宇宙中的辐射环境 宇宙中的辐射来源 ?银河宇宙射线 ?太阳 ?太阳风 ?日冕质量抛射 宇宙中的辐射 NASA研究计划 国际太空站 火星任务 ?了解生物效应 ?设计适当的屏蔽 银河宇宙射线 射源未知 同位素 不论经过多久﹐ 通量维持一定 影像已移除 Figure 2.1 in [SSB-Crew Hazards]. Commission on Physical Sciences, Mathematics, and Applications, Space Studies Board (SSB).Radiation Hazards to Crews of Interplanetary Missions:Biological Issues and Research Strategies. Washington DC: National Academies Press, 1996. 见http://books.nap.edu/books/0309056985/html/14.html#page_bottom. 银河宇宙射线 广的能量分布 能峰约在1 GeV/核子 影像已移除 Figure 2.1 in [SSB-Crew Hazards]. 见http://books.nap.edu/books/0309056985/html/15.html#page_bottom. 银河宇宙射线 在大气层外 就开始衰减 影像已移除 来自太阳的辐射 来源：NASA. “Living in the Atmosphere of th e Sun.”[updated 20 Jan 2000, cited 29 March 2004.] http://www-istp.gsfc.nasa.gov/exhibit/main.html 来自太阳的辐射 太阳风扭 曲地球磁 场 影像已移除 来自太阳的辐射 太阳黑子 经数百年的观察 每11年周期发生 来源：NASA Goddard Space Flight Center . [updated 30 March 01,cited 29 March 2004.] http://www.gsfc.nasa.gov/gsfc/spacesci/solarexp/sunspot.htm 来自太阳的辐射 在太阳黑子活动最大期间﹐发生太阳闪焰与日冕质量抛射的 机率增加。 影像已移除 来自太阳的辐射 太阳闪焰 连带有许多高能量 粒子产生﹐多数为 质子 潜在致死剂量 来源：NASA. “Our Magnificent Sun.”[cited 29 March 2004] http://cossc.gsfc.nasa.gov/images/epo/gallery/solar/ 1996 photo from Skylab 剧变的宇宙气候 高能量日冕质量抛射产生「冲击」 ?最高能量的粒子可在10-100分钟内到达地球 ?粒子通量随着其程度的级数而增加 ?航天员直接曝露在可能致死的辐射剂量下 ?宇宙飞船设计必须包含「风暴避难所」的观念 ?卫星与地面观测站之网络监测太阳的SPEs (solar particle events )讯息 来自太阳的辐射 日冕质量 抛射或太 阳粒子事 件 影像已移除 Figure 4.1 in [SSB-Space Station]. Commission on Physical Sciences, Mathematics, and Applications, Space Studies Board (SSB).Radiation and the International Space Station:Recommendations to Reduce Risk. Washington DC: National Academies Press, 2000. See http://books.nap.edu/books/0309068851??? 范艾伦辐射带 内带 较多质子 E~10 MeV 外带 较多电子 E在10 MeV以上 「角」弯于两极 影像已移除 Figure 4.1 in [SSB-Space Station]. http://books.nap.edu/books/0309068851/html/8.html#page_top. 范艾伦辐射带 影像已移除 范艾伦辐射带 ?使卫星组成零件恶化 ?造成侦检器的背景噪声 ?数字电路中的错误 ?绝缘体中的静电电荷累积 ?对航天员的一种威胁 ?阿波罗任务：造成剂量的最大部份来自行经范艾 伦辐射带时 范艾伦辐射带 NASA限制经过内 辐射带之高剂量 区所花的时间 影像已移除 南大西洋异常 影像已移除 Figure 1.2 in [SSB-Space Station]. 见http://books.nap.edu/books/0309068851/html/9.html#pagetop. 极光 带能的电荷粒子 进入大气层上层 (~70公里以上)并 游离中性气体分 子。 影像已移除 来源：NASA. “Space Science Photos: Prior to 1997 [cited 29 March 2004] http://www.gsfc.nasa.gov/indepth/photos_spaceearly.html 国际太空站 辐射曝露： ?辐射带 ? GCR(银河 宇宙射线) ? SPEs(太阳 粒子事件) 影像已移除 Figure 1.4 in [SSB-Space Station]. See http://books.nap.edu/books/0309068851/html/13.html#page_bottom. 国际太空站 ISS(国际太 空站)轨道进 入在高纬度 的剂量较高 之区域 影像已移除 国际太空站 影像已移除 Figure 1.5 in [SSB-Space Station]. See http://books.nap.edu/books/0309068851/html/14.html#page_top. 宇宙中的辐射 影像已移除 Figure 2.4 in [SSB-Crew Hazards]. See http://books.nap.edu/books/0309056985/html/17.html#page_middle. 