Оценка радиационных нагрузок на космонавтов МКС с использованием геометрической модели тела человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОЦЕНКА РАДИАЦИОННЫХ НАГРУЗОК НА КОСМОНАВТОВ МКС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА

05.26.02 безопасность в чрезвычайных ситуациях

(Авиационная и ракетно-космическая техника, технические науки)

Бондаренко Валентина Александровна

Москва 2007 г.

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации- Институте медико-биологических проблем Российской академии наук

Научный руководитель:

Доктор технических наук Митрикас Виктор Георгиевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук Смиренный Лев Николаевич

Доктор технических наук Беркович Юлий Александрович

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.И. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Защита состоится «25» апреля 2007 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.111.02 при Государственном научном центре Российской Федерации -Институте медико-биологических проблем РАН (123007, Москва, Хорошевское шоссе, 76-А)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного центра Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем РАН (ГНЦ РФ - ИМБП РАН)

Автореферат разослан «21» марта 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.111.02.

Доктор биологических наук Назаров Н.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Воздействие космических лучей на экипаж космической станции является одним из постоянно действующих неблагоприятных факторов пребывания человека в космическом полете. Основная задача обеспечения радиационной безопасности пилотируемых полетов в космическом пространстве - снижение воздействия ионизирующего излучения на экипаж до уровня, не превышающего установленные нормы радиационной безопасности космических полетов (МУ 2.6.1.44-03-2004).

Актуальность работы.

Учет индивидуального радиационного воздействия на космонавтов является, несомненно, одной из ключевых проблем при планировании дальних пилотируемых космических полетов. Данные по индивидуальным дозам, полученным космонавтами в полетах, являются важной информацией для оценки последствий радиационного облучения. Получение таких данных - одна из главных задач Службы радиационной безопасности пилотируемых космических полетов.

Основные штатные дозиметрические приборы в российском сегменте международной космической станции (РС МКС) служат для измерения поглощенной дозы. Нормативы радиационной безопасности для конкретной длительности полета и за весь профессиональный период работы космонавта используют понятия эквивалентной дозы, учитывающей биологический эффект облучения. Эквивалентная доза равна поглощенной дозе в органе или ткани, умноженной на соответствующий коэффициент качества для данного вида излучения. Отдельные эксперименты, проведенные на борту космических станций, не дают полной картины изменения коэффициента качества космического излучения с циклом солнечной активности, не учитывают глубину залегания критических органов и тканей космонавта, места нахождение космонавтов в различных отсеках станции. Поэтому необходимо привлекать расчетные методы, разработка которых является актуальной проблемой.

Поскольку измерить распределения поглощенных доз внутри тела космонавта не представляется возможным, для расчетных и экспериментальных целей используются различные модели тела человека, называемые фантомами. Существующий ГОСТ 25645.203 предусматривает возможность использования как антропоморфного тканеэквивалентного гомогенного фантома, который имеет форму и усредненные размеры человека (мужчины), так и простых фантомов в виде совокупности двух эллиптических цилиндров или шара. Форма антропоморфного фантома представлена в цилиндрической системе координат таблицами сечений. Такое задание фантома затрудняет его использование совместно с моделью защищенности российского сегмента МКС, описываемой алгебраическими уравнениями второго порядка в декартовой системе координат. На практике использование фантомов на МКС началось только в 2004 году, однако до настоящего времени экспериментальные исследования не завершены и вопрос об оценках эквивалентных доз, полученных космонавтами, остается открытым. В связи с этим большую роль играют расчетно-теоретические фантомные исследования. Настоящая работа посвящена проблеме создания эффективных методов оценки дозовых нагрузок на критические органы и ткани организма космонавта с учетом самоэкранированности при облучении космическим излучением сложного энергетического, зарядового и видового состава в условиях реального распределения защищенности рабочих мест конструкциями и оборудованием станции.

В соответствии с этим перед автором работы стояла следующая цель:

разработка методики оценки радиационных нагрузок - поглощенных и эквивалентных доз на критические органы и ткани космонавтов в экспедициях на МКС с использованием геометрической модели тела человека.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

· разработка геометрической модели тела человека, которая, с одной стороны, удобно сочетает в себе ряд свойств разработанной ранее математической модели антропоморфного фантома, с другой, позволяет использовать при расчетах модель защищенности российского сегмента МКС.

· проведение расчетов функций экранированности в представительных точках критических органов и тканях организма для геометрической модели тела человека и их сравнение с аналогичными характеристиками, полученными для антропоморфного фантома;

· модернизация программы защищенности станции с учетом размещения геометрической модели тела человека в различных отсеках и проведение расчетов функций экранированности;

· оценка поглощенных и эквивалентных доз на критические органы и ткани космонавтов, оценка коэффициентов качества космического излучения в отсеках станции в период проведения 13 - ти экспедиций на МКС;

· определение переходных коэффициентов для оценок поглощенных доз в отсеках станции по показаниям штатного радиометра Р-16.

Методы исследования:

· математическое моделирование;

· численные методы математического анализа и математической статистики;

· сравнительный анализ результатов расчетов и экспериментальных данных.

Научная новизна:

· разработана новая эффективная модель тела человека (фантом) в геометрическом представлении;

· впервые проведен сравнительный анализ результатов расчетов и экспериментальных данных по динамике распределения поглощенных доз в РС МКС и подтверждена достоверность методики расчетов доз;

· впервые проведен анализ пространственного распределения поглощенных и эквивалентных доз внутри фантома, помещенного в различных отсеках РС МКС, в зависимости от ориентации фантома;

· впервые получена расчетная оценка коэффициента качества космического излучения в отсеках станции за весь период ее функционирования с августа 2000 г. по сентябрь 2006 г.

