空间辐射对空间站航天员的剂量影响分析

吴 康，方美华，张 昭，周宏涛，陈建飞，梁 筝，王 彪，宋定一

（南京航空航天大学 航天学院，南京 211106）

0 引言

在载人航天活动中，航天员面临空间辐射环境对其身体造成的损伤风险。随着我国载人航天活动从短期驻留向中长期驻留以及从低地球轨道（LEO）向月球基地和深空发展探索，评估航天员的辐射风险并提出有效的防护方案尤为重要[1-2]。参考并深入研究现有的航天员辐射剂量相关数据和结论，可为制定切实可行的航天员辐射防护方案提供重要支撑。

执行LEO 任务的航天员所接收的辐射剂量主要源于地球辐射带（ERB）和银河宇宙线（GCR）粒子[3-5]。此外，太阳质子事件和太阳宇宙线等辐射源也会对航天员产生剂量贡献，但相对于总剂量而言其贡献较小[6]。关于ERB 和GCR 对航天员辐射剂量的贡献，国内外开展了大量研究工作。2001 年国际空间站（ISS）搭载的Increment-2 人体躯干模型[7]实验测量结果表明，ISS 舱内航天员的有效剂量约为0.41 mSv·d-1，其中GCR 的有效剂量贡献率约为58.1%，这个数值与Cucinotta 等[8]通过HZETRN/QMSFRG 空间辐射传输模型计算获得的GCR 总剂量贡献率相比仅有3%左右的偏差。2014 年El-Jaby 等[9]通过PHITS 蒙特卡罗程序计算出在51.6°，450 km 轨道处，ISS 舱内航天员约75%～85%的总有效剂量当量来自GCR，且GCR 中70%的剂量当量贡献来自于Z＞2 的重离子。由于轨道高度、GCR模型和屏蔽厚度等因素，El-Jaby 等的计算结果高于Cucinotta 等的计算结果。美国NASA 的“火星科学实验室”计算出在10 g·cm-2铝屏蔽下，ISS 舱内航天员6～12 个月的有效剂量为50～100 mSv，其中1/3 来自ERB 质子，2/3 来自GCR[10]。许峰等[11]利用MRI 中国男性体素模型和Geant4 蒙特卡罗粒子输运程序并结合我国“神舟五号”飞船的轨道参数，计算得到在1 g·cm-2等效铝屏蔽下，GCR 对航天员有效剂量的贡献率仅为11.1%（只考虑了GCR中质子的剂量贡献）。张斌全等[12]利用Fortran 90辐射剂量计算程序并结合CNMAN 人体数字模型，计算出在5 g·cm-2等效铝屏蔽下GCR 在航天员单个器官内的吸收剂量率为40 μGy·d-1左右，当量剂量率为200 μSv·d-1，其计算结果比Puchalska[13]等的计算结果偏小20%～50%。

由上可知，国内外对于GCR 和ERB 粒子对航天员吸收的剂量分析结果存在差异。计算GCR 和ERB 粒子对航天员吸收剂量的贡献需要综合考虑辐射环境、轨道参数以及人体模型等因素。本文以中国空间站（CSS）和ISS任务为研究对象，利用课题组建立的中国男性体素模型[14]，创建Geant4 蒙特卡罗程序，对不同轨道下航天员的吸收剂量、当量剂量和有效剂量进行对比分析，旨在评估航天员潜在的辐射风险并提供防护依据。

1 典型LEO 载人航天环境

目前从事中长期载人航天活动的CSS 和ISS均运行于LEO，空间站航天员平均在轨工作90 天，最长工作时间达到438 天[15]，在轨开展空间科学实验、测试、交会对接等技术试验任务。CSS 和ISS的轨道参数如表1 所示[16]，由表可见空间站处于ERB 内带下边缘，受地磁场的保护，可屏蔽大部分宇宙线粒子。

