本发明属于空间环境地面模拟试验技术领域，具体涉及一种获得地面模拟空间电子能谱的方法。
背景技术：
空间辐射环境是引起航天器材料和器件性能退化甚至失效的主要环境因素，可引起单粒子效应、总剂量效应、表面充放电效应、内带电效应和位移损伤效应等。空间粒子辐射环境主要包括星体诱捕辐射带、太阳宇宙射线、银河宇宙射线、中子等，其主要成分为电子和质子。而空间的电子则为能谱分布，即随着电子能量的变化，其通量发生变化。通常随着电子能量的升高，其通量降低。
就剂量深度分布而言，带电粒子穿过物质时，通过各种相互作用过程逐渐损失能量，直至最后能量全部损失而被物质吸收或穿透物质，以阻止本领来表示带电粒子在材料中能量的损失。
其中，对于能量为E10的质子入射靶材，在靶中沿深度累积能量。能量为E(E≤E10)的质子的深度为：
d(E)＝R(E10)-R(E)(A.1)
式中：R(E10)——能量为E10的质子的射程；
R(E)——能量为E的质子的射程。
由此可以计算得到质子在材料中的剂量和深度分布对应关系。
对电子辐射，先计算出带电粒子在材料中的阻止截面(CrossSection)，然后再计算出归一化到单个入射粒子的单位厚度内的能量沉积量，假设为Pe。则由下式可计算出电子在材料中的吸收剂量为：
De＝Pe×Φe×1.6×10-8(A.2)
其中：De——电子吸收剂量，rad；
Pe——归一化的单位厚度内的能量沉积，MeV·cm2/(g·粒子)；
Фe——电子注量，e/cm2。
由此计算得到电子在材料中的剂量深度分布。
由于在空间带电粒子是一个能谱分布，而在地面进行模拟试验时，不可能模拟出空间多能谱粒子的真实情况，因此，一方面这将极大地增加设备的复杂性和制造成本，另一方面也没有必要。空间轨道上带电粒子辐射到材料上，在材料中形成一定的剂量-深度分布，材料的性能退化实际上是由于带电粒子的能量在材料中沉积所造成的，地面模拟试验时，就可以用一定能量的带电粒子拟合空间的剂量深度分布，从材料的退化效应角度来考虑与空间退化的等效性。
因此，评价航天器材料在空间某轨道寿命期间的性能退化效应，可采用剂量深度分布法，其主要步骤如下：
1)航天器任务分析与轨道环境分析
由航天器的轨道和寿命周期，分析计算航天器所在轨道的电子、质子能谱分布和电磁辐射环境。
2)轨道电子、质子辐射在材料中的剂量深度分布
针对航天器材料，根据轨道环境中的电子、质子能谱和任务寿命，分析计算轨道环境电子、质子辐射在材料中的剂量深度分布，并给出剂量深度分布曲线，地面模拟试验以辐射环境在材料中的剂量一深度分布为等效模拟依据。
3)地面辐射试验中带电粒子的能量和注量的选择
单一能量的粒子辐射很难模拟出空间带电粒子在材料中的剂量深度分布，因此在地面模拟试验中，常使用多种能量的带电粒子来进行辐射试验。由于辐射能量沉积具有累加性，可以先分别计算出各个能量在材料中的剂量一深度分布，然后将同一深度处的吸收剂量进行累加，最后计算出总的剂量深度分布。由最高能量开始，选择模拟试验粒子的能量和注量，使粒子加速器的累积剂量.深度曲线与空间剂量一深度曲线尽量匹配。
此外，还可以使用等效通量法，等效通量法是借助于“黑箱法”来实现空间带电粒子能谱与实验室中的单向单能粒子辐射效应的等效。即单一能量、一定束流或通量的粒子对航天器材料造成的辐射损伤性能退化与空间连续能谱造成的性能退化相同。
以热控材料为例，如果空间实际连续能谱粒子辐射对热控材料太阳吸收比变化Δαs的影响等同于某一能量E0的同种粒子以某一束流密度在相同时间内垂直入射的作用结果，则两者的效应具有等效性，即
考虑空间粒子能谱分布的连续性，上式可表示为
以热控材料为例，在某一轨道飞行时间t后，材料的太阳吸收率变化为Δαs，由效应等效原则，则有：
Δαs(试验)＝Δαs(轨道)
(B.3)
假设地面模拟试验采用粒子能量为E0，等效通量为等效注量为φeq，时间为t，则粒子辐射通量密度可以通过粒子空间能谱和单一能量E0对热控材料性能变化等效关系建立：
其中，
——轨道带电粒子微分能谱。