Практическая ценность работы:

· создано новое эффективное методическое средство для оперативной оценки радиационных нагрузок на космонавтов;

· проведен детальный анализ радиационных нагрузок в отсеках РС МКС и определены поглощенные и эквивалентные дозы для космонавтов во всех экспедициях на МКС по реальным баллистическим и гелиогеофизическим параметрам и защитным функциям станции с учетом циклограммы работы космонавтов. Полученные данные являются основой медицинских заключений о профессиональной пригодности космонавтов и возможности их дальнейших космических полетов;

· создана база данных ежедневного мониторинга радиационной обстановки, включающая результаты оперативного контроля по штатному радиометру Р-16, оценки поглощенных и эквивалентных доз, баллистические характеристики орбиты МКС, значения геомагнитных параметров и индексов солнечной активности, характеристики межпланетного магнитного поля, значения потоков частиц со спутников ИСЗ «GOES». Мониторинг ежедневного контроля охватывают период свыше 6 лет;

· полученные оценки коэффициента качества космического излучения позволяют проводить оценки эквивалентных доз и сравнение их с установленными нормами космических полетов.

На защиту выносятся следующие положения:

· разработанная геометрическая модель тела человека, включающая в себя ряд свойств имеющейся математической модели антропоморфного фантома, а по форме математического описания аналогичная модели защищенности российского сегмента МКС;

· база данных для оперативной оценки и последующего анализа радиационных нагрузок, включающая 113 параметров: баллистические характеристики орбиты МКС, значения геомагнитных параметров и индексов солнечной активности, характеристики межпланетного магнитного поля, значения потоков частиц, измеряемых на искусственных спутниках Земли, ежедневные значения поглощенных и эквивалентных доз. База охватывает период свыше 6 лет по 13-ти экспедициям МКС;

· расчетные оценки радиационных нагрузок на космонавтов МКС и результаты их анализа по поглощенным и эквивалентным дозам в критических органах и тканях человека для различных отсеков станции.

Личный вклад автора заключается в выполнении основного объема теорети-

ческих и расчетных исследований, изложенных в диссертационной работе, включая разработку модели тела человека, создание базы данных по радиационной обстановке на станции, содержащую обработку экспериментальных данных со штатных дозиметров, анализ и оформление результатов в виде публикаций и научных докладов.

Апробация работы.

Результаты и положения диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах.

Результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Шестая международная научно-практическая конференция «Пилотируемые полеты в космос» 10-11 ноября 2005 г., Звездный городок, Московская обл.

2. Ежегодная конференция по космической биологии и авиакосмической медицине, Москва, ГНЦ РФ ИМБП РАН, 2005 г.

Объем и структура.

Диссертация изложена на 136 страницах машинописного текста, включая 27 таблиц и 36 рисунков, состоит из введения, 4 глав, содержащих описания материалов, теоретических и экспериментальных исследований, заключения, выводов и списка использованных источников, включающего 78 наименований.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность проблемы оценки радиационных нагрузок на космонавтов, сформулирована цель исследования - разработка методики оценки поглощенных и эквивалентных доз на критические органы и ткани космонавтов по экспедициям на МКС. Обоснованы новизна и практическая значимость результатов исследований.

В первой главе представлен анализ известных методов расчета поглощенных и эквивалентных доз в различных фантомах, используемых для космических пилотируемых аппаратов. Рассмотрены типы используемых фантомов, рекомендованных в ГОСТ 25645.203.

Фантомные исследования проводятся в дозиметрии ионизирующих излучений достаточно давно, практически с того времени, когда возник вопрос о необходимости уточнения воздействия ионизирующих излучений на организм человека. В качестве фантомов использовались различные модели: от заполненных водой специальных объемов до антропоморфных фантомов из различных пластмасс. В данной работе рассматриваются фантомы, предназначенные для исследований, связанных с воздействием на человека космических ионизирующих излучений при выполнении пилотируемых космических полетов. Проанализированы результаты расчетов доз на станции МИР. Показано, что оценки носят приблизительный характер и выполнены для граничных условий (максимум или минимум солнечной активности).

В главе дан обзор основных характеристик источников космического излучения, способных давать заметный вклад в поглощенную дозу, воздействующую на космонавтов: протоны и электроны радиационных поясов Земли (РПЗ); протоны и более тяжелые частицы галактических космических лучей (ГКЛ); протоны солнечных космических лучей (СКЛ).

На основе анализа моделей выбрана методика расчетов характеристик различных составляющих космической радиации, используемая далее в работе. Модель учитывает: прохождение частиц через магнитосферу Земли (для ГКЛ и СКЛ); прохождение излучений через оболочку и оборудование КА; формирование дозового поля внутри КА и тела космонавта с учетом экранированности рабочих мест и самоэкранированности.

Во второй главе представлена новая методика расчета функций экранированности антропоморфного фантома и разработанный геометрический фантом.

Для расчета поглощенных и эквивалентных доз в теле космонавтов предназначен ГОСТ 25645.203. В нем установлены размеры и форма антропоморфного тканеэквивалентного гомогенного фантома, а также определены координаты представительных точек некоторых систем организма человека: кроветворной системы (КТС) 14 точек, хрусталика глаза (ХГ) 2 точки, желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) 3 точки, центральной нервной системы (ЦНС) 1 точка и кожи (КЖ) 2 точки. Формы отдельных частей антропоморфного фантома представлены в цилиндрической системе. Каждая часть фантома имеет собственное начало координат. Использована неравномерная шкала высот для обеспечения правильности описания формы фантома.

Для расчета функции экранированности выбранной представительной точки фантома использовалась методика вычисления расстояния от этой точки до поверхности фантома по всем направлениям в 4 стерадиан. В расчете использовались численное разбиение для азимутального угла шаг = 2 и по косинусу полярного угла шаг Cos = 0,02, т.е. всего использовалось 18000 направлений.

На рис. 1,2 представлены некоторые результаты расчетов функций экранированности антропоморфного фантома по нашей методике в сравнении с результатами работы (Красильников Г.В. и др. 1992) и работы (Карташов Д.А. и др. 2004), рассчитываемые методом статистических испытаний. Наши результаты представлены сплошной кривой, проведенной по правой границе интервалов толщин.

