載人航天廢棄物的空間輻射防護(hù)性能研究

許 峰，魯 維，楊春信，國(guó)耀宇，費(fèi)錦學(xué)，賈向紅?

（1.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094；2.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191）

1 引言

在空間飛行期間，航天員不可避免會(huì)受到空間粒子的輻射，天然電離輻射源有銀河宇宙輻射，地磁捕獲輻射和太陽(yáng)粒子事件三種?？臻g輻射可能造成航天員損傷，影響航天員的健康和安全，所以在載人航天中備受重視。由于有地球磁場(chǎng)的防護(hù)，近地軌道載人航天飛行期間，空間輻射對(duì)航天員的影響相對(duì)較??；載人登月或者載人登火星等深空探索，因?yàn)槿鄙倭说厍虼艌?chǎng)的防護(hù)，空間輻射對(duì)航天員的威脅比近地軌道飛行時(shí)更大。如果星際飛行期間遭遇大的太陽(yáng)粒子事件，可能發(fā)生嚴(yán)重的急性效應(yīng)，甚至威脅到航天員的生命［1］。因此，空間輻射防護(hù)是載人深空探索必須面對(duì)的主要問(wèn)題之一。

空間輻射防護(hù)方法分被動(dòng)防護(hù)和主動(dòng)防護(hù)兩類(lèi)：被動(dòng)防護(hù)是指利用材料厚度對(duì)空間輻射環(huán)境中的帶電粒子進(jìn)行防護(hù)；主動(dòng)防護(hù)是指利用電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及等離子體等偏轉(zhuǎn)空間輻射環(huán)境中的帶電粒子［2-3］。世界各主要航天大國(guó)都進(jìn)行了大量主動(dòng)防護(hù)技術(shù)的研究，但距離工程應(yīng)用尚有一些關(guān)鍵技術(shù)待解決［4］，因此，目前被動(dòng)防護(hù)方法仍然是空間輻射防護(hù)的主要方法。但是，被動(dòng)防護(hù)方法存在一定的局限性，主要是增加屏蔽厚度需要增加載荷，而載人深空探索中單位重量載荷的發(fā)射成本高昂。因此，針對(duì)空間輻射環(huán)境的特點(diǎn)，合理利用載人航天飛行中已有物品或設(shè)備，在不增加載荷的情況下，設(shè)計(jì)合理可行的空間輻射防護(hù)方法，使航天員受到的空間輻射劑量最小化，是載人深空探索中空間輻射防護(hù)研究的重要方向。利用載人航天任務(wù)中的廢棄物建立空間輻射應(yīng)急防護(hù)區(qū)，可以在不增加額外載荷的條件下，為航天員在遭遇太陽(yáng)粒子事件的時(shí)候提供必要的保護(hù)。

載人航天任務(wù)中廢棄物主要包括塑料包裝，個(gè)人衛(wèi)生用品，用過(guò)的干、濕紙巾和衣服，食品和飲料的剩余物等。利用熱融化壓實(shí)技術(shù)，可以回收廢棄物中約98% ～100%的水，使整個(gè)生保系統(tǒng)水的完全閉合成為可能，對(duì)降低發(fā)射費(fèi)用，延長(zhǎng)任務(wù)飛行時(shí)間都是非常有利的；在去除水分的同時(shí)，通過(guò)高溫殺菌防止細(xì)菌滋生，能夠保障載人飛船艙內(nèi)的環(huán)境衛(wèi)生；并且廢棄物經(jīng)過(guò)熱融化壓實(shí)處理后呈瓷磚狀，大大降低了空間占用率，更加適用于空間輻射防護(hù)應(yīng)急防護(hù)區(qū)的設(shè)計(jì)［5］。

