第１３卷第１期
２００７年０３月真空与低温Ｖａｃｕｕｍ＆Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ４１
空间辐射环境与测量
高欣，杨生胜，牛小乐，王云飞
甘肃兰州（兰州物理研究所，真空低温技术与物理国家级重点实验室，
摘７３００００）要：空间辐射对载人空间探索造成巨大的风险，而且对空间任务的设计也提出了诸多限制条件。评述了低地
轨道与地球磁层之外的空间辐射环境的来源和组成，以及模拟空间环境效应的各种分析方法的发展情况。介绍了空
间辐射测量的各种方法。
关键词：ＬＥＯ；空间环境；空间辐射测量
中图分类号：Ｐ３５３．４文献标识码：Ａ文章编号：１００６－７０８６（２００７）０１－００４１－０７
ＳＰＡＣＥＲＡＤＩＡＴＩＯＮＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＳＡＮＤＤＯＳＩＭＥＴＲＹ
ＧＡＯＸｉｎ，ＹＡＮＧＳｈｅｎｇ－ｓｈｅｎｇ，ＮＩＵＸｉａｏ－ｌｅ，ＷＡＮＧＹｕｎ－ｆｅｉ
（ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂ．ｏｆＶａｃｕｕｍ＆ＣｒｙｏｇｅｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，
ＬａｎｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｎａｔｕｒａｌｒａｄｉａｔｉｏｎｓｉｍｐｏｓｅｈａｚａｒｄｓｔｏｍａｎｎｅｄｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，ｂｕｔａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｓｏｍｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｔｏｔ－
ｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｐａｃｅｍｉｓｓｉｏｎｓ．ＴｈｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｐａｃｅｒａｄｉａｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎＬＥＯａｓｗｅｌｌａｓｂｅ－
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ｎｔｅｆｆｅｃｔｓａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｓｐａｃｅｄｏｓｉｍｅｔｒｙｍｅｔｈｏｄｓｉｓａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＥＯ；ｓｐａｃｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ｓｐａｃｅｄｏｓｉｍｅｔｒｙ
１引言
对于低地轨道（ＬＥＯ）的航天器，例如航天飞机和国际空间站（ＩＳＳ）或者离开地球磁层的空间飞行器，
３］航天员与舱内设备都面临着空间电离辐射的严重危险［１～，其受到的辐射程度远远超出了在地面上受到的辐
射。尽管３０多年的载人太空飞行积累了大量的空间辐射数据，但仍然不能完全确定航天员在太空中所受到
太阳活动周期的特定阶段、太阳的辐射风险。这主要是由于空间辐射环境的复杂性，例如航天任务持续时间、
粒子事件的次数和强度、防护层情况以及低地轨道高度和倾角等因素都会产生不同的辐射影响。因而，空间辐射测量工作仍然是辐射防护领域面临的最大挑战之一。空间辐射测量的数据可以作为航天器工程设计的参考，以减少空间辐射影响，从而更好地保护航天员的安全。
２电离辐射来源
在ＬＥＯ轨道，电离辐射的来源主要有３种：（１）太阳粒子事件（ＳＰＥｓ）；（２）银河系宇宙射线（ＧＣＲｓ）；（３）地球磁场捕获的荷能电子和质子，组成地球的辐射带（ＥＲＢｓ）。
２．１太阳粒子事件
电离辐射的一个主要来源是在太阳耀斑和日冕物质抛射（ＣＭＥ）期间由太阳发射出的几乎完全电离的收稿日期：２００６－０７－１７．
作者简介：高欣（１９７２－），男，内蒙古自治区乌前旗人，高级工程师，博士，从事空间环境研究。
４２真空与低温第１３卷第１期等离子体，包括质子、电子和原子序数直到铁的重离子。这种等离子体流也叫太阳风，其导电性很强，在太阳系中形成行星际磁场（ＩＭＦ）。从空间辐射健康角度看，我们最关心的是质子，这是由于质子所占比例大及高能量。这样的太阳粒子事件主要集中在太阳１１年周期的太阳活动极大年期间，而在太阳活动极小年发生次
通量大于数相对较少。太阳粒子事件有不同的定义，主要区别是质子通量不同。把质子能量大于３０ＭｅＶ、
１０６ｃｍ－２或３×１０６ｃｍ－２或１０７ｃｍ－２的事件叫太阳粒子事件。ＳＰＥｓ事件发生的频率不固定，但在一个太阳周期大约发生５０次左右。严重的太阳粒子事件是指质子能量大于３０ＭｅＶ、通量大于１０１０ｃｍ－２的事件。这样大规模的事件一个周期大约会发生一二次。有记录的最大的ＳＰＥｓ事件之一发生在１９７２年８月，恰好发生在阿波
（Ａｐｏｌｌｏ）执行月球任务间隙。如果在此事件期间，Ａｐｏｌｌｏ飞船处在往返月球途中，航天员罗１６和阿波罗１７
很可能会遭受致命的急性辐射疾病［３］。
２．２银河系宇宙射线
银河系宇宙射线是来自太阳系以外的带电粒子，在整个行星际空间的分布被认为是相对稳定、各向同性的。ＧＣＲｓ粒子的能谱范围很宽，在几十到１０１２ＭｅＶ之间。如果不考虑地球磁场的影响，能量越高的粒子，其通量也越低。在太阳系，ＧＣＲｓ粒子的能谱峰值在１ＧｅＶ左右。ＧＣＲｓ包含９８％的质子和重离子及２％的正负电子。高能重离子（ＨＺＥ），尤其是相对富含的铁离子具有很高的线性能量传递（ＬＥＴ）和很强的穿透性，其辐射损伤能力非常强。能量在１ＧｅＶ以下的ＧＣＲｓ粒子通量受到太阳活动周期的影响。在太阳活动极大年，太阳风最强，ＩＭＦ磁场也最强，此时通量被削弱的程度最大；在太阳活动极小年，通量被削弱的程度最小。
