载人航天飞行的辐射风险和效应研究.
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1、11/18/2012CASNSSC1载人航天飞行的载人航天飞行的辐射风险和效应研究辐射风险和效应研究（2012第二届载人航天学术大会论文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中国科学院国家空间科学中心 (CAS-NSSC)(CAS-NSSC) 11/18/2012CASNSSC2本文要点本文要点空间辐射空间辐射 近地空间辐射近地空间辐射主要是银河宇宙射线（主要是银河宇宙射线（GCR）、太阳活动高）、太阳活动高能粒子（能粒子（SEP）、南大西洋异常区辐射带粒子（）、南大西洋异常区辐射带粒子（SAA）和）
2、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，静期，深空间辐射深空间辐射主要主要来自来自 GCR。NASANASA, ,ESAESA 和和 NSSC(NSSC(中中科院科院国家国家空间空间科学中心科学中心) )的的空间空间辐射测量辐射测量: : STS, STS, ISSISS，MatroshkaMatroshka，TG-1 (TG-1 (天宫一号）。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。险和微电子器件辐射效应。为确保航天员和微电子器件
3、的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。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辐射风险的评估方法：模拟方法和实验方法。：模拟方法和实验方法。载人火星飞行的宇航员辐射风险。载人火星飞行的宇航员辐射风险。宇航员的宇航员的辐射辐射风险风险和微电子器件的和微电子器件的辐射危害辐射危害的的应对措施应对措施。11/18/2012CASNSSC35/31/2022 导论导论 3 载人航天飞行涉及的障碍有：载人航天飞行涉及的障碍有：经济层面经济层面 - 航天飞行经费；航天
4、飞行经费；政治层面政治层面 - 航天飞行航天飞行是否国家核心利益；以及是否国家核心利益；以及辐射风险辐射风险 - 对宇航员生命健康的危害和对飞船上微电子器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，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。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。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
5、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。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（研究表明，近地轨道辐射主要由银河宇宙线（GCR), 太阳高能粒太阳高能粒子子（SEP）、）、南大西洋异常（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）粒子和反照粒子组成；在太阳活动平静期，深空辐射主要是是GC
6、R。GCR随着太阳活动随着太阳活动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。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。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
7、的辐射测量结果，并讨论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。11/18/2012CASNSSC41. 近地轨道辐射近地轨道辐射 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。 太阳高能粒子太阳高能粒子事件的发生周期大致是事件的发生周期大致是11年，与太阳黑子活动周期相似年，与太阳黑子活动周期相似, 由太阳耀斑产生，由太阳耀斑产生，
8、主要是能量约为主要是能量约为10 MeV到到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，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。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。 地球辐射带地球辐射带 - Van Allen belts 由由Van Allen于于1958年发现年发现 1，它包含内离子带和外离子，它包含内离子带和外离子带以及内电子带和外电子带。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，是地球辐射带中最接近地球表面的部分，SAA的边界可以的边界可
9、以低到低到 200 km。当穿过当穿过SAA时，宇航员将受到较强的辐射。时，宇航员将受到较强的辐射。观测结果表明，观测结果表明，SAA对高倾角对高倾角STS (Space Transportation System) 飞行和国际空间站飞行和国际空间站 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
10、获得穿透相当深度物质的能量。然而它们能够获得穿透相当深度物质的能量。然而由于由于离子是高线性能量传输离子是高线性能量传输 （Linear Energy Transfer - LET）粒子，电子是低粒子，电子是低 LET 粒子，如下一节所述，粒子，如下一节所述，辐射危害主要是由高辐射危害主要是由高 LET 粒子粒子造成，所以辐射危害主要来自内辐射带离子。造成，所以辐射危害主要来自内辐射带离子。 反照粒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和地球大和地球大气层物质的相互作用。气层物质的相互作用。 GCR来源于
11、太阳系之外来源于太阳系之外，由，由98%的重子和的重子和2%的电子组成，的电子组成，GCR粒子的平均能量约为粒子的平均能量约为12 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。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核成分核成分由由87%质子、质子、12%氦核和氦核和1%重核组成，能量可高达重核组成，能量可高达1022eV/n。GCR核成核成分是近地轨道辐射的主要贡献者。分是近地轨道