個(gè)人劑量限值是輻射防護(hù)體系的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，美國(guó)［6］、俄羅斯［7］和中國(guó)［8］均制定了相關(guān)的載人航天輻射劑量限值標(biāo)準(zhǔn)，并以航天員組織器官劑量作為空間輻射防護(hù)性能評(píng)價(jià)的依據(jù)。目前，國(guó)際上研究比較多的空間輻射防護(hù)材料主要有鋁、液氫、聚乙烯、水、聚四氟乙烯、尼龍以及鈦等［9-10］，這些方法都需要增加額外的載荷。因而，本文提出一種利用載人航天現(xiàn)有材料進(jìn)行空間輻射防護(hù)進(jìn)的新方法，并在建立的載人航天廢棄物熱融化壓實(shí)產(chǎn)物模型的基礎(chǔ)上，利用Monte Carlo方法，計(jì)算不同能量質(zhì)子經(jīng)過(guò)不同屏蔽厚度條件下的出射能量，結(jié)合太陽(yáng)粒子事件能譜和劑量轉(zhuǎn)換因子，得到航天員組織器官劑量，對(duì)載人航天廢棄物的空間輻射防護(hù)性能進(jìn)行研究。

2 仿真建模

“劑量”是將輻射沉積能量與分布與輻射生物效應(yīng)聯(lián)系起來(lái)的一個(gè)“橋梁”。在NASA-STD-3001中規(guī)定用皮膚、中樞神經(jīng)（腦）、眼、循環(huán)系統(tǒng)（心臟）和造血器官（紅骨髓）的劑量限值作為航天員空間輻射風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示［6］。

表1 NASA-STD-3001中的劑量限值（Gy-Eq／Gy）Table 1 Dose limit in NASA-STD-3001（Gy-Eq／Gy）

組織器官劑量計(jì)算公式如式（1）所示［11］：

其中，?是與Monte Carlo抽樣方法相關(guān)的系數(shù)，E代表粒子能量，f（E）為帶電粒子微分譜，DT（E）為單個(gè)入射粒子在組織器官中的劑量計(jì)算轉(zhuǎn)換因子。因此，只需分別獲得屏蔽材料或者結(jié)構(gòu)前、后的帶電粒子能譜，依據(jù)公式（1）計(jì)算出屏蔽前、后的組織器官劑量，就可以對(duì)其空間輻射防護(hù)性能進(jìn)行研究與分析。為了便于計(jì)算，用不同能量的離散點(diǎn)代替微分譜，將式（1）變化成式（2）的形式：

其中，N代表了離散點(diǎn)的數(shù)量［12］。

2.1 載人航天廢棄物模型

在NASA熱融化壓實(shí)機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上［13］，建立了載人航天廢棄物模型，包含塑料（低密度聚乙烯），食品（肉、谷類(lèi)、蔬菜、水果），鋁制包裝，非蒸餾水（廢水），打印紙，濕紙巾，棉毛巾，乳膠手套和膠帶，模型成分見(jiàn)表2。

表2 載人航天廢棄物模型Table 2 Waste model in manned spaceflight

表3 廢棄物模型熱融化壓實(shí)前后參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of waste parameters before and after heat melt compaction

圖1為載人航天廢棄物經(jīng)過(guò)熱融化壓實(shí)處理前后的狀態(tài)［14］。

2.2 太陽(yáng)粒子事件能譜

圖1 載人航天廢棄物［14］Fig．1 Waste in manned spaceflight［14］

載人深空探索中，隨機(jī)爆發(fā)的太陽(yáng)粒子事件是威脅航天員健康和安全的最主要有害環(huán)境因素之一。太陽(yáng)粒子事件中質(zhì)子約占96% ～99%［15］，因此本文只仿真計(jì)算了廢棄物熱融化壓實(shí)產(chǎn)物對(duì)質(zhì)子的防護(hù)能力。以1972年8月和1989年10月的太陽(yáng)粒子事件作為研究對(duì)象，其微分譜如圖2所示［16］：1972年8月的太陽(yáng)粒子事件是迄今為止觀(guān)測(cè)到的能量大于30 MeV質(zhì)子通量最大的事件；1989年10月的太陽(yáng)粒子事件是迄今為止觀(guān)測(cè)到的質(zhì)子總通量最大的事件。