在赤道附近地磁磁场线平行于地球表面，大部分带电荷能粒子被地磁场所偏转。而在地磁场的南北极，由于磁场线垂直于地球表面，高纬度的ＧＣＲｓ粒子就能沿着磁力线进入两极。因此，ＬＥＯ航天器在通过两极时受到的ＧＣＲｓ辐射通量最大，在赤道时最小。
２．３地球的捕获辐射带
这些带电粒子地球被近似同心圆的２个带电粒子辐射带包围，称作范艾伦辐射带或地球的捕获辐射带。
捕获粒子主要是电子和质子，还有很少量的离子。被地球磁场俘获，运动轨迹非常复杂。２个捕获辐射带之间
是辐射强度很低的槽区，如图１所示。
２．３．１外部辐射带
外部辐射带主要是由荷能电子组成，在２．８
到１２．０倍地球半径的范围内。电子能量最大到
外辐射带的电子通量比内辐射带的高１０ＭｅＶ。
一个数量级。由于大部分电子的能量很低（小
于１０ＭｅＶ，韧致辐射很明显），对航天器外部
的设备会有影响（例如太阳能电池性能下降），
但对于有重防护层的航天器内部影响很小（例
如ＩＳＳ）。此外，电子通量最强的外部辐射带远
远高于ＬＥＯ轨道，这使得捕获电子对航天员的
“极角”下降很低，这对高倾角健康影响很小。然而，从图１可以看出，在地球的南北地区，外部辐射带的２个
轨道的航天器会有影响，尤其是在受到太阳活动干扰而导致“极角”高度下降的情况下。
２．３．２内部辐射带
内部辐射带主要是捕获质子，也有少量的电子和离子，延伸到大约２．４倍地球半径距离处。质子能量范围从几兆到几百兆电子伏，其峰值较宽，在１５０～２５０ＭｅＶ。由于质子辐射带高度较低，受到太阳风的干扰很小，因此相对较稳定。大多数捕获的质子所处的高度位于ＩＳＳ这样的航天器轨道之上。
在地球附近，地磁场可以近似看成是球形的偶极子磁场。然而，由于地磁场的中心轴线与地球自转轴线并不平行（偏移１１°），使得地磁场中心与地球的地理中心偏离超过５００ｋｍ，因此造成地磁场相对于地球表
其面并不对称。在地球的一侧，内部辐射带距地表高度在１２００～１３００ｋｍ，而在另一侧下降到２００～８００ｋｍ。
结果就是在南大西洋距离巴西海岸线２００～３００ｋｍ处形成一个磁场强度低而辐射强度极高的区域，
叫南大
高欣等：空间辐射环境与测量４３
西洋异常区（ＳｏｕｔｈＡｔｌａｎｔｉｃＡｎｏｍａｌｙ，ＳＡＡ）。其中心约位于西经４５°，南纬３０°，异常区的整体尺度延伸到很大的范围，并且ＳＡＡ区域的边界是随高度而变化的。图２给出的是在距地面约５６０ｋｍ高度处ＳＡＡ区域的轮廓图。ＳＡＡ区域的地磁场显著地下降并接近地球表面，捕获的质子带的高度也相应下降，与低轨道航天器的轨道相交，质子通量随高度增加。对于高度在大约８００ｋｍ以下，倾角在大约４０°以下的ＬＥＯ轨道的航天器，所受到的唯一的最重要的辐射就是来自ＳＡＡ区。
图２距地面约５６０ｋｍ高度处ＳＡＡ区域的轮廓图
２．４次级辐射粒子
对于原初粒子的低能组分，航天器防护层可有效减少其对航天器内部的辐射。然而，对于高能原初粒子，航天器内部的辐射有可能随着防护层厚度的增加而增加。这是由于高能原初粒子（主要是质子和离子）的一部分会与航天器自身材料的原子核发生相互作用，从而产生次级粒子，导致内部辐射增加。２种类型的核相互作用最为重要：（１）靶物质核碎片。当高能带电原初粒子（捕获的质子或ＧＣＲ质子），与航天器材料的重核（例如铝核），或者与航天员身体的Ｃ或Ｏ原子核发生碰撞，产生２个或更多的次级粒子，包括撞出的中子、质子和α粒子，以及弹出的重核。（２）弹核碎片。当一个ＨＺＥ粒子与靶核碰撞时，除了产生高能质子和中子之外，也能产生更大的弹核碎片。这些弹核碎片保留了大部分原初ＨＺＥ粒子的动能。
对于ＩＳＳ类型的轨道（５１．５６°倾角，约４５０ｋｍ高度），中子对航天员总剂量当量的贡献范围估计在３０％～６０％之间［４］。在ＬＥＯ轨道，航天员的中子剂量当量的主要来源就是次级中子。
３空间辐射环境模型
在过去几十年，大量的空间辐射测量数据的获得，使得空间辐射环境模型得到了很大的发展。这些模型反过来对空间辐射的探测起到了巨大的推动作用，目前已经成为研究空间辐射环境必不可少的工具。现在可以利用几个Ｗｅｂ站点对空间辐射环境进行模拟和计算，例如ＳＰＥＮＶＩＳ［５］、ＣＲＥＭＥ９６［６］和ＳＩＲＥＳＴ［７］，其中ＳＰＥＮＶＩＳ网站是事实上的空间环境分析综合工具的Ｗｅｂ基框架标准。
３．１ＳＰＥｓ模型
历史上的ＳＰＥｓ事件参数可以从参考文献［８］得到。一般来说，ＳＰＥｓ粒子通量是随机性的，因此必须用统计的方法进行处理。常用的模型有Ｋｉｎｇ、ＪＰＬ－９１和ＥＳＰ，这些模型都可以从ＳＰＥＮＶＩＳ和ＣＲＥＭＥ９６网站获得。
３．２ＧＣＲｓ模型
关于计算ＧＣＲｓ通量的模型，早期的ＣＲＥＭＥ模型已经被更新的模型取代，包括Ｂａｄｈｗａｒ和Ｏ′Ｎｅｉｌｌ模型［９］（包含在ＳＩＲＥＳＴ程序中）及Ｎｙｍｍｉｋ模型［１０］（包含在ＣＲＥＭＥ９６程序中）。这些新的模型是基于太阳调制作用的扩散和对流理论。对于太阳活动极大年和极小年的ＧＣＲｓ质子通量峰值，ＳＩＲＥＳＴ程序预测的要比ＣＲＥＭＥ９６程序预测的高３倍。原因尚不清楚，部分原因可能是二者使用不同的地磁场函数。
３．３ＥＲＢｓ模型
ＥＲＢｓ模型现在主要还是基于ＮＡＳＡ的静态ＡＥ－８电子和ＡＰ－８质子［１１］模型，这也是事实上的标准模型。其中ＡＰ８模型有２个版本，即ＡＰ８－ＭＩＮ和ＡＰ８－ＭＡＸ，分别用于模拟太阳活动极小年和极大年的质子辐射带。这２个版本的模型都是全向模型，即它们只能提供所有方向的平均统计质子通量谱，而不能给出各向异
４４真空与低温第１３卷第１期性的结果。其他质子全向模型还有ＰＳＢ９７、ＣＲＲＥＳＰＲＯ和ＮＯＡＡＰＲＯ。这些模型也可从ＳＰＥＮＶＩＳ网站得到。
模型所基于的ＡＰ８能模拟所有高度和倾角的轨道的质子能谱，然而会低估较低高度处的高能质子通量。
高能质子测量数据也比较缺乏。此外在较低高度处，ＡＰ８模型主要基于外推的结果。ＰＳＢ９７模型能模拟在太阳活动极小年期间，轨道低于约６００ｋｍ的质子能谱。ＣＲＲＥＳＰＲＯ模型被应用在太阳活动极大年期间，质子能量范围直到１００ＭｅＶ、高度在１０００ｋｍ以上的任意倾角轨道的质子通量谱。ＮＯＡＡＰＲＯ模型能模拟太阳
