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载人航天飞行的辐射风险和效应研究

（ 2012 第二届载人航天学术大会论文 C03 ）周大庄，王世金，张斌全，张珅毅，周平

中国科学院国家空间科学中心 (CAS-NSSC)

dazhuang.zhou@gmail.com

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本文要点• 空间辐射 近地空间辐射主要是银河宇宙射线（ GCR ）、太阳活动高能粒子（ SEP ）、南大西洋异常区辐射带粒子（ SA

A ）和由地球大气层散射引起的反照质子和中子。在太阳活动平静期，深空间辐射主要来自 GCR 。• NASA,ESA 和 NSSC( 中科院国家空间科学中心 ) 的空间辐射测量 : STS, ISS，Matroshka， TG-1 ( 天宫一号）。• 载人航天飞行的一大障碍是空间辐射导致的宇航员辐射风险和微电子器件辐射效应。为确保航天员和微电子器件的的航天飞行安全，必须透彻地研究宇航员和微电子器件受到的辐射并科学地评估辐射风险和效应。• 辐射风险的评估方法：模拟方法和实验方法。• 载人火星飞行的宇航员辐射风险。• 宇航员的辐射风险和微电子器件的辐射危害的应对措施。

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导论

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载人航天飞行涉及的障碍有：经济层面 - 航天飞行经费；政治层面 - 航天飞行是否国家核心利益；以及辐射风险 - 对宇航员生命健康的危害和对飞船上微电子器件的危害。其中，航天辐射风险长期以来一直被认为是所有载人航天飞行障碍中最大的障碍。所以，应当重视和开展载人航天飞行的辐射风险研究。 由于地球的遮挡和地磁场的保护，近地轨道空间的辐射低于深空中的辐射。深空中通常不存在和地球相似体积和磁场的星体，太空飞行器的外壳是最可能的辐射屏蔽体。在近地轨道之外，强辐射是载人航天飞行的主要关注对象，在飞行前就应该找到辐射应对措施。 研究表明，近地轨道辐射主要由银河宇宙线（ GCR), 太阳高能粒子（ SEP ）、南大西洋异常（ SAA ）粒子和反照粒子组成；在太阳活动平静期，深空辐射主要是 GCR。 GCR 随着太阳活动 11 年周期而变化。在太阳活动活跃期，太阳可发射强粒子辐射，主要是质子。载人航天飞行应该避开强太阳活动期。 带电粒子和中子穿过人体时能够电离人体细胞，损坏人体基因，对航天员健康造成危害。因此，在任何长时间载人航天飞行前，应该对宇航员周围的辐射场和风险进行透彻研究。 本文讨论近地轨道的辐射和辐射风险，报道一些重要的辐射测量结果，并讨论辐射风险估算的实验方法，火星载人飞行的辐射风险评估及辐射危害的应对措施。

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1. 近地轨道辐射 近地轨道辐射由银河宇宙线、太阳高能粒子、南大西洋异常粒子和反照粒子组成。 太阳高能粒子事件的发生周期大致是 11 年，与太阳黑子活动周期相似 , 由太阳耀斑产生，主要是能量约为 10 MeV到 1 GeV 的质子。强太阳宇宙线事件可能会产生非常高的粒子通量，对地球环境产生严重的影响。载人航天飞行应该避开太阳高能粒子事件。 地球辐射带 - Van Allen belts 由 Van Allen于 1958 年发现 [1] ，它包含内离子带和外离子带以及内电子带和外电子带。 SAA 是地球辐射带中最接近地球表面的部分， SAA 的边界可以低到 ~200 km 。当穿过 SAA 时，宇航员将受到较强的辐射。观测结果表明， SAA 对高倾角STS (Space Transportation System) 飞行和国际空间站 ISS（ International Space Station ）的辐射贡献可达总剂量当量的 ~20%。 SAA 辐射随飞行倾角的减小而增大。 内辐射带的捕获离子和外辐射带的电子对近地轨道卫星和宇航员可造成大的危害，因为它们能够获得穿透相当深度物质的能量。然而由于离子是高线性能量传输 （ Linear Energy Transfer - LET ）粒子，电子是低 LET 粒子，如下一节所述，辐射危害主要是由高 LET 粒子造成，所以辐射危害主要来自内辐射带离子。 反照粒子是从地球大气层散射到近地空间的质子和中子，这些粒子产生于 GCR 和地球大气层物质的相互作用。 GCR 来源于太阳系之外，由 ~98% 的重子和 ~2% 的电子组成， GCR 粒子的平均能量约为1~2 GeV/n。GCR 可来源于超新星、脉冲星和高能活动星系，产生后由星际激波加速和费米加速等机制加速到高能。 GCR 是各向同性的，同时又受到太阳磁场和地球磁场调制。 GCR 核成分由 ~87% 质子、 12%氦核和 ~1% 重核组成，能量可高达 1022eV/n。 GCR 核成分是近地轨道辐射的主要贡献者。 GCR 中的一部分可被地球磁层、地球大气和地球物质所屏蔽。 GCR 对空间旅行者构成的辐射危害是持久的不断积累的，在深空旅行中更为显著。

