航天員受銀河宇宙線輻射的劑量計算

張斌全，余慶龍，梁金寶，孫越強(qiáng)，楊垂柏，張珅毅

(中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京 100190)

空間中的質(zhì)子、電子、重離子、中子和X射線等輻射是威脅航天員健康和安全的環(huán)境要素.近20年，國際和我國的載人航天事業(yè)均有了很大發(fā)展，更多航天員參與空間活動，航天員在空間停留的時間也更長，接受越來越多的空間輻射照射.不同于以X射線、γ射線和中子為主的地面輻射，空間輻射含有高傳能線密度(LET)的銀河宇宙線(GCR).銀河宇宙線是指產(chǎn)生于太陽系外銀河的高能帶電粒子.銀河宇宙線的成份包含約2%電子和約98%的原子序數(shù)1～92的原子核，原子核以質(zhì)子(約87%)和α粒子(約12%)為主，重核僅占約1%.Cucinotta等［1］研究發(fā)現(xiàn)器官劑量當(dāng)量的80%以上來自于銀河宇宙線;El-Jaby等［2］通過計算國際空間站上航天員的劑量，發(fā)現(xiàn)在2 cm鋁屏蔽下銀河宇宙線對航天員劑量當(dāng)量的貢獻(xiàn)為85%，在10 cm鋁屏蔽下的貢獻(xiàn)為75%.因此，銀河宇宙線輻射劑量的計算和監(jiān)測是航天員空間輻射風(fēng)險評估的重要工作.

長期以來，國際上對航天員輻射劑量估算主要依據(jù)國際放射防護(hù)委員會(ICRP)的第26號［3］和第60號［4］出版物，航天員器官的劑量當(dāng)量HT等于器官吸收劑量DT與輻射品質(zhì)因數(shù)的乘積.輻射品質(zhì)因數(shù)是反映不同輻射危害大小的量，ICRP 60號出版物把輻射品質(zhì)因數(shù)認(rèn)為是LET的函數(shù).

然而研究表明，輻射品質(zhì)因數(shù)不僅與輻射LET值有關(guān)，還與粒子的類型、能量和輻射效應(yīng)類型有關(guān)［5］.對于LET值相同、類型不同的粒子，它們產(chǎn)生的輻射效應(yīng)不同，以LET為函數(shù)的輻射品質(zhì)因數(shù)不能準(zhǔn)確反映輻射的生物學(xué)效應(yīng).

2013年，ICRP發(fā)布了第123號出版物——《航天員空間輻射照射的評價》［6］.該出版物在大量重離子生物學(xué)效應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，提出了新的用于航天員輻射劑量計算的輻射品質(zhì)因數(shù).該因數(shù)不再僅是LET的函數(shù)，而是與輻射粒子原子序數(shù)、能量和輻射效應(yīng)類型有關(guān)，更真實反映粒子輻射的生物效應(yīng).有必要研究與ICRP 123號出版物相適應(yīng)的航天員輻射劑量監(jiān)測評估方法.

本文采用人體數(shù)字模型模擬航天員，通過蒙特卡羅程序仿真粒子在航天員體內(nèi)的輸運(yùn)，結(jié)合ICRP 123號出版物，計算出粒子通量-航天員劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)，并由銀河宇宙線模型給出近地空間的宇宙線強(qiáng)度，進(jìn)一步計算出銀河宇宙線對航天員的輻射劑量.

1 模型和方法

1.1 人體數(shù)字模型

由于不能對人體內(nèi)的輻射劑量進(jìn)行直接測量，人體組織或器官的輻射劑量一般通過體表測量或模擬計算的方式得到.尤其是近十多年來，各國先后開發(fā)了大量的人體數(shù)字模型，把人體劃分為大量的小體積單元(體素)，通過核磁共振成像(MRI)、計算機(jī)斷層掃描(CT)或切割斷層圖片可得到各體素所屬的組織器官，結(jié)合粒子輸運(yùn)程序以研究人體受空間輻射的劑量［7-14］.

