Исследование характеристик ионизирующего излучения при длительных космических полетах Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 629.7.048

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ДЛИТЕЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТАХ

Д. Б. Балкен, М. Р. Нягулов

Новосибирский государственный технический университет Российская Федерация, 630073, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20 Е-mail [email protected]

В работе выполнено сравнение космического излучения с высотным ионизирующим излучением, воздействующим на летный персонал. Выявлены общие закономерности влияния повышенного или пониженного ионизирующего излучения на организм человека, которые позволяют проводить исследование особенностей систем защиты от радиации при длительных космических полетах.

Ключевые слова: биологическая индикация, ионизирующее излучение, радиация, галактическое космическое излучение, солнечное космическое излучение, многократная радиационная защита.

RESEARCH OF IONIZING RADIATION FEATURES DURING LONG SPACE FLIGHTS

D. B. Balken, M. R. Nyagulov

Novosibirsk State Technical University 20, Karla Marksa Prospekt, Novosibirsk, 630073, Russian Federation Е-mail [email protected]

In this work is made a comparison of the cosmic radiation with high-altitude ionizing radiation, affecting the flight personnel. The general regularities of the influence of high or low ionizing radiation on the human body were revealed, what allow to carry out research of features of radiation protection systems for long space flights.

Keywords: weightlessness, compensation, musculoskeletal system, blood system, training apparatus, recovery.

В связи с перспективой пилотируемых полетов на Марс актуальной становится задача биологической индикации предполагаемой трассы полета и условий на Марсе с позиции разработки необходимых систем обеспечения жизнедеятельности экипажа (СОЖ). Проведенный анализ показал, что одним из наиболее биологически значимых факторов окружающей среды в решении настоящей задачи является ионизирующее излучение.

Степень повреждений, наносимых радиацией человеку, зависит от удельной энергии потока элементарных частиц радиации и от времени воздействия радиационного излучения. Значительная часть потока космических излучений характеризуется большими перепадами значений линейных потерь энергии в биологической ткани. В частности, наблюдается крайне неоднородное объемное облучение как человека в целом, так и его отдельных тканей.

Целью настоящего исследования является анализ характеристик и оценка биологической значимости интенсивности ионизирующего излучения применительно к трассе полета на Марс. Проводится исследование характеристик поля и энергии ионизирующего излучения. Описывается методика расчета поглощенной дозы и выполняется анализ дозовых характеристик, а также оценка влияния космического ионизирующего излучения на организм человека.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 2

Влияние ионизирующего излучения на организм человека. Основная опасность радиации связана с ее способностью проникать в организм и повреждать живые ткани. При воздействии радиации происходит ионизация биохимических соединений в клетках, вследствие чего нарушаются их жизненные функции, и они гибнут. В свою очередь гибель клеток ведет к расстройству функции органов и систем, вплоть до гибели организма. Для оценки воздействия радиации на живые организмы используют специальный вид дозы. Эквивалентная доза ионизирующего излучения Оэкв (Зв) - суммарная доза, полученная живым объектом с учетом степени биологического повреждения от каждого спектрального компонента излучения.

По оценкам биологической значимости степень повреждений, наносимых радиацией человеку, зависит от удельной энергии потока элементарных частиц радиации и от времени воздействия радиационного излучения [1-4, 7]. При суммарной дозе 0.7...1 Зв (мощность дозы не более 0.2 Зв/год) не достигаются клинически выраженные проявления лучевого заболевания даже в наиболее поражаемых органах и системах. При суммарной дозе 1.0.1.5 Зв (мощность 0.2.0.5 Зв/год) у 20.30 % лиц могут возникнуть стертые проявления заболевания. Сроки формирования синдрома затягиваются до 3.5 лет от начала облучения. Симптомы лучевого повреждения выражены слабо. При суммарной дозе 1.5.4.0 (мощность более 1 Зв/год) у 80.90 % лиц развивается клинический синдром хронической лучевой болезни с вовлечением в реакцию большинства органов и систем. Формирование синдрома происходит впервые 1.2 года.

Параметры ионизирующего излучения. При длительных космических полетах в межпланетном пространстве радиационная опасность обусловлена совместным действием радиационных поясов Земли (РПЗ), галактического космического излучения (ГКИ) и солнечного космического излучения (СКИ). Солнечное космическое излучение. Представляет собой поток солнечной плазмы, образующийся во время солнечных вспышек и достигающий орбиту Земли через 6.10 минут. В составе СКИ обнаружены главным образом протоны, а-частицы и электроны. Примесь более тяжелых ядер не превышает 0.1%.

