空间辐射对载人航天的危害及应对措施

空间辐射对载人航天的危害及应对措施

1深空和深空间辐射的风险附近空间辐射主要由蒙古宇宙线（gcr）、太阳高能耗颗粒（pm）、南大西洋异常区域辐射带颗粒（saa）和反射颗粒组成。在太阳活动平静期,深空辐射主要来源于GCR。由于地球的遮挡和地磁场的保护,近地空间的辐射低于深空中的辐射。深空中通常不存在和地球相似体积和磁场的星体,航天器外壳及内部物质是最可能的辐射屏蔽体。深空的强辐射和辐射风险是载人航天的一个重要关注对象。带电粒子和中子穿过人体时能够电离人体细胞,损坏人体基因,对航天员健康造成危害。航天辐射对航天员生命健康的危害是载人航天的一个障碍。因此,在任何长时间载人飞行前,应该对航天环境辐射场和辐射风险进行系统的研究。本文讨论近地空间的辐射和辐射风险,提供重要的辐射测量结果、辐射风险估算实验方法,以及火星载人飞行的辐射风险评估和辐射危害的应对措施。2地球辐射带与反照粒子辐射风险近地空间辐射由GCR、SEP、SAA和反照粒子构成。GCR来源于太阳系之外,由~98%的重子和~2%的电子组成,GCR粒子的平均能量约为1~2GeV/n。GCR是各向同性的,同时又受到太阳磁场和地球磁场调制。GCR核成分由~87%质子、12%氦核和~1%重核组成,能量可高达1021eV/n。GCR核成分是近地空间辐射的主要贡献者。GCR中的一部分可被地球磁层、地球大气和地球物质所屏蔽。太阳高能粒子由太阳耀斑产生,主要是能量约为10MeV到1GeV的质子。强太阳宇宙线事件可能会产生非常高的粒子通量,对地球环境产生严重的影响。载人航天飞行应该避开太阳高能粒子事件。太阳高能粒子事件的发生周期大致是11年,与太阳黑子活动周期相似。地球辐射带由VanAllen于1958年发现,包含内辐射带和外辐射带。SAA是地球辐射带中最接近地球表面的部分,其边界最低可达200km。当航天器穿过SAA时,航天员受到较强的辐射。研究表明,SAA粒子对国际空间站的辐射可达总量的20%。反照粒子是从地球大气层散射到近地空间的质子和中子,这些粒子产生于GCR和地球大气层物质的相互作用。反照粒子的辐射危害比GCR和SAA弱。辐射风险和危害与辐射粒子在传播物质中的能量损失密切相关。图1示出辐射风险截面随粒子传能线密度LET(LinearEnergyTransfer)值的变化。图中辐射风险截面是辐射粒子引起的癌症死亡概率。微分辐射风险正比于微分粒子流量、粒子的LET值和辐射风险截面。总的辐射风险是微分辐射风险的总和。图1表明,辐射风险随传能线密度LET值的增加而升高,高LET(≥10keV/μm水)辐射占统治。空间辐射中高LET辐射占主要,因此可对航天员造成较大的危害。GCR和辐射带粒子中的重离子是高能高电荷粒子(HZE),其能量高、射程长、穿透本领强,难以屏蔽,HZE粒子是高LET粒子的重要组成部分。重离子辐射有重要的生物学意义,它们能够沿着在物质中的运动径迹产生极强的电离,杀死路径上的大量细胞。人眼对高LET辐射很灵敏,历史上早已记录到源自GCR重离子辐射的航天员视网膜闪光,长时间高LET辐射会造成视网膜混浊和白内障。其它辐射效应包括不育和造血功能下降。空间辐射对航天员的影响和危害主要是对细胞、染色体、DNA、中枢神经系统、骨髓、皮肤造成破坏,并诱发癌症、白血病和白内障。高LET辐射造成的危害难以消除和修复。空间辐射效应和危害可分为早期和晚期效应,最常见的早期辐射症状包括厌食、恶心、乏力、呕吐和腹泻等;晚期辐射症状主要是器官癌症,中枢神经系统破坏,白内障和生育能力障碍。其中占主要地位的癌症死亡概率可以用模拟方法和实验方法进行计算。模拟方法是目前使用最多的方法,它的不足之处是计算结果的不确定性可能大到400%~600%。因此有必要推出新的方法,即基于辐射传能线密度LET测量谱和辐射风险截面的辐射风险计算实验方法。