CC BY
30УДК 539.1.06/09.12-164
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЗЫ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА НЕЙТРОНОВ ВНУТРИ И СНАРУЖИ ТКАНЕЭКВИВАЛЕНТНОГО ШАРОВОГО ФАНТОМА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПУЗЫРЬКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ «МАТРЕШКАР» НА РОССИЙСКОМ СЕГМЕНТЕ МКС
© 2015 г. Хулапко С.В.1, Лягушин В.И.1, Архангельский В.В.2, Шуршаков В.А.2, Николаев И.В.1, Смит М.3, Машрафи Р.4
1 Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru
2 Институт медико-биологических проблем РАН (ИМБП РАН)
Хорошевское шоссе, 76А, г. Москва, Российская Федерация, 123007, e-mail: info@imbp.ru
3Баббл Текнолоджи индастриз г. Чок Ривер, Онтарио, Канада, e-mail: smithm@bubbletech.ca
4Технологический институт при Университете штата Онтарио г. Ошава, Онтарио, Канада, e-mail: rachid.machrafi@uoit.ca
Представлены результаты измерения эквивалентной дозы и энергетического спектра нейтронов в экваториальных каналах тканеэквивалентного шарового фантома, расположенного в модуле «Рассвет» (МИМ1) Российского сегмента Международной космической станции (РС МКС). Измерения проводились в период с мая по август 2013 г. (экспедиции МКС-35/36) с помощью специально разработанной для космического эксперимента «Матрешка-Р» научной аппаратуры «Баббл-дозиметр». Проведено сравнение полученных результатов с измерениями мощности эквивалентной дозы в шаровом фантоме в период МКС-13, МКС-15. Энергетический спектр нейтронного излучения в модуле «Рассвет» обнаруживает особенности, характерные для вторичного нейтронного излучения в космическом пространстве («испарительный» и «каскадный» пики в районе энергии 0,6...2,0 МэВ и 15...50 МэВ соответственно), аналогичные полученным ранее данным измерений в других модулях МКС и на станции «Мир». Установлено, что среднесуточная мощность эквивалентной дозы нейтронного излучения составляет на поверхности шарового фантома 154±13 мкЗв/сут, а внутри шарового фантома — 98±13 мкЗв/сут, при этом вклад в дозу внутри фантома от нейтронов с энергией выше 15 МэВ существенно возрастает.
Ключевые слова: баббл-дозиметр, «Матрешка-Р», нейтронное излучение, эквивалентная доза, шаровой фантом, радиационная безопасность.
MEASUREMENT OF NEUTRON DOSE AND ENERGY SPECTRUM INSIDE THE TISSUE-EQUIVALENT SPHERICAL PHANTOM AND ON ITS SURFACE ON THE RUSSIAN SEGMENT OF THE INTERNATIONAL SPACE STATION USING BUBBLE DETECTORS DURING MATRYOSHKA-R EXPERIMENT
Khulapko S.V.1, Lyagushin V.I.1, Arkhangelsky V.V.2, Shurshakov V.A.2, Nikolaev I.V.1, Smith M.3, Machrafi R.4
1S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin Street, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
2lnstitute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences (IMBP RAS)
76A Khoroshovskoe shosse, Moscow, Russian Federation, 123007, e-mail: info@imbp.ru
3Bubble Technology Industries Chalk River, Ontario, Canada, e-mail: smithm@bubbletech.ca
4University of Ontario Institute of Technology Oshawa, Ontario, Canada, e-mail: rachid.machrafi@uoit.ca
Results of neutron dose equivalent and energy spectrum measurements inside the channels of a spherical phantom located in «Rassvet» (MRM1) module of the Russian Segment of the International Space Station (ISS) are presented. The measurements were carried out with «Bubble dosimeter» scientific equipment in the framework of «Matryoshka-R» space experiment from May to August 2013 (ISS-35/36 expeditions). Neutron energy spectrum inside «Rassvet» module is in good agreement with measurements in other ISS modules and measurements onboard «Mir» orbital station and it has similar features («evaporation» and «cascade» peaks in 0,6...2,0 MeV and 15...50 MeV energy regions). On the spherical phantom surface, neutron daily dose equivalent rate is 154±13¡iSv/day, while inside the spherical phantom it is 98±13^Sv/day, and contribution to the total neutron dose from > 15 MeV neutrons increased significantly.
