科普|外太空的防辐射进阶之旅

在人类数万年的历史长河中，从牙牙学语到载人航天，从幻想到求真，人类对于星空的向往从未消减分毫。伴随着科技的进步，我们开始走出地球这个温暖的摇篮，走向宇宙的深处。但宇宙的残酷也逐渐展现在人类面前，让看似宁静的宇宙暗藏杀机。人类如何才能巧妙地躲过宇宙的层层围追堵截，顺利在宇宙中披荆斩棘，就让我们一起去外太空一探究竟。

冲出地球怀抱，向宇宙进发

每当夕阳收起它最后一点余光，点缀在漆黑夜幕上的点点星光便会吸引人类驻足凝望。经历了无数夜晚的观察后，人们发现了星象变幻的规律，也找到了时间的概念。以星象变化规律作为时间的划分（星象历）大大提高了古代人时间概念的精确性。对于天空上万年的凝望，让我们对宇宙有了最初的认识，但对于宇宙的理解更多是停留在幻想层面。

人类不甘于总是蜷缩在穹顶之下。1957年10月，苏联发射了人类第一颗人造卫星——斯普特尼克一号。虽然它在太空中仅仅停留了3个多月的时间就坠入大气层消失了，但它的出现标志着人类开始摆脱地球引力的束缚。从那天开始，人类的足迹开始在宇宙中蔓延。随着我们离开地球母亲的怀抱，人类也失去了它的保护，开始独自面对宇宙辐射的威胁。

知识链接

早期的观天利器——浑仪

浑仪是中国古代测定天体位置的仪器。由相应天球坐标系各基本圈的环规及瞄准器构成。主要用作展示围绕地球的天体轨迹。浑仪由有刻度的金属圈组成，圆形的骨架代表天体的赤道、黄道、子午圈等。中国古代的浑仪还有代表白道的圆圈和协助观察用的窥管（作用如同望远镜，但没有镜片），人们通过窥管的圆筒来观察夜空中的天体，并通过读取窥管的角度，计算出相对于北极和二十八星宿的方位，从而确定天体的位置。

暗藏杀机的无边宇宙

在人们的传统印象中，外太空总是空旷且漆黑的，然而事实并非如此。许多肉眼不可见的高能粒子在宇宙中徘徊，它们被叫做宇宙射线。银河宇宙射线是由85%的质子（氢元素的原子核）、14%的α粒子（氦元素的原子核）以及1%的重离子（电子、光子、重离子、中子、中微子等）组成，而太阳宇宙射线则几乎完全是由质子构成的。

宇宙射线来源目前众说纷纭，可能是由恒星产生的，比如太阳耀斑爆发、超新星爆炸等，也可能与暗物质有关，还有学说提出与宇宙膨胀有关。但是有一点是毋庸置疑的——它们是危险的。

当高能粒子入射到非真空的介质中时，它们会与介质中的电子发生相互作用，使得原本束缚在介质原子核周围的电子获得能量，获得能量的电子就可能会脱离原子核的束缚在介质中“乱窜”，导致介质的原有的物理和化学性能退化。这些高能粒子还有较小概率与原子核发生直接碰撞，导致原子核离开原有的位置，使得介质的变得扭曲变形。

对于生物体而言，当宇宙射线照射到生物体表面的时候，射线中的高能粒子会穿透皮肤入射到体内。生物体内的原子们通过原子核外电子的相互作用结合在一起。现在随着高能粒子的突然闯入，电子们开始离开它们的“岗位”，互相拉扯在一起的原子们可能散开，细胞的正常生命活动就很难保证了。

对于精密的航天器而言，其中含有大量的集成电路模块，当入射的宇宙射线在材料中“激发”出了多余的电子，按照设计此时原本没有电流的电路被突如其来的电子影响而产生电流，这就可能导致原本设计的功能被异常激活或者关闭，比如太阳能帆板展开或者关闭、数据储存发生错误等。

