临近空间中子环境仿真方法技术

本发明专利技术提供了一种临近空间中子环境仿真方法，本发明专利技术采用响应函数方法，包括用蒙特卡罗计算不同位置、高度的大气层特性，对不同入射粒子的响应，建立响应函数数据；给出与所述蒙特卡罗计算结果相一致的经验物理模型方法，包括利用蒙特卡罗方法总结不同高度计算结果的特征，结合物理过程与方法，建立经验物理的计算模型，加速计算速度，缩短计算时间。

Simulation method of neutron environment in near space

The invention provides a method for simulating neutron environment in near space. The method adopts a response function method, which includes calculating the atmospheric layer characteristics at different positions and heights with Monte Carlo, establishing response function data for different incident particles, and providing an empirical physical model consistent with the Monte Carlo calculation results. Methods: Monte Carlo method was used to summarize the characteristics of different altitude calculation results. Combined with physical process and method, an empirical physical calculation model was established to accelerate the calculation speed and shorten the calculation time.

【技术实现步骤摘要】
临近空间中子环境仿真方法
本专利技术涉及一种临近空间中子环境仿真方法。
技术介绍
随着空间概念的不断扩展，人们开始认识到临近空间区域(海拔高度：20km～100km之间的空间区域)目前还是人类尚未涉足的空白区域。在这样的空间区域，既可以避免目前绝大多数的地面攻击，又可以提高军事侦察和对地攻击的精度，对于情报收集、侦察监视、通信保障以及空地作战等，具有极大的发展潜力。临近空间跨越多个大气分层，自然环境多变，环境因素复杂多变。特殊的环境特征为临近空间飞行器应用带来新的问题与困难，成为制约临近空间开发应用的重要因素。尤其是临近空间特有的中子环境能够诱发器件单粒子效应，对临近空间飞行器的高效、可靠工作构成严重威胁。目前，飞行器实验探测和模型仿真是研究中子环境特征的主要技术途径。其中飞行器实验探测可获取准确的环境数据，实现对固定地点临近空间中子环境进行连续的观测，通常具有较好的时间分辨率和观测精度。但是实验探测也有诸多缺陷，如观测的高度范围通常有较大限制，而且观测站点的分布也非常不均匀，由此获取的数据分散不连续。为克服探测数据的这些缺陷，国际上基于试验探测技术所获取的大量实验数据，对数据进行再次开发，建立了中子环境计算机仿真模型。其中以日本原子能机构开发的Excel-basedProgramforcalculatingAtmosphericCosmic-raySpectrum(EXPACS)和英国QinetiQ公司开发的QinetiQAtmosphericRadiationModel(QARM)模型为主流模型。日本的EXPACS模型垂直高度仅可达20km，英国的QARM模型垂直高度可达100km，但使用权限和使用频次受到了严格的限制。因此很难满足目前国内对临近空间中子环境分布的系统性和实时性的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种临近空间中子环境仿真方法，能够满足目前国内对临近空间中子环境分布的系统性和实时性的需求。为解决上述问题，本专利技术提供一种临近空间中子环境仿真方法，包括：对探测数据、模型及方法进行前期调研，所述调研的内容包括临近空间中子辐射的探测数据和对应的模型方法，其中，所述探测数据服务于后期的计算模型验证，同时也为待开发的计算模型中使用模型方法提供参考，所述模型方法的调研包括对比不同的模型和方法，建立符合要求的计算模型；建立计算模型，包括：采用响应函数方法，包括用蒙特卡罗计算不同位置、高度的大气层特性，对不同入射粒子的响应，建立响应函数数据；给出与所述蒙特卡罗计算结果相一致的经验物理模型方法，包括利用蒙特卡罗方法总结不同高度计算结果的特征，结合物理过程与方法，建立经验物理的计算模型；计算结果验证，包括将所述计算模型的计算结果与调研取得的探测数据和同类计算模型的计算结果进行比较，验证所述计算模型的计算结果的可靠性；将验证后的计算模型进行封装，形成友好界面，以通过简单的操作完成各项计算，并对所述计算模型的计算结果以图形展示。进一步的，在上述方法中，所述建立计算模型，包括：采用Geant4工具包的planetocosmic程序来计算宇宙线质子和α粒子在地球空间中的输运过程。进一步的，在上述方法中，所述planetocosmic程序的输入包括宇宙射线谱、大气模型、地磁场模型，输出为中子能谱。进一步的，在上述方法中，所述宇宙射线谱采用CREME96(TheCosmicRayEffectsonMicro-Electronics(1996version)模型。进一步的，在上述方法中，所述大气模型采用NRLMSISE-00大气模型。进一步的，在上述方法中，所述地磁场模型采用的是国际地磁参考场，磁层磁场采用的是Tsyganenko96模型。进一步的，在上述方法中，采用响应函数方法，包括用蒙特卡罗计算不同位置、高度的大气层特性，对不同入射粒子的响应，建立响应函数数据；给出与所述蒙特卡罗计算结果相一致的经验物理模型方法，包括利用蒙特卡罗方法总结不同高度计算结果的特征，结合物理过程与方法，建立经验物理的计算模型，包括：得到宇宙线能谱，计算宇宙线粒子在磁场中的输运，得到宇宙线粒子在大气层顶的能谱；计算不同高度的大气成分和密度；利用蒙特卡罗程序计算单能质子和α粒子入射的条件下，大气层中产生的中子通量响应，得到响应矩阵；对单能响应值进行累加进行能谱计算。进一步的，在上述方法中，将所述计算模型的计算结果与调研取得的探测数据和同类计算模型的计算结果进行比较，验证所述计算模型的计算结果的可靠性，包括：将所述计算模型的计算结果分别与QARM模型和探测数据进行对比，以验证模型计算结果的准确性。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)涵盖高度范围更广目前国外的相关软件在高度计算上分为两类，一类是面向航空中子环境的计算，主要计算高度为0～20km，一类是临近空间中子的计算，主要是50Km以上的中子谱的计算，本软件算法涵盖高度为0～100km的高度，覆盖高度范围广。(2)能量覆盖区间更宽国内仅有空间中心有相关的软件，其计算的中子最低能量为～1MeV，而本算法计算得到的中子能量下限为10-6MeV，覆盖的中子能量范围更宽。(3)使用更简单为了方便计算，本算法结合了不同太阳活动周期不同时间点的宇宙线入射谱模型，用户不需要再对入射宇宙线谱进行计算，便可得到相应参考点的中子谱；并显示了不同太阳活动周期对地面中子辐射环境的变化。附图说明图1是本专利技术一实施例的临近空间中子环境仿真软件开发技术途径图；图2是本专利技术一实施例的程序建模计算思路图；图3a是本专利技术一实施例的银河系宇宙射线中的质子的积分微分能谱图；图3b是本专利技术一实施例的银河系宇宙射线中的α粒子的积分微分能谱图；图4a是本专利技术一实施例的大气温度在0～100km高度的变化图；图4b是本专利技术一实施例的大气密度在0～100km高度的变化图；图4c是本专利技术一实施例的大气成分在0～100km高度的变化图；图5是本专利技术一实施例的地球磁场图；图6是本专利技术一实施例的响应矩阵计算流程图；图7是本专利技术一实施例的中子能谱计算界面图；图8是本专利技术一实施例的15km高度中子能谱比较图；图9是本专利技术一实施例的20km高度中子能谱比较图；图10是本专利技术一实施例的30km高度中子能谱比较图；图11是本专利技术一实施例的与QARM微分能谱相对误差图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。如图1所示，本专利技术提供一种临近空间中子环境仿真方法，包括：(1)对探测数据、模型及方法进行前期调研调研内容包括临近空间中子辐射探测数据和相关模型方法。探测数据服务于后期的计算模型验证，同时也为需开发的计算模型中使用模型方法提供参考。模型方法的调研可对比不同的模型和方法，建立符合要求的计算模型。(2)建立计算模型0～100km高度的中子来源于宇宙线与大气层分子、原子的相互作用产生。目前大型软件的运算方法为蒙特卡罗方法，通过模拟辐射粒子外部宇宙线入射、在地磁场中偏转、进入大气层与大气层分子项目作用过程，最后可运算得到相应不同地理位置、不同时间段、不同高度的中子谱。由于全蒙特卡罗模拟对计算机要求高，而且单次运算耗费时间长，尤其是对空间辐射场的计算中，一般都是大型的并行服务本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种临近空间中子环境仿真方法，其特征在于，包括：对探测数据、模型及方法进行前期调研，所述调研的内容包括临近空间中子辐射的探测数据和对应的模型方法，其中，所述探测数据服务于后期的计算模型验证，同时也为待开发的计算模型中使用模型方法提供参考，所述模型方法的调研包括对比不同的模型和方法，建立符合要求的计算模型；建立计算模型，包括：采用响应函数方法，包括用蒙特卡罗计算不同位置、高度的大气层特性，对不同入射粒子的响应，建立响应函数数据；给出与所述蒙特卡罗计算结果相一致的经验物理模型方法，包括利用蒙特卡罗方法总结不同高度计算结果的特征，结合物理过程与方法，建立经验物理的计算模型；计算结果验证，包括将所述计算模型的计算结果与调研取得的探测数据和同类计算模型的计算结果进行比较，验证所述计算模型的计算结果的可靠性；将验证后的计算模型进行封装，形成友好界面，以通过简单的操作完成各项计算，并对所述计算模型的计算结果以图形展示。