Рис. 1. Функции экранированности Р(х) в зависимости от глубины залегания Х точек КТС на груди (а) и на спине (б). Сплошная кривая - наши расчеты, треугольники результаты работы (Красильников Г.В. и др. 1992), точки - результаты работы (Карташов Д.А. и др. 2004).

Рис. 2. Функции экранированности точек хрусталика глаза (а) и кожи (б). Обозначения аналогичны рис. 1

Из анализа представленных рисунков следует совпадение результатов наших расчетов с результатами работы (Красильников Г.В. и др. 1992) и небольшие расхождения, особенно для КЖ, с результатами работы (Карташов Д.А. и др. 2004).

На рис. 3 представлено сравнение результатов наших расчетов с результатами работы (Смиренный Л.Н. и др. 1975) для представительной точки «гонады» (ГН).

Рис. 3. Функции экранированности Р(х) представительной точки «гонады». Сплошная кривая - наши расчеты, треугольники результаты работы (Смиренный Л.Н. и др. 1975)

В перечне представительных точек антропоморфного фантома в ГОСТ 25645.203 нет такой точки, хотя она должна использоваться при вычислениях эффективной дозы. Из анализа рис. 3 видно хорошее согласие между результатами двух работ. Это позволяет ввести

Одна из рекомендаций ГОСТ 25645.203 состоит в том, что допускается использование упрощенной модели фантома в виде шара радиусом 170 мм с внутренней полостью радиусом 50 мм. Мы провели сравнение функций экранированности представительных точек шарового фантома (кожа - КЖ на расстоянии от центра = 169,93 мм, хрусталик глаза - ХГ = 167 мм, кроветворная система - КТС = 120 мм, центральная нервная система ЦНС = 100 мм и желудочно-кишечный тракт- ЖКТ =80 мм) с соответствующими функциями антропоморфного фантома. Для выполнения таких сравнений были определены функции экранированности антропоморфного фантома как средние значения по всем представительным точкам, относящимся к конкретной системе. По полученным результатам можно сделать следующие выводы: функции экранированности представительных точек для шарового фантома существенно отличаются от соответствующих функций фантома антропоморфного.

Выбранное представление антропоморфного фантома заданного в ГОСТ 25645.203 плоскими сечениями в виде таблиц требует значительного машинного времени для расчетов, и не совпадает по форме математического представления с моделью защищенности станции. Для устранения этого неудобства нами была разработана модель тела человека в геометрическом представлении, удобно сочетающая в себе ряд свойств разработанной ранее математической модели антропоморфного фантома и позволяющая использовать при расчетах модель защищенности российского сегмента МКС. фантом космический пилотируемый антропоморфный

Разработанный геометрический фантом представляет собой набор из 16 геометрических зон, заключенных в 28 поверхностях, описываемых уравнениями второго порядка. Отдельные части тела описаны следующими геометрическими фигурами.

1. Трехосные эллипсоиды: 1 - голова, 3 - плечевой пояс (до вспомогательной плоскости раздела плечевого пояса и торса), 5,6 - тазобедренные суставы (от плоскости раздела торса и тазобедренных суставов до плоскости раздела тазобедренных суставов и ног), 15,16,17,18 - внешняя и внутренняя поверхности рук (от плоскости раздела руки и кисти).

2. Эллиптический цилиндр: 2 - шея (от головы до плечевого пояса).

3. Эллиптические конусы: 4 - торс (от вспомогательной плоскости раздела плечевого пояса и торса до плоскости раздела торса и тазобедренных суставов); 7,8 - ноги (от плоскости раздела тазобедренных суставов и ног до плоскости раздела голеней и ступней); 9,10 - пятки (от плоскости раздела ног и ступней до основания по высоте и до разделения со ступней по горизонтали); 11,12 - ступни (от плоскости раздела ног и ступней до основания по высоте и от разделения с пяткой по горизонтали); 13,14 - руки (от плоскости раздела плечевого пояса и торса до плоскостей раздела рук и кистей).



Система координат выбрана таким образом, что плоскость ОХY совпадает с плоскостью основания, на котором установлен фантом. Ось OZ проходит через центр головы, направлена вертикально вверх. Ось OX направлена от центра головы в сторону «лица», ось OY образует с двумя другими осями правую тройку. Так уравнение для поверхности головы в системе координат X'Y'Z' повернутой относительно выбранной системы в плоскости ОХY на 30⁰ имеет канонический вид:

Где:

В диссертации представлено детальное описание уравнений всех поверхностей. На рис. 4 представлена схема геометрического фантома в двух проекциях в сравнении с антропоморфным фантомом. Обозначения поверхностей на рис. 4 соответствуют тексту. Видно совпадение основных геометрических размеров фантомов.

Во всех представительных точках фантома были рассчитаны функции экранированности для разработанного геометрического и заданного в ГОСТ 25645.203 антропоморфного фантома. При этом время счета каждой точки сократилось с 43 минут машинного времени для антропоморфного фантома до 14 секунд для геометрической модели тела человека для ЭВМ РС Pentium IV 1,4 Ггц.

Рис. 4. Схема геометрического фантома на фоне антропоморфного. Сплошная линия- антропоморфный фантом, пунктирная- геометрический фантом.

На рис. 5 показаны типичные примеры функций экранированности для представительных точек антропоморфного и геометрического фантомов.

Рис. 5. Сравнение функций экранированности Р(х) представительных точек КТС фантома. а - точка № 1 (позвонок Атлант), б - точка № 6 (челюстная кость). Толстая кривая - антропоморфный фантом, тонкая кривая - геометрический фантом.