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图： GCR 与太阳粒子的电荷谱

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图： GCR 微分能谱

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图：GCR， SAA 粒子和太阳粒子微分能谱

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图： GCR 的太阳活动调制

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图： GCR 的地磁纬度效应

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图：南大西洋辐射异常区 SAA

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图：内外辐射带示意图

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图：辐射带粒子漂移示意图

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2. 航天辐射对宇航员和 微电子器件的危害 辐射对宇航员的影响 / 危害是对细胞、染色体、 DNA 、中枢神经系统、骨髓、皮肤造成破坏，并诱发癌症、白血病和白内障。研究表明，辐射风险随 LET 的增加而升高，高 LET (≥10 keV /μm water) 辐射占统治 [2-6] 。 GCR 重核是 GCR 中的高 LET 成分，因为它们的高能量和长射程，不能有效地屏蔽。因此 GCR 重核的测量 [7] 和辐射风险以及应对措施对载人航天飞行来说是一个重要课题。如后面所述， CR-39探测器是测量重核的最合适的被动探测器。 图 1 表明辐射风险截面随粒子 LET值的变化 [2] 。图中，辐射风险截面是辐射粒子引起的癌症死亡概率。微分辐射风险正比于微分粒子流量、粒子 LET值和风险截面。总的辐射风险是微分辐射风险的总和。 辐射对宇航员可引起不同的效应。除早期和晚期确定性效应外，最受关注的是致癌风险，这是宇航员最主要的辐射风险。利用对宇航员测量的辐射 LET谱和从辐射生物学得到辐射风险截面能够计算辐射风险。与模拟方法相比，这种方法是实验性质的。

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图 1 ：辐射风险截面与 LET值的关系

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图：粒子辐射对生物组织的破坏效应

下图示出生物组织的辐射破坏效应随粒子的 LET 值变化，高 LET 重离子的破坏远远超过低 LET x 射线的破坏。

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图：GCR 核成份对辐射的贡献（重离子占统治）因此，虽然质子的通量远远高于铁核通量，铁核的辐射剂量当量却远超质子。

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表 1 列出了辐射有效剂量（ Sv ）的职业限量值，其值是依据 NCRP

(National Council on Radiation Protection and Measurements) 报告No.132 [5] 推荐的 10 年职业生涯 3%癌症死亡率超出给出的。 表中数据显示，辐射危害对不同性别和年龄的人有很大的差异，年长的男性能够承受较强的辐射。因此，可以选择合适的年长的男性宇航员作深空飞行。表 1: 终身 3% 致命癌症超出辐射风险对应的 10 年职业剂量限值Age at Exposure (y) Effective Dose (Sv)

FemaleEffective Dose (Sv)

Male25 0.4 0.735 0.6 1.045 0.9 1.555 1.7 3.0

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除了航天员的辐射风险，空间环境对航天器和内部元器件的辐射危害也需要重点考虑。 空间环境引起的辐射风险主要是航天器长期在轨工作时受到的辐射剂量效应和单粒子事件效应 SEEs (Single Event Effects) 。 单粒子事件效应是指单个高能质子，重离子和中子导致的微电子器件状态改变，从而使航天器发生异常或故障，包括微电子器件逻辑状态改变的单粒子翻转事件，使 CMOS 组件发生单粒子锁定事件等。 GCR， SAA 和太阳活动高能粒子是造成各种辐射效应的主要因素，在太阳平静时低轨高倾角航天器的辐射剂量约为几百 µGy/d ，当太阳活动剧烈时，辐射剂量可达几个 Gy/d ，从而引起材料的变性，导致材料本身的物理性能下降，航天器功能异常。因此，载人航天轨道上的辐射风险必须要认真考虑。 未来我国的空间站从元器件数量上来说属于超大平台，元器件数量可达到 8-10万个，只要其中一个元器件发生单粒子事件，就有可能引起无法估计的损失，及时发现和定位单粒子翻转事件，并采取有效的应对措施是避免这些损失的关键。

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图：空间粒子辐射效应示意图

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图：带电粒子在电子学器件中的能量沉降和电离效应

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图：辐射粒子对飞行器的危害影响

11/18/2012 CAS NSSC－ 22图：辐射剂量与飞船屏蔽厚度的关系

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3. 近地轨道空间辐射环境测量 3.1 测量的方法和探测器 主动剂量仪组织等效正比计数器 TEPC（ Tissue Equivalent Proportional