当热控材料暴露在空间连续能谱的粒子辐射中，αs的吸收系数由下式决定：
其中：
φ——所有能量辐射粒子的总注量；
——粒子能谱的归一化系数，且
q(E)——由某种热控单一能量辐射产生的结果确定；
g——能量和剂量的函数。
热控材料的性能退化Δαs可以由以下统计退化模型表示：
Δαs＝α(E)φβ
(B.6)
根据这一关系，热控材料性能αs在粒子辐射下的变化可表示为：
换算成时间，则为：
将(4-8)代入(4-12)可得：
可以得到，采用单一能量为E0的带电粒子等效通量为：
其中采用单一能谱模拟微分能谱时产生相同的Δαs时的等效通量密度。
以上的剂量深度分布法和等效通量法均为采用效应等效的方法，即空间电子能谱在材料中的剂量深度分布和地面单一能量或几种能量的剂量深度分布相同。但由于空间轨道的电子为能谱分布，即电子的能量范围很宽，而每种能量的电子的通量亦不相同。采用一种或几种能量的电子只能在材料的某一薄层厚度内进行电离效应等效，而实际情况则是在较大的深度范围内都存在电子辐射损伤，且不同能量的电子辐射对材料的损伤也存在较大区别。
因此，采用剂量深度分布法和等效通量法，只选用一种或几种能量的电子来模拟空间电子全能谱分布的辐射效应，一是受到材料厚度的限制，二是效应模拟等效性和准确性仍有待进一步研究。而通过地面实现空间电子能谱的模拟则能有效解决这两个方面的不足，提高空间电子辐射效应地面模拟的可靠性和有效性。
技术实现要素：
鉴于此，本发明的目的在于提供一种获得地面模拟空间电子能谱的方法，该方法利用高能电子射入金属薄层后将发生能量岐离的特性，通过金属薄层厚度的设计，实现由单一能量的高能电子获得金属薄层背面的电子具有近似于空间的能谱分布，并且可简单高效地获得地面模拟的空间电子能谱。
本发明的技术方案如下：
获得地面模拟空间电子能谱的方法，将一定能量的电子束流入射到第一金属薄层进行一次散射，在能量衰减并穿透的同时，在二维方向上形成散射的能谱分布，通过第一挡板遮挡形成散射区域以使散射区域又形成不同能量的电子辐射源，再在散射区域设置一定厚度设计的第二金属薄层进行二次散射后，第二金属层外围通过第二挡板遮挡掉部分散射，在二次散射后面设置的辐射靶表面上获得具有较好均匀性的电子能谱分布。
其中，第一金属薄层为均匀的金属薄层，厚度为0.5-10微米；
其中，第一金属薄层的材质为金、银、铜、铁、锡、锌、铅、镍、铝、钨、钼、钽、铌、钛等，从易加工和经济性角度，可选用铝、铜、金等金属。
其中，第一挡板距离第一金属薄层后方1-20厘米。
其中，第一挡板形成的中心散射区域面积为直径1-5厘米的圆形。
其中，第二金属层与同平面设置的第二挡板距离第一挡板1-10厘米。
其中，辐射靶表面距离第二金属层1-10厘米。
其中，第二金属层的材质为金、银、铜、铁、锡、锌、铅、镍、铝、钨、钼、钽、铌、钛等。
其中，第二金属层的厚度为0.1-2毫米。
本发明的方法通过金属薄层的组合设计，利用单一能量的电子，获得了近似于空间的电子能谱分布。本发明克服了空间电子辐射效应地面模拟试验中，由于无法实现电子辐射的能谱分布，而只能利用剂量深度分布方法或通量等效法等效应等效方法的不足。
附图说明
图1为本发明的获得地面模拟空间电子能谱的方法中入射电子经过二次散射区的示意图；
图2为本发明的获得地面模拟空间电子能谱的方法中入射电子经过一次散射的示意图；
图3为电子在穿透金属薄层后的能量散射在二维方向上的分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的获得地面模拟空间电子能谱的方法进行进一步说明，该说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。
本发明基于以下的设计完成：一定能量E0的电子经过均匀金属薄层散射(一次散射)后，在能量衰减并穿透的同时，还将在二维方向上有一定的能谱分布E1，如图1所示，其能谱分布为以中心为圆点的同心圆，随着离中心距离的增大，能量和通量均减小，如图2所示。这些一次散射的电子又相当于很多不同能量的电子辐射源，经过具有一定厚度设计的金属薄层散射(二次散射)后，在其后面一定距离的平面上获得较为均匀的能谱分布E2，设计思路如图3所示。实施流程如下：
