银河宇宙射线存在20亿年，能量分布和成分情况详解

银河宇宙射线离子模型描述了从地球轨道到超越地磁场以外的区域内的射线粒子强度的分布情况，在单粒子翻转率计算中，Riho Nymmik等人基于对已有模型的改进，提出的描述银河宇宙射线能量粒子强度分布的半经验模型被广泛接受。该半经验模型指出，离子通量率随能量和时间的变化可以采用如下公式表示：

式中，Φ0i为不受太阳调制影响以外区域的初始谱（也称为局域星际谱LIS）；φ为表征太阳活动影响的调制函数；R为粒子刚度。这个关系式中包含了粒子刚度到能量谱转换的连续性条件，并且也满足主调制过程取决于粒子刚度R的需求。换句话说，对于相同刚度的粒子，应该进行相同的处理。该表达式也反映出了与相对论粒子速度β=v/c以及粒子电荷符号参数Qi有关的调制关系，在这种情况下，与相对论粒子速度β的相关性就被与众所周知的与粒子刚度和因子（Ai/Zi）M0i的相关性所掩盖，其中，Ai、Zi分别为粒子的质量和电荷，M0i为核子质量。

单粒子翻转率计算中的银河宇宙射线模型最初为Adam等人开发出的CRÈME模型，有关CRÈME的主要特征已在第1章中有简单介绍，这里不再赘述。在后来对太阳活动的观测中，人们发现太阳活动对银河宇宙射线的强度具有一定影响。如上已述，在CRÈME的基础上，俄罗斯科学家Riho Nymmik在20世纪90年代初期提出了考虑到太阳活动调制作用的银河宇宙射线模型，并被用作银河宇宙射线（GCR）环境的国际标准组织（ISO）的标准模型，该模型也是单粒子翻转率计算软件包CRÈME96中使用的模型。该模型的最新更新是国际标准ISO/IDIS 15390，该标准于2002年向ISO提出，并于2003年被采纳。

该模型提供了电子和从质子到铀元素的所有离子的能量谱分布，离子的能量下限为大于每核子10 MeV，上线能量为每核子105 MeV。该模型建立了GCR的能量和通量分布，并假设它们在太阳层以外是不随时间而变化的，而认为GCR通量的变化是由于日球磁场的大尺度变化所引起，这样导致了GCR的能量和通量分布呈现出一种大致周期性的变化，变化周期大约为11年或者为22年。在模型描述中，行星际GCR的谱分布的实际调制使用Wolf指数（该数为按照国际商定的程序计算出的太阳黑子数目）。通常，Wolf指数被用作表征太阳活动程度，其与GCR通量的分布呈现出反相关的特征趋势。银河宇宙射线呈现出的这种调制特征被认为是太阳层边界存在的行星际激波的堆积所引起。太阳发射这些激波的频度是和太阳活动相关的，因此也就与Wolf指数相关联。由于太阳发射的这些激波从太阳到边界的传播需要一定的时间，所以模型分析中，就未来的几个月时间来说，Wolf指数是太阳调制水平的主要表征指标。

除了银河宇宙射线CRÈME模型以外，化学释放与辐射效应综合卫星（CRRES）的重离子模型在行星际重离子诱发单粒子翻转率计算过程中提供了一种新的可选环境模型，即CHIME模型。该模型包含了当时软件包开发时的（21和22两个太阳活动周期）可以用于行星际宇宙射线重离子和异常组分重离子通量率的最精确和最新的数据库，同时，它还通过未来的两个太阳活动最小年的情况（到2010年），为计算这些通量率分布情况提供了预测模型。

CHIME是基于化学释放与辐射效应综合卫星（CRRES）的重离子和质子能谱的试验测试结果提出的行星际环境的重离子模型。在CHIME模型中，提供了基于1991年3月和6月事件的SPE模型；此外，CHIME模型还包括了有关SPE的JPL模型，该模型给出了SPE事件发生的概率表达方式，而且该模型将最坏情况下的质子总通量作为置信度水平的函数。

在CHIME模型中提供了几种不同的模型来描述SPE重离子通量率。其中包括两个典型大型SEP事件（1991年3月和6月）的“峰值”和“24小时平均值”两种情况下的通量率强度模型。此外，也包括了每日CRRES任务日平均太阳质子事件（SPE）中的重离子通量率的变化情况。为了实现预测的目的，结合观测到的平均SPE事件的组成成分，采用了一个统计模型，即JPL 1991行星际质子总通量模型对重离子强度进行标度和表征。(www.xing528.com)

CHIME模型也提供了从1970年到2020年及以后，用户所需的任何时间或时间段选择，或平均重离子通量模型的能力。在CHIME模型中，地磁和固体地球屏蔽模型是基于一个近似的偏移磁偶极子而建立，其依据距离与能量之间的关系，采用积分方法将得到的重离子通量能谱转换为离子LET谱输出，最后，设置了一个将LET谱与器件特性相结合的计算模块，包括需输入的测量获得的SEU横截面，以计算预期的单粒子翻转率大小。

以CHIME模型为核心也研制成功了单独的单粒子翻转率计算软件包，在软件包中包括用户手册和配套的更完整的技术文件，该软件包可用于各种不同的计算机平台，包括PC机、UNIX（Sun和其他工作站）和DEC VAXNMS计算机平台。

为了针对国际空间站单粒子效应敏感性的评估，研究工作者开发了MACREE模型，该模型是对CRÈME86软件包的重写，开发者对CRÈME86进行了一些改进工作。原理上的进一步改进是在描述SPE模型方面，MACREE将1989年10月的事件作为模型的最坏情况事件来处理，基于JPL质子模型，认为质子能量超过10 MeV、30 MeV和60 MeV时，给出的质子通量分布的置信度水平为99%。MACREE模型还对SPE重离子（包括反常成分中的铁离子）使用了改进的元素丰度分布数值，另外，模型考虑了SPE重离子平均离子电荷状态的估计。

太阳耀斑重离子处于部分电离状态，其特征是电荷态q，该电荷态q是通过拟合太阳耀斑离子电荷状态的可用数据（作为离子的原子序数Z的函数）得到的。这些数据主要是针对低能离子的，离子能量大约每核子1 MeV，并基于1977—1978年和1978—1979年太阳耀斑重离子电荷状态的测量结果，通过对这些数据的拟合，得到了MACREE模型中使用的太阳耀斑离子电荷状态的表达方式如下：

综上所述，MACREE模型主要特征为：①1989年10月19日的事件作为最坏情况的太阳耀斑；②对这次事件的测量数据（质子和α离子的微分通量率）进行了拟合处理用作模型计算；③对于电荷数Z大于2的离子，α离子的微分通量率乘以丰度系数（CRÈME的数值为0.25）后给出。基于MACREE模型开发的计算软件包采用C++语言编程，可以在PC机上高效运行，对原来的CRÈME版本进行了许多编程改进工作，以增强其实用性，例如，取消了CRÈME版本中的天气指数系统，以允许用户选择最合适的源组合，并且也计划了进一步的修改。