探究辐射带中高能质子的特性

宇宙空间的带电粒子由于地磁场作用而被俘获在地球周围形成辐射带，亦即范艾伦辐射带。辐射带从低地球轨道横跨到地球同步轨道，辐射带中主要捕集的带电粒子为能量达到几兆电子伏的电子和能量达到几百兆电子伏的高能质子。但只有高能质子可以在星载电子设备中的电子器件和集成电路中诱发产生单粒子效应。地球辐射带高能质子主要分布在内辐射带，现已知道，影响内辐射带高能质子分布的主要因素有三个：一是太阳活动周期，其对内辐射带高能质子分布影响较大；当在太阳活动最大年份时，在内辐射带和地球大气层的交接边缘处高能质子的强度降至最低；当在太阳活动最小年份时，在内辐射带和地球大气层的交接边缘处高能质子的强度升至最高。二是地磁暴和太阳质子事件，其主要影响处于内带外部边缘（2～3个地球半径）处的高能质子分布。三是地磁场，地磁场的逐渐变化（Secular Variation）也影响内辐射带中高能质子的分布。另外，由于地磁场轴线和地球自转轴没有重合，在南大西洋异常区内存在通量密度异常高的高能质子。

如上所述，决定地球辐射带分布特征的主要因素是地球磁场。在地球自然环境中，除了地球重力场以外，另一个被人们所明确认知的就是地球磁场。地球磁场可以粗略地采用一个倾斜（于地理北极夹角11°）式双极性磁铁的磁场来描述，该双极磁铁的场强密度为M=8×1025 Gs·cm3，Gs为磁场强度单位，高斯。如果不考虑地磁倾角的影响，在地磁坐标系中，地球近空间某一点（r，θ，φ）处，由于地磁场强密度M而引起的地球磁场强度的表达式为：B=-（M/r3）[3cos（θ）+1]0.5，在高斯单位制中，r为地磁坐标中的半径，其单位为cm，磁场强度B的单位为Gs。如果采用上述的M数值，那么在地磁场两极磁帽近区的最大磁场强度约为-0.6 Gs，而在地球表面赤道近区的最小磁场强度约为-0.3 Gs。上述地球磁场强度表达式仅是针对中心对称式理想化双极磁结构而言，实际上，计算数据和实测数据存在较大偏差，该偏差甚至高达25%以上。在多数应用情况下，都采用IGRF系列模型作为地磁场模型的官方标准。

在计算辐射带中高能质子入射到电子器件和集成电路中的累积通量时，采用AP8模型。该模型计算的不确定度系数为2，该不确定度是对长期平均计算而言的，一般计算的平均时间要在半年（6个月）以上。图1-14给出了采用AP8模型计算的质子积分通量谱。从图中可以看出，内辐射带中高能质子其能量处在几千电子伏到几百兆电子伏的范围内，强度分布从1 proton/（cm2·s）到1×105 proton/（cm2·s），通量峰值分布范围很宽，且随质子能量的变化而变化。在地球赤道平面处，能量大于30 MeV的高能质子仅延伸到2.4个地球半径处，从30 MeV到400 MeV的能量范围内，其通量值均很高。由于太阳活动的影响，卫星电子系统可能在某一天所接收到的高能质子入射通量比计算结果高出2～3个数量级。图1-15给出了太阳同步轨道3年寿命卫星的质子积分通量分布，其中轨道高度为980 km，轨道倾角为90°。计算采用SPACE RADIATION软件包，计算的质子能量范围为0.1～400 MeV。从计算结果中可以看出，卫星在该轨道运行3年，单位面积上可以接收到约1.0×1015个质子（能量大于0.1 MeV）的照射，如果考虑到AP8模型的不确定度，则单位面积上将有高于2×1015个质子照射。

图1-14　采用AP8模型计算的质子积分通量谱(www.xing528.com)

图1-15　太阳同步轨道质子积分通量谱（980 km，90°）