【技术特征摘要】
1.一种临近空间中子环境仿真方法，其特征在于，包括：对探测数据、模型及方法进行前期调研，所述调研的内容包括临近空间中子辐射的探测数据和对应的模型方法，其中，所述探测数据服务于后期的计算模型验证，同时也为待开发的计算模型中使用模型方法提供参考，所述模型方法的调研包括对比不同的模型和方法，建立符合要求的计算模型；建立计算模型，包括：采用响应函数方法，包括用蒙特卡罗计算不同位置、高度的大气层特性，对不同入射粒子的响应，建立响应函数数据；给出与所述蒙特卡罗计算结果相一致的经验物理模型方法，包括利用蒙特卡罗方法总结不同高度计算结果的特征，结合物理过程与方法，建立经验物理的计算模型；计算结果验证，包括将所述计算模型的计算结果与调研取得的探测数据和同类计算模型的计算结果进行比较，验证所述计算模型的计算结果的可靠性；将验证后的计算模型进行封装，形成友好界面，以通过简单的操作完成各项计算，并对所述计算模型的计算结果以图形展示。2.如权利要求1所述的临近空间中子环境仿真方法，其特征在于，所述建立计算模型，包括：采用Geant4工具包的planetocosmic程序来计算宇宙线质子和α粒子在地球空间中的输运过程。3.如权利要求2所述的临近空间中子环境仿真方法，其特征在于，所述planetocosmic程序的输入包括宇宙射线谱、大气模型、地磁场模型，输出为中子能谱。4.如权利要求3所述的临近空间中子环境仿真方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱美光，戴利剑，
申请(专利权)人：上海精密计量测试研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31