Оценка радиационной опасности для членов экипажей при
осуществлении орбитальных космических полетов на основе расчетных методик и
данных бортового и индивидуального дозиметрического контроля
Среднетканевые поглощенные дозы от ГКЛ и радиационных поясов Земли (РПЗ) в
результате осуществления орбитальных полетов на ОС МИР были оценены на основе
расчетов доз в отсеках станции и внутри стандартизованного фантома и уточнены по
результатам бортовой дозиметрии и измерениям индивидуальных доз у членов
экипажей в конце полета
Дозы от СКЛ внутри орбитальных станций, как показали расчеты методом Монте-Карло
для реальных толщин защиты ОС и с учетом коэффициента ослабления дозы (К) за
счет отклонения протонов магнитным полем Земли, оказались почти на 2 порядка
ниже, чем суммарная доза от ГКЛ и РПЗ. Поэтому при оценках суммарного
радиационного риска дозы от СКЛ пока не учитывались.
Эффект экранировки СКЛ магнитным полем Земли
Рис. 21.
Зависимость коэффициента ослабления дозы от СКЛ (К) от интенсивности
геомагнитного возмущения U для круговой орбиты высотой 400 км с
наклонениями 51о и 65о для
толщин защиты 1 и 3 г/см2.
Из рисунка отчетливо видно существенное ослабление дозы СКЛ на орбите с
наклонением 51.
Схема базового блока станции "МИР"
Р-16 − место размещения штатного дозиметра;
ККК − каюта командира корабля;
СБД − салон большого диаметра;
СМД − салон малого диаметра;
ЦПУ − центральный пульт управления;
ПХО − переходной отсек.
Расчетные среднесуточные значения поглощенных доз (мкГр) для периодов
максимума и (минимума) СА
Ниже в таблице представлены расчетные среднесуточные значения поглощенных доз (мкГр)
для периодов максимума и минимума СА для 6 зон станции (мест преимущественного
пребывания экипажа во время полета и места расположения ионизационной камеры Д2
штатного бортового дозиметра Р-16.
Максимальная доза соответствует дозе в точке без дополнительной защиты (в
отсутствии фантома). При определении относительных величин доз по глубине
фантома: доз на кожу, кроветворную систему (КТС), желудочно-кишечный тракт (ЖКТ),
за 1,0 принимали расчетное значение поглощенной дозы в месте расположения
ионизационной камеры Д-2 радиометра Р-16, которые составили 272 и (576) мкГр для
периодов максимума и минимума СА. Относительные величины доз представлены в таблице
курсивом.
Значения среднесуточных доз (мкГр) в обитаемых зонах ОС «МИР» от протонов РПЗ и
ГКЛ в периоды максимума (минимума) солнечной активности (СА)
Доза |
ПХО |
ЦПУ |
СМД |
СБД1 |
СБД2 |
ККК |
Макс. (без
фант.) |
581 (1250) |
213 (396) |
205 (364) |
231 (438) |
127 (208) |
369 (807) |
2.14 (2.17) |
0.78 (0.69) |
0.75 (0.63) |
0.85 (0.76) |
0.47 (0.36) |
1.37 (1,40) |
На кожу |
364 (752) |
154 (274) |
152 (259) |
166 (301) |
97 (156) |
250 (511) |
1.34 (1.31) |
0.57 (0.48) |
0.56 (0.45) |
0.61 (0.52) |
0.36 (0.27) |
0.92 (0.89) |
На КТС |
218 (390) |
108 (176) |
109 (174) |
114 (186) |
73 (113) |
145 (250) |
0.80 (0.68) |
0.40 (0.31) |
0.40 (0.30) |
0.42 (0.32) |
0.27 (0.20) |
0.53 (0.43) |
На ЖКТ |
204 (385) |
101 (174) |
103 (173) |
106 (182) |
71 (111) |
141 (250) |
0.75 (0.67) |
0.37 (0.30) |
0.38 (0.30) |
0.39 (0.32) |
0.26 (0.19) |
0.52 (0.43) |
Из данных таблицы можно видеть, что перепады доз по
обитаемым зонам станции имеют существенное значение и в максимальном случае
могут достигать 6 раз. Большой перепад доз объясняется заметным влиянием
участков с ослабленной защитой: переходной отсек (ПХО), центральный пост
управления (ЦПУ), кабина командира корабля (ККК) и кабина бортинженера (КБИ).
