空間輻射對空間站航天員的劑量影響分析

吳 康，方美華，張 昭，周宏濤，陳建飛，梁 箏，王 彪，宋定一

（南京航空航天大學 航天學院，南京 211106）

0 引言

在載人航天活動中，航天員面臨空間輻射環(huán)境對其身體造成的損傷風險。隨著我國載人航天活動從短期駐留向中長期駐留以及從低地球軌道（LEO）向月球基地和深空發(fā)展探索，評估航天員的輻射風險并提出有效的防護方案尤為重要[1-2]。參考并深入研究現(xiàn)有的航天員輻射劑量相關數據和結論，可為制定切實可行的航天員輻射防護方案提供重要支撐。

執(zhí)行LEO 任務的航天員所接收的輻射劑量主要源于地球輻射帶（ERB）和銀河宇宙線（GCR）粒子[3-5]。此外，太陽質子事件和太陽宇宙線等輻射源也會對航天員產生劑量貢獻，但相對于總劑量而言其貢獻較小[6]。關于ERB 和GCR 對航天員輻射劑量的貢獻，國內外開展了大量研究工作。2001 年國際空間站（ISS）搭載的Increment-2 人體軀干模型[7]實驗測量結果表明，ISS 艙內航天員的有效劑量約為0.41 mSv·d-1，其中GCR 的有效劑量貢獻率約為58.1%，這個數值與Cucinotta 等[8]通過HZETRN/QMSFRG 空間輻射傳輸模型計算獲得的GCR 總劑量貢獻率相比僅有3%左右的偏差。2014 年El-Jaby 等[9]通過PHITS 蒙特卡羅程序計算出在51.6°，450 km 軌道處，ISS 艙內航天員約75%～85%的總有效劑量當量來自GCR，且GCR 中70%的劑量當量貢獻來自于Z＞2 的重離子。由于軌道高度、GCR模型和屏蔽厚度等因素，El-Jaby 等的計算結果高于Cucinotta 等的計算結果。美國NASA 的“火星科學實驗室”計算出在10 g·cm-2鋁屏蔽下，ISS 艙內航天員6～12 個月的有效劑量為50～100 mSv，其中1/3 來自ERB 質子，2/3 來自GCR[10]。許峰等[11]利用MRI 中國男性體素模型和Geant4 蒙特卡羅粒子輸運程序并結合我國“神舟五號”飛船的軌道參數，計算得到在1 g·cm-2等效鋁屏蔽下，GCR 對航天員有效劑量的貢獻率僅為11.1%（只考慮了GCR中質子的劑量貢獻）。張斌全等[12]利用Fortran 90輻射劑量計算程序并結合CNMAN 人體數字模型，計算出在5 g·cm-2等效鋁屏蔽下GCR 在航天員單個器官內的吸收劑量率為40 μGy·d-1左右，當量劑量率為200 μSv·d-1，其計算結果比Puchalska[13]等的計算結果偏小20%～50%。

由上可知，國內外對于GCR 和ERB 粒子對航天員吸收的劑量分析結果存在差異。計算GCR 和ERB 粒子對航天員吸收劑量的貢獻需要綜合考慮輻射環(huán)境、軌道參數以及人體模型等因素。本文以中國空間站（CSS）和ISS任務為研究對象，利用課題組建立的中國男性體素模型[14]，創(chuàng)建Geant4 蒙特卡羅程序，對不同軌道下航天員的吸收劑量、當量劑量和有效劑量進行對比分析，旨在評估航天員潛在的輻射風險并提供防護依據。

1 典型LEO 載人航天環(huán)境

目前從事中長期載人航天活動的CSS 和ISS均運行于LEO，空間站航天員平均在軌工作90 天，最長工作時間達到438 天[15]，在軌開展空間科學實驗、測試、交會對接等技術試驗任務。CSS 和ISS的軌道參數如表1 所示[16]，由表可見空間站處于ERB 內帶下邊緣，受地磁場的保護，可屏蔽大部分宇宙線粒子。