本工作中采用CNMAN人體數(shù)字模型［15］.該模型基于第三軍醫(yī)大學(xué)采集的虛擬人數(shù)據(jù)集建立.數(shù)據(jù)集的標(biāo)本來自身高170 cm，體重65 kg的成年男性.通過對標(biāo)本的切割解剖，獲取到1700多個解剖斷面，對每個斷面進(jìn)行照相，分辨率達(dá)到630萬像素.基于每一個斷面的照片，經(jīng)圖像處理后重新構(gòu)建出人體三維數(shù)字模型.該人體數(shù)字模型把人體劃分出29個組織器官，每個組織器官由大量的體素組成，體素體積為0.16mm×0.16mm ×1.0mm.CNMAN 是專用于輻射劑量評估的人體數(shù)字模型，在輻射防護(hù)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用中發(fā)揮作用［16-18］.

1.2 劑量計算方法

航天員空間輻射劑量的計算大多采用模擬粒子輸運(yùn)的 Geant4［19］、MCNP［20］和 Fluka［21］等通用蒙特卡羅軟件.然而，依據(jù)ICRP 123號出版物，需要對粒子在體內(nèi)的輸運(yùn)全過程進(jìn)行跟蹤，針對每一能量的粒子計算其輻射品質(zhì)因數(shù)，通用蒙特卡羅軟件在此方面的應(yīng)用存在困難.為此需開發(fā)新的航天員輻射劑量計算程序.

航天員輻射劑量計算程序采用Fortran 90語言編寫.航天員組織器官的吸收劑量和劑量當(dāng)量的計算過程如圖1所示:通過隨機(jī)抽樣出粒子的位置和方向，把粒子位置、方向、能量和原子序數(shù)等信息作為輸入，計算粒子穿過人體數(shù)字模型各體素時的質(zhì)量阻止本領(lǐng)和輻射品質(zhì)因數(shù)，進(jìn)一步得到粒子在各體素的沉積能量、吸收劑量和劑量當(dāng)量，最后對各組織或器官的所有體素的吸收劑量和劑量當(dāng)量求和，得到組織或器官的吸收劑量和劑量當(dāng)量.計算中，源粒子隨機(jī)抽樣為各向同性照射，原子序數(shù)從 1～92，能量覆蓋 1～20000MeV/n范圍.

圖1 航天員器官劑量計算流程Fig.1 Process to calculate astronauts’organ dose

粒子的質(zhì)量阻止本領(lǐng)是帶電粒子穿過單位質(zhì)量長度所損失的能量，基于Bethe-Bloch理論編程計算得到.圖2是程序計算結(jié)果實線與SRIM［22］程序計算值虛線的比較，兩者結(jié)果吻合.

粒子在體素 i內(nèi)的沉積能量 ΔEi(單位:MeV)為

式中:Sj為粒子的質(zhì)量阻止本領(lǐng)，MeV/(mg·cm-2);假設(shè)粒子在體素內(nèi)穿過的質(zhì)量長度為Δd，mg·cm-2，把其分為n等份(本計算中n=100)，Δx=Δd/n.

體素i的吸收劑量Di等于沉積能量除以體素的質(zhì)量:

式中:mi為體素i的質(zhì)量.

體素i的劑量當(dāng)量Hi為

式中:Qi為入射到體素i的粒子的輻射品質(zhì)因數(shù).依據(jù)ICRP 123號出版物，空間粒子的輻射品質(zhì)因數(shù)為粒子能量E和原子序數(shù)Z的函數(shù)，計算式為

式中:PZ，E={1-e［-Z*2/(kβ2)］}m，β 為粒子速度與光速之比，Z*為有效原子序數(shù);L為傳能線密度;Σ0，m，k和αγ為與輻射效應(yīng)有關(guān)的參數(shù).對于實體癌，NASA 推薦建議 m=3，k=550(1 000，Z≤4)，Σ0/αγ=7000/6.24［23］.

圖2 不同粒子在水中的質(zhì)量阻止本領(lǐng)Fig.2 Stopping powers of various particles in water

根據(jù) ICRP 123號出版物計算出1H、4He、12C、28Si、56Fe、91Zr、197Au 和238U 等粒子的輻射品質(zhì)因數(shù)及其與ICRP 60號出版物的品質(zhì)因數(shù)比較如圖3所示.ICRP 60號出版物推薦的輻射品質(zhì)因數(shù)隨傳能線密度L變化在總體趨勢上與ICRP 123號出版物的一致，然而在某些L值，兩個出版物給出的輻射品質(zhì)因數(shù)差別可達(dá)數(shù)倍.

圖3 ICRP 123與ICRP 60出版物的輻射品質(zhì)因數(shù)Fig.3 Radiation quality factor from ICRP 60 and ICRP 123 publications

器官T的吸收劑量和劑量當(dāng)量分別由組成該器官的所有體素的吸收劑量和劑量當(dāng)量求和得到:

式中:k'為組成器官T的體素數(shù)量.

