(完整版)輻射環(huán)境及監(jiān)測

1、2014年春季學期研究生課程考核（結課論文）考核科目:空間環(huán)境與光電系統(tǒng)防護技術學生所在院（系）:航天學院21系學生所在學科:物理電子學學生姓名:陳毅強學號:13S121013學生類別:非委培考核結果閱卷人輻射環(huán)境監(jiān)測引言航天器在軌期間將受到各種空間環(huán)境因素的強烈作用?？臻g環(huán)境因素多種多樣,主要有電磁輻射、帶電粒子輻射、高真空、冷黑環(huán)境、原子氧侵蝕以及微流星和空間碎片的撞擊等。會對航天器表面材料的性能產生很大的影響，盡管30多年的載人太空飛行積累了大量的空間輻射數據,但仍然不能完全確定航天員在太空中所受到的輻射風險。這主要是由于空間輻射環(huán)境的復雜性,例如航天任務持續(xù)時間、太陽活動周期的特定階段

2、、太陽粒子事件的次數和強度、防護層情況以及低地軌道高度和傾角等因素都會產生不同的輻射影響。因而,空間輻射測量工作仍然是輻射防護領域面臨的最大挑戰(zhàn)之一。關鍵詞：空間輻射環(huán)境輻射環(huán)境檢測國內外輻射環(huán)境檢測一空間輻射環(huán)境簡介1.1 空間輻射來源在LEO軌道(低地軌道)中，輻射的來源主要有3種：(1) 太陽粒子事件(SPEs);電離輻射的一個主要來源是在太陽耀斑和日冕物質拋射(CME)期間由太陽發(fā)射出的幾乎完全電離的等離子體,包括質子、電子和原子序數直到鐵的重離子。這種等離子體流也叫太陽風,其導電性很強,在太陽系中形成行星際磁場(IMF)。從空間輻射健康角度看,我們最關心的是質子,這是由于質子所占比例

3、大及高能量。這樣的太陽粒子事件主要集中在太陽11年周期的太陽活動極大年期間,而在太陽活動極小年發(fā)生次數相對較少。太陽粒子事件有不同的定義,主要區(qū)別是質子通量不同。把質子能量大于30MeV、通量大于106cm-2或3*106cm-2或107cm-2的事件叫太陽粒子事件。SPEs事件發(fā)生的頻率不固定，但在一個太陽周期大約發(fā)生50次左右。嚴重的太陽粒子事件是指質子能量大于30MeV、通量大于1010cm-2的事件。這樣大規(guī)模的事件一個周期大約會發(fā)生一二次。有記錄的最大的SPEs事件之一發(fā)生在1972年8月，恰好發(fā)生在阿波羅16和阿波羅17(Apollo)執(zhí)行月球任務間隙。如果在此事件期間，Apoll

4、o飛船處在往返月球途中,航天員很可能會遭受致命的急性輻射疾病。(2) 銀河系宇宙射線(GCRs);銀河系宇宙射線是來自太陽系以外的帶電粒子,在整個行星際空間的分布被認為是相對穩(wěn)定、各向同性的°GCRs粒子的能譜范圍很寬，在幾十到101MeV之間。如果不考慮地球磁場的影響,能量越高的粒子,其通量也越低。在太陽系,GCRs粒子的能譜峰值在IGeV左右。GCRs包含98%的質子和重離子及2%的正負電子。高能重離子(HZE),尤其是相對富含的鐵離子具有很高的線性能量傳遞(LET)和很強的穿透性，其輻射損傷能力非常強。能量在IGeV以下的GCRs粒子通量受到太陽活動周期的影響。在太陽活動極大年

5、,太陽風最強,IMF磁場也最強,此時通量被削弱的程度最大;在太陽活動極小年,通量被削弱的程度最小。在赤道附近地磁磁場線平行于地球表面,大部分帶電荷能粒子被地磁場所偏轉。而在地磁場的南北極,由于磁場線垂直于地球表面,高緯度的GCRs粒子就能沿著磁力線進入兩極。因此，LEO航天器在通過兩極時受到的GCRs輻射通量最大,在赤道時最小。(3) 地球磁場捕獲的荷能電子和質子，組成地球的輻射帶(ERBs).1.2空間輻射環(huán)境模型(1) SPEs模型：一般來說，SPEs粒子通量是隨機性的，因此必須用統(tǒng)計的方法進行處理。(2) GCRs模型：關于計算GCRs通量的模型，早期的CREME模型已經被更新的模型取代

