混合主动-被动银河宇宙射线模拟器：实验实现与微剂量学特性研究

银河宇宙射线（GCR）模拟器开发及微剂量测量验证

　　

E. Pierobon|L. Lunati|T. Wagner|M. Durante|C. Schuy

生物物理学系，GSI亥姆霍兹重离子研究中心，Planckstra?e 1，64291，达姆施塔特，德国

摘要

空间辐射是太空探索的主要障碍之一。如果不加以缓解，辐射会与生物系统和电子系统相互作用，造成损害并对太空任务构成重大风险。只有使用地面加速器作为太空辐射的替代品，才能有效地研究对策。经过计算机模拟设计和优化过程，我们开发了一种基于混合主动-被动方法的银河宇宙射线（GCR）模拟器。在这种方法中，主束能量被主动切换，束流与专门设计的被动调制器相互作用。在本文中，我们介绍了这种GCR模拟器的实现及其实验微剂量学特性。测量GCR场非常重要，这既是为了向用户提供经过验证的辐射场，也是为了实现尽可能准确的辐射描述。本文通过使用组织等效正比计数器来测量辐射质量，并将实验测量结果与蒙特卡洛模拟结果进行比较来解决这一问题。最后，我们将展示GCR模拟器再现GCR场的能力。

引言

空间辐射被认为是载人探索太阳系的主要阻碍之一，也是计划中的长期月球和火星任务面临的主要科学挑战之一（Chancellor等人，2014年；Durante等人，2014年；Durante和Cucinotta等人，2011年；Patel等人，2020年；Bahadori等人，2024年；Fogtman等人，2023年）。

银河宇宙射线（GCR）中的高能重离子在地球上没有天然对应物，只能在计算机模拟中研究，或者在太空中直接研究，或者借助高能重离子加速器进行研究（Slaba等人，2016年；Durante和Kronenberg，2005年）。通常在粒子加速器上进行系统研究，使用一种或少数几种能量和离子种类来模拟复杂的太空辐射环境（Giraudo等人，2018年；Luoni等人，2022年；Kodaira等人，2024年）。

为了促进对这些效应的科学研究，美国国家航空航天局（NASA）在布鲁克海文国家实验室开发了一个能够模拟GCR谱的辐照系统（Simonsen等人，2020年；Norbury等人，2016年）。在欧洲，GSI亥姆霍兹重离子研究中心（GSI）与欧洲航天局（ESA）合作，开发了一种混合主动-被动方法来改进地面太空辐射的模拟（Schuy等人，2020年）。这两个设施为研究GCR在地面上的效应提供了独特的平台，具有其设计和实现选择所特有的特点。混合主动-被动GCR模拟器的设计和优化在Lunati等人（2025年）中有详细描述，以下仅作简要总结。为了再现GCR场，该方法采用了六种配置的顺序辐照，每种配置的主束能量和束流调制器各不相同：

• 1.
  1 GeV能量的复杂调制器，
• 2.0.7 GeV能量的复杂调制器，
• 0.35 GeV能量的复杂调制器，
• 由80毫米304L钢制成的板状调制器，结合FRAgment kiNetiC能量优化器（FRANCO），主束能量为1 GeV，
• 50毫米304L钢制成的板状调制器，结合FRANCO，主束能量为1 GeV，
• 由50毫米304L钢和100毫米聚乙烯（PE）制成的两种板状调制器，主束能量为0.35 GeV，

根据Lunati等人（2025年）详细介绍的优化过程，为每种配置分配了一个权重，从而建立了每种配置所需主粒子数量之间的联系。预计这种顺序辐照能够在1 au厚的铝屏蔽层后，在2010年太阳活动极小期条件下再现GCR场。

微剂量学是表征混合辐射场的宝贵工具。由于其测量微米级能量沉积的特征，微剂量学能够准确描述辐射场的质量（Griffiths，1985年；Missiaggia，2024年）。组织等效正比计数器（TEPC）可以被视为微剂量学的参考探测器。TEPC在太空应用中并不新鲜，因为它们对重离子的响应已经得到了详细研究（Rademacher等人，1998年；Gersey等人，2002年；Guetersloh等人，2004年；Miller和Zeitlin，2016年），并且它们已被用于多次任务中表征太空辐射环境（Badhwar等人，1995年；Zhou等人，2007年；Doke等人，2001年）。此外，它们的组织等效性以及适当的建模使得物理描述可以直接与生物效应联系起来。

