近年來立方衛星的發展蓬勃，當立方衛星運行於更高之軌道時，可能會通過范艾倫輻射帶之險惡環境。范艾倫輻射帶中含有大量的高能帶電粒子，這些帶電粒子會穿過立方衛星外殼，對衛星內部之電子設備造成影響，減少其使用壽命甚至使其失效，本研究以模擬輻射帶對立方衛星影響為主要目標。本研究使用AE9/AP9輻射帶模型與Geant4套件，並建立一3U立方衛星原型，模擬此立方衛星原型運行於共36組不同軌道所受之影響，並計算運行五天所累積之輻射劑量用以分析。此外，此原型內有一金屬盒做為屏蔽，並比較使用鋁合金與鈦合金做為屏蔽之效果差異。模擬結果計算之輻射劑量顯示，若以半長軸為兩個地球半徑為分界，內側軌道為質子占主要貢獻，外側則為電子；針對質子之屏蔽效果，鋁合金與鈦合金皆能有效減少輻射劑量，且鈦合金效果較鋁合金為佳；針對電子之屏蔽效果，兩種合金皆無法減少輻射劑量，甚至在某些軌道鈦合金會造成反效果。研究結果可應用在立方衛星任務的本體及軌道設計上。

In recent years, the development of CubeSats has become prosperous. When CubeSats operate in higher orbits, they may pass through the dangerous environment of the Van Allen radiation belt. The Van Allen radiation belt contains a huge amount of high-energy charged particles. These charged particles can be possible to penetrate the wall of the CubeSats affecting the electronic equipment inside the satellite, reducing its lifetime or even making its operation ineffective. The main objective of this research is to simulate the effects on the CubeSats due to particles from radiation belts. We use both the AE9/AP9 radiation belt model and the Geant4 toolkit to build a 3U CubeSat prototype and compute the impact on this prototype in a total number of 36 different orbits to acquire the dose for five-day-long. In addition, this prototype is designed to have a metal shielding box inside, and the comparison between using aluminum alloy and titanium alloy as the shielding metal is made. The results of simulated radiation dose show that with two Earth radii as the semi-major axis as the dividing border, protons on the orbits inside this border would be the main contribution for dose, but electrons would be the main contribution for dose at outer region outside this border. For protons impact, shielding built from both aluminum alloy and titanium alloy can effectively reduce the dose. The shielding effect of titanium alloy is better than that of aluminum alloy. For electrons impact, both alloys cannot reduce the radiation dose, and even in some orbits, titanium alloys would cause an adverse effect. The research results can be applicable to the body and orbit design for the CubeSat mission.

第一章	緒論	1
1.1	研究背景與目的	1
1.2	文獻回顧	1
1.3	研究方法	2
第二章	太空輻射環境	5
2.1	范艾倫輻射帶	5
2.2	AE9/AP9輻射帶模型	6
2.3	立方衛星軌道參數	9
2.4	輻射與物質間交互作用	12
第三章	Geant4幾何與追蹤套件	14
3.1	概述	14
3.2	幾何外型	14
3.3	粒子來源	15
3.4	結果計算	16
3.5	蒙地卡羅與正規化	17
第四章	模擬結果分析	19
第五章	結論	32
參考文獻	42
 