Key words: Bubble dosimeter, Matryoshka-R, neutron radiation, dose equivalent, spherical phantom, radiation safety.
ХУЛАПКО С.в.
лягушин в.и.
АРХАНГЕЛЬСКИМ в.в.
ШурШАков В.А.
НИКОЛАЕВ И.В.
СМИТ м.
МАШРАФИ Р.
ХУЛАПКО Сергей владимирович — ведущий инженер РКК «Энергия», e-mail: post2@rsce.ru KHULAPKO Sergey Vladimirovich — Lead engineer at RSC Energia, e-mail: post2@rsce.ru
ЛЯГУШИН владимир Иванович — кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: post2@rsce.ru
LYAGUSHIN Vladimir Ivanovich — Candidate of Science (Physics and Mathematics), Lead Research Scientist at RSC Energia, e-mail: post2@rsce.ru
АРХАНГЕЛьСКИй вадим витальевич — главный специалист ИМБП РАН, e-mail: info@imbp.ru ARKHANGELSKY Vadim Vitalievich — Chief Specialist at IBMP RAS, e-mail: info@imbp.ru
ШУРШАКОв вячеслав Александрович — кандидат физико-математических наук, заведующий отделом ИМБП РАН, e-mail: info@imbp.ru
SHURSHAKOV Vyacheslav Aleksandrovich — Candidate of Science (Physics and Mathematics), Head of Department at IBMP RAS, e-mail: info@imbp.ru
НИКОЛАЕВ Игорь Викторович — заместитель начальника отдела РКК «Энергия», e-mail: igor.nikolaev@rsce.ru
NIKOLAEV Igor Viktorovich — Deputy Head of Department at RSC Energia, e-mail: igor.nikolaev@rsce.ru
СМИТ Мартин — главный научный сотрудник Баббл текнолоджи индастриз, e-mail: smithm@bubbletech.ca
SMITH Martin — Ph.D., Senior Research Scientist at Bubble Technology Industries, e-mail: smithm@bubbletech.ca
МАШРАФИ Рашид — приглашенный профессор Технологического института при университете штата Онтарио, e-mail: rachid.machrafi@uoit.ca
MACHRAFI Rachid - Ph.D., Assistant Professor, The University of Ontario Institute of Technology, e-mail: rachid.machrafi@uoit.ca
Введение
Ионизирующее излучение космического пространства обоснованно считается одним из основных факторов, представляющих угрозу организму космонавтов и ограничивающих их профессиональную деятельность при длительных полетах, как в околоземном пространстве, так и при межпланетных полетах. Традиционно выделяют три основных источника ионизирующего излучения: галактические космические лучи (ГКЛ), солнечные космические лучи (СКЛ) и радиационные пояса Земли (РПЗ). Характеристики этих источников достаточно хорошо изучены [1-3], разработаны модельные описания и расчетные программы, позволяющие с различной степенью достоверности предсказывать их состав и энергетические спектры для оценки радиационной опасности для космонавтов [4].
Дополнительным источником ионизирующего излучения, воздействующего на космонавтов, является нейтронное излучение, разделяемое на альбедное нейтронное излучение Земли [5] и вторичное нейтронное излучение (так называемые «локальные нейтроны») [6]. В ряде случаев также возможно прямое проникновение нейтронов высоких энергий, образовавшихся в окрестностях Солнца и не успевающих распасться при их движении до орбиты Земли [6].
Длительное время считалось, что вклад нейтронного излучения в общую эквивалентную дозу значительно меньше вклада частиц ГКЛ и протонов СКЛ и РПЗ. Однако в соответствии с отчетом [7] Международной Комиссии по Радиологической Защите (МКРЗ, ICRP — International Commission on Radiological Protection), в котором рекомендовалось увеличить коэффициент качества быстрых нейтронов, вклад от высокоэнергичных нейтронов в общую эквивалентную дозу по различным оценкам может достигать 30% и более [8-10].
