专利名称：空间三维结构器件位移吸收剂量的计算方法
技术领域：
本发明涉及位移吸收剂量的计算方法。
背景技术：
准确计算航天器及器件的在轨位移吸收剂量，是评价航天器及器件寿命/可靠性的重要手段之一，尤其是对位移损伤敏感的器件(如，太阳电池、CCD器件、电光及光电器件等)更是如此。目前国际上对航天器及器件在轨电离吸收剂量的计算相对较为深入。例如，最早是基于一维Monte Carlo方法开发并应用于工程上的SHIELDOSEm程序。该程序能够计算一维壳体、无限板厚及有限板厚防护的靶材吸收剂量，其中防护层的材料主要考虑为Al，靶材的材料可以为S1、SiO2, H2O, Al等。该程序计算方便，但不能够进行三维复杂结构吸收剂量的计算，也不能够计算位移吸收剂量。随后，发展了基于三维Monte Carlo方法开发的NOVICE、MCNP及Geant4等程序。这些程序的计算方法能够考虑复杂结构的电离吸收剂量计算，但由于Monte Carlo计算方法的收敛性特别差，因此若结构体比较复杂，则相当耗时，有时可能几个月都得不到较好的结果，这在科学研究、尤其是工程上很不现实。最近这些年，美国及欧洲国家发展了一种新的电离吸收剂量计算方法一扇形网格划分方法，这种方法首先将三维复杂结构进行网格划分，然后针对每种网格划分，结合Monte Carlo方法计算的数据库，进行计算。该方法的计算结果较为准确，且大大提高了计算效率，便于工程实际应用。与电离吸收剂量计算方法的快速发展相比，三维复杂结构位移吸收剂量的计算方法发展相对较慢。在轨位移吸收剂量的计算，主要为评价航天器及器件的位移损伤。最早用于评价位移损伤的是等效注量法，等效注量法是于上世纪80年代初期提出的用于评价单晶硅和单结太阳电池的空间服役寿命评价技术。该技术可以对器件抗位移损伤加固提供参考依据。其主要的缺点是:需要大量的地面模拟试验，而且试验是以非原位的方式进行，这就需要提供大量的受试器件件，试验评估成本高，并且由于是非原位测量，其准确性也较差。随后发展的是NRL实验室的NIEL方法的实质为位移吸收剂量法，但是其没有考虑位移吸收剂量随深度的分布。目前国际上还没有专门用于三维复杂结构器件在轨位移吸收剂量的计算方法。
发明内容
本发明要解决现有的计算位移吸收剂量的方法成本高、准确性差的技术问题，而提供空间三维结构器件位移吸收剂量的计算方法。本发明的空间三维结构器件位移吸收剂量的计算方法按以下步骤进行:一、按空间三维结构仪器的服役轨道和服役时段，测定空间三维结构器件所接受的福射的能谱，福射的能谱为地球福射带质子能谱、地球福射带电子能谱和太阳宇宙线质子能谱；二、根据步骤一得到的辐射的能谱，利用Monte-Carlo方法计算位移吸收剂量随铝深度分布曲线D t ；三、确定空间三维结构仪器中所有构件的材料、密度和成分；四、确定构件的计算点，该计算点为空间三维结构仪器中的任意点；五、以计算点为球坐标的极点，确定球坐标系，球坐标系(r，θ，φ)，取Θ e0 π，φ e O 2π，针对空间三维结构仪器的结构对Θ和φ进行剖分，根据所剖分的单元表面确定极线r的位置和数量；六、将每一条极线上的材料等效为铝，并计算等效铝的厚度t，并根据步骤二中的D t曲线，计算每一条极线上的位移吸收剂量值；七、将所有极线上的位移吸收剂量值加和，得到该计算点的位移吸收剂量；八、重复步骤五至七，得到空间三维结构仪器中所有计算点的位移吸收剂量值。本发明将空间三维结构仪器中的计算点一一找出来，以每个计算点为极心，计算该极心的极线所有穿过的材料的等效铝厚度，得到该极心处计算点的位移吸收剂量，方法简单，而且准确，本发明方法可针对所有的航天器服役轨道及复杂的结构布局，进行空间轨道带电粒子的辐照环境下的位移吸收剂量计算。
图1试验一中三维结构模型图的结构示意图；图2是试验一中地球同步轨道，利用NASA的AE8辐射带电子模型计算获得辐射带电子微分能谱；图3是试验一中地球同步轨道，利用NASA的AP8辐射带质子模型计算获得辐射带质子微分能谱；图4是试验一中地球同步轨道，利用JPL91模型计算获得的轨道太阳宇宙射线质子能谱；图5是试验一中位移吸收剂量随铝深度分布曲线D t。其中a为地球辐射带电子的位移吸收剂量随铝防护厚度的关系曲线；b为地球辐射带质子的位移吸收剂量随铝防护厚度的关系曲线；c为太阳宇宙线质子的位移吸收剂量随铝防护厚度的关系曲线；d为总的位移吸收剂量随随铝防护厚度的关系曲线；
