空间辐射环境的太阳活动性效应

空间辐射环境的太阳活动性效应

1空间辐射生物学效应是重要环节在带电粒子辐射环境中暴露出来的探测器可以采取适当的措施来减少辐射的有害，但这种有害不能完全避免。因为空间中的电粒子辐射能量很高，它可以穿过物体的深度和物质。与地球大气约等效于10m深的水屏蔽效果相比较而言,载人航天器的外壳提供的屏蔽厚度仅约1～30cm,因此航天器上的仪器设备屏蔽厚度取决于安装在其内部的位置。航天员居住在为其特殊建造的舱内,但是居住舱段所能提供的屏蔽厚度远远赶不上地球大气层提供的屏蔽厚度。因此,像“国际空间站”上工作的人员,由于长期地暴露在银河宇宙线和地球辐射带环境中,致癌死亡率是相当大的,所以航天员被视为从事放射性专业的人员。航天员出舱活动,遭遇太阳高能粒子事件的概率是很高的,可导致急性的辐射效应发生。在评价航天员的辐射生物学效应危险性时,辐射环境可能的最大精确性是最重要的问题之一。空间辐射生物学效应是由空间辐射环境引起的。地球空间辐射环境由地球辐射带、银河宇宙线和太阳宇宙线三部分组成,它们的变化受太阳活动性所驱使。到目前为止,航天工程使用的空间辐射环境模式,例如,地球辐射带模式由质子AP8和电子AE8模型组成。AP8模型分为AP8max和AP8min,AE8模型分为AE8max和AE8min,分别对应太阳活动高年和太阳活动低年。这些模型是美国上世纪60年代起,由近30颗卫星测量结果综合分析编制而成。这是一个静态的统计平均模型,没有包括大的地球磁暴和太阳活动性。迄今,尚未有一个描述随太阳活动性而变化的地球辐射带模型。银河宇宙线和太阳宇宙线情况与此类同。所以空间辐射环境模型的精确性是当前和未来航天界、空间科学界所面临的巨大挑战,也是空间辐射生物学效应研究的瓶颈问题之一。带电粒子辐射对航天员造成的严重损伤是不可逆的。辐射剂量是累积的,大剂量的主要危险可能引发滞后的癌变;另一种危险会引发遗传因子的改变而影响后代。辐射对细胞的直接损伤会影响到中枢神经系统,还会引发白内障,降低航天员的视力。带电粒子辐射不仅是载人航天公认的主要问题之一,还是太阳系内载人探测器潜在的限制性因素之一。许多空间探测表明,空间的辐射水平比地表面的辐射水平高得多,航天员在空间接受的辐射剂量比地面人员接受的剂量要高100倍,甚至更高。更为重要的是空间存在高能重离子,它们的生物效应比其它带电粒子更大。迄今,航天员在空间飞行的时间一般不超过两周,仅有俄罗斯的几名航天员飞行时间超过了一年。虽然接受的辐射水平超过了致癌风险,但还是比美国辐射保护和测量委员会(NCRP)所推荐的航天员一生容许的接受辐射水平限制的风险要小,即小于航天员一生容许可超出接受辐射剂量水平的3%。空间带电粒子辐射对航天员的影响主要表现为:(1)使眼睛的玻璃球体不透明,或者生成白内障;(2)暂时性的无生育能力;(3)骨髓再生能力下降。表1是美国公众、放射性职业人员以及航天员一年所接受剂量的限制水平,单位为mSv(毫希沃特)。2受辐射的细胞损伤效应辐射对生物组织会引起严重损伤,但不是所有的辐射种类都是有害的。大气层外非电离辐射都是低功率谱密度,不会对航天员有什么危害。粒子辐射能量范围从几十eV到几GeV。粒子辐射有许多生物效应,甚至在很低水平就有生物效应,造成的损伤效应是累积的。一个单细胞受电离辐射,当它被电离开始出现病变,称作自由基,它具有强的反应能力。这种高强度电离辐射可能杀死许多细胞,或形成白内障,影响视力,甚至使中枢神经系统发生病变,直接影响人类的生存。