载人航天飞行的辐射风险和效应研究

1、11/18/2012CASNSSC1载人航天飞行的载人航天飞行的辐射风险和效应研究辐射风险和效应研究（2012第二届载人航天学术大会论文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中国科学院国家空间科学中心 (CAS-NSSC)(CAS-NSSC) 11/18/2012CASNSSC2本文要点本文要点空间辐射空间辐射 近地空间辐射近地空间辐射主要是银河宇宙射线（主要是银河宇宙射线（GCR）、太阳活动高）、太阳活动高能粒子（能粒子（SEP）、南大西洋异常区辐射带粒子（）、南大西洋异常区辐射带粒子（SAA）和）

2、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，静期，深空间辐射深空间辐射主要主要来自来自 GCR。NASANASA, ,ESAESA 和和 NSSC(NSSC(中中科院科院国家国家空间空间科学中心科学中心) )的的空间空间辐射测量辐射测量: : STS, STS, ISSISS，MatroshkaMatroshka，TG-1 (TG-1 (天宫一号）。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。险和微电子器件辐射效应。为确保航天员和微电子器件

3、的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。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辐射风险的评估方法：模拟方法和实验方法。：模拟方法和实验方法。载人火星飞行的宇航员辐射风险。载人火星飞行的宇航员辐射风险。宇航员的宇航员的辐射辐射风险风险和微电子器件的和微电子器件的辐射危害辐射危害的的应对措施应对措施。11/18/2012CASNSSC36/1/2022 导论导论 3 载人航天飞行涉及的障碍有：载人航天飞行涉及的障碍有：经济层面经济层面 - 航天飞行经费；航天飞

4、行经费；政治层面政治层面 - 航天飞行航天飞行是否国家核心利益；以及是否国家核心利益；以及辐射风险辐射风险 - 对宇航员生命健康的危害和对飞船上微电子器对宇航员生命健康的危害和对飞船上微电子器件的危害。其中，件的危害。其中，航天辐射风险长期以来一直被认为是所有载人航天飞行障碍中最航天辐射风险长期以来一直被认为是所有载人航天飞行障碍中最大的障碍。大的障碍。所以，应当重视和开展载人航天飞行的辐射风险研究。所以，应当重视和开展载人航天飞行的辐射风险研究。 由于地球的遮挡和地磁场的保护，近地轨道空间的辐射低于深空中的辐射。深由于地球的遮挡和地磁场的保护，近地轨道空间的辐射低于深空中的辐射。深空中通常不

5、存在和地球相似体积和磁场的星体，太空飞行器的外壳是最可能的辐射空中通常不存在和地球相似体积和磁场的星体，太空飞行器的外壳是最可能的辐射屏蔽体。在近地轨道之外，强辐射是载人航天飞行的主要关注对象，在飞行前就应屏蔽体。在近地轨道之外，强辐射是载人航天飞行的主要关注对象，在飞行前就应该找到辐射应对措施。该找到辐射应对措施。 研究表明，近地轨道辐射主要由银河宇宙线（研究表明，近地轨道辐射主要由银河宇宙线（GCR), 太阳高能粒太阳高能粒子子（SEP）、）、南大西洋异常（南大西洋异常（SAA）粒子和反照粒子组成；在太阳活动平静期，深空辐射主要）粒子和反照粒子组成；在太阳活动平静期，深空辐射主要是是GCR

6、。GCR随着太阳活动随着太阳活动11年周期而变化。在太阳活动活跃期，太阳可发射强粒年周期而变化。在太阳活动活跃期，太阳可发射强粒子辐射，主要是质子。载人航天飞行应该避开强太阳活动期。子辐射，主要是质子。载人航天飞行应该避开强太阳活动期。 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。因此，在任何长时间载人航天飞行前，应该对宇航员周围的辐射场和风造成危害。因此，在任何长时间载人航天飞行前，应该对宇航员周围的辐射场和风险进行透彻研究。险进行透彻研究。 本文讨论近地轨道的辐射和辐射风险，报道一些重要的

7、辐射测量结果，并讨论本文讨论近地轨道的辐射和辐射风险，报道一些重要的辐射测量结果，并讨论辐射风险估算的实验方法，火星载人飞行的辐射风险评估及辐射危害的应对措施辐射风险估算的实验方法，火星载人飞行的辐射风险评估及辐射危害的应对措施。11/18/2012CASNSSC41. 近地轨道辐射近地轨道辐射 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。 太阳高能粒子太阳高能粒子事件的发生周期大致是事件的发生周期大致是11年，与太阳黑子活动周期相似年，与太阳黑子活动周期相似, 由太阳耀斑产生，由太阳耀斑产生，主

8、要是能量约为主要是能量约为10 MeV到到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，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。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。 地球辐射带地球辐射带 - Van Allen belts 由由Van Allen于于1958年发现年发现 1，它包含内离子带和外离子，它包含内离子带和外离子带以及内电子带和外电子带。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，是地球辐射带中最接近地球表面的部分，SAA的边界可以的边界可以