大于３６ＭｅＶ和大于８０ＭｅＶ，轨道高度直活动周期任意期间的３个能量范围的积分通量谱，大于１６ＭｅＶ、
到８５０ｋｍ。该模型仅在美国可得到。
能够预测质子各向异性通量谱的模型是“Ｂａｄｈｗａｒ＆Ｋｏｎｒａｄｉ１９９０”模型［１２］。
３．４次级粒子模型
次级粒子模型一般采用蒙特卡罗方法或者通过解玻尔兹曼方程（Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ）来建立。最近ＮＡＳＡ发起并组织多所大学和研究机构，以进一步发展如下几种辐射粒子在物质中的输运模型及其代码，它们是ＨＥＴＣ蒙特卡罗代码、ＦＬＵＫＡ蒙特卡罗代码和ＨＺＥＴＲＮ代码［１３］。其中ＨＺＥＴＲＮ代码是基于解一维玻尔兹曼方程。
Ｇｅａｎｔ４［１４］是基于３Ｄ蒙特卡罗方法的通用粒子输运工具箱，是由ＥＳＡ、ＣＥＲＮ和很多大学与研究机构合作的成果。蒙特卡罗程序ＳＨＩＥＬＤ［１５］是１９９４年由Ｄｅｍｅｎｔｙｅｖ和Ｓｏｂｏｌｅｖｓｋｙ基于俄罗斯著名的核反应模型推出的强子传输程序。
４空间放射量的测定
搭载在载人航天器上的用于辐射测定的探测器设备，按工作原理可以分为两类：无源探测器（Ｐａｓｓｉｖｅｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）和有源探测器（Ａｃｔｉｖｅｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）。
４．１无源探测器
无源探测器固有的优点是体积小、质量轻、安全、易操作及零功耗。由于这些优点，过去空间飞行辐射测量大多数使用的是无源探测器。无源探测器通常用于测量航天员所受的辐射，并且几乎每个航天员都配戴至少一个无源探测器。用于空间辐射测量的无源探测器主要有两类：热致发光探测器（ＴＬＤｓ）和固态核痕迹探
（ＳＳＮＴＤｓ）。测器
最广泛使用的ＴＬＤｓ有ＬｉＦ∶Ｍｇ，Ｔｉ，；ＬｉＦ∶Ｍｇ，Ｃｕ，Ｐ；Ａｌ２Ｏ３∶Ｃ和ＣａＳＯ４∶Ｄｙ等。ＴＬＤｓ探测器主要是测定带电粒子的吸收剂量，对于低ＬＥＴ粒子非常灵敏。它的缺点是不能提供ＬＥＴ信息，因此无法确定辐射剂量当量。此外，ＴＬＤｓ探测器记录高ＬＥＴ（大于１０ｋｅＶ\μｍ）粒子的辐射剂量效率很低，因而会低估总剂量［１６］。由于ＴＬＤｓ的探测效率随着ＬＥＴ的增加而变化，因此需要清楚地认识到ＴＬＤ探测器对不同ＬＥＴ粒子的探测效率。如果不考虑ＴＬ材料的测量变化效率，得到的吸收剂量会严重偏离实际情况。由布达佩斯ＫＦＫＩ原子能研究所研制的ＰｉｌｌｅＴＬＤ系统能够读出ＴＬＤｓ探测器的数据，并且在ＴＬＤｓ退火后能够重新使用。自从用在俄罗斯礼炮－７轨道站后，该系统广泛使用在其他俄罗斯航天器上。该系统的更新版本安装在ＩＳＳ上。
在痕迹探测器ＣＲ－３９出现之前，塑胶核痕迹探测器（ＰＮＴＤｓ），例如Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｎｉｔｒａｔｅ（ＣＮ）、ＬｅｘａｎＰｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ被广泛使用。第一次使用ＣＲ－３９ＰＮＴＤ是在１９８１年航天飞机的首次飞行，从那以后就成为ＰＮＴＤ探测器的首选。美国ＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｌａｓｔｉｃｓ公司生产的ＣＲ－３９探测器，材料厚度为６００μｍ，上面覆盖一层厚度约５０μｍ的塑料薄膜。ＰＮＴＤ既可以获得吸收剂量，也可以得到ＬＥＴ信息。ＣＲ－３９ＰＮＴＤ对超过５ｋｅＶ\μｍ的ＬＥＴ能谱非常灵敏，但是对更低ＬＥＴ能谱的灵敏度很差。因此，过去在航天器上，ＴＬＤ和ＣＲ－３９探测器通常是配合使用的。ＣＲ－３９探测器过去用在Ｍｉｒ空间站以及多次航天飞机任务（例如ＳＴＳ－４７，６５，７９，８４，８９，９１，１０８，１１２等）中，获得了大量宝贵的空间辐射数据。目前仍然在ＩＳＳ空间站上使用。
无源探测器主要缺点是不能够提供实时或时间分辨的数据。无源探测器，尤其是ＰＮＴＤｓ，数据处理很费时费力，而且数据分析处理都只能在地面进行。尽管它们有这些缺点，无源探测器很可能还会继续在空间辐
质量轻、零功耗和牢固可射探测领域扮演重要角色，因为还没有其他探测器具有它们的这些特点：体积小、
靠。（例如ＣＲ－３９）的主要优点之一是能够精确记录最高ＬＥＴ的粒子（约１０００ｋｅＶ\μｍ），只有少数ＰＮＴＤｓ
探测器才有这个能力。最近，一种新型探测器材料，即荧光晶体Ａｌ２Ｏ３∶Ｃ，Ｍｇ［１７］克服了其他无源探测器的很多
高欣等：空间辐射环境与测量４５
限制，而仍旧保留其优点，这使得无源探测器的应用前景仍然十分广阔。
４．２有源探测器
有源探测器的优点就是能够提供实时或时间分辨的数据，而且数据分析处理方便快捷。得益于微电子技术的进步，数据存储能力的增加和长寿命电池的出现，有源探测器现在发展得越来越适合在空间使用了。
ＮＡＳＡ约翰逊空间中心研制的等效生物组织比例计数器（ＪＳＣ－ＴＥＰＣ）［１８］是高５０．８ｍｍ、直径５０．８ｍｍ的
充有低压丙烷气体。探测器模拟１μｍ直径的生物细胞，连圆柱体，由１．９ｍｍ厚的等效生物组织塑料制成。
接到２５６通道模数转换器，对ＬＥＴ在０．２～１２５０．０ｋｅＶ>μｍ范围内的电离粒子很灵敏。２０．０ｋｅＶ>μｍ以下的分辨率是０．１ｋｅＶ>μｍ；２０．０ｋｅＶ>μｍ以上的分辨率是５．０ｋｅＶ>μｍ。从２０世纪９０年代初开始，在美国航天
剂量和剂量当量，都是由ＪＳＣ－ＴＥＰＣ测量飞机和俄罗斯Ｍｉｒ空间站获得的大部分有用数据，包括ＬＥＴ能谱、
得到的。
Ｍｉｒ空间站的辐射测量也使用Ｒ－１６辐射测量仪。Ｒ－１６是由２个互相垂直放置的圆柱形电离室组成的。
该仪器能测量的剂量率范围在２个电离室都是ＩＫ－５积分脉冲设计，充有纯净的Ａｒ气，压力达到４．５×１０５Ｐａ。
４～１０５μＧｙ>ｈ之间。灵敏度各向同性。在Ｍｉｒ空间站１５年历史的大部分时间里，使用Ｒ－１６获得了大量的日平均剂量率数据。目前，类似的仪器也在ＩＳＳ使用。
德国的ＤＯＳＴＥＬ（ＤＯＳｉｍｅｔｅｒＴＥＬｅｓｃｏｐｅ）是由Ｋｉｅｌ大３个不同的Ｓｉ基望远镜能谱仪已经在ＩＳＳ上运行。