具体实施例方式具体实施方式
一:本实施方式的的空间三维结构器件位移吸收剂量的计算方法按以下步骤进行:一、按空间三维结构仪器的服役轨道和服役时段，测定空间三维结构器件所接受的福射的能谱，福射的能谱为地球福射带质子能谱、地球福射带电子能谱和太阳宇宙线质子能谱；二、根据步骤一得到的辐射的能谱，利用Monte-Carlo方法计算位移吸收剂量随铝深度分布曲线D t ；三、确定空间三维结构仪器中所有构件的材料、密度和成分；四、确定构件的计算点，该计算点为空间三维结构仪器中的任意点；五、以计算点为球坐标的极点，确定球坐标系，球坐标系(r，θ，φ)，取Θ eO π，φ e O 2π，针对空间三维结构仪器的结构对Θ和φ进行剖分，根据所剖分的单元表面确定极线r的位置和数量；六、将每一条极线上的材料等效为铝，并计算等效铝的厚度t，并根据步骤二中的D t曲线，计算每一条极线上的位移吸收剂量值；七、将所有极线上的位移吸收剂量值加和，得到该计算点的位移吸收剂量；八、重复步骤五至七，得到空间三维结构仪器中所有计算点的位移吸收剂量值。本实施方式将空间三维结构仪器中的计算点一一找出来，以每个计算点为极心，计算该极心的极线所有穿过的材料的等效铝厚度，得到该极心处计算点的位移吸收剂量，方法简单，本发明方法可针对所有的航天器服役轨道及复杂的结构布局，进行空间轨道带电粒子的辐照环境下的位移吸收剂量计算。
具体实施方式
二:本实施方式与具体实施方式
一不同的是:步骤五中针对空间三维结构仪器的结构对Θ和φ进行剖分的具体方法是:将Θ的区间O 31均分成200 1000份，将Φ的O 2JI均分成200 2000份。其他与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三:本实施方式与具体实施方式
一不同的是:步骤五中针对空间三维结构仪器的结构对Θ和φ进行剖分的具体方法是:将Θ的区间O π均分成250份，将Φ的O 2 Ji均分成250份。其他与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四:本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是:步骤五中针对空间三维结构仪器的结构对Θ和φ进行剖分的具体方法是:将Θ的区间O π均分成400份，将Φ的O 2 Ji均分成300份。其他与具体实施方式
一至三之一相同。用以下试验验证本发明的有益效果:试验一:试验一的空间三维结构器件位移吸收剂量的计算方法按以下步骤进行:一、按空间三维结构仪器的服役轨道和服役时段，测定空间三维结构器件所接受的福射的能谱，福射的能谱为地球福射带质子能谱、地球福射带电子能谱和太阳宇宙线质子能谱；二、根据步骤一得到的辐射的能谱，利用Monte-Carlo方法计算位移吸收剂量随铝深度分布曲线D t ；三、确定空间三维结构仪器中所有构件的材料、密度和成分；四、确定构件的计算点，该计算点为空间三维结构仪器中的任意点；五、以计算点为球坐标的极点，确定球坐标系，球坐标系(r，θ，φ)，取Θ e0 Ji，φ e 0-231，针对空间三维结构仪器的结构对Θ和φ进行剖分，将Θ的区间O 均分成300份，将Φ的O 2 π均分成300份，根据所剖分的单元表面确定极线r的位置和数量；六、将每一条极线上的材料等效为铝，并计算等效铝的厚度t，并根据步骤二中的D t曲线，计算每一条极线上的位移吸收剂量值；七、将所有极线上的位移吸收剂量值加和，得到该计算点的位移吸收剂量；八、重复步骤五至七，得到空间三维结构仪器中所有计算点的位移吸收剂量值。本试验中空间三维结构仪器的示意图如图1所示，本试验步骤一中根据空间三维结构器件在轨服役任务确定轨道参数，包括轨道高度、轨道倾角、偏心率等，由轨道能谱模型计算轨道微分能谱所接受的辐射的能谱。图2是地球同步轨道，利用NASA的AE8辐射带电子模型计算获得辐射带电子微分能谱；图3是地球同步轨道，利用NASA的AP8辐射带质子模型计算获得辐射带质子微分能谱；图4是地球同步轨道，利用JPL91模型计算获得的轨道太阳宇宙射线质子能谱；步骤三中以步骤一所得的能谱为数据源，利用Monte-Carlo方法计算位移吸收剂量随铝深度分布曲线，具体结果如图5所示。