9、低到低到 200 km。当穿过当穿过SAA时，宇航员将受到较强的辐射。时，宇航员将受到较强的辐射。观测结果表明，观测结果表明，SAA对高倾角对高倾角STS (Space Transportation System) 飞行和国际空间站飞行和国际空间站 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

10、得穿透相当深度物质的能量。然而它们能够获得穿透相当深度物质的能量。然而由于由于离子是高线性能量传输离子是高线性能量传输 （Linear Energy Transfer - LET）粒子，电子是低粒子，电子是低 LET 粒子，如下一节所述，粒子，如下一节所述，辐射危害主要是由高辐射危害主要是由高 LET 粒子粒子造成，所以辐射危害主要来自内辐射带离子。造成，所以辐射危害主要来自内辐射带离子。 反照粒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和地球大和地球大气层物质的相互作用。气层物质的相互作用。 GCR来源于太

11、阳系之外来源于太阳系之外，由，由98%的重子和的重子和2%的电子组成，的电子组成，GCR粒子的平均能量约为粒子的平均能量约为12 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。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核成分核成分由由87%质子、质子、12%氦核和氦核和1%重核组成，能量可高达重核组成，能量可高达1022eV/n。GCR核成核成分是近地轨道辐射的主要贡献者。分是近地轨道辐

12、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中的一部分可被地球磁层、地球大气和地球物质所屏蔽。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。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。11/18/2012CASNSSC5图：图：GCRGCR与太阳粒子的电荷谱与太阳粒子的电荷谱11/18/2012CASNSSC6图：图：GCRGCR微分能谱微分能谱11/18/2012CASNSSC7图：图：GCRGCR，SAA SAA 粒子和太阳粒子微分能谱粒子和太阳粒子微分能谱11/18/2012CASNSSC8图：图：GCRGC

13、R的太阳活动调制的太阳活动调制11/18/2012CASNSSC9图：图：GCRGCR的地磁纬度效应的地磁纬度效应11/18/2012CASNSSC10图：南大西洋辐射异常区图：南大西洋辐射异常区SAASAA11/18/2012CASNSSC11图：内外辐射带示意图图：内外辐射带示意图11/18/2012CASNSSC12图：辐射带粒子漂移示意图图：辐射带粒子漂移示意图11/18/2012CASNSSC132. 航天辐射对宇航员和航天辐射对宇航员和 微电子器件的危害微电子器件的危害 辐射对宇航员的影响辐射对宇航员的影响/危害是对细胞、染色体、危害是对细胞、染色体、DNA、中枢神经、中枢神经系系

14、统、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，辐射风险随险随LET的增加而升高，高的增加而升高，高LET (10 keV /m water) 辐射占统治辐射占统治 2-6。 GCR重核是重核是GCR中的高中的高LET成分，因为它们的高能量和长射程，不能成分，因为它们的高能量和长射程，不能有效地屏蔽。因此有效地屏蔽。因此GCR重核的测量重核的测量7和辐射风险以及应对措施对载人航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天飞行来说是一个重要课题。如后面所述，。如后面所述，CR-39探测器是测量重核的最探

15、测器是测量重核的最合适的被动探测器。合适的被动探测器。 图图1表明辐射风险截面随粒子表明辐射风险截面随粒子LET值的变化值的变化 2。图中，辐射风险截面。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、粒子子LET值和风险截面。总的辐射风险是微分辐射风险的总和。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关注的是

16、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。谱和从辐射生物学得到辐射风险截面能够计算辐射风险。与模拟与模拟方法相比，这种方法是实验性质的。方法相比，这种方法是实验性质的。11/18/2012CASNSSC146/1/2022图图1 1：辐射风险截面与：辐射风险截面与LETLET值的关系值的关系11/18/2012CASNSSC15图：粒子辐射对生物组织的破坏效应图：粒子辐射对生物组织的破坏效应 下图示出生物组织的辐射破坏效应随粒子的下图示出生物组织的辐射破坏效应随粒子的LET值变化，高值变化，高LET重离子的重离子的破

17、坏远远超过低破坏远远超过低 LET x 射线的破坏射线的破坏。 11/18/2012CASNSSC16图：图：GCR GCR 核成份对辐射的贡献（重离子占统治核成份对辐射的贡献（重离子占统治）因此，因此，虽然质子的通量远远高于铁核通量，铁核的辐射剂量当量却远超质子虽然质子的通量远远高于铁核通量，铁核的辐射剂量当量却远超质子。11/18/2012CASNSSC17 表表1 列出了辐射有效剂量（列出了辐射有效剂量（Sv）的的职业限职业限量量值，其值是依据值，其值是依据 NCRP (National Council on Radiation Protection and Measurements)

