带电粒子辐射的危害及防范措施

地球轨道的带电粒子辐射主要来源于地球辐射带、银河宇宙线和太阳宇宙线，其主要成分是电子、质子和少量重离子［2-3］。

图4-4　空间磁层辐射带示意图

1.地球辐射带

地球辐射带是指地球磁层中被地磁场俘获的高能带电粒子区域，也称地磁俘获辐射带。地球辐射带又称范·艾伦（Van Allen）辐射带，是地球轨道卫星的主要威胁，由地球磁场捕获的质子、电子和少量α 粒子等空间辐射粒子组成，如图4-5 所示，其分布随高度和纬度而变化，可分为内辐射带和外辐射带。

图4-5　地球辐射带示意图

内辐射带在赤道平面的高度为600 km 至10 000 km，由于地磁场分布的异常，其下边界在南大西洋上空仅200 km，即所谓南大西洋地磁异常区（South Atlantic Anomaly，SAA）。内辐射带主要由质子、电子和少量的α 粒子组成，受太阳活动的影响不大，质子能量主要分布为0.1～400 MeV，电子为0.04～7 MeV，通量为3×104 cm2/s，其捕获示意图分别如图4-6 和图4-7 所示。

图4-6　典型轨道辐射带捕获电子能谱

图4-7　典型轨道辐射带捕获质子能谱

外辐射带空间范围延伸很广，在赤道平面的高度分布为10 000～60 000 km，中心位置在20 000～25 000 km，主要成分是电子，能量大都在0.04～4 MeV，通量为10 cm2/s，质子通量很小且能量较低。外辐射带受太阳活动的影响很大，当地磁场受干扰时，其强度和位置都有很显著的变化。(www.xing528.com)

2.银河宇宙线

银河宇宙线［2-3］是来自太阳系之外各个方向的高能粒子，绝大部分是质子（约占88%），其次是α 粒子，其他电荷数较大的粒子含量比质子约低两个数量级。银河宇宙线的通量很低，只有4 cm-2·s-1，但能量较高，其范围为0.1～1010 GeV，分布在离地面50 km 以上的自由空间中。图4-8 所示为630 km 银河宇宙线粒子能谱示意图。

图4-8　630 km 银河宇宙线粒子能谱示意图

当银河宇宙线沿赤道面接近地球时，在地磁场作用下将改变其路径，折向极区或者返回太空，在低轨道高度和低纬度区域银河宇宙线通量显著下降，因此地磁场对低轨道低倾角轨道航天器起到了一定程度屏蔽银河宇宙线的作用。高空磁场因太阳活动而起伏，地球空间银河宇宙线通量也随太阳活动而变化，太阳活动高年通量降低。虽然银河宇宙线的剂量率非常低，在通过质量密度1～10 g/cm 的屏蔽层后每年的剂量只有3～8 rad，但是由于其能量极高，穿透力极强，因此也是单粒子事件的主要因素之一。

3.太阳宇宙线

太阳高能辐射主要包括太阳风以及太阳耀斑爆发期间产生的X 射线、γ 射线和高能粒子流。太阳耀斑爆发期间产生的高能粒子流被称为太阳宇宙线，由于主要成分是高能质子，电荷数大于3 的粒子很少，故这类耀斑又称太阳质子事件［1-3］。太阳宇宙线的能量在0.01～10 GeV 范围内，其强度约为105 cm-2·s-1。图4-9 和图4-10 所示分别为630 km SSO 太阳宇宙线粒子能谱和630 km 太阳耀斑质子能谱。

图4-9　630 km SSO 太阳宇宙线粒子能谱

图4-1　0 630 km 太阳耀斑质子能谱

太阳宇宙线事件大多与耀斑的发生有关联，也是随机发生的，发生的频度和强度都有很大变化，频率通常为每月两次到每年一两次不等，有明显的11 年周期，太阳活动高年每年可能发生20 次以上，太阳活动低年时每年只有2～4 次甚至更少。多数太阳质子事件持续1～5 d，然后消退。质子事件的通量大小差别也很大，1972 年和1989 年均发生了特大太阳质子事件，大于10 MeV 的峰值通量分别达到了8.6×104 cm-2·s-1和4×104 cm-2·s-1，两次质子事件的质子流量分别达到1 × 1010 cm-2 和2.2 × 1010 cm-2，导致许多航天器发生故障［4，7］。