宇宙中的輻射環境
宇宙中的輻射來源
?銀河宇宙射線
?太陽
?太陽風
?日冕質量拋射
宇宙中的輻射
NASA研究計畫
國際太空站
火星任務
?了解生物效應
?設計適當的屏蔽
銀河宇宙射線
射源未知
同位素
不論經過多久﹐
通量維持一定
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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.
見http://books.nap.edu/books/0309056985/html/14.html#page_bottom.
銀河宇宙射線
廣的能量分布
能峰約在1
GeV/核子
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Figure 2.1 in [SSB-Crew Hazards].
見http://books.nap.edu/books/0309056985/html/15.html#page_bottom.
銀河宇宙射線
在大氣層外
就開始衰減
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來自太陽的輻射
來源：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
來自太陽的輻射
太陽風扭
曲地球磁
場
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來自太陽的輻射
太陽黑子
經數百年的觀察
每11年週期發生
來源：NASA Goddard Space Flight Center . [updated 30 March 01,cited 29 March
2004.] http://www.gsfc.nasa.gov/gsfc/spacesci/solarexp/sunspot.htm
來自太陽的輻射
在太陽黑子活動最大期間﹐發生太陽閃焰與日冕質量拋射的
機率增加。
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來自太陽的輻射
太陽閃焰
連帶有許多高能量
粒子產生﹐多數為
質子
潛在致死劑量
來源：NASA. “Our Magnificent Sun.”[cited 29 March 2004]
http://cossc.gsfc.nasa.gov/images/epo/gallery/solar/
1996 photo from Skylab
劇變的宇宙氣候
高能量日冕質量拋射產生「衝擊」
?最高能量的粒子可在10-100分鐘內到達地球
?粒子通量隨著其程度的級數而增加
?太空人直接曝露在可能致死的輻射劑量下
?太空船設計必須包含「風暴避難所」的觀念
?衛星與地面觀測站之網路監測太陽的SPEs (solar
particle events )訊息
來自太陽的輻射
日冕質量
拋射或太
陽粒子事
件
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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/html/40.html#page_middle.
范艾倫輻射帶
內帶
較多質子
E~10 MeV
外帶
較多電子
E在10 MeV以上
「角」彎於兩極
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Figure 4.1 in [SSB-Space Station].
http://books.nap.edu/books/0309068851/html/8.html#page_top.
范艾倫輻射帶
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范艾倫輻射帶
?使衛星組成零件惡化
?造成偵檢器的背景雜訊
?數位電路中的錯誤
?絕緣體中的靜電電荷累積
?對太空人的一種威脅
?阿波羅任務：造成劑量的最大部份來自行經范艾
倫輻射帶時
范艾倫輻射帶
NASA限制經過內
輻射帶之高劑量
區所花的時間
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南大西洋異常
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Figure 1.2 in [SSB-Space Station].
見http://books.nap.edu/books/0309068851/html/9.html#pagetop.
極光
帶能的電荷粒子
進入大氣層上層
(~70公里以上)並
游離中性氣體分
子。
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來源：NASA. “Space Science Photos: Prior to 1997 [cited 29 March 2004]
http://www.gsfc.nasa.gov/indepth/photos_spaceearly.html
國際太空站
輻射曝露：
?輻射帶
? GCR(銀河
宇宙射線)
? SPEs(太陽
粒子事件)
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Figure 1.4 in [SSB-Space Station]. See
http://books.nap.edu/books/0309068851/html/13.html#page_bottom.
國際太空站
ISS(國際太
空站)軌道進
入在高緯度
的劑量較高
之區域
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國際太空站
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Figure 1.5 in [SSB-Space Station]. See
http://books.nap.edu/books/0309068851/html/14.html#page_top.
宇宙中的輻射
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Figure 2.4 in [SSB-Crew Hazards]. See
http://books.nap.edu/books/0309056985/html/17.html#page_middle.
生物效應
NASA已經進行許多致力於宇宙中輻射的生物效應的研究
質子：
RBE(輻射生物效應)接近1
生物效應已相當清楚
GCRs(銀河宇宙射線)：
通量低
生物效應所知有限
可能代表最大的風險
銀河宇宙射線
?在地球磁場外部的通量率
?4個中子/cm
2
/sec
?0.4個氦離子/cm
2
/sec
?0.04 HZE粒子/cm
2
/sec
?對一個100μm
2
細胞核而言﹐在體內的每個細胞核
會受下列擊中：
?一質子每三天
?一氦離子每個月
?一HZE ( high-charge and–energy, 重荷電高能粒子) 粒子每年
NASA的困境
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屏蔽
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Figure 1.3 in [SSB-Space Station]. See
http://books.nap.edu/books/0309068851/html/10.html#page_top.
