木星系辐射环境效应及粒子辐射防护技术研究

引言

《神奇的太空》中指出，太阳系中，体积与质量最大的并非太阳而是木星，它拥有卫星69颗，且是自转最快的行星，熟知的有木卫一、木卫二、木卫三以及木卫四，其中木卫一频繁爆发火山活动；木卫二是目前人类探测地外生命的重点卫星，其拥有地下海洋，被认为是潜在的适宜居住的星球之一；木卫三是太阳系体积最大且拥有最强磁场的卫星；木卫四探测到的数据是能帮助科学家研究太阳系以及木星系的形成与演化。

随着我国对于外太空的深空探测能力不断增强，木星也在被探测的过程中因其特殊性而成为深空探测的热点，但在探测过程中恶劣的辐射环境是难点之一，木星系辐射环境包括重离子、高能电子、质子、极光粒子等。接下来将围绕其辐射环境及辐射环境引起的效应展开相关介绍及分析，以便为后续粒子辐射的防护关键技术提供参考。

木星系粒子辐射环境研究现状

高能粒子辐射环境

木星系内的辐射环境极其复杂，从而导致许多辐射效应发生，其中包括：总剂量效应对应高能质子与电子的辐射环境；表面充电效应对应等离子体、极区带电粒子等。

NASA在早期开发了DG模型，旨利用地基甚大射电望远镜阵列去观测木星的高能电子同步加速的发射能谱，Galileo的任务设计就是在DG模型的指导下完成的。

在DG的基础上，NASA还构建了GIRE模型，利用多年观测到的Galileo数据，以及VoyagerI/II等的飞掠探测数据，以描述木星辐射带高能电子以及质子的平均通量。

在木星系，只存在一个单一的以电子为主的辐射带，而与之不同的是，地球中不止有电子，还存在质子，其中电子主要存在外辐射带，质子只在内辐射带，经过研究数据结果显示，木星辐射带内的粒子能量以及通量都远远高于地球的辐射带，且覆盖范围也比地球更大。

同时，ESA也参与模型构建的队伍中，开发了许多木星粒子辐射环境模型，并且可工程应用，其中就包括JOSE模型。

JOSE模型利用不同的乘数因子以及平均通量，能够描述木星在不同置信度下磁层高能质子与电子通量，目前，JOSE的探测与数据结果均是公开的。

粒子辐射环境

《深空探测器》一书中，伽利略号对木星系中火山活动最频繁的木卫一进行了系统观测，发现其比地球上的火山要高出倍。在火山喷发的过程中，会有大量的中性粒子进入木星磁层，接着被电离，这种运动能为木星辐射带离子的形成有莫大的贡献与帮助。

根据NASA提供的最新HIC模型得知，木星辐射带离子的能量较小，只需要小量的防护屏蔽，通量就能低于轨道的太阳质子以及宇宙射线通量，此后又根据HIC模型及CR（宇宙射线）模型，得知离子的总通量接近来自银河宇宙射线的离子通量，因此高能离子主要来自银河宇宙射线。

等离子体和极区粒子辐射环境

在木星的磁层空间中，符合了玻尔兹曼分布，即充满了冷等离子体与热等离子体，而它们主要作用于航天器表面充电，通过Garrett等模型计算两种离子体的体能谱，其结果显示在非极区轨道的木星探测中，能满足表面充电的防护需求。

此外，如果使用大倾角的轨道，木星极光将会变得异常强烈且将长期存在，那么极光等离子体环境会严重影响航天器的运行，存在危机风险，其中表面充电效应需要强

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