美国、苏联俄罗斯载人航天器辐射剂量监测技术及结果分析

美国、苏联俄罗斯载人航天器辐射剂量监测技术及结果分析

1环境辐射监测人类实现人类太空以来，美国、苏联、俄罗斯和其他国家非常重视对航空航天结构和载人的辐射测量和分析。其中，每一次的累积剂量都是很重要的。他们使用多种辐射监测方法,包括主动剂量测量方法(使用有源探测仪器)和被动式剂量测量方法(使用无源探测器件),以监测航天员全身及身体各部位接受的剂量、舱内累积剂量、入射粒子能谱和线性能量转移(LinearEnergyTransfer,LET)谱等,并研究屏蔽效应及辐射水平的动态变化,为航天员安全飞行提供重要数据。航天器舱内环境辐射监测的主要目的是实时为地面提供舱内辐射剂量的有关信息,以决策是否对航天员采取应急防护措施,为载人航天器飞行期间辐射安全的评价提供重要依据。主动剂量测量方法是将实时剂量信息遥测、显示或存储/回放的剂量学方法,该方法在空间飞行时一般需消耗电源,其优点是能够提供辐射剂量随空间位置和时间变化的有关信息。载人航天器辐射剂量监测经常使用的主动剂量测量计有电离室、G-M计数管、正比计数管、半导体探测器等。被动剂量测量方法是指不能实时提供剂量的信息、只能等航天器返回着陆后再测读累积剂量数据的测量方法,该方法要求剂量计存储的辐射剂量信息在飞船或卫星离轨返回后随时间的衰退必须很小,其优点是在空间飞行时一般不需消耗电源。被动剂量计一般使用一些固体材料,故也称为固体剂量计。常用的被动剂量计有热释光探测器(thermo-luminescentdectors,TLDs)与核径迹探测器(有核乳胶径迹探测器、固体核径迹探测器),用于测量航天员吸收剂量或确定航天器舱内辐射剂量的分布。2检测方法设计在载人航天实施的最初十年,几乎使用过所有类型的无源探测方法,如热释光测量法、光激发光法、中子激活法、核径迹探测法等,将各种无源探测器组成辐射剂量计包放置在舱内及航天员身体的不同部位,以测量累积剂量和其他参数。2.1辐射剂量监测美国早期载人航天器主要包括“水星”、“双子星座”、“阿波罗”和“天空实验室”系列,其上的辐射剂量监测设备如表1所示。从表1中可以看出,早期辐射剂量监测主要以被动测量为主,剂量探测器以固体核径迹探测器和LiF热释光剂量计为主。美国航天飞机飞行起始于1981年4月12日,飞行的轨道高度为215-615km,轨道倾角在28.5°-62°之间。辐射剂量探测器主要有:(1)正比计数器,测量轨道辐射的LET谱;(2)小型剂量仪RME-III,为小体积便携式剂量仪,测量辐射剂量随时间的变化;(3)被动剂量包,由3个静电型剂量计、热释光剂量计和中子活化片以及低能中子剂量计一起构成。美国早期的载人飞行航天员辐射剂量的监测结果为:辐射剂量随着轨道高度和倾角而变化,空间飞行期间暴露的最高平均辐射剂量率为1.27mGy/d(“阿波罗-14”,飞行了216h),吸收的最高总剂量为77.41mGy(“天空实验室-4”空间站,飞行时间为90d)。测量的南大西洋异常区(SAA)的辐射剂量严重,如“双子星座-4”(296km/32.5°)南大西洋异常区吸收剂量贡献约占总剂量的82%,“双子星座-6”(311km/28.9°)南大西洋异常区吸收剂量贡献约占总剂量的68%。美国航天飞机的航天员飞行辐射剂量监测结果显示,飞行期间暴露的最高平均辐射剂量率为2.29mGy/d(“STS-31”航天飞机,飞行了94h),最低平均辐射剂量率为0.035mGy/d(“STS-38”航天飞机,飞行了118h),吸收的最高总剂量为10.14mGy(“STS-61”航天飞机,飞行了243h)。2.2辐射剂量监测苏联/俄罗斯从1961年4月12日发射世界上第一艘载人飞船“东方1号”起,每次载人航天飞行任务都对航天员实施了辐射剂量监测,主要包括“东方号”、“上升号”和“联盟号”系列飞船,“礼炮号”系列和“和平号”空间站,飞行的轨道高度为210-500km,轨道倾角在51.6°-73°之间,其装备的辐射剂量监测设备如表2所示。从表2中可以看出,早期的辐射剂量监测主要以被动测量为主,剂量探测器以电离室、固体核径迹探测器和热释光剂量计为主。各次载人航天器剂量监测结果表明,辐射剂量随着轨道高度和倾角而变化,最高平均辐射剂量率为0.65mGy/d(没有太阳质子事件),最低平均辐射剂量率为0.072mGy/d,吸收的最高总剂量为183mGy(“和平号”空间站,飞行了313d)。测量的SAA的辐射剂量严重,如“和平”号空间站(410km/51.6°)仅有7%-8%的时间穿过SAA,但吸收剂量贡献约占其总剂量的66%。