Для установления среднесуточного значения локальной поглощенной дозы в периоды
максимума и минимума СА нужно учесть в среднем циклограмму работы космонавтов на
станции. Анализ показал, что среднесуточная доза по показанию камеры Д2 штатного
дозиметра с достаточной точностью представляет среднесуточную поглощенную дозу
облучения космонавтов на станции «МИР».
Аналогичные расчеты, проведенные для представительных точек кожи и кроветворных
органов в стандартизованном шаровом фантоме, показали, что поглощенная доза на
кожу составляет в среднем по циклограмме значения ~0,63 и ~0,7 от показаний
ионизационной камеры Д2 радиометра Р-16 для периодов минимума и максимума СА,
соответственно. Среднекостномозговая доза для этих же периодов СА составила 0,36
и 0,44 от значений радиометра Р-16. Расчеты среднетканевой дозы для
стандартизованного шарового фантома показали, что она составляет значение 0,7 от
дозы на кожу.
Абсолютные значения доз, представленные в таблице, рассчитаны с точностью
30-40%. Это обусловлено некоторой неопределенностью моделей источников
космических излучений, неопределенностью модели защищенности станции и характера
глубинных распределений доз от этих источников, неопределенностью, возникающей
при учете вклада вторичных излучений. Однако при вычислении отношения абсолютных
величин доз в различных отсеках станции и внутри фантома исключается возможная
систематическая ошибка расчета, и относительные величины доз имеют меньшую
погрешность, которая находится в пределах 10-20%.
С целью проверки результатов расчетов они были сопоставлены с результатами
индивидуальной дозиметрии членов экипажей основных экспедиций, осуществленных на
станции «МИР» с помощью сборок термолюминесцентных дозиметров. Показания
индивидуальных термолюминесцентных дозиметров соответствуют поглощенной дозе на
кожу космонавтов с учетом реальной усредненной циклограммы их работы на станции
за весь период работы. Всего проанализировано 53 индивидуальные сборки
термолюминесцентных дозиметров (ТЛД) за все 28 экспедиций на станции МИР.
Нами отмечено достоверное различие отношений средних значений индивидуальных
доз, полученных членами экипажей за экспедиции, и доз на основе данных камеры Д2
штатного радиометра Р-16 в периоды максимума и минимума СА. Поэтому эти
относительные значения анализировались раздельно по экспедициям для периодов
максимума и минимума СА.
Для периода минимума СА (средние данные, начиная с 14 по 21-ю основные
экспедиции в период 1993-1996 гг.) отношение индивидуальных доз за экспедицию (поглощенная
доза на кожу по 18 сборкам ТЛД) к поглощенным дозам, оцениваемым по показаниям
ионизационной камеры Д2 радиометра Р-16, (М ± σ) составило 0,53±0,10.
Указанная величина отношения доз, полученная в результате измерений на станции «МИР»,
находится в достаточно хорошем согласии с результатами расчетов по данным
таблицы. Выше было показано, что коэффициент пересчета доз на кожу для периода
минимума СА составил ~0,63. Различие находится в пределах указанной точности
расчетов доз (10-20%) и в пределах ошибки отношения доз по показаниям дозиметров
ТЛД и камеры радиометра Р-16, которая также может заключаться в пределах 20%.
Для периода максимума СА (средние данные со 2-й по 8-ю основные экспедиции за
периоды 1987-1991 гг. и за 24-27 основные экспедиции в течение 1997-1999 гг.)
отношение доз по показаниям термолюминесцентных дозиметров ТЛД (21 сборка) к
поглощенным дозам, оцениваемым по показаниям ионизационной камеры Д2 радиометра
Р-16, (М ± σ), оказалось равным 1,0 ± 0,20, в отличие от периода минимума СА.
Увеличились среднеквадратичное отклонение и вариабельность показаний дозиметров
ТЛД по отдельным членам экипажей.
В пределах указанной точности с целью максимальной оценки радиационной опасности
можно принять, что при полетах в период максимума СА поглощенная доза на кожу
равна дозе по показаниям камеры Д2 радиометра Р-16.