6、，包括Badhwar和O'Neill模型(包含在SIREST程序中)及Nymmik模型(包含在CREME96程序中)。這些新的模型是基于太陽調制作用的擴散和對流理論。對于太陽活動極大年和極小年的GCRs質子通量峰值，SIREST程序預測的要比CREME96程序預測的高3倍。原因尚不清楚，部分原因可能是二者使用不同的地磁場函數。(3) ERBs模型：ERBs模型現在主要還是基于NASA的靜態(tài)AE-8電子和AP-8質子模型，這也是事實上的標準模型。其中AP8模型有2個版本，即AP8-MIN和AP8-MAX，分別用于模擬太陽活動極小年和極大年的質子輻射帶。這2個版本的模型都是全向模型，即它們

7、只能提供所有方向的平均統(tǒng)計質子通量譜，而不能給出各向異性的結果。其他質子全向模型還有PSB97、CRRESPRO和NOAAPRO。這些模型也可從SPENVIS網站得到。AP8能模擬所有高度和傾角的軌道的質子能譜,然而會低估較低高度處的高能質子通量。模型所基于的高能質子測量數據也比較缺乏。此外在較低高度處,AP8模型主要基于外推的結果oPSB97模型能模擬在太陽活動極小年期間，軌道低于約600km的質子能譜。CRRESPRO模型被應用在太陽活動極大年期間，質子能量范圍直到100MeV、高度在1000km以上的任意傾角軌道的質子通量譜。NOAAPRO模型能模擬太陽活動周期任意期間的3個能量范圍的積

8、分通量譜，大于16MeV、大于36MeV和大于80MeV,軌道高度直到850km。該模型僅在美國可得到。(4) 次級粒子模型：次級粒子模型一般采用蒙特卡羅方法或者通過解玻爾茲曼方程(Boltzmann)來建立。最近NASA發(fā)起并組織多所大學和研究機構，以進一步發(fā)展如下幾種輻射粒子在物質中的輸運模型及其代碼，它們是HETC蒙特卡羅代碼、FLUKA蒙特卡羅代碼和HZETRN代碼。其中HZETRN代碼是基于解一維玻爾茲曼方程。Geant4是基于3D蒙特卡羅方法的通用粒子輸運工具箱，是由ESA、CERN和很多大學與研究機構合作的成果。蒙特卡羅程序SHIELD是1994年由Dementyev和Sobol

9、evsky基于俄羅斯著名的核反應模型推出的強子傳輸程序。1.3空間放射量的測定搭載在載人航天器上的用于輻射測定的探測器設備，按工作原理可以分為兩類:無源探測器和有源探測器。(1) 無源探測器固有的優(yōu)點是體積小、質量輕、安全、易操作及零功耗。無源探測器通常用于測量航天員所受的輻射，并且?guī)缀趺總€航天員都配戴至少一個無源探測器。用于空間輻射測量的無源探測器主要有兩類:熱致發(fā)光探測器和固態(tài)核痕跡探測器。(2) 有源探測器的優(yōu)點就是能夠提供實時或時間分辨的數據，而且數據分析處理方便快捷。得益于微電子技術的進步，數據存儲能力的增加和長壽命電池的出現，有源探測器現在發(fā)展得越來越適合在空間使用了。二我國的輻射

10、環(huán)境及監(jiān)測2.1 我國輻射環(huán)境監(jiān)測概況輻射環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境監(jiān)測的重要組成部分,也是輻射環(huán)境管理的基礎,對環(huán)境放射性污染的防治是公眾所關心的熱點之一。我國的輻射環(huán)境監(jiān)測始于20世紀50年代核工業(yè)建立初期,當時主要由核設施營運者自行監(jiān)測,監(jiān)測范圍局限于核設施周圍地區(qū)。1964年我國開始進行大氣層核試驗,隨后于90年代又組織開展了針對核設施和核技術應用項目的放射性污染源調查和重點源監(jiān)測,近年來,原國家環(huán)境保護總局開始組織建設全國輻射環(huán)境監(jiān)測網絡，對重點核設施進行流出物監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測,對全國輻射環(huán)境質量進行監(jiān)測。經過幾十年的不懈努力,我國輻射環(huán)境監(jiān)測工作從無到有、從弱到強、從局部到全國,得到了比較全面的

