探索、开发和利用外层空间资源, 是人类社会生存和发展的一个必然的历程, 发展载人航天技术对人类的未来和国家的未来都是至关重要的。载人航天在人类的历史上虽然刚刚经历了短短40年的发展历程, 但却取得了如登月、多次进入太空、太空持续飞行438天等巨大的成就。我国的航天技术与载人航天也在新世纪之初取得了辉煌的进步, 先后实现了六位航天员遨游太空的壮举。相应地登月飞行、火星探险也列入了我国的航天发展规划。

载人航天脱离了地球稠密大气层这一天然屏障的保护, 不可避免地要暴露于外层空间的强辐射环境下, 这是航天期间尤其是长期飞行必然遇到的主要有害环境因素之一。这一辐射环境包括空间天然存在的和在航天器载荷中产生的电离辐射和非电离辐射。空间天然电离辐射源主要是银河宇宙辐射、地磁捕获辐射和随机发生的太阳粒子事件。随着人类探索的脚步不断延伸和在太空中滞留时间的延长, 空间辐射对载人航天的影响也愈发重要和不可忽视, 甚至会成为主要的制约因素之一。

由于空间辐射的特殊性, 其探测技术和剂量学, 都是相应学科中最具挑战性的领域, 本文主要介绍空间辐射及其测量技术以及对载人航天的影响。

1 空间辐射简介

太空中的辐射环境包括电磁辐射和电离辐射^{[1, 2]}。一般来说, 电磁辐射, 包括无线电波、微波、红外、可见光、紫外线等, 贯穿物体的能力差, 与其他物质发生相互作用的能力也较小, 对生物体的伤害较小; 电离辐射, 包括带电粒子、中子、γ射线、x射线等, 贯穿物体的本领强, 可以直接或间接地使物质电离或激发, 使物体材料和生物细胞受到损伤。对载人航天活动而言, 电离辐射在通过飞船时, 还可能和飞船结构材料发生相互作用产生次级粒子。电离辐射和次级粒子因其可能造成生物机体的严重损伤而在载人航天活动中倍受重视, 也是具有实际防护意义的辐射。

1.1 银河宇宙射线(GCRs, Galactic Cosmic rays)GCRs

主要包含来自太阳系以外的带电粒子、γ射线和x射线, 粒子的能量范围非常宽, 从10³到10²⁰eV, 且为连续能谱, 它的分布可以认为是均匀的, 其峰值大约在1GeV。GCRs包含83%的质子, 13%的氦离子(α粒子), 3%的电子和介子以及1%的重离子(从锂到铀的各种重离子)。

GCRs粒子进入太阳系后, 与太阳粒子相互作用而部分减弱, 当太阳活动最强时, 太阳粒子最强, GCRs粒子最弱; 反之太阳活动最弱时由于行星际磁场对低能粒子的屏蔽减小, 使GCRs粒子通量密度最强。而当GCRs抵达地球附近时, 由于GCRs是带电粒子, 必然要受到地球磁场的影响。因此, 在LEO轨道, GCRs随纬度的增高而增强, 赤道附近最弱两极最强。

GCRs中的低能粒子不能穿透飞船的结构材料, 而高能部分(尤其是重粒子)具有高LET和强穿透性, 能产生严重的生物损伤。国外的宇航员报告了多起当他们闭上眼睛时感受到辐射粒子穿过大脑和眼睛时产生的短暂闪光。

GCRs的通量不大, 当飞船运行于低地球轨道且在轨时间不长时, 不会对宇航员形成明显的危害。但对于星际探险或飞行时间长的话(如火星探险、在月球上建立基地等), 就成为必须考虑的主要危险因素之一。

1.2 太阳粒子事件(SPEs, Solar Particle Events)

空间辐射的另一个来源是太阳粒子, 尤其是当太阳耀斑和日冕大喷发期间太阳发出的高能粒子, 能量范围从10³ev至10⁸eV。SPEs的主要成分是质子、电子和直到铁的重离子。SPEs粒子的成分、能量、注量以及发生频率总是在发生不断的变化。

太阳耀斑和日冕大喷发可产生波及地球和太阳系其它部分的强烈辐射^[3], 这种辐射会干扰甚至中断地面通信, 它们还会造成卫星工作失常甚至报废, 也会对载人航天产生极大影响。例如在1972年8月的一次日冕大喷发, 观测到的辐射能在0.5g/cm²的屏蔽下产生1Sv的皮肤吸收剂量, 无屏蔽情况下则导致高达26Sv的皮肤吸收剂量。因此载人航天活动一般都会避开太阳活动剧烈的时期。

太阳活动剧烈期和正常期的对比如图 1和图 2:

1.3 捕获辐射(Trapped Radiation)