（ＰＩＰＳ）学的Ｂｅａｕｊｅａｎ等设计的。该仪器包含２个相隔１５ｍｍ的钝化注入平面Ｓｉ探测器［１９］。每个探测器厚
该望远镜对ＬＥＴ范围在０．１～３１５μｍ，可测面积６９２ｍｍ２。１２０．０ｋｅＶ>μｍ的粒子敏感。ＤＯＳＴＥＬ在多次航天
飞机任务以及Ｅｕｒｏｍｉｒ－９７任务中使用。日本的实时辐射监视器（ＲＲＭＤ－ＩＩＩ）是由ＮＡＳＤＡＴｓｋｕｂａ空间中心研制。ＲＲＭＤ－ＩＩＩ由３个位置灵敏的Ｓｉ基探测器（ＰＳＤ）组成三元望远镜配置，以堆垛方式排列，相互间隔５ｍｍ。每个探测器厚５００μｍ，活性面积为４ｃｍ２。ＬＥＴ敏感范围在０．２～４００．０ｋｅＶ>μｍ之间。顶部和底部的ＰＳＤ作为触发器，中间的用于测量能量沉积。３个ＰＳＤｓ一起配合能提供入射粒子的角度信息，角度分辨率
。ＲＲＭＤ－ＩＩＩ及其早期版本ＲＲＭＤ－ＩＩ曾在几个航天飞机任务中使用过，目前搭载在ＩＳＳ的日本试验为３．２２°
舱。ＮＡＳＡ约翰逊空间中心的Ｂａｄｈｗａｒ研制的带电粒子取向能谱仪（ＣＰＤＳ）［２０］，包含３个１ｍｍ厚的Ｓｉ基探测器用于触发和异门，４个５ｍｍ厚的Ｓｉ基探测器用于测量能量沉积，以及１个Ｃｅｒｅｎｋｏｖ探测器和一个闪烁探测器。ＣＰＤＳ在几次航天飞机任务中使用，包括ＳＴＳ－４８，其中ＣＰＤＳ用来测量ＧＣＲｓ中低原子序数次级粒子的能谱。
有２种便携式Ｓｉ基探测器用于载人航天器舱内生活区的辐射测量。Ｌｉｕｌｉｎ便携式辐射测量仪是由电池供电的Ｓｉ基探测器，由保加利亚科学院的Ｄａｃｈｅｖ小组研制，首次使用是在１９８９年的Ｍｉｒ空间站上［２１］。Ｌｉｕｌｉｎ测量仪包含１个Ｌｉ漂移Ｓｉ基探测器，该探测器活性面积为０．５ｃｍ２，厚度为３００μｍ。ＬＥＴ敏感范围大约在０．１～７０．０ｋｅＶ>μｍ之间。在１９８９年的ＳＰＥ事件期间，Ｌｉｕｌｉｎ测量仪正搭载在Ｍｉｒ空间站上，获得了迄今为止在大规模ＳＰＥ事件中最好的剂量率数据。ＮＡＳＡ约翰逊空间中心的Ｂａｄｈｗａｒ小组研制了１种小型的Ｓｉ二极管辐射测量仪，也用在ＩＳＳ上。
近年来，有源探测器的种类越来越多，但是用作个人辐射探测，它们还是显得太大、太笨重。例如德国的ＤＯＳＴＥＬ，其体积７ｃｍ×７ｃｍ×１０ｃｍ，重０．５７ｋｇ。因此，有源探测器普遍被固定安装在航天器生活舱内部，Ｌｉｕｌｉｎ探测器是一个例外。然而，便携式有源探测器不能够测量高ＬＥＴ的粒子，因而系统上会低估剂量当量。
无源和有源探测器的使用获得了大量空间辐射的数据，然而它们仍然存在很多不足，主要就是中子放射
例如，当粒子的ＬＥＴ大于１００ｋｅＶ>μｍ时，ＣＲ－３９ＰＮＴＤ量的测定，而且不同设备测量的结果很难相互比较。
测量到的信号明显高于ＪＳＣ－ＴＥＰＣ测量到的。这被归因于２种探测器的原子组分不同，因而产生的次级粒子能谱也不同。目前，日本国家核辐射研究所正在研究用ＨＩＭＡＣ重离子加速器进行基于地面的相互标定工作。５空间辐射环境监测器
本节介绍其他一些重要的空间辐射环境监测任务。
由ＥＳＡ和ＮＡＳＡ共同研制的用来研究太阳结构、化学成分和太阳动态以及太阳大气和太阳ＳＯＨＯ卫星。
４６真空与低温第１３卷第１期风的卫星，于１９９５年１２月发射。当太阳没２个粒子探测装置在太阳粒子事件期间，记录快速移动的粒子流。有产生能量粒子时，监测来自银河系的连续能量粒子。
标准辐射环境监测器ＳＲＥＭ。ＳＲＥＭ是ＲＥＭ的继任者，于１９９７年发射，能以一定的角度与光谱精度来测量空间高能电子和质子。目前，ＳＲＥＭ已经成为ＳＲＥＭ搭载于Ｓｔｒｖ－１ｃ、Ｐｒｏｂａ、Ｉｎｔｅｇｒａｌ、Ｒｏｓｅｔｔａ等多项任务。
一个标准装置，可以与所有普通航天器接口兼容并适应各种任务约束。
阿根廷空间局ＣＯＮＡＥ和ＮＡＳＡ共同研制，２０００年１１阿根廷地球观测卫星ＳＡＣ－Ｃ。ＳＡＣ－Ｃ是由ＣＮＥＳ、
月发射。为太阳同步轨道极轨卫星，轨道高度７３０ｋｍ，轨道倾角９８°。搭载的ＩＣＡＲＥ装置用来监测空间辐射环境并测量各种电路的相关效应。
火星辐射环境探测器ＭＡＲＩＥ［２２］。ＭＡＲＩＥ是２００１火星奥德赛（Ｏｄｙｓｓｅｙ）轨道器的有效载荷之一，是由
洛克西德－马丁公司和Ｂａｔｔｅｌｌｅ共同研制的。已于２００１年４月７日发射，同年１０月进入ＮＡＳＡ约翰逊中心、
火星轨道。ＭＡＲＩＥ的主要目的是探测火星辐射环境特征以及确定该辐射环境对载人飞行存在的风险，为未来火星载人探测任务设计提供依据。
资源卫星和神舟飞船搭载的高能粒子探测器［２３］。资源一号卫星的星内粒子探测器是由北京大学和中国
于１９９９年１０月１４日发射升空，运空间技术研究院共同研制，用于监测卫星内部高能粒子辐射环境的仪器。
行在太阳同步轨道，轨道高度在７８０ｋｍ左右，倾角９８．５°。星内粒子探测器可以探测高能质子和电子，其中电子探头可探测０．５～２．０ＭｅＶ和大于２．０ＭｅＶ的２个能档的电子，质子探头可探测５～３０ＭｅＶ和３０～６０ＭｅＶ的２个能档的质子。由中科院高能物理所研制的空间“Ｘ射线探测器”是神舟号系列空间天文所用的探测器，是为观测宇宙γ暴和太阳耀斑Ｘ射线而设计的。该探测器于２００１年１月１０日随神舟二号飞船发射升空，直至６月２６号飞船完成使命，在轨运行近半年，探测器工作稳定。
６结束语
我国在空间辐射环境探测研究领域，无论从探测器技术水平，还是从探测器飞行验证次数及获得的数据可靠性方面，都与国外存在很大的差距。尽管国外在空间辐射研究领域取得了巨大的成就，然而，他们并没有放松这方面的研究工作。２００６年８月，ＮＡＳＡ发布了新的研究项目，用于研究近地空间辐射环境，目的是探索太阳活动引起的空间磁暴如何影响地球辐射带的变化。这些环境因素对航天员、卫星和飞越极区的高空飞行器都有很大的危害。在未来，会有更多的人在太空度过更长的时间，空间辐射测量现在比以往任何时候都更重要。空间辐射测量领域仍然有待进一步的发展。
参考文献：
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本刊编辑部
第１３卷第１期
２００７年０３月真空与低温Ｖａｃｕｕｍ＆Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ４１