Counter ）、被动剂量计 CR-39 塑料核径迹探测器 PNTDs（ Plastic Nuclear Track Detectors ）和热释光 TLDs 探测器（ Thermoluminescent Detectors ）均用于 NASA 空间辐射探测研究。 LET 响应范围对 TEPC、 CR-39 和 TLDs 探测器分别是全 LET（ 0.2 - 1250 keV/μm water ），高 LET（≥ 10 keV/μm water ）和低 LET (≤10 keV/μm water ）。被动测量方法中的全 LET范围的辐射量可以通过综合 CR-39和 TLDs探测器的测量结果得到。 CR-39 探测器能够直接测量带电粒子，包括高电荷高能量粒子 HZEs（ high charge and high energy particles ），空间 HZE 粒子主要是 GCR 重核。 CR-39探测器还可通过探测中子在 CR-39 中产生的次级带电粒子测量中子。 CR-39 的化学成分是 C12H18O7 ，类似人体组织。目前，宇航员使用的被动探测器中， CR-39 是唯一的既对高 LET 灵敏又能够测量 LET 谱的探测器。其它被动探测器如 TLD 对高 LET 不敏感，也不能提供 LET 信息。 NASA 被动剂量计模块是由 CR-39 和 TLD 探测器组成。被动剂量计可由宇航员携带或者放置在航天飞机和空间站里选定的位置，组成 CPDs (Crew Passive Dosimters), STS 的 PRDs (Passive Radiation Dosimeters) 和 ISS 的 ARMs (Area Radiation Monitors) 。因此，利用 TEPC 和 CR-39 探测器可测量辐射 LET 谱和所有辐射量，辐射剂量还可用 TLDs 近似测量。

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图 2: 被动辐射探测器迭层示意图

下面两图分别示出被动探测器单元的平面分布和在飞船上的位置分布。 CR-39探测器方法是 LET谱方法，其重点是 CR-39探测器的 LET定标，人工事例识别，探测器扫描和数据获取，以及对长时间暴露导致的 CR-39探测器灵敏度衰退的修正。详细的方法和步骤可以参见文献 [7, 9-17] 。 与 TEPC 测量的 LET谱相似， CR-39探测器测量的 LET谱包括微分和积分粒子通量，辐射剂量，剂量当量和品质因子，完整地描述了空间辐射环境。为了减少论文篇幅，本节只重点报道上述探测器测量的剂量当量 LET 积分谱和辐射量。

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Number of detectors:84x TLD 10084x TLD 30036x TLD 60036x TLD 70084x OSLDs28x CR-39 plates

TLD 300 TLD 100

TLD 600

TLD 700

OSLDs OSLDs

图 3: 被动探测器 PRDs 的 TLDs/OSLDs 分布

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图 4： PRDs 位置分布图

Flight Deck

Mid Deck

PRD 4

PRD 5PRD 6

PRD 1

PRD 3

PRD 2

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除了使用上述辐射探测器对辐射环境和辐射量进行测量以外， ISS 上还使用了其它几种探测方法和探测器作辐射粒子的电荷，能量和方向测量。通过 ISS 外部空间环境和内部空间环境粒子的时间和空间分布精细测量数据，原则上可以对航天辐射风险进行评估，推算航天器内部任一位置的辐射风险。 但是，由于这类探测器的电荷响应和能量响应能力通常有限，实际上很难从测量谱准确计算评估辐射风险。因此事实上，迄今为止仿真模拟辐射计算所用的能谱仍然主要来自高能宇宙线观测实验。 近地轨道的空间环境探测器主要包括质子，电子，重离子和中子探测器。 ISS上永久性搭载的 NASA 载荷主要有两类，一类是 TEPC ，用于航天员的辐射辅助分析，另一类是带电粒子方向谱仪 CPDSs (Charged Particle Directional Spectrometers) ，一共安装了四台，分别指向不同的方向，可测量空间不同方向上的质子、电子和重离子能谱 - 通量信息。但是， CPDSs 的电荷响应较低 (Z≤14) ，也缺乏完善的 LET辐射谱分析方法和功能，不适于用来评估辐射风险。 最近几年在 ISS 上运行的还有意大利宇航局研制的宇宙线辐射效应仪 ALTEA 。ALTEA 能够精确测量带电粒子 (Z=5-42) 的方向能谱， LET 谱和相对核丰度，从而提供有关 ISS 内部辐射环境带电粒子及辐射效应的最完整的信息。 我国在载人航天轨道上也开展过粒子和大气类的辐射测量，利用在神舟 4 号和 5号上进行的测量获得了一些该轨道的粒子和大气数据。在 2011 年发射的天宫 TG-1上，国家空间科学中心研制的“多向高能粒子探测器”成功地在轨运行至今，首次获得该轨道 2π 空间多方向的带电粒子即时测量。

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3.2 近地轨道辐射测量结果 3.2.1 TEPC和 CR-39 测量的辐射： STS-121

STS-121 航天飞行于 2006年 7月 4-17日进行，倾角是 51.6° 。 图 5给出 STS-121 飞行辐射剂量当量的积分 LET谱，由 TEPC 和贴在 TEPC 上的CR-39探测器测量。除此之外，还有放在 STS和 ISS 内部各个选定位置的 CR-39 被动辐射剂量计 PRDs ，用于测量飞船内部的辐射分布。 图 5 表明：（ 1）GCR 辐射贡献占主要， SAA捕获粒子贡献较小， GCR和