表1 CSS 与ISS 运行轨道参数Table 1 Operational orbital parameters of CSS and ISS

1.1 ERB 粒子

ERB 分为内带和外带，空间站处于内带，内带由电子和质子组成。通常将5 g·cm-2或10 g·cm-2的等效铝屏蔽作为模拟空间站的典型屏蔽厚度[17]，根据课题组之前的研究结果[18]，经过5 g·cm-2的等效铝屏蔽后，ERB 电子在航天员体内的剂量贡献基本可忽略不计，即ERB 剂量贡献主要来源于质子。

采用AP8MIN 和AP8MAX 模型分别计算太阳活动极小年和极大年ERB 质子的微分通量，获得CSS 和ISS 在屏蔽前/后的微分能谱如图1 所示。可以看出，ISS 舱内的质子通量在50～60 MeV 能量区间内最大，并且太阳极小年的质子通量大约为太阳极大年的2 倍。ISS 舱内的质子通量计算结果与Dobynde 等[4]的计算结果相比，规律一致。另外， ISS 舱外低能质子的通量明显高于CSS 的；高能质子的通量两者差别不大，CSS 舱外略高。这是由于ISS 轨道倾角大，飞行纬度高于CSS，所以其轨道环境中低能质子比较多；ERB 质子通量与太阳活动周期同步变化，在太阳极小年呈现高通量，在太阳极大年呈现低通量。

图1 不同太阳活动期空间站轨道ERB 质子在铝屏蔽前/后的微分能谱Fig.1 Differential energy spectra of ERB protons in the space station orbit before and after aluminum shielding during different solar activity periods

1.2 GCR 粒子

采用CREME96 模型计算空间站舱外太阳活动极小年和极大年的GCR 环境，轨道参数与计算ERB 质子模型时所采用的参数相同，同时考虑地磁场的屏蔽作用。图2 是计算得到的不同太阳活动期CSS 和ISS 舱外H、He、C、Mg 和Fe 等部分GCR重离子的微分能谱。

图2 不同太阳活动期空间站舱外部分GCR 粒子的微分能谱Fig.2 Differential energy spectra of GCR particles outside the space station during different solar activity periods

从图2 可以看出，H 和He 的微分通量峰值比C、Mg、Fe 要高出2～3 个数量级，且ISS 舱外所有GCR 粒子在低能段（＜250 MeV）的微分通量比CSS 高出数倍。此外，太阳活动极大年时GCR 高能段（＞20 GeV）粒子通量与极小年相比明显降低。这是由于太阳活动极大年时太阳耀斑活动增强，耀斑释放大量能量所产生的辐射带电粒子会与GCR 相互作用，降低高能段GCR 粒子的通量。并且太阳活动极大年时太阳风的增强也会导致GCR粒子的散射增强，从而降低了高能段GCR 粒子的通量。

2 仿真模拟方法

2.1 中国成年男性体素模型

本文采用课题组搭建的中国成年男性体素模型，创建基于蒙特卡罗算法的Geant4 程序，开展仿真计算。体素模型基于一名中国男性全身临床计算机断层扫描（CT）数据建立[14]，其特征为：身高176 cm、体重65 kg，全身共659 层CT 影像，每层的分辨率为512×512 像素，单个体素大小为0.97 mm×0.97 mm×3 mm，累积体素为1.72×108个，模型共包含17 种人体组织器官以及各器官的密度和元素占比[14]。与国内早年建立的MRI[19]、CVP[20]和VCH[21]等中国成年男性体素模型相比，该男性体素模型分辨率更高，见表2。

表2 中国成年男性不同体素模型分辨率对比Table 2 Comparison of resolution of different voxel phantoms for a Chinese adult male

