美國、蘇聯(lián)俄羅斯載人航天器輻射劑量監(jiān)測技術(shù)及結(jié)果分析

美國、蘇聯(lián)俄羅斯載人航天器輻射劑量監(jiān)測技術(shù)及結(jié)果分析

1環(huán)境輻射監(jiān)測人類實(shí)現(xiàn)人類太空以來，美國、蘇聯(lián)、俄羅斯和其他國家非常重視對航空航天結(jié)構(gòu)和載人的輻射測量和分析。其中，每一次的累積劑量都是很重要的。他們使用多種輻射監(jiān)測方法,包括主動劑量測量方法(使用有源探測儀器)和被動式劑量測量方法(使用無源探測器件),以監(jiān)測航天員全身及身體各部位接受的劑量、艙內(nèi)累積劑量、入射粒子能譜和線性能量轉(zhuǎn)移(LinearEnergyTransfer,LET)譜等,并研究屏蔽效應(yīng)及輻射水平的動態(tài)變化,為航天員安全飛行提供重要數(shù)據(jù)。航天器艙內(nèi)環(huán)境輻射監(jiān)測的主要目的是實(shí)時為地面提供艙內(nèi)輻射劑量的有關(guān)信息,以決策是否對航天員采取應(yīng)急防護(hù)措施,為載人航天器飛行期間輻射安全的評價提供重要依據(jù)。主動劑量測量方法是將實(shí)時劑量信息遙測、顯示或存儲/回放的劑量學(xué)方法,該方法在空間飛行時一般需消耗電源,其優(yōu)點(diǎn)是能夠提供輻射劑量隨空間位置和時間變化的有關(guān)信息。載人航天器輻射劑量監(jiān)測經(jīng)常使用的主動劑量測量計有電離室、G-M計數(shù)管、正比計數(shù)管、半導(dǎo)體探測器等。被動劑量測量方法是指不能實(shí)時提供劑量的信息、只能等航天器返回著陸后再測讀累積劑量數(shù)據(jù)的測量方法,該方法要求劑量計存儲的輻射劑量信息在飛船或衛(wèi)星離軌返回后隨時間的衰退必須很小,其優(yōu)點(diǎn)是在空間飛行時一般不需消耗電源。被動劑量計一般使用一些固體材料,故也稱為固體劑量計。常用的被動劑量計有熱釋光探測器(thermo-luminescentdectors,TLDs)與核徑跡探測器(有核乳膠徑跡探測器、固體核徑跡探測器),用于測量航天員吸收劑量或確定航天器艙內(nèi)輻射劑量的分布。2檢測方法設(shè)計在載人航天實(shí)施的最初十年,幾乎使用過所有類型的無源探測方法,如熱釋光測量法、光激發(fā)光法、中子激活法、核徑跡探測法等,將各種無源探測器組成輻射劑量計包放置在艙內(nèi)及航天員身體的不同部位,以測量累積劑量和其他參數(shù)。2.1輻射劑量監(jiān)測美國早期載人航天器主要包括“水星”、“雙子星座”、“阿波羅”和“天空實(shí)驗室”系列,其上的輻射劑量監(jiān)測設(shè)備如表1所示。從表1中可以看出,早期輻射劑量監(jiān)測主要以被動測量為主,劑量探測器以固體核徑跡探測器和LiF熱釋光劑量計為主。美國航天飛機(jī)飛行起始于1981年4月12日,飛行的軌道高度為215-615km,軌道傾角在28.5°-62°之間。輻射劑量探測器主要有:(1)正比計數(shù)器,測量軌道輻射的LET譜;(2)小型劑量儀RME-III,為小體積便攜式劑量儀,測量輻射劑量隨時間的變化;(3)被動劑量包,由3個靜電型劑量計、熱釋光劑量計和中子活化片以及低能中子劑量計一起構(gòu)成。美國早期的載人飛行航天員輻射劑量的監(jiān)測結(jié)果為:輻射劑量隨著軌道高度和傾角而變化,空間飛行期間暴露的最高平均輻射劑量率為1.27mGy/d(“阿波羅-14”,飛行了216h),吸收的最高總劑量為77.41mGy(“天空實(shí)驗室-4”空間站,飛行時間為90d)。測量的南大西洋異常區(qū)(SAA)的輻射劑量嚴(yán)重,如“雙子星座-4”(296km/32.5°)南大西洋異常區(qū)吸收劑量貢獻(xiàn)約占總劑量的82%,“雙子星座-6”(311km/28.9°)南大西洋異常區(qū)吸收劑量貢獻(xiàn)約占總劑量的68%。