КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 2, с. 136-144
УДК 52.08
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ НА МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ С ПОМОЩЬЮ ДОЗИМЕТРА "ЛЮЛИН-5"
© 2013 г. Й. Семкова1, Р. Колева1, Н. Банков1, Ст. Малчев1, В. М. Петров2, В. А. Шуршаков2, И. В. Черных2, В. В. Бенгин2, С. Г. Дробышев2, Е. Н. Ярманова2, И. В. Николаев3
1 Институт космических и солнечно-земных исследований БАН, Болгария, София
jsemkova@stil.bas.bg 2Институт медико-биологических проблем РАН, г. Москва
V_benghin@mail.ru 3Ракетно-космическая корпорация "Энергия", г. Королев Поступила в редакцию 02.06.2011 г.
Для оценки радиационного риска в космическом полете необходимо определить дозовые нагрузки, получаемые критическими органами тела человека. Для этой цели на борту космических кораблей проводятся эксперименты с моделями человеческого тела — фантомами, оснащенными пассивными и активными радиационными детекторами, которые измеряют распределения дозы в местах расположения критических органов. Дозиметрический телескоп "Люлин-5" создан с использованием трех кремниевых детекторов для исследования радиационной обстановки в шаровом тканеэк-вивалентном фантоме на Российском сегменте Международной космической станции. Цель эксперимента с прибором "Люлин-5" — исследование динамики дозы и потока частиц в фантоме, а также вариаций радиационной обстановки на МКС на продолжительных временных интервалах в зависимости от фазы цикла солнечной активности, параметров орбиты и наличия солнечных энергичных частиц. Дозиметр "Люлин-5" измеряет одновременно мощность дозы и потоки заряженных частиц на трех разных глубинах в радиальном канале фантома, а также спектр линейной передачи энергии. В данной работе представлены результаты измерений мощности дозы и потоков частиц, обусловленных различными компонентами радиационного поля на МКС, в период с июня 2007 года по декабрь 2009 года.
Б01: 10.7868/80023420612060064
Ионизирующая радиация признана одним из основных неблагоприятным фактором для здоровья и работоспособности людей в космическом полете. Оценка воздействия ионизирующей радиации на космонавтов и ее биологических эффектов основывается на прямых измерениях до-зовых величин или моделировании параметров радиационной обстановки, включая процессы прохождения первичного и вторичного излучения через вещество защиты (в том числе и через тело человека). Радиационное поле на МКС обусловлено несколькими источниками: галактическими космическими лучами (ГКЛ), захваченными частицами радиационных поясов Земли (РПЗ), солнечными космическими лучами (СКЛ), частицами альбедо, отраженными от земной атмосферы. Необходимо учитывать и вторичные частицы, образованные при взаимодействии первичного космического излучения с веществом защиты. Радиационное поле внутри и снаружи космического корабля зависит от условий экранировки защитой и материалов, входящих в ее со-
став [1—3], а также и от параметров орбиты, фазы цикла солнечной активности, гелио и геофизических параметров.
Численные модели показывают, что на орбите высотой ~400 км и наклонением 51.6° вблизи минимума солнечной активности приблизительно половина поглощенной дозы обусловлена ГКЛ, а остальная часть — захваченными частицами [1]. Значительную часть общей дозы радиации космонавты в орбитальном полете получают при пересечении внутреннего РПЗ в районе Южно-Атлантической аномалии (ЮАА). Несмотря на то, что только около 5% полного времени на орбите МКС проводит в зоне ЮАА, космонавты за этот короткий интервал могут получить и больше 50% от общей поглощенной дозы [4].
Важным условием для оценки радиационного риска космонавтов в космическом полете является определение радиационных доз непосредственно в критических органах тела человека. В ряде космических экспериментов для оценки доз
в критических органах были использованы модели тела человека — водяные и тканеэквивалент-ные фантомы, оснащенные пассивными детекторами радиации [5—8].
В 2001 г. на МКС в американском лабораторном модуле был проведен эксперимент с антропоморфным фантомом [9], а в 2004 г. на Российском сегменте МКС был начат международный космический эксперимент "МАТРЕШКА-Р" по радиационным исследованиям с использованием тканеэквивалентных фантомов — антропоморфного "МАТРЕШКА-Рэндо" [10, 11] и шарового [12, 13].
Эксперимент с дозиметром "Люлин-5" [14] является частью международного проекта "МАТРЕШКА-Р" на МКС, имеющего целью изучение распределения доз в теле человека в местах залегания критических органов с использованием в качестве модели тела человека шарового тка-неэквивалентного фантома. Шаровой тканеэкви-валентный фантом как многопользовательское экспериментальное оборудование международного проекта "МАТРЕШКА-Р" может оснащаться пассивными и активными радиационными дозиметрами [15, 16]. Диаметр фантома 35 см, сферическая полость с диаметром 10 см расположена в центре фантома. Детекторы устанавливаются внутри фантома вдоль осей в 20 пеналах и на поверхности фантома в 32 карманах чехла фантома. Масса фантома, оснащенного детекторами, составляет 32 кг. Для материала фантома используется российский тканеэквивалентный преполи-мер Diafor-TDI.
