基于等效剂量的综合辐射场位移损伤评价方法及系统与流程

本发明涉及航天器，具体涉及一种基于等效剂量的综合辐射场位移损伤评价方法及系统。

背景技术：

1、随着人类对宇宙探索的不断深入，各类深空探测任务层出不穷，这对空间动力与能源供给提出了更高的要求。目前常用的太阳能和化学能在深空探测中都存在明显的不足，前者随着任务距离的增加，所需太阳电池阵快速增大，直接影响航天器构型、控制和规模，后者则受限于推进剂携带量。空间核动力具有不依赖太阳、能量自主产生、功率范围大、能量密度高、环境适应性强等优势，可大幅提高空间可用电功率水平和使用时间，适用于难以获取太阳能或对动力需求较高的空间任务，是空间探索最有前景的能源形式之一。例如公开号为cn114771874的专利即提供了一种空间核动力微型构型。

2、核反应堆在中子慢化和原子核衰变能级跃迁过程中会释放出大量辐射粒子，主要包括：α射线、β射线、γ射线和中子流等，由于α射线及β射线穿透性较差且能量较低，可用较薄的金属薄板就能被完全屏蔽；γ射线和中子成为辐射防护的重点。

3、目前航天器的辐射防护主要考虑空间辐射带的质子、电子等形成的电离总剂量效应。虽然也认识到了空间天然辐射形成的位移损伤，但在工程研制中重视程度不足；且由于空间辐射环境中的位移损伤主要由空间高能质子引起，所以在试验方法中多采用质子源模拟位移损伤影响。例如公开号为cn104297585a提供了一种用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验方法。

4、对于采用核反应堆的航天器来说，一方面核反应堆形成的中子辐射环境不容忽视，其产生的位移损伤效应必须重视，并进行辐射评估；另一方面，地面反应堆中子形成的位移效应一般采用中子辐照进行评估。所以，在采用核反应堆的航天器中，既要考虑反应堆中子位移效应和空间天然辐射中质子的位移损伤效应。如何对其两种不同的辐射源形成的位移损伤进行分析、评价、评估等，需要一种新的方法。采用常规的质子等效方法，无法完整的反应飞行器综合辐射环境，也没有具体方法将反应堆中子环境等效到质子。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了基于等效剂量的综合辐射场位移损伤评价方法及系统，能够将不同环境转化到一种环境中进行验证、分析、模拟，确保新型航天器适应在轨的综合辐射环境。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

3、步骤1：针对飞行器面临的反应堆中子辐射环境进行分析，获得不同位置处的中子微分能谱；并根据中子微分能谱，评估得到飞行器面临的核反应堆的中子位移损伤剂量。

4、同时，针对空间天然辐射环境进行分析，评估得到空间天然辐射形成的位移损伤剂量。

5、步骤2：将空间天然辐射形成的位移损伤剂量与核反应堆的中子位移损伤剂量相加，得到综合辐射环境下的总位移损伤剂量。

6、步骤3：利用综合辐射环境下的总位移损伤剂量进行位移损伤等效通量的评估，然后结合飞行器中设备的抗位移损伤能力，评估飞行器综合辐射场下的抗位移损伤能力。

7、步骤4：根据飞行器综合辐射场下的抗位移损伤能力，对飞行器上敏感设备进行布局位置调整以及局部屏蔽设计，重复执行步骤1～步骤3，直至飞行器综合辐射场下的抗位移损伤能力满足综合辐射场的应用需求。

8、进一步地，针对飞行器面临的反应堆中子辐射环境进行分析，获得不同位置处的中子微分能谱，具体为：

9、结合卫星采用的反应堆的具体类型、屏蔽状况以及飞行器的构型、明确到达卫星敏感部位的中子辐射环境，获得距离反应堆不同位置处的中子辐射环境，即得到不同位置处的中子微分能谱φs(e)，其中e表示中子能量。

10、进一步地，根据中子微分能谱，评估得到飞行器面临的核反应堆的中子位移损伤剂量，具体为：

11、按照位移损伤公式(1)计算中子的位移损伤剂量；

12、

13、其中ddd反应堆表示反应堆中子位移损伤剂量，单位为mev/g；φs(e)表示飞行器距离辐射源特定位置处的中子能量微分能谱；niel(e)表示中子能量为e的中子非电离能损，单位mev cm2/g；emax表示中子能量最大值，根据真实反应堆估算。

14、进一步地，niel(e)数值采用位移损伤函数kerma值转化获得，其中位移损伤函数kerma值的单位为mev-mb。

15、进一步地，针对空间天然辐射环境进行分析，评估得到空间天然辐射形成的位移损伤剂量，具体为：

16、采用空间环境分析模型或分析软件，结合航天器的在轨任务，分析在轨面临的空间天然辐射环境，按照飞行器的结构，给出屏蔽后的空间粒子微分能谱f(e’),e’为空间粒子能量；

17、根据屏蔽后的空间粒子微分能谱f(e’)，评估得到空间天然辐射形成的位移损伤剂量：

18、

19、其中ddd空间表示空间粒子的位移损伤剂量，单位为mev/g；niel(e’)表示能量为e’的空间粒子非电离能损；f(e’)表示空间粒子微分能谱；emax表示飞行器敏感部位屏蔽后的最大能量；emin表示飞行器敏感部位屏蔽后的最小能量；

20、进一步地，将空间天然辐射形成的位移损伤剂量与核反应堆的中子位移损伤剂量相加，得到综合辐射环境下的总位移损伤剂量，具体为：

21、ddd＝ddd反应堆+ddd空间                   (3)