表1 CSS 與ISS 運行軌道參數Table 1 Operational orbital parameters of CSS and ISS

1.1 ERB 粒子

ERB 分為內帶和外帶，空間站處于內帶，內帶由電子和質子組成。通常將5 g·cm-2或10 g·cm-2的等效鋁屏蔽作為模擬空間站的典型屏蔽厚度[17]，根據課題組之前的研究結果[18]，經過5 g·cm-2的等效鋁屏蔽后，ERB 電子在航天員體內的劑量貢獻基本可忽略不計，即ERB 劑量貢獻主要來源于質子。

采用AP8MIN 和AP8MAX 模型分別計算太陽活動極小年和極大年ERB 質子的微分通量，獲得CSS 和ISS 在屏蔽前/后的微分能譜如圖1 所示?？梢钥闯?，ISS 艙內的質子通量在50～60 MeV 能量區(qū)間內最大，并且太陽極小年的質子通量大約為太陽極大年的2 倍。ISS 艙內的質子通量計算結果與Dobynde 等[4]的計算結果相比，規(guī)律一致。另外， ISS 艙外低能質子的通量明顯高于CSS 的；高能質子的通量兩者差別不大，CSS 艙外略高。這是由于ISS 軌道傾角大，飛行緯度高于CSS，所以其軌道環(huán)境中低能質子比較多；ERB 質子通量與太陽活動周期同步變化，在太陽極小年呈現(xiàn)高通量，在太陽極大年呈現(xiàn)低通量。

圖1 不同太陽活動期空間站軌道ERB 質子在鋁屏蔽前/后的微分能譜Fig.1 Differential energy spectra of ERB protons in the space station orbit before and after aluminum shielding during different solar activity periods

1.2 GCR 粒子

采用CREME96 模型計算空間站艙外太陽活動極小年和極大年的GCR 環(huán)境，軌道參數與計算ERB 質子模型時所采用的參數相同，同時考慮地磁場的屏蔽作用。圖2 是計算得到的不同太陽活動期CSS 和ISS 艙外H、He、C、Mg 和Fe 等部分GCR重離子的微分能譜。

圖2 不同太陽活動期空間站艙外部分GCR 粒子的微分能譜Fig.2 Differential energy spectra of GCR particles outside the space station during different solar activity periods

從圖2 可以看出，H 和He 的微分通量峰值比C、Mg、Fe 要高出2～3 個數量級，且ISS 艙外所有GCR 粒子在低能段（＜250 MeV）的微分通量比CSS 高出數倍。此外，太陽活動極大年時GCR 高能段（＞20 GeV）粒子通量與極小年相比明顯降低。這是由于太陽活動極大年時太陽耀斑活動增強，耀斑釋放大量能量所產生的輻射帶電粒子會與GCR 相互作用，降低高能段GCR 粒子的通量。并且太陽活動極大年時太陽風的增強也會導致GCR粒子的散射增強，從而降低了高能段GCR 粒子的通量。

2 仿真模擬方法

2.1 中國成年男性體素模型

本文采用課題組搭建的中國成年男性體素模型，創(chuàng)建基于蒙特卡羅算法的Geant4 程序，開展仿真計算。體素模型基于一名中國男性全身臨床計算機斷層掃描（CT）數據建立[14]，其特征為：身高176 cm、體重65 kg，全身共659 層CT 影像，每層的分辨率為512×512 像素，單個體素大小為0.97 mm×0.97 mm×3 mm，累積體素為1.72×108個，模型共包含17 種人體組織器官以及各器官的密度和元素占比[14]。與國內早年建立的MRI[19]、CVP[20]和VCH[21]等中國成年男性體素模型相比，該男性體素模型分辨率更高，見表2。

表2 中國成年男性不同體素模型分辨率對比Table 2 Comparison of resolution of different voxel phantoms for a Chinese adult male