带电粒子被地球磁场捕获形成地球辐射带(ERBs, the Earth's Radiation Belts)。由于磁力线汇聚于地球两极附近, 带电粒子依电性不同而分别漂移, 形成两个辐射带, 捕获电子最高能量可达7MeV而质子可达600MeV。ERBs随地球纬度增高而增强, 赤道最弱, 两极最强; ERBs随飞行高度的增加而减弱。对于在LEO轨道上的航天器, 辐射剂量主要由质子贡献, 对于星际飞行ERBs可忽略不计。捕获质子与太阳活动的关系如图 3。

地球磁场与自转轴有一定偏移, 磁场发生扭曲和变形, 在巴西海岸外上空形成一个辐射异常区, 称为南大西洋辐射异常区(SAA, the South Atlantic Anomaly), 这个辐射带延伸至200km高度(其他区域为2000km和6000km), 其辐射强度大大高于同纬度的其它地区。对于国际空间站(ISS), 尽管ISS穿越SAA只用不到15min时间(不到总在轨时间的10%), 其在太阳活动极小年的总辐射剂量SAA贡献50%, GCRs贡献50%^[4]。表 1给出的是编号为STS-84飞行期间(多次穿越SAA区), GCRs和SAA区捕获辐射的平均吸收剂量率、平均剂量当量率和它们的品质因子^[5]。

1.4 次级粒子

由于上述粒子的能量非常高, 它们贯穿飞船时与组成飞船的结构材料的原子核发生相互作用而产生次级粒子, 它们之间的反应主要是:靶核碎裂和弹核碎裂。次级粒子在运动过程中可能再次与其它核发生核反应。这些核反应会伴随产生中子、γ射线等辐射。

次级中子的能量范围从10⁵ ~ 10⁹eV。在小于500km的低地球轨道(LEO, Low Earth Orbit), 除次级中子外还有地球大气层的反照中子, 对于ISS, 中子(包括次级中子和反照中子)对宇航员总的剂量当量的贡献约为30% ~ 60% ^{[6, 7]}。这些中子的品质因子是轻带电粒子的4 ~ 5倍^[8]。

中子的测量和对剂量当量的贡献是空间辐射测量和剂量学的难题之一, 第一是因为空间辐射是混合辐射场, 大多数常规测量方法不能有效区分中子和带电粒子; 其次是现有技术对高能中子的测量还存在很多问题。

2 空间辐射剂量学及测量方法

载人航天30多年来, 除少量几次登月飞行外, 均为距地面600km以下的近地轨道飞行。从目前收集到的美俄(包括前苏联)航天器舱内的剂量测量数据^[9]可以看出, 在300km左右的轨道, 舱内平均日剂量为0.1 ~ 0.3mGy/d, 400km以上则为0.57 ~ 0.86mGy/d; 而在阿波罗登月飞行时, 因穿越地磁捕获辐射带, 达到迄今为止最大的日剂量1.27mGy/d。飞行天数越多, 累积剂量越大, 如美国“天空实验室” 4号90d飞行的累积剂量达77.4mGy。表 2是几次典型的处于不同时期、不同辐射环境下载人航天飞行的剂量对比。

从以上数据可以看出, 宇航员作短期的近地轨道飞行时, 不会因辐射影响健康。

在低地球轨道, 宇航员所受剂量与飞船所处轨道的倾角、飞行高度和太阳活动的周期等因素密切相关。宇航员长时间飞行(比较典型的国际空间站宇航员, 持续时间90 ~ 180d)会受到远超过职业照射人员剂量限值的辐射。尽管近年来新材料的不断应用给宇航员提供了比以往更为有效的辐射防护, 但对于更为遥远的星际探险(地球大气层能提供1030g/cm²的屏蔽, 而火星大气层只有16 g/cm²)^[10], 必需尽快发展更为全面和有效的辐射防护技术和手段, 保障宇航员的安全。目前空间辐射防护方面的研究主要集中在以下几个方面:a.物理防护:如新的屏蔽材料的开发和应用; b.主动防护:如强磁场; c.辐射防护药物; d.局部防护。这些技术发展和应用都是建立在对空间辐射剂量学的更进一步发展的基础上的。

空间辐射剂量学的主要任务是建立空间辐射剂量的测量方法并实施测量、确定舱内及乘员的辐射水平以及评价和预估航天活动的辐射危险性。由于使用环境特殊, 用于航天器内辐射测量的仪器或器件应满足以下条件:

(1) 体积小, 重量轻, 以节省发射重量;

(2) 耗能小, 安全可靠, 以延长空间使用时间;

(3) 测量值稳定:不会因发射和返回时强烈的振动、超重及冲击及飞行期间的失重、真空及温度湿度变化而发生故障, 保证数据的可靠性和准确性;

(4) 要求探测器的动态范围(包括粒子的能量、注量等)很大, 粒子注量一般很低, 通常每分钟记不到一个粒子, 而有时又会大几个量级。为了辨别不同的粒子和它们具有的品质因子, 还要有好的电荷、能量和LET分辨。