18、报告报告No.132 5 推荐的推荐的10年职业生涯年职业生涯3%癌症死亡率超出给出的。癌症死亡率超出给出的。 表中数据显示，表中数据显示，辐射危害对不同性别和年龄的人有很大的差异，年辐射危害对不同性别和年龄的人有很大的差异，年长的男性能够承受较强的辐射。因此，可以选择合适的年长的男性宇航长的男性能够承受较强的辐射。因此，可以选择合适的年长的男性宇航员作深空飞行。员作深空飞行。表表1: 终身终身3% 致命癌症超出辐射风险对应的致命癌症超出辐射风险对应的10年职业剂量限值年职业剂量限值Age at Exposure (y)Effective Dose (Sv)FemaleEffective Do

19、se (Sv)Male250.40.7350.61.0450.91.5551.73.011/18/2012CASNSSC18 除了航天员的辐射风险，空间环境对航天器和内部元器件的辐射危除了航天员的辐射风险，空间环境对航天器和内部元器件的辐射危害也需要重点考虑。害也需要重点考虑。 空间环境引起的辐射风险主要是航天器长期在轨工作时受到的空间环境引起的辐射风险主要是航天器长期在轨工作时受到的辐射剂辐射剂量效应和单粒子事件效应量效应和单粒子事件效应 SEEs (Single Event Effects) 。 单粒子事件效应是指单个高能质子，重离子和中子导致的微电子器件单粒子事件效应是指单个高能质子，重

20、离子和中子导致的微电子器件状态改变，从而使航天器发生异常或故障，包括微电子器件逻辑状态改变状态改变，从而使航天器发生异常或故障，包括微电子器件逻辑状态改变的单粒子翻转事件，使的单粒子翻转事件，使CMOS组件发生单粒子锁定事件等组件发生单粒子锁定事件等。 GCR，SAA和太阳活动高能粒子是造成各种辐射效应的主要因素和太阳活动高能粒子是造成各种辐射效应的主要因素，在，在太阳平静时低轨高倾角航天器的辐射剂量约为几百太阳平静时低轨高倾角航天器的辐射剂量约为几百 Gy/d，当太阳活动剧，当太阳活动剧烈时，辐射剂量可达几个烈时，辐射剂量可达几个Gy/d，从而引起材料的变性，导致材料本身的，从而引起材料的变

21、性，导致材料本身的物理性能下降，航天器功能异常。因此，载人航天轨道上的辐射风险必须物理性能下降，航天器功能异常。因此，载人航天轨道上的辐射风险必须要认真考虑。要认真考虑。 未来我国的空间站从元器件数量上来说属于超大平台，元器件数量可未来我国的空间站从元器件数量上来说属于超大平台，元器件数量可达达到到8-10万个，只要其中一个元器件发生单粒子事件，就有可能引起无法万个，只要其中一个元器件发生单粒子事件，就有可能引起无法估计的损失，估计的损失，及时发现和定位单粒子翻转事件，并采取有效的应对措施是及时发现和定位单粒子翻转事件，并采取有效的应对措施是避免这些损失的关键避免这些损失的关键。 11/18/

22、2012CASNSSC19图：空间粒子辐射效应示意图图：空间粒子辐射效应示意图11/18/2012CASNSSC20图：带电粒子在电子学器件中的能量沉降和电离效应图：带电粒子在电子学器件中的能量沉降和电离效应11/18/2012CASNSSC21图：辐射粒子对飞行器的危害影响图：辐射粒子对飞行器的危害影响11/18/2012CASNSSC22图：辐射剂量与飞船屏蔽厚度的关系图：辐射剂量与飞船屏蔽厚度的关系11/18/2012CASNSSC236/1/2022233. 近地轨道空间辐射环境测量近地轨道空间辐射环境测量 3.1 测量的方法和探测器测量的方法和探测器 主动剂量仪主动剂量仪组织等效正比

23、计数器组织等效正比计数器 TEPC（Tissue Equivalent Proportional Counter）、被动剂量计）、被动剂量计 CR-39 塑料核径迹探测器塑料核径迹探测器 PNTDs（Plastic Nuclear Track Detectors）和热释光和热释光 TLDs 探测器探测器（Thermoluminescent Detectors）均用于均用于 NASA 空间辐射探测研究空间辐射探测研究。LET 响应范围对响应范围对 TEPC、CR-39 和和 TLDs 探测探测器分别是全器分别是全 LET（0.2 - 1250 keV/m water），高），高LET（ 10 k

24、eV/m water）和低和低LET (10 keV/m water）。被动测量方法中的全）。被动测量方法中的全LET范围的辐射量可以通范围的辐射量可以通过综合过综合CR-39和和TLDs探测器的测量结果得到。探测器的测量结果得到。 CR-39 探测器能够直接测量带电粒子，包括高电荷高能量粒子探测器能够直接测量带电粒子，包括高电荷高能量粒子 HZEs（high charge and high energy particles），空间），空间 HZE 粒子主要是粒子主要是GCR重核。重核。CR-39探测器还可通过探测中子在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。中产生

