КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, том 50, № 3, с. 224-228
УДК 523
ОЦЕНКА РАДИАЦИОННОГО РИСКА ДЛЯ КОСМОНАВТОВ НА ЛУНЕ
© 2012 г. Н. В. Кузнецов1, Р. А. Ныммик1, М. И. Панасюк1, А. Н. Денисов2, Н. М. Соболевский2
1)Нау чно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, МГУ 2)Институт ядерных исследований РАН, г. Москва nvk@srd.sinp.msu.ru Поступила в редакцию 05.05.2011 г.
Обсуждается проблема оценки радиационного риска для человека на Луне с учетом вероятностного характера появления солнечных событий. Выполнены расчеты ожидаемых значений среднеткане-вой эквивалентной дозы, которые создают потоки частиц ГКЛ и СКЛ на поверхности Луны за защитным экраном при разной продолжительности лунных экспедиций.
ВВЕДЕНИЕ
При планировании околоземных космических пилотируемых полетов и экспедиций требуется оценка радиационного риска для космонавтов из-за существования потоков высокоэнергетических частиц в космическом пространстве. Эта проблема решается расчетными методами с привлечением моделей потоков высокоэнергичных частиц космической радиации и транспортных кодов, учитывающих взаимодействие излучения с веществом защитных экранов (корпус космического корабля, оболочка скафандра и др.). В итоге потоки частиц космических лучей, прошедшие за экран, и потоки частиц вторичных излучений, возникшие в окружающем веществе в результате ядерных превращений, должны быть пересчитаны в значения эффективной или эквивалентной дозы, которые являются мерой неблагоприятного влияния радиации на работоспособность и здоровье человека. Предельные значения дозо-вых величин, превышение которых считается недопустимым в околоземных (в пределах магнитосферы Земли) пилотируемых полетах, стандартизованы [1].
Эти стандартизованные значения предельных дозовых величин использованы в настоящей работе для прогнозирования радиационного риска на Луне, то есть за пределами магнитосферы Земли. В этом случае полученная человеком доза является следствием воздействия потоков заряженных частиц галактических и солнечных космических лучей (ГКЛ и СКЛ, соответственно). При этом потоки частиц ГКЛ постоянно присутствуют в космическом пространстве, а потоки частиц СКЛ появляются эпизодически и имеют случайный характер. Следовательно, полученная человеком доза также является случайной величиной, а значения радиационного риска, то есть превышение полученной дозы над стандартизованным
1
значением предельной дозы , должны определяться с учетом теории вероятности.
В настоящей работе оценка радиационного риска для человека на Луне выполнена для разной продолжительности лунных экспедиций учитывая нахождение на поверхности Луны защитного экрана.
СХЕМА РАСЧЕТА
Геометрическая схема расчета потоков частиц на поверхности Луны приведена на рис. 1. Как видно из этого рисунка, потоки частиц ГКЛ и СКЛ падают на поверхность алюминиевого экрана полусферической формы, центр окружности которого расположен на поверхности Луны. Потоки частиц ГКЛ и СКЛ, прошедшие внутрь экрана, а также потоки вторичных протонов и нейтронов, возникшие в веществе экрана и в лунном грунте падают на шаровой фантом из мягкой биологической ткани (МБТ) [2], который расположен на поверхности Луны в центре окружности сферического экрана.
Для расчетов энергетических спектров постоянно действующих потоков заряженных частиц космических лучей, падающих на сферический экран, использовалась модель потоков частиц (протонов и ядер с зарядом z = 2—28) ГКЛ [3, 4] с включением потоков протонов низкоэнергетического компонента солнечного происхождения [3, 5]. Для расчетов энергетических спектров эпизодически возникающих потоков частиц космических лучей, падающих на поверхность экрана, ис-
1 Введенное здесь определение радиационного риска служит
для учета стохастического характера источника радиационного воздействия и не учитывает стохастического характера радиобиологических эффектов, вызывающих неблагоприятные последствия для здоровья человека.
Экран (А1)
Рис. 1. Геометрическая схема расчета.
пользовалась вероятностная модель потоков частиц (протонов и ионов с зарядом ядра z = 2—28) СКЛ [6, 7]. Указанные модели устанавливают изотропные потоки частиц в межпланетном пространстве в районе орбиты Земли (1 а. е.). Они учитывают зависимость потоков частиц от солнечной активности, которая задается среднемесячными числами Вольфа W. В статье рассматривались периоды минимума (W = 10) и максимума (W = 130) солнечной активности.
Энергетические спектры потока частиц космических лучей после торможения в веществе экрана находились с использованием данных программы SRIM2003 [8]. Энергетические спектры вторичных протонов и нейтронов вычислялись с использованием адронного транспортного кода SHIELD [9]. Толщина сферического экрана варьировалась в пределах от 1 до 100 г/см2. При-
меры дифференциальных энергетических спектров протонов и нейтронов за экраном приведены на рис. 2—5.
Окончательно, рассчитанные потоки частиц пересчитывались в среднетканевую эквивалентную дозу Н, которая согласно [1] служит верхней оценкой эффективной дозы, которую может получить космонавт при облучении. Расчет значений Н поводились для каждого из компонентов излучения (протонов, ионов, нейтронов от экрана и нейтронов от грунта) ГКЛ и СКЛ в отдельности и затем суммировались. Для расчета значений Н от потока протонов и ионов использовались значения линейной передачи энергии (ЛПЭ) в МБТ [8] и зависимость коэффициента качества излучения от ЛПЭ, рекомендованную в докладе 1СЯР [10]. Для расчета значений Н от потока нейтронов использовались значения удельной эквивалентной кермы нейтронов в МБТ [11].
