究背景

4.2 实体建模方法及其工具

4.2.1 三维实体建模方法

4.2.2 STEP中性文件

4.2.3 OPEN CASCADE几何造型基础软件平台

4.2.4 NETGEN二维/三维自动网格剖分工具

4.3 基于GDML的航天器屏蔽建模研究

4.3.1 GDML几何描述语言

4.3.2 GDML建模方法的扩展

4.3.3 CAD-GDML格式的相互转换方法研究

4.3.4 深层充电中的三维建模

4.4 扇段分析方法

4.4.1 剂量-深度曲线

4.4.2 基于Geant4 的扇段分析方法实现

4.5 航天器辐射屏蔽分析软件

4.5.1 辐射屏蔽分析软件的主要功能

4.6 航天器屏蔽建模及效应分析实例

4.7 本章小结

第5章空间辐射效应分析及软件开发

5.1 研究背景

5.2 软件框架及主要功能

5.2.1 空间辐射环境模块

5.2.2 空间环境效应评估模块

5.2.3 多灵敏体积单粒子效应评估

5.2.4 穿越南大西洋异常区预报模块

5.2.5 大气中子计算模块

5.3 空间辐射效应评估实例

5.3.1 电推进轨道上空间辐射环境

5.3.2 电推进轨道上的空间辐射效应水平

5.4 本章小结

第6章总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈善强

导师: 刘四清

关键词: 空间环境,辐射效应,屏蔽模型,扇段分析,大气中子

来源: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,航空航天科学与工程

单位: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

分类号: V520.6;P353

DOI: 10.27562/d.cnki.gkyyz.2019.000013

总页数: 125

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