航天射線防護設備

航天射線防護設備是通過禁止材料或靜電場防護措施等方式減少空間射線（入射帶電粒子）進入太空飛行器內部，降低太空飛行器內航天員及精密儀器攝入輻射劑量的設備。航天射線防護設備可以分為主動防護設備（如靜電場防護設備和電漿防護設備）和被動防護設備（主要指禁止材料防護設備）。

基本介紹

• 中文名：航天射線防護設備
• 外文名：Shield Against Radiation in Manned Spaceflight
• 其他名稱：載人航天空間輻射防護設備
• 用途：太空飛行器上的射線防護
• 分類：被動防護設備和主動防護設備
• 作用：降低人員、儀器受輻射劑量

套用背景

到目前為止，除了美國的載人登月行動之外，全世界幾乎所有的載人航天飛行都發生在距離地球表面約300~500 km的高度範圍內，稱之為近地球軌道(Low-Earth Orbit，LEO)。

近地球軌道空間輻射環境主要由三部分組成：銀河宇宙射線(Galactic Cosmic Ray，GCR)、地球捕獲輻射(Van Allan Belt)、太陽粒子事件(Solar Particle Event，SPE)。

銀河宇宙射線(GCR)是高能帶電粒子流，來自於太陽系以外，分布在各星球之間，各向同性，是LEO飛行期間航天員輻射劑量的主要來源之一。

地球捕獲輻射主要由電子和質子組成，它分內帶和外帶。內帶以質子為主，外帶以電子為主。由於地球磁場的異常，在巴西東南部海岸，存在著一個距離地面很近的高通量質子異常區，稱為南大西洋異常區(South Atlantic Anomaly，SAA)，是LEO飛行期間航天員輻射劑量的另一個主要來源。

由日冕質量噴射(Coronal Mass Ejection，CME)和太陽耀斑(Solar Flare)產生的高通量帶電粒子，稱作太陽粒子事件，主要由低能電子和質子組成。SPE是瞬發事件，持續時間少則幾小時，多則幾天、十幾天。由於空間環境的特殊性，在LEO飛行器艙內使用的輻射監測儀器和設備，比在地面上使用的儀器設備要求嚴格得多，如要求體積小、重量輕、堅固結實耐用、故障率低、耗電少(或不耗電)、動態範圍寬、靈敏度高，等等。

為保證航天員的輻射安全，並適應空間輻射監測的需要，世界幾個主要航天大國都在投入人力、物力，不斷改進空間輻射監測及防護的技術和方法。

多年的監測結果表明，無論採用何種監測技術和方法，LEO飛行器艙內劑量率監測結果基本都符合以下規律：在低於300 km軌道飛行器中，劑量率在0.1~0.3 mGy/d之間，主要由SAA貢獻；在高於300 km軌道飛行器中，劑量率在0.3~0.8 mGy/d之間，GCR與SAA的貢獻各占50%。

在空間輻射生物效應和空間輻射防護技術和禁止材料方面的研究，國內外也都在加強投入，並採用國際合作的方式進行。

作用

空間輻射防護的目的是，採取一些實際可行的技術手段(措施)，儘可能減少空間輻射對航天員的危害。理論上講，對空間輻射可以有5種防護(應對)措施，但在目前的條件下，只有前兩種可以實現。這5種措施是：

1)操作方面：採取各種措施，限制空間輻射對人員的照射時間。如選用年齡較大的航天員；當飛越，SAD，時避免進行太空行走(EVA)；當進行星際飛行時，使用變軌技術，縮短飛行時間等。

2)禁止：禁止的目的是，減少空間輻射到達航天員身體的份額。主要有兩種方法：一是採用新型的多功能禁止材料，作為飛行器的艙壁；二是將飛行器艙內的儀器、物品合理布置。

3)篩選：有些人對輻射天生不敏感，具有不尋常的抗輻射能力；而另一些人則比其他人有更高的輻射敏感性。選用抗輻射能力強的航天員，理論上可行，實際中很難操作。

4)預防：到目前為止，關於對輻射防護有用的材料方面的知識還非常有限，對於計畫中的輻照，藥物可以作為一種抗輻射措施，但藥物有嚴重的副作用，而且對於HZE粒子，藥物可能不起作用。利用基因方法，來增強器官對輻射損傷的修復能力(“輻射疫苗”)，從概念上講是可行的，但在可預見的將來還難以實現。

5)干預：可以用來對付瞬發的輻射效應，如來自於太陽擾動的高水平輻射。在將來，受到輻照後進行生物分子干預是可能的，利用基因治療方法，增強細胞的修復功能，或者視察受到損傷的細胞，並啟動程式使受到損傷的細胞死亡。