Из анализа представленных рисунков видно их хорошее совпадение по форме кривых. Аналогичные результаты получены и для остальных представительных точек. Проведенный статистический анализ показал, что наибольшее расхождение функций экранированности антропоморфного и геометрического фантомов по средним значениям составляет 8,7%, а по значениям дисперсии - 3,0%. Близость форм функций распределения и первых 2-х моментов (математического ожидания и дисперсии) свидетельствует о там, что разработанная в соавторстве геометрическая модель тела человека хорошо описывает самоэкранировку представительных точек тела человека и может использоваться для расчета доз на критические органы и ткани человека в разных отсеках МКС.

В третьей главе подробно описана процедура мониторинга радиационной обстановки на борту МКС за период с 2000 по 2006 гг. с указанием особенностей работы бортового радиометра Р-16, индивидуальных дозиметров «Пилле-МКС» и индивидуальных дозиметрических сборок «ИД-3МКС».

По результатам ежедневного оперативного контроля радиационной обстановки на МКС нами была сформирована база данных, в которую включались: результаты ежедневного оперативного контроля по штатному радиометру Р-16; баллистические характеристики орбиты МКС; значения геомагнитных параметров и индексов солнечной активности; характеристики межпланетного магнитного поля; значения потоков частиц измеряемых на искусственных спутниках Земли.

Также была создана отдельная база данных, в которую во время прохождения СПС заносились часовые значения потоков протонов с энергиями Е>10, 30, 50 и 100

100 МэВ, а также часовые значения D_ST - вариации.

Был проведен линейный корреляционный анализ динамики поглощенной дозы и гелио-геомагнитных и баллистических параметров. Результаты анализа представлены в таблице 1. Эти данные подтверждают ранее сделанный вывод о недостаточной связи мощности поглощенной дозы с индексами, характеризующими геомагнитную обстановку. Наиболее значимый коэффициент корреляции наблюдается с высотой орбиты.

Таблица 1. Коэффициенты корреляции измеренных доз по каналам D1 и D2 радиометра Р-16 с индексами гелио-геомагнитной активности и баллистическими параметрами

	Ар	Dst	W	F	JP>100	Nn	Je>2	HA	HP	1/
D1	0.298	0.155	-0.12	-0.20	-0.118	-0.034	0.087	0.355	0.311	0.528
D2	0.254	0.385	0.40	0.28	-0.046	-0.121	-0.129	0.626	0.590	0.237

Зная баллистические параметры орбиты МКС, и используя известные методики расчетов доз, разработанные для станции МИР (Митрикас В.Г. 2000.), можно проверить применимость этих методик для МКС на примере сравнения расчетных и измеренных поглощенных доз штатным радиометром Р-16. Были проведены расчеты поглощенных доз в месте расположения радиометра Р-16 для каналов D1 и D2 от излучений РПЗ (протоны и электроны) и ГКЛ. При расчетах доз от ГКЛ значения потоков протонов в модельном описании ГКЛ нормировались на экспериментально определенные значения суточных потоков протонов из базы данных. Таким способом учитывались вариации потоков частиц ГКЛ. На рис. 6 и 7 представлены результаты расчетов в сравнении с экспериментальными данными.

Рис. 6. Сравнение динамики мощности поглощенной дозы по каналу D2 радиометра Р-16. Пунктирная кривая - экспериментальные данные, сплошная кривая - расчет.

Рис. 7. Сравнение динамики мощности поглощенной дозы по каналу D1 радиометра Р-16. Пунктирная кривая - экспериментальные данные, сплошная кривая - расчет.

При проведении расчетов и сравнений с экспериментальными данными не учитывался вклад в поглощенную дозу от протонов СПС. В экспериментальных данных в дни прихода на орбиту МКС протонов СПС в качестве значений мощности поглощенной дозы использованы средние значения результатов измерений за 2 - 3 суток до начала СПС и за 2 -3 суток после завершения прихода протонов от СПС.

Анализ полученных результатов показывает, что средняя разность между расчетными и измеренными результатами составляет для канала D1: -4,6 19,9 мкГр (или 13,6%). Соответственно для канала D2: -14,9 40,8 мкГр (или 21,8%). В качестве погрешности использованы значения среднеквадратичных отклонений. Таким образом, показана возможность применения этих методик для МКС от квазистационарных источников космических излучений в месте расположения радиометра Р-16. Данный вывод позволяет применять разработанную методику и в других местах пребывания космонавтов внутри РС МКС.

Отдельно проведено сравнения результатов расчетов поглощенных доз во время СПС с показаниями радиометра Р-16, превышающими общий среднесуточный фон в 100 - 150 мкГр. Нами были проанализированы все 12 СПС, зарегистрированные штатным прибором Р-16 за период эксплуатации станции.

На рис. 8 показана динамика среднечасовых потоков протонов СПС за 28.10.2003 года одного из самых крупных событий по данным искусственного спутника Земли GOES-10 вместе с динамикой среднечасовых значений амплитуды кольцевого тока

Рис. 8. Серия СПС начавшаяся 28.10.2003 г. Тонкой пунктирной кривой на обозначены значения потока протонов I с энергиями выше 10 МэВ. Тонкими сплошными кривыми обозначены потоки протонов с энергиями выше 30 МэВ и выше 50 МэВ, жирной сплошной кривой обозначены потоки протонов с энергиями выше 100 МэВ. Жирной пунктирной кривой показана мера амплитуды кольцевого тока Dst (правая ось ординат).

Анализ рис. 8 иллюстрирует факт наличия в этот период двух СПС. При этом вторая вспышка началась на фоне сильной геомагнитной бури. Dst-вариация достигала значения в 310 нТл. На фазе спада потоков протонов произошла еще одна сильная буря, во время которой Dst-вариация достигала значения в 347 нТл. Из-за наличия магнитных бурь вклад в поглощенную дозу от второй вспышки превысил вклад от первой вспышки, хотя суммарный поток протонов с энергиями больше 30 МэВ в первой вспышке был почти в 6 раз больше, чем во второй.

Рис. 9. Динамика накопления поглощенной дозы D от СПС начавшегося 28.10.2003 г.