Целью эксперимента с прибором "Люлин-5" является длительное исследование динамики радиационной обстановки внутри шарового ткане-эквивалентного фантома, устанавливаемого в различных отсеках МКС. Первый этап эксперимента с прибором "Люлин-5" на МКС проводился с июня 2007 по июнь 2010 г. При проведении эксперимента детекторный блок прибора "Люлин-5" был помещен внутрь шарового фантома в экваториальном радиальном канале. Фантом был установлен в модуль СО-1 (ПИРС). Прибор "Люлин-5" позволяет проводить измерения ряда параметров, характеризующих космическую радиацию, а именно: поток частиц, мощность дозы, спектры энерговыделения в детекторах, спектр линейной передачи энергии (ЛПЭ).
ОПИСАНИЕ ПРИБОРА "ЛЮЛИН-5"
Прибор "Люлин-5" состоит из двух блоков — детекторного блока и блока электроники. Во время эксперимента детекторный блок располагался в радиальном канале фантома, а блок электроники устанавливался вне фантома. Детекторный блок содержит 3 соосно-расположенных полу-
Рис. 1
проводниковых детектора (D1-D3), зарядовочув-ствительные усилители—формирователи сигналов с детекторов и блок питания детекторов. Чувствительная толщина детекторов D1 и D3 — 370 мкм, а D2 — 360 мкм. Диаметр детекторов 17.2 мм. Детектор D1 установлен на расстоянии 40 мм от поверхности фантома, D2 — на 60 мм и D3 — на 165 мм. На рис. 1. представлена схема расположения детекторного блока прибора "Люлин-5" в фантоме. Места детекторов D1 и D2 соответствуют примерно представительным точкам кроветворной системы (КТС), а D3 находится максимально близко к центру фантома.
Блок электроники содержит схемы для амплитудного анализа, микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем, часы, память и логику, а также клавиатуру и дисплей для управления и визуализации данных. Микроконтроллер управляет процессом измерения, записи и структурирования данных и привязывает их к приборному времени. Прибор подключается к бортовой сети. Данные записываются на карту памяти. Карты памяти периодически возвращаются на Землю для последующей обработки и анализа данных.
С каждого детектора регистрируются спектры поглощенных энергии в двух диапазонах измерений, каждый диапазон содержит 256 спектральных каналов. Таким образом, получается общий спектр поглощенной энергии в 512 спектральных каналах. Энергия AE, поглощенная в детекторе, соответствует значению k1X(iNi) + kTL(jNj), а поток частиц на детекторе пропорционален значению XNi + £№. Здесь i и j являются номерами спектральных каналов в каждом из двух диапазонов и изменяются от 1 до 256, N and Nj — количество частиц, зарегистрированных в каналах i и j соответствующих энергетических диапазонов, iNi и jNj — величины, пропорциональные поглощенной энергии в каналах i и j соответствующих энергетических диапазонов, S(iNi) и 'E(j'Nj) про-
Рис. 2
порциональны поглощенной энергии в каждом из двух диапазонах измерений, а к1 и к2 градуиро-вочные коэффициенты. Значения Х(/Щ-), ^(/Щ), регистрируются за определенные интервалы времени, соответствующие циклу измерения мощности дозы и потока частиц. Поглощенная в детекторе доза затем определятся по формуле D = АЕ/т, где т масса детектора. Отдельно регистрируется также спектр поглощенной энергии в первом детекторе для частиц, регистрируемых одновременно первым и вторым детекторами. Это позволяет пересчитывать его в спектр ЛПЭ в кремнии, который может быть использован затем для оценки коэффициента качества ионизирующей радиации.
Таким образом, прибор регистрирует следующие параметры: мощность поглощенной дозы в каждом детекторе; поток частиц в диапазоне 0—400 частиц/(см2 с) в каждом детекторе; спектр поглощенных энергий в детекторе D1 в диапазоне 0.45—63 МэВ в 512 спектральных каналах; спектр поглощенных энергий в детекторе D2 в диапазоне 0.45—60 МэВ в 512 спектральных каналах; спектр поглощенных энергий в детекторе D3 в диапазоне 0.2—10 МэВ в 512 спектральных каналах; спектр поглощенных энергий в детекторе D1 при одновременной регистрации сигналов в детекторах D1 и D2 в диапазоне 0.45—60 МэВ в 512 спектральных каналах.
Все частицы с энерговыделением, превышающим верхний диапазон соответствующего спектра, регистрируются в 512-м канале этого спектра.
Геометрический фактор одиночного детектора для пересчета измеренного детектором числа частиц в дифференциальный поток в изотропном поле составляет 14.6 см2 ср.
Прибор "Люлин-5" имеет два режима измерений. Дежурный режим — мощности доз и потоки
измеряются за 90 с, а спектры — за 85 мин. Ускоренный режим — мощности доз и потоки измеряются за 20 с, а спектры — за 15 мин. Этот режим используется для измерений в ЮАА или во время солнечных протонных событий.
При подаче питания прибор автоматически начинает работать в дежурном режиме. Переключение в ускоренный режим совершается автоматически, на основании встроенного признака, который основывается на измеренном потоке в детекторе D1. Когда поток F1 > 8 частиц см-2 с-1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.