25、的次级带电粒子测量中子。CR-39的化的化学成分是学成分是 C12H18O7，类似人体组织。目前，宇航员使用的被动探测器中，类似人体组织。目前，宇航员使用的被动探测器中，CR-39 是唯一的既对高是唯一的既对高 LET 灵敏又能够测量灵敏又能够测量 LET 谱的探测器。其它被动探测器如谱的探测器。其它被动探测器如 TLD 对高对高 LET 不敏感，也不能提供不敏感，也不能提供LET 信息。信息。 NASA被动剂量计模块是由被动剂量计模块是由 CR-39 和和 TLD 探测器组成。被动剂量计探测器组成。被动剂量计可可由宇航由宇航员携带或者放置在航天飞机和空间站里选定的位置员携带或者放置在航天飞机

26、和空间站里选定的位置，组组成成 CPDs (Crew Passive Dosimters), STS 的的 PRDs (Passive Radiation Dosimeters) 和和 ISS 的的 ARMs (Area Radiation Monitors)。因此，利用。因此，利用TEPC 和和 CR-39 探测器可测量辐射探测器可测量辐射LET 谱和谱和所有所有辐射量，辐射剂量还可用辐射量，辐射剂量还可用TLDs 近似测量近似测量。11/18/2012CASNSSC24图图2: 2: 被动辐射探测器迭层示意图被动辐射探测器迭层示意图 下面两图分别示出被动探测器单元的平面分布和在飞船上的位置

27、分布下面两图分别示出被动探测器单元的平面分布和在飞船上的位置分布。 CR-39探测器方法是探测器方法是LET谱方法谱方法，其重点是，其重点是CR-39探测器的探测器的LET定标，定标，人工事例识别，探测器扫描和数据获取，以及对长时间暴露导致的人工事例识别，探测器扫描和数据获取，以及对长时间暴露导致的CR-39探探测器灵敏度衰退的修正。测器灵敏度衰退的修正。详细的方法和步骤可以参见文献详细的方法和步骤可以参见文献7, 9-17。 与与TEPC测量的测量的LET谱相似，谱相似，CR-39探测器测量的探测器测量的LET谱包括微分和积分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，完整地描述

28、了空间辐射环境。粒子通量，辐射剂量，剂量当量和品质因子，完整地描述了空间辐射环境。为了减少论文篇幅，本节只重点报道上述探测器测量的剂量当量为了减少论文篇幅，本节只重点报道上述探测器测量的剂量当量LET积分谱积分谱和辐射量。和辐射量。11/18/2012CASNSSC25Number of detectors:84x TLD 10084x TLD 30036x TLD 60036x TLD 70084x OSLDs28x CR-39 platesTLD 300TLD 100TLD 600TLD 700OSLDsOSLDs图图3: 3: 被动探测器被动探测器 PRDs PRDs 的的 TLDs/O

29、SLDs TLDs/OSLDs 分布分布11/18/2012CASNSSC26图图4 4：PRDs PRDs 位置分布图位置分布图Flight DeckMid DeckPRD 4PRD 5PRD 6PRD 1PRD 3PRD 211/18/2012CASNSSC27 除了使用上述辐射探测器对辐射环境和辐射量进行测量以外，除了使用上述辐射探测器对辐射环境和辐射量进行测量以外，ISS上还使用了上还使用了其它几种探测方法和探测器作辐射粒子的电荷，能量和方向测量。其它几种探测方法和探测器作辐射粒子的电荷，能量和方向测量。通过通过 ISS 外部外部空间环境和内部空间环境粒子的时间和空间分布精细测量数据，

30、原则上可以对航天空间环境和内部空间环境粒子的时间和空间分布精细测量数据，原则上可以对航天辐射风险进行评估，推算航天器内部任一位置的辐射风险。辐射风险进行评估，推算航天器内部任一位置的辐射风险。 但是，由于但是，由于这类探测器的电荷响应和能量响应能力通常有限这类探测器的电荷响应和能量响应能力通常有限，实际上很难从测实际上很难从测量谱准确计算评估辐射风险。量谱准确计算评估辐射风险。因此事实上，迄今为止仿真模拟辐射计算所用的能谱因此事实上，迄今为止仿真模拟辐射计算所用的能谱仍然主要来自高能宇宙线观测实验。仍然主要来自高能宇宙线观测实验。 近地轨道的空间环境探测器主要包括质子，电子，重离子和中子探测器

31、。近地轨道的空间环境探测器主要包括质子，电子，重离子和中子探测器。ISS上永久性搭载的上永久性搭载的NASA载荷主要有两类，一类是载荷主要有两类，一类是 TEPC，用于航天员的辐射辅助分，用于航天员的辐射辅助分析，另一类是带电粒子方向谱仪析，另一类是带电粒子方向谱仪 CPDSs (Charged Particle Directional Spectrometers)，一共安装了四台，分别指向不同的方向，可测量空间不同方向上的质子、电子和重一共安装了四台，分别指向不同的方向，可测量空间不同方向上的质子、电子和重离子能谱离子能谱-通量信息。但是，通量信息。但是，CPDSs 的电荷响应较低的电荷响应