SAA捕获粒子的剂量当量贡献分别占总剂量当量的 ~79%和 ~21% ；（ 2 ）在高 LET 区，辐射量可由 TEPC 和贴在 TEPC 上的 CR-39 来测量，二者的测量值符合很好。 表 2收集用 TEPC 和 CR-39 剂量仪测量的 STS-121 飞行辐射量。表中的数据显示：（ 1） TEPC和 CR-39探测器测量的辐射量吻合很好；（ 2） HZE 粒子的辐射剂量当量贡献大约占总剂量当量的 27% ；（ 3 ）辐射品质因子约为 ≥ 11 （全部粒子）和 18 （ HZE 粒子）。 表 3收集用 TLDs 和 CR-39 PNTDs 对 STS-121 飞行所作的综合测量辐射量。结果表明：高 LET 和低 LET 的吸收剂量贡献分别约为总剂量的 15%和 85% ；高 LET和低 LET 的剂量当量贡献分别约为总剂量当量的 67%和 33% ，高 LET 辐射剂量当量占主要。数据还表明，在太阳平静期间进行的 STS-121 PRD 测量，全 LET 辐射剂量，剂量当量和品质因子分别约为 190 – 245 µGy/d， 500 – 655 µSv/d和 2.6 。

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图 5. STS-121剂量当量积分 LET谱

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表 2： TEPC和 CR-39探测器测量的 STS-121 辐射 (≥ 10 keV/µm water, ICRP 60)

Mission Time

Detector Absorbed Dose

Dose Equivalent

Q Factor

(Hour) (mGy) (mSv)307 TEPC (All) 0.34 ± 0.01 3.83 ± 0.10 11.16 ± 0.29 307 CR-39 (All) 0.34 ± 0.02 4.00 ± 0.28 11.77 ± 0.82 307 CR-39 (HZE) 0.06 ± 0.01 1.07 ± 0.14 17.62 ± 2.33

表 3 ： STS-121 （ PRD1 ， 3 ， 5 ）综合观测辐射量DosimeterLocation

TLDType

TLDTotal Dose

DoseLow LET(≤10keV/

µm)Q=1

DoseHigh LET

(≥10keV/µm)Q>11

Total Dose

All LET

Total DoseEquivalent

All LET(ICRP 60)

Q FactorAll LET

(mGy) (mGy) (mGy) (mGy) (mSv)

PRD1 TLD-100TLD-300

2.39±0.03 2.38±0.05

2.182.10

0.36±0.04 2.54±0.052.47±0.06

6.44±0.476.37±0.47

2.53±0.192.58±0.19

PRD3 TLD-100TLD-300

3.06±0.052.94±0.09

2.792.58

0.48±0.04 3.27±0.063.06±0.10

8.38±0.498.17±0.49

2.56±0.152.67±0.16

PRD5 TLD-100TLD-300

2.91±0.043.02±0.06

2.642.66

0.47±0.04 3.10±0.063.13±0.07

8.10±0.478.12±0.47

2.61±0.152.60±01.5

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3.2.2 TEPC 和 CR-39 测量的辐射 : ISS-Expedition12

NASA 的 ISS-Expedition 空间辐照时间超过 3个月， ISS-Expedition12 于 2005年 9月 30日到 2006年 4月 8日进行，总计 190 天。前面提到过， CR-39探测器长时间辐照有灵敏度下降的问题，应该对其进行修正。本文报道的辐射测量结果考虑了 CR-39 的灵敏度修正。 图 6给出了 ISS-Expedition 12 飞行的剂量当量（ ICRP 60 ）的积分 LET谱。在此图中， SM-P 是服务舱组（ Service Module-Panel ）， TESS 是临时睡眠站（ Temporary Sleep Station ），装有组织等效聚乙烯屏蔽层。 该图表明：（ 1） TEPC 和附在 TEPC 上的 CR-39 探测器测量到的高LET 辐射谱互相吻合；（ 2 ）辐射最低的是 TESS 区，这一结果表明，用组织等效聚乙烯屏蔽辐射非常有效。 表 4收集 TEPC和 CR-39 探测器的 ISS-Expedition12 辐射测量结果。表 5收集由 TLDs和 CR-39探测器综合测量得到的辐射量。由 TEPC 测量的全 LET辐射结果也列于表 5 。表 4 和表 5 的数据表明，由 TLDs和 CR-39探测器综合测量的辐射和由 TEPC 测量的结果相符。

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图 6 ： ISS-Expedition12 的剂量当量积分LET谱

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Table 4: TEPC 和 CR-39 探测器测量的 ISS-Expedition12 高 LET 辐射(≥ 10 keV/µm water, ICRP 60)

Detector Location Absorbed Dose Dose Equivalent Q Factor(µGy/d) (µSv/d)

TEPC (SM-P327, US Lab S4, S6) 31.70 0.09 346.56 0.99 10.93 0.03CR-39 (attached to TEPC, total)CR-39 (attached to TEPC, HZE)

