2022年9月至10月期间，由ARMAS飞行模块9上的Liulin-SET光谱仪测量的国际空间站外部辐射场数据

《Life Sciences in Space Research》：International space station external radiation field as measured by Liulin-SET spectrometer of ARMAS flight module 9 in September - October 2022

Liulin-SET光谱仪搭载于ARMAS FM9模块，于2022年3月至12月在国际空间站外部测量GCR、IRB和ORB辐射剂量率，并与2001-2016年间其他四个Liulin仪器数据对比，验证了辐射源分离方法的可靠性，为空间辐射环境监测提供新数据。

　　### 空间辐射测量与分析：Liulin-SET 与历史数据的对比研究

在国际空间站（ISS）的运行过程中，空间辐射环境是一个复杂且动态变化的领域，对宇航员的健康和航天器的安全构成重要挑战。为了更深入地理解这一环境，科学家们设计并部署了多种辐射测量设备，以监测不同类型的辐射成分及其对航天器和宇航员的影响。本文介绍了一种名为 Liulin-SET 的辐射光谱仪，该设备由保加利亚科学院空间研究与技术研究所开发，并与美国空间环境技术公司（SET）的自动化辐射测量飞行模块（ARMAS FM9）集成使用。该研究不仅探讨了 Liulin-SET 在 2022 年的运行情况，还将其与 2001 至 2016 年间在 ISS 上运行的其他四种 Liulin 类型仪器进行了比较，以评估其在不同空间环境下的表现。

#### 空间辐射环境的复杂性

国际空间站运行于低地球轨道（LEO），其周围的辐射环境受到多种因素的影响。首先，来自银河系的宇宙射线（GCR）是主要的辐射来源之一。这些高能粒子在太阳活动的影响下发生变化，太阳活动的强弱会显著影响 GCR 的强度。其次，地球的辐射带，特别是内辐射带（IRB）和外辐射带（ORB），也对 ISS 上的辐射环境产生重要影响。IRB 主要由能量高达 10 MeV 的电子和高达 700 MeV 的质子组成，而 ORB 则主要由能量达到几 MeV 的高能电子构成。此外，太阳高能粒子（SEP）和地球大气反射粒子（albedo particles）也在 ISS 的辐射环境中扮演着角色。这些粒子在穿过航天器的屏蔽材料时会产生次级辐射，进一步增加了辐射剂量的复杂性。

为了准确评估这些辐射成分的影响，科学家们需要对不同类型的辐射进行区分，并计算其对航天器和宇航员的剂量。Liulin-SET 作为一款专门设计用于空间辐射测量的设备，其数据的分析对于理解 ISS 的辐射环境至关重要。同时，通过与其他历史数据的对比，可以揭示空间辐射环境随时间的变化趋势，以及不同测量设备之间的差异。

#### Liulin-SET 的设计与功能

Liulin-SET 是一款便携式光谱仪和剂量计，专为测量空间中的辐射成分而设计。它采用了一种基于脉冲高度分析（Pulse Height Analysis）的方法，以确定不同粒子类型的能量损失和剂量。该设备的核心部件包括一个面积为 2 平方厘米、厚度为 0.3 毫米的 Hamamatsu S2744-08 硅 PIN 光电二极管，以及一个低噪声的 Amptek A225 前置放大器。这些组件使得 Liulin-SET 能够精确地测量入射粒子的能量损失，并将其转化为剂量数据。

在设计上，Liulin-SET 采用了一种模块化的结构，使得其能够适应不同的空间环境和测量需求。设备的尺寸为 78×60×37 毫米，重量仅为 0.16 千克，这使其能够轻松安装在 ISS 的外部模块上。此外，Liulin-SET 采用了一种独立的电池供电系统，确保在外部电源不稳定时仍能正常工作。其内部配备了 64 MB 的闪存存储器，可以存储长达 390 天的非连续数据，这为长期监测提供了可能。

Liulin-SET 与 ARMAS FM9 模块一起部署在 ISS 的日本实验模块（JEM）外部，运行时间为 2022 年 3 月至 12 月，共计 216 天。在此期间，该设备测量了三种主要的辐射成分：GCR、IRB 的高能质子以及 ORB 的高能电子。其测量结果不仅有助于理解 ISS 的辐射环境，也为未来的航天任务提供了重要的数据支持。

#### 数据分析方法与结果

Liulin-SET 的数据采集和分析过程基于一系列标准化的步骤。首先，设备在接收到电力后立即开始测量，并每隔 300 秒记录一次能量沉积光谱。这些数据随后被存储在内部的闪存中，并通过脉冲高度分析技术进行处理。该技术的核心在于将每个入射粒子的能量损失转化为脉冲幅度，再通过多通道分析器（MCA）将其分类为不同的能量通道。通过对这些通道的统计分析，科学家可以确定哪些辐射成分主导了特定时间段内的测量结果。

为了进一步区分不同的辐射来源，Liulin-SET 采用了一种基于剂量与通量比（D/F）的筛选方法。根据 Haffner 的研究，当 D/F 比值小于 1.12 nGy cm2 粒子?1 时，可以判断辐射主要来自 ORB 的高能电子；而当 D/F 比值大于该值时，则表明辐射主要由 IRB 的高能质子或 SEP 事件引起。此外，GCR 的剂量率通常低于 15 μGy h?1，这使得科学家能够识别其在不同时间点的影响。

通过这种方法，Liulin-SET 在 2022 年 9 月至 10 月期间记录了大量数据，并将其与 2015 年 R3DR2 的测量结果进行了比较。研究发现，尽管 2015 年的太阳活动较强，导致 ORB 的剂量率较高，但 2022 年的 GCR 和 IRB 的平均剂量率与之前的测量结果相似。这一结果表明，Liulin-SET 的测量方法具有较高的可靠性，并且能够准确反映不同时间段内的辐射环境。