(1)确定模拟的空间电子能谱分布和能量范围
假设拟模拟的空间电子能谱分布为φ＝f(E)，能量范围为[Emin,Emax]。
(2)确定均匀膜层的厚度及初始入射能量
假设初始入射电子能量为E0，均匀金属薄层A的厚度为l，在穿透金属薄层A后将入射到厚度设计的金属薄层B表面，在中心线上的能量为E1，则有，
E1＝E0×g(l)，
且有E1＜E0。
这里，E1是金属A的厚度l的函数，随着金属A的厚度的增加而减小。
同时，在半径为r的挡板2圆形区域内金属B表面上任意一点的能量分布为：
E2＝E1×k(x)0＜x＜r
当x＝0时，k(x)＝1。
这里，E2是金属B的半径r的函数，随着金属B的半径r的增加而减小。
而E2又作为一个入射电子源，在半径x处穿透厚度为L(x)的金属B后在样品台C表面散布。
其在样品台表面的能量分布为E3＝E2×h[L(x)]0＜x＜r
由于要在样品台表面获得均匀的电子能谱分布，即在样品台任意位置的能谱均相同。由于厚度设计的金属薄层表面中心位置处能量最高，因此要求该位置的设计厚度最厚，而厚度设计薄层的边缘处厚度最薄，可近似为0。
则应满足
E0×g(l)×k(r)＝Emax
这里，Emax和r已知，满足E0和l即可。
(3)确定厚度设计金属薄层B的中心厚度
在Emax、r、E0和l均已知的情况下，满足
E0×g(l)×h[L(0)]＝Emax
可以得到金属薄层B的中心厚度h。
(4)确定挡板大小和距离
假设在金属薄层B表面上距离中心r2处的能量为Emax，则挡板2和挡板3的半径为r2，挡板1的半径r1满足
(5)确定金属薄层B的厚度随半径的变化。
由于在金属薄层B上表面的能量分布为随着半径增加而减小的同心圆。
则同心圆的每一点都可以作为一个发射电子，垂直穿透金属薄层B后在样品台表面形成以垂直投影点位圆心的随着半径增加而能量减小的能谱分布。
满足在样品台表面距圆心R处的能谱满足
实施例一：
(1)假设拟模拟的空间电子能量范围为[100keV,500keV],其能谱分为为φ＝f(E)。
(2)确定均匀膜层的厚度及初始入射能量
选取初始入射电子能量为1MeV，均匀金属薄层A(假设为铝)的厚度为5微米，在穿透金属薄层A后将入射到厚度设计的金属薄层B(假设为铝)表面，在中心线上的能量为900keV，在半径为r的挡板2圆形区域内金属B表面上任意一点的能量分布为
E2＝900×k(x)0＜x＜r
(3)确定厚度设计金属薄层B的中心厚度
由于穿过均匀薄膜A后的最大能量为900keV，拟获得的最大电子能量为500keV，而500微米厚度的B金属则可以获得500keV，则可以得到金属薄层B的中心厚度为500微米。
(4)确定挡板大小和距离
假设当B表面上r为10cm位置处，电子能量为500keV，则挡板2的半径为10cm，则挡板3的半径也为10cm；假设金属层A和金属层B之间的距离为20cm，若挡板1位于距金属层A为10cm处，则挡板1的半径为5cm。
(5)确定金属薄层B的厚度随半径的变化。
由于在金属薄层B上表面的能量分布为随着半径增加而减小的同心圆。同心圆的每一点都可以作为一个发射电子，垂直穿透金属薄层B后在样品台表面形成以垂直投影点位圆心的随着半径增加而能量减小的能谱分布。则金属B层的厚度在0到500微米之间变化，且随着离中心原点的距离增大而厚度减小，具体满足公式
则通过选取入射电子能量为1MeV，均匀铝薄层厚度为5微米，厚度在0到500微米之间变化的金属铝薄层，三个挡板中心半径分别为5厘米、10厘米、10厘米，挡板距离均匀金属薄层的距离分别为10厘米、20厘米、30厘米，可以得到电子能谱分布为100keV到500keV。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。