Расчетная динамика накопления поглощенной дозы по каналу D2 радиометра Р-16 представлена на рис. 9 сплошной тонкой кривой, по каналу D1 - пунктирной тонкой кривой. Экспериментальные значения представлены зачерненными треугольниками - по каналу D2, зачерненными кружочками - по каналу D1.

Из анализа рис. 9 видно хорошее согласие расчетных и экспериментальных измерений при возмущенной радиационной обстановке от протонных потоков при солнечных вспышках.

Общий вывод по результатам сравнения расчетов с экспериментальными данными заключается в том, что имеющиеся расчетные модели вполне пригодны как для расчетов поглощенных доз от квазистационарных источников космических ионизирующих излучений (ГКЛ и РПЗ), так и от стохастических источников (СПС).

Были рассмотрены величины доз для нескольких мест расположения космонавтов, в которых в модели защищенности РС МКС были размещены геометрические фантомы. Первое место в районе центрального поста управления (ЦПУ), второе - в районе рабочего стола (Стол), третье в левой каюте (КЛБ), четвертое - в левой и правой каюте (КПБ), пятое - в переходном отсеке (ПХО). При проведении расчетов доз в критических органах и тканях человека, определенных по представительным точкам фантома (ГОСТ 25645.203), нами получено, что поглощенные дозы весьма существенно зависят от пространственной ориентации фантома (направление «взгляда»). Были рассмотрены следующие случаи: в сторону ПХО -вперед, в противоположном направлении - в сторону переходной камеры (ПРК) - назад, в сторону правого борта и в сторону левого борта. Выполнены расчеты для периодов прохождения на орбиту МКС протонов всех СПС, зарегистрированных штатным дозиметром Р-16 за период функционирования МКС. Эти периоды менялись от 1 до 6 дней, в зависимости от мощности события.

Из рассмотрения полученных результатов следует, что при размещении фантома около рабочего стола наиболее опасным направлением является направление «вперед». Для этого направления поглощенная доза для ХГ (среднее значение по двум ХГ), в среднем, на 25% больше, чем при ориентации фантома в «правый борт» (максимальное отклонение 49% во время прохождения СПС от 28.10.2003). При ориентации фантома в «левый борт» среднее по всем СПС превышение поглощенных доз над значениями поглощенных доз при ориентации фантома в «правый борт» составляет 1,18. Будем называть далее это отношение коэффициентом неравномерности поглощенных доз. При ориентации фантома «назад» соответствующий коэффициент неравномерности равен 1,06. В периоды отсутствия СПС соответствующие значения коэффициента неравномерности составляют 1,16 для ориентации «вперед», 1,10 для ориентации фантома в «левый борт» и 1,08 для ориентации фантома «назад».

В таблицах 2 и 3 представлен средний по вспышкам коэффициент неравномерности поглощенных доз для различных критических органов и тканей человека, расположенного около стола (таблица 2) и в каюте (таблица 3). В скобках указан максимальный коэффициент; во всех случаях он относится к СПС от 28.10.2003.

Таблица 2. Средний по вспышкам коэффициент неравномерности поглощенных доз в фантоме, расположенном около стола.

Критический орган	Коэффициент неравномер- ности	Вперед	Назад	В левый борт	В правый борт
ХГ	От СПС	1.25(1.49*)	1.06	1.18	1
	Без СПС	1.16	1.08	1.10	1
Кожа	От СПС	1	1.40 (1.72*)	1.24	1.11
	Без СПС	1	1.25	1.15	1.09
ЖКТ	От СПС	1,17(1.33*)	1	1,21	1,09

Таблица 3. Средний по вспышкам коэффициент неравномерности поглощенных доз в фантоме, расположенном в правой каюте.

Критический орган	Коэффициент неравномер- ности	Вперед	Назад	В левый борт	В правый борт
ХГ	От СПС	2.73 (6.2)	2.87	1	2.47
	Без СПС	1.84	1.75	1	1.73
Кожа	От СПС	2.54 (5.2)	2.44	1	2.48
	Без СПС	1.78	1.72	1	1.82

Как видно из таблицы 3, в правой каюте коэффициент неравномерности еще больше и достигает значения 2.87.

Выявленная зависимость поглощенных доз в фантоме от его пространственной ориентации вынуждает нас переходить к усредненным по этим ориентациям значениям поглощенных доз.

Анализ результатов расчетов показал, что при усреднении поглощенных доз по шести направлениям ориентации (дополнительно «вверх» и «вниз» по направлению «взгляда» фантома), средние значения поглощенных доз практически не изменяются по сравнению с усреднением по четырем направлениям, но существенно возрастает величина дисперсии.

Проведено сопоставление зависимости поглощенной дозы от глубины залегания критического органа во время СПС для шарового и геометрического фантомов. Показано, что они носят одинаковый характер, но меняются от места расположения фантома на станции, что обусловлено неравномерной защитой на станции и, соответственно, различными спектрами падающих на фантом частиц. Значения поглощенных доз в отдельных представительных точках для этих фантомов может различаться на 70%.

В четвертой главе проведен анализ радиационных нагрузок на космонавтов первых 13-ти экспедиций МКС с использованием разработанной геометрической модели тела человека. Дана полная характеристика поглощенных и эквивалентных доз в отсеках российского сегмента МКС с учетом реальной космофизической обстановки на орбите МКС и баллистических параметров по всем основным экспедициям за период октябрь 2000 г.- сентябрь 2006 г.

Как известно, основными параметрами, характеризующими гелиогеофизические условия полета МКС и определяющими радиационную обстановку на орбите и внутри станции, являются параметры орбиты, числа Вольфа (W) и индексы магнитной возмущенности Ар и Dst. Рассматриваемый период эксплуатации МКС пришелся на фазу максимума и фазу спада 23 цикла СА.

