空间辐射环境中的辐射效应

短波辐射温室效应
短波辐射是指来自太阳的辐射能量，包括可见光、紫外线和一部分红外线。

这些辐射进入大气层后，部分被地面或大气吸收，然后再以短波红外线的形式重新辐射出去。

然而，一部分短波辐射被大气中的温室气体（如二氧化碳、甲烷和水蒸气）吸收并重新辐射，形成所谓的温室效应。

温室效应指的是大气层中温室气体吸收并重新辐射的短波辐射导致地球表面温度升高的过程。

温室气体会阻止部分短波辐射逃逸至外层空间，从而使得地球表面吸收的能量增加，导致地球变暖。

这种情况类似于温室中的玻璃，玻璃可以阻止部分热量的逃逸，使得温室内温度升高。

然而，过量的温室气体会导致温室效应过度增强，因此被认为是导致气候变化的主要原因之一。

过量的二氧化碳排放是主要的温室气体来源，大气中二氧化碳浓度的增加导致了地球表面温度的上升，引发了一系列气候变化问题，如全球气温升高、海平面上升、极端天气事件增多等。

因此，减少温室气体排放成为了降低温室效应的主要手段之一。

宇航员怎样进行辐射防护以往人们认为，只有那些正在分裂的细胞容易受到辐射损伤。

但最近美国在研究中发现，处于休眠状态、很少分裂的海马体中的干细胞，也是对空间辐射最敏感的细胞。

那么，应如何看待空间辐射？应怎样对各种航天器的飞行员、乘务员采取保护措施？1.关注空间辐射目前世界各国对空间辐射均十分关注。

美国航宇局正在研制模拟太空辐射环境的设备及从分子和细胞水平分析辐射的生物效应。

欧盟及日本也相继建立了大型加速器装置，用于进行辐射生物学和防护的研究。

我国的载人航天计划中也有防护技术研究项目。

这是因为——2.空间辐射危害健康空间辐射可以使生物体中的很多活性物质，特别是生物大分子受到损伤。

其损伤途径主要有两种：一是直接作用，通过辐射的电离和激发作用，使活性物质受损；二是间接作用，通过辐射活性物质中的其他分子或原子（特别是水分子），使之产生自由基，进而使活性物质受损。

当发生单链突变时，DNA可以通过酶的作用自行修复。

如果DNA发生了双链突变（如双链断裂），就很难正确重建，甚至会出现错误的修复，导致基因突变。

上述变化引起的两种后果为：一是细胞死亡，特别是精原细胞、卵母细胞和小淋巴腺细胞等；二是细胞变异，异常增殖，转变成恶性细胞。

如果细胞变异发生在生殖细胞，就可以将错误信息传给后代，引起遗传性疾病。

大量实验证实，质子（尤其是重离子）极易引起DNA双链断裂。

当辐射引起的DNA损伤伴有染色体数目或结构改变时，就可以产生染色体畸变。

其中质子、重离子的致染色体畸变效应远大于γ或X射线。

因为重离子的原子序数一般大于2，能量都在40兆电子伏特/核子以上。

这样的能量足以穿透1毫米厚的航天服和航天器的一般屏蔽。

同时，重离子拥有极高的传能线密度，在穿过活细胞时，不但能产生强烈的电离作用，还能沿路杀伤细胞，其自身还会沿路产生核崩裂，引起次级高能射线，从而多次、成群地破坏细胞或细胞核。

