“隐形杀手”——空间电离辐射

这个标题有点吓人，空间还有看不见的“隐形杀手”？你别不信，这是千真万确的。不但有，而且还不止一个呢。请听我慢慢道来。

人类诞生以来一直生活在陆地上，但一颗探索不止的心，让人类不断扩大自己活动的领域。大约在五百多年前，哥伦布发现美洲新大陆、麦哲伦完成环球旅行，标志着人类可以驰骋辽阔的海洋。一百二十年前，莱特兄弟第一次试飞成功，人类可以离开地面在蓝天中翱翔。

1957年，苏联发射了第一颗人造地球卫星，开启了人类迈向太空的时代。这一步可是非常的不容易，不仅需要大推力的火箭来克服地球的引力，而且太空的环境太恶劣了——失重、缺氧、无气压、微流星、空间碎片、剧烈温度变化和强烈的辐射都会给人类探索太空带来巨大挑战。而强烈的辐射，就是我们今天要说的“隐形杀手”。

宇宙中的这个“杀手”非常凶狠，具有极大的破坏性，对宇航员和航天器构成很大的危害。先前我们对这个“杀手”的了解十分有限，后来才逐渐知道这个“杀手”还不止一伙呢！下面，就让我们看看它们各自的“身世”与“个性”。

图 空间辐射的三大来源

能量极高的银河宇宙射线

先说说老大，即银河宇宙射线，它是来源于太阳系以外、银河系以内的高能粒子，它们以极快的速度从四面八方不断地撞击地球及其航天器。它的能量范围很宽，已探测到的最高能量可以达到1020 eV，这是无法用人造设备达到的能量。但它的强度却很低，能量在1012 eV以上的宇宙射线每平方米每秒大约1个，能量在1016 eV以上的就更少了，同样面积每年大约1个。它像背景一样弥漫在整个日球层中。银河宇宙射线的强度受太阳活动周期的调制影响，在太阳活动的峰年，强度就会减弱。

银河宇宙射线的主要成分是质子，占比接近86%，其次是α粒子，以及约1%的重离子，几乎包含了元素周期表中的所有元素，而且基本上都是裸核。高能重离子具有很强的电离能力，对人体和材料都会造成严重的损伤，是威胁人类航天活动名副其实的“隐形杀手”。好在地球拥有浓厚的大气层和地磁场，能够阻止大部分宇宙射线，从而使我们在地面免受其害。

银河宇宙射线的发现者是物理学家维克多·赫斯，他以敬业和勇气著称。他多次冒着生命危险，携带自己设计的可承受高空大气温度和气压变化的验电器，乘坐氦气球升到4-5千米的高空进行实验。他惊奇地发现，电离电流随着气球的高度而增大，由此得出结论：在高空存在一种来自地球以外的穿透性极强的射线。他在夜晚和日蚀期间所做的实验也获得了同样的结果，表明这种射线不是由太阳发出的，而是来自外太空。维克托·赫斯因此发现而获得1936年的诺贝尔物理学奖。

图 银河宇宙射线的发现者——维克多·赫斯

随机发生的太阳宇宙射线

现在我们来说说第二个“杀手”——太阳宇宙射线，也称太阳高能粒子或太阳质子事件。太阳宇宙射线是伴随太阳风暴的偶发性高能粒子流。它是太阳发生耀斑时发射出的高能带电粒子，太阳耀斑是一种最剧烈的太阳活动，是发生在太阳表面局部区域中突然和大规模的能量释放过程。最新的研究认为，太阳宇宙射线也可以是由日冕物质抛射物驱动的激波加速而产生。

图 太阳宇宙射线

太阳宇宙射线的主要成分中90%以上是质子，其他为α粒子及少量重核成分。它的能量远低于银河宇宙射线，大约在几十到几百MeV。但太阳质子事件一旦发生，质子通量在数小时内急剧增高几个数量级，可达到1010粒子/cm2。

太阳粒子事件发生具有随机性，因此人类难以准确预测其发生的时间、持续的长短和强度。它持续的时间可在几分钟到几十分钟之间。在太阳活动峰年，耀斑出现频繁且强度变强，每个太阳周期大约可有30~50次事件。由于辐射的高通量性和难以预测性，太阳宇宙射线成为空间飞行，尤其是星际飞行中威胁最大的辐射因素。

紧紧包裹地球的俘获带

第三个“杀手”是地球俘获带。它的发现完全是偶然的。1958年1月31日，美国发射了探索者—号，这是美国的第一颗人造卫星。虽然比苏联的第一颗卫星晚了3个多月，但它却带来了一个重大的发现。天文学家范·艾伦发现在地球大气层之外存在着一个辐射带包裹着地球，这一发现成为当时国际地球物理年的一大亮点。这一辐射带被命名为“范·艾伦辐射带”。