Большие значения относительных доз, отмечаемые по результатам измерений за
экспедицию, по сравнению с результатами расчетов (таблица), могут быть объяснены
большим относительным вкладом ГКЛ в среднесуточную поглощенную дозу и большей
жесткостью спектра излучений в этот период СА. Наблюдается меньшее ослабление
излучения телом космонавта, и показания индивидуальных дозиметров приближаются к
значениям доз, отмечаемым по ионизационной камере Д2 радиометра Р-16.
Максимальная оценка суммарного значения среднетканевой
эквивалентной дозы за полет
Таким образом, коэффициент перехода от показаний канала Д2 радиометра Р-16 к
среднетканевой поглощенной дозе КПС в фазы минимума и максимума СА составит,
соответственно, 0,35 и 0,70 от дозы, установленной по показанию камеры Д2
радиометра Р-16. Для периодов перехода от фазы минимума СА к фазе максимума СА и
обратного перехода можно принять среднее значение коэффициента перехода КПС,
равное 0,52.
Нами проведены оценки дополнительного вклада локальных и альбедных нейтронов в
величину суммарной эквивалентной дозы. Применительно к определению эквивалентной
дозы на кроветворные органы или среднетканевой эквивалентной дозы вклад
нейтронов в суммарную дозу от ГКЛ и РПЗ может составлять 15-20%. Таким образом,
максимальная оценка суммарного значения среднетканевой эквивалентной дозы за
полет (сЗв) может быть определена с использованием данных бортовой дозиметрии на
основе следующего уравнения:
D = D(P-16) · КПс ·
KK · 1,2
где D(P-16) – поглощенная доза за полет по каналу Д-2 радиометра Р-16, (сГр);
КПС – коэффициент перехода
от показаний радиометра Р-16 к среднетканевой поглощенной дозе;
КК – средние значения коэффициента качества космических лучей, которые равны 2,1
и 2,6 для периодов минимума и максимума СА.
Зависимость коэффициентов качества космических излучений на
орбите станций МИР в различные периоды СА (на основе расчетов и измерений
спектров ЛПЭ)
Динамика изменения мощности дозы внутри станции МИР за 28
основных экспедиций по данным ионизационной камеры Д2 радиометра Р-16
Аппроксимация усредненных по месяцам среднесуточных мощностей поглощенных доз,
измеренных на станции «МИР».
На основе литературных источников и данных о поглощенных дозах за основные
экспедиции на ОС МИР по каналу Д2 радиометра Р-16, используя уравнение (5) и
указанные выше значения коэффициентов КПС и KK, можно оценить среднесуточные
значения среднетканевых эквивалентных доз на членов экипажа на ОС «МИР» в
различные периоды солнечной активности.
Эти значения за полет в период максимума, минимума и промежуточного периода СА
составили соответственно 437, 529 и 483 мкЗв/сут. Соответствующие значения доз
за годовой полет оцениваются в 16,0; 19,3 и 17,6 сЗв, соответственно.
В ряде работ было показано, что имеет место линейная зависимость суммарного
радиационного риска от длительности орбитального космического полета при
суммарных обобщенных дозах, не превышающих 150 сЗв. На основе этих работ можно
представить уравнение для расчета суммарного радиационного риска в течение всей
жизни космонавтов на основе оцененных значений обобщенных доз:
Rполн = 0,13·10-2 Н,
где Н – обобщенная эквивалентная доза, сЗв.
Максимальная оценка величин суммарного радиационного риска в течение жизни
космонавтов от излучений, воздействующих на экипаж в условиях полетов на станции
«МИР»
Расчеты поглощенных доз внутри орбитальной станции «МИР», представленные в
нескольких работах, показывают, что вклад ГКЛ в поглощенную дозу максимален в
период максимума СА и может составить до 50%. С учетом дополнительного
воздействия нейтронов вклад плотноионизирующих излучений в эквивалентную дозу
может достигать 70%. В этом случае можно представить уравнение для максимальных
оценок величин суммарного радиационного риска в течение жизни космонавтов от
излучений, воздействующих на экипаж в условиях полетов на станции «МИР»,
непосредственно на основе среднетканевой эквивалентной дозы за полет:
Rполн = 0,10·10-2 D,
где D – среднетканевая эквивалентная доза, сЗв.
На основании материалов этих и ряда других исследований можно представить также
уравнение для оценки возможного сокращения предстоящей продолжительности жизни:
ΔTo = [3,05 – 0,04 (To – 40)]10–2 D
где To – возраст космонавтов, выраженный в годах.
