美國、蘇聯(lián)俄羅斯載人航天器輻射劑量監(jiān)測技術及結果分析

1環(huán)境輻射監(jiān)測人類實現(xiàn)人類太空以來，美國、蘇聯(lián)、俄羅斯和其他國家非常重視對航空航天結構和載人的輻射測量和分析。其中，每一次的累積劑量都是很重要的。他們使用多種輻射監(jiān)測方法,包括主動劑量測量方法(使用有源探測儀器)和被動式劑量測量方法(使用無源探測器件),以監(jiān)測航天員全身及身體各部位接受的劑量、艙內累積劑量、入射粒子能譜和線性能量轉移(LinearEnergyTransfer,LET)譜等,并研究屏蔽效應及輻射水平的動態(tài)變化,為航天員安全飛行提供重要數(shù)據(jù)。航天器艙內環(huán)境輻射監(jiān)測的主要目的是實時為地面提供艙內輻射劑量的有關信息,以決策是否對航天員采取應急防護措施,為載人航天器飛行期間輻射安全的評價提供重要依據(jù)。主動劑量測量方法是將實時劑量信息遙測、顯示或存儲/回放的劑量學方法,該方法在空間飛行時一般需消耗電源,其優(yōu)點是能夠提供輻射劑量隨空間位置和時間變化的有關信息。載人航天器輻射劑量監(jiān)測經(jīng)常使用的主動劑量測量計有電離室、G-M計數(shù)管、正比計數(shù)管、半導體探測器等。被動劑量測量方法是指不能實時提供劑量的信息、只能等航天器返回著陸后再測讀累積劑量數(shù)據(jù)的測量方法,該方法要求劑量計存儲的輻射劑量信息在飛船或衛(wèi)星離軌返回后隨時間的衰退必須很小,其優(yōu)點是在空間飛行時一般不需消耗電源。被動劑量計一般使用一些固體材料,故也稱為固體劑量計。常用的被動劑量計有熱釋光探測器(thermo-luminescentdectors,TLDs)與核徑跡探測器(有核乳膠徑跡探測器、固體核徑跡探測器),用于測量航天員吸收劑量或確定航天器艙內輻射劑量的分布。2檢測方法設計在載人航天實施的最初十年,幾乎使用過所有類型的無源探測方法,如熱釋光測量法、光激發(fā)光法、中子激活法、核徑跡探測法等,將各種無源探測器組成輻射劑量計包放置在艙內及航天員身體的不同部位,以測量累積劑量和其他參數(shù)。2.1輻射劑量監(jiān)測美國早期載人航天器主要包括“水星”、“雙子星座”、“阿波羅”和“天空實驗室”系列,其上的輻射劑量監(jiān)測設備如表1所示。從表1中可以看出,早期輻射劑量監(jiān)測主要以被動測量為主,劑量探測器以固體核徑跡探測器和LiF熱釋光劑量計為主。美國航天飛機飛行起始于1981年4月12日,飛行的軌道高度為215-615km,軌道傾角在28.5°-62°之間。輻射劑量探測器主要有:(1)正比計數(shù)器,測量軌道輻射的LET譜;(2)小型劑量儀RME-III,為小體積便攜式劑量儀,測量輻射劑量隨時間的變化;(3)被動劑量包,由3個靜電型劑量計、熱釋光劑量計和中子活化片以及低能中子劑量計一起構成。美國早期的載人飛行航天員輻射劑量的監(jiān)測結果為:輻射劑量隨著軌道高度和傾角而變化,空間飛行期間暴露的最高平均輻射劑量率為1.27mGy/d(“阿波羅-14”,飛行了216h),吸收的最高總劑量為77.41mGy(“天空實驗室-4”空間站,飛行時間為90d)。測量的南大西洋異常區(qū)(SAA)的輻射劑量嚴重,如“雙子星座-4”(296km/32.5°)南大西洋異常區(qū)吸收劑量貢獻約占總劑量的82%,“雙子星座-6”(311km/28.9°)南大西洋異常區(qū)吸收劑量貢獻約占總劑量的68%。美國航天飛機的航天員飛行輻射劑量監(jiān)測結果顯示,飛行期間暴露的最高平均輻射劑量率為2.29mGy/d(“STS-31”航天飛機,飛行了94h),最低平均輻射劑量率為0.035mGy/d(“STS-38”航天飛機,飛行了118h),吸收的最高總劑量為10.14mGy(“STS-61”航天飛機,飛行了243h)。2.2輻射劑量監(jiān)測蘇聯(lián)/俄羅斯從1961年4月12日發(fā)射世界上第一艘載人飛船“東方1號”起,每次載人航天飛行任務都對航天員實施了輻射劑量監(jiān)測,主要包括“東方號”、“上升號”和“聯(lián)盟號”系列飛船,“禮炮號”系列和“和平號”空間站,飛行的軌道高度為210-500km,軌道傾角在51.6°-73°之間,其裝備的輻射劑量監(jiān)測設備如表2所示。從表2中可以看出,早期的輻射劑量監(jiān)測主要以被動測量為主,劑量探測器以電離室、固體核徑跡探測器和熱釋光劑量計為主。各次載人航天器劑量監(jiān)測結果表明,輻射劑量隨著軌道高度和傾角而變化,最高平均輻射劑量率為0.65mGy/d(沒有太陽質子事件),最低平均輻射劑量率為0.072mGy/d,吸收的最高總劑量為183mGy(“和平號”空間站,飛行了313d)。測量的SAA的輻射劑量嚴重,如“和平”號空間站(410km/51.6°)僅有7%-8%的時間穿過SAA,但吸收劑量貢獻約占其總劑量的66%。1989年9-10月蘇聯(lián)/俄羅斯的“和平號”空間站內太陽質子事件輻射劑量監(jiān)測結果如表3所示。