最近美国的一项研究表明，不仅是正在分裂的细胞，大脑干细胞对重离子也极为敏感。

第一章原子与辐射第二节电离辐射与非电离辐射辐射，是以波或粒子的形式向周围空间传播能量的统称。

换句话说，也就是携带能量的波或者粒子。

辐射是不以人的意志为转移的客观事物，在我们赖以生存的环境中，无处不在。

按照辐射作用于物质时所产生的效应不同，根据电离能力将辐射分为电离辐射与非电离辐射两类。

2.1 电离辐射电离辐射的全称是致电离辐射，是指其携带的能量足以使物质原子或分子中的电子成为自由态，从而使这些原子或分子发生电离现象的辐射。

电离辐射种类很多，包括带电粒子和不带电粒子。

带电粒子有α(阿尔法)粒子、β（贝塔）粒子、质子，不带电粒子有 X 射线、γ（伽玛）射线以及中子。

以波的形式传播能量的被称为电磁辐射，其波普非常宽，从 0Hz 到大于 1023次方 Hz，波长越短，频率越高，携带的能量也越大。

通常来讲，携带的能量大于 10eV 或者波长小于100nm 的电磁辐射，也都属于电离辐射，比如 X 射线和γ射线。

不同辐射的频率和波长见图 1-3 辐射波谱图。

图 1-3 辐射波谱图电离辐射分为直接电离辐射和间接电离辐射。

直接电离辐射是指那些具有足够大的动能，通过碰撞就能引起物质的分子、原子电离的带电粒子，如β粒子、质子和α粒子等。

间接电离辐射是能够释放出直接电离粒子或引起核反应的非带电粒子，如光子（γ射线、X 射线）、中子等。

更准确的说，凡是与物质直接或间接作用时，能使物质电离的一切辐射，称为电离辐射。

2.2 非电离辐射非电离辐射，由于辐射能量低，不能从原子、分子或其他束缚状态放出电子。

包括紫外线、热辐射、可见光、无线电波和微波等。

日常生活中的电离辐射与非电离辐射见图1-4。

电离辐射和非电离辐射的主要区别是射线（粒子或波）携带的能量和电离能力，而不是射线的数量。

如果射线没有足够的能量，就不能够导致受作用物质的电离。

图 1-4 电离辐射和非电离辐射。

开关电源的空间辐照损伤机理及抗辐照技术进展引言随着航天事业的发展，开关电源在航天器中的应用越来越广泛。

然而，航天环境中存在强烈的辐射，这给开关电源的可靠性和稳定性带来了挑战。

本文将探讨开关电源在空间环境中的辐照损伤机理，并介绍一些抗辐照技术的进展。

开关电源的辐照损伤机理开关电源的辐照损伤主要有以下几个方面的影响：1. 电离辐射效应电离辐射是指能够从原子或分子中剥离电子的辐射，包括α粒子、β粒子和γ射线等。

这些辐射能够在开关电源中产生电离效应，导致电路中的电子和空穴密度增加，进而引起电路参数的变化。

2. 能量沉积效应能量沉积效应是指辐射能量在开关电源中的吸收和转换过程。

辐射能量会被吸收并转化为电子、离子和热能，导致电路中的温度升高、材料的结构损伤和电子器件的性能变化。

3. 离子辐射效应离子辐射是指高速离子束对材料的辐射。

离子辐射能够引起材料的离子束损伤和辐射诱导的损伤，导致电路中的电子器件的性能退化。

4. 中子辐射效应中子辐射是指中子对材料的辐射。

中子辐射能够引起材料中的核反应和核衰变，导致材料结构的损伤和电子器件的性能变化。

抗辐照技术的进展为了提高开关电源的抗辐照能力，人们进行了大量的研究并取得了一些进展。

以下是一些常见的抗辐照技术：1. 材料改进选择合适的材料对于提高开关电源的抗辐照能力非常重要。

人们通过改变材料的组成、晶体结构和材料制备工艺等方式，提高材料的辐照稳定性和辐照损伤阈值。

2. 设计优化通过优化开关电源的电路设计和结构设计，可以减轻辐照对电路的影响。

例如，采用辐射硬化设计和辐射屏蔽设计可以降低电路受到的辐照剂量，提高电路的可靠性。

3. 辐照测试和评估进行辐照测试和评估是了解开关电源在辐射环境下的性能和可靠性的重要手段。

通过对开关电源进行辐照测试，可以评估其在不同辐射剂量下的性能变化，并为后续的抗辐照技术研究提供依据。

4. 辐照补偿辐照补偿是指通过改变开关电源的工作条件或使用特殊的补偿电路来抵消辐照引起的性能变化。

位移损伤效应防护设计是指在航天器设计和材料选择过程中，为了降低或减缓空间辐射环境下带电粒子对电子元器件和材料造成的位移损伤效应而采取的一系列措施和技术。

位移损伤效应概述在地球空间环境中，带电粒子辐射是主要的辐射环境，这些粒子与航天器上的电子元器件和材料相互作用，可能产生电离总剂量效应、单粒子效应和位移损伤效应等，其中位移损伤效应主要影响双极器件和光电器件，如太阳电池。