其中a为地球辐射带电子的位移吸收剂量随铝防护厚度的关系曲线；b为地球辐射带质子的位移吸收剂量随铝防护厚度的关系曲线；c为太阳宇宙线质子的位移吸收剂量随铝防护厚度的关系曲线；d为总的位移吸收剂量随随铝防护厚度的关系曲线；曲线d在防护层Al的厚度为10_8 10_3时与曲线b重合，曲线d在防护层Al的厚度为2X 10_3 4X 10°时与曲线a重合。针对图1所示的空间三维结构仪器，定义其内部所需的计算点，具体如图1中的“A”点。由图可见，“A”点四周的防护结构布局差异很大，若应用等效Al球壳来进行计算，其误差很大。而本试验一的计算，考虑其实际复杂结构情况，计算结果较为准确。针对“A”计算点，进行立体球剖分。将计算点周围按方位角及极角进行立体球剖分，计算每个小网格方向所对应的等效材料及密度。将步骤二和六中的计算结果结合，得到三维复杂结构体内所定义计算点的位移吸收剂量。具体计算时，需将各个小网格积分以求得最后的计算结果。在本实例中，计算结果为6rad(Si)。由此结果也可知,其等效防护厚度较大,大于lg/cm2。试验一中是以电子器件在地球同步轨道下，利用复杂结构位移吸收剂量计算方法，计算其内部的位移吸收剂量。对于其他的复杂结构，按照本发明方法的过程能够实现相同的目标。本发明方法可针对所有的航天器服役轨道及复杂的结构布局，进行空间轨道带电粒子的辐照环境下的位移吸收剂量计算。
权利要求
1.空间三维结构器件位移吸收剂量的计算方法，其特征在于该方法按以下步骤进行: 一、按空间三维结构仪器的服役轨道和服役时段，测定空间三维结构器件所接受的辐射的能谱，福射的能谱为地球福射带质子能谱、地球福射带电子能谱和太阳宇宙线质子能谱； 二、根据步骤一得到的辐射的能谱，利用Monte-Carlo方法计算位移吸收剂量随铝深度分布曲线D t ； 三、确定空间三维结构仪器中所有构件的材料、密度和成分； 四、确定构件的计算点，该计算点为空间三维结构仪器中的任意点； 五、以计算点为球坐标的极点，确定球坐标系，球坐标系(r，θ，φ)，取θεθ π，φ e O 2π，针对空间三维结构仪器的结构对Θ和φ进行剖分，根据所剖分的单元表面确定极线r的位置和数量； 六、将每一条极线上的材料等效为铝，并计算等效铝的厚度t，并根据步骤二中的D t曲线，计算每一条极线上的位移吸收剂量值； 七、将所有极线上的位移吸收剂量值加和，得到该计算点的位移吸收剂量； 八、重复步骤五至七，得到空间三维结构仪器中所有计算点的位移吸收剂量值。
2.根据权利要求1所述的空间三维结构器件位移吸收剂量的计算方法，其特征在于步骤五中针对空间三维结构仪器的结构对Θ和φ进行剖分的具体方法是:将Θ的区间O 31均分成200 1000份，将Φ的O 2 均分成200 2000份。
3.根据权利要求1所述的空间三维结构器件位移吸收剂量的计算方法，其特征在于步骤五中针对空间三维结构仪器的结构对Θ和φ进行剖分的具体方法是:将Θ的区间O 均分成250份，将Φ的O 2 均分成250份。
4.根据权利要求1所述的空间三维结构器件位移吸收剂量的计算方法，其特征在于步骤五中针对空间三维结构仪器的结构对Θ和φ进行剖分的具体方法是:将Θ的区间O π均分成400份，将Φ的O 2 均分成300份。
全文摘要
空间三维结构器件位移吸收剂量的计算方法，本发明涉及位移吸收剂量的计算方法。本发明要解决现有的计算位移吸收剂量的方法成本高、准确性差的技术问题。该方法一、测定空间三维结构器件所接受的辐射的能谱；二、计算位移吸收剂量随铝深度分布曲线；三、确定空间三维结构仪器中所有构件的性质；四、确定构件的计算点；五、以计算点为球坐标的极点进行剖分确定极线；六、将极线上的材料等效为铝，计算极线上的位移吸收剂量值；七、将所有极线上的位移吸收剂量值加和，得该计算点的位移吸收剂量；八、重复步骤五至七，得到空间三维结构仪器中所有计算点的位移吸收剂量值。本发明进行空间轨道带电粒子的辐照环境下的位移吸收剂量计算。
文档编号G01T1/02GK103149581SQ20131002492
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月23日 优先权日2013年1月23日
发明者李兴冀, 刘超铭, 芮二明, 杨剑群, 杨德庄, 何世禹 申请人:哈尔滨工业大学