По итогам международной конференции, посвященной проблемам измерения характеристик нейтронного излучения в космосе [11], был сделан ряд важных выводов:
• интерес для оценки радиационного риска представляют нейтроны в диапазоне энергии от 0,1 МэВ до, как минимум, 200 МэВ;
• на момент проведения конференции (1998 г.) в мире не было аппаратуры, способной измерять характеристики нейтронного излучения в таком энергетическом диапазоне; необходима разработка нейтронного спектрометра-дозиметра, способного определять характеристики нейтронных полей на борту космических аппаратов (КА) в вышеуказанном диапазоне.
Учитывая, что по состоянию на 2014 г. подобный прибор так и не создан, задача корректного измерения спектра нейтронного излучения в как можно более широком диапазоне энергии и последующее определение вклада нейтронов в общую эквивалентную дозу сохраняет актуальность для оценки радиационной опасности при полетах пилотируемых кораблей и орбитальных станций.
Для адекватной оценки радиационного воздействия непосредственно на организм космонавтов Международной комиссией по радиологической защите предложено использовать эффективную эквивалентную дозу [7], учитывающую с разными весовыми коэффициентами воздействие излучения непосредственно на критические органы человека. Однако, ввиду комплексного состава ионизирующих излучений и неравномерности (как пространственной, так и временной) облучения космонавтов, расчетные методы могут дать только приблизительную оценку доз в критических органах, применимую на ранних этапах проектирования пилотируемого КА. Расчетная задача усложняется, как правило, также сложной геометрией защиты обитаемого отсека и необходимостью учитывать самоэкранированность критических органов телом космонавта.
Для практической оценки радиационного воздействия на критические органы человека, которым соответствуют так называемые представительные точки, рекомендуется использовать тканеэквивалентные антропоморфные фантомы (научная аппаратура (НА) для моделирования тела человека), имеющие форму и усредненные размеры тела человека; допускается также использование упрощенных моделей — цилиндрической или шаровой [12]. Согласно [12], для шарового фантома представительные точки и критические органы, которым соответствуют эти точки, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Расположение представительных точек в стандартизированном шаровом фантоме (внешний радиус 170 мм, радиус внутренней сферической полости 50 мм)
Целью настоящей работы является определение эквивалентной дозы от нейтронного излучения внутри и на поверхности шарового фантома, размещенного внутри модуля «Рассвет» (Малый исследовательский модуль, МИМ1) РС МКС.
Описание научной аппаратуры
Начиная с 2003 г. на борту МКС с целью исследования динамики радиационной обстановки на трассе полета и в отсеках РС МКС проводится космический эксперимент (КЭ) «Матрешка-Р». в рамках данного КЭ на МКС регулярно доставляется вновь разработанная НА для всестороннего анализа характеристик ионизирующего излучения, обновляются комплекты пассивных детекторов и расходные материалы для отработки средств защиты экипажа от этого излучения. На борту МКС находится как активная аппаратура дозиметрического контроля (НА «Люлин-5», «Три-тель», «Баббл-дозиметр»), так и пассивные детекторы (НА «Комплект СПД», «Комплект фантом», «Падл детекторы»), и средства дополнительной защиты экипажа от космической радиации (укладка «Шторка защитная»). Суммарная масса научного оборудования, используемого в рамках КЭ «Матрешка-Р», порядка 100 кг.
Активная НА — «Люлин-5», «Тритель» — позволяет определять мощность поглощенной и эквивалентной дозы, а также спектр линейной передачи энергии заряженных частиц. Комплекты пассивных детекторов — «Комплект СПД», «Падл детекторы» — измеряют интегральную эквивалентную дозу в различных отсеках МКС.
Для определения эквивалентной дозы и энергетического спектра нейтронного излучения и оценки его влияния на критические органы человека используется НА «Баббл-дозиметр» и «Комплект фантом» — тканеэкви-валентный шаровой фантом.
возможность использования пузырьковых детекторов для измерения характеристик нейтронных полей в космосе была подтверждена в экспериментах на орбитальной станции «Мир» и космических кораблях Space Shuttle [13].
