2. 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室 西安 710024
2. State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect, Xi'an 710024, China
空间电离辐射是载人航天遇到的重要有害环境因素之一，质子是空间带电粒子的主要组成部分，是对宇航员造成辐射伤害的重要源项。随着载人航天的快速发展，宇航员在空间环境中的质子辐射防护与监测日益受到重视，空间质子辐射剂量监测对于保障航天员辐射安全具有重要意义[1-2]。
空间质子辐射能量范围宽，质子从4π方向入射，受太阳粒子事件影响较大[2]，目前精细测量4π方向空间质子能谱还存在较大困难。现有空间带电粒子探测器大多采用由数片半导体探测器组成的望远镜系统作为传感器，只能在某一方向、某一确定大小立体角内测量几个能段的质子通量[3-5]，并且望远镜系统由多个探测器组成，结构复杂。美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)编制的辐射带模型，如AP9等监测区域没有覆盖整个近地空间，这些模型是平均、静态模型，不能反映真实辐射带的复杂环境和涨落较大的动态变化，模型描述的辐射环境与实际观测结果有较大的差异[6]，低高度质子通量的偏差达到10倍，难以满足空间质子辐射剂量评估需求。
航天员在空间飞行中所受质子辐射剂量率低、持续时间长，主要引起随机性效应[7]。目前国内外对质子剂量监测主要针对吸收剂量与剂量当量[8]，而不是监测可评估不均匀照射引起的随机性效应发生几率的有效剂量。有效剂量在空间辐射危害评价中具有重要应用，美国国家辐射防护与测量委员会(National Council on Radiation Protection and Measurements, NCRP)发布的第132号报告对低地球轨道飞行的航天员全身照射剂量限值提出的新建议中就采用了有效剂量[9]。为评估有效剂量，对于光子与中子，目前的做法是采用可直接测量的实用量如周围剂量当量H*(10)来近似估计有效剂量。由于质子与物质相互作用方式不同于光子、中子，难以采用定义在国际辐射防护委员会(International Commission on Radiological Protection, ICRP)球或人体组织某一确定深度的实用量来评估质子辐射有效剂量。目前有文献提出利用仿真人体模型、多路探测器系统进行有效剂量的测量[10]，该测量系统总共需28个探测器，形成28个测量通道，整个系统体积大、重量重，不适用于空间环境。为此，设计一个较为轻便的探测器，实现对空间质子辐射有效剂量的监测，对于评估宇航员受到的质子辐射危害具有重要应用价值。
1 探测器设计原理有效剂量定义为：
| $ \begin{align} &E=\sum\limits_{\text{T}}{{{w}_{\text{T}}}{{H}_{\text{T}}}}=\sum\limits_{\text{T}}{{{w}_{\text{T}}}\sum\limits_{\text{R}}{{{w}_{\text{R}}}{{D}_{\text{T, R}}}}} \\ &=\sum\limits_{\text{T}}{{{w}_{\text{T}}}\sum\limits_{\text{R}}{{{w}_{\text{R}}}\left(\frac{1}{{{m}_{\text{T}}}}\int\limits_{{{m}_{T}}}{{{D}_{\text{R}}}\text{d}m} \right)}} \end{align} $ | (1) |
式中：E为有效剂量；wT与wR分别是组织权重因子与辐射权重因子；HT为器官当量剂量；DT, R表示辐射R在组织或器官T中的平均吸收剂量；mT为人体组织或器官T的质量；DR为辐射R在器官或组织T质量元dm中的吸收剂量。器官或组织平均吸收剂量DT, R是很难测量出的[10]，这也是直接测量有效剂量的难点。
ICRP于2010年发布的第116号报告[11]基于最新仿真人体模型模拟计算了不同照射条件下单位注量质子有效剂量，给出了单位注量质子有效剂量与质子能量的对应关系，如图 1所示。对各向同性辐射(Isotropic, ISO)，在1-200 MeV能量范围内，单位注量质子有效剂量与质子能量基本成线性关系，200-400 MeV范围内质子穿透能力强，在人体组织器官内沉积的能量随入射质子能量变化不大，此能量范围内质子有效剂量随质子能量变化不大。需要注意的是，当质子从人体背部照射时，20-40 MeV质子在人体内的入射深度随质子能量而增大，质子大部分沉积能量从辐射敏感器官（wT较大）转移到辐射不敏感器官（wT较小），因此背面照射有效剂量在20-40 MeV范围内随质子能量而减小。AP (Antero-posterior)：正面照射；PA (Postero-anterior)：背面照射；LLAT (Left Lateral)：左面照射；RLAT (Right lateral)：右面照射；ROT (Rotational)：旋转照射；ISO (Isotropic)：各向同性照射。
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图 1 单位注量质子有效剂量与质子能量的关系曲线[11] Figure 1 Relation curve of proton effective dose per fluence to proton energy[11]. |
400 km是载人航天的主要运行轨道高度[5]，此轨道上绝大部分质子的能量在几个MeV至400MeV之间，航天员的受照条件可近似认为各向同性[2]。若各向同性质子在所设计探测器中沉积的能量随入射质子能量的变化曲线与图 1中ISO曲线一致，即质子沉积能量正比于有效剂量，比例系数通过计算确定，则可将对质子有效剂量的测量转换为对质子沉积能量的测量，克服了直接测量有效剂量的困难。
