长期以来,国际上对航天员辐射剂量估算主要依据国际放射防护委员会(ICRP)的第26号[3]和第60号[4]出版物,航天员器官的剂量当量HT等于器官吸收剂量DT与辐射品质因数的乘积.辐射品质因数是反映不同辐射危害大小的量,ICRP 60号出版物把辐射品质因数认为是LET的函数.
然而研究表明,辐射品质因数不仅与辐射LET值有关,还与粒子的类型、能量和辐射效应类型有关[5].对于LET值相同、类型不同的粒子,它们产生的辐射效应不同,以LET为函数的辐射品质因数不能准确反映辐射的生物学效应.
2013年,ICRP发布了第123号出版物——《航天员空间辐射照射的评价》[6].该出版物在大量重离子生物学效应研究的基础上,提出了新的用于航天员辐射剂量计算的辐射品质因数.该因数不再仅是LET的函数,而是与辐射粒子原子序数、能量和辐射效应类型有关,更真实反映粒子辐射的生物效应.有必要研究与ICRP 123号出版物相适应的航天员辐射剂量监测评估方法.
本文采用人体数字模型模拟航天员,通过蒙特卡罗程序仿真粒子在航天员体内的输运,结合ICRP 123号出版物,计算出粒子通量-航天员剂量转换系数,并由银河宇宙线模型给出近地空间的宇宙线强度,进一步计算出银河宇宙线对航天员的辐射剂量.
1 模型和方法1.1 人体数字模型由于不能对人体内的辐射剂量进行直接测量,人体组织或器官的辐射剂量一般通过体表测量或模拟计算的方式得到.尤其是近十多年来,各国先后开发了大量的人体数字模型,把人体划分为大量的小体积单元(体素),通过核磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT)或切割断层图片可得到各体素所属的组织器官,结合粒子输运程序以研究人体受空间辐射的剂量[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14].
本工作中采用CNMAN人体数字模型[15].该模型基于第三军医大学采集的虚拟人数据集建立.数据集的标本来自身高170cm,体重65kg的成年男性.通过对标本的切割解剖,获取到1700多个解剖断面,对每个断面进行照相,分辨率达到630万像素.基于每一个断面的照片,经图像处理后重新构建出人体三维数字模型.该人体数字模型把人体划分出29个组织器官,每个组织器官由大量的体素组成,体素体积为0.16mm×0.16mm×1.0mm.CNMAN是专用于辐射剂量评估的人体数字模型,在辐射防护领域的研究和应用中发挥作用[16, 17, 18].
1.2 剂量计算方法航天员空间辐射剂量的计算大多采用模拟粒子输运的Geant4[19]、MCNP[20]和Fluka[21]等通用蒙特卡罗软件.然而,依据ICRP 123号出版物,需要对粒子在体内的输运全过程进行跟踪,针对每一能量的粒子计算其辐射品质因数,通用蒙特卡罗软件在此方面的应用存在困难.为此需开发新的航天员辐射剂量计算程序.
航天员辐射剂量计算程序采用Fortran 90语言编写.航天员组织器官的吸收剂量和剂量当量的计算过程如图 1所示:通过随机抽样出粒子的位置和方向,把粒子位置、方向、能量和原子序数等信息作为输入,计算粒子穿过人体数字模型各体素时的质量阻止本领和辐射品质因数,进一步得到粒子在各体素的沉积能量、吸收剂量和剂量当量,最后对各组织或器官的所有体素的吸收剂量和剂量当量求和,得到组织或器官的吸收剂量和剂量当量.计算中,源粒子随机抽样为各向同性照射,原子序数从1~92,能量覆盖1~20000MeV/n范围.
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| 图 1 航天员器官剂量计算流程Fig. 1 Process to calculate astronauts'organ dose |
| 图选项 |
粒子的质量阻止本领是带电粒子穿过单位质量长度所损失的能量,基于Bethe-Bloch理论编程计算得到.图 2是程序计算结果实线与SRIM[22]程序计算值虚线的比较,两者结果吻合.
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| 图 2 不同粒子在水中的质量阻止本领Fig. 2 Stopping powers of various particles in water |
| 图选项 |
粒子在体素i内的沉积能量ΔEi(单位：MeV)为
式中:Sj为粒子的质量阻止本领，MeV/(mg·cm-2)；假设粒子在体素内穿过的质量长度为Δd，mg·cm-2,把其分为n等份(本计算中n=100),Δx=Δd/n.
