宇宙空间的辐射防护

宇宙空间的辐射防护调研报告

摘要：本文对星际宇宙中的辐射防护进行了调研：外层空间的电离辐射源主要有三种，银河宇宙辐射，地磁捕获辐射和太阳粒子事件，并分别对这三种辐射的形成过程以及组成粒子进行了介绍；对于空间辐射的防护设计，首先将宇宙空间分为两部分，近地轨道辐射防护以及载人航天飞行，对于前者，短期飞行只需要适当的质量厚度屏蔽就可以基本满足空间辐射防护的要求，对于后者，总结了现有的主动防护方法，如静电场防护方法、等离子体防护方法以及磁场防护方法。最后对未来的天空主动防护方法提出了两点改进。

关键词：星际宇宙；辐射防护；主动防护；航天飞行

引言

随着人类航天事业的发展，太空环境早已成为影响深空载人任务和未来商业服务的一个重要因素。辐射可能引起组织的物理损伤（如皮肤、肠、骨髓及其他组织的急性损伤或者白内障等），杀死人体细胞或改变人的DNA，降低免疫能力，增加癌症的发病率。星际飞行中的辐射防护十分必要且重要。一般来说，航天员在空中所受威胁来源有三个：

1.失重效应引起的身体不适；

2.由于离地面较远，隔离引起的身体和心里上的问题；

3.宇宙空间辐射导致的急性、慢性辐射效应。

其中，威胁一可以通过失重训练等克服，第二个威胁也可以通过训练以及便携医药携带技术解决。

关于星际宇宙辐射，载人航天不可避免地要暴露于外层空间的辐射环境，空间的电离辐射源主要有3 种：银河宇宙辐射(galactic cosmetic rays，GCR) ，地磁捕获辐射( trapped particle radiation，TPR) 和太阳粒子事件( solar energetic particle events，SPE)。

图1 宇宙中航天器示意图

一般来说，屏蔽不够时，强密度的SPE会引起急性辐射效应综合症。GCR 会导致癌症等慢性辐射效应。宇宙空间中存在的X、γ、β以及α、与地球上的很不相同，质子以及重带电粒子的辐射能量很大，所以放射性的不确定性非常大，尤其是对癌变、神经系统的伤害很难预知。早期有关于宇宙空间辐射不确定性的估计，癌症的死亡率是400%~1500%。这个估计可能偏高，不确定性也非常高，但是得癌症的死亡率也是非常高的。减小辐射的方法一般来说有三种，即增加与放射源的距离，缩短受辐照时间，对放射源、受辐照人或物体进行屏蔽防护。宇宙辐射是各项同性的，所以增加距放射源这个方法不可行，受照时间是由计划的任务决定的，不是人为因素能改变的。最后一个增加屏蔽的方法虽可行，但是并不能解决所有辐射问题，例如，适当增加屏蔽厚度虽能减小银河宇宙辐射，但是为防护太阳粒子事件，即使是强度很小的SPE，也需要相当厚的屏蔽材料，过重的屏蔽会也会增加航天员与航天器的负担。当然，除了上述三种防护方法外，航天员也可通过食用辐射防护剂来减小星际宇宙辐射。

一般来说，载人航天飞行主要分为两种：一是近地轨道（low earth orbit，LEO）载人航天飞行。另一个是星际飞行。对于前者，由于存在地球磁场和地球自身的屏蔽，大大减少了航天员受到的空间辐射剂量。因此，对于目前我国载人航天的近地轨道的短期飞行，适当的质量厚度屏蔽就可以基本满足空间辐射防护的要求。而对于后者，飞船在飞离和返回地球时需要穿过地磁捕获辐射带$在星际飞行期间，虽然脱离了地磁捕获辐射带的影响，但也失去了近地轨道的自然防护条件，从而加大了银河宇宙辐射和太阳粒子事件的影响。

深空中的高能粒子和重离子与航天器材料作用，将引起航天器材料的性能损伤与破坏。其中，高能电子照射到物体表面，破坏表面物质的晶体造成缺陷，或使表面物质的分子和原子电离而改变其性能；而高能质子和重离子既能产生电离作用，又能产生位移作用。这些作用导致航天器上各种材料或电子器件的性能变差，甚至破坏其性能。