2 探测器系统组成及模拟设计 2.1 探测器组成所设计探测器由闪烁体、光导、二氧化钛反射层、光电倍增管组成。塑料闪烁体具有制作简便、发光衰减时间短、透明度高、光传输性能好、性能稳定、机械强度高、耐振动、耐冲击、耐潮湿、无需封装、耐辐射性能好等优点[12]，采用型号为HND-S2型的塑料闪烁体。日本滨松公司生产的R4998型光电倍增管结构紧凑重量轻，具有高增益、快时间响应等优点，其光阴极光谱响应曲线与HND-S2塑料闪烁体发光光谱曲线重合较好，光阴极对闪烁体发出光的利用效率高，输出脉冲幅度大，有利于提高探测器能量分辨率。为使闪烁体发射的光能够均匀、有效地收集在光电倍增管的光阴极上，采用光导连接光电倍增管与闪烁体。塑料闪烁体、光导外为二氧化钛涂层，有利于提高光收集效率。
2.2 探测器模拟设计考虑到质子辐射为各向同性，因此采用球形闪烁体。在闪烁体外围以若干个铜圈，铜圈由两个同心且具有不同大小立体角的内外圆锥面截断球壳得到，球壳的内径与闪烁体的半径相等，外径各不相同。蒙特卡罗模拟计算在20 MeV、30 MeV、40 MeV、50 MeV、60 MeV、80 MeV、100 MeV、150 MeV、200 MeV、300 MeV、400 MeV能量点下进行。
经计算，光导长度达到8 cm时，光电倍增管对质子在闪烁体内沉积能量的影响就可忽略不计，综合考虑光电倍增管光阴极尺寸、光传输效率等因素，计算中将圆柱形光导尺寸设定为Ø20 mm×80 mm。球形塑料闪烁体半径、各铜圈厚度及其所占立体角为可变参数。计算时首先设定好闪烁体半径、各铜圈厚度及其所占立体角，源设为单位注量各向同性质子源。利用MCNPX程序计算得到11个能点下质子在闪烁体内沉积的能量，进而得到11个有效剂量-沉积能量比例系数，计算并判断各比例系数间相对偏差的最大值是否超过10%。若是，根据计算结果，调整闪烁体半径、各铜圈厚度及其所占立体角，并重新计算；若否，结束计算。模拟计算流程如图 2所示。经过多次优化计算，最终得到的探测器立体图和剖面图如图 3所示。
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图 2 模拟计算流程图 Figure 2 Flowchart of the simulation process. |
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图 3 探测器立体(a)和剖面图(b) Figure 3 Stereogram (a) and profile chart (b) of the detector. |
蒙特卡罗模拟计算结果见表 1。质子有效剂量与质子沉积能量的比例系数r取80 MeV时的计算结果r80，其余能量点下的比例系数与r80的最大相对偏差为-8.52%。
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表 1 蒙特卡罗模拟计算结果 Table 1 Monte Carlo simulation results. |
图 4是美国国家航空航天局的AP8MIN模型计算出的地球俘获带质子能谱[13]。对于该能谱，根据图 1，计算可得到质子辐射有效剂量E。同时利用蒙特卡罗程序模拟计算出同一能谱下闪烁体内质子沉积的能量，再乘以有效剂量与沉积能量的比例系数r80得到探测器给出的质子有效剂量E'，二者之间的相对偏差为：
| $ \varepsilon=\frac{E-E'}{E} $ | (2) |
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图 4 地球俘获带质子能谱(轨道高度556 km, 与赤道倾角为90°)[13] Figure 4 Energy spectrum of proton in the trapping belt (orbit height is 556 km with 90° of obliquity to equator)[13]. |
对地球俘获带质子能谱，探测器给出的有效剂量与ICRP 116号报告给出的有效剂量的相对偏差为4.829%。采用随机抽样方法抽取各向同性质子辐射能谱。随机抽样1000次，得到1000个不同的质子能谱。针对这1000个不同的质子能谱，探测器给出的有效剂量E'与根据ICRP 116号报告计算的有效剂量E之间的相对偏差见图 5。图 5中相对偏差的最大值为7.84%，最小值为-5.31%，平均值为0.52%。偏差ε基本在原点两侧对称分布，且不超过±8%，探测器所给结果与ICRP 116号报告结果符合较好。
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图 5 抽样结果 Figure 5 Results of random sampling. |
为解决空间质子辐射有效剂量监测存在的技术难题，设计了一种闪烁探测器。通过对探测器结构的特殊设计，质子在所设计探测器内沉积的能量随入射质子能量的变化曲线与ICRP 116号报告有效剂量随质子能量变化曲线基本一致。通过对AP8MIN模型地球俘获带质子能谱与随机抽样质子能谱的数值计算，探测器给出的有效剂量与ICRP 116号报告计算的有效剂量之间的相对偏差小于±8%，二者符合较好。探测器理论上可实现空间质子辐射有效剂量监测，为航天员空间质子辐射有效剂量评估提供了一种方法。
下一步将利用中国原子能科学研究院HI-13串列加速器（升级工程）在20-100 MeV能量点上对加工设计的探测器的性能做全面测试，包括探测器稳定性、重复性等。
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