混合主动-被动银河宇宙射线模拟器：计算机辅助设计与优化

《Life Sciences in Space Research》：Hybrid active-passive Galactic Cosmic Ray simulator: In-silico design and optimization

空间辐射模拟技术优化及混合场研究。GSI基于主动-被动混合模式开发银河宇宙射线（GCR）模拟器，通过调节56Fe束流能量与多层被动调制器组合，实现1天文单位、10g/cm2铝当量屏蔽下的2010年极小太阳周期辐射场复现，支持深空探测生物效应研究与防护技术开发。

　　

L. Lunati|E. Pierobon|U. Weber|T. Wagner|T. Pfuhl|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

高能重离子粒子加速器长期以来一直被用作严酷太空辐射环境的替代模型，既支持基础生命科学研究，也用于飞行硬件的应用测试。传统上，为了实用性，人们使用单能高能重离子束，这些束流提供了宝贵的数据集，为辐射风险评估和预测计算模型的建立奠定了基础。然而，这样的束流无法完全再现太空辐射的混合场特性，这促使人们开发出更现实的模拟模型，以改进对未来深空任务（如前往月球或火星的任务）的风险评估和应对措施评估。在NASA太空辐射实验室的带领下，GSI亥姆霍兹重离子研究中心在欧洲建立了先进的太空辐射模拟能力，该研究得到了欧洲航天局（ESA）的支持。在这里，我们介绍了GSI混合主动-被动银河宇宙射线（GCR）模拟器的设计、优化以及基于Geant4的计算优化相空间粒子源，这些资源可供外部用户用于自己的模拟研究和实验规划。

引言

太空辐射是人类探索太阳系的主要障碍之一（Chancellor等人，2014年）。随着全球航天机构重新关注在本十年内重返月球，并计划在未来不久进行火星探索，太空探索者和关键任务电子系统将面临比低地球轨道（LEO）更高的辐射水平。在地球保护性磁层之外，辐射环境主要由银河宇宙射线（GCR）和太阳高能粒子（SEPs）主导（Durante和Cucinotta，2011年）。尽管太空栖息地经过设计以确保乘员安全，但长期暴露于银河宇宙射线（GCR）仍然是最重大的长期健康风险，包括致癌作用、组织退化以及中枢神经系统（CNS）的急性和慢性疾病（Sishc等人，2022年）。理解和减轻这些风险对于实现安全可持续的太空人类存在至关重要，而这只有在表征并减少与长期暴露于复杂太空辐射混合场相关的生物学和物理不确定性之后才有可能（Durante，2014年；Fogtman等人，2023年）。无论具体的太空辐射源或任务场景如何，高能重离子加速器都是研究辐射效应和开发有效缓解策略不可或缺的工具。传统上，地面实验使用单能单离子束进行独立辐照。虽然这些实验只能提供对复杂太空辐射环境的不完整模拟，但它们共同产生了大量数据集，为辐射风险评估和预测计算模型的发展提供了基础。然而，这种方法无法完全捕捉太空辐射的混合特性，因为在空间和时间上相邻的不同电荷和能量的粒子之间的相互作用可能会影响生物学结果（Raber等人，2019年）。已经研究了复制SEPs（La Tessa等人，2016年）和GCRs（Kim等人，2015年；Chancellor等人，2017年；Chancellor等人，2018年；Timoshenko等人，2017年；Gordeev和Timoshenko，2021年；Gordeev和Bugay，2024年）的先进概念，其中美国布鲁克海文国家实验室（BNL）的NASA太空辐射实验室（NSRL）实施的方法是目前最先进的操作系统（Simonsen等人，2020年）。NASA的“GCR模拟器”能够在$?2分钟内快速切换33种不同能量的离子束，以生成一个近似于在20厘米铝屏蔽层后人类造血器官（BFO）所经历的GCR的固定参考场。$