31.39 1.674.31 0.63

348.18 18.5679.64 11.62

11.09 0.5918.47 2.81

CR-39 (SM-P442) 54.58 3.52 540.96 3.49 9.91 0.06CR-39 (SM-P327) 34.77 2.60 397.93 29.74 11.45 0.86

CR-39 (TESS) 31.52 2.05 347.43 2.26 11.02 0.07

表 5. ISS-Expedition 12 综合观测辐射量DosimeterLocation

TLDType

Dose TLD

All LET

Dose TLD

Low LETQ=1

Dose CR-39

High LETQ>10

Total Dose

All LET

Total DoseEquivalent

All LET(ICRP 60)

Q Factor

All LET

(mGy) (mGy) (mGy) (mSv)Attached to

TEPCTLD100TLD300

29.92±0.530.00±0.6

26.4825.49

5.96±0.32 32.44±0.5931.45±0.68

92.58±3.5691.59±3.57

2.85±0.112.91±0.11

TESS TLD100TLD300

30.50±0.529.14±0.7

26.9124.48

5.98±0.39 32.90±0.6330.47±0.80

92.87±4.3290.44±4.35

2.82±0.132.97±0.14

TEPC 29.78 89.60 3.01

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3.2.3 CR-39 测量的辐射： Matroshka 实验

Matroshka - 欧空局的一个研究设施 - 是一个研究近地轨道宇航员不同深度不同器官辐射剂量分布的实验装置。 Matroshka-1在 ISS 轨道上停留了 616 天（ 2004年 1月 29日 - 2005年 10月 10日，其中 77 天在 ISS 内部， 539 天在俄罗斯 Zvezda 舱外）。 Matroshka-2 安装在俄罗斯 Zvezda 舱内（ 2005年 12月 21日 -2006年 12月 22日）， Matroshka-2 实验总的时间是 367 天（其中 30 天在参考位置， 337 天在仿真器官）。 Matroshka 实验是长时间辐照， CR-39 探测器灵敏度衰退的修正显得非常重要。研究表明 [7,16-18] ，对 Matroshka-1 辐射， CR-39灵敏度修正前后的剂量当量差别可达 ~40% 。因此，只有经过灵敏度修正的 CR-39 辐射探测量才是合理可信的。本文报道的 Matroshka 所有辐射测量结果都是在对 CR-39探测器灵敏度衰退进行严格修正后获得的。 对多数分布在 Matroshka 人体模型不同仿真器官中的 CR-39 探测器记录到的HZE 粒子（主要是 GCR 重离子）也进行了同步扫描，以获得 GCR 重离子的辐射贡献。 HZE 粒子不能被 TEPC 和 TLDs 从其它粒子中分离出来，但能够用 CR-39探测器精确测量。 HZE 粒子的辐射 LET谱和辐射量对深入开展辐射生物学研究和其它辐射危害研究非常有价值。 图 7 和图 8 分别为 Matroshka 人体模型和它在 ISS仓外的位置；图 9和图 10 分别给出在 Matroshka-1和Matroshka-2 实验中用CR-39探测器测量的剂量当量的积分LET谱 ( 所有粒子，≥ 10 keV/µm water；HZE 粒子，≥ 20 keV /µm water) [7,16-18] 。

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Figure 7: shows Matroshkatorso and figure 8 showsthe location of Matroshkaexperiments, the facility(encircled) was mounted

outside the Zvezda Module.

图 7：Matroshka 人体模型

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图

图 8： ISS 舱外的 Matroshka 载荷

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图 9 ： Matroshka-1 剂量当量积分 LET谱

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图

图 10 ： Matroshka-2 的剂量当量 LET谱

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表 6收集在 Matroshka 实验中 CR-39 探测器测量得到的辐射量。结果表明：（ 1 ）在前胸和后背（ Matroshka 人体模型雨披 1、 2、 5、 6) 处的辐射几乎相同，最低的辐射在胃部处；（ 2） HZE 粒子贡献了重要的辐射，对Matroshka-2 实验，相应于参照位置 2 、雨披 1、 2、 5、 6处和胃部处， HZE粒子分别贡献了总剂量当量的 30.3%、 30.0%、 28.2%、 28.7%、 27.8% 和25.5% ；（ 3 ）对高 LET 区， ISS 的屏蔽效果很强，在 ISS 内部位于雨披1、 5 、眼和胃处的辐射剂量当量相对于 ISS 外部分别下降了 50%、 43% 、27%和 29% 。 下图示出辐射剂量当量随 Matroshka 人体模型组织器官位置 (空间站内外的 P1, P2, P5, P6, 眼，胃 ) 以及 LET 值的变化。 数据显示， (1) 国际空间站的飞船壁物质及内部各种物质对辐射的衰减屏蔽效果很强，对位置 P1，高 LET 辐射剂量当量的衰减大约为 50%； (2) 低 LET 辐射屏蔽比较容易，高 LET 辐射辐射屏蔽较难。这也是高 LET 辐射在航天辐射中远比低 LET 辐射重要的一个原因； (3) 应当系统开展高 LET 辐射测量及辐射损伤辐射效应研究。 在 ISS 内外测量到的 Matroshka 人体模型仿真器官辐射结果既可用来预测舱外活动 EVA（ Extra Vehicular Activity ）的辐射，也可以用于设计舱体的屏蔽，还可用来计算评估宇航员的生物学影响和辐射风险。