空间辐射环境与测量
高欣，杨生胜，牛小乐，王云飞
甘肃兰州（兰州物理研究所，真空低温技术与物理国家级重点实验室，
摘７３００００）要：空间辐射对载人空间探索造成巨大的风险，而且对空间任务的设计也提出了诸多限制条件。评述了低地
轨道与地球磁层之外的空间辐射环境的来源和组成，以及模拟空间环境效应的各种分析方法的发展情况。介绍了空
间辐射测量的各种方法。
关键词：ＬＥＯ；空间环境；空间辐射测量
中图分类号：Ｐ３５３．４文献标识码：Ａ文章编号：１００６－７０８６（２００７）０１－００４１－０７
ＳＰＡＣＥＲＡＤＩＡＴＩＯＮＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＳＡＮＤＤＯＳＩＭＥＴＲＹ
ＧＡＯＸｉｎ，ＹＡＮＧＳｈｅｎｇ－ｓｈｅｎｇ，ＮＩＵＸｉａｏ－ｌｅ，ＷＡＮＧＹｕｎ－ｆｅｉ
（ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂ．ｏｆＶａｃｕｕｍ＆ＣｒｙｏｇｅｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，
ＬａｎｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｎａｔｕｒａｌｒａｄｉａｔｉｏｎｓｉｍｐｏｓｅｈａｚａｒｄｓｔｏｍａｎｎｅｄｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，ｂｕｔａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｓｏｍｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｔｏｔ－
ｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｐａｃｅｍｉｓｓｉｏｎｓ．ＴｈｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｐａｃｅｒａｄｉａｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎＬＥＯａｓｗｅｌｌａｓｂｅ－
ｓｍａｇｎｅｔｏｓｐｈｅｒｅａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｏｏｌｓｆｏｒａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｐａｃｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅ－ｙｏｎｄｔｈｅＥａｒｔｈ′
ｎｔｅｆｆｅｃｔｓａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｓｐａｃｅｄｏｓｉｍｅｔｒｙｍｅｔｈｏｄｓｉｓａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＥＯ；ｓｐａｃｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ｓｐａｃｅｄｏｓｉｍｅｔｒｙ
１引言
对于低地轨道（ＬＥＯ）的航天器，例如航天飞机和国际空间站（ＩＳＳ）或者离开地球磁层的空间飞行器，
３］航天员与舱内设备都面临着空间电离辐射的严重危险［１～，其受到的辐射程度远远超出了在地面上受到的辐
射。尽管３０多年的载人太空飞行积累了大量的空间辐射数据，但仍然不能完全确定航天员在太空中所受到
太阳活动周期的特定阶段、太阳的辐射风险。这主要是由于空间辐射环境的复杂性，例如航天任务持续时间、
粒子事件的次数和强度、防护层情况以及低地轨道高度和倾角等因素都会产生不同的辐射影响。因而，空间辐射测量工作仍然是辐射防护领域面临的最大挑战之一。空间辐射测量的数据可以作为航天器工程设计的参考，以减少空间辐射影响，从而更好地保护航天员的安全。
２电离辐射来源
在ＬＥＯ轨道，电离辐射的来源主要有３种：（１）太阳粒子事件（ＳＰＥｓ）；（２）银河系宇宙射线（ＧＣＲｓ）；（３）地球磁场捕获的荷能电子和质子，组成地球的辐射带（ＥＲＢｓ）。
２．１太阳粒子事件
电离辐射的一个主要来源是在太阳耀斑和日冕物质抛射（ＣＭＥ）期间由太阳发射出的几乎完全电离的收稿日期：２００６－０７－１７．
作者简介：高欣（１９７２－），男，内蒙古自治区乌前旗人，高级工程师，博士，从事空间环境研究。
４２真空与低温第１３卷第１期等离子体，包括质子、电子和原子序数直到铁的重离子。这种等离子体流也叫太阳风，其导电性很强，在太阳系中形成行星际磁场（ＩＭＦ）。从空间辐射健康角度看，我们最关心的是质子，这是由于质子所占比例大及高能量。这样的太阳粒子事件主要集中在太阳１１年周期的太阳活动极大年期间，而在太阳活动极小年发生次
通量大于数相对较少。太阳粒子事件有不同的定义，主要区别是质子通量不同。把质子能量大于３０ＭｅＶ、
１０６ｃｍ－２或３×１０６ｃｍ－２或１０７ｃｍ－２的事件叫太阳粒子事件。ＳＰＥｓ事件发生的频率不固定，但在一个太阳周期大约发生５０次左右。严重的太阳粒子事件是指质子能量大于３０ＭｅＶ、通量大于１０１０ｃｍ－２的事件。这样大规模的事件一个周期大约会发生一二次。有记录的最大的ＳＰＥｓ事件之一发生在１９７２年８月，恰好发生在阿波
（Ａｐｏｌｌｏ）执行月球任务间隙。如果在此事件期间，Ａｐｏｌｌｏ飞船处在往返月球途中，航天员罗１６和阿波罗１７
很可能会遭受致命的急性辐射疾病［３］。
２．２银河系宇宙射线
银河系宇宙射线是来自太阳系以外的带电粒子，在整个行星际空间的分布被认为是相对稳定、各向同性的。ＧＣＲｓ粒子的能谱范围很宽，在几十到１０１２ＭｅＶ之间。如果不考虑地球磁场的影响，能量越高的粒子，其通量也越低。在太阳系，ＧＣＲｓ粒子的能谱峰值在１ＧｅＶ左右。ＧＣＲｓ包含９８％的质子和重离子及２％的正负电子。高能重离子（ＨＺＥ），尤其是相对富含的铁离子具有很高的线性能量传递（ＬＥＴ）和很强的穿透性，其辐射损伤能力非常强。能量在１ＧｅＶ以下的ＧＣＲｓ粒子通量受到太阳活动周期的影响。在太阳活动极大年，太阳风最强，ＩＭＦ磁场也最强，此时通量被削弱的程度最大；在太阳活动极小年，通量被削弱的程度最小。