生物效应 NASA已经进行许多致力于宇宙中辐射的生物效应的研究 质子： RBE(辐射生物效应)接近1 生物效应已相当清楚 GCRs(银河宇宙射线)： 通量低 生物效应所知有限 可能代表最大的风险 银河宇宙射线 ?在地球磁场外部的通量率 ?4个中子/cm2/sec ?0.4个氦离子/cm2/sec ?0.04 HZE粒子/cm 2 /sec ?对一个100?m2细胞核而言﹐在体内的每个细胞核 会受下列击中： ?一质子每三天 ?一氦离子每个月 ?一HZE (high-charge and–energy, 重荷电高能粒子) 粒 子每年 NASA的困境 影像已移除 屏蔽 影像已移除 Figure 1.3 in [SSB-Space Station]. See http://books.nap.edu/books/0309068851/html/10.html#page_top. 航天员的风险 在航天飞机内的航 天员有受屏蔽保护 航天员风险是在航 天飞机外或在月球 或火星的表面上 影像已移除 Figure 2.3 in [SSB-Crew Hazards]. See http://books.nap.edu/books/0309056985/html/16.html#pagetop. 辐射的早期生物效应 辐射导致虚弱 ?发生在几小时内 ?恶心、呕吐 ?剂量：在不到一天就＞1 Sv 急性辐射症候 ?发生在2-4周内 ?骨髓抑制剂量：1.5~2.0 Sv ?致死剂量(全身)在3 Sv时有10%；在4 Sv时有90%(无对策应付时) 皮肤 ?在约6 Gy时皮肤红斑(变红) ?15-20 Gy时造成湿性脱皮 毛发脱落 ?发生在剂量~ 6 Gy或更高 除非航天员曝露在没有屏蔽的环境﹐否则早期效应不太可能发生。 辐射的晚期生物效应 癌症 CNS(中枢神经系统)受损 白内障：低LET的低限值是1.5-2 Gy (质子类似低LET辐射的行为﹐来自对灵长目的研究资料) 在太空飞行期间受到辐射曝露后的晚期效应是主要考量。 对CNS的危害 在CNS中的 HZE效应 提前老化？ 在老鼠的实验 影像已移除 Figure 2.7 in [SSB-Crew Hazards]. 见http://books.nap.edu/books/0309056985/html/25.html#page_top. 屏蔽 宇宙射线在核作用感 光乳剂中碰撞的径迹 结构 影像已移除 来源：NASA. “Cosmic Rays.”[updated 25 Nov 2001, cited 29 March 2004] http://www-istp.gsfc.nasa.gov/Education/wcosray.html 屏蔽 GCRs是屏蔽的最大 问题 影像已移除 对GCRs的屏蔽 屏蔽 …有些材质用 了更糟 影像已移除 Figure 2.5 in [SSB-Crew Hazards]. 见http://books.nap.edu/books/0309056985/html/17.html#page_middle. 对GCRs的屏蔽 影像已移除 Figure 2.5 in [SSB-Crew Hazards]. 见http://books.nap.edu/books/0309056985/html/17.html#page_middle. 火星任务 对SPEs的屏蔽 须为设计中的 一部份 影像已移除 “火星运输居住舱载具概念”. 火星任务（底下的物品要翻译） 可充气式壁与船舱屏蔽的特性 充气式船坞与储存舱屏蔽材质清单 充气式船坞储存舱屏蔽 聚酰氨塑料盒 2层Combitherm/bleed cloth腰果 单层铝附的聚铣亚胺曲奇脆饼 Combitherm(朱注：由英国Soretrac 公司所制作的隔热材质）鸡蓉面汤 硫化填缝硅橡胶560密封剂（RTV 560 ）鸡饭汤 5层凯夫龙(Kevlar)焗菠菜奶酪鸡面 硫化填缝硅橡胶560密封剂桃子 3层4”聚氨酯泡沫材料/硫化填缝硅橡胶/Nextel(朱注：由3M公 司从氧化铝硼酸所提炼出来的耐热陶瓷纤维） 阿弗雷多宽蛋面 单层铝附的聚铣亚胺(kapton)奶油烤甘蓝花 10层双铝附的聚酯薄膜(Mylar)草莓 贝它衣(Beta Cloth)（朱注：通常用在外层的隔热材质）杂块零嘴 火星任务 有影像的幻灯片已移除 「火星运输居住舱载具概念」 航天员的曝露限值 低地球轨道曝露的器官等效剂量(Sv)的NCRP(1989)限值 造血器官皮肤眼球水晶体 职业者1-4 6 4 年0.5 3 2 30天0.25 1.5 1 [一般民众的平均年背景剂量为0.0036 Sv(360 mrem)。] 火星任务 对运输居住充气舱概念所估计的等效剂量(cSv)摘要 一年运输等效剂量1.5年表面等效剂量 来源皮肤BFO皮肤BFO GCR Solar Maximum GCR Solar Minimum August 1972 SEP 33.4 93.8 63.8 27.9 72.7 17.0 20.1 46.5 4.6* 17.6 40.7 2.4* * 0-cm与5-cm的深度剂量﹐其它为CAM。 航天员的曝露 在低-倾斜轨道中以往返剂量量测方式测量全身等效剂量(mSv)。 [年背景值为~3.6 mSv] 任务期间(天)低-LET中子高-LET总和 STS-4 STS-5 STS-6 STS-7 STS-8 <STS> 7.04 5.0 5.0 5.96 6.04 5.81 0.446 0.278 0.273 0.348 0.348 0.339 0.156 0.117 0.084 0.014 0.026 0.079 0.077 0.145 0.138 0.117 0.192 0.134 0.679 0.540 0.495 0.479 0.566 0.552 航天员的曝露 阿波罗：5-12天160-1140 mrad 0.01 Sv SkyLab：20-90天1.6-7.7 rad 0.08 Sv 航天飞机：3.2 cGy 0.003 Sv/天 (最高﹐哈伯太空望远镜维修) MIR (144-468 uGy/天) 0.0005 Sv/天 ISS ~0.5-2.5 mGy/天0.0025 Sv/天 火星任务骨髓60-130 cSv* * 高过LEO的骨髓50 cGy/年限值 平均年背景剂量0.0036 Sv 总结 对航天员而言确实有辐射风险。 NASA目前研究以高能Fe离子于放射生物实验。 [ 在宇宙中高剂量率较低剂量率情况多] GCRs的生物效应仍有大部分未知。