3辐射环境的测量3.1空间辐射被动探测器的测量主动剂量计组织等效正比计数器TEPC、被动剂量计CR-39核径迹探测器和热释光探测器TLD均用于NASA空间辐射探测研究。TEPC、CR-39和TLD探测器的LET响应范围依次为全LET(0.2~1250keV/μm水)、高LET(≥10keV/μm水)和低LET(≤10keV/μm水)。CR-39探测器能够测量带电粒子,包括高电荷高能量粒子HZE,空间HZE粒子主要是GCR重离子。CR-39探测器还可通过探测中子在CR-39中产生的次级带电粒子测量中子。在空间辐射被动探测器中,CR-39对高LET灵敏且能够测量LET谱,其它被动探测器如TLD对高LET不灵敏,也不能提供LET信息。CR-39探测器空间辐射LET谱,其重点是CR-39探测器的LET定标,人工事例识别和数据扫描,以及对长时间暴露导致的CR-39探测器灵敏度衰退的修正。详细的方法和步骤可以参见文献[7,9,10,11,12,13,14,15]。与TEPC测量的LET谱相似,CR-39探测器测量的LET谱包括微分和积分粒子通量、辐射剂量、剂量当量和品质因子。NASA被动剂量计模块由CR-39和TLD探测器组成,由航天员携带或者放置在航天飞机和空间站里选定的位置,包括乘组人员被动剂量仪CPDs、STS的被动辐射剂量仪PRDs和ISS的区域辐射监测仪ARMs。辐射LET谱和辐射剂量可通过TEPC和CR-39探测器测量,另外辐射剂量还可由TLD近似测量。被动辐射测量方法中的全LET辐射量可以通过综合CR-39和TLD的测量结果得到。除了使用上述辐射探测器对辐射环境和辐射量剂量行测量以外,ISS上还使用了其它几种探测方法和探测器,如辐射粒子的电荷,能量和方向测量。目前,在ISS上运行的物理功能最全的辐射探测仪是意大利宇航局研制的宇宙线辐射效应仪ALTEA。ALTEA可精确测量带电粒子(Z=5~42)的方向能谱、LET谱和相对核丰度,从而提供有关ISS内部带电粒子及辐射效应的完整信息。通过ISS外部和内部空间环境的测量,就可以对航天辐射风险进行全面评估。我国在载人航天领域中也开展了粒子辐射测量,如用CR-39探测器测量神舟三号返回舱内的辐射和在天宫一号上用“多向高能粒子探测器”测量2π空间粒子分布。3.2辐射联合测量的结果3.2.1高、低联合测量的sts-119飞行辐射量STS-121飞行于2006年7月进行,倾角51.6°,飞行307h。STS-121飞行使用TEPC和CR-39测量辐射,CR-39附在TEPC计数管上。图2给出STS-121飞行的辐射剂量当量积分LET谱。从图中得到:(1)GCR辐射贡献占主要,SAA捕获粒子贡献较小,GCR和SAA捕获粒子的剂量当量贡献分别占总剂量当量的~79%和~21%;(2)TEPC和CR-39分别测量的高LET辐射结果符合很好。表1收集用TEPC和CR-39剂量仪测量的STS-121飞行辐射量,结果表明:(1)TEPC和CR-39测量的辐射量吻合;(2)HZE粒子的辐射剂量当量大约占总量的27%;(3)全部粒子的辐射和HZE粒子辐射的品质因子分别约为11和17。表2收集用TLD和CR-39对STS-121飞行所作的综合辐射量测量。结果表明:高、低LET辐射的剂量贡献分别约为总剂量的15%和85%;高、低LET的剂量当量贡献分别约为总剂量当量的67%和33%,高LET辐射占主要。3.2.2组织等效聚乙烯屏蔽辐射结果ISS-Expedition12于2005年9月30日到2006年4月8日进行,总计190d,使用TEPC和CR-39测量辐射。图3给出此次飞行剂量当量的积分LET谱,其中CR-39测量结果考虑了灵敏度修正。图中,SM-P代表服务舱组,TESS代表临时睡眠站,站内装有组织等效聚乙烯屏蔽层。结果显示:(1)TEPC和附在TEPC上的CR-39探测器测量到的高LET辐射谱互相符合;(2)辐射最低的是TESS区,这一结果表明,用组织等效聚乙烯屏蔽辐射非常有效。