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近地空间辐射环境与空间电导率研究

作　者: 府宇
导　师: 魏志勇
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 人机与环境工程
关键词: 空间环境辐射效应蒙特卡罗高空核爆X射线空间电导率
分类号: V520.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着我国航天任务尤其是载人航天任务的日益推进，对近地空间辐射环境及其效应的研究越发受到关注。学位论文研究工作主要针对近地空间辐射环境，包括自然辐射环境和由高空核爆炸引起的人工辐射环境两部分进行研究，分别研发了近地辐射环境分析软件NER和高空核爆炸X射线环境计算软件HANDXR。接着研究了两种辐射环境都会涉及到的重要参数空间电导率，运用NER软件计算了宇宙线引起的电导率，与已有的实验值相吻合。首先，分析了近地自然辐射场的特点，研究了辐射带、宇宙射线模型。接着采用蒙特卡罗方法，基于Geant4软件工具包将辐射粒子的能谱作为输入，经过扩充数据库、建立新的功能模块、软件移植和封装开发了NER软件，实现了自然辐射环境的模拟。对辐射粒子在大气中的能量沉积等辐射剂量学量进行了计算和分析，对其在地磁场中的运动径迹进行了模拟。其次，针对高空核爆形成的辐射环境重点关注X射线、中子、γ辐射，分析了三者的能谱、注量分布及效应。基于Matlab经过程序编制、界面封装开发了X射线辐射环境数值计算软件HANDXR，能够计算不同当量、不同爆炸高度、不同时间点的核爆X射线能注量和引起大气电离效应的分布情况。再次，采用CRII模型研究空间电导率，运用基于蒙特卡罗方法的NER软件计算了宇宙射线引起的离子生成率和电导率，分析了空间电导率随着纬度、海拔、太阳活动的变化。最后，将计算结果与已有实验值进行了对比，吻合较好。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-6
目录  6-13
第一章绪论  13-19
  1.1 引言  13-15
  1.2 国内外研究发展状况  15-17
  1.3 本文的主要研究工作  17-18
    1.3.1 近地空间辐射场  17
    1.3.2 高空核爆炸形成的辐射环境  17-18
    1.3.3 空间电导率研究  18
  1.4 本章小结  18-19
第二章近地空间辐射场及模型  19-28
  2.1 概述  19-20
  2.2 地球辐射带  20-24
    2.2.1 地球辐射带性质  20-22
    2.2.2 辐射带模型  22-24
  2.3 宇宙射线  24-26
    2.3.1 银河系宇宙射线  24-25
    2.3.2 太阳宇宙射线  25-26
    2.3.3 宇宙射线模型  26
  2.4 人工辐射环境  26-27
  2.5 本章小结  27-28
第三章近地空间辐射环境分析软件开发  28-37
  3.1 引言  28
  3.2 研究目的  28
  3.3 研究方法  28-31
    3.3.1 Geant4 软件工具包简介  28-29
    3.3.2 Geant4 物理过程  29-31
  3.4 NER 软件组成及框架  31-34
    3.4.1 大气模型  32-33
    3.4.2 磁场模型  33-34
    3.4.3 土壤模型  34
  3.5 NER 软件功能模块  34-35
  3.6 运行环境  35
  3.7 运行结果举例  35-36
    3.7.1 粒子在大气中的能量沉积  35
    3.7.2 粒子在磁场中的运动  35-36
  3.8 本章小结  36-37
第四章高空核爆形成的辐射环境研究  37-59
  4.1 概述  37-38
  4.2 高空核爆炸 X 射线  38-50
    4.2.1 引言  38
    4.2.2 X 射线能量释放率  38-39
    4.2.3 X 射线能谱  39-40
    4.2.4 X 射线能注量的空间分布  40-43
    4.2.5 X 射线在大气中的能量沉积  43-46
    4.2.6 X 射线对大气的电离效应  46-48
    4.2.7 X 射线的毁伤效应  48-49
    4.2.8 X 射线辐射环境软件设计  49-50
  4.3 高空核爆炸中子  50-54
    4.3.1 引言  50
    4.3.2 中子总数  50
    4.3.3 中子能谱  50-51
    4.3.4 中子注量的空间分布  51-54
    4.3.5 中子的毁伤效应  54
  4.4 高空核爆炸γ辐射  54-58
    4.4.1 引言  54-55
    4.4.2 γ光子总数和峰值γ能量释放率  55
    4.4.3 泄露（出壳）γ能谱  55
    4.4.4 γ辐射时间谱、γ剂量率  55-57
    4.4.5 γ电离辐射总剂量及其空间分布  57-58
    4.4.6 γ辐射的毁伤效应  58
  4.5 本章小结  58-59
第五章空间电导率研究  59-79
  5.1 引言  59
  5.2 大气电离源  59-60
  5.3 宇宙射线引起的大气电离  60-72
    5.3.1 CRII 概述  60-62
    5.3.2 离子生成率  62-65
    5.3.3 CRII 的电离产生函数的计算  65-66
    5.3.4 CRII 银河宇宙射线能谱  66-67
    5.3.5 CRII 离子生成率计算结果及分析  67-72
  5.4 中低层大气电导率  72-76
  5.5 电离层电导率  76-77
    5.5.1 地球电离层  76-77
    5.5.2 电离层电导率  77
  5.6 本章小结  77-79
第六章总结与展望  79-81
  6.1 本文的主要研究工作  79
  6.2 本文的创新点  79-80
  6.3 研究工作的展望  80-81
参考文献  81-87
致谢  87-88
在学期间的研究成果及发表的学术论文  88

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