性能要求

航天射線防護設備的性能要求由在空間環境下，每日航天員及儀器接受的最大輻射劑量來確定。

關於LEO載人航天期間的輻射劑量限值，美國、俄羅斯、中國都制定了各自的國家標準。總的原則是，保證不發生確定性效應，將隨機性效應的發生機率降低到可以合理達到的儘量低的水平(AIARA)。

空間輻射劑量限值的國家標準，美國制定得最為詳細，俄羅斯次之，中國只制定了短期載人航天的劑量限值。

美國NCRP於2000年12月出版了新的出版物NCRP-132《Radiation Protection Guidance forAetivities in Low-Earth Orbit))，代替1989年的出版物。

對於隨機性效應(遠期效應)，新建議書的基本考慮是，經過10年的太空飛行，航天員接受的輻射劑量所造成的癌症死亡機率額外增加不超過其它行業3%。因此，劑量限值隨第一次接受空間輻射照射時的年齡及航天員的性別而變化。新的劑量限值比1989年的限值有所降低，其主要依據來自於日本核爆炸倖存者的研究數據，進行了新的輻射危害評價。

對於確定性效應，都有相應的劑量閾值，目的是防止在短期內發生臨床上可以診斷出的效應。從表面上看，新的劑量限值與1989年的限值沒有不同，但所用的劑量學概念有很大差別：

1)新的劑量限值的單位是Gy．Eq，它是由器官的吸收劑量乘以空間輻射的相對生物效應(Relative Biological Effectiveness，RBE)而得來的，目的是防止短期內發生確定性效應，RBE的數值由動物實驗數據外推得來。

2)1989年的劑量限值單位是劑量當量sV，它是由器官的吸收劑量乘以空間輻射的品質因數而得來的，而Q是基於晚期效應的一個量。

因此，NCRP-132新建議書對於防止發生確定性效應更為有效。俄羅斯的劑量限值規定(見表5)，單次飛行不超過0.5 sv，終身劑量不超過4.0 sv。

由於中國的載人航天剛剛起步，目前只制定了短期載人飛行的劑量限值，而且僅規定了皮膚劑量限值(見表6)。

被動防護設備

空問輻射場以高能帶電粒子為主，航天員在LEO飛行器艙內接受的劑量，對於GCR的劑量貢獻來講，在軌道高度一定的條件下，幾乎與禁止材料的組成和厚度無關，但飛行器內混合輻射場隨禁止材料的組成和厚度變化很大。過去禁止厚度越大越好的概念，是過於簡化了事實，實際情況並非如此。禁止效果與禁止材料的組成有很大的關係，經過多年的研究，發現富含氫的材料，如聚乙稀(Polyethelene)，禁止效果最好。目前在LEO軌道飛行的載人太空飛行器，如國際空間站，通常的做法是，對艙內的所有物品進行合理布置，來達到有效的禁止效果。在國際空間站上，採用了標準化的、可以互換的物品架，將艙內的儀器設備、食品、水等進行合理擺放。在和平號空間站上，不同位置的劑量率相差2倍，由此可以看出物品合理擺放的重要性。美國NASA每年都發布一個研究項目指南，資助一些科研項目，研究新型的禁止材料，為將來的星際飛行積累經驗，探索新的飛行器結構材料。

空間輻射的防護和地面有很大的不同，它受到許多條件的制約，最重要的制約是太空飛行器的載荷重量限制，增加1t有效載荷需要的費用是相當昂貴的，而且運載能力也限制了發射的總載荷重量。空間電離輻射的能量很高，將空間輻射完全螢幕蔽掉是不可能的。因此，空間輻射防護的原則也是同樣在合理可達到的條件下，儘量降低航天員接受的輻射照射。因禁止物質所具有的密度差異很大，而帶電粒子的阻止本領和射程主要與物質的質量厚度有關，質量厚度是用長度表示的厚度與物質密度的乘積，常用單位g/cm²。質量禁止方法是當前載人航天輻射防護所採用的基本方法。帶電粒子在貫穿物質的過程中逐漸損失其能量，最後俘獲足夠數量的電子而停止下來。當禁止物質的厚度大於某種帶電粒子在該物質中的射程時，入射粒子將被阻止在物質中。因此，一定厚度的物質能夠禁止一定能量範圍（取決於粒子的種類）的粒子輻射，並使貫穿粒子的能量有所降低。