2.2 航天員輻射劑量的計算方法

吸收劑量、當量劑量和有效劑量是用于衡量航天員吸收輻射的不同劑量指標：吸收劑量為單位質量物質中受到輻射后的能量沉積值；當量劑量為不同組織或器官的吸收劑量乘以相應輻射種類的輻射權重因子，反映了不同類型輻射對人體組織的相對生物效應；有效劑量為不同組織或器官的當量劑量乘以相應的組織或器官權重因子，反映了不同組織或器官對輻射源的基準風險量[22]。

模擬中將航天器簡化為一個直徑4 m、高度6 m 的封閉圓柱體，等效鋁屏蔽厚度分別為2、5 和10 g·cm-2，航天器內部填充空氣，外部為真空，入射源設置為半徑5 m 的球形面源，粒子從4π 立體角各向同性入射到靶物質。人體模型位于航天器中心位置，如圖3所示，入射粒子微分能譜分別參見圖1和圖2。

圖3 空間站艙內航天員模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of an astronaut in a space station module

考慮次級粒子的影響，程序記錄初級和次級粒子在航天員每個體素中的能量沉積，每個組織器官的吸收劑量由能量沉積后經過質量加權算法得到，計算當量劑量和有效劑量的輻射權重因子和組織權重因子采用ICRP 103 號報告中的WR和WT值[23]。

3 CSS 和ISS 艙內輻射劑量計算及分析

重點考慮男性體素模型中眼睛、皮膚、紅骨髓、甲狀腺等17 個人體組織器官，分別將1.1 和1.2 節(jié)中計算獲得的ERB 質子和GCR 各粒子的微分能譜數據以離散點的形式由Geant4 中的GPS 粒子源類對ERB 質子和GCR 進行抽樣計算，發(fā)射源粒子包括ERB 質子和原子序數從1～92 的GCR 粒子，不同輻射粒子在模擬時均單獨發(fā)射106個，計算完成后再根據不同輻射粒子的真實通量進行換算得到不同輻射源在人體組織或器官中的輻射劑量。

3.1 吸收劑量

在太陽活動極小年和極大年條件下，經5 g·cm-2等效鋁屏蔽后，ERB 質子、GCR 質子、α 粒子和其他重離子在航天員組織器官內的吸收劑量分別如圖4 (a)～(d)所示。

圖4 不同太陽活動時期航天員器官或組織吸收劑量Fig.4 Absorbed doses by astronaut organs or tissues during different solar activity periods

從圖4 中可以看出：太陽活動極小年時ERB 質子和GCR 粒子對航天員輻射劑量大；太陽活動極大年時ERB 質子和GCR 粒子對航天員輻射劑量小。這是由于太陽活動極小年時的質子通量比極大年高約1 個數量級所致。從圖4 (a)可以看出，在ERB 質子輻照條件下，ISS 艙內的大部分航天員組織器官所吸收的輻射劑量明顯高于CSS 的，只有個別器官如軟組織和膀胱是在CSS 內輻射劑量較高。這是由于從空間站所接收的ERB 粒子能譜來看，ISS 在低能區(qū)的粒子通量高于CSS 的，而在高能區(qū)CSS 比ISS 的高。而高能粒子能量沉積在深層器官，因此個別深層器官吸收的輻射劑量在CSS 艙內要高于ISS 艙內。此外，在ERB 質子輻照條件下，航天員表層器官所吸收的輻射劑量高，深層器官所吸收的輻射劑量低，即皮膚所吸收的輻射劑量最高，其次是眼睛、肝、結腸等。在CSS 艙內，ERB 質子對皮膚的輻射劑量率約為0.18 mGy·d-1，而ISS 艙內約為0.45 mGy·d-1，后者約為前者的2.5 倍。從圖4(b)～(d)可以看出，在GCR 輻照條件下，ISS 艙內的航天員組織器官所吸收的輻射劑量明顯高于CSS 的，與ERB 質子相比，在航天員最表層器官皮膚內產生的輻射劑量反而沒有眼睛、肝、結腸等接近表層的器官劑量高。這與GCR 的能譜分布有關：能量低的GCR 粒子通量并不是最高，通量最高的GCR 粒子能量普遍在幾百到上千MeV/n，這些高能粒子一般可以穿透皮膚，沉積到航天員較深層器官中。