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Detector Location

Dose Rate (µGy/d)

Dose Equi. Rate (µSv/d)

Q Factor

Matroshka-1 Total // HZE Total // HZE Total // HZEPoncho1 64.47±2.73//11.95±1.21 762.56±32.34//232.51±23.62 11.83±0.50//19.46±1.98

Poncho2 55.87±2.88// 661.19±34.06// 11.83±0.61//

Poncho5 58.48±3.04//11.25±1.35 699.11±36.33//214.4±25.86 11.95±0.62//19.07±2.30

Eye 36.00±2.12//6.29±0.96 461.00±26.99//136.03±20.80 12.80±0.75//21.63±3.31

Stomach 30.98±2.02// 407.24±26.31// 13.14±0.85//

Reference2 28.49±1.46//4.91±0.60 349.09±17.89//97.86±11.95 12.25±0.63//19.92±2.43

Matroshka-2Poncho1 32.87±1.93//6.55±0.62 383.94±22.40//115.16±10.86 11.68±0.68//17.58±1.66

Poncho2 32.31±2.11//5.78±0.77 376.53±24.45//106.17±14.48 11.65±0.76//18.37±2.51

Poncho5 33.83±2.08//6.65±0.83 395.10±24.36//113.38±14.21 11.66±0.72//17.08±2.14

Poncho6 32.66±2.02//5.57±0.71 384.66±23.59//107.03±13.77 11.77±0.72//19.22±2.47

Eye 27.18±2.20// 333.93±27.03// 12.35±0.99//

Stomach 23.23±1.60//3.65±0.59 289.46±19.64//73.68±11.78 12.46±0.85//20.08±3.23

Reference2 33.08±1.74//6.40±0.71 388.39±20.68//117.63±12.83 11.74±0.63//18.36±2.00

表 6: 利用 CR-39 探测器测量的 Matroshka 实验辐射量 (≥ 10 keV/µm water, ICRP 60)

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图：辐射随仿生组织器官位置及 LET 的变化

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3.2.4 我国 TG-1 上的多向粒子探测结果 由我国空间科学中心研制的“多向粒子探测器”随 TG-1 号于 2011年 9月发射升空，对载人航天轨道上的高能粒子辐射环境进行了精细测量，包括质子、电子的能谱分布，以及轨道中 2π 立体角空间的粒子投掷角分布测量。 图 11示出多向粒子探测器轮廓，图 12 和图 13 分别是 SAA 电子 (> 200 eV) 和质子 (1.4 – 4 MeV) 的探测结果：粒子通量与粒子投掷角之间的关系，其中左右图分别对应于 SAA 的中心区域和边缘区域。数据显示，相应于 SAA 中心和边缘的粒子通量比值（投掷角 = 90o) 对电子和质子分别约为 1.9和 2.4 。

图 11: 多向粒子探测器图示

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图 12: SAA 区能量 >200keV 的电子在 SAA 区的中心和边缘的投掷角分布

图 13: SAA 区能量 1.4-4 MeV 的质子在 SAA 区的中心和边缘的投掷角分布

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4. 用实验 LET谱计算评估辐射人员的辐射风险 如果测量了器官辐射 LET谱，即可估算出主要由高 LET 辐射诱发的人体不同器官的肿瘤概率。辐射生物学和辐射测量的综合研究是空间辐射生命科学研究领域的一个重要的长期任务。 Matroshka 实验为我们提供了一种用 CR-39探测器确定不同器官的 LET 辐射谱的方法。不同器官的辐射危害能够用测量到的器官 LET 谱和辐射风险截面计算。宇航员不同器官 LET谱的意义在于，我们现在不仅仅能用模拟方法而且能用实验方法对其辐射风险进行评估。

4.1 辐射风险计算评估的实验方法 辐射危害可以由传统模拟方法和正在研究的实验方法估算。由于模拟方法存在某些内在缺陷，实验方法似乎更加可靠和有吸引力。 在辐射危害计算的实验方法里，辐射危害 - 因器官接受辐射导致的终身致命癌症的超出概率可以用 CR-39 探测器测量到的 LET 谱和辐射风险截面计算。各器官 LET 谱可用人体表面的 LET 谱和 Matroshka 实验的体表和器官的辐射关系得到。 CR-39 PNTDs 是目前唯一的可以测量高 LET谱（≥ 5 keV/μm water ）的个人剂量计。 NASA-Johnson 航天中心空间辐射分析组 SRAG（ Space Radiation Analysis Group ）已经测量了从 STS-114 和 ISS-Expedition12 以来的所有宇航员的 LET谱； SRAG 和都柏林高等研究院 DIAS（ Dublin Institute for Advanced Studies ）还对 Matroshka 实验中人体不同器官的 LET 谱进行了测量。这些实验结果对深入研究宇航员受到的辐射危害有重要意义。