在赤道附近地磁磁场线平行于地球表面，大部分带电荷能粒子被地磁场所偏转。而在地磁场的南北极，由于磁场线垂直于地球表面，高纬度的ＧＣＲｓ粒子就能沿着磁力线进入两极。因此，ＬＥＯ航天器在通过两极时受到的ＧＣＲｓ辐射通量最大，在赤道时最小。
２．３地球的捕获辐射带
这些带电粒子地球被近似同心圆的２个带电粒子辐射带包围，称作范艾伦辐射带或地球的捕获辐射带。
捕获粒子主要是电子和质子，还有很少量的离子。被地球磁场俘获，运动轨迹非常复杂。２个捕获辐射带之间
是辐射强度很低的槽区，如图１所示。
２．３．１外部辐射带
外部辐射带主要是由荷能电子组成，在２．８
到１２．０倍地球半径的范围内。电子能量最大到
外辐射带的电子通量比内辐射带的高１０ＭｅＶ。
一个数量级。由于大部分电子的能量很低（小
于１０ＭｅＶ，韧致辐射很明显），对航天器外部
的设备会有影响（例如太阳能电池性能下降），
但对于有重防护层的航天器内部影响很小（例
如ＩＳＳ）。此外，电子通量最强的外部辐射带远
远高于ＬＥＯ轨道，这使得捕获电子对航天员的
“极角”下降很低，这对高倾角健康影响很小。然而，从图１可以看出，在地球的南北地区，外部辐射带的２个
轨道的航天器会有影响，尤其是在受到太阳活动干扰而导致“极角”高度下降的情况下。
２．３．２内部辐射带
内部辐射带主要是捕获质子，也有少量的电子和离子，延伸到大约２．４倍地球半径距离处。质子能量范围从几兆到几百兆电子伏，其峰值较宽，在１５０～２５０ＭｅＶ。由于质子辐射带高度较低，受到太阳风的干扰很小，因此相对较稳定。大多数捕获的质子所处的高度位于ＩＳＳ这样的航天器轨道之上。
在地球附近，地磁场可以近似看成是球形的偶极子磁场。然而，由于地磁场的中心轴线与地球自转轴线并不平行（偏移１１°），使得地磁场中心与地球的地理中心偏离超过５００ｋｍ，因此造成地磁场相对于地球表
其面并不对称。在地球的一侧，内部辐射带距地表高度在１２００～１３００ｋｍ，而在另一侧下降到２００～８００ｋｍ。
结果就是在南大西洋距离巴西海岸线２００～３００ｋｍ处形成一个磁场强度低而辐射强度极高的区域，
叫南大
高欣等：空间辐射环境与测量４３
西洋异常区（ＳｏｕｔｈＡｔｌａｎｔｉｃＡｎｏｍａｌｙ，ＳＡＡ）。其中心约位于西经４５°，南纬３０°，异常区的整体尺度延伸到很大的范围，并且ＳＡＡ区域的边界是随高度而变化的。图２给出的是在距地面约５６０ｋｍ高度处ＳＡＡ区域的轮廓图。ＳＡＡ区域的地磁场显著地下降并接近地球表面，捕获的质子带的高度也相应下降，与低轨道航天器的轨道相交，质子通量随高度增加。对于高度在大约８００ｋｍ以下，倾角在大约４０°以下的ＬＥＯ轨道的航天器，所受到的唯一的最重要的辐射就是来自ＳＡＡ区。
图２距地面约５６０ｋｍ高度处ＳＡＡ区域的轮廓图
２．４次级辐射粒子
对于原初粒子的低能组分，航天器防护层可有效减少其对航天器内部的辐射。然而，对于高能原初粒子，航天器内部的辐射有可能随着防护层厚度的增加而增加。这是由于高能原初粒子（主要是质子和离子）的一部分会与航天器自身材料的原子核发生相互作用，从而产生次级粒子，导致内部辐射增加。２种类型的核相互作用最为重要：（１）靶物质核碎片。当高能带电原初粒子（捕获的质子或ＧＣＲ质子），与航天器材料的重核（例如铝核），或者与航天员身体的Ｃ或Ｏ原子核发生碰撞，产生２个或更多的次级粒子，包括撞出的中子、质子和α粒子，以及弹出的重核。（２）弹核碎片。当一个ＨＺＥ粒子与靶核碰撞时，除了产生高能质子和中子之外，也能产生更大的弹核碎片。这些弹核碎片保留了大部分原初ＨＺＥ粒子的动能。
对于ＩＳＳ类型的轨道（５１．５６°倾角，约４５０ｋｍ高度），中子对航天员总剂量当量的贡献范围估计在３０％～６０％之间［４］。在ＬＥＯ轨道，航天员的中子剂量当量的主要来源就是次级中子。
３空间辐射环境模型
在过去几十年，大量的空间辐射测量数据的获得，使得空间辐射环境模型得到了很大的发展。这些模型反过来对空间辐射的探测起到了巨大的推动作用，目前已经成为研究空间辐射环境必不可少的工具。现在可以利用几个Ｗｅｂ站点对空间辐射环境进行模拟和计算，例如ＳＰＥＮＶＩＳ［５］、ＣＲＥＭＥ９６［６］和ＳＩＲＥＳＴ［７］，其中ＳＰＥＮＶＩＳ网站是事实上的空间环境分析综合工具的Ｗｅｂ基框架标准。
３．１ＳＰＥｓ模型
历史上的ＳＰＥｓ事件参数可以从参考文献［８］得到。一般来说，ＳＰＥｓ粒子通量是随机性的，因此必须用统计的方法进行处理。常用的模型有Ｋｉｎｇ、ＪＰＬ－９１和ＥＳＰ，这些模型都可以从ＳＰＥＮＶＩＳ和ＣＲＥＭＥ９６网站获得。
３．２ＧＣＲｓ模型
关于计算ＧＣＲｓ通量的模型，早期的ＣＲＥＭＥ模型已经被更新的模型取代，包括Ｂａｄｈｗａｒ和Ｏ′Ｎｅｉｌｌ模型［９］（包含在ＳＩＲＥＳＴ程序中）及Ｎｙｍｍｉｋ模型［１０］（包含在ＣＲＥＭＥ９６程序中）。这些新的模型是基于太阳调制作用的扩散和对流理论。对于太阳活动极大年和极小年的ＧＣＲｓ质子通量峰值，ＳＩＲＥＳＴ程序预测的要比ＣＲＥＭＥ９６程序预测的高３倍。原因尚不清楚，部分原因可能是二者使用不同的地磁场函数。
３．３ＥＲＢｓ模型
ＥＲＢｓ模型现在主要还是基于ＮＡＳＡ的静态ＡＥ－８电子和ＡＰ－８质子［１１］模型，这也是事实上的标准模型。其中ＡＰ８模型有２个版本，即ＡＰ８－ＭＩＮ和ＡＰ８－ＭＡＸ，分别用于模拟太阳活动极小年和极大年的质子辐射带。这２个版本的模型都是全向模型，即它们只能提供所有方向的平均统计质子通量谱，而不能给出各向异
４４真空与低温第１３卷第１期性的结果。其他质子全向模型还有ＰＳＢ９７、ＣＲＲＥＳＰＲＯ和ＮＯＡＡＰＲＯ。这些模型也可从ＳＰＥＮＶＩＳ网站得到。
模型所基于的ＡＰ８能模拟所有高度和倾角的轨道的质子能谱，然而会低估较低高度处的高能质子通量。
