载人航天飞行的辐射风险和效应研究精讲.ppt

11/18/2012 CAS－NSSC 载人航天飞行的 辐射风险和效应研究 （2012第二届载人航天学术大会论文C03） 周大庄，王世金，张斌全，张珅毅，周平 中国科学院国家空间科学中心 (CAS-NSSC) dazhuang.zhou@ 本文要点 空间辐射 近地空间辐射主要是银河宇宙射线（GCR）、太阳活动高能粒子（SEP）、南大西洋异常区辐射带粒子（SAA）和由地球大气层散射引起的反照质子和中子。在太阳活动平静期，深空间辐射主要来自 GCR。 NASA,ESA 和 NSSC(中科院国家空间科学中心)的空间辐射测量: STS, ISS，Matroshka，TG-1 (天宫一号）。 载人航天飞行的一大障碍是空间辐射导致的宇航员辐射风险和微电子器件辐射效应。为确保航天员和微电子器件的的航天飞行安全，必须透彻地研究宇航员和微电子器件受到的辐射并科学地评估辐射风险和效应。 辐射风险的评估方法：模拟方法和实验方法。 载人火星飞行的宇航员辐射风险。 宇航员的辐射风险和微电子器件的辐射危害的应对措施。 1. 近地轨道辐射 近地轨道辐射由银河宇宙线、太阳高能粒子、南大西洋异常粒子和反照粒子组成。 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, 由太阳耀斑产生， 主要是能量约为10 MeV到1 GeV 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。 地球辐射带 - Van Allen belts 由Van Allen于1958年发现 [1]，它包含内离子带和外离子 带以及内电子带和外电子带。SAA是地球辐射带中最接近地球表面的部分，SAA的边界可以 低到 ~200 km。当穿过SAA时，宇航员将受到较强的辐射。观测结果表明，SAA对高倾角 STS (Space Transportation System) 飞行和国际空间站 ISS（International Space Station） 的辐射贡献可达总剂量当量的~20%。SAA 辐射随飞行倾角的减小而增大。 内辐射带的捕获离子和外辐射带的电子对近地轨道卫星和宇航员可造成大的危害，因为 它们能够获得穿透相当深度物质的能量。然而由于离子是高线性能量传输 （Linear Energy Transfer - LET）粒子，电子是低 LET 粒子，如下一节所述，辐射危害主要是由高 LET 粒子 造成，所以辐射危害主要来自内辐射带离子。 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。 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 1~2 GeV/n。GCR可来源于超新星、脉冲星和高能活动星系，产生后由星际激波加速和费米 加速等机制加速到高能。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1022eV/n。GCR核成 分是近地轨道辐射的主要贡献者。GCR中的一部分可被地球磁层、地球大气和地球物质所屏 蔽。GCR对空间旅行者构成的辐射危害是持久的不断积累的，在深空旅行中更为显著。 航天辐射对宇航员和 微电子器件的危害 辐射对宇航员的影响/危害是对细胞、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。研究表明，辐射风 险随LET的增加而升高，高LET (≥10 keV /μm water) 辐射占统治 [2-6]。 GCR重核是GCR中的高LET成分，因为它们的高能量和长射程，不能 有效地屏蔽。因此GCR重核的测量[7]和辐射风险以及应对措施对载人航 天飞行来说是一个重要课题。如后面所述，CR-39探测器是测量重核的最 合适的被动探测器。 图1表明辐射风险截面随粒子LET值的变化 [2]。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LET值和风险截面。总的辐射风险是微分辐射风险的总和。 辐射对宇航员可引起不同的效应。除早期和晚期确定性效应外，最受 关注的是致癌风险，这是宇航员最主要的辐射风险。利用对宇航员测量的 辐射LET谱和从辐射生物学得到辐射风险截面能够计算辐射风险。与模拟 方法相比，这种方法是实验性质的。 表1 列出了辐射有效剂量（Sv）的职业限量值，其值是依据 NCRP (National Council on Radiation Prot