最后，把器官T的吸收劑量和劑量當(dāng)量除以源粒子的通量，分別得到通量-吸收劑量轉(zhuǎn)換因數(shù)和通量-劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因數(shù).

1.3 銀河宇宙線模型

為了得到近地軌道空間的銀河宇宙線通量，以利用上述轉(zhuǎn)換因數(shù)來評估航天員所受的銀河宇宙線輻射劑量，采用了 SPENVIS［24］程序中的CRèME 96銀河宇宙線模型.該模型給出太陽活動低年的銀河宇宙線強(qiáng)度，考慮了地磁作用.計算得到的國際空間站軌道(International Space Station，ISS)(遠(yuǎn)地點365 km，近地點345 km，傾角52°)銀河宇宙線1H、4He、12C、40Ar、56Fe 和238U 等部分銀河宇宙線粒子的微分能譜如圖4所示，在10MeV/n能量之下的粒子主要是異常宇宙線，1H粒子的通量比238U粒子通量高10個數(shù)量級.

圖4 國際空間站軌道銀河宇宙線粒子(1 H、4 He、12 C、40 Ar、56 Fe和238 U)的能譜Fig.4 Energy spectra of GCR particles(1 H，4 He，12 C，40 Ar，56 Fe and 238 U)in ISSorbit

2 結(jié)果與分析

2.1 劑量轉(zhuǎn)換因數(shù)

計算程序運(yùn)行在Windows 7環(huán)境，處理器頻率為1.6GHz，內(nèi)存為 4.0GB.對于每一種原子序數(shù)1～92的粒子，仿真計算105個粒子需要時間約32 h.

通過計算獲得了人體在不同鋁屏蔽厚度(0、2、5、10 g/cm2)下，受不同粒子照射時主要組織器官的通量-吸收劑量轉(zhuǎn)換因數(shù)和通量-劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因數(shù).

人體的肺和肝在1H、4He、12C、56Fe和238U 粒子照射下，其通量-吸收劑量轉(zhuǎn)換因數(shù)和粒子通量-劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因數(shù)分別見圖5(a)和圖5(b).從圖5中看出，器官在同一種粒子照射時，其轉(zhuǎn)換因數(shù)隨粒子能量升高而增大，然后趨于一個常數(shù)值，這是因為高能量的粒子在器官中的阻止本領(lǐng)趨于常數(shù)(見圖2)，它們在器官中的沉積能量差別不大.對于高能量如大于103MeV/n的粒子，通量-吸收劑量轉(zhuǎn)換因數(shù)和通量-劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因數(shù)隨粒子原子序數(shù)增大而增大.

圖5 受1 H、4 He、12 C、56 Fe和238 U粒子照射時通量-器官吸收劑量轉(zhuǎn)換因數(shù)和通量-器官劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因數(shù)Fig.5 Fluence to organ absorbed dose conversion coefficients and organ dose equivalent conversion coefficients for exposure by 1 H，4 He，12 C，56 Fe and 238 U

在不同屏蔽厚度下人體分別受56Fe粒子照射時，肺的通量-吸收劑量轉(zhuǎn)換因數(shù)和通量-劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因數(shù)分別見圖6(a)和圖6(b).可以看出，屏蔽厚度主要影響低能量粒子通量-劑量轉(zhuǎn)換因數(shù)，可使轉(zhuǎn)換因數(shù)降低，對于高能量粒子(＞103MeV/n)，轉(zhuǎn)換因數(shù)幾乎不發(fā)生變化，屏蔽的影響可以忽略.

圖6 不同屏蔽厚度下56 Fe粒子照射時的通量-器官吸收劑量轉(zhuǎn)換因數(shù)和通量-器官劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因數(shù)Fig.6 Fluence to organ absorbed dose conversion coefficients and organ dose equivalent conversion coefficients for exposure by 56 Fe with various shielding thicknesses

人體在1H、4He、12C和56Fe等粒子照射下，計算出肺、肝、甲狀腺、皮膚和大腦的通量-吸收劑量轉(zhuǎn)換因數(shù)、通量-劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因數(shù)與ICRP 123號出版物結(jié)果的比較分別見圖7(a)和圖7(b).從圖中可看出，計算結(jié)果與ICRP結(jié)果有較好的一致性，尤其是皮膚的轉(zhuǎn)換因數(shù)與ICRP結(jié)果比較吻合，其他組織器官的有差別，最大可達(dá)數(shù)十倍，隨著粒子能量升高，這種差別減小.這主要是由于CNMAN人體模型與ICRP人體模型在器官的位置、體積、形狀等方面存在差異造成的，計算方法的不同也會帶來差別.