監(jiān)測結果表明,太陽質子事件(solarprotonevents,SPE)對艙內和航天員的影響比較大,如在1989年10月19日特大SPE的劑量是同年10月22日大SPE的劑量的9倍左右(艙內為8.8倍,航天員為9.625倍)。2.3我國出艙評論員劑量測量從調研資料來看,目前空間站輻射劑量監(jiān)測裝備中,保留下來只有熱釋光測量法中的氟化鋰(LiF)探測器、核徑跡探測法中的固體核徑跡探測器(特別是CR-239)。另外裝備的空間站輻射劑量探測儀主要有:(6)“LiuLin”劑量儀;(7)TEPC劑量監(jiān)測儀;(8)RADFET劑量儀(用于MIR空間站)等。1997年4月29日俄羅斯和美國聯(lián)合測量了“和平號”空間站航天員出艙活動期間的輻射劑量率和輻射劑量。劑量測量使用熱釋光劑量計(置于俄羅斯“奧蘭”航天服外面的專用口袋內)。測量結果表明,美國出艙航天員的劑量和劑量率分別為0.415mGy和1.474mGy/d,俄羅斯出艙航天員的劑量和劑量率分別為0.373mGy和1.675mGy/d。其間空間站艙內的對照劑量和劑量率分別為0.144mGy和0.372mGy/d。由此可見,出艙活動的平均劑量率為1.575mGy/d,是艙內劑量率的4.23倍。3tectors法“神舟3號”和“神舟4號”飛船返回艙中安裝了CR-39固體核徑跡探測器(solid-statenucleartrackdetectors,SSNTDs),它是由6層CR-39(片厚約0.7mm)和5層鋁片(片厚約0.5mm)交替疊合組裝而成。探測器粘貼在返回艙的內壁上,接收面積為110cm2,測量“神舟3號”飛船返回艙內的重離子的LET譜、吸收劑量、等效劑量及其隨屏蔽物質厚度的變化,測得2565個徑跡,得到LET譜如圖1所示。需特別指出的是,該探測器只能進行重離子的總輻射劑量的測量,存在一定的局限性。4我國死者監(jiān)測的主要方法有低地球軌道載人航天的輻射劑量主要由4個部分組成:(1)穿越SAA的地磁捕獲輻射劑量。如國內在1994年和1996年在兩次返回式衛(wèi)星艙內進行的輻射監(jiān)測(LiF劑量計)結果:SAA最高劑量率為420μGy/h(一般情況下劑量率約為2.5μGy/h),吸收劑量貢獻約占總劑量的37%。(2)高緯度地區(qū)捕獲輻射和銀河宇宙射線所呈現(xiàn)的地磁緯度效應引起的輻射增強。(3)其他銀河宇宙射線的輻射劑量。(4)潛在的太陽質子事件劑量。在劑量監(jiān)測設計中需考慮太陽質子事件引起的大劑量率和累積劑量,選取合適的劑量量程。國外經(jīng)過前蘇聯(lián)和美國的多次空間測量比較,目前逐漸淘汰了LiF以外的其他熱釋光探測器。由于CaF2和CaSO4的能量響應較差,Li2B4O7和BeO的靈敏度較低,Al2O3則有光敏性較強、退火溫度高、時間長等缺點,空間輻射劑量以LiF劑量計使用得最多。LiF探測器具有靈敏度適中、組織等效性和能量響應好等優(yōu)點,已成為測量航天器艙內和航天員累積劑量的常用探測器,迄今公開的航天員飛行劑量數(shù)據(jù)絕大多數(shù)為LiF劑量計測量結果。LiF探測器的缺點是不能提供LET譜和劑量當量。結合國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,作者建議我國載人航天器輻射劑量監(jiān)測的主要方法應是主動和被動劑量測量方法相結合:主動劑量測量方法實時監(jiān)測艙內輻射劑量率(組織或吸收體)和累積劑量的變化,盡可能地反映出航天員工作期間的輻射環(huán)境;被動劑量測量方法確定艙內輻射劑量分布以及航天員所吸收的輻射劑量。載人航天器輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)應能滿足如下要求:(1)應能連續(xù)監(jiān)測艙內輻射劑量率(組織或吸收體)和累積總劑量,這對了解艙內輻射環(huán)境、預報輻射環(huán)境的惡化和計算航天員吸收劑量是重要的;(2)應能在很大的劑量率范圍內(1μGy/h-1Gy/h)測量吸收劑量,因為既要考慮輻射環(huán)境平靜期的低劑量率水平,也要考慮特大SPE可能產生的高劑量率;(3)監(jiān)測系統(tǒng)應能監(jiān)測艙內的粒子能譜,以便計算組織或吸收體的深度劑量或劑量-深度曲線,為航天員及輻射敏感電子設備的輻射屏蔽提供依據(jù);(4)為了確定艙內的輻射平均品質因數(shù)Q和劑量當量,監(jiān)測系統(tǒng)應能監(jiān)測小于10keV/μm(水中)的LET譜和大于100keV/μm(水中)的LET譜。(1)JSC-TEC(JohnsonSpaceCenter’sTissueEquivalentProportional)劑量儀,LET譜范圍0.2-1250keV/μm;(2)R-16個人劑量儀(俄羅斯生產);(3)DOSTEL(dosimeter-telescope)劑量儀(德國生產)。由硅探測器構成望遠鏡探測系統(tǒng),測量SAA和銀河宇宙射線(GCR)的劑量率和粒子LET譜;(4)RR