32、较低 (Z14)，也缺乏完善的也缺乏完善的 LET辐射辐射谱分析方法和功能，不适于用来评估辐射风险。谱分析方法和功能，不适于用来评估辐射风险。 最近几年最近几年在在 ISS 上运行的还有意大利宇航局研制的宇宙线辐射效应仪上运行的还有意大利宇航局研制的宇宙线辐射效应仪ALTEA。ALTEA能够精确测量带电粒子能够精确测量带电粒子 (Z=5-42) 的方向能谱，的方向能谱，LET 谱和相对核丰度，从而谱和相对核丰度，从而提供有关提供有关 ISS 内部辐射环境带电粒子及辐射效应的最完整的信息。内部辐射环境带电粒子及辐射效应的最完整的信息。 我国在载人航天轨道上也开展过粒子和大气类的辐射测量，利用在神

33、舟我国在载人航天轨道上也开展过粒子和大气类的辐射测量，利用在神舟4号和号和5号上进行的测量获得了一些该轨道的粒子和大气数据。号上进行的测量获得了一些该轨道的粒子和大气数据。在在2011年发射的天宫年发射的天宫 TG-1上，国家空间科学中心研制的上，国家空间科学中心研制的“多向高能粒子探测器多向高能粒子探测器”成功地在轨运行至今，首次成功地在轨运行至今，首次获获得该轨道得该轨道 2空间多方向空间多方向的带电粒子的带电粒子即时测量。即时测量。11/18/2012CASNSSC283.2 近地轨道辐射测量结果近地轨道辐射测量结果 3.2.1 TEPC和和CR-39测量的辐射：测量的辐射：STS-12

34、1 STS-121航天飞行于航天飞行于2006年年7月月4-17日进行，倾角是日进行，倾角是51.6。 图图5给出给出STS-121飞行辐射剂量当量的积分飞行辐射剂量当量的积分LET谱谱，由，由TEPC和贴在和贴在TEPC上的上的CR-39探测器测量。除此之外，还有放在探测器测量。除此之外，还有放在STS和和ISS内部各个选定位置的内部各个选定位置的CR-39被被动辐射剂量计动辐射剂量计PRDs，用于测量飞船内部的辐射分布。，用于测量飞船内部的辐射分布。 图图5表明：（表明：（1）GCR辐射贡献占主要，辐射贡献占主要，SAA捕获粒子贡献较小，捕获粒子贡献较小，GCR和和SAA捕获粒子的剂量当量

35、贡献分别占总剂量当量的捕获粒子的剂量当量贡献分别占总剂量当量的79%和和21%；（；（2）在高在高LET区，区，辐射量可由辐射量可由TEPC和贴在和贴在TEPC上的上的CR-39来测量，二者的测量值符合很好来测量，二者的测量值符合很好。 表表2收集用收集用 TEPC 和和 CR-39 剂量仪测量的剂量仪测量的 STS-121 飞行辐射量。表中的数据飞行辐射量。表中的数据显示：显示：（1）TEPC和和CR-39探测器测量的辐射量吻合很好；（探测器测量的辐射量吻合很好；（2）HZE粒子的辐射粒子的辐射剂量当量贡献大约占总剂量当量的剂量当量贡献大约占总剂量当量的27%；（；（3）辐射品质因子约为）辐

36、射品质因子约为 11（全部粒全部粒子子）和和18 （HZE粒子粒子）。 表表3收集用收集用 TLDs 和和 CR-39 PNTDs 对对 STS-121 飞行所作的综合测量辐射量。飞行所作的综合测量辐射量。结果表明：结果表明：高高LET和低和低LET的吸收剂量贡献分别约为总剂量的的吸收剂量贡献分别约为总剂量的15%和和85%；高；高LET和低和低LET的剂量当量贡献分别约为总剂量当量的的剂量当量贡献分别约为总剂量当量的67%和和33%，高，高LET辐射剂量当量辐射剂量当量占主要。占主要。数据还表明，在太阳平静期间进行的数据还表明，在太阳平静期间进行的 STS-121 PRD 测量，全测量，全L

37、ET辐射剂辐射剂量，剂量当量和品质因子分别约为量，剂量当量和品质因子分别约为190 245 Gy/d，500 655 Sv/d和和2.6。 11/18/2012CASNSSC29图图5. STS-1215. STS-121剂量当量积分剂量当量积分LETLET谱谱11/18/2012CASNSSC30表表2：TEPC和和CR-39探测器测量的探测器测量的STS-121辐射辐射 ( 10 keV/m water, ICRP 60)Mission TimeDetectorAbsorbed DoseDose EquivalentQ Factor(Hour)(mGy)(mSv)307TEPC (All)