#### 与其他 Liulin 仪器的比较

为了验证 Liulin-SET 的测量结果，研究团队将其与四种其他 Liulin 类型仪器的数据进行了对比，包括 Liulin-E094、R3DE、R3DR 和 R3DR2。这些仪器在 2001 至 2016 年间分别部署在 ISS 的不同模块上，如美国实验室模块、欧洲哥伦布模块以及俄罗斯的 Zvezda 模块。通过对这些仪器的运行数据进行分析，科学家们发现，Liulin-SET 的测量结果与历史数据高度一致，尤其是在 GCR 和 IRB 的剂量率方面。

然而，由于不同仪器的安装位置和屏蔽条件不同，其测量结果也存在一定的差异。例如，Liulin-E094 由于安装在 ISS 的美国实验室模块内部，受到较强的屏蔽，因此其记录的 IRB 和 ORB 剂量率较低。相比之下，R3DR 和 R3DR2 由于安装在 ISS 的外部模块上，受到的屏蔽较少，因此其记录的剂量率较高。这些差异进一步说明了空间辐射环境的复杂性，以及不同测量设备在不同位置的响应差异。

此外，研究还发现，Liulin-SET 的数据在高纬度地区与 R3DR2 的数据表现出相似的模式。这表明，ORB 的高能电子在 ISS 的高纬度轨道区域尤为活跃，尤其是在磁暴期间。相比之下，IRB 的高能质子主要集中在南大西洋异常区（SAA）内，而该区域的辐射强度随时间变化较大，这与 SAA 的漂移现象有关。

#### 磁暴与辐射剂量的关系

磁暴是影响空间辐射环境的重要因素之一。在 2022 年 9 月至 10 月期间，ISS 遭遇了几次显著的磁暴事件，这些事件对 ORB 和 IRB 的剂量率产生了明显的影响。例如，第一场磁暴发生在 2022 年 9 月初，当时 Dst 指数（地磁扰动指数）下降至 -71 nT。在这一时期，ORB 的剂量率显著增加，达到 2.1 μGy h?1，随后又逐渐下降。相比之下，IRB 的剂量率在磁暴期间的变化较为缓慢，这与磁暴对质子和电子的影响不同有关。

在磁暴期间，空间中的电磁波活动增强，这导致了粒子的加速过程。根据 Boyd 等人的研究，磁暴期间的主要加速机制包括 betatron 加速和 Fermi 加速，以及局部加速（gyro/Landau 共振）与电磁波的相互作用。这些机制使得 ORB 的高能电子在磁暴期间表现出更强的活跃性，从而导致剂量率的显著上升。而 IRB 的质子则主要受到地球磁场的约束，其剂量率的变化相对较小。

#### 全球辐射分布的对比

为了进一步验证 Liulin-SET 的测量结果，研究团队将其与 R3DR2 的数据进行了全球分布的对比。两种设备均记录了 GCR、IRB 和 ORB 的剂量率，并通过颜色条图（color bar）进行可视化。从图中可以看出，GCR 的剂量率在全球范围内呈现出一定的分布规律，尤其是在高纬度地区，其剂量率较高。而 IRB 和 ORB 的剂量率则主要集中在特定的地理区域，如 SAA 和高纬度轨道区域。

此外，研究还发现，Liulin-SET 的数据与 R3DR2 的数据在某些方面表现出相似的模式，尤其是在磁暴期间。这表明，不同设备在测量空间辐射时能够捕捉到相似的物理现象，尽管它们的安装位置和屏蔽条件有所不同。这种一致性进一步支持了 Liulin-SET 的测量方法的可靠性，并为未来的辐射监测提供了重要的参考。

#### 未来研究方向与应用

Liulin-SET 的数据不仅为当前的 ISS 空间辐射研究提供了重要支持，也为未来的航天任务提供了宝贵的参考。通过长期监测空间辐射环境，科学家可以更好地理解其变化规律，并为宇航员的健康防护和航天器的设计提供科学依据。此外，这些数据还可以用于验证和改进辐射模型，以更准确地预测空间辐射对航天器和宇航员的影响。

在未来的研究中，科学家们计划进一步分析 SAA 的漂移现象，并探讨其对辐射剂量的影响。SAA 的漂移可能会改变其在地球表面的位置，从而影响 ISS 上的辐射环境。通过对历史数据的对比，可以更清楚地了解 SAA 的运动趋势，并为未来的航天任务提供预警。

同时，Liulin-SET 的数据还可能被用于研究太阳活动对空间辐射环境的影响。太阳活动的周期性变化会导致 GCR 和 SEP 的强度波动，从而影响宇航员的辐射暴露。通过对这些变化的监测，可以为航天任务的规划和宇航员的健康防护提供重要的数据支持。

#### 结论

综上所述，Liulin-SET 作为一款专门设计用于空间辐射测量的设备，在 2022 年的运行过程中表现出良好的性能和可靠性。其数据不仅与历史数据一致，还揭示了空间辐射环境的复杂性和动态变化。通过与其他 Liulin 类型仪器的比较，科学家们进一步验证了 Liulin-SET 的测量方法，并为未来的空间辐射研究提供了重要的参考。这些数据不仅有助于理解 ISS 的辐射环境，也为航天任务的规划和宇航员的健康防护提供了科学依据。随着对空间辐射环境研究的深入，Liulin-SET 的数据将继续发挥重要作用，并为未来的航天探索提供支持。