综上所述，探寻新的方法的航天员在星际飞行中的空间辐射进行合理防护，是载人航天必须要面对和急待解决的问题。

1. 星际空间辐射种类

1. 银河宇宙辐射(galactic cosmetic rays，GCR)

银河宇宙辐射来自于太阳系外，且各项同性。能量很高（达1020ev），大多数来自超新星爆炸、中子星、脉冲星等。此射线包含98%的高能重子和2%的电子。高能重子由85%质子、14%的氦以及1%左右的更重原子核组成。

图2 Relative contribution in fluence (circles), dose(triangles), and dose equivalent (squares) of different elements in the GCR from the HZETRN computer code as reproduced from Cucinotta et al. (2003) in Durante and Cucinotta (2008). The calculation is an average over 1-year in solar minimum behind 5 g/cm2 Al shielding.

除了银河宇宙射线外，还有一种所谓的异常宇宙射线，其原是一种中性的星际气体，在进入日球层后，经太阳光的辐射成为射线。这些粒子经碰撞后成为速度或快或慢的太阳风，比全激发的宇宙射线的穿透能力更强，能量高达20MeV/核子。在星际宇宙辐射防护中，也必须加以考虑。

2.太阳粒子事件( solar energetic particle events，SPE)

除电磁辐射以外，太阳在持续地发射粒子辐射，主要包括质子和电子，形成所谓的太阳风。低能的太阳质子密度约在1010~1012个cm-2s-1sr-1，速度约在

300~800km/s。相对能量很低（质子能量在100eV到3.5keV），只要几百nm的皮肤就可以阻挡，因此在辐射防护中不必考虑。

然而，太阳的表面偶尔会释放出大量的能量范围宽的软、硬X射线。在大的太阳质子事件中，质子瞬时最大强度可超过正常银河宇宙线三、四个数量级。对于在飞船外执行任务的宇航员，是一种很大威胁。当剂量超过300～500特拉时（1特拉=100尔格/克），就有致命的危险；而一次较大的质子事件的辐射剂量,在1克/厘米的防护层下可达10特拉以上。因此太阳质子事件对航天事业有很大的危害。根据NASA发表的计算结果，深部空间的银河宇宙辐射可以使航天员接受0.6Sv/a的剂量，该值已经超过了国际放射防护委员会ICRP第103号报告推荐的职业照射剂量限值0.5Sv/a。太阳粒子事件是一种潜在的辐射危险源，载人航天持续时间越长，遭遇太阳粒子事件的概率越大。假如飞行中遇到1972年8月事件( 历史上观测到的注量最大) 的注量并且具有迄今为止最硬的1956年2月事件( 历史上观测到的能谱硬度最大) 的能谱，此时在深部空间飞行的航天员预估剂量见表1。

表1 1972年事件具有1956年事件能谱硬度的预估剂量

Shielding thickness (Al)(g/cm2)

Skin doses Lens doses BFO doses Gy Sv Gy Sv Gy Sv

2 10.

3 15.5 8.95 13.0 3.0

4 4.40

20 11.99 3.02 2.00 3.04 1.71 2.62

在2g/cm2铝屏蔽厚度条件下，造血器官剂量为4.4Sv，即使具有20g/cm2的铝屏蔽厚度，造血器官剂量也达到2.6Sv。根据ICRP第103号出版物，单次短暂照射剂量达到0.5Gy(约1Sv) 就能使造血机能低下，估算的LD10(死亡概率为10%的剂量中位值) 为1~2(约2~4Sv)。因此，如在星际飞行期间遭遇特大太阳粒子事件，可发生严重的急性电离辐射效应，甚至威胁到航天员生命。通过计算，在上述太阳粒子事件发生时，要使航天员的空间辐射剂量值控制在0.45Sv内，需要50g/cm2的铝屏蔽厚度，由于航天器载荷重量限制，增加屏蔽厚度费用相当昂贵; 同时，随着质量屏蔽厚度的增加，初级空间辐射与屏蔽材料相互作用产生的次级辐射剂量贡献也逐渐增大。计算表明，在屏蔽小于10g/cm2时，初级粒子剂量远高于次级粒子剂量; 在屏蔽到20g/cm2以上时，初级和次级粒子的剂量就大体相同了。因此，质量厚度屏蔽方法不能满足长期飞行和深空飞行的需要。