1989年9-10月苏联/俄罗斯的“和平号”空间站内太阳质子事件辐射剂量监测结果如表3所示。监测结果表明,太阳质子事件(solarprotonevents,SPE)对舱内和航天员的影响比较大,如在1989年10月19日特大SPE的剂量是同年10月22日大SPE的剂量的9倍左右(舱内为8.8倍,航天员为9.625倍)。2.3我国出舱评论员剂量测量从调研资料来看,目前空间站辐射剂量监测装备中,保留下来只有热释光测量法中的氟化锂(LiF)探测器、核径迹探测法中的固体核径迹探测器(特别是CR-239)。另外装备的空间站辐射剂量探测仪主要有:(6)“LiuLin”剂量仪;(7)TEPC剂量监测仪;(8)RADFET剂量仪(用于MIR空间站)等。1997年4月29日俄罗斯和美国联合测量了“和平号”空间站航天员出舱活动期间的辐射剂量率和辐射剂量。剂量测量使用热释光剂量计(置于俄罗斯“奥兰”航天服外面的专用口袋内)。测量结果表明,美国出舱航天员的剂量和剂量率分别为0.415mGy和1.474mGy/d,俄罗斯出舱航天员的剂量和剂量率分别为0.373mGy和1.675mGy/d。其间空间站舱内的对照剂量和剂量率分别为0.144mGy和0.372mGy/d。由此可见,出舱活动的平均剂量率为1.575mGy/d,是舱内剂量率的4.23倍。3tectors法“神舟3号”和“神舟4号”飞船返回舱中安装了CR-39固体核径迹探测器(solid-statenucleartrackdetectors,SSNTDs),它是由6层CR-39(片厚约0.7mm)和5层铝片(片厚约0.5mm)交替叠合组装而成。探测器粘贴在返回舱的内壁上,接收面积为110cm2,测量“神舟3号”飞船返回舱内的重离子的LET谱、吸收剂量、等效剂量及其随屏蔽物质厚度的变化,测得2565个径迹,得到LET谱如图1所示。需特别指出的是,该探测器只能进行重离子的总辐射剂量的测量,存在一定的局限性。4我国死者监测的主要方法有低地球轨道载人航天的辐射剂量主要由4个部分组成:(1)穿越SAA的地磁捕获辐射剂量。如国内在1994年和1996年在两次返回式卫星舱内进行的辐射监测(LiF剂量计)结果:SAA最高剂量率为420µGy/h(一般情况下剂量率约为2.5µGy/h),吸收剂量贡献约占总剂量的37%。(2)高纬度地区捕获辐射和银河宇宙射线所呈现的地磁纬度效应引起的辐射增强。(3)其他银河宇宙射线的辐射剂量。(4)潜在的太阳质子事件剂量。在剂量监测设计中需考虑太阳质子事件引起的大剂量率和累积剂量,选取合适的剂量量程。国外经过前苏联和美国的多次空间测量比较,目前逐渐淘汰了LiF以外的其他热释光探测器。由于CaF2和CaSO4的能量响应较差,Li2B4O7和BeO的灵敏度较低,Al2O3则有光敏性较强、退火温度高、时间长等缺点,空间辐射剂量以LiF剂量计使用得最多。LiF探测器具有灵敏度适中、组织等效性和能量响应好等优点,已成为测量航天器舱内和航天员累积剂量的常用探测器,迄今公开的航天员飞行剂量数据绝大多数为LiF剂量计测量结果。LiF探测器的缺点是不能提供LET谱和剂量当量。结合国内外现状及发展趋势,作者建议我国载人航天器辐射剂量监测的主要方法应是主动和被动剂量测量方法相结合:主动剂量测量方法实时监测舱内辐射剂量率(组织或吸收体)和累积剂量的变化,尽可能地反映出航天员工作期间的辐射环境;被动剂量测量方法确定舱内辐射剂量分布以及航天员所吸收的辐射剂量。载人航天器辐射剂量监测系统应能满足如下要求:(1)应能连续监测舱内辐射剂量率(组织或吸收体)和累积总剂量,这对了解舱内辐射环境、预报辐射环境的恶化和计算航天员吸收剂量是重要的;(2)应能在很大的剂量率范围内(1µGy/h-1Gy/h)测量吸收剂量,因为既要考虑辐射环境平静期的低剂量率水平,也要考虑特大SPE可能产生的高剂量率;(3)监测系统应能监测舱内的粒子能谱,以便计算组织或吸收体的深度剂量或剂量-深度曲线,为航天员及辐射敏感电子设备的辐射屏蔽提供依据;(4)为了确定舱内的辐射平均品质因数Q和剂量当量,监测系统应能监测小于10keV/µm(水中)的LET谱和大于100keV/µm(水中)的LET谱。(1)JSC-TEC(JohnsonSpaceCenter’sTissueEquivalentProportional)剂量仪,LET谱范围0.2-1250keV/µm;(2)R-16个人剂量仪(俄罗斯生产);(3)DOSTEL(dosimeter-telescope)剂量仪(德国生产)。由硅探测器构成望远镜探测系统,测量SAA和银河宇宙射线(GCR)的剂量率和粒子LET谱;(4)RR