高能质子测量数据也比较缺乏。此外在较低高度处，ＡＰ８模型主要基于外推的结果。ＰＳＢ９７模型能模拟在太阳活动极小年期间，轨道低于约６００ｋｍ的质子能谱。ＣＲＲＥＳＰＲＯ模型被应用在太阳活动极大年期间，质子能量范围直到１００ＭｅＶ、高度在１０００ｋｍ以上的任意倾角轨道的质子通量谱。ＮＯＡＡＰＲＯ模型能模拟太阳
大于３６ＭｅＶ和大于８０ＭｅＶ，轨道高度直活动周期任意期间的３个能量范围的积分通量谱，大于１６ＭｅＶ、
到８５０ｋｍ。该模型仅在美国可得到。
能够预测质子各向异性通量谱的模型是“Ｂａｄｈｗａｒ＆Ｋｏｎｒａｄｉ１９９０”模型［１２］。
３．４次级粒子模型
次级粒子模型一般采用蒙特卡罗方法或者通过解玻尔兹曼方程（Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ）来建立。最近ＮＡＳＡ发起并组织多所大学和研究机构，以进一步发展如下几种辐射粒子在物质中的输运模型及其代码，它们是ＨＥＴＣ蒙特卡罗代码、ＦＬＵＫＡ蒙特卡罗代码和ＨＺＥＴＲＮ代码［１３］。其中ＨＺＥＴＲＮ代码是基于解一维玻尔兹曼方程。
Ｇｅａｎｔ４［１４］是基于３Ｄ蒙特卡罗方法的通用粒子输运工具箱，是由ＥＳＡ、ＣＥＲＮ和很多大学与研究机构合作的成果。蒙特卡罗程序ＳＨＩＥＬＤ［１５］是１９９４年由Ｄｅｍｅｎｔｙｅｖ和Ｓｏｂｏｌｅｖｓｋｙ基于俄罗斯著名的核反应模型推出的强子传输程序。
４空间放射量的测定
搭载在载人航天器上的用于辐射测定的探测器设备，按工作原理可以分为两类：无源探测器（Ｐａｓｓｉｖｅｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）和有源探测器（Ａｃｔｉｖｅｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）。
４．１无源探测器
无源探测器固有的优点是体积小、质量轻、安全、易操作及零功耗。由于这些优点，过去空间飞行辐射测量大多数使用的是无源探测器。无源探测器通常用于测量航天员所受的辐射，并且几乎每个航天员都配戴至少一个无源探测器。用于空间辐射测量的无源探测器主要有两类：热致发光探测器（ＴＬＤｓ）和固态核痕迹探
（ＳＳＮＴＤｓ）。测器
最广泛使用的ＴＬＤｓ有ＬｉＦ∶Ｍｇ，Ｔｉ，；ＬｉＦ∶Ｍｇ，Ｃｕ，Ｐ；Ａｌ２Ｏ３∶Ｃ和ＣａＳＯ４∶Ｄｙ等。ＴＬＤｓ探测器主要是测定带电粒子的吸收剂量，对于低ＬＥＴ粒子非常灵敏。它的缺点是不能提供ＬＥＴ信息，因此无法确定辐射剂量当量。此外，ＴＬＤｓ探测器记录高ＬＥＴ（大于１０ｋｅＶ\μｍ）粒子的辐射剂量效率很低，因而会低估总剂量［１６］。由于ＴＬＤｓ的探测效率随着ＬＥＴ的增加而变化，因此需要清楚地认识到ＴＬＤ探测器对不同ＬＥＴ粒子的探测效率。如果不考虑ＴＬ材料的测量变化效率，得到的吸收剂量会严重偏离实际情况。由布达佩斯ＫＦＫＩ原子能研究所研制的ＰｉｌｌｅＴＬＤ系统能够读出ＴＬＤｓ探测器的数据，并且在ＴＬＤｓ退火后能够重新使用。自从用在俄罗斯礼炮－７轨道站后，该系统广泛使用在其他俄罗斯航天器上。该系统的更新版本安装在ＩＳＳ上。
在痕迹探测器ＣＲ－３９出现之前，塑胶核痕迹探测器（ＰＮＴＤｓ），例如Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｎｉｔｒａｔｅ（ＣＮ）、ＬｅｘａｎＰｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ被广泛使用。第一次使用ＣＲ－３９ＰＮＴＤ是在１９８１年航天飞机的首次飞行，从那以后就成为ＰＮＴＤ探测器的首选。美国ＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｌａｓｔｉｃｓ公司生产的ＣＲ－３９探测器，材料厚度为６００μｍ，上面覆盖一层厚度约５０μｍ的塑料薄膜。ＰＮＴＤ既可以获得吸收剂量，也可以得到ＬＥＴ信息。ＣＲ－３９ＰＮＴＤ对超过５ｋｅＶ\μｍ的ＬＥＴ能谱非常灵敏，但是对更低ＬＥＴ能谱的灵敏度很差。因此，过去在航天器上，ＴＬＤ和ＣＲ－３９探测器通常是配合使用的。ＣＲ－３９探测器过去用在Ｍｉｒ空间站以及多次航天飞机任务（例如ＳＴＳ－４７，６５，７９，８４，８９，９１，１０８，１１２等）中，获得了大量宝贵的空间辐射数据。目前仍然在ＩＳＳ空间站上使用。
无源探测器主要缺点是不能够提供实时或时间分辨的数据。无源探测器，尤其是ＰＮＴＤｓ，数据处理很费时费力，而且数据分析处理都只能在地面进行。尽管它们有这些缺点，无源探测器很可能还会继续在空间辐
质量轻、零功耗和牢固可射探测领域扮演重要角色，因为还没有其他探测器具有它们的这些特点：体积小、
靠。（例如ＣＲ－３９）的主要优点之一是能够精确记录最高ＬＥＴ的粒子（约１０００ｋｅＶ\μｍ），只有少数ＰＮＴＤｓ
探测器才有这个能力。最近，一种新型探测器材料，即荧光晶体Ａｌ２Ｏ３∶Ｃ，Ｍｇ［１７］克服了其他无源探测器的很多
高欣等：空间辐射环境与测量４５
限制，而仍旧保留其优点，这使得无源探测器的应用前景仍然十分广阔。
４．２有源探测器
有源探测器的优点就是能够提供实时或时间分辨的数据，而且数据分析处理方便快捷。得益于微电子技术的进步，数据存储能力的增加和长寿命电池的出现，有源探测器现在发展得越来越适合在空间使用了。
ＮＡＳＡ约翰逊空间中心研制的等效生物组织比例计数器（ＪＳＣ－ＴＥＰＣ）［１８］是高５０．８ｍｍ、直径５０．８ｍｍ的
充有低压丙烷气体。探测器模拟１μｍ直径的生物细胞，连圆柱体，由１．９ｍｍ厚的等效生物组织塑料制成。
接到２５６通道模数转换器，对ＬＥＴ在０．２～１２５０．０ｋｅＶ>μｍ范围内的电离粒子很灵敏。２０．０ｋｅＶ>μｍ以下的分辨率是０．１ｋｅＶ>μｍ；２０．０ｋｅＶ>μｍ以上的分辨率是５．０ｋｅＶ>μｍ。从２０世纪９０年代初开始，在美国航天
剂量和剂量当量，都是由ＪＳＣ－ＴＥＰＣ测量飞机和俄罗斯Ｍｉｒ空间站获得的大部分有用数据，包括ＬＥＴ能谱、
得到的。
Ｍｉｒ空间站的辐射测量也使用Ｒ－１６辐射测量仪。Ｒ－１６是由２个互相垂直放置的圆柱形电离室组成的。
该仪器能测量的剂量率范围在２个电离室都是ＩＫ－５积分脉冲设计，充有纯净的Ａｒ气，压力达到４．５×１０５Ｐａ。