美國航天飛機(jī)的航天員飛行輻射劑量監(jiān)測結(jié)果顯示,飛行期間暴露的最高平均輻射劑量率為2.29mGy/d(“STS-31”航天飛機(jī),飛行了94h),最低平均輻射劑量率為0.035mGy/d(“STS-38”航天飛機(jī),飛行了118h),吸收的最高總劑量為10.14mGy(“STS-61”航天飛機(jī),飛行了243h)。2.2輻射劑量監(jiān)測蘇聯(lián)/俄羅斯從1961年4月12日發(fā)射世界上第一艘載人飛船“東方1號”起,每次載人航天飛行任務(wù)都對航天員實(shí)施了輻射劑量監(jiān)測,主要包括“東方號”、“上升號”和“聯(lián)盟號”系列飛船,“禮炮號”系列和“和平號”空間站,飛行的軌道高度為210-500km,軌道傾角在51.6°-73°之間,其裝備的輻射劑量監(jiān)測設(shè)備如表2所示。從表2中可以看出,早期的輻射劑量監(jiān)測主要以被動測量為主,劑量探測器以電離室、固體核徑跡探測器和熱釋光劑量計為主。各次載人航天器劑量監(jiān)測結(jié)果表明,輻射劑量隨著軌道高度和傾角而變化,最高平均輻射劑量率為0.65mGy/d(沒有太陽質(zhì)子事件),最低平均輻射劑量率為0.072mGy/d,吸收的最高總劑量為183mGy(“和平號”空間站,飛行了313d)。測量的SAA的輻射劑量嚴(yán)重,如“和平”號空間站(410km/51.6°)僅有7%-8%的時間穿過SAA,但吸收劑量貢獻(xiàn)約占其總劑量的66%。1989年9-10月蘇聯(lián)/俄羅斯的“和平號”空間站內(nèi)太陽質(zhì)子事件輻射劑量監(jiān)測結(jié)果如表3所示。監(jiān)測結(jié)果表明,太陽質(zhì)子事件(solarprotonevents,SPE)對艙內(nèi)和航天員的影響比較大,如在1989年10月19日特大SPE的劑量是同年10月22日大SPE的劑量的9倍左右(艙內(nèi)為8.8倍,航天員為9.625倍)。2.3我國出艙評論員劑量測量從調(diào)研資料來看,目前空間站輻射劑量監(jiān)測裝備中,保留下來只有熱釋光測量法中的氟化鋰(LiF)探測器、核徑跡探測法中的固體核徑跡探測器(特別是CR-239)。另外裝備的空間站輻射劑量探測儀主要有:(6)“LiuLin”劑量儀;(7)TEPC劑量監(jiān)測儀;(8)RADFET劑量儀(用于MIR空間站)等。1997年4月29日俄羅斯和美國聯(lián)合測量了“和平號”空間站航天員出艙活動期間的輻射劑量率和輻射劑量。劑量測量使用熱釋光劑量計(置于俄羅斯“奧蘭”航天服外面的專用口袋內(nèi))。測量結(jié)果表明,美國出艙航天員的劑量和劑量率分別為0.415mGy和1.474mGy/d,俄羅斯出艙航天員的劑量和劑量率分別為0.373mGy和1.675mGy/d。其間空間站艙內(nèi)的對照劑量和劑量率分別為0.144mGy和0.372mGy/d。由此可見,出艙活動的平均劑量率為1.575mGy/d,是艙內(nèi)劑量率的4.23倍。3tectors法“神舟3號”和“神舟4號”飛船返回艙中安裝了CR-39固體核徑跡探測器(solid-statenucleartrackdetectors,SSNTDs),它是由6層CR-39(片厚約0.7mm)和5層鋁片(片厚約0.5mm)交替疊合組裝而成。探測器粘貼在返回艙的內(nèi)壁上,接收面積為110cm2,測量“神舟3號”飛船返回艙內(nèi)的重離子的LET譜、吸收劑量、等效劑量及其隨屏蔽物質(zhì)厚度的變化,測得2565個徑跡,得到LET譜如圖1所示。需特別指出的是,該探測器只能進(jìn)行重離子的總輻射劑量的測量,存在一定的局限性。