2.2 航天员辐射剂量的计算方法

吸收剂量、当量剂量和有效剂量是用于衡量航天员吸收辐射的不同剂量指标：吸收剂量为单位质量物质中受到辐射后的能量沉积值；当量剂量为不同组织或器官的吸收剂量乘以相应辐射种类的辐射权重因子，反映了不同类型辐射对人体组织的相对生物效应；有效剂量为不同组织或器官的当量剂量乘以相应的组织或器官权重因子，反映了不同组织或器官对辐射源的基准风险量[22]。

模拟中将航天器简化为一个直径4 m、高度6 m 的封闭圆柱体，等效铝屏蔽厚度分别为2、5 和10 g·cm-2，航天器内部填充空气，外部为真空，入射源设置为半径5 m 的球形面源，粒子从4π 立体角各向同性入射到靶物质。人体模型位于航天器中心位置，如图3所示，入射粒子微分能谱分别参见图1和图2。

图3 空间站舱内航天员模型示意图Fig.3 Schematic diagram of an astronaut in a space station module

考虑次级粒子的影响，程序记录初级和次级粒子在航天员每个体素中的能量沉积，每个组织器官的吸收剂量由能量沉积后经过质量加权算法得到，计算当量剂量和有效剂量的辐射权重因子和组织权重因子采用ICRP 103 号报告中的WR和WT值[23]。

3 CSS 和ISS 舱内辐射剂量计算及分析

重点考虑男性体素模型中眼睛、皮肤、红骨髓、甲状腺等17 个人体组织器官，分别将1.1 和1.2 节中计算获得的ERB 质子和GCR 各粒子的微分能谱数据以离散点的形式由Geant4 中的GPS 粒子源类对ERB 质子和GCR 进行抽样计算，发射源粒子包括ERB 质子和原子序数从1～92 的GCR 粒子，不同辐射粒子在模拟时均单独发射106个，计算完成后再根据不同辐射粒子的真实通量进行换算得到不同辐射源在人体组织或器官中的辐射剂量。

3.1 吸收剂量

在太阳活动极小年和极大年条件下，经5 g·cm-2等效铝屏蔽后，ERB 质子、GCR 质子、α 粒子和其他重离子在航天员组织器官内的吸收剂量分别如图4 (a)～(d)所示。

图4 不同太阳活动时期航天员器官或组织吸收剂量Fig.4 Absorbed doses by astronaut organs or tissues during different solar activity periods

从图4 中可以看出：太阳活动极小年时ERB 质子和GCR 粒子对航天员辐射剂量大；太阳活动极大年时ERB 质子和GCR 粒子对航天员辐射剂量小。这是由于太阳活动极小年时的质子通量比极大年高约1 个数量级所致。从图4 (a)可以看出，在ERB 质子辐照条件下，ISS 舱内的大部分航天员组织器官所吸收的辐射剂量明显高于CSS 的，只有个别器官如软组织和膀胱是在CSS 内辐射剂量较高。这是由于从空间站所接收的ERB 粒子能谱来看，ISS 在低能区的粒子通量高于CSS 的，而在高能区CSS 比ISS 的高。而高能粒子能量沉积在深层器官，因此个别深层器官吸收的辐射剂量在CSS 舱内要高于ISS 舱内。此外，在ERB 质子辐照条件下，航天员表层器官所吸收的辐射剂量高，深层器官所吸收的辐射剂量低，即皮肤所吸收的辐射剂量最高，其次是眼睛、肝、结肠等。在CSS 舱内，ERB 质子对皮肤的辐射剂量率约为0.18 mGy·d-1，而ISS 舱内约为0.45 mGy·d-1，后者约为前者的2.5 倍。从图4(b)～(d)可以看出，在GCR 辐照条件下，ISS 舱内的航天员组织器官所吸收的辐射剂量明显高于CSS 的，与ERB 质子相比，在航天员最表层器官皮肤内产生的辐射剂量反而没有眼睛、肝、结肠等接近表层的器官剂量高。这与GCR 的能谱分布有关：能量低的GCR 粒子通量并不是最高，通量最高的GCR 粒子能量普遍在几百到上千MeV/n，这些高能粒子一般可以穿透皮肤，沉积到航天员较深层器官中。