38、0.34 0.013.83 0.1011.16 0.29 307CR-39 (All)0.34 0.02 4.00 0.2811.77 0.82 307CR-39 (HZE)0.06 0.011.07 0.1417.62 2.33表表3：STS-121 （PRD1，3，5）综合观测辐射量）综合观测辐射量DosimeterLocationTLDTypeTLDTotal DoseDoseLow LET(10keV/10keV/m)Q=1DoseHigh LET(10keV/m)Q11Total DoseAll LETTotal DoseEquivalentAll LET(ICRP 60)Q Fac

39、torAll LET(mGy)(mGy)(mGy)(mGy)(mSv)PRD1TLD-100TLD-3002.390.03 2.380.052.182.100.360.042.540.052.470.066.440.476.370.472.530.192.580.19PRD3TLD-100TLD-3003.060.052.940.092.792.580.480.043.270.063.060.108.380.498.170.492.560.152.670.16PRD5TLD-100TLD-3002.910.043.020.062.642.660.470.043.100.063.130.078.

40、100.478.120.472.610.152.6001.511/18/2012CASNSSC313.2.2 TEPC和和CR-39测量的辐射测量的辐射: ISS-Expedition12 NASA 的的ISS-Expedition 空间辐照时间超过空间辐照时间超过3个月，个月，ISS-Expedition12 于于2005年年9月月30日到日到2006年年4月月8日进行，总计日进行，总计190天。前面提到过，天。前面提到过，CR-39探测器长时间辐照有灵敏度下降的问题，应该对其进行修正。本文报道的辐探测器长时间辐照有灵敏度下降的问题，应该对其进行修正。本文报道的辐射测量结果考虑了射测量结果考

41、虑了CR-39的灵敏度修正。的灵敏度修正。 图图6给出了给出了ISS-Expedition 12飞行的剂量当量（飞行的剂量当量（ICRP 60）的积分）的积分LET谱。在此图中，谱。在此图中，SM-P 是服务舱组（是服务舱组（Service Module-Panel），），TESS 是是临时睡眠站（临时睡眠站（Temporary Sleep Station），装有组织等效聚乙烯屏蔽层。），装有组织等效聚乙烯屏蔽层。 该图表明：（该图表明：（1）TEPC 和附在和附在 TEPC 上的上的 CR-39 探测器测量到的高探测器测量到的高LET 辐射谱互相吻合；（辐射谱互相吻合；（2）辐射最低的是）辐

42、射最低的是 TESS 区，这一结果表明，用组区，这一结果表明，用组织等效聚乙烯屏蔽辐射非常有效。织等效聚乙烯屏蔽辐射非常有效。 表表4收集收集TEPC和和CR-39 探测器探测器的的ISS-Expedition12辐射测量结果。表辐射测量结果。表5收集由收集由TLDs和和CR-39探测器综合测量得到的辐射量。由探测器综合测量得到的辐射量。由TEPC测量的全测量的全LET辐射结果也列于表辐射结果也列于表5。表。表4和表和表5的数据表明，由的数据表明，由TLDs和和CR-39探测器综合测探测器综合测量的辐射和由量的辐射和由TEPC测量的结果相符。测量的结果相符。 11/18/2012CASNSSC

43、32 图图6 6：ISS-Expedition12ISS-Expedition12的剂量当量的剂量当量积分积分LETLET谱谱11/18/2012CASNSSC33Table 4: TEPC 和和 CR-39 探测器测量的探测器测量的 ISS-Expedition12 高高 LET 辐射辐射( 10 keV/m water, ICRP 60)Detector LocationAbsorbed DoseDose EquivalentQ Factor(Gy/d)(Sv/d)TEPC (SM-P327, US Lab S4, S6)31.70 0.09346.56 0.9910.93 0.03CR-

44、39 (attached to TEPC, total)CR-39 (attached to TEPC, HZE)31.39 1.674.31 0.63348.18 18.5679.64 11.6211.09 0.5918.47 2.81CR-39 (SM-P442)54.58 3.52540.96 3.499.91 0.06CR-39 (SM-P327)34.77 2.60397.93 29.7411.45 0.86CR-39 (TESS)31.52 2.05347.43 2.2611.02 0.07表表5. ISS-Expedition 12 综合观测辐射量综合观测辐射量Dosimeter

45、LocationTLDTypeDose TLDAll LETDose TLDLow LETQ=1Dose CR-39High LETQ10Total DoseAll LETTotal DoseEquivalentAll LET(ICRP 60)Q FactorAll LET(mGy)(mGy)(mGy)(mSv)Attached to TEPCTLD100TLD30029.920.530.000.626.4825.495.960.3232.440.5931.450.6892.583.5691.593.572.850.112.910.11TESSTLD100TLD30030.500.529.14