圖2 太陽(yáng)粒子事件微分譜［16］Fig．2 Differential proton fluences in SPE［16］

2.3 仿真參數(shù)設(shè)置

利用歐洲核子中心（CERN）和日本高能物理中心（KEK）主導(dǎo)開(kāi)發(fā)的Monte Carlo模擬程序軟件包GEANT4，編寫(xiě)了質(zhì)子在載人航天廢棄物熱融化壓實(shí)產(chǎn)物中的仿真輸運(yùn)程序。GEANT4能夠由用戶(hù)定制自己的物理模塊、幾何模塊、粒子源模塊以及信息統(tǒng)計(jì)模塊。本文研究的是載人航天廢棄物熱融化壓實(shí)產(chǎn)物對(duì)太陽(yáng)粒子事件（主要為質(zhì)子）的防護(hù)性能，因此在物理模塊中，主要考慮質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用，包括電磁相互作用、弱相互作用以及強(qiáng)相互作用等物理過(guò)程。幾何模塊中屏蔽厚度分別設(shè)置為5 g／cm2鋁屏蔽 ＋1 g／cm2載人航天廢棄物屏蔽（Shield1）、5 g／cm2鋁屏蔽＋5 g／cm2載人航天廢棄物屏蔽（Shield2）和 5 g／cm2鋁屏蔽 ＋10 g／cm2載人航天廢棄物屏蔽（Shield3），其中5 g／cm2鋁屏蔽為典型的載人航天器屏蔽厚度。粒子源模塊中，根據(jù)太陽(yáng)粒子事件能譜特點(diǎn)，入射質(zhì)子能量范圍設(shè)置為1 MeV～2000 MeV，每個(gè)能量點(diǎn)計(jì)算100萬(wàn)次。信息統(tǒng)計(jì)模塊主要記錄不同能量質(zhì)子經(jīng)過(guò)不同屏蔽后的出射粒子信息。

3 屏蔽后出射粒子信息

3.1 屏蔽后質(zhì)子出射能量

統(tǒng)計(jì)不同能量質(zhì)子分別經(jīng)過(guò)三種屏蔽條件后的能量變化，得到不同屏蔽厚度下質(zhì)子入射能量與出射能量的關(guān)系如圖3，從中可以看出，Shield1、Shield2和Shield3防護(hù)條件可分別阻擋能量約在70 MeV、100 MeV和120 MeV以下的質(zhì)子。隨著質(zhì)子入射能量的增加，防護(hù)效果變差，其變化趨勢(shì)如下：

1）當(dāng)入射質(zhì)子能量達(dá)到300 MeV時(shí)，在Shield1、Shield2和Shield3防護(hù)條件，質(zhì)子出射能量與入射能量的比值分別為94.1%、89.3%和83.2%；

2）當(dāng)入射質(zhì)子能量達(dá)到500 MeV時(shí)，在Shield1、Shield2和Shield3防護(hù)條件，質(zhì)子出射能量與入射能量的比值分別為97.2%、95.0%和92.3%；

3）當(dāng)入射質(zhì)子能量達(dá)到1000 MeV時(shí)，在Shield1、Shield2和Shield3防護(hù)條件，質(zhì)子出射能量與入射能量的比值分別為98.9%、98.0%和96.9%。

結(jié)合圖2太陽(yáng)粒子事件微分譜，可以得到經(jīng)過(guò)屏蔽后的質(zhì)子能譜。

圖3 不同屏蔽下質(zhì)子入射和出射能量Fig．3 Incident and emitted energy of proton in different shielding thickness

3.2 屏蔽后次級(jí)粒子

質(zhì)子與屏蔽材料發(fā)生作用可產(chǎn)生次級(jí)粒子，包括次級(jí)質(zhì)子、中子、光子、電子和其它重離子，其中可以從屏蔽材料中出射、并且會(huì)影響航天員輻射劑量的主要為次級(jí)質(zhì)子和中子，其份額隨著入射質(zhì)子能量增大而增加，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