宇宙射线禁止入内！

其实，宇宙射线也是可以防御的。单位体积的材料中，质子数量越多则高能粒子在其中飞行的距离越短。这该如何理解呢？我们知道一个原子的大部分是空的，只有极小部分是有物质的（原子核），所以原子与入射的带电粒子相互作用主要不是依靠物理上的直接碰撞，而是电磁力的相互作用。这就意味着原子内带电粒子越多，与入射的粒子相互作用越强烈。原子内什么是带电的呢？电子与质子。中性的原子核中，带负电的电子数量等于带正电的质子的数量，那么我们可以用质子的数量来代表原子内部带电物质的多少，也就是原子内质子数量越多，那么它与入射带电粒子的相互作用就越强烈。这就意味着元素周期表中排序越高则该元素的原子与入射粒子相互作用的强度越大。因此，使用高原子序数的材料制作防护屏障能够更有效地阻止高能粒子的穿透。

延伸阅读

什么是高密度与低密度屏障？

密度变化可以增加屏蔽能力。入射带电粒子与原子每发生一次相互作用，入射带电粒子就会损失部分能量。如果让它在短时间内多次与很多原子发生相互作用，它就会停下来。我们假设有两堵墙，一个是由松散的棉花与散布外加少数沙砾组成，另一个由紧实的沙子垒成。小石子来模拟宇宙射线，水球模拟需要保护的生物体或精密仪器。现在我们用弹弓加速小石子来击破墙后面的水球。假设小石子只与沙子发生碰撞才会损失能量，那么棉花墙中的沙子比较少，小石子通过它的时候碰撞的次数就会少，所以就可以轻松打穿棉花墙并击破后面的气球。但是想要打穿沙墙，则需要使用之前很多倍的力量来拉弹弓才行。

搭建防护屏障

如何多快好省？

理想中的防护屏障应该是高密度的、很厚的、由重元素构成的屏障。但受限制于运载火箭的承载能力，防护屏障的总重量有限。如果采用较高密度材料，必然导致防护屏障的厚度要小。也就是说如果我们用沙墙保护水球，墙壁就要做得很薄。这就带来一个问题——次级辐射。入射的高能粒子会与屏障内的电子、原子核发生相互作用，力的作用是相互的，屏障内的质子、中子、电子就可能被“撞”出来，而被“撞”出来的粒子对人体与仪器同样有害。只有当屏障足够厚时，才能保证将次级辐射的能量完全吸收。就好比当沙墙很薄的时候，我们用力一打，组成沙墙的沙子就会到处飞溅，同样也会伤害到后面的水球。

我们已知高原子序数高密度的材料能够更快速的让入射的粒子停下来，但这个过程会产生大量有害的次级辐射，需要足够厚的屏障才能确保将次级辐射也吸收掉。低原子序数材料中的电子数目有限，不会产生太多的次级辐射，但是它阻止宇宙射线穿透的能力较弱。

是如何解决的呢？两者各取所长！我们在航天器的设计中，使用高原子序数与低原子序数材料相结合的方法，先让入射离子在低原子序数的材料中减速，然后用高原子序数的材料把它停下来，这样既减少了宇宙辐射的影响，也避免了大量次级辐射的产生。

举一反三的宇航服设计

这种思路同样适用于设计宇航服。宇航服按照穿着环境分为两类：舱内应急航天服与舱外航天服。舱内宇航服是航天员在载人航天器座舱内使用的，一般是在发射时和返回地球时穿用，一旦座舱发生气体泄漏和气压突然变低时，舱内宇航服迅速充气，起到保护航天员的作用。舱外宇航服是航天员出航活动，进行空间漫步时使用。舱外环境相比于舱内缺少了航天器外壁的直接保护，宇宙辐射与热辐射直接作用在宇航服表面，这就需要宇航服能够遮挡一定量的宇宙射线，因此舱外航天服外层往往采用镀铝的复合材料，以吸收或减少宇宙射线的直接伤害，并且普遍选用白色作为宇航服的主要色调以最大限度减少热辐射对内部的影响。

随着航天器在外太空停留时间的增长，宇宙射线造成的影响也逐步显现。如何减少宇宙射线对航天器与宇航员的危害成了当务之急。为了确保万无一失，在航天器发射之前，需要对其进行高能粒子的照射实验，并根据实验结果调整辐射防护设计。

经过科研人员努力，中国的宇航服与航天器在外太空的环境下经受住了考验。未来，相关研究成果会更广泛地应用在中国航天领域。（作者单位：中国科学院近代物理研究所）