表3收集由TEPC和CR-39探测器测量的ISS-Expedition12辐射结果。表4收集由TLD和CR-39探测器综合测量得到的辐射量。由TEPC测量的全LET辐射结果也列于表4。表3和表4的数据表明,由TLD和CR-39探测器综合测量的辐射和由TEPC测量的结果相符。3.2.3cr-33探测器和hze模型辐射的测量Matroshka是欧空局的一个研究近地轨道航天员不同器官辐射剂量分布的实验装置。Matroshka-1从2004年1月29日至2005年10月10日在ISS轨道上停留616d,其中77d在ISS内部,539d在俄罗斯Zvezda舱外。Matroshka-2安装在俄罗斯Zvezda舱内,自2005年12月21日至2006年12月22日,总的辐照时间367d。Matroshka实验是长时间辐照,CR-39探测器灵敏度衰退的修正显得非常重要。数据表明,对Matroshka-1辐射,CR-39灵敏度修正前后的剂量当量差别可达40%。下面报道的Matroshka辐射测量结果均考虑了CR-39探测器灵敏度衰退修正。辐射结果还包括GCR重离子的辐射。HZE粒子不能被TEPC和TLD从其它粒子中分离,但能够被CR-39探测器准确测量。图4和图5给出CR-39探测器测量的Matroshka剂量当量积分LET谱。表5收集CR-39探测器测量的Matroshka辐射量。结果表明:(1)在前胸和后背(人体模型雨披1、2、5、6)处的辐射几乎相同,最低的辐射在胃部;(2)对Matroshka-2,相应于参照位置2、雨披1、2、5、6和胃部,HZE粒子分别贡献了总剂量当量的30.3%、30.0%、28.2%、28.7%、27.8%和25.5%;(3)ISS对高LET的屏蔽效果很好,在ISS内部位于雨披1、5、眼部和胃部处的辐射剂量当量相对于ISS外部分别下降了50%、43%、27%和29%。3.2.4高能粒子辐射环境测量由我国研制的“多向粒子探测器”随天宫一号于2011年9月发射升空,对载人航天轨道上的高能粒子辐射环境进行了精细测量,包括质子、电子的能谱分布以及粒子投掷角分布。图6和图7分别绘出SAA电子(>200keV)和质子(1.4~4MeV)的观测结果。3.2.5gcr重离子辐射神舟三号于2002年3月25日升空,4月1日返回,轨道远地点343km,近地点200km,轨道倾角42°,飞行时间为162.65h。此次空间任务返回舱内的CR-39探测器成功测量了GCR重离子辐射。图8绘出辐射剂量当量积分LET谱。数据显示,高LET(≥10keV/μm水)重离子辐射为52.47μSv/d,与NASA的STS-112(2002年10月,51.6°)舱内GCR重离子辐射83.96μSv/d相比有较大的差别。一个重要原因可能来自不同的飞行倾角,粒子地磁截止刚度不同,神舟三号所受辐射应小于STS-112所受辐射。另一原因可能是航天器的屏蔽不同和航天飞行任务日期不同。4确定ets的at辐射谱Matroshka实验提供了一种用CR-39探测器确定不同器官的LET辐射谱的方法。利用器官的高LET辐射测量谱和辐射风险截面可以计算出辐射诱发的人体器官的癌症风险概率。4.1辐射危害的测量辐射风险可以由传统模拟方法和正在研究的LET谱实验方法评估计算。由于模拟方法存在某些内在的难以消除的缺陷如高辐射风险误差,实验方法具有研究价值和实用性。在辐射风险计算的LET谱方法中,因器官接受辐射导致的终身致命癌症的超出概率可以用CR-39探测器测量得到的LET谱和辐射风险截面计算。器官LET谱可用人体表面附近的LET谱和Matroshka实验的人体表面和内部器官的辐射关系得到。CR-39探测器是目前唯一的可以测量高LET辐射谱(≥5keV/μm水)的个人剂量计。这些实验结果对评估和深入研究航天员受到的辐射危害有重要意义。