За рассматриваемый период эксплуатации МКС (2252 суток) значения А_р - индекса, характеризующего геомагнитную обстановку в околоземном пространстве, 608 суток превышали значение равное 15 единиц. Это означает, что в 27% от общего количества суток формально нельзя использовать расчетные модели, основанные на принятых на данный день ГОСТ 25645.138 и ГОСТ 25645.139, в которых сказано, что модели потоков протонов и электронов применимы для условий А_Р < 15. Однако мощности поглощенной дозы на борту станции МКС слабо зависят от уровня геомагнитной активности, особенно, в период отсутствия СПС. Коэффициенты корреляции соответствующих величин порядка 0,3.

В целом временной интервал функционирования МКС в пилотируемом режиме, охватывающий период с октября 2000 г. по сентябрь 2006 г., характеризовался возмущенной радиационной обстановкой. На геостационарном спутнике GOES зафиксировано 82 всплеска протонов, вызванных приходом протонов от СПС. СПС с полным потоком J₃₀10⁷ прот./см² дают практически не регистрируемый дозиметром Р-16 вклад. Для того, чтобы протоны СПС могли дать заметный вклад в поглощенную дозу на орбите МКС, требуется одновременное выполнение сразу нескольких условий: близость солнечных координат возникновения СПС к оптимальному долготному интервалу; нахождение Земли и Солнца в одном секторе межпланетного магнитного поля; нахождение Земли и активной области на Солнце, из которой родилось СПС, внутри токового слоя; прохождение протонов СПС через магнитосферу Земли на фоне геомагнитной бури; совпадение время прихода максимума потока протонов СПС с прохождением орбиты станции через приполярные области и др. Поскольку одновременное выполнение всех подобных условий случается редко, то соответственно редко удается наблюдать вклад в поглощенную дозу от протонов СПС. Штатным радиометром Р-16 было зарегистрировано 12 случаев СПС.

Надо отметить, что вклад в дозу от солнечных космических лучей не равномерен по экспедициям, наиболее сильные вспышки произошли во время 8-й экспедиции, в октябре - ноябре 2003 г. Их вклад в суммарную дозу космонавтов 8-й основной экспедиции составил порядка 10 %. Тогда как экспедиции № 5,6,9,12,13 прошли без возмущений от СПС.

Переходные коэффициенты - отношение поглощенной дозы в месте расположения Р-16 по каналу D2 к поглощенной дозе в отсеке станции носят постоянный характер во времени. Были сделаны оценки переходных коэффициентов за время функционирования станции для основных мест нахождения космонавтов. Результаты представлены в таблице 5 для системы представительных точек.

Таблица 4. Переходные коэффициенты для оценки поглощенной дозы в отсеках станции по показаниям штатного радиометра Р-16 канал D2.

	ХГ	ЦНС	КЖ	КТС	ЖКТ	ГН
КПБ	1.42±0.07	0.89±0.01	1.07±0.02	0.73±0.02	0.60±0.04	0.50±0.05
КЛБ	1.48±0.08	0.92±0.00	1.06±0.02	0.80±0.02	0.71±0.02	0.74±0.02
Стол	0.96±0.00	0.73±0.03	0.91±0.00	0.68±0.03	0.58±0.04	0.61±0.04
ЦПУ	0.90±0.11	0.72±0.07	1.10±0.13	0.65±0.06	0.59±0.06	0.78±0.08
ПХО	1.88±0.12	1.18±0.02	2.18±0.12	1.49±0.05	1.16±0.02	1.15±0.02

Поглощенные дозы для космонавтов в отсеках станции могут быть оценены по показаниям штатного радиометра Р-16 с помощью переходных коэффициентов с точностью 5% для любого обитаемого отсека РС МКС

Для учета реальных дозовых нагрузок необходимо учитывать циклограмму мест пребывания космонавтов в течение дня. Циклограмма зависит от программы работы на день. За основу взято некоторое среднее предположение, что в течение суток космонавты могут находиться 7 часов у стола, 8 часов около ЦПУ, 8 часов в каюте и 1 час в переходном отсеке. Были получены дозы на каждого члена экипажа с учетом каюты, в которой он спал. Для экспедиций с участием двух борт-инженеров один размещался в каюте, другой в салоне большого диаметра. Данные для некоторых членов экипажа приведены в таблице 5.

Таблица 5. Поглощенные дозы на критические органы и системы организма в сГр, полученные космонавтами во время основных экспедиций на МКС, с учетом выбранной циклограммы работы.

№ экспедиции	Кос-монавт	ИД3-МКС	ХГ	ЦНС	КЖ	КТС	ЖКТ	ГН
МКС-1	КЭ	1.50	1.70	1.31	1.78	1.24	1.08	1.21
	БИ 2	2.23	2.00	1.41	1.87	1.31	1.15	1.28
МКС-2	БИ 1	2.80	2.57	1.87	2.48	1.70	1.48	1.55
МКС-3	КЭ	1.63	2.26	1.62	2.15	1.52	1.34	1.48
	БИ 1	1.66	2.21	1.59	2.16	1.47	1.27	1.34
МКС-4	БИ 1	2.56	3.21	2.42	3.10	2.21	1.95	2.05
МКС-5	БИ 1	2.26	2.69	2.16	2.77	2.04	1.81	1.98
	БИ 2	3.00	3.02	2.26	2.89	2.06	1.81	1.89
МКС-6	КЭ	2.62	2.73	2.00	2.54	1.84	1.64	1.80
МКС-7	БИ	2.85	2.99	2.12	2.88	1.92	1.64	1.76
МКС-8	КЭ	2.60	3.42	2.29	3.24	2.14	1.84	2.11
МКС-9	БИ	4.50	3.12	2.18	2.98	1.95	1.66	1.79
МКС-10	КЭ	3.50	3.42	2.30	3.13	2.11	1.81	2.06
МКС-11	БИ	2.70	3.30	2.25	3.13	2.00	16.18	1.82
МКС-12	КЭ	3.60	4.16	2.75	3.76	2.50	2.13	2.43
МКС-13	КЭ		3.91	2.58	3.60	2.28	1.87	1.97