４～１０５μＧｙ>ｈ之间。灵敏度各向同性。在Ｍｉｒ空间站１５年历史的大部分时间里，使用Ｒ－１６获得了大量的日平均剂量率数据。目前，类似的仪器也在ＩＳＳ使用。
德国的ＤＯＳＴＥＬ（ＤＯＳｉｍｅｔｅｒＴＥＬｅｓｃｏｐｅ）是由Ｋｉｅｌ大３个不同的Ｓｉ基望远镜能谱仪已经在ＩＳＳ上运行。
（ＰＩＰＳ）学的Ｂｅａｕｊｅａｎ等设计的。该仪器包含２个相隔１５ｍｍ的钝化注入平面Ｓｉ探测器［１９］。每个探测器厚
该望远镜对ＬＥＴ范围在０．１～３１５μｍ，可测面积６９２ｍｍ２。１２０．０ｋｅＶ>μｍ的粒子敏感。ＤＯＳＴＥＬ在多次航天
飞机任务以及Ｅｕｒｏｍｉｒ－９７任务中使用。日本的实时辐射监视器（ＲＲＭＤ－ＩＩＩ）是由ＮＡＳＤＡＴｓｋｕｂａ空间中心研制。ＲＲＭＤ－ＩＩＩ由３个位置灵敏的Ｓｉ基探测器（ＰＳＤ）组成三元望远镜配置，以堆垛方式排列，相互间隔５ｍｍ。每个探测器厚５００μｍ，活性面积为４ｃｍ２。ＬＥＴ敏感范围在０．２～４００．０ｋｅＶ>μｍ之间。顶部和底部的ＰＳＤ作为触发器，中间的用于测量能量沉积。３个ＰＳＤｓ一起配合能提供入射粒子的角度信息，角度分辨率
。ＲＲＭＤ－ＩＩＩ及其早期版本ＲＲＭＤ－ＩＩ曾在几个航天飞机任务中使用过，目前搭载在ＩＳＳ的日本试验为３．２２°
舱。ＮＡＳＡ约翰逊空间中心的Ｂａｄｈｗａｒ研制的带电粒子取向能谱仪（ＣＰＤＳ）［２０］，包含３个１ｍｍ厚的Ｓｉ基探测器用于触发和异门，４个５ｍｍ厚的Ｓｉ基探测器用于测量能量沉积，以及１个Ｃｅｒｅｎｋｏｖ探测器和一个闪烁探测器。ＣＰＤＳ在几次航天飞机任务中使用，包括ＳＴＳ－４８，其中ＣＰＤＳ用来测量ＧＣＲｓ中低原子序数次级粒子的能谱。
有２种便携式Ｓｉ基探测器用于载人航天器舱内生活区的辐射测量。Ｌｉｕｌｉｎ便携式辐射测量仪是由电池供电的Ｓｉ基探测器，由保加利亚科学院的Ｄａｃｈｅｖ小组研制，首次使用是在１９８９年的Ｍｉｒ空间站上［２１］。Ｌｉｕｌｉｎ测量仪包含１个Ｌｉ漂移Ｓｉ基探测器，该探测器活性面积为０．５ｃｍ２，厚度为３００μｍ。ＬＥＴ敏感范围大约在０．１～７０．０ｋｅＶ>μｍ之间。在１９８９年的ＳＰＥ事件期间，Ｌｉｕｌｉｎ测量仪正搭载在Ｍｉｒ空间站上，获得了迄今为止在大规模ＳＰＥ事件中最好的剂量率数据。ＮＡＳＡ约翰逊空间中心的Ｂａｄｈｗａｒ小组研制了１种小型的Ｓｉ二极管辐射测量仪，也用在ＩＳＳ上。
近年来，有源探测器的种类越来越多，但是用作个人辐射探测，它们还是显得太大、太笨重。例如德国的ＤＯＳＴＥＬ，其体积７ｃｍ×７ｃｍ×１０ｃｍ，重０．５７ｋｇ。因此，有源探测器普遍被固定安装在航天器生活舱内部，Ｌｉｕｌｉｎ探测器是一个例外。然而，便携式有源探测器不能够测量高ＬＥＴ的粒子，因而系统上会低估剂量当量。
无源和有源探测器的使用获得了大量空间辐射的数据，然而它们仍然存在很多不足，主要就是中子放射
例如，当粒子的ＬＥＴ大于１００ｋｅＶ>μｍ时，ＣＲ－３９ＰＮＴＤ量的测定，而且不同设备测量的结果很难相互比较。
测量到的信号明显高于ＪＳＣ－ＴＥＰＣ测量到的。这被归因于２种探测器的原子组分不同，因而产生的次级粒子能谱也不同。目前，日本国家核辐射研究所正在研究用ＨＩＭＡＣ重离子加速器进行基于地面的相互标定工作。５空间辐射环境监测器
本节介绍其他一些重要的空间辐射环境监测任务。
由ＥＳＡ和ＮＡＳＡ共同研制的用来研究太阳结构、化学成分和太阳动态以及太阳大气和太阳ＳＯＨＯ卫星。
４６真空与低温第１３卷第１期风的卫星，于１９９５年１２月发射。当太阳没２个粒子探测装置在太阳粒子事件期间，记录快速移动的粒子流。有产生能量粒子时，监测来自银河系的连续能量粒子。
标准辐射环境监测器ＳＲＥＭ。ＳＲＥＭ是ＲＥＭ的继任者，于１９９７年发射，能以一定的角度与光谱精度来测量空间高能电子和质子。目前，ＳＲＥＭ已经成为ＳＲＥＭ搭载于Ｓｔｒｖ－１ｃ、Ｐｒｏｂａ、Ｉｎｔｅｇｒａｌ、Ｒｏｓｅｔｔａ等多项任务。
一个标准装置，可以与所有普通航天器接口兼容并适应各种任务约束。
阿根廷空间局ＣＯＮＡＥ和ＮＡＳＡ共同研制，２０００年１１阿根廷地球观测卫星ＳＡＣ－Ｃ。ＳＡＣ－Ｃ是由ＣＮＥＳ、
月发射。为太阳同步轨道极轨卫星，轨道高度７３０ｋｍ，轨道倾角９８°。搭载的ＩＣＡＲＥ装置用来监测空间辐射环境并测量各种电路的相关效应。
火星辐射环境探测器ＭＡＲＩＥ［２２］。ＭＡＲＩＥ是２００１火星奥德赛（Ｏｄｙｓｓｅｙ）轨道器的有效载荷之一，是由
洛克西德－马丁公司和Ｂａｔｔｅｌｌｅ共同研制的。已于２００１年４月７日发射，同年１０月进入ＮＡＳＡ约翰逊中心、
火星轨道。ＭＡＲＩＥ的主要目的是探测火星辐射环境特征以及确定该辐射环境对载人飞行存在的风险，为未来火星载人探测任务设计提供依据。
资源卫星和神舟飞船搭载的高能粒子探测器［２３］。资源一号卫星的星内粒子探测器是由北京大学和中国
于１９９９年１０月１４日发射升空，运空间技术研究院共同研制，用于监测卫星内部高能粒子辐射环境的仪器。
行在太阳同步轨道，轨道高度在７８０ｋｍ左右，倾角９８．５°。星内粒子探测器可以探测高能质子和电子，其中电子探头可探测０．５～２．０ＭｅＶ和大于２．０ＭｅＶ的２个能档的电子，质子探头可探测５～３０ＭｅＶ和３０～６０ＭｅＶ的２个能档的质子。由中科院高能物理所研制的空间“Ｘ射线探测器”是神舟号系列空间天文所用的探测器，是为观测宇宙γ暴和太阳耀斑Ｘ射线而设计的。该探测器于２００１年１月１０日随神舟二号飞船发射升空，直至６月２６号飞船完成使命，在轨运行近半年，探测器工作稳定。
６结束语
我国在空间辐射环境探测研究领域，无论从探测器技术水平，还是从探测器飞行验证次数及获得的数据可靠性方面，都与国外存在很大的差距。尽管国外在空间辐射研究领域取得了巨大的成就，然而，他们并没有放松这方面的研究工作。２００６年８月，ＮＡＳＡ发布了新的研究项目，用于研究近地空间辐射环境，目的是探索太阳活动引起的空间磁暴如何影响地球辐射带的变化。这些环境因素对航天员、卫星和飞越极区的高空飞行器都有很大的危害。在未来，会有更多的人在太空度过更长的时间，空间辐射测量现在比以往任何时候都更重要。空间辐射测量领域仍然有待进一步的发展。
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