2.2 近地軌道航天員的輻射劑量

圖7 計算的通量-器官吸收劑量轉(zhuǎn)換因數(shù)和通量-器官劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因數(shù)與ICRP 123結(jié)果的比較Fig.7 Comparisons of fluence to organ absorbed dose conversion coefficients and organ dose equivalent conversion coefficients calculated with results from ICRP 123

利用上述計算的通量-劑量轉(zhuǎn)換因數(shù)和來自CRèME 96模型的銀河宇宙線通量，可計算出近地國際空間站軌道航天員受銀河宇宙線輻射照射的劑量率.一些組織器官在不同屏蔽厚度下的吸收劑量率和劑量當(dāng)量率分別如圖8(a)和圖8(b)所示.從結(jié)果發(fā)現(xiàn)，航天員受銀河宇宙線輻射時器官的劑量率不是隨屏蔽厚度增加而降低，在5 g/cm2屏蔽厚度下接受銀河宇宙線輻射的吸收劑量率要大于無屏蔽時的劑量率.這是由于屏蔽雖然阻止了部分粒子照射航天員，但同時使透過粒子的能量降低，而低能量粒子在人體內(nèi)的沉積能量增大，可導(dǎo)致吸收劑量增加.而5 g/cm2屏蔽時器官的劑量當(dāng)量率與無屏蔽時劑量當(dāng)量率接近，大于2 g/cm2屏蔽的劑量當(dāng)量率.

圖8 國際空間站軌道不同屏蔽厚度下航天員受銀河宇宙線照射時的器官吸收劑量率和器官劑量當(dāng)量率Fig.8 Astronauts’organ absorbed dose rates and organ dose equivalent rates from exposure by GCR in ISS orbit with various shielding thicknesses

圖9 銀河宇宙線不同粒子造成的皮膚吸收劑量率和皮膚劑量當(dāng)量率Fig.9 Skin absorbed dose rates and skin dose equivalent rates from various particles of GCR

航天員受銀河宇宙線照射時，宇宙線各粒子造成的皮膚吸收劑量率和皮膚劑量當(dāng)量率分別見圖9(a)和圖9(b).由圖可見，吸收劑量率和劑量當(dāng)量率主要來自于原子序數(shù)小于29的銀河宇宙線粒子，這些粒子對航天員劑量的貢獻(xiàn)占銀河宇宙線總劑量的99.9%以上.在這些粒子中，宇宙線1H粒子造成的吸收劑量率最大，而最大劑量當(dāng)量率來自于宇宙線56Fe粒子.

計算的航天員受銀河宇宙線照射時器官的吸收劑量率與Puchalska等［14］用PHITS計算結(jié)果比較如圖10，計算結(jié)果比Puchalska等的結(jié)果偏小20%～50%，這主要是因為本計算中不考慮銀河宇宙線次級粒子輻射的影響.

圖10 計算的航天員受銀河宇宙線照射的器官吸收劑量率與PHITS計算結(jié)果比較Fig.10 Comparisons of the calculated astronauts’organ absorbed dose rates from exposure by GCR with those from PHITS simulation

3 結(jié)論

1)根據(jù)ICRP 123號出版物對航天員輻射劑量評價的建議，采用中國人體數(shù)字模型和粒子輸運(yùn)程序獲取了航天員受空間粒子(Z=1～92)輻射時器官的通量-吸收劑量轉(zhuǎn)換因數(shù)和通量-劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因數(shù).由于人體模型和計算程序的不同，獲得的轉(zhuǎn)換因數(shù)與ICRP 123號出版物的差別可達(dá)數(shù)十倍.

2)計算出航天員在國際空間站軌道受銀河宇宙線照射時不同屏蔽厚度下器官的吸收劑量和劑量當(dāng)量.器官的吸收劑量在40μGy/d左右，劑量當(dāng)量約200μSv/d.宇宙線照射的劑量主要來自于原子序數(shù)小于29的粒子.隨屏蔽厚度增加，劑量并不是單調(diào)遞減.

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