Галактическое космическое излучение. Представляет собой поток межзвездной плазмы (как правило, намагниченной) через которую пролетает Солнечная система при движении вокруг центра Галактики. За пределами магнитного поля Земли (высоты более 75.100 тысяч километров) представляет собой изотропный поток протонов высокой энергии (примерно 85.87%), ядер гелия (около 12.14%). Оставшиеся 1.2% приходятся на ядра более тяжелых элементов, а также элементарные частицы: электроны, нейтроны, фотоны и т.п. Плотность потока ГКИ изменяется во времени и в зависимости от расстояния от Солнца. Наибольшее влияние на него оказывает фаза активности Солнца: с увеличением солнечной активности межпланетное магнитное поле усиливается, возрастает его экранирующая способность, и плотность потока ГКИ в солнечной системе уменьшается. Оценка эквивалентной дозы облучения по всему спектру частиц ГКИ составляют 0.5.1.0 Зв в год в зависимости от фазы солнечной активности [1-4].

Особенности космических полетов с точки зрения влияния радиации. При взлете КЛА существует серьезная радиационная опасность. Это связано с тем, что гравитационное и магнитное поля Земли производят отклонение "сепарацию" и "гашение энергии" частиц ГКИ и СКИ. Общая тенденция состоит в постоянном снижении уровня ионизирующих излучений по мере приближения к поверхности Земли. Другими словами, магнитосфера Земли является естественной "системой защиты" планеты и всего живого на ней от действия космической радиации. При взаимодействии магнитосферы с СКИ и ГКИ образуются специфические образования - радиационные пояса, в которых "хранятся" уловленные частицы космической радиации. Это создает определенные трудности во время межпланетных перелетов. РПЗ

Методика расчета. На основании сведений о пространственном расположении радиационных поясов в околоземном, межпланетном пространстве и данных о траекториях полета космических летательных аппаратов определяется интенсивность каждого вида ионизирующего излучения. Для заданной продолжительности полета оценивается суммарная доза за полет (получаемая путем учета вкладов от всех источников) и сравнивается с допустимой по критериям радиационной безопасности экипажа. После находится требуемая общая кратность ослабления тканевой дозы и соответственно кратность ослабления отдельных компонентов излучения, что позволяет для заданных условий полета найти компоненту, в основном определяющую компоновку и толщину защиты.

Плотность потока, энергетическое и угловые распределение, а также состав частиц изменяется не только от одной вспышки к другой, но и во время самой вспышки. В частности, максимум излучений приходится на 10...15 минуты от начала активности вспышки, хотя полная ее продолжительность может достигать суток. Энергетический спектр СКИ характеризуется меньшей, чем у ГКИ энергией частиц (на 2.3 порядка меньше чем ГКИ). Интенсивность потока СКИ зависит от частоты солнечных вспышек W (число Вольфа - количество темных пятен на Солнце за месяц наблюдений). В период максимума активности наблюдается 120.200 вспышек за месяц, в то время как при минимуме активности- всего 5.20. Фоновая активность СКИ при этом изменяется на 30.50%. Для многих солнечных вспышек радиационная опасность оказывается очень высокой и это необходимо учитывать при разработке систем защиты КЛА. В представленной методике расчетов условно разделяется солнечное космическое излучение на фоновое излучение, создаваемое множеством малых вспышек на Солнце с небольшим разбросом мощностей, и излучение от крупных вспышек на солнце, в виду разного принципа их действия.

Полученные результаты исследования характеристик поля и энергии ионизирующего излучения, расчета поглощенной дозы и анализ дозовых характеристик позволяют проводить оценку влияния космического ионизирующего излучения на организм человека, а так же могут быть полезны при разработке средств защиты.

Библиографические ссылки

1. Основы космической биологии и медицины. Том I. Космическое пространство как среда обитания. М.: Наука, 1975. - 450 с.

2. Основы космической биологии и медицины. Том II. Книга первая. Экологические и физиологические основы космической биологии и медицины. М.: Наука, 1975. - 422 с.

3. Основы космической биологии и медицины. Том II. Книга вторая. Экологические и физиологические основы космической биологии и медицины. М.: Наука, 1975. - 430 с.

4. Основы космической биологии и медицины. Том III. Космическая медицина и биотехнология. М.: Наука, 1975. - 400 с

6. Дьяченко Ю. В., Спарин В. А., Чичиндаев А. В. Системы жизнеобеспечения летательных аппаратов: учебное пособие для 2-4 курсов ФЛА (специальности 130100, 130300, 131100) дневного отделения. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - 511 с.

7. Системы защиты ЛА от ионизирующих излучений / Сост. А.В. Чичиндаев. - Новосибирск, НГТУ, 1997. - 47 с.

11. Моисеев А.А, Иванов В.И. Справочник по дозиметрии и радиационной гигиене. - 4-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 252 с.

12. Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений: Справочник. - 3-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 296 с.

© Балкен Д. Б., Нягулов М. Р., 2017