Для использования в КЭ «Матрешка-Р» на борту МКС был разработан специальный комплекс НА «Баббл-дозиметр», включающий в себя набор из восьми детекторов, заполненных специальным гелем, и специальный пульт для считывания информации с этих детекторов (рис. 1, 2).
Рис. 1. Пульт научной аппаратуры «Баббл-дозиметр»:
1 — ЖК-дисплей; 2 — гнездо для детекторов; 3 — слот для карты памяти; 4 - гнездо для предохранителя; 5 — тумблер включения/ выключения; 6 - индикатор питания сети
Пульт НА «Баббл-дозиметр» позволяет автоматически идентифицировать детекторы, фиксировать время начала и окончания измерений, а также подсчитывает количество пузырьков в детекторах и интегральную эквивалентную дозу в каждом детекторе с учетом его индивидуальной чувствительности. Лицевая сторона пульта оснащена жидкокристаллическим (ЖК) сенсорным дисплеем для ввода/ вывода информации во время работы космонавтов с детекторами. Пульт «Баббл-дозиметр» также оснащен картой памяти ММС, на которую записываются результаты измерений и файлы с изображениями детекторов. По окончании каждой экспедиции карта памяти возвращается на Землю для обработки результатов.
Орган или система человека Расстояние от центра фантома, мм
Кожа 169,9
Хрусталик глаза 167
Кроветворная система 120
Центральная нервная система 100
Желудочно-кишечный тракт 80
а)
б)
Рис. 2. Укладка с восемью детекторами: а — детекторы в металлических чехлах; б — детекторы, подготовленные к работе; 1 — четырехзначный код детектора; 2 — крышка-поршень для активации детекторов; 3 — колба с гелем (измерительная часть); 4 — пузырьки в геле детектора
Детекторы НА «Баббл-дозиметр» позволяют определять интегральную эквивалентную дозу за период экспонирования в диапазоне 60 кэВ...50 МэВ (дозиметрические детекторы), а также энергетический спектр в этом же диапазоне энергии (шесть пороговых спектрометрических детекторов) для оценки вклада в суммарную дозу нейтронов различной энергии.
Регистрация нейтронов в пузырьковых детекторах основана на принципе вынужденного образования пузырьков в геле при прохождении через этот гель ионизирующего излучения с высоким значением линейной передачи энергии. Механизм, описывающий этот процесс, известен в литературе как теория «теплового всплеска» (thermal spike). Согласно этой теории, когда частица проходит через жидкость или гель, она замедляется, и ее кинетическая энергия
преобразуется в тепловую энергию, сосредоточенную в очень малом объеме, в результате чего в этой жидкости образуются локальные участки повышенной температуры, и происходит рост пузырьков. Когда эти пузырьки достигают определенной величины (некоторого критического радиуса г ), их рост становится необратимым и продолжается до тех пор, пока пузырьки не достигнут стабильной величины (когда давление снаружи и внутри пузырька станет одинаковым). в противном случае пузырьки «схлопываются» (рис. 3, 4).
Рис. 3. Схематическое обозначение параметров пузырька в веществе детектора научной аппаратуры «Баббл-дозиметр»:
г — критический радиус; р — разница давлений внутри образовавшегося пузырька; р — внешнее давление на пузырек со стороны геля
Рис. 4. Процесс образования пузырьков в детекторе научной аппаратуры «Баббл-дозиметр»: 1 — излучение; 2 — зарождающийся пузырек <0,1 мкм; 3 — пузырек в процессе роста -20...100 мкм; 4 — устойчивый пузырек ~0,1...0,6 мм
Количество энергии и критический радиус, после которого рост пузырька становится необратимым, зависят от состава вещества детекторов, а также от того, насколько температура жидкости в детекторе выше точки кипения (ее «степени перегретости»). Критический радиус гс зависит от поверхностного натяжения геля у(Г), разницы давлений внутри образовавшегося пузырька р1 и внешнего давления на пузырек со стороны геля ре [20]:
Г =
с Ар
2у(Т) 2y(t)
Pi - Ре
Образование пузыря с критическим радиусом тс произойдет только при выделении определенного количества энергии при прохождении ионизирующего излучения:
2 Н
E . = 16лу3(Др)2 + (1 +
■ Рв
- ),
3 Го МДр
где ро (кг/м3) — плотность геля в детекторе; H (Дж/моль) — молярная теплота парообразования; М (кг/моль) — молекулярный вес вещества геля.