受辐射更严重的症状是白细胞总数降低(随后会产生人体免疫系统的障碍),出现恶心,暂时的头发脱落,甚至死亡。即使较低水平的细胞损伤也会导致癌症产生,例如白血病。另外个别人的身体损伤会有遗传,直接影响到下一代。2.1小剂量板下室感染的主要临床意义辐射生物学效应分为两类:急性效应和滞后效应。急性效应是短期大剂量照射产生的瞬时效应;滞后效应是长期小剂量照射后产生的效应。载人航天初期,比较注意人体特殊器官的急性效应,关注电离辐射对某些组织的非随机直接损伤,尤其关心消化系统、血液循环系统和皮肤等症状及表现。随着航天活动知识、经验的增加与积累,更重视随机小剂量引起的滞后效应及其可能引发癌症和遗传效应的高风险性问题。在空间除大耀斑爆发伴随着太阳质子事件带来的高剂量率和大剂量照射外,大部分时间内受小剂量率照射。人一生接受低剂量后,特定的器官致癌及其死亡概率系数如表2所示,血小板的减少与吸收剂量的关系见表3。急性效应严重程度与接受剂量大小密切相关。通常接受剂量越大,急性效应越严重,但生物体的反应和所接受剂量的关系受多种因素影响,需考虑射线种类、能量、受射方式、剂量率及屏蔽等因素。对被照射人体,即使接受同样剂量,不同人的反应也不尽相同,有着明显的差异。2.2相对生物效应的测定现将与生物辐射效应相关的剂量、剂量当量、品质因子、相对生物效应作简要说明。剂量D单位:(1)拉德(rad),每克材料或者组织中吸收100尔格的能量,称为1rad,它是生物组织吸收的辐射能量,国际单位制是戈瑞(Gy),1Gy=100rad;(2)伦琴(roentgen),X或γ射线辐射在质量为dm的空气中释放出来的全部电子(正电子和负电子)被空气阻止时,在空气中产生一种符号的离子总电荷的绝对值dQ除以dm即R=dQ/dm,单位为库[仑]/千克,符号为C/kg。相对生物效应(RelativeBiologicalEffectiveness,RBE)。不同类型的辐射造成生物细胞损伤是不同的,即便是同一剂量照射,损伤也会不同。例如,等量γ射线剂量的中子生物学效应比等剂量质子的损伤大10倍。因此用拉德作剂量单位不是评价生物学效应的合适单位。RBE的建立,它相对γ射线和X射线已规范化,RBE均为1。另一种粒子辐射,例如重离子RBE为20,就是说,1拉德重离子的辐射剂量,造成的RBE是1拉德γ射线或X射线剂量的20倍。因此RBE是一新的剂量单位,称为雷姆(rem),它等效于人体接收的辐射剂量,相对生物效应与吸收剂量的关系是:剂量rem=RBE×rad。这样1rem剂量引起同样量的生物损伤,而与辐射源的种类无关。不同射线的相对生物效应如表4所示。剂量当量H(Doseequivalent):为在要研究的组织中某点处吸收剂量D、品质因子Q和其它一切修正因子N的乘积,即H=DQN。单位是rem(雷姆),国际单位制是Sv(希沃特),1Sv=1J/kg,1Sv=100rem。品质因子Q:生物组织接受特定辐射剂量所致生物效应的大小,是一个人工系数,除生物自身因素外,还与粒子类型和辐照的条件有关。辐射防护技术规定指出,特定器官的效应指标是由某些修正因子加权与该器官的吸收剂量推断确定的。这些修正因子用Q表示。不同粒子辐射的品质因子见表5。2.3高能重离子生物学特性载人航天关心的主要是带电粒子。高能重离子是轨道上带电粒子的重要成分之一,是近年国外研究的重要内容之一,主要集中在空间重离子生物效应。高能重离子大部分来自银河宇宙射线,其余来自太阳宇宙射线。用屏蔽方法对付银河宇宙射线其效果甚微。原子序数大于2,每个核子能量都超过50GeV,足够穿透1mm厚的航天服及航天器上的一般屏蔽物。