46、0.726.9124.485.980.3932.900.6330.470.8092.874.3290.444.352.820.132.970.14TEPC29.7889.603.0111/18/2012CASNSSC343.2.3 CR-39测量的辐射：测量的辐射：Matroshka 实验实验 Matroshka - 欧空局的一个研究设施欧空局的一个研究设施 - 是一个研究近地轨道宇航员不同深度不是一个研究近地轨道宇航员不同深度不同器官辐射剂量分布的实验装置。同器官辐射剂量分布的实验装置。Matroshka-1在在ISS轨道上停留了轨道上停留了616天（天（2004年年1月月29日日 - 20

47、05年年10月月10日，其中日，其中 77 天在天在 ISS 内部，内部，539天在俄罗斯天在俄罗斯 Zvezda 舱外）。舱外）。Matroshka-2 安装在俄罗斯安装在俄罗斯 Zvezda 舱内（舱内（2005年年12月月21日日-2006年年12月月22日），日），Matroshka-2 实验总的时间是实验总的时间是367天（其中天（其中30天在参考位置，天在参考位置，337天在天在仿真器官）。仿真器官）。 Matroshka 实验是长时间辐照，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探测器灵敏度衰退的修正显得非常重要。要。研究表明研究表明7,16-18，对，对M

48、atroshka-1辐射，辐射，CR-39灵敏度修正前后的剂量当量灵敏度修正前后的剂量当量差别可达差别可达 40%。因此，只有经过灵敏度修正的。因此，只有经过灵敏度修正的 CR-39 辐射探测量才是合理可信辐射探测量才是合理可信的。本文报道的的。本文报道的 Matroshka 所有辐射测量结果都是在对所有辐射测量结果都是在对CR-39探测器灵敏度衰退探测器灵敏度衰退进行严格修正后获得的。进行严格修正后获得的。 对多数分布在对多数分布在 Matroshka 人体模型不同仿真器官中的人体模型不同仿真器官中的CR-39 探测器记录到的探测器记录到的HZE粒子（主要是粒子（主要是 GCR 重离子）也进

49、行了同步扫描，以获得重离子）也进行了同步扫描，以获得 GCR 重离子的辐射重离子的辐射贡献。贡献。HZE 粒子不能被粒子不能被 TEPC 和和 TLDs 从其它粒子中分离出来，但能够从其它粒子中分离出来，但能够用用CR-39探测器精确测量。探测器精确测量。HZE 粒子的辐射粒子的辐射 LET谱和辐射量对深入开展辐射生物学研究和谱和辐射量对深入开展辐射生物学研究和其它辐射危害研究非常有价值。其它辐射危害研究非常有价值。 图图7和图和图8分别分别为为Matroshka人体模型和它在人体模型和它在ISS仓外的位置；仓外的位置；图图9和和图图10分别分别给出在给出在Matroshka-1和和Matro

50、shka-2实验中用实验中用CR-39探测器测量的剂量当量的探测器测量的剂量当量的积分积分LET谱谱 (所有粒子，所有粒子， 10 keV/m water；HZE粒子粒子， 20 keV /m water) 7,16-18。11/18/2012CASNSSC35Figure 7: shows Matroshkatorso and figure 8 showsthe location of Matroshkaexperiments, the facility(encircled) was mountedoutside the Zvezda Module.图图7 7：Matroshka Matro

51、shka 人体模型人体模型11/18/2012CASNSSC36图图图8 8：ISS ISS 舱外的舱外的 Matroshka Matroshka 载荷载荷 11/18/2012CASNSSC37图图9 9：Matroshka-1 Matroshka-1 剂量当量积分剂量当量积分LETLET谱谱11/18/2012CASNSSC38图图图1010：Matroshka-2 Matroshka-2 的剂量当量的剂量当量LETLET谱谱11/18/2012CASNSSC396/1/202239 表表6收集在收集在 Matroshka 实验中实验中 CR-39 探测器测量得到的辐射量。结果探测器测量得

52、到的辐射量。结果表明：（表明：（1）在前胸和后背（）在前胸和后背（Matroshka人体模型雨披人体模型雨披 1、2、5、6) 处的辐处的辐射几乎相同，最低的辐射在胃部处；（射几乎相同，最低的辐射在胃部处；（2）HZE粒子贡献了重要的辐射，对粒子贡献了重要的辐射，对Matroshka-2实验，相应于参照位置实验，相应于参照位置2、雨披、雨披1、2、5、6处和胃部处，处和胃部处，HZE粒子分别贡献了总剂量当量的粒子分别贡献了总剂量当量的30.3%、30.0%、28.2%、28.7%、27.8%和和25.5%；（；（3）对高）对高 LET 区，区，ISS 的屏蔽效果很强，在的屏蔽效果很强，在 IS