本手稿使用TEPC微剂量计来表征和验证每种实验配置特有的复杂辐射场。通过比较实验数据和计算机模拟数据，研究了$f\left(y\right)$分布。根据Lunati等人（2025年）描述的优化过程，随后使用为每种配置指定的权重确定了GCR模拟器谱。将得到的GCR模拟器谱与最先进的蒙特卡洛数据进行比较。鉴于GCR模拟器的设计仅基于物理量，没有直接考虑生物参数，如果采用的方法是有效的，预计生物参数也将相应对齐。因此，从微剂量谱计算出的质量因子$Q$可以用来了解辐射对生物系统的影响（Kellerer，1985年；Kellerer和Rossi，1978年；Rossi和Zaider，1996年）。$Q$通常代表与随机效应（如癌症发病率）相关的最大相对生物效应（RBE）值的平均值（Valentin等人，2003年；Kyriakou等人，2021年）。然后，将$Q$与Lunati等人（2025）优化过程中得到的设计质量因子进行比较。最后，使用在近地轨道（LEO）进行的微剂量测量作为深空辐射环境的替代品。尽管LEO的条件与深空不同，但这些测量对于推进太空探索研究至关重要（McPhee和Narici，2025年；Narici等人，2018年）。然后将GCR模拟器得到的微剂量谱与STS-102航天飞机的独立微剂量谱进行比较，以进一步验证和展示所开发的GCR模拟的有效性。

GSI的GCR模拟器有望对太空相关研究领域产生重大影响。其独特的方法使其与其他模拟器区分开来，并将为推进太空探索的前沿提供一个突破性的平台。

章节片段

混合主动-被动银河宇宙射线模拟器的实现

这种混合主动-被动银河宇宙射线模拟器（以下简称GCR模拟器）已在GSI的Cave A光束线上实现，如图1所示，所有距离和各个组件在图2中展示，并在下面简要描述。

微剂量谱

微剂量学用于表征六种配置的$f\left(y\right)微剂量谱，将其与第2.3节描述的MC模拟结果进行比较。图4显示了前三种GCR模拟器的比较结果，即复杂调制器的情况。尽管实验分布与1\; GeV和0.7\; GeV复杂调制器的模拟结果非常接近（分别见(a)和(b)），但一致性$

讨论

为了表征GCR模拟器，使用TEPC对每个单独的组件进行了微剂量测量。根据Lunati等人（2025年）提供的配置和权重，预计粒子的数量和动能已优化以匹配目标GCR模拟器。因此，线性能量（未直接包含在优化过程中）被用作一个独立于优化的、可测量的观测值作为基准

结论

本手稿展示了欧洲地面首个GCR模拟器的性能并对其进行了验证。该系统通过“复杂”和“板状”调制器的顺序辐照来重现深空（1 au）的GCR场，在2010年太阳活动极小期条件下，以及10 g/cm2的铝屏蔽层之后。该系统的能力使用最先进的MC方法进行了基准测试

CRediT作者贡献声明

E. Pierobon：撰写——原始草案、软件、方法论、研究、形式分析、概念化。L. Lunati：撰写——审稿与编辑、研究。T. Wagner：撰写——审稿与编辑、研究。M. Durante：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。C. Schuy：撰写——审稿与编辑、监督、研究、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

作者是该期刊的编委会成员/主编/副主编/客座编辑，未参与本文的编辑审查或发表决定。

致谢

GCR模拟器的开发得到了ESA的支持，合同编号为4000102355/10/NL/VJ。我们还要感谢EU项目HEARTS的额外支持。HEARTS是由欧盟通过欧洲委员会的空间工作计划资助的项目（项目编号为101082402）。这项研究部分得到了德国达姆施塔特GSI亥姆霍兹重离子研究中心IT部门提供的集群计算资源的支持。