結(jié)合圖2太陽(yáng)粒子事件微分譜，可以得到經(jīng)過(guò)屏蔽后的次級(jí)質(zhì)子和中子能譜。

4 仿真分析結(jié)果

4.1 劑量轉(zhuǎn)換因子

劑量轉(zhuǎn)換因子表示具有特定能量的單個(gè)粒子穿過(guò)某一屏蔽厚度到達(dá)劑量點(diǎn)所產(chǎn)生的劑量。在空間輻射劑量計(jì)算中，可以使用劑量轉(zhuǎn)換因子的方法來(lái)求得某種粒子在人體組織中的劑量。首先計(jì)算某能量的粒子在劑量點(diǎn)周?chē)帘挝镔|(zhì)中的輸運(yùn)產(chǎn)生一個(gè)作為粒子入射能量和物質(zhì)深度函數(shù)的劑量轉(zhuǎn)換因子表。然后根據(jù)入射粒子的能譜和劑量轉(zhuǎn)換因子，快速計(jì)算劑量點(diǎn)的吸收劑量。皮膚、腦、眼、心臟和紅骨髓的能量-吸收劑量轉(zhuǎn)換因子如圖5所示［17］。根據(jù)輻射權(quán)重因數(shù)，計(jì)算出航天員組織器官的劑量當(dāng)量（質(zhì)子的輻射權(quán)重因數(shù)為2，中子的輻射權(quán)重因數(shù)為中子能量的連續(xù)函數(shù)［18］）。

圖4 屏蔽后次級(jí)粒子份額Fig．4 Quotient of secondary particles after shielding

圖5 吸收劑量計(jì)算轉(zhuǎn)換因子Fig．5 Coefficient of absorption dose calculation

4.2 航天員組織器官劑量

圖6 （a）和圖 6（b）分別為 1972年 8月和1989年10月太陽(yáng)粒子事件在不同屏蔽條件下造成的航天員皮膚、腦、眼、心臟和紅骨髓劑量當(dāng)量。

圖6 不同屏蔽厚度下組織器官劑量Fig．6 Organ doses in different shielding thickness

NASA-STD-3001中沒(méi)有制定關(guān)于太陽(yáng)粒子事件的應(yīng)急劑量限值，因此本文在進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)以30天劑量限值以及GB18871－2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的應(yīng)急人員在一次應(yīng)急事件中的受照劑量作為參考依據(jù)［19］。在此標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了一次應(yīng)急照射四肢（皮膚）劑量當(dāng)量不超過(guò)1.0 Sv，眼晶體劑量當(dāng)量不超過(guò)0.15 Sv，其它單個(gè)器官或組織劑量當(dāng)量不超過(guò)0.50 Sv。從圖6中可以看出：

1）星際飛行期間如遭遇類(lèi)似1972年8月的太陽(yáng)粒子事件，在無(wú)屏蔽的情況下，皮膚劑量當(dāng)量、眼劑量當(dāng)量和紅骨髓劑量當(dāng)量可分別達(dá)到53.45 Sv、32.35 Sv 和 2.02 Sv；星際飛行期間如遭遇類(lèi)似1989年10月的太陽(yáng)粒子事件，在無(wú)屏蔽條件下，皮膚劑量當(dāng)量、眼劑量當(dāng)量和紅骨髓劑量當(dāng)量可分別達(dá)到 109.32 Sv、24.54 Sv和1.19 Sv。1989年10月太陽(yáng)粒子事件造成的皮膚劑量當(dāng)量約為1972年8月太陽(yáng)粒子事件的2倍，而1972年8月太陽(yáng)粒子事件造成的紅骨髓劑量當(dāng)量高于1989年10月太陽(yáng)粒子事件，這是由于1989年10月太陽(yáng)粒子事件能譜中的低能質(zhì)子通量比1972年8月太陽(yáng)粒子事件更大。