表3 為不同太陽活動期ERB 質子和GCR 粒子在航天員體內的吸收劑量分布?？梢钥闯觯琁SS艙內的航天員吸收劑量高于CSS 的，不同粒子在航天員體內的劑量貢獻排序一致：ERB 質子＞GCR質子＞GCR α 粒子＞GCR 其余重離子。此外，航天員組織器官約80%的吸收劑量來自于ERB 質子，而GCR 粒子在航天員體內輻射劑量中占比最高的是質子，約占14%；其次為α 粒子，約占5%；其他重離子占1%左右。

表3 不同太陽活動時期ERB 和GCR 粒子在航天員體內的吸收劑量Table 3 Absorbed doses of ERB and GCR particles by an astronaut during different solar activity periods單位：mGy·d-1

基于已發(fā)表的ISS 人體模型實驗劑量探測數據，本文根據太陽活動極小年計算的ISS 航天員部分器官的吸收劑量率與MATROSHKA 人體模型實驗[24]（太陽活動極小年附近）獲得的器官劑量探測結果的平均值進行比較，如圖5 所示。

圖5 本文計算的ISS 航天員部分器官的吸收劑量與模型實驗測量值的比較Fig.5 Comparison of the calculated absorbed doses in this article and the experimental measurement for selected organs of an ISS astronaut model

可看出，計算結果與人體模型實驗測量結果相比一致性良好，相對誤差均在30%之內，尤其是腎的吸收劑量與實驗結果比較吻合，其他組織器官有所差別。這主要是由于本文模擬所使用的輻射環(huán)境模型是AP8 和CREME96，是基于20 世紀的衛(wèi)星觀測數據推導得到的經驗公式模型，與空間站外真實輻射環(huán)境相比有所偏差[6]。同時，不同人體模型具有不同的器官位置、體積和形狀，這種差異會影響輻射粒子與器官組織相互作用后能量的沉積和散射，從而造成輻射環(huán)境對特定個體器官的輻射劑量差異[2]。

3.2 當量劑量

ISS 和CSS 艙內航天員組織器官的當量劑量如圖6 所示。在當量劑量的計算中引入了輻射權重因子WR，不同粒子的輻射權重因子如表4 所示，從表中可以看出GCR α 粒子和重離子在進入航天員組織器官后產生的當量劑量是吸收劑量的20 倍，而ERB 質子進入航天員組織器官后的當量劑量是吸收劑量的2 倍，兩者相差10 倍。

圖6 不同太陽活動期航天員器官或組織的當量劑量Fig.6 Equivalent doses for organs or tissues of an astronaut during different solar activity periods

表4 不同輻射粒子源的輻射權重因子Table 4 Radiation weight factors for different particle radiation sources

從圖6 可以看出，α 粒子在航天員各個器官的當量劑量比GCR 質子高了3～4 倍，其他重離子在航天員各個器官的當量劑量幾乎與GCR質子持平。

表5 是不同太陽活動期ERB 質子和GCR粒子對航天員的當量劑量貢獻分布，在太陽活動極小年期間，CSS 艙內航天員組織器官大約55%的當量劑量來源于ERB 質子；ISS 艙內航天員組織器官大約49%的當量劑量來源于ERB 質子。太陽活動極大年期間，CSS 艙內航天員組織器官大約53%的當量劑量來源于ERB 質子；ISS 艙內航天員組織器官大約55%的當量劑量來源于ERB 質子。綜上，相較在航天員吸收劑量中的占比，GCR當量劑量貢獻均在50%左右，占比顯著上升。

表5 不同太陽活動期ERB 和GCR 粒子在航天員體內的當量劑量貢獻分布Table 5 Distributions of equivalent dose contribution of ERB and GCR particles in an astronaut during different solar activity periods單位：mSv·d-1