Из анализа представленных данных видно, что экспериментальные значения поглощенных доз, зарегистрированные индивидуальными дозиметрами ИД3-МКС, хорошо совпадают с расчетными поглощенными дозами особенно для кожи и хрусталика глаза, имеющую наименьшую глубину залегания по сравнению с остальными представительными точками. Среднее по всем экспедициям значение отношения расчетных величин поглощенных доз в представительных точках фантома к измеренным значениям поглощенных доз равны: для КЖ 1,06 0,19, для ХГ 1,11 0,19. Для других систем фантома значения отношений равны: для ЦНС 0,79 0,14, для КТС 0,73 0,14, для ГН 0,70 0,13, для ЖКТ 0,64 0,12. Различие в поглощенных дозах между членами экипажа определяется их пребыванием в разных каютах.

При увеличении продолжительности пребывания космонавта в отсеках с меньшей защищенностью соответственно увеличивается доза за сутки. При рассмотрении следующий циклограмм для командира корабля КПБ+Стол+ ЦПУ+ПХО=8+8+8+0, 8+8+7+1, 8+7+7+2 дозы изменились в пределах 3%, т.е. изменение циклограммы не приводит к сильным изменениям в полученной дозе.

На рис. 10 представлены рассчитанные среднемесячные значения коэффициентов качества космического излучения на МКС за время ее функционирования.

Рис. 10. Динамика среднемесячных значений коэффициента качества в различных местах РС МКС: Толстая линия - канал D1 радиометра Р-16, тонкая линия- около стола, пунктирная линия - около центрального поста, точками - в правой каюте

Как следует из этого графика, коэффициенты качества сильно меняются во времени, а также зависят от места расположения на корабле. Максимум коэффициентов качества в 2002 г. приходится на максимум высоты орбиты станции и соответственно максимум поглощенной дозы. Значения коэффициентов качества космического излучения зависят от глубины залегания критического органа или ткани и разброс коэффициентов составляет 25%. При расчете эквивалентных доз необходимо учитывать коэффициент качества в данный период времени. Полученные значения коэффициентов качества космического излучения могут быть использованы для оценок предельно допустимых эквивалентных доз по показаниям штатного радиометра Р-16.

Результаты исследований.

1. Разработана модель тела человека в геометрическом представлении.

2. Разработана методика расчета функции самоэкранирования методом численного интегрирования по углу 4р стерадиан.

3. Получены функций экранированности в представительных точках критических органов и систем организма геометрической модели и проведено их сравнение с аналогичными характеристиками антропоморфного фантома.

4. Модернизирована программа расчета защищенности станции с учетом размещения геометрической модели тела человека.

5. Получены функции экранированности представительных точек критических органов для геометрической модели тела космонавта при его нахождении в различных отсеках МКС.

6. Проведена проверка результатов расчета поглощенных доз по выбранным моделям с экспериментальными данными по штатному прибору Р-16.

7. Проведен расчет доз по критическим органам и тканям для геометрического фантома, помещенного внутри РС МКС от различных источников космического излучения для наиболее посещаемых мест внутри РС МКС.

8. Выявлена существенная зависимость поглощенных доз в фантоме от его пространственной ориентации.

9. Получены поглощенные и эквивалентные дозы во время всех значимых СПС, зарегистрированные радиометром Р-16, за период с августа 2000 г. по декабрь 2005.

10. Получена расчетная оценка коэффициентов качества космического излучения в отсеках станции в период проведения 13 экспедиций на МКС.

11. Получены переходные коэффициенты для оценок поглощенных доз в отсеках станции по показаниям штатного радиометра Р-16.

12. Создана база данных по индивидуальным дозам космонавтов.

Выводы.

1. Показано, что разработанная геометрическая модель тела человека, отвечающая требованиям ГОСТ 203, является эффективным методическим средством для оценки поглощенных и эквивалентных доз на критические органы и ткани космонавтов РС МКС и будущих дальних пилотируемых космических полетов. Использование данного методического средства позволило сократить время счета функции экранированности каждой представительной точки фантома приблизительно в 100 раз.

2. Созданная база данных радиационной обстановки на орбите, включающая баллистические характеристики орбиты МКС, значения геомагнитных и космофизических индексов, характеристики межпланетного магнитного поля, значения потоков частиц со спутников ИСЗ «GOES» для периода свыше 6 лет по 13-ти экспедициям, позволяет эффективно рассчитывать оценку радиационных нагрузок на космонавтов РС МКС.

3. Исследования показали, что в зависимости от пространственной ориентации фантома доза в представительной точке может меняться в 3 раза во время солнечных протонных событий или 1,8 раза при спокойной солнечной обстановке. Выявленная зависимость показывает необходимость перехода к усредненным ориентациям значениям доз.

4. На основе созданной базы и выбранных методик получены оценки поглощенных и эквивалентных доз космонавтов с учетом их циклограммы работы по всем экспедициям на МКС. Получено хорошее согласие расчетных и экспериментальных значений. Среднее значение отношения расчетных величин поглощенных доз на критические органы с наименьшей глубиной залегания к измеренным значениям равны: для кожи 1,06±0,19, для хрусталика глаза 1,11±0,19

5. Оценка коэффициента качества космического излучения на станции показала, что коэффициент качества космического излучения меняется в зависимости от цикла солнечной активности на 35%, от глубины залегания критического органы на 25 %, и от места на станции 25%.

6. Показано, что поглощенные дозы для космонавтов в отсеках станции могут быть оценены по показаниям штатного радиометра Р-16 с помощью переходных коэффициентов с точностью до 5% для любого обитаемого отсека РС МКС.

Публикации по теме диссертации

1. Ковалев Е.А. Индивидуальные дозы космонавтов за 30 лет советских космических полетов / Ковалев Е.А., Бондаренко В.А., Петров В.М., Акатов Ю.А. // Мировой космических конгресс. Вашингтон 28 августа- 5 сентября 1992 г.