图 地球俘获带形成原理

范·艾伦辐射带由于地球磁场捕获了大量带电粒子而形成。这些带电粒子绕着磁力线进动，并在南北极间反射，同时电子由西向东、质子由东向西漂移。带电粒子被困在俘获带中不再沉降。

辐射带分为内辐射带和外辐射带。内辐射带的中心大约位于1.5个地球半径的高度，主要成分是质子和电子。外辐射带的中心大约位于4-5个地球半径的高度，其边缘可达十几个地球半径。外辐射带的主要成分是电子和低能质子，强度是内辐射带的10倍左右。

辐射带中需要特别提到的是南大西洋异常区，它位于巴西的东海岸南大西洋的上空。受地磁场作用，捕获带的下缘降低至离地面200km左右。这一区域内汇聚了大量的高能质子，其通量是宇宙线背景的数百倍。因此，南大西洋异常区是对低地轨道航天器辐射危害最严重的区域。

宇航员也要看“空间天气预报”

以上这三大“隐形杀手”虽然来无影、去无踪，人类的眼睛看不见它们，但它们的杀伤力却是实实在在的。它们既能毁坏地球轨道上的航天器，又能威胁到太空中宇航员的身体健康。

我们先来看看它们对人体的伤害。空间的粒子带有很高的能量，有很强的电离能力，射入人体后可能破坏分子的化学键，使整个细胞受损或死亡。当人体受到的辐射超过一定的剂量时，就会导致DNA双链断裂，使正常的细胞基因发生变异，从而有可能诱发癌症。这对于从事太空飞行的人来说，无疑是一种严重的威胁。

图 宇航员舱外活动

因此，宇航员在太空中必须时刻提防空间辐射的袭击。在舱内还有航天器舱体的保护，一旦到舱外活动和作业时，就要特别小心了。别以为有宇航服保护就没事。现代的舱外宇航服的主要功能是加压、气密、隔热、保暖、通风等，宇航服的最外层还可以防火、防热。但是，宇航服对高能粒子辐射的防护能力是很有限的。这是因为高能粒子的穿透能力很强，而宇航服的有限厚度不足以阻挡粒子的射入。所以宇航服并不是刀枪不入的盔甲。

怎么办呢？

宇航员在面对这些凶狠的“杀手”时，还是躲着点好。当太阳质子事件发生时，就不出舱活动。一个新名词也随之出现——“空间天气预报”。科学家们研究太阳质子事件的规律，尝试对太阳质子事件做出预报，提供风险规避依据。高能粒子从产生至传播到近地空间大约需要十几分钟到十几小时，利用这个时间窗口，人们发布太阳质子事件预警，以便采取相应的防御措施，对于航天活动具有重要意义。

目前，世界各国已有许多预报模型。尽管太阳质子事件的机制十分复杂，影响因素很多，中、长期预报非常困难，但人们在短期预报方面已取得了长足的进步。不过，目前要做到既不漏报也不误报仍然是很难的。

不容忽视的四大效应

除了对宇航员人体的伤害之外，空间辐射还会对航天器及微电子系统造成致命的损伤。主要表现为以下四个效应：单粒子效应、总剂量效应、位移损伤效应和充放电效应。全世界有无数颗卫星遭受过这四大辐射效应的伤害，为避免这些伤害的发生，各国对抗辐射加固都极为重视。

图 器件单粒子效应示意图

单粒子效应是由单个的高能质子或重离子能量沉积所引起的效应，能造成灾难性后果，是目前最严重的空间环境效应之一。单粒子效应有多种机理不同的表现形式，如单粒子翻转、单粒子锁定、单粒子功能中断、单粒子烧毁等，有软损伤，也有硬损伤。随着器件集成度的增加，发生单粒子效应的几率也随之增加。单粒子效应不需要累积，而是一个突发的过程，只需一个离子轰击就能引起。单粒子效应对多种轨道的航天器都构成威胁。统计数据表明，在所有的航天器故障中，因单粒子效应造成的故障约占40%。包括中国在内的许多国家的各种卫星都遭受过单粒子效应的伤害。因此，在航天器设计阶段就必须考虑单粒子事件，以便采取恰当的防护措施。

图 兰州重离子加速器主器

地面加速器模拟是研究单粒子效应的一种经济而有效的方法。兰州重离子加速器是目前我国能量最高的重离子加速器，可以把多种离子加速到几个GeV的能量，在材料中具有很长的射程和宽广的LET（单位路程上的能量损失）范围，是进行单粒子效应地面模拟研究的有力工具。近年来，利用兰州重离子加速器，科研人员已经完成了大量的宇航器件的单粒子效应实验，在单粒子效应的机理研究和器件抗辐射性能评估方面取得了许多重要成果，为我国航天事业做出了应有的贡献。

作者| 侯明东

编辑| 马丽霞 刘芳

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来源：中国科学院近代物理研究所

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