11、發(fā)展。2.2全國環(huán)境天然放射性水平調查研究（19831990年）自1983年至1990年,結合我國核工業(yè)、核技術利用和核電事業(yè)的發(fā)展需要,在全國范圍內組織開展了以摸清環(huán)境天然放射性水平及其分布為主要目的的“全國環(huán)境天然放射性水平調查研究”。該課題覆蓋全國范圍內，基本上25kmX25km網絡均勻布點，調查了環(huán)境陸地（原野、道路、建筑物室內）Y輻射劑量率（離地1m高處的空氣吸收劑量率）；與此同時，同位布點采集土壤樣品，分析測定了土壤中238U、226Ra、232Th、40K含量;與非放射性常規(guī)監(jiān)測同位布點，調查了我國主要流域水體中U、Th、226Ra、40K濃度。2.3 20世紀90年代開展的放射

12、性污染源調查與重點源監(jiān)測隨著核能和核技術在我國的發(fā)展與應用日益廣泛，環(huán)境放射性污染問題日漸受到關注。原國家環(huán)境保護總局從1993年起對全國各類放射性污染源進行了歷時2年的統(tǒng)計調查這次調查基本掌握了全國放射性污染源的數量、行業(yè)與地區(qū)分布、放射源的種類、放射性“三廢”排放方式、對環(huán)境的污染情況與治理的現狀。2.4 20世紀90年代開展的放射性伴生石煤礦開發(fā)和利用對環(huán)境影響研究自1991年至2002年,原國家環(huán)境保護總局和原中國核工業(yè)總公司開展了放射性石煤伴生礦開發(fā)利用對環(huán)境影響的研究。該課題調查了石煤礦區(qū)及其周圍環(huán)境陸地Y輻射劑量率（離地1m高處的空氣吸收劑量率）；地區(qū)石煤礦區(qū)石煤、石煤渣、碳化磚

13、、石煤礦區(qū)和周圍環(huán)境土壤,氣溶膠,以及石煤礦區(qū)和周圍環(huán)境水體中238U、226Ra、232Th、40K含量;石煤礦區(qū)及其周圍環(huán)境中碳化磚和普通紅磚建筑物內、外的氡濃度。通過本次調查可以看出,由于石煤的開采與綜合利用已導致石煤礦區(qū)原野、道路和碳化磚房室內Y輻射水平有明顯的升高，礦區(qū)和生活區(qū)大氣氣溶膠天然放射性核素濃度較高,石煤礦區(qū)調查的碳化磚房室內氡濃度普遍較高;調查地區(qū)的石煤礦區(qū)環(huán)境介質中核素238U和226Ra的比活度較高。三歐洲的輻射環(huán)境及監(jiān)測3.1歐洲輻射環(huán)境概況自1960年代起，歐洲各國建設了大量的核電廠。在核電發(fā)展初期，由于對輻射環(huán)境監(jiān)測認識不足，因此對監(jiān)測能力建設投入較少。切爾諾貝

14、利事故以后，以法國、德國、英國為首的歐洲國家加強了輻射環(huán)境監(jiān)測工作，開展輻射環(huán)境監(jiān)測關鍵技術的研究，每年組織人員進行大量的輻射監(jiān)測工作，建設輻射監(jiān)測基礎設施并配備先進的監(jiān)測儀器，形成完整的輻射環(huán)境監(jiān)測網絡，可隨時了解全國境內的輻射環(huán)境狀態(tài)，并通過數據交換平臺了解歐洲其他國家的環(huán)境輻射水平。至今，已建立了完善的輻射環(huán)境監(jiān)測基礎設施和核與輻射應急預警機制，為環(huán)境質量評價和應急決策提供支持，為核能發(fā)展提供了保障。3.2 切爾諾貝利事故切爾諾貝利核事故或簡稱“切爾諾貝利事件”，是一件發(fā)生在前蘇聯(lián)下烏克蘭境內切爾諾貝利核電站的核子反應堆事故。該事故被認為是歷史上最嚴重的核電事故，也是首例被國際核事件分級