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在辐射危害实验估算中，微分辐射危害 r (i, j) 可以表示为 r (i, j)∝f (i, j)× cs (i, j) × LET (i, j)式中 f (i, j )、 cs (i, j) 和 LET (i, j) 分别表示第 i个 LET 窗口和第 j个器官的粒子微分流量、辐射风险截面和 LET 值。其中 f (i, j) 可用从 Matroshka实验 [7,16-18] 中得到的器官剂量和总剂量之间的关系确定。 第 j 器官积分辐射风险 R(j) 可通过从高 LET 到低 LET 的微分风险求和得出。 在这个辐射风险估算方法里，计算的风险误差主要来自辐射风险截面的误差和测量粒子的统计误差。分析表明，后者较小，因此辐射风险误差主要由辐射风险截面误差决定。辐射风险截面误差有待确定，这是辐射生物学的一个重要研究课题。 另一方面，在辐射风险模拟计算方法中，风险误差依赖于粒子在人体中的复杂的物理相互作用和生物反应等机制和作用截面，因此总的辐射风险误差可高达 400-600% (95%CI)[3], 这一误差或许远远高于由实验方法得到的辐射风险误差。 除了 LET谱和辐射风险截面，根据第二节的讨论可知，辐射风险还和辐照人员的年龄和性别密切相关，男性比女性耐辐射，年长者比年轻人耐辐射。

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4.2 实验方法评估的辐射风险 4.2.1 地面天然辐射引起的辐射风险

地面天然环境辐射氡 α 粒子的辐射导致的肺癌辐射风险能够利用 CR-39 探测器测量的 LET 谱和辐射风险截面以及从 Matroshka 实验计算。 氡气已经被研究确定为第二大致肺癌原因，仅次于吸烟。根据美国国家健康研究所 NIH（ National Institutes of Health ）进行的统计调查 [19] ，全美每年大约有 15400 到 21800 肺癌患者死亡（各种年龄和性别），或大约 10% 到 14% 的肺癌死者死于氡辐射。 实验方法计算出的死于地面天然氡辐射诱发肺癌的风险约为每年 19000 人，与调查的死亡平均数吻合甚好。这一结果表明氡辐射导致的肺癌能够用实验方法准确估算。 这一研究表明：（ 1 ）实验方法计算辐射风险是成功的；（ 2 ）用 CR-39探测器测量地面天然辐射的 LET谱方法也是成功的；（ 3 ）用 CR-39探测器测量到的氡 α 辐射的 LET谱可信。

4.2.2 空间辐射引起的宇航员辐射风险 对宇航员的辐射风险，情况比较复杂。在现阶段和可预见的将来，公众不可能得到因空间辐射引起的宇航员的辐射风险和癌症死亡率信息。在这个研究领域，迄今为止几乎所有的信息都来自模拟方法。然而，使用实验方法研究此课题可以得到一些很有价值的结果。 以火星之旅为例用实验方法进行空间辐射的风险计算。基于过去的实验和理论研究，我们知道：（ 1 ）太阳活动极小期间深空间的主要辐射贡献者是 GCR ，如果飞往火星的时间大约为 6个月，那么辐射约为 0.3 Sv, 返程亦是一样；（ 2 ）在火星上停留 18个月，火星辐射约为 0.4 Sv 。因此，这趟火星之旅的总辐射约为 1 Sv. 假设深空中和火星上的辐射粒子的 LET谱的轮廓与宇航员在近地轨道 ISS-Expedition 的测量结果相似，那么在太阳活动极小期间往返火星的空间任务过程中，计算出的中年男性宇航员的辐射风险大约是 2.8% ，略低于 NCRP 的推荐的辐射风险限值 3% ，与加州理工和 NASA的理论计算结果吻合甚好 [20] 。

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5. 辐射风险和危害是载人航天飞行的一个主要障碍 尽管基于实验方法计算出的火星之旅辐射风险小于 3% ，如果同时考虑其它有关的辐射风险，如中枢神经系统、白血病、白内障等，实际上总的空间辐射风险有可能高于 3% 。 对深空载人航天飞行可以采取一些可能的减少辐射的应对措施：如选择没有强太阳活动的时间作航天飞行；缩短旅行时间；选用耐辐射的年龄较大的男性宇航员；改善飞船屏蔽；服用和进食能够降低辐射综合症和危害的药物和食品。 幸运的是，在近地轨道，迄今为止宇航员所受到的辐射还从来没有超过 3% 的辐射风险限值，因此近地轨道载人航天飞行应该是安全的，除非飞行时间远远超过历史上的记录。 对于深空载人航天飞行，如果采用各种可行的应对措施，也可能使辐射风险减小到 3% 以下，从而从宇航员辐射风险的角度实现航天安全飞行。 为了实现长时间航天飞行的安全，还应当深入地研究微电子学器件的单粒子效应，寻找单粒子事件的应对措施，如：设计耐辐射的新一代微电子器件；采用经辐射硬化加固严格处理过的微电子器件；在软件设计上采用抗单粒子事件干扰的技术，容错技术，简编技术；硬件和软件的检错与纠错等措施把辐射对微电子器件的危害减小到最低水平，从而保证器件的安全和航天飞行的安全。

