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卫星内部的高能电子探测对工程应用、空间辐射效应研究和空间环境研究都有重要意义。粒子辐射探测器(PRD)搭载在中巴“资源一号”卫星01和02星上(CBERS-1和CBERS-2),包括电子和质子两个探头,为空间环境探测做出重大贡献,验证了卫星星内辐射环境同星外辐射环境的相关性,推动了星内星外空间辐射环境的关系研究。
本文首先总结了星内电子辐射环境监测存在的几个难题:第一,辐射源标定和加速器标定实验在精度控制、全面性和高昂的费用三方面存在困难;第二,仪器几何因子的解析计算中存在一些前提条件,但这些条件对几何因子的计算结果的影响并不清楚;第三,卫星蒙皮联系星内星外电子辐射环境,它对入射电子的能损、以及它对星内辐射环境的影响还不完全清楚。
本文引入蒙特卡罗工具包Geant4研究上述问题。蒙特卡罗方法的优点在于其适合处理随机过程、复杂度和耦合自由度较高的问题。Geant4相对于其他粒子输运软件的优点在于自由度更大、可输出的信息更为丰富。本文介绍了蒙特卡罗方法的基本思想、伪随机数产生器、随机变量的抽样以及蒙特卡罗方法的应用情况;并详细介绍了Geant4工具包的功能、基本结构以及在空间科学中的应用。
本文考虑在单能电子和连续电子谱入射两种情况下,卫星蒙皮对星内辐射环境的影响。计算得到卫星蒙皮蜂窝结构、1mm铝和2mm铝三种结构对单能入射电子的能损、星内次级粒子比例和光子比例,结果表明卫星蒙皮结构和1mm铝对电子的能损在多数能段差别在20%以内,而且两种结构获得的次级粒子比例和光子占次级粒子的比例几乎一致;2mm铝同前两种结构的相对差别在三方面分析中均超过50%。利用单能电子的电子计数,计算得到星内电子能档边界0.5MeV和2 MeV分别对应星外1.02 MeV和2.52 MeV;比较发现,多数情况下,星内能档积分通量比星外相应能档通量小超过40%以上;而星内电子谱相对星外电子谱要更硬一些,表现在星内高能档积分通量同低能档积分通量的比值要比星外相应比值要高出20%以上。
仿真计算采用两种策略计算了PRD电子探头的几何因子,但都采用AE-8辐射带电子模型计算电子辐射源。第一种方法采用分方向模拟,最后沿入射角积分的方法,计算高能档和低能档的几何因子分别为1.15cm2·sr和0.70cm2·sr;第二种方法则采用一次性整体模拟,计算高能档和低能档的几何因子分别为了1.36cm2·sr和0.71cm2·sr。