15、表評為第七級事件的特大事故（目前為止第二例為2011年3月11日發(fā)生于日本福島縣的福島第一核電站事故）。1986年4月26日凌晨1點23分，烏克蘭普里皮亞季鄰近的切爾諾貝利核電廠的第四號反應堆發(fā)生了爆炸。連續(xù)的爆炸引發(fā)了大火并散發(fā)出大量高能輻射物質到大氣層中，這些放射性塵埃涵蓋了大面積區(qū)域。這次災難所釋放出的輻射線劑量是二戰(zhàn)時期爆炸于廣島的原子彈的400倍以上。經濟上，這場災難總共損失大概兩千億美元(已計算通貨膨脹)，是近代歷史中代價最“昂貴”的災難事件沒有之一。3.3 法國的輻射環(huán)境監(jiān)測截至2006年底,法國共有19座商用核電廠,在役機組58個,總裝機容量達到63.1 GW。法國對輻射環(huán)境監(jiān)

16、測非常重視目前已在全國范圍內建立了大氣、水以及其它介質的輻射環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。法國的輻射環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要包括環(huán)境Y劑量率監(jiān)測網(TELERAY)、放射性監(jiān)測站(OPERA)、河流自動取樣監(jiān)測(HYDROTELERAY)、廢水自動取樣監(jiān)測網(TELEHYDRO)、大氣氣溶膠連續(xù)監(jiān)測網(SARA),以及核電廠設置的廠區(qū)及周圍輻射環(huán)境監(jiān)測網絡。3.4 德國的輻射環(huán)境監(jiān)測切爾諾貝利事故后,德國加強了對環(huán)境放射性的監(jiān)測,將核設施以及常規(guī)輻射環(huán)境監(jiān)測納入監(jiān)管范圍。德國對核設施的監(jiān)測采用雙軌制,即政府與核電廠各自負責，其中作為政府部門負責的監(jiān)測設施主要是核電廠遠程監(jiān)測系統(tǒng)(KFU)。另外,德國還建立了綜合測量與

17、信息系統(tǒng)(IMIS)，對德國全境的輻射環(huán)境進行日常監(jiān)測。3.5 英國的輻射環(huán)境監(jiān)測切爾諾貝利事故后,英國地方政府建立了各種輻射環(huán)境監(jiān)測聯(lián)盟,以評估環(huán)境中的輻射水平。這種聯(lián)盟可以委托獨立的監(jiān)測機構進行監(jiān)測,包括大學、醫(yī)院的監(jiān)測機構或商業(yè)實驗室均可承擔。地方政府輻射環(huán)境監(jiān)測聯(lián)盟主要有北愛爾蘭輻射環(huán)境監(jiān)測組織(NIRMG)、南英格蘭輻射環(huán)境監(jiān)測組織(SERMG)、Lancashire放射性監(jiān)測組織(RAD-MIL)、西蘇格蘭輻射環(huán)境監(jiān)測組織(WSERMS)等。地方政府的監(jiān)測形成了覆蓋全英國的地方輻射環(huán)境監(jiān)測網(LARNET),并最終為英國最高層次的輻射事故監(jiān)測網(RIMNET)提供數據支持。除了政府

18、部門組織的監(jiān)測網絡外，英國的核電廠運營單位也建立了輻射環(huán)境實驗室,配備各種監(jiān)測儀器,負責電廠周圍1540km范圍的輻射環(huán)境監(jiān)測，在核事故應急時為輻射事故監(jiān)測網(RIMNET)補充數據。四對我國輻射環(huán)境監(jiān)測的展望輻射環(huán)境監(jiān)測是一門綜合性的應用科學,它涉及許多科學技術領域,要真正做好全國輻射環(huán)境監(jiān)測工作需要多學科、多專業(yè)的技術力量支持。近幾年我國的輻射環(huán)境監(jiān)測將在以下這五個方面開展工作：4.1 完善全國輻射環(huán)境監(jiān)測網絡(1) 環(huán)境輻射劑量率監(jiān)測的自動化、網絡化和標準化;(2) 放射性氣溶膠監(jiān)測自動化、網絡化和標準化;(3) 環(huán)境樣品分析流程化、自動化和標準化;(4) 標準物質的研制和開發(fā);(5) 輻射環(huán)境監(jiān)