空間輻射

空間輻射是指來自空間帶電粒子的輻射，其強度與太陽的活動密切相關。主要有地球輻射帶、太陽宇宙線、銀河宇宙線等的輻射。這些高能帶電粒子對人體、材料和元器件都有破壞作用，影響空間飛行安全。

基本介紹

• 中文名：空間輻射
• 外文名：space radiation
• 概念：來自空間帶電粒子的輻射

空間輻射的概念

空間輻射環境包括空間天然和人工產生的電離輻射和非電離輻射。天然非電離輻射源主要來自於太陽的光輻射和射頻輻射，而對生物機體能造成嚴重損傷的輻射主要來自於空間電離輻射。月球基地任務中，空間天然的電離輻射源主要包括銀河宇宙輻射和太陽粒子事件。人工輻射源是基地中使用的輻射源，包括核反應堆、γ射線高度計和各種空間實驗儀器及放射性同位素等。
空間電離輻射環境與地面常見的輻射源的主要區別在於：

1）粒子類型不同，空間輻射粒子包含元素周期表中幾乎所有元素的核，且帶有與原子序數相同的電荷；

2）能量範圍不同，空間輻射粒子的能量範圍很寬，約10³~10²⁰eV，且為連續能譜，而地面加速產生粒子的基本為單能量粒子；

3）入射方向不同，空間輻射粒子從4π立體角度同時入射到作用物質，而地面加速器產生的粒子在某一時刻只能單向入射；

4）輻射環境不同。空間輻射環境不是恆定的，其強度隨時間和空間而變化，尤其是太陽粒子事件是隨機發生的，發生時間和事件粒子注量（指粒子注量為不論以任何方向進入以該點為中心的小球體的粒子數目）難以預報，因此暴露在空間的時間越長，遇到太陽粒子事件的機率越大。

銀河宇宙輻射

銀河宇宙輻射可能起源於超新星爆炸，是被星際間磁場加速而到達近地和近月等空間的高能帶電粒子流，也是載人航天任務的重要輻射源之一。銀河宇宙輻射的主要成分為約83%的質子（氫核）、約13%的a粒子（氫核）、約1%的重離子（電荷數大於2的元素周期表中其他元素的原子核）和約3%的銀河宇宙輻射電子和介子。銀
河宇宙輻射的粒子能譜範圍很寬，約10⁵~10²⁰eV，甚至更高。它受到太陽活動周期的調製作用，在地球磁場外的空間，銀河宇宙輻射能量大於30 MeV的粒子注量率（指空間一定點上單位時間內接收到的不論以任何方向進入以該點為中心的小球體粒子數目除以該球體的最大截面積所得的商）在太陽活動極小年約為4.5/cm^-2·s^-1，在太陽活動極大年約為2/cm^-2·s^-1。注量率較高的粒子能量為10²~10⁵MeV，貫穿能力極強，一般質量厚度難以禁止，如3g/cm²的鋁禁止內，約75%的劑量當量是能量E<1 GeV/核子的宇宙輻射粒子產生的。因此銀河宇宙輻射危害最重要的能量範圍是0.1~1 GeV/核子，所有的輻射危害是由能量低於約10 GeV/核子的宇宙輻射粒子造成的。

儘管銀河宇宙輻射中重離子的注量率遠低於質子，但其電離能力很強。當重離子貫穿物質時，沿重離子的路徑會產生很高的能量沉積率（能量沉積是一種能量給出的過程，在這個過程中射線把自己的能量傳遞給一個特定體積的物質，能量沉積率是指這種給出的過程比率），從而造成生物細胞的損傷和微電子器件的失效。此外，重離子可與禁止材料中的原子發生核作用，產生次級粒子，在一定條件下，禁止不僅無法降低輻射的劑量，反而隨著禁止材料的加厚，而增加次級粒子輻射劑量。