主動防護設備

國際上主要有三種載人航天主動防護方法:靜電場防護，電漿防護和磁場( 包括約束磁場與非約束磁場) 防護。

靜電場防護

靜電場防護結構由13 個球組成，中心球的內部為受保護區域，半徑為20 m，球殼表面電壓為300 MV; 周圍6 個小球的半徑為10 m，每個球的球心距離中心球的球心50 m，球殼表面電壓V = + 300 MV; 外層6 個球的半徑為20 m，每個球的球心距離中心球的球心160 m，球殼表面電壓V= －300MV。美國國家航空和宇航局蘭利研究中心( NASA Langley Research Center) 的Ram K．Tripathi 和John W． Wilson 運用庫倫定律和牛頓方程，採用步長可變的直接數值積分法，模擬計算了多種帶電粒子在圖1 所示靜電場防護結構中的輸運過程。圖2 為質子和α 粒子在此防護結構中的透射係數曲線，圖中位置較低的淺色曲線代表質子，位置較高的深色曲線代表α 粒子。

圖3 為利用1977 年空間輻射環境能譜計算的不同防護條件下輻射劑量。計算中包含的帶電粒子從質子( Z = 1) 到鎳( Z = 28) ，並且考慮了170 種同位素。圖3 中上方的深色線表示沒有防護條件下的輻射劑量，中間的最淺色線表示材料防護下的輻射劑量，下方的淺色線表示靜電場防護下的輻射劑量。從圖中可以看出，利用此種靜電場結構進行輻射防護效果是比較好的。但是，此種結構需要在防護區以外安裝設備，因此僅僅適合用於星球表面的輻射防護，無法套用於載人飛船。

電漿防護

Levy 和James 提出了電漿防護方法，原理如下: 在需要保護區( 如載人飛船) 表面加上正電勢，從而對空間輻射環境中的質子和重離子產生一個斥力，使其無法到達保護區或者到達該區域時能量減少。由於正電勢產生的電場對空間中的電子產生引力，為了使電子無法到達保護區表面使正電勢減少，需要在保護區周圍產生一個弱磁場用來捕獲空間電子，同時捕獲電子可以進一步阻止空間的電子到達保護區。這種主動防護方法結構較靜電場防護簡單，需要的重量大大減少，但是需要的技術手段複雜，工程上難以實現，目前還沒有進一步的研究資料。

磁場防護

所謂磁場防護是指在需要保護區周圍產生一個磁場，帶電粒子進入該磁場將受到洛倫茲力作用，其運動軌跡發生改變，無法到達受保護區。磁場防護方法有約束磁場防護和非約束磁場防護兩種。

（1）約束磁場防護是將磁場約束在需要保護區的周圍，使其滿足一定的條件並且限制其向外擴散。帶電粒子進入磁場後，因受到磁場力的作用而路徑發生偏轉，偏轉大小取決於帶電粒子的剛度。

對於一般情況，只要拉莫爾半徑比約束性磁場的空間寬度Δ小( Δ > r) ，帶電粒子就很容易在磁場中發生偏轉。如果約束磁場的空間寬度Δ比拉莫爾直徑大( Δ≥2r) ，則無論帶電粒子進入磁場的方向如何，其運動軌跡都將不會與受保護區域有交叉。依此原理在載人飛船上設計一個圓柱形應急避難所，在遭遇太陽粒子事件時，航天員可以進入其中以減少輻射劑量。防護結構設計有螺旋管結構( toroidal configuration) 和螺線管結構( solenoidalconfiguration) 兩種，如圖5 所示。圖中小圓柱形內部為受保護區域，半徑R1約1 米，高L 約3米，該區域內磁場強度為零。通過調整R2的大小和電流強度，可以改變到達受保護區帶電粒子的截止能量。

（2）典型的非約束磁場防護結構是地球磁場。對於螺旋線圈產生的磁場，磁場強度與半徑的3 次方成反比，10 倍半徑時，磁場強度基本為零，與帶電粒子相互範圍較小，無法對需要保護區域進行很好的防護。美國華盛頓大學的Winglee教授提出一種利用電漿膨脹磁場的方法: 通過將高能電漿注入螺旋線圈產生的磁場，入射的電漿會沿著磁力線運動，當電漿的速度Vplas等於阿爾方波VA時，這個條件等價於等離子動壓等於磁壓( ρV² = B² /μ0) ，在這以後電漿的運動將會拖動磁力線，這樣就可以使磁場強度的降低速率比原有的磁線圈的速率小，可以在太空飛行器周圍膨脹成一個直徑為30 ～ 40 km 的磁氣圈，磁場的作用範圍也就相應地增加。膨脹磁場與帶電粒子的作用會產生磁頂層邊界，帶電粒子無法穿過磁頂層，會沿著磁頂層發生偏轉，實現對太陽風或其它高能粒子的偏轉，從而實現對航天員和太空飛行器的有效防護。此外，通過調整飛行器姿態和磁氣圈的姿態，利用膨脹磁場與太陽風之間所產生的相互作用力，可以實現對太空飛行器的推進。