太阳风给地球带来新粒子,特别是太阳质子事件(SPE)、太阳日冕物质抛射(CME),使通量增加几个量级,在持续几小时到几天的增加期间,应更重视高能重离子的生物效应。2.3.1临界辐射电导率微损伤是指一个高能重离子通过生物组织细胞时细胞受损伤的区域或范围。高能重离子进入人体,在其经过的路径上与细胞相互作用所损失的能量会储存在细胞组织中,造成细胞失去活力。重离子在生物组织中造成微损伤需要达到临界辐射电离水平的条件是:LET>200keV/μm,初级入射离子在组织中的路径长度大于10个细胞直径(即相当于300μm)。重离子穿过人体细胞组织时,每百个细胞吸收剂量为1rad,就能产生一条电离作用极强的径迹线,能贯穿许多细胞和细胞核,还会产生许多次级电子,在生物组织内形成一个δ射线半影区,半影区内的细胞在次级高能电子作用下,可接收剂量几十至上百rad,沿电离径迹形成一条死亡的细胞线。以径迹线为中心,周围的细胞会受不同程度的损伤,有的被杀伤,有的发生畸变,有的则变为恶性肿瘤细胞。2.3.2地面模拟试验“眼内闪光”是指航天员在舱内处在黑暗中眼睛内部出现的闪光现象,如美国阿波罗号飞船航天员登月时在月面上就出现过这种现象,美国阿波罗号与苏联联盟号联合飞行时,航天员总共出现82次闪光现象。地面模拟试验证实航天员在黑暗中眼睛内部闪光现象是高能重离子穿过视网膜时产生的。重离子穿过眼睛角膜时,使角膜上皮细胞形成小微孔,随著LET增大,微孔直径也增大,最大可达5μm,造成角膜损伤。3新的剂量限值载人空间活动的第一个“空间带电粒子辐射保护指南”是由美国空间科学部空间医学委员会所推荐的(1970年)。推荐航天员一生辐射剂量限值为4Sv,在20年内其致癌的风险不超过2.3%。航天员年剂量限值为750mSv。至今,俄罗斯航天活动辐射剂量限值仍是4Sv,而且一次瞬时剂量限值是0.5Sv。由于放射性生物学新数据的获得,1989年“美国国家辐射防护和测量委员会”(NationCouncilonRadiationProtectionandMeasurement,NCRP)的第75科学委员会,根据放射性生物学获得的新数据对它进行修订,采纳“航天活动是一项高危险性职业”的建议,认为航天员一生许可超出剂量限值的3%,引发致癌危险是合理的(除辐射危险外,还有其它更严重危险因素),并且按性别、10年为一时段,推荐一生剂量限值,但是国际放射防护委员会(InternationalCommissiononRadiologicalProtection,ICRP,1991)对此又有补充,认为除与年龄、性别有关外,其他因素(例如,需要考虑从一个人到另一个人危险模型的变化,不同国家的民族特征)在确定不同组织器官相对癌变危险性贡献可能更重要。NCRP-1998-1989与NCRP-132-2000的比较,如表6所示,NCRP-1998-1989用剂量当量单位,NRCP-132-2000是对NCRP-1998-1989的修订,用等效剂量单位,它要求生物组织和辐射粒子具有权重,因此NRCP-132-2000与粒子类型、能量及LET均无关,并明确NCRP-132-2000只适用于低地球轨道,即“低地球轨道空间活动辐射保护指南”(RadiationProtectionGuidanceforActivitiesinLowEarthOrbit),而NCRP-1998-1989适用于空间,即“空间活动辐射接收指南”(GuidanceonRadiationReceivedinSpaceActivity)。文献依据NCR