带电粒子入射到固体材料时，主要通过两种过程损失能量：与靶电子碰撞导致电离和激发，以及与靶核碰撞导致原子位移。

位移损伤是由带电粒子的非电离能量损失引起的累积损伤过程，当带电粒子的能量超过原子晶格能时，原子核离开原来的晶格位置形成间隙原子，在原来位置留下空位，从而造成晶格结构的损伤。

防护设计措施1. 材料选择与优化：选择耐辐射性能更强的材料，减少位移损伤的风险。

例如，使用能够承受高剂量辐射的材料，或者具有更高原子序数的材料来提高阻挡带电粒子能力。

2. 屏蔽设计：通过增加屏蔽材料来降低带电粒子到达关键元器件的剂量。

屏蔽材料通常选择高原子序数、高密度的物质，如铅或者钨。

3. 布局优化：将关键电子元器件布局在航天器内部，并远离外层结构，以减少直接暴露于空间辐射的环境中。

4. 防护涂层：使用能够吸收带电粒子的涂层来保护表面材料，减少位移损伤。

5. 位移损伤效应的模拟与测试：利用地面上的质子加速器等设备对材料和元器件进行位移损伤效应的模拟测试，评估其在空间辐射环境下的耐受性，并据此进行设计和优化。

6. 热控制：由于位移损伤效应与温度密切相关，因此通过有效的热控制策略来降低温度梯度，减少材料内部的应力，从而减轻位移损伤。

7. 电热耦合效应分析：对复合材料等结构进行电热耦合效应分析，评估雷电损伤风险，并采取相应的防护措施。

结论位移损伤效应防护设计是一项综合性的工程技术，需要充分考虑航天器所处的空间环境、材料特性、元器件的敏感性以及防护措施的有效性。

通过系统地评估和设计，可以显著提高航天器在空间环境下的长期稳定性和可靠性。

航天器环境工程第25卷第2期138 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 2008年4月深空辐射环境对航天活动的危害及对策沈自才（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）摘要：深空辐射环境是影响深空探测任务的一个主要因素，它主要包括太阳粒子事件、银河宇宙射线、俘获辐射带和黑体表面辐射。

文章分析了它对航天活动的危害，并探讨了相应的对策。

关键词：深空；辐射环境；危害；风险减缓中图分类号：V416.5 文献标识码：A 文章编号：1673-1379(2008)02-0138-051 引言深空探测通常是指对月球和月球以外宇宙空间的探测。

它是当今世界科技发展的前沿领域，具有很强的基础性、前瞻性、创新性和带动性，对于理解保护地球、探索生命起源、引领科技发展、培养尖端科技人才具有十分突出的作用。

深空探测是一个国家综合国力和科技水平的体现，也是我国航天活动发展的必然选择，从现实和长远来看，对深空的探测和开发具有十分重要的科学和经济意义[1]。

深空探测主要包括月球探测、行星探测和星际探测。

航天活动一般可分为应用卫星、载人航天和深空探测三大领域。

2004 年1月，以“嫦娥工程”命名的绕月探测工程正式启动，探月成为我国向深空探测进军的起点。

进行深空探测时，由于失去了地磁场的保护，航天员和航天器将直接暴露在银河宇宙射线和太阳粒子事件等深空辐射环境之下，其辐射强度要比近地环境高一个数量级甚至更多。

这将危及航天器的使用寿命和航天员的身体健康甚至生命安全[2-6]。

本文首先对深空辐射环境进行阐述，接着分析了深空辐射环境对航天活动的危害，并在此基础上探讨了相应的对策。

2 深空辐射环境深空辐射环境[2,4]是影响深空探测任务的一个主要因素。

暴露在地磁层之外的深空环境的主要特征之一是充满了高能量的混合空间辐射场。

根据航天器在深空的飞行阶段可将深空环境可以分为3部分：一是从地球飞往其他星球旅途中的空间辐射环境，其主要辐射源是太阳粒子事件和银河宇宙射线；二是航天器降落星体过程中的空间辐射环境，其主要辐射源为星体磁场俘获的太阳宇宙射线和银河宇宙射线粒子；三是航天器所降落的星体表面辐射环境，主要是星体吸收宇宙辐射后所发生的二次辐射。