圖目錄

圖一 Geant4中立方衛星原型之外殼，模擬真實立方衛星之結構與太陽能板材料	3
圖二 Geant4中立方衛星原型內部，棕色為做為屏蔽之方盒，綠色為三片矽板	4
圖三 范艾倫輻射帶之示意圖	5
圖四 AE9/AP9提供之GUI，左側可使用不同類型之軌道元素，右側輸入各軌道元素之值，下方則設定任務時長與產生星曆表之時間間隔	7
圖五 運用AP9模型計算離地表一個地球半徑處，能量大於20 MeV之質子通量，繪製而得之等積分通量分佈圖，其中積分通量單位為 #⁄(cm2·s·MeV)。本圖加上相對應地表海陸分界線供參考。	8
圖六 運用AE9模型計算離地表一個地球半徑處，能量大於1 MeV之電子通量，繪製而得之等積分通量分佈圖，其中積分通量單位為 #⁄(cm2·s·MeV)。本圖加上相對應地表海陸分界線供參考。	9
圖七 半長軸為 2 R_E，傾角為 20° 之軌道，圖中三個軌道離心率則如表二	10
圖八 半長軸為 3 R_E，傾角為 20° 之軌道，圖中三個軌道離心率則如表二	11
圖九 距地表1000公里高之正圓軌道，傾角為 0°	12
圖十 Geant4操作介面：可顯示模擬結果之軌跡圖，左側為Geant4之指令列表。	14
圖十一 AP9計算出不同軌道之能譜圖，左圖為距離地表1000公里高正圓軌道，右圖為半長軸為 2 R_E 之軌道	15
圖十二 Geant4模擬質子運動軌跡圖，灰色線為粒子運動軌跡。	16
圖十三 在平均模式下，半長軸為 1.1 R_E，離心率為0之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	20
圖十四 在最劇烈狀況下，半長軸為 1.1 R_E，離心率為0之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	20
圖十五 在平均模式下，半長軸為 1.5 R_E，離心率為0之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	21
圖十六 在最劇烈狀況下，半長軸為 1.5 R_E，離心率為0之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	21
圖十七 在平均模式下，半長軸為 1.5 R_E，離心率為0.2之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	22
圖十八 在最劇烈狀況下，半長軸為 1.5 R_E，離心率為0.2之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	22
圖十九 在平均模式下，半長軸為 2 R_E，離心率為0之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	23
圖二十 在最劇烈狀況下，半長軸為 2 R_E，離心率為0之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	23
圖二十一 在平均模式下，半長軸為 2 R_E，離心率為0.2之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	24
圖二十二 在最劇烈狀況下，半長軸為 2 R_E，離心率為0.2之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	24
圖二十三 在平均模式下，半長軸為 2 R_E，離心率為0.4之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	25
圖二十四 在最劇烈狀況下，半長軸為 2 R_E，離心率為0.4之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	25
圖二十五 在平均模式下，半長軸為 2.5 R_E，離心率為0之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	26
圖二十六 在最劇烈狀況下，半長軸為 2.5 R_E，離心率為0之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	26
圖二十七 在平均模式下，半長軸為 2.5 R_E，離心率為0.2之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	27
圖二十八 在最劇烈狀況下，半長軸為 2.5 R_E，離心率為0.2之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	27
圖二十九 在平均模式下，半長軸為 2.5 R_E，離心率為0.4之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	28
圖三十 在最劇烈狀況下，半長軸為 2.5 R_E，離心率為0.4之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	28
圖三十一 在平均模式下，半長軸為 3 R_E，離心率為0之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	29
圖三十二 在最劇烈狀況下，半長軸為 3 R_E，離心率為0之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	29
圖三十三 在平均模式下，半長軸為 3 R_E，離心率為0.2之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	30
圖三十四 在最劇烈狀況下，半長軸為 3 R_E，離心率為0.2之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	30
圖三十五 在平均模式下，半長軸為 3 R_E，離心率為0.4之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	31
圖三十六 在最劇烈狀況下，半長軸為 3 R_E，離心率為0.4之軌道，不同傾角及矽板模擬所得之輻射劑量	31

 
表目錄

表一 AE9/AP9模型包含之粒子種類及其能量範圍	6
表二 模擬中所挑選之軌道參數	10

[1] 	C. Poivey, “Radiation Effects in Space,” in 6th EIROforum School on Instrumentation, Noordwijk, 2019. 
[2] 	丁健恩（2019）。運用AP-8及AE-8輻射帶模型計算各種衛星軌道之累積粒子通量。淡江大學航空太空工程學系碩士班碩士論文，新北市。 取自https://hdl.handle.net/11296/badgz9
[3] 	T. Ersmark, “Geant4 monte carlo simulations of the international space station radiation environment,” Ph.D. dissertation, KTH, Physics, 2006
[4] 	M. Lund and T. Jevremovic, “Enhanced GEANT4 Monte Carlo simulations of the space radiation effects on the International Space Station and Apollo missions using high-performance computing environment,” Acta Astronautica, vol. 165, pp. 219-228, 2019. 
[5] 	J. Barylak, O. V. Dudnik, T. Woźniczak, V. O. Adamenko, R. V. Antypenko, N. V. Yezerskyi, M. Kowaliński, I. Y. Lazarev, A. Zielińska, J. Sylwester, J. Bąkała, and P. Podgórski, "Simulation of CubeSat caliber particle detector “MiRA_ep” response to energetic electrons and protons using GEANT4 package," in Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments 2019, 2019. 
[6] 	L. Y. Khoo, X. Li, and R. Selesnick , "Overcoming the Challenges of Measuring Energetic Particles in the Inner Belt: A Geant4-based Performance of an Energetic Particle Detector Instrument, REPTile-2," in AGU Fall Meeting Abstracts, SH013-08, 2020. 
[7] 	D. Hastings and H. Garrett, Spacecraft-environment interactions, Cambridge University Press, 2004. 
[8] 	G. P. Ginet, T. P. O’Brien, S. L. Huston, W. R. Johnston, T. B. Guild, R. Friedel, C. D. Lindstrom, C. J. Roth, P. Whelan, R. A. Quinn, D. Madden, S. Morley and Yi-Jiun Su , “AE9, AP9 and SPM: New Models for Specifying the Trapped Energetic Particle and Space Plasma Environment,” Space Science Reviews, vol. 179, pp. 579-615, 2013. 
[9] 	S. Agostinelli, J. Allison, K. Amako, J. Apostolakis, H. Araujo, P. Arce, M. Asai, D. Axen, S. Banerjee, G. Barrand, F. Behner, L. Bellagamba, J. Boudreau, L. Broglia, A. Brunengo, H. Burkhardt, S. Chauvie, J. Chuma, R. Chytracek, G. Cooperman, G. Cosmo, “GEANT4—a simulation toolkit,” Nuclear instruments and methods in physics research section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 506, no. 3, pp. 250-303, 2003. 
[10] 	G. Santin, “Normalisation modeling sources, ”in Geant4 tutorial, Paris, 2007.