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
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。