体素i的吸收剂量Di等于沉积能量除以体素的质量:
式中:mi为体素i的质量.
体素i的剂量当量Hi为
式中:Qi为入射到体素i的粒子的辐射品质因数.依据ICRP 123号出版物,空间粒子的辐射品质因数为粒子能量E和原子序数Z的函数,计算式为
式中:PZ,E={1-e[-Z*2/(kβ2)]}m，β为粒子速度与光速之比，Z*为有效原子序数;L为传能线密度；Σ0,m,k和αγ为与辐射效应有关的参数.对于实体癌,NASA推荐建议m=3,k=550(1000,Z≤4),Σ0/αγ=7000/6.24[23].
根据ICRP 123号出版物计算出1H、4He、12C、28Si、56Fe、91Zr、197Au和238U等粒子的辐射品质因数及其与ICRP 60号出版物的品质因数比较如图 3所示.ICRP 60号出版物推荐的辐射品质因数随传能线密度L变化在总体趋势上与ICRP 123号出版物的一致,然而在某些L值,两个出版物给出的辐射品质因数差别可达数倍.
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| 图 3 ICRP 123与ICRP 60出版物的辐射品质因数Fig. 3 Radiation quality factor from ICRP 60 and ICRP 123 publications |
| 图选项 |
器官T的吸收剂量和剂量当量分别由组成该器官的所有体素的吸收剂量和剂量当量求和得到:
式中:k′为组成器官T的体素数量.
最后,把器官T的吸收剂量和剂量当量除以源粒子的通量,分别得到通量-吸收剂量转换因数和通量-剂量当量转换因数.
1.3 银河宇宙线模型
为了得到近地轨道空间的银河宇宙线通量,以利用上述转换因数来评估航天员所受的银河宇宙线辐射剂量,采用了SPENVIS[24]程序中的CRME 96银河宇宙线模型.该模型给出太阳活动低年的银河宇宙线强度,考虑了地磁作用.计算得到的国际空间站轨道(International Space Station,ISS)(远地点365km,近地点345km,倾角52°)银河宇宙线1H、4He、12C、40Ar、56Fe和238U等部分银河宇宙线粒子的微分能谱如图 4所示,在10MeV/n能量之下的粒子主要是异常宇宙线,1H粒子的通量比238U粒子通量高10个数量级.
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| 图 4 国际空间站轨道银河宇宙线粒子(1H、4He、12C、40Ar、56Fe和238U)的能谱Fig. 4 Energy spectra of GCR particles (1H,4He,12C,40Ar,56Fe and 238U) in ISS orbit |
| 图选项 |
2 结果与分析2.1 剂量转换因数计算程序运行在Windows 7环境,处理器频率为1.6GHz,内存为4.0GB.对于每一种原子序数1~92的粒子,仿真计算105个粒子需要时间约32h.
通过计算获得了人体在不同铝屏蔽厚度(0、2、5、10g/cm2)下,受不同粒子照射时主要组织器官的通量-吸收剂量转换因数和通量-剂量当量转换因数.
人体的肺和肝在1H、4He、12C、56Fe和238U粒子照射下,其通量-吸收剂量转换因数和粒子通量-剂量当量转换因数分别见图 5(a)和图 5(b).从图 5中看出,器官在同一种粒子照射时,其转换因数随粒子能量升高而增大,然后趋于一个常数值,这是因为高能量的粒子在器官中的阻止本领趋于常数(见图 2),它们在器官中的沉积能量差别不大.对于高能量如大于103MeV/n的粒子,通量-吸收剂量转换因数和通量-剂量当量转换因数随粒子原子序数增大而增大.
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| 图 5 受1H、4He、12C、56Fe和238U粒子照射时通量-器官吸收剂量转换因数和通量-器官剂量当量转换因数Fig. 5 Fluence to organ absorbed dose conversion coefficients and organ dose equivalent conversion coefficients for exposure by 1H,4He,12C,56Fe and 238U |
| 图选项 |
在不同屏蔽厚度下人体分别受56Fe粒子照射时,肺的通量-吸收剂量转换因数和通量-剂量当量转换因数分别见图 6(a)和图 6(b).可以看出,屏蔽厚度主要影响低能量粒子通量-剂量转换因数,可使转换因数降低,对于高能量粒子(>103MeV/n),转换因数几乎不发生变化,屏蔽的影响可以忽略.