太空人的風險
在太空梭內的太空
人有受屏蔽保護
太空人風險是在太
空梭外或在月球或
火星的表面上
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Figure 2.3 in [SSB-Crew Hazards]. See
http://books.nap.edu/books/0309056985/html/16.html#pagetop.
輻射的早期生物效應
輻射導致虛弱
?發生在幾小時內
?噁心、嘔吐
?劑量：在不到一天就＞1 Sv
急性輻射症候
?發生在2-4周內
?骨髓抑制劑量：1.5~2.0 Sv
?致死劑量(全身)在3 Sv時有10%；在4 Sv時有90%(無對策應付時)
皮膚
?在約6 Gy時皮膚紅斑(變紅)
?15-20 Gy時造成濕性脫皮
毛髮脫落
?發生在劑量~ 6 Gy或更高
除非太空人曝露在沒有屏蔽的環境﹐否則早期效應不太可能發生。
輻射的晚期生物效應
癌症
CNS(中樞神經系統)受損
白內障：低LET的低限值是1.5-2 Gy
(質子類似低LET輻射的行為﹐來自對靈長目的研究資料)
在太空飛行期間受到輻射曝露後的晚期效應是主要考量。
對CNS的危害
在CNS中的
HZE效應
提前老化？
在老鼠的實驗
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Figure 2.7 in [SSB-Crew Hazards].
見http://books.nap.edu/books/0309056985/html/25.html#page_top.
屏蔽
宇宙射線在核作用感
光乳劑中碰撞的徑跡
結構
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來源：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
問題
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對GCRs的屏蔽
屏蔽
…有些材質用
了更糟
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Figure 2.5 in [SSB-Crew Hazards].
見http://books.nap.edu/books/0309056985/html/17.html#page_middle.
對GCRs的屏蔽
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Figure 2.5 in [SSB-Crew Hazards].
見http://books.nap.edu/books/0309056985/html/17.html#page_middle.
火星任務
對SPEs的屏蔽
須為設計中的
一部份
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“火星運輸居住艙載具概念”.
火星任務（底下的物品要翻譯）
可充氣式壁與船艙屏蔽的特性
充氣式船塢與儲存艙屏蔽材質清單
充氣式船塢儲存艙屏蔽
聚酰氨塑膠盒
2層Combitherm/bleed cloth腰果
單層鋁附的聚銑亞胺曲奇脆餅
Combitherm(朱註：由英國Soretrac 公司所製作的隔熱材質）
雞蓉麵湯
硫化填縫矽橡膠560密封劑（RTV 560 ）雞飯湯
5層凱夫龍(Kevlar)焗菠菜乳酪雞麵
硫化填縫矽橡膠560密封劑桃子
3層4”聚氨酯泡沫材料/硫化填縫矽橡膠
/Nextel(朱註：由3M公司從氧化鋁硼酸所提煉出來的耐熱陶瓷纖維）
阿弗雷多寬蛋麵
單層鋁附的聚銑亞胺(kapton)奶油烤甘藍花
10層雙鋁附的聚酯薄膜(Mylar)草莓
貝它衣(Beta Cloth)（朱註：通常用在外層的隔熱材質）雜塊零嘴
火星任務
有影像的幻燈片已移除
「火星運輸居住艙載具概念」
太空人的曝露限值
低地球軌道曝露的器官等效劑量(Sv)的NCRP(1989)限值
造血器官皮膚眼球水晶體
職業者1-4 6 4
年0.5 3 2
30天0.25 1.5 1
[一般民眾的平均年背景劑量為0.0036 Sv(360 mrem)。]
火星任務
對運輸居住充氣艙概念所估計的等效劑量(cSv)摘要
一年運輸等效劑量1.5年表面等效劑量
來源皮膚BFO皮膚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與5-cm的深度劑量﹐其他為CAM。
太空人的曝露
在低-傾斜軌道中以往返劑量量測方式測量全身等效劑量(mSv)。
[年背景值為~3.6 mSv]
任務期間(天)低-LET中子高-LET總和
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
太空人的曝露
阿波羅：5-12天160-1140 mrad 0.01 Sv
SkyLab：20-90天1.6-7.7 rad 0.08 Sv
太空梭：3.2 cGy 0.003 Sv/天
(最高﹐哈伯太空望遠鏡維修)
MIR (144-468 uGy/天) 0.0005 Sv/天
ISS ~0.5-2.5 mGy/天0.0025 Sv/天
火星任務骨髓60-130 cSv*
* 高過LEO的骨髓50 cGy/年限值
平均年背景劑量0.0036 Sv
總結
對太空人而言確實有輻射風險。
NASA目前研究以高能Fe離子於放射生物實驗。
[ 在宇宙中高劑量率較低劑量率情況多]
GCRs的生物效應仍有大部分未知。