РАДИАЦИОННЫМ РИСК
В соответствие с практикой оценки радиационной опасности на Луне [12—17] на первом этапе были выполнены расчеты ожидаемых среднегодовых значений Н для периодов максимума и минимума солнечной активности. При расчете значений Н от потоков частиц СКЛ использовались энергетические спектры потоков частиц, которые согласно модели [5] могут быть превышены с вероятностью г = 1%. Результаты этих расчетов, показывающие вклад потоков заряженных частиц и нейтронов в величину среднетканевой эквивалентной дозы при разной толщине защиты, представлены в таблице. Из таблицы можно сделать следующие выводы:
7 10 «
5 102
° 103
- 104
м
§ 105 с
=к
о ю6
я 10
о ч
2 107
о
В
Ё 108
С0
о °ооО»
• «
0 г/см2 А 1
* I 10 100 •
_|_I_I I 11 ill_I_I I I 11 и!_I_I i i 11 ill_i_i i i 11 ill_i_i i i 11 ill
10 102 103 104 105
Энергия, МэВ
Рис. 2. Энергетические спектры потока протонов, создаваемые потоком протонов ГКЛ на поверхности Луны в год минимума солнечной активности в отсутствии и при наличии алюминиевого экрана разной толщины (значения на рис.).
k 103
m
s io
i3 io-1
rs
| 10-3 10-5
10-
M o
g 10-7 =s
0 m
§ 10-11
1 10-13
<D
р
................... ......... ......... ................... ......... ...................
U 10-4 10-3 10-2 10-1 0 10 102 103 104 105
Энергия, МэВ
Рис. 3. Энергетические спектры потока нейтронов, создаваемые потоком протонов ГКЛ на поверхности Луны в год минимума солнечной активности от лунного грунта в отсутствии экрана и от алюминиевого экрана разной толщины.
1013 1011 109
§ 107
Ъ 105
о
^ 103
о н
С 10
fчч Í
ч,
-ГТПШ1-rmnf—ггтп • • - • • - • - * - • - • I • - • * • - • • - • - • • i ni ....... * * •
10
102 102 Энергия, МэВ
104
Рис. 4. Энергетические спектры годового флюенса протонов, создаваемые потоком протонов СКЛ (1%) на поверхности Луны в год максимума солнечной активности от алюминиевого экрана разной толщины.
0
1) вклад нейтронов в значение Н значительно меньше вклада заряженных частиц при толщине алюминиевого экрана менее ~30 г/см2 и сравним при большей толщине экрана;
2) значение НСКЛ, ожидаемое за год от частиц СКЛ (г = 1%), выше значения Н^кл, создаваемое частицами ГКЛ во всем диапазоне рассмотренных толщин экрана во время максимума солнечной активности, и при толщине экрана менее 10 г/см2 — во время минимума солнечной активности.
Данные таблицы указывают на необходимость иметь защиту большой толщины (более ~30 г/см2), чтобы радиационная доза для персонала лунной базы при воздействии потоков частиц ГКЛ и СКЛ за год не превысила допустимую дозу 50 сЗв [1].
Следует подчеркнуть, что этот вывод сделан для редко реализуемого сценария появления очень большого потока частиц СКЛ, который может быть превышен с вероятностью r = 1% (то есть риск получить более высокий поток частиц СКЛ, чем расчетный, ожидается в одной из 100 аналогичных миссий).
Однако при планирования сценариев лунной экспедиции для обеспечения радиационной безопасности космонавтов необходимы более детальные оценки значений дозы, которые могут быть превышены с определенным риском (r > 1%) при разной продолжительности лунной экспедиции. Пример результатов таких расчетов значений дозы H(t) = HSEP(t) + HGCR(t) для поверхности
1011 109
10
о
7
£ 105
-г 103
"к 10
* 10-1 I10-3
10-
10-
10-
10-
10-1 0 10 Энергия, МэВ
102
103
104
Рис. 5. Энергетические спектры годового флюенса нейтронов, создаваемые потоком протонов СКЛ (1%) на поверхности Луны в год максимума солнечной активности от лунного грунта в отсутствии экрана и от алюминиевого экрана разной толщины.
Луны за экраном толщиной 10 г/см2 в зависимости от длительности экспедиции I приведен на рис. 6. Расчеты выполнены для периодов минимума и максимума солнечной активности. На рис. 6 также приведена зависимость предельно допустимой дозы от времени I, полученная путем интерполяции стандартизованных значений для I = 1 месяц и I = 1 год [1].
Из рис. 6 видно, что при уровне радиационного риска 3% прогнозируемая длительность пребывания человека на поверхности Луны не должна превышать полутора месяцев во время максимума солнечной активности и превышает 1 год во
время минимума солнечной активности, если при этом персонал защищен алюминиевым экраном толщиной 10 г/см2.
Приведенные на рис. 6 зависимости Н(1) являются иллюстрацией методики оценки радиационной риска. В действительности оценка радиационного риска должна быть адаптирована к реальному сценари
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.