4我國死者監(jiān)測的主要方法有低地球軌道載人航天的輻射劑量主要由4個部分組成:(1)穿越SAA的地磁捕獲輻射劑量。如國內(nèi)在1994年和1996年在兩次返回式衛(wèi)星艙內(nèi)進(jìn)行的輻射監(jiān)測(LiF劑量計)結(jié)果:SAA最高劑量率為420μGy/h(一般情況下劑量率約為2.5μGy/h),吸收劑量貢獻(xiàn)約占總劑量的37%。(2)高緯度地區(qū)捕獲輻射和銀河宇宙射線所呈現(xiàn)的地磁緯度效應(yīng)引起的輻射增強(qiáng)。(3)其他銀河宇宙射線的輻射劑量。(4)潛在的太陽質(zhì)子事件劑量。在劑量監(jiān)測設(shè)計中需考慮太陽質(zhì)子事件引起的大劑量率和累積劑量,選取合適的劑量量程。國外經(jīng)過前蘇聯(lián)和美國的多次空間測量比較,目前逐漸淘汰了LiF以外的其他熱釋光探測器。由于CaF2和CaSO4的能量響應(yīng)較差,Li2B4O7和BeO的靈敏度較低,Al2O3則有光敏性較強(qiáng)、退火溫度高、時間長等缺點(diǎn),空間輻射劑量以LiF劑量計使用得最多。LiF探測器具有靈敏度適中、組織等效性和能量響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn),已成為測量航天器艙內(nèi)和航天員累積劑量的常用探測器,迄今公開的航天員飛行劑量數(shù)據(jù)絕大多數(shù)為LiF劑量計測量結(jié)果。LiF探測器的缺點(diǎn)是不能提供LET譜和劑量當(dāng)量。結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,作者建議我國載人航天器輻射劑量監(jiān)測的主要方法應(yīng)是主動和被動劑量測量方法相結(jié)合:主動劑量測量方法實(shí)時監(jiān)測艙內(nèi)輻射劑量率(組織或吸收體)和累積劑量的變化,盡可能地反映出航天員工作期間的輻射環(huán)境;被動劑量測量方法確定艙內(nèi)輻射劑量分布以及航天員所吸收的輻射劑量。載人航天器輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)能滿足如下要求:(1)應(yīng)能連續(xù)監(jiān)測艙內(nèi)輻射劑量率(組織或吸收體)和累積總劑量,這對了解艙內(nèi)輻射環(huán)境、預(yù)報輻射環(huán)境的惡化和計算航天員吸收劑量是重要的;(2)應(yīng)能在很大的劑量率范圍內(nèi)(1μGy/h-1Gy/h)測量吸收劑量,因為既要考慮輻射環(huán)境平靜期的低劑量率水平,也要考慮特大SPE可能產(chǎn)生的高劑量率;(3)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)能監(jiān)測艙內(nèi)的粒子能譜,以便計算組織或吸收體的深度劑量或劑量-深度曲線,為航天員及輻射敏感電子設(shè)備的輻射屏蔽提供依據(jù);(4)為了確定艙內(nèi)的輻射平均品質(zhì)因數(shù)Q和劑量當(dāng)量,監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)能監(jiān)測小于10keV/μm(水中)的LET譜和大于100keV/μm(水中)的LET譜。(1)JSC-TEC(JohnsonSpaceCenter’sTissueEquivalentProportional)劑量儀,LET譜范圍0.2-1250keV/μm;(2)R-16個人劑量儀(俄羅斯生產(chǎn));(3)DOSTEL(dosimeter-telescope)劑量儀(德國生產(chǎn))。由硅探測器構(gòu)成望遠(yuǎn)鏡探測系統(tǒng),測量SAA和銀河宇宙射線(GCR)的劑量率和粒子LET譜;(4)RR