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| 图 6 不同屏蔽厚度下56Fe粒子照射时的通量-器官吸收剂量转换因数和通量-器官剂量当量转换因数Fig. 6 Fluence to organ absorbed dose conversion coefficients and organ dose equivalent conversion coefficients for exposure by 56Fe with various shielding thicknesses |
| 图选项 |
人体在1H、4He、12C和56Fe等粒子照射下,计算出肺、肝、甲状腺、皮肤和大脑的通量-吸收剂量转换因数、通量-剂量当量转换因数与ICRP 123号出版物结果的比较分别见图 7(a)和图 7(b).从图中可看出,计算结果与ICRP结果有较好的一致性,尤其是皮肤的转换因数与ICRP 结果比较吻合,其他组织器官的有差别,最大可达数十倍,随着粒子能量升高,这种差别减小.这主要是由于CNMAN人体模型与ICRP 人体模型在器官的位置、体积、形状等方面存在差异造成的,计算方法的不同也会带来差别.
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| 图 7 计算的通量-器官吸收剂量转换因数和通量-器官剂量当量转换因数与ICRP 123结果的比较Fig. 7 Comparisons of fluence to organ absorbed dose conversion coefficients and organ dose equivalent conversion coefficients calculated with results from ICRP 123 |
| 图选项 |
2.2 近地轨道航天员的辐射剂量利用上述计算的通量-剂量转换因数和来自CRME 96模型的银河宇宙线通量,可计算出近地国际空间站轨道航天员受银河宇宙线辐射照射的剂量率.一些组织器官在不同屏蔽厚度下的吸收剂量率和剂量当量率分别如图 8(a)和图 8(b)所示.从结果发现,航天员受银河宇宙线辐射时器官的剂量率不是随屏蔽厚度增加而降低,在5g/cm2屏蔽厚度下接受银河宇宙线辐射的吸收剂量率要大于无屏蔽时的剂量率.这是由于屏蔽虽然阻止了部分粒子照射航天员,但同时使透过粒子的能量降低,而低能量粒子在人体内的沉积能量增大,可导致吸收剂量增加.而5g/cm2屏蔽时器官的剂量当量率与无屏蔽时剂量当量率接近,大于2g/cm2屏蔽的剂量当量率.
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| 图 8 国际空间站轨道不同屏蔽厚度下航天员受银河宇宙线照射时的器官吸收剂量率和器官剂量当量率Fig. 8 Astronauts'organ absorbed dose rates and organ dose equivalent rates from exposure by GCR in ISS orbit with various shielding thicknesses |
| 图选项 |
航天员受银河宇宙线照射时,宇宙线各粒子造成的皮肤吸收剂量率和皮肤剂量当量率分别见图 9(a)和图 9(b).由图可见,吸收剂量率和剂量当量率主要来自于原子序数小于29的银河宇宙线粒子,这些粒子对航天员剂量的贡献占银河宇宙线总剂量的99.9%以上.在这些粒子中,宇宙线1H粒子造成的吸收剂量率最大,而最大剂量当量率来自于宇宙线56Fe粒子.
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| 图 9 银河宇宙线不同粒子造成的皮肤吸收剂量率和皮肤剂量当量率Fig. 9 Skin absorbed dose rates and skin dose equivalent rates from various particles of GCR |
| 图选项 |
计算的航天员受银河宇宙线照射时器官的吸收剂量率与Puchalska等[14]用PHITS计算结果比较如图 10,计算结果比Puchalska等的结果偏小20%~50%,这主要是因为本计算中不考虑银河宇宙线次级粒子辐射的影响.
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| 图 10 计算的航天员受银河宇宙线照射的器官吸收剂量率与PHITS计算结果比较Fig. 10 Comparisons of the calculated astronauts’ organ absorbed dose rates from exposure by GCR with those from PHITS simulation |
| 图选项 |
3 结 论1) 根据ICRP 123号出版物对航天员辐射剂量评价的建议,采用中国人体数字模型和粒子输运程序获取了航天员受空间粒子(Z=1~92)辐射时器官的通量-吸收剂量转换因数和通量-剂量当量转换因数.由于人体模型和计算程序的不同,获得的转换因数与ICRP 123号出版物的差别可达数十倍.
2) 计算出航天员在国际空间站轨道受银河宇宙线照射时不同屏蔽厚度下器官的吸收剂量和剂量当量.器官的吸收剂量在40μGy/d左右,剂量当量约200μSv/d.宇宙线照射的剂量主要来自于原子序数小于29的粒子.随屏蔽厚度增加,剂量并不是单调递减.
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