Далее представлены значения радиационного риска отдаленных
неблагоприятных проявлений в результате годового полета космонавтов на ОС «МИР»,
а также значения радиационного риска и сокращения продолжительности жизни при
осуществлении годового орбитального полёта на ОС МИР.
Суммарный радиационный риск в течение жизни космонавтов после межпланетного
или орбитального полетов в различные периоды СА (Хбо = 30 г/см2). |
Сокращение предстоящей
продолжительности жизни у космонавтов после завершения межпланетного или
орбитального полётов в различные периоды СА (Хбо = 30 г/см2). |
Расчетные значения среднетканевых эквивалентных доз для космонавтов в
результате годового полета на ОС «МИР» в различные периоды СА
Цикл солнечной
активности |
Минимум СА |
Промеж. СА |
Максимум СА |
Среднетканевая эквивалентная доза,
сЗв |
19,3 |
17,6 |
16,0 |
Суммарный радиационный риск в
течение жизни, % |
1,93 |
1,76 |
1,6 |
Риск, %, развития опухолей в
течение жизни у космонавтов в возрасте |
|
То = 30 лет |
1,03 |
0,92 |
0,85 |
То = 40 лет |
0,67 |
0,61 |
0,55 |
То = 50 лет |
0,52 |
0,48 |
0,43 |
Ожидаемое сокращение
продолжительности жизни (годы) у космонавтов в возрасте |
|
То = 30 лет |
0,67 |
0,61 |
0,55 |
То = 40 лет |
0,59 |
0,54 |
0,49 |
То = 50 лет |
0,51 |
0,47 |
0,43 |
К оценке риска для космонавтов при орбитальных полетах на МКС
Анализ соотношения мощностей доз на орбитальных станциях МИР и МКС при их
совместном полете в конце 2000 г. по датчикам Д2 радиометра Р-16, сопоставление
функций экранированности для других отсеков МКС, данных бортовой и
индивидуальной дозиметрии за 8 экспедиций МКС, которые проведены в работе (В.В.Цетлин
и др, 2005), показал, что защита Российского модуля МКС за счет суммарного
комплекса оборудования и других модулей является существенно выше, чем на ОС
МИР, так что мощность дозы оказывается сниженной по оценке авторов в 1,5 раза.
Соответственно ниже оказываются расчетные значения суммарного радиационного
риска в течение жизни для космонавтов за годовой полет и оценки возможного
сокращения продолжительности жизни (см. таблицу на следующем слайде).
Расчетные значения среднетканевых эквивалентных доз для космонавтов в
результате годового полета на ОС «МКС» в различные периоды СА
Цикл солнечной активности |
Минимум СА |
Промеж. СА |
Максимум СА |
Среднетканевая эквивалентная доза,
сЗв |
12,9 |
11,7 |
10,7 |
Суммарный радиационный риск в
течение жизни, % |
1,29 |
1,17 |
1,07 |
Риск, %, развития опухолей в
течение жизни у космонавтов в возрасте |
|
То = 30 лет |
0,69 |
0,61 |
0,57 |
То = 40 лет |
0,45 |
0,41 |
0,37 |
То = 50 лет |
0,35 |
0,32 |
0,29 |
Ожидаемое сокращение
продолжительности жизни (годы) у космонавтов в возрасте |
|
То = 30 лет |
0,45 |
0,41 |
0,37 |
То = 40 лет |
0,39 |
0,36 |
0,33 |
То = 50 лет |
0,34 |
0,31 |
0,29 |
Результы проведенных в последние годы работ в ГНЦ РФ - ИМБП РАН по
радиационной безопасности
В результате проведенных в последние годы работ в ГНЦ РФ - ИМБП РАН по
радиационной безопасности космических полетов были установлены:
-
суммарные значения радиационного риска в течение жизни космонавтов;
-
оценки возможного снижения работоспособности космонавтов в отдаленном
периоде после завершения ряда межпланетных и орбитальных полетов различной
продолжительности;
-
оценки сокращения продолжительности жизни.
В новых нормативах предельные значения доз для космонавтов за весь период их
профессиональной деятельности были обосновано снижены в 4 раза МУ 2.6.1.
44-03-2004 по сравнению с нормами, установленными в 1985 г. (ГОСТ 25645 215-85).
|