22、其中ddd为总位移损伤剂量。

23、进一步地，依据综合辐射环境下的总位移损伤剂量进行位移损伤等效通量的评估，进而得到飞行器综合辐射场下的抗位移损伤能力，具体为：

24、位移损伤等效通量公式如下：

25、φ等效＝rdm×ddd/niel等效                (4)

26、其中φ等效表示等效的位移损伤通量；rdm表示辐射设计余量；niel等效表示采用中子开展地面位移损伤试验时，辐照源的等效非电离能损，单位为mev cm2/g。

27、飞行器中各设备的抗位移损伤能力根据实际试验数据获得。

28、若飞行器中设备的抗位移损伤能力对应的等效通量不小于(4)式中的结果，则当前设备的抗位移损伤能力满足综合辐射场的应用需求。

29、若飞行器中设备的抗位移损伤能力对应的等效通量小于(4)式中的结果，则当前设备的抗位移损伤能力不满足综合辐射场的应用需求。

30、进一步地，niel等效表示采用中子开展地面位移损伤试验时，辐照源的等效非电离能损，其中：

31、若开展地面位移损伤试验时，采用的是能量为e的单能中子，niel等效＝niel(e)；若开展地面位移损伤试验时，采用的是多种能量的中子，则其计算公式如(5)式；

32、

33、其中emax表示中子最大能量；emin表示中子最小能量；niel(e)选取值应与(1)式中相同；φ归一化(e)表示对于地面位移损伤试验辐照源的归一化微分能谱。

34、进一步地，根据飞行器综合辐射场下的抗位移损伤能力，对飞行器上敏感设备进行布局位置调整以及局部屏蔽设计，重复执行步骤1～步骤3，直至飞行器综合辐射场下的抗位移损伤能力满足综合辐射场的应用需求，具体包括步骤401～404：

35、步骤401：若飞行器上存在抗位移损伤能力不满足综合辐射场的应用需求的设备，则对设备进行布局位置调整，具体为：在卫星体积自身约束下，使敏感设备远离反应堆，然后重复步骤1～步骤3，重新评估设备的位移损伤环境适应能力。

36、步骤402：重新评估设备的位移损伤环境适应能力后，若已不存在抗位移损伤能力不满足综合辐射场的应用需求的设备，则所设计飞行器其在综合辐射场下的抗位移损伤能力满足综合辐射场的应用需求。

37、若仍存在抗位移损伤能力不满足综合辐射场的应用需求的设备，且数量超过设定阈值，则进入步骤404，若数量不超过设定阈值，则进入步骤403。

38、步骤403：针对飞行器进行局部屏蔽设计，再次执行步骤1～步骤3，若已不存在抗位移损伤能力不满足综合辐射场的应用需求的设备，则所设计飞行器其在综合辐射场下的抗位移损伤能力满足综合辐射场的应用需求；若仍存在抗位移损伤能力不满足综合辐射场的应用需求的设备，则进入步骤404。

39、步骤404：针对飞行器、反应堆进行防护设计，再次执行步骤1～步骤4，直至所设计飞行器其在综合辐射场下的抗位移损伤能力满足综合辐射场的应用需求。

40、进一步地，本发明的另外一个实施例还提供了基于等效剂量的综合辐射场位移损伤评价系统，包括如下模块：

41、反应堆中子位移损伤评估模块，用于针对飞行器面临的反应堆中子辐射环境进行分析，获得不同位置处的中子微分能谱；并根据中子微分能谱，评估得到飞行器面临的核反应堆的中子位移损伤剂量。

42、空间天然辐射位移损伤评估模块，用于针对空间天然辐射环境进行分析，评估得到空间天然辐射形成的位移损伤剂量。

43、总位移损伤评估模块，用于将空间天然辐射形成的位移损伤剂量与核反应堆的中子位移损伤剂量相加，得到综合辐射环境下的总位移损伤剂量。

44、位移损伤等效通量评估模块，用于依据综合辐射环境下的总位移损伤剂量进行位移损伤等效通量的评估。

45、飞行器抗位移损伤能力评估模块，用于依据位移损伤等效通评估飞行器综合辐射场下的抗位移损伤能力；根据飞行器综合辐射场下的抗位移损伤能力，对飞行器上敏感设备进行布局位置调整以及局部屏蔽设计，重复调用反应堆中子位移损伤评估模块、空间天然辐射位移损伤评估模块、位移损伤等效通量评估模块以及飞行器抗位移损伤能力评估模块，直至飞行器综合辐射场下的抗位移损伤能力满足综合辐射场的应用需求。

46、有益效果：

47、1、本发明提供的基于等效剂量的综合辐射场位移损伤评价方法，综合考虑了航天器面临的空间辐射和反应堆的中子辐射，并对其进行一致性的等价处理。能够将不同环境转化到一种环境中进行验证、分析、模拟，确保新型航天器适应在轨的综合辐射环境。

48、2、本发明提供的基于等效剂量的综合辐射场位移损伤评价方法，不单可以考虑单能粒子的等效，同时考虑到地面采用不同辐照源时，其存在多种能量的粒子的现象，对试验的能谱也进行了等效。在现有方法中，一般只考虑单能粒子的等效，未给出多能谱的等效方法，无法对地面反应堆多能谱的试验进行对比；或地面采用多个能量粒子进行试验的等效与评价。

49、3、本发明提供的基于等效剂量的综合辐射场位移损伤评价方法，同时给出了评价方法和进一步措施。是在综合考虑反应堆、空间天然辐射的基础上，根据不同设备特点，分别提出了相应的防护措施和步骤。在现有方法中，一般只考虑天然辐照的评价与防护；本方法考虑的综合环境的位移损伤评价，并给出了控制措施。