下面介绍下一些常用的空间辐射和剂量测量方法。

2.1 被动式(无源)探测器

无源探测器的共同优点是体积小、重量轻、不消耗电能。目前常用的无源探测器主要有:热释光探测器(TLD)和CR-39固体径迹探测器。

TLD最常用的是⁶LiF和⁷LiF, TLD飞行期间储存的剂量信息稳定, 探测器材料有较好的组织等效性, 航天器返回后, 经过读出及刻度, 可获得准确的剂量数据等, 成为测量累积剂量首选的探测器之一。TLD的主要缺点一是不能提供剂量当量数据(即不能提供LET信息); 另外当LET≥20keV/μm时其效率严重下降, 会低估总的剂量^[11]。

CR-39径迹探测器最大的优点是可正确记录高LET粒子(~ 1000kev/μm)。

现在一般航天器和宇航服内都内装TLD阵列和CR-39的组合系统, 可测量LET≥ 5kev/μm的LET谱、剂量、剂量当量。如图 4。

2.2 主动式(有源)探测器

载人航天发展的初期, 航天员在轨期间所受的辐照数据主要是用TLD测量的剂量和平均剂量率, 没有记录粒子注量和LET谱。近年来, 随着微电子学、数据处理和存储、大容量电池等技术的发展和成熟, 有源探测器在空间辐射研究中的作用越来越重要。

空间辐射领域用的有源探测器主要包括正比计数器和由多个探测器组合而成带触发和符合, 对方向敏感的带电粒子望远镜。目前比较常用的有:

2.2.1 美国约翰逊航天中心(JSC)研制的组织等效正比计数器TEPC^[12]

TEPC(JSC)组织等效正比计数器的探测器是长5.08cm、直径5.08cm的圆柱体, 组织等效塑料厚1.9mm, 内充低压丙烷气体; TEPC的数据处理由256道ADC完成。

TEPC可以测量混合辐射场中的辐射剂量、剂量当量和LET谱。TEPC模拟1μm直径的生物细胞, 其探测灵敏度为0.2keV/μm~ 1 250keV/μm, 每2s或20s(根据剂量率自动调整)计算一次吸收剂量, 利用响应函数得到LET谱。图 5是STS-57(轨道倾角28.5°, 海拔高度462km)飞行期间TEPC测量的剂量率与时间的关系图。高的峰是飞船通过SAA区, 小的峰是通过两极。可以看出, SAA区的剂量率比非SAA区高1 ~ 2个量级^[13]。

2.2.2 带电粒子望远镜

德国Kiel大学研制的DOSTEL(dosimeter-telescope), 由两个相距15mm厚度为315μm的注入平面硅探测器组成。其LET灵敏范围是0.1 ~ 120kev/μm^[14]。

日本的PRMD-3则由3个位置灵敏硅探测器(PSD)组成, 每个PSD厚500μm, 之间相距5mm, 灵敏范围0.2 ~ 400keV/μm。上下的PSD用作触发, 中间的测量能量沉积。PRMD-3可以提供入射角度的信息。

JSC研制的带电粒子定向谱仪(CPDS)是迄今为止最复杂的辐射测量仪^[15], 如图 6。CPDS目前已用于国际空间站(ISS)上。PSD1、PSD2、PSD3是3个厚300μm的位置灵敏探测器; A1、A2、A3是3个厚1mm的锂漂移半导体探测器; B1至B6是6个5mm厚的锂漂移半导体探测器; 最后是一个Cerenkov闪烁体和光电倍增管。A1和A2给出符合信号, B1至B6测量粒子的能量沉积。数据分析与处理由4096道多道完成。

2.3 存在的问题

空间辐射剂量学是辐射防护领域里较年轻的学科之一, 还存在不少问题和发展不很完备的领域, 如:空间辐射的生物学效应; 中子剂量学; 高能粒子的测量; 混合辐射场的辐射测量; 测量仪器的小型化、轻量化; 新型屏蔽材料的研发等。

4 结语

在低地球轨道, 空间辐射的日平均剂量一般低于500μGy。在太阳活动极小年, 辐射主要是SAA区的捕获辐射和银河宇宙射线(GCRs), 而在太阳剧烈活动时能产生比平时高几个数量级短期强辐射。空间电离辐射不仅有在地球表面常见的低LET辐射, 还有相当多的高LET辐射(重离子、靶碎片和高能中子)。空间辐射的生物学效应、中子剂量学、高能粒子的测量等领域仍然存在很多问题, 特别是混合辐射场条件下的中子剂量学。

随着人类探索宇宙的脚步不断向前迈进, 空间辐射剂量学的地位愈发突出, 由于在太空进行科学研究的困难程度以及空间辐射本身的特殊性, 空间辐射测量和剂量学研究还很不成熟, 空间辐射剂量学还有很多高峰等待着我们去攀登。