为了在欧洲开展真实的地面太空辐射暴露效应研究，GSI亥姆霍兹重离子研究中心（GSI）在欧盟航天局（ESA）的支持下，开发了能够密切模拟太阳粒子事件（SPEs）（Pfuhl等人，2024年）和GCRs（Schuy等人，2020年）的辐照工具，采用了与NASA和NSRL不同的设计策略。在开发了用于粒子治疗的3D范围调制器（Simeonov等人，2017年）之后，GSI的SPE模拟器使用了一个复杂的调制器与220 MeV的初级质子束相互作用来模拟SPE谱。而GSI的GCR模拟器则采用了一种混合主动-被动方法，基于⁵⁶Fe束能量的主动切换，结合了被动固体板调制器和高度结构化的周期性复杂调制器。这使得能够在2010年太阳活动最低期，在轻屏蔽栖息地（10厘米铝等效厚度）中生成一个再现1天文单位（au）处GCR的混合辐射场。

GSI的概念不是定义一个固定的参考场，而是一个灵活的框架，能够再现各种太空辐射环境。从一个对应于10厘米铝后类似GCR谱的公共基线场开始，可以通过在束线上插入不同成分和厚度的额外材料来进一步调整辐照环境。通过适当重新配置调制器，也可以再现不同的日球层场景，而无需任何硬件修改。这种灵活性还允许通过放置适当的屏蔽和组织等效幻影材料来模拟BFO深度处的自我屏蔽效应。

为了确定可能的调制器几何形状的材料权重，使用了大量的预模拟基础数据和目标数据，以及一个定制的分析优化器。本文重点介绍了GSI的GCR模拟器的设计和基于计算机的优化，旨在作为GCR环境的真实模拟。该模拟器的实现以及首次实验验证测量结果在Pierobon等人（2025年）的文章中有描述和讨论。

章节片段

银河宇宙辐射环境

银河宇宙射线是一种各向同性的高穿透辐射背景，来源于太阳系外部，可能来自天体物理爆炸事件，如超新星、中子星、脉冲星或其他高能现象。它们由天然存在的化学元素的原子核组成，从氢到铀。在自由空间中，大约98%的GCR是质子和更重的离子，约2%是正电子和电子；后者对太空辐射的贡献可以忽略不计

蒙特卡洛模拟

第2.4节“复杂调制器的设计与优化”和第2.5节“GCR模拟器优化过程”中描述的优化软件产生了一组配置，这些配置结合了初级束能量和调制器，能够再现目标辐射场，即在1天文单位（au）处、10厘米铝等效厚度下的GCR，对应于2010年太阳活动最低期的辐射场。如第2.3节所述，所有下面报告的配置都使用了32层钢网调制器。一旦确定了六个合适的配置，新的

讨论

NASA的主动GCR模拟器旨在再现太阳活动最低期时20厘米铝屏蔽层后女性造血器官的辐射环境，使用了三十三种顺序的单能质子和氦束（其能谱通过降能器扩展到100 MeV/u以下），以及五种代表性的重离子。然而，这种逐步的方法使样品暴露于一系列狭窄的能量和LET分布中，而不是在太空中遇到的复杂混合辐射场。

结论

本研究介绍了在GSI实验舱Cave A中实现的混合主动-被动GCR模拟器的设计和开发。系统实现和通过微剂量测量的基准测试在Pierobon等人（2025年）的文章中有详细说明。我们的方法使用了一种单一离子物种（⁵⁶Fe），在三种不同的初级束能量下，与总共六个被动复杂或板状调制器相互作用。六个优化后的辐照配置的叠加再现了

CRediT作者贡献声明

L. Lunati：撰写——原始草稿、软件、方法论、调查、概念化。E. Pierobon：撰写——审阅与编辑、软件、方法论、调查、概念化。U. Weber：撰写——审阅与编辑、软件、方法论、概念化。T. Wagner：撰写——审阅与编辑、软件。T. Pfuhl：撰写——审阅与编辑、软件。M. Durante：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。C. Schuy：撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性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。我们还要感谢欧盟项目HEARTS的额外支持，该项目由欧盟通过欧洲委员会的空间工作计划资助。这项研究还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。