2. Бондаренко В.А. Вариации солнечной активности и радиационная обстановка на космической станции «МИР» в период с 1986 по 1994 гг. / Бондаренко В.А., Митрикас В.Г., Цетлин В.В. // Авиакосмическая и экологическая медицина. т.29, №6, с64-68, 1995.

3. Бондаренко В.А. Дозы облучения космонавтов ионизирующим излучением за период профессиональной деятельности (база данных) / Бондаренко В.А., Митрикас В.Г., Цетлин В.В. //. Авиакосмическая и экологическая медицина, т. 30, № 1, с. 57, 1996.

4. Шафиркин В.А. Оценка радиационной опасности для членов экипажей орбитальной станции «Мир» и международной космической станции на основе данных бортового и индивидуального дозиметрического контроля./ Шафиркин В.А., Акатов Ю.А., Архангельский В.В., Бондаренко В.А. Коломенский А.В., Митрикас В.Г., Петров В.М., Цетлин В.В..// Авиакосм. и эколог. медицина, т.36, № 6, с. 46-50, 2002

5. Бондаренко В.А. База данных о радиационной обстановке на станции «МИР» в период с 08.02.87 по 28.08.99 (« База данных РО-М»). / Бондаренко В.А., Митрикас В.Г., Цетлин В.В. // - Свидетельство Российского агентства по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ), зарегистрировано в Реестре баз данных № 2000620017 , г. Москва, 24 марта 2000.

6. Бондаренко В.А. Радиационная обстановка на OK «Мир» на фазе минимума 22-го цикла солнечной активности (1994-1996 гг.). / Бондаренко В.А., Митрикас В.Г., Цетлин В.В. // - Авиакосмическая биология и экологическая медицина. Т. 34, №.1, с.21-24, 2000.

7. Петров В.М. Обеспечение радиационной безопасности пилотируемых полетов на орбитальной станции «МИР». / Петров В.М., Акатов Ю.А., Архангельский В.В., Бенгин В.В., Бондаренко В.А. Митрикас В.Г., Коломенский А.В., Невзгодина Л.В., Платова Н.Г., Цетлин В.В., Черных И.В., Шуршаков В.А., Лягушин В.И., Пицхелаури Т.Д. //В книге Орбитальная станция «Мир». Космическая биология и медицина. Том 1. Медицинское обеспечение длительных полетов. М., изд. ООО «Аником», стр.187-229, 2001 г.

8. Бондаренко В.А. Крупные протонные возмущения на орбите 14 лет спустя. / Бондаренко В.А., Митрикас В.Г., Цетлин В.В. // Космические исследования т.42, № 6, с. 663-667, 2004.

9. Цетлин В.В. Некоторые результаты мониторинга радиационных условий на борту РС МКС (2000-2003 гг.) / Цетлин В.В., Акатов Ю.А., Архангельский В.В. Тельцов М.В. Митрикас В.Г., Бондаренко В.А // Космические исследования, 2005 г.т.43.5, с.330-334.

10. Цетлин В.В. Результаты мониторинга радиационных условий внутри РС МКС (2000-2005 гг.) / Цетлин В.В., АкатовЮ.А., Архангельский В.В., Митрикас В.Г., Бондаренко В.А., Макин А.С. //Авикосмическая и экологическая медицина. 2006г., №5, с. 21-26

11. Бондаренко В.А. Модель геометрического фантома человека для расчета тканевых доз в СМ МКС. / Бондаренко В.А., Митрикас В.Г. // Авиакосмическая и экологическая медицина, в печати, 2007.

Список цитированных литературных источников.

1. Смиренный Л.Н. Метод расчета толщин ткани при определении глубинных доз в фантоме манекене. / Смиренный Л.Н., Хорцев А.В. //Космическая биология и авиакосмическая медицина №4, стр.75-79, 1975.

2. Юрятин Е.И. Исследования дозиметрических характеристик ионизационной камеры с электростатическим реле. /. Юрятин Е.И., Шумшуров В.И., Фоминых В.А., Тельцов М.В. // Измерительная техника, № 3, с.48, 1979.

3. ГОСТ 25645.203. Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете. Модель тела человека для расчета тканевой дозы. // М., изд. стандартов, 21 с., 1984.

4. ГОСТ 25645.208. Методические указания. Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете. Методика расчета поглощенной и эквивалентной доз от протонов космических лучей за защитой. // М., изд. стандартов, 8с, 1986.

5. РД 50-25645.207. Методические указания. Радиационная безопасность космического аппарата в космическом полете. Методика расчета поглощенной и эквивалентной дозы от многозарядных ионов космических лучей. - М.: изд. стандартов, 10с, 1986.

6. Красильников Г.В. Эквивалентная доза космических лучей в представительных точках моделей тела человека./ Красильников Г.В., Перова Л.А., Сахаров В.М. // Авиакосм. и эколог. медицина, т. 26, № 2, с.35-41, 1992.

7. Карташов Д.А. Методика расчета самоэкранированности критических органов тела человека в антропоморфном фантоме./ Карташов Д.А., Коломенский А.В., Шуршаков В.А. //Авиакосм. и эколог. медицина, т.38, № 2, с. 52-56, 2004.

8. Митрикас В.Г. // Динамическая модель радиационной обстановки для оперативного обеспечения радиационной безопасности космонавтов в космическом полете. Дисс. д-ра т.н. - М., ИМБП, 180 с., 2000.

9. Митрикас В.Г. // Модель защищенности обитаемых отсеков служебного модуля международной космической станции для оценки радиационной опасности. - Авиакосмическая и экологическая медицина. т.38, № 3, стр.41 - 47, 2004.

10. МУ 2.6.1.44-03-2004. Ограничение облучения космонавтов при околоземных космических полетах (ООКОКП-2004), Методические указания.

Размещено на Allbest.ru

...