3.3 有效劑量

從輻射防護角度來看，空間輻射風險評估的基準量是有效劑量，通過將當量劑量HT與組織權重因子WT相乘，可得到ERB 質子和GCR 粒子對航天員總有效劑量貢獻的分布，結果如圖7 所示。通過模擬計算獲得（在5 g·cm-2等效鋁屏蔽下）：太陽活動極小年時，CSS 艙內航天員的總有效劑量為385 μSv·d-1，GCR 對航天員的總有效劑量貢獻占比約為46%；ISS 艙內航天員的總有效劑量為787 μSv·d-1，GCR 對艙內航天員吸收的總有效劑量貢獻占比較CSS 略大，約為51%。太陽活動極大年時，CSS 艙內航天員吸收的總有效劑量為192 μSv·d-1，GCR 對航天員的總有效劑量貢獻占比約為51%；ISS 艙內航天員總有效劑量為266 μSv·d-1，GCR 對航天員的總有效劑量貢獻占比約為45%。

圖7 不同太陽活動期ERB 和GCR 粒子在航天員體內的日均有效劑量Fig.7 Daily effective doses of ERB and GCR particles in an astronaut during different solar activity periods

本文除計算5 g·cm-2典型鋁屏蔽厚度下的航天員劑量外，還計算了2 g·cm-2和10 g·cm-2鋁屏蔽厚度下航天員的有效劑量，如圖8 所示。通過不同屏蔽厚度下的航天員年有效劑量與NASA LEO 男性航天員的年有效劑量限值[25]對比來看，當鋁屏蔽厚度為2 g·cm-2時，ISS 男性航天員在太陽活動極小年吸收的年有效劑量超過輻射風險限值；當鋁屏蔽厚度≥5 g·cm-2時，CSS 和ISS 男性航天員在太陽活動極小年和極大年的年有效劑量均遠低于NASA 男性航天員輻射風險限值，表明將5 g·cm-2的鋁屏蔽應用于LEO 空間站輻射環(huán)境中，可兼顧減少材料成本與良好的防護作用。

圖8 不同屏蔽厚度下航天員年有效劑量與NASA 男性年有效劑量限值對比Fig.8 Comparison of annual effective dose by an astronaut and NASA’s limit value for a male under different shielding thicknesses

4 結束語

通過計算發(fā)現(xiàn)：對于不同太陽活動期，航天員吸收的約80%和約20%的輻射劑量分別來自于ERB 質子和GCR 粒子的貢獻，并且在ERB 質子輻照下，航天員外層器官的輻射劑量高于深層器官，皮膚的最高；而在GCR 粒子輻照下，皮膚表層的輻射劑量沒有接近表層器官的劑量高；本文的計算結果與MATROSHKA 人體模型實驗測量結果相比，器官吸收劑量的相對誤差均在30%之內。此外，航天員吸收的當量劑量和有效劑量50%左右來自于ERB 質子，其他來自于GCR 粒子的貢獻。通過本文計算的不同屏蔽厚度下的航天員年有效劑量與NASA LEO 男性航天員的年有效劑量限值對比來看，CSS 和ISS 男性航天員在不同太陽活動期的年有效劑量在5 g·cm-2的鋁屏蔽下均低于輻射風險限值，表明5 g·cm-2的鋁屏蔽能夠在空間站輻射環(huán)境中起到良好的防護作用。

本研究仍存在局限性和不足：所借助的AP8 和CREME96 模型實現(xiàn)的ERB 和GCR 粒子的能譜輸入是靜態(tài)能譜模型，所用數據是20 世紀的衛(wèi)星觀測數據，LEO 空間中的部分區(qū)域沒有被覆蓋，與真實輻射環(huán)境間存在一定的偏差；另外本文簡化了空間站核心艙的結構，而艙體結構的差異可能導致帶電粒子在屏蔽材料中的作用過程不同，這會給航天員輻射劑量的評估帶來不確定性。因此，下一步擬使用更接近空間站艙外真實情況的粒子能譜和空間站核心艙實際使用的材料和結構進行模擬，以更有效地評估航天員的真實輻射暴露風險。