表3 为不同太阳活动期ERB 质子和GCR 粒子在航天员体内的吸收剂量分布。可以看出，ISS舱内的航天员吸收剂量高于CSS 的，不同粒子在航天员体内的剂量贡献排序一致：ERB 质子＞GCR质子＞GCR α 粒子＞GCR 其余重离子。此外，航天员组织器官约80%的吸收剂量来自于ERB 质子，而GCR 粒子在航天员体内辐射剂量中占比最高的是质子，约占14%；其次为α 粒子，约占5%；其他重离子占1%左右。

表3 不同太阳活动时期ERB 和GCR 粒子在航天员体内的吸收剂量Table 3 Absorbed doses of ERB and GCR particles by an astronaut during different solar activity periods单位：mGy·d-1

基于已发表的ISS 人体模型实验剂量探测数据，本文根据太阳活动极小年计算的ISS 航天员部分器官的吸收剂量率与MATROSHKA 人体模型实验[24]（太阳活动极小年附近）获得的器官剂量探测结果的平均值进行比较，如图5 所示。

图5 本文计算的ISS 航天员部分器官的吸收剂量与模型实验测量值的比较Fig.5 Comparison of the calculated absorbed doses in this article and the experimental measurement for selected organs of an ISS astronaut model

可看出，计算结果与人体模型实验测量结果相比一致性良好，相对误差均在30%之内，尤其是肾的吸收剂量与实验结果比较吻合，其他组织器官有所差别。这主要是由于本文模拟所使用的辐射环境模型是AP8 和CREME96，是基于20 世纪的卫星观测数据推导得到的经验公式模型，与空间站外真实辐射环境相比有所偏差[6]。同时，不同人体模型具有不同的器官位置、体积和形状，这种差异会影响辐射粒子与器官组织相互作用后能量的沉积和散射，从而造成辐射环境对特定个体器官的辐射剂量差异[2]。

3.2 当量剂量

ISS 和CSS 舱内航天员组织器官的当量剂量如图6 所示。在当量剂量的计算中引入了辐射权重因子WR，不同粒子的辐射权重因子如表4 所示，从表中可以看出GCR α 粒子和重离子在进入航天员组织器官后产生的当量剂量是吸收剂量的20 倍，而ERB 质子进入航天员组织器官后的当量剂量是吸收剂量的2 倍，两者相差10 倍。

图6 不同太阳活动期航天员器官或组织的当量剂量Fig.6 Equivalent doses for organs or tissues of an astronaut during different solar activity periods

表4 不同辐射粒子源的辐射权重因子Table 4 Radiation weight factors for different particle radiation sources

从图6 可以看出，α 粒子在航天员各个器官的当量剂量比GCR 质子高了3～4 倍，其他重离子在航天员各个器官的当量剂量几乎与GCR质子持平。

表5 是不同太阳活动期ERB 质子和GCR粒子对航天员的当量剂量贡献分布，在太阳活动极小年期间，CSS 舱内航天员组织器官大约55%的当量剂量来源于ERB 质子；ISS 舱内航天员组织器官大约49%的当量剂量来源于ERB 质子。太阳活动极大年期间，CSS 舱内航天员组织器官大约53%的当量剂量来源于ERB 质子；ISS 舱内航天员组织器官大约55%的当量剂量来源于ERB 质子。综上，相较在航天员吸收剂量中的占比，GCR当量剂量贡献均在50%左右，占比显著上升。

表5 不同太阳活动期ERB 和GCR 粒子在航天员体内的当量剂量贡献分布Table 5 Distributions of equivalent dose contribution of ERB and GCR particles in an astronaut during different solar activity periods单位：mSv·d-1