在辐射危害实验计算中,微分辐射危害r(i,j)可表示为r(i,j)∝f(i,j)×cs(i,j)×LET(i,j),式中f(i,j)、cs(i,j)和LET(i,j)分别表示第i个LET窗口和第j个器官的粒子微分流量、辐射风险截面和LET值。其中f(i,j)可用从Matroshka实验中得到的器官剂量和总剂量之间的关系确定。第j器官积分辐射风险R(j)可通过从高LET到低LET的微分风险求和得出。在这种辐射风险计算方法里,风险误差主要来自辐射风险截面的误差和测量粒子的统计误差。分析表明,后者较小,因此辐射风险误差主要由辐射风险截面误差决定。4.2辐射风险的随机谱法的计算和分析4.2.1氡辐射可能会导致肺癌地面天然环境辐射氡α粒子的辐射导致的辐射风险(总的和不同器官的,尤其是肺癌)能够利用CR-39探测器测量的LET谱和辐射风险截面以及从Matroshka仿真实验获得的不同器官的辐射量关系计算。氡气已经被研究判定为第二大致肺癌原因,仅次于吸烟。根据美国国家健康研究所NIH进行的统计调查,全美每年大约有15400到21800肺癌患者死亡(各种年龄和性别),或大约10%到14%的肺癌死者死于环境氡α辐射。实验方法计算出的死于地面天然氡辐射诱发肺癌的风险约为每年19000人,与调查的死亡平均数吻合甚好。这一结果表明氡辐射导致的肺癌死亡人数能够用实验方法准确计算。这一研究表明:(1)实验方法计算辐射风险是成功的;(2)用CR-39探测器测量地面天然辐射的LET谱方法也是成功的;(3)CR-39探测器测量的氡α辐射的LET谱合理可信。4.2.2辐射风险误从模拟方法评估的标准在现阶段和可预见的将来,公众不可能得到因空间辐射引起的航天员的辐射风险和癌症死亡率信息。在这个研究领域,迄今为止几乎所有的信息都来自模拟方法。使用实验方法可以得到可靠而有价值的结果,因为实验方法所使用的公式,辐射LET谱和辐射风险截面都可靠,而且实验方法的辐射风险误差肯定小于模拟方法中高达400%~600%的误差。以火星之旅为例用实验方法进行空间辐射的风险计算。基于过去的实验和理论研究已知:(1)太阳活动极小期间深空间的主要辐射贡献者是GCR,如果飞往火星的时间大约为6个月,辐射约为0.3Sv;(2)在火星上停留18个月,辐射剂量约为0.4Sv。因此,这趟火星之旅的总辐射约为1Sv.计算出的中年男性航天员的来自高LET辐射的辐射风险大约是2.8%,略低于NCRP推荐的辐射风险限值3%。如果加上低LET辐射的贡献,火星之旅的总辐射风险可达3%,与其它方法计算的辐射风险吻合。辐射风险误差主要来自辐射风险截面误差,与实验观测粒子数相关的统计误差较小。但是目前还没有可靠的辐射风险截面误差。实验方法中辐射风险误差有待合理地确定。4.3近地轨道行人飞行的辐射风险限值设定和建议虽然基于LET谱方法计算出的火星之旅辐射风险小于3%,但如果同时考虑其它有关的辐射风险,如中枢神经系统、白血病、白内障等,实际上总的空间辐射风险可能高于3%。这就需要采取各种可能的途径来应对和减小辐射风险。在近地轨道,迄今为止航天员所受到的辐射还从来没有超过3%的辐射风险限值,因此近地轨道载人航天飞行应该是安全的,除非飞行时间远远超过历史上的记录。事实上,停留在火星的时间可以远远短于本文假定的十八个月,如果再采用新的动力系统(如核推进)飞行时间还有可能缩短,这样就有可能将总的辐射风险减到~2%。国际空间站睡眠舱的低辐射归功于舱内铺设的组织等效塑料吸收层。飞船屏蔽也可以采用这种质量轻、辐射吸收能力强的材料做辐射屏蔽。除了被动式辐射屏蔽,还可以使用主动式辐射屏蔽,如NASA和ESA正在研究的超导磁场、静电场和等离子场带电粒子屏蔽。人类具有逐渐适应恶劣环境的能力,因此辐照年龄长的航天员适应和承受辐射的能力较强,选用年龄较大的男性航天员能够减小辐射风险。总之,如果综合采用以上各种可行的应对措施,并且服用和进食能够降低辐射综合症和危害的药物和食品。完全有可能使总