2）對(duì)于1972年8月的太陽(yáng)粒子事件，在Shield1、Shield2和Shield3屏蔽條件下，皮膚劑量當(dāng)量分別減少為3.61 Sv、0.57 Sv和0.18 Sv；對(duì)于1989年10月的太陽(yáng)粒子事件，在 Shield1、Shield2和Shield3屏蔽條件下，皮膚劑量當(dāng)量分別減少為0.83 Sv、0.07 Sv和0.02 Sv?？梢钥闯?，1989年10月的太陽(yáng)粒子事件比1972年8月的太陽(yáng)粒子事件更易于防護(hù)，這同樣是1989年10月太陽(yáng)粒子事件能譜中的低能質(zhì)子通量比1972年8月太陽(yáng)粒子事件更大造成的。

3）對(duì)于心臟和紅骨髓而言，Shield1屏蔽條件已經(jīng)可以滿(mǎn)足防護(hù)太陽(yáng)粒子事件的需求；對(duì)于皮膚和腦而言，Shield1屏蔽條件無(wú)法滿(mǎn)足其對(duì)太陽(yáng)粒子事件的防護(hù)需求，Shield2屏蔽條件可以使皮膚劑量當(dāng)量降低到劑量限值以下；對(duì)于眼而言，在Shield2和Shield3屏蔽條件下，1972年8月太陽(yáng)粒子事件造成的劑量當(dāng)量分別為0.62 Sv和0.20 Sv，均超過(guò)了0.15 Sv的劑量限值。

4.3 次級(jí)粒子劑量

經(jīng)過(guò)不同屏蔽后的次級(jí)質(zhì)子和次級(jí)中子劑量以及占總劑量百分比見(jiàn)表4和表5。

表4 1972年太陽(yáng)粒子事件次級(jí)粒子劑量Table 4 Secondary particles dose in 1972 SPE

表5 1989年太陽(yáng)粒子事件次級(jí)粒子劑量Table 5 Secondary particles dose in 1989 SPE

從表4和表5中可以看出：

1）總體上來(lái)看，次級(jí)粒子的劑量隨著屏蔽厚度的增加均減小。在同等防護(hù)條件下，1989年10月太陽(yáng)粒子事件的次級(jí)質(zhì)子劑量較1972年8月太陽(yáng)粒子事件的次級(jí)質(zhì)子劑量大，在增加屏蔽厚度的情況下更為明顯，這是由于在高能段，1989年10月太陽(yáng)粒子事件的通量大于1972年8月太陽(yáng)粒子事件（圖2），因此屏蔽后產(chǎn)生的次級(jí)質(zhì)子較多。

2）在不同屏蔽條件下，1972年10月太陽(yáng)粒子事件的次級(jí)質(zhì)子劑量和次級(jí)中子劑量占總劑量的百分比變化不大，兩種次級(jí)粒子劑量之和占總劑量百分比不超過(guò)10%；隨著屏蔽厚度的增加，1989年10月太陽(yáng)粒子事件次級(jí)質(zhì)子和次級(jí)中子劑量占總劑量百分比增加明顯，最主要的原因是隨著屏蔽厚度的增加，1989年10月太陽(yáng)粒子事件造成的輻射劑量變的較?。▓D6）。

5 結(jié)論

利用載人航天廢棄物的熱融化壓實(shí)產(chǎn)物建立航天員空間輻射應(yīng)急防護(hù)區(qū)的方案是合理可行的，除了需要對(duì)眼采取額外的局部防護(hù)措施以外，5 g／cm2鋁屏蔽（典型的載人航天器屏蔽厚度）＋5 g／cm2載人航天廢棄物熱融化壓實(shí)產(chǎn)物基本上可以滿(mǎn)足對(duì)太陽(yáng)粒子事件的防護(hù)需求，在此屏蔽厚度下，皮膚、腦、心臟以及紅骨髓的劑量均在劑量限值之下。

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