太陽粒子事件

太陽色球層有時會發生局部區域短暫增亮的現象，該現象稱為太陽耀斑。太陽耀斑一般持續30~50 min，同時發射出高強度電磁輻射和高能帶電粒子流，從光學觀測到太陽耀斑再到帶電粒子流到達近地或近月空間可能需要幾十分鐘，甚至更長，該事件稱為太陽粒子事件（solar particle events，SPE），由於該帶電粒子流的主要成分是質子，因此也稱為太陽質子事件或太陽爆發。僅有部分太陽粒子事件產生的高能粒子能到達地球和月球空間。這與爆發的位置有關。然而，太陽粒子事件雖然在地球上可探測到，但還不能預測何時發生、持續時間及粒子總注量。

太陽發射的高能粒子輻射主要是質子和電子，其次是α粒子。α粒子與質子的注量之比一般隨事件而變化．有的事件達到約0.1，有的則小於0.01，有些粒子事件中還測量到了碳、氮、氧等重離子（約占α粒子的1/60），還有數量更少的電荷數為20~30的重離子。一般來說，“小事件”的成分變化較大，“大事件”的成分更趨於一致。

太陽粒子事件是隨機發生的，每個太陽周期約有30~50次重要的粒子事件發生。儘管太陽粒子事件與太陽黑子數間沒有對應關係，但多數太陽爆發發生在大的黑子群。太陽活動極小年太陽爆發或粒子事件相對較少，太陽活動極大年太陽爆發相對較多。

每次太陽粒子事件發生的強度與能譜都是不同的，能量低於0.5 GeV的事件稱為非相對論事件，反之稱為相對論事件。

空間輻射的劑量

描述空間電離輻射的劑量學量（電離輻射劑量學的物理量）主要有吸收劑量和劑量當量。

吸收劑量在輻射劑量學和輻射防護領域中有著很重要的地位，它一般用於各種類型的電離輻射和任何一種被照射的物質，同時也適用於內照射和外照射，它是描述輻射能在物質中沉積多少的一個量。吸收劑量是單位物質內沉積的平均電離輻射能，其單位是焦耳每千克（J/kg），稱為戈瑞（Gy），1 Gy=100 rad（拉德）。
如果吸收劑量相同，由於輻射的類型或能量不同或照射條件不同所產生的生物效應也不同。輻射防護最核心的問題是人體受到各種輻射照射後的效應，因此引入了劑量當量的概念。在所關心的人體組織中某一點的劑量當量H是吸收劑量D、品質因數Q及其修正係數N的乘積，即H=D·Q·N，其單位是希沃特（Sv），過去曾用單位是雷姆（rem），1 Sv=100 rem。

空間輻射的危害

電離輻射對人體和材料的輻射損傷機理為：電離輻射與物質相互作用，並在物質內部引起原子的電離、激發、核反應和化學反應。

對人體的影響

輻射對人體的影響主要表現在兩個方面：嚴重的短期影響；有延遲的長期影響。其中長期影響是空間輻射的主要危害，典型的有癌症、遺傳性疾病等。
短期影響主要發生在接受輻射後的幾天，甚至更短的時間內，主要症狀表現為輻射病的症狀，如噁心、嘔吐、身體不適、食欲不振和疲勞等。在高電離輻射劑量下。大約兩周的潛伏期後，還會出現腹瀉、出血、脫髮等症狀。

長期影響一般在受到輻射數月或數年後才會顯現，主要危害包括人體組織遭到破壞，產生癌症、白內障、生殖系統影響和後代發育畸形等。高能空間輻射將對細胞造成生物損傷，包括細胞死亡、細胞變異和細胞瘤變異等。細胞瘤變異將導致腫瘤產生，甚至癌變。

對設備的影響

電離輻射環境同樣也會對設備與表面材料產生影響。對於半導體微電子而言，重離子穿過或質子發生核作用將導致設備狀態的改變，即產生各種類型的短時間或永久性的單事件效應（又稱單粒子效應，是指高能帶電粒子在器件的靈敏區內產生的大量帶電粒子現象），如擾動、燒毀等。在眾多航天活動中，典型的輻射對設備的影
響有，單粒子效應影響太陽電池陣半導體材料構成的光電單元，從而縮短電池陣壽命，電離粒子導致敏感器和視覺探測器的虛假背景噪聲等。此外，輻射還會導致光學器件的暗色化和表面熱特性變化（如輻射器），但不會改變材料的力學性能。目前輻射環境對設備與材料的影響還缺乏有力的數據支撐。