3.3 有效剂量

从辐射防护角度来看，空间辐射风险评估的基准量是有效剂量，通过将当量剂量HT与组织权重因子WT相乘，可得到ERB 质子和GCR 粒子对航天员总有效剂量贡献的分布，结果如图7 所示。通过模拟计算获得（在5 g·cm-2等效铝屏蔽下）：太阳活动极小年时，CSS 舱内航天员的总有效剂量为385 μSv·d-1，GCR 对航天员的总有效剂量贡献占比约为46%；ISS 舱内航天员的总有效剂量为787 μSv·d-1，GCR 对舱内航天员吸收的总有效剂量贡献占比较CSS 略大，约为51%。太阳活动极大年时，CSS 舱内航天员吸收的总有效剂量为192 μSv·d-1，GCR 对航天员的总有效剂量贡献占比约为51%；ISS 舱内航天员总有效剂量为266 μSv·d-1，GCR 对航天员的总有效剂量贡献占比约为45%。

图7 不同太阳活动期ERB 和GCR 粒子在航天员体内的日均有效剂量Fig.7 Daily effective doses of ERB and GCR particles in an astronaut during different solar activity periods

本文除计算5 g·cm-2典型铝屏蔽厚度下的航天员剂量外，还计算了2 g·cm-2和10 g·cm-2铝屏蔽厚度下航天员的有效剂量，如图8 所示。通过不同屏蔽厚度下的航天员年有效剂量与NASA LEO 男性航天员的年有效剂量限值[25]对比来看，当铝屏蔽厚度为2 g·cm-2时，ISS 男性航天员在太阳活动极小年吸收的年有效剂量超过辐射风险限值；当铝屏蔽厚度≥5 g·cm-2时，CSS 和ISS 男性航天员在太阳活动极小年和极大年的年有效剂量均远低于NASA 男性航天员辐射风险限值，表明将5 g·cm-2的铝屏蔽应用于LEO 空间站辐射环境中，可兼顾减少材料成本与良好的防护作用。

图8 不同屏蔽厚度下航天员年有效剂量与NASA 男性年有效剂量限值对比Fig.8 Comparison of annual effective dose by an astronaut and NASA’s limit value for a male under different shielding thicknesses

4 结束语

通过计算发现：对于不同太阳活动期，航天员吸收的约80%和约20%的辐射剂量分别来自于ERB 质子和GCR 粒子的贡献，并且在ERB 质子辐照下，航天员外层器官的辐射剂量高于深层器官，皮肤的最高；而在GCR 粒子辐照下，皮肤表层的辐射剂量没有接近表层器官的剂量高；本文的计算结果与MATROSHKA 人体模型实验测量结果相比，器官吸收剂量的相对误差均在30%之内。此外，航天员吸收的当量剂量和有效剂量50%左右来自于ERB 质子，其他来自于GCR 粒子的贡献。通过本文计算的不同屏蔽厚度下的航天员年有效剂量与NASA LEO 男性航天员的年有效剂量限值对比来看，CSS 和ISS 男性航天员在不同太阳活动期的年有效剂量在5 g·cm-2的铝屏蔽下均低于辐射风险限值，表明5 g·cm-2的铝屏蔽能够在空间站辐射环境中起到良好的防护作用。

本研究仍存在局限性和不足：所借助的AP8 和CREME96 模型实现的ERB 和GCR 粒子的能谱输入是静态能谱模型，所用数据是20 世纪的卫星观测数据，LEO 空间中的部分区域没有被覆盖，与真实辐射环境间存在一定的偏差；另外本文简化了空间站核心舱的结构，而舱体结构的差异可能导致带电粒子在屏蔽材料中的作用过程不同，这会给航天员辐射剂量的评估带来不确定性。因此，下一步拟使用更接近空间站舱外真实情况的粒子能谱和空间站核心舱实际使用的材料和结构进行模拟，以更有效地评估航天员的真实辐射暴露风险。