53、S 内部位于雨披内部位于雨披1、5、眼和胃处的辐射剂量当量相对于、眼和胃处的辐射剂量当量相对于 ISS 外部分别下降了外部分别下降了50%、43%、27%和和29%。 下图示出辐射剂量当量随下图示出辐射剂量当量随 MatroshkaMatroshka 人体模型组织器官位置人体模型组织器官位置( (空间站内空间站内外的外的 P1, P2, P5, P6, P1, P2, P5, P6, 眼，胃眼，胃) 以及以及 LETLET 值的变化值的变化。 数据显示，数据显示，(1) (1) 国际空间站的飞船壁物质及内部国际空间站的飞船壁物质及内部各种各种物质对辐射的衰物质对辐射的衰减屏蔽效果很强，对位置减

54、屏蔽效果很强，对位置P1P1，高，高 LETLET 辐射剂量当量的衰减大约为辐射剂量当量的衰减大约为 50%50%；(2) (2) 低低 LETLET 辐射屏蔽比较容易，高辐射屏蔽比较容易，高 LETLET 辐射辐射屏蔽较难。这也是高辐射辐射屏蔽较难。这也是高 LETLET 辐射辐射在航天辐射中远比低在航天辐射中远比低 LETLET 辐射重要的一个原因；辐射重要的一个原因；(3) (3) 应当系统开展高应当系统开展高 LET LET 辐射测量及辐射损伤辐射效应研究辐射测量及辐射损伤辐射效应研究。 在在 ISS 内外测量到的内外测量到的 Matroshka 人体模型仿真器官辐射结果既可用来人体模

55、型仿真器官辐射结果既可用来预测舱外活动预测舱外活动 EVA（Extra Vehicular Activity）的辐射，也可以用于设计）的辐射，也可以用于设计舱体的屏蔽，还可用来计算评估宇航员的生物学影响和辐射风险。舱体的屏蔽，还可用来计算评估宇航员的生物学影响和辐射风险。11/18/2012CASNSSC40Detector LocationDose Rate (Gy/d)Dose Equi. Rate (Sv/d)Q Factor Matroshka-1Total / HZETotal / HZETotal / HZEPoncho164.472.73/11.951.21762.5632.34

56、/232.5123.6211.830.50/19.461.98Poncho2 55.872.88/ 661.1934.06/ 11.830.61/Poncho558.483.04/11.251.35699.1136.33/214.425.8611.950.62/19.072.30Eye36.002.12/6.290.96461.0026.99/136.0320.8012.800.75/21.633.31Stomach 30.982.02/ 407.2426.31/ 13.140.85/Reference228.491.46/4.910.60349.0917.89/97.8611.9512.25

57、0.63/19.922.43Matroshka-2Poncho132.871.93/6.550.62383.9422.40/115.1610.8611.680.68/17.581.66Poncho232.312.11/5.780.77376.5324.45/106.1714.4811.650.76/18.372.51Poncho533.832.08/6.650.83395.1024.36/113.3814.2111.660.72/17.082.14Poncho632.662.02/5.570.71384.6623.59/107.0313.7711.770.72/19.222.47Eye 27.

58、182.20/ 333.9327.03/ 12.350.99/Stomach23.231.60/3.650.59289.4619.64/73.6811.7812.460.85/20.083.23Reference233.081.74/6.400.71388.3920.68/117.6312.8311.740.63/18.362.00表表6: 利用利用 CR-39 探测器测量的探测器测量的 Matroshka 实验辐射量实验辐射量 ( 10 keV/m water, ICRP 60)11/18/2012CASNSSC41图：辐射随仿生组织器官位置及图：辐射随仿生组织器官位置及LETLET的变化的

59、变化11/18/2012CASNSSC42423.2.4 我国我国TG-1上的多向粒子探测结果上的多向粒子探测结果 由我国空间科学中心研制的由我国空间科学中心研制的“多向粒子探测器多向粒子探测器”随随TG-1号于号于2011年年9月发射升月发射升空，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，以及轨道中布，以及轨道中 2 立体角空间的粒子投掷角分布测量。立体角空间的粒子投掷角分布测量。 图图11示出多向粒子探测器轮廓，图示出多向粒子探测器轮廓，图12和图和图13分别是分别是 SAA 电子

60、电子 ( 200 eV) 和质和质子子 (1.4 4 MeV) 的探测结果：粒子通量与粒子投掷角之间的关系，其中左右图分别的探测结果：粒子通量与粒子投掷角之间的关系，其中左右图分别对应于对应于SAA的中心区域和边缘区域。数据显示，相应于的中心区域和边缘区域。数据显示，相应于SAA中心和边缘的粒子通量中心和边缘的粒子通量比值（投掷角比值（投掷角 = 90o) 对电子和质子分别约为对电子和质子分别约为1.9和和2.4。 图图11: 多向粒子探测器图示多向粒子探测器图示11/18/2012CASNSSC43 图图12: SAA区能量区能量 200keV的电子在的电子在SAA区的中心和边缘的投掷角分布