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6. 正在崛起的中国空间辐射生命科学 刚刚结束长沙载人航天大会，在西安举行了空间辐射生命科学战略研讨会。目的是规划和推动我国今后的空间辐射生命科学。 就在西安战略研讨会结束的当天，北京空间科学中心又召开了空间辐射环境的地面模拟装置研究中心成立大会。因为空间辐射生命研究太重要但太昂贵，一个地面模拟辐射环境就非有不可。 这些活动清楚地标明，中国正在空间辐射和生命科学研究领域急起直追，要赶超国际先进水平，将中国真正建成航天科学大国。 空间辐射的最重要部分是 GCR 重离子，重离子与生物体的反应机制，对生命的影响是重点之重。 空间辐射生命科学的研究最终会转化为各方面的应用和产品，如空间科学，生命科学，生物优良品种培育， 环境科学， 医学， 健康科学等。 空间辐射及生命科学研究给了我们新的机会，科大应当充分发挥自己综合学科的优势，把握这个机会，在这一研究领域做出自己的贡献。

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参考文献1. Van Allen J.A. and James A., Radiation Belts Around the Earth, Sci. Am., 200 (1959) 39-47.2. Curtis S.B., Nealy J.E., Wilson J.W., Risk Cross Section and their Application to Risk

Estimation in the Galactic Cosmic-Ray Environment, Radiat. Res., 141 (1995) 57-65.3. Cucinotta F.A., Kim M.H.Y., Ren L., Managing Lunar and Mars Mission Radiation Risks, Part I: Cancer Risks, Uncertainties, and Shielding Effectiveness, JSC-NASA Internal Report NASA/TP-2005-213164, July 2005.4. Hada M., Cucinotta F.A., Gonda S.R. et al., mBand Analysis of Chromosomal Aberrations in Human Epithelial Cells Exposed to Low- and High-LET radiation, Radiat. Res., 168 (2007) 98- 105.5. NCRP Report No. 132, Radiation Protection Guidance for Activities in Low-Earth Orbit, Bethesda, Maryland, U.S.A., 2000.6. NCRP Report No. 142, Operational Radiation Safety Program for Astronauts in Low-Earth Orbit: A Basic Framework, Bethesda, Maryland, U.S.A., 2002.7. Zhou D., CR-39 Plastic Nuclear Track Detectors in Physics Research, New York, Nova Science Publishers Inc., 2012.8. Durante M. and Cucinotta F.A., Heavy ion carcinogenesis and human space exploration, Nature Rev. Can., 8 (2008) 465-472.9. O’Sullivan D., Zhou D., Semones E. et al., Dose equivalent, absorbed dose and charge spectrum investigation in low Earth orbit, Adv. Space Res., 34 (2004) 1420-1423.10. Zhou D., O’Sullivan D., Semones E. et al., Radiation field of cosmic rays measured in low Earth orbit by CR-39 detectors, Adv. Spa. Res., 37 (2006) 1764-1769, 2006a. （待续）

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参考文献 （续前）11. Zhou D., Semones E., Gaza r. et al., Radiation measured for ISS-Expedition 12 with different dosimeters, Nucl. Instru. Meth., A564 (2006) 262-266, 2006b.12. Zhou D., Semones E., Weyland M. et al., LET calibration for CR-39 detectors in different oxygen environments, Radiat. Meas., 42 (2007) 1499-1506, 2007.13. Zhou D., O’Sullivan D., Semones E. et al., Radiation dosimetry for high LET particles in low Earth orbit, Acta Astron., 63 (2008) 855-864. 14. Zhou D., Semones E., Gaza R. et al., Radiation measured with different dosimeters during STS-121 space mission, Acta Astron., 64 (2009) 437-447, 2009a. 15. Zhou D., O’Sullivan D., Semones E. et al., Research on sensitivity fading of CR-39 detectors during long time exposure, Radiat. Meas., 44 (2009) 909-912, 2009b.16. Zhou D., Semones E., O’Sullivan D. et al., Radiation measured for Matroshka-1 experiment with passive dosimeters, Acta Astron., 66 (2010) 301-308. 17. Zhou D., O’Sullivan D., Semones E. et al., Radiation of Cosmic Rays Measured on the International Space Station, Paper No. 1248, 32nd ICRC, 2011, Beijing, China. 18. Reitz G., Berger T., Bilski P. et al., Astronaut’s Organ Doses Inferred from Measurements in a Human Phantom Outside the International Space Station, Radiat. Res., 171 (2009) 225-235.19. NIH, Radon and Cancer, http://www.cancer.gov/cancertopics/factsheets/Risk/Radon, 2004.20. R.A. Mewaldt, A.J. Davis, W.R. Binns et al., The Cosmic Ray Radiation Dose in Interplanetary Space – Present Day and Worst-Case Evaluations, Proceedings of 29th ICRC (2005) 101-104. 谢谢！

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