Более подробно с составом НА «Баббл-дозиметр», характеристиками детекторов и принципом регистрации нейтронов в детекторах можно ознакомиться в работах [13-19].
Для определения радиационной нагрузки на критические органы человека внутри модулей МКС был разработан шаровой фантом, выполненный из тканеэквивалентного материала с химическим составом, соответствующим ГОСТ 18622-79 [20]. Фантом был доставлен на борт МКС в 2003 г. в соответствии с программой КЭ «Матрешка-Р». Масса оснащенного фантома — 32 кг, плотность 1,1 г/см2, его внешний диаметр составляет 350 мм. Данные о составе шарового фантома представлены в табл. 2.
Подробное описание конструктивных особенностей фантома, тип и количество используемых детекторов можно найти в работах [21] и [22].
Таблица 2
Состав шарового фантома
Элемент Процентное соотношение, % Отклонение от стандартного материала (ICRP 60), %
Водород 8,7 -1,3
Азот 2,6 0,0
Кислород 32,2 -28,8
Углерод 56,5 +33,3
Калибровка детекторов научной аппаратуры «Баббл-дозиметр»
Перед отправкой очередной партии детекторов на борт МКС каждый детектор подвергается калибровке на америций-бериллиевом источнике нейтронов (AmBe-источнике). Учитывая, что спектр нейтронного излучения в космосе не соответствует спектру AmBe-источника, после дополнительных расчетов [14-16] был введен корректирующий коэффициент, учитывающий чувствительность дозиметрических детекторов к реальному спектру космических нейтронов.
Для определения энергетического спектра нейтронного излучения используется матрица отклика спектрометрических детекторов НА «Баббл-дозиметр» к нейтронам различных энергий, представленная в табл. 3. Для составления матрицы отклика использовались экспериментальные данные облучений на источниках моноэнергичных нейтронов (нейтронов в узком диапазоне энергии) с энергиями до 1 ГэВ [14].
Методика определения спектра заключается в следующем:
1. Вычисляется количество пузырьков (А) в каждом из шести спектрометрических детекторов.
2. А. нормируется на чувствительность детектора (чувствительность для каждого детектора задается в калибровочном сертификате, поставляемом вместе с каждой новой партией детекторов):
А
---= R,
чувствительность 1
где R. — стандартизированный отклик детектора на нейтроны определенной энергии.
3. Определяется коэффициент aij из матрицы отклика детекторов (табл. 3), где i — номер детектора (i = 1 соответствует детектору SBDS-10, регистрирующему нейтроны с энергией выше 60 кэв; i = 6 соответствует детектору SBDS-10000, регистрирующему нейтроны с энергией выше 15 МэВ); j — интервал энергии нейтронов.
Таблица 3
Матрица отклика спектрометрических детекторов научной аппаратуры «Баббл-дозиметр»
Тип детектора j = 1 (0,06...0,25 МэВ) j = 2 (0,25.0,6 МэВ) j = 3 (0,6.2,0 МэВ) j = 4 (2,0.3,5 МэВ) j = 5 (3,5.10 МэВ) j = 6 (15.50 МэВ)
SBDS-10 1,65Е-05 4,00Е-05 4,08Е-05 4,08Е-05 4,08Е-05 4,08Е-05
SBDS-100 0 3,00Е-05 3,50Е-05 4,00Е-05 4,20Е-05 4,20Е-05
SBDS-600 0 0 2,00Е-05 3,50Е-05 4,20Е-05 4,20Е-05
SBDS-1000 0 0 0 4,00Е-05 6,00Е-05 1,20Е-04
SBDS-2500 0 0 0 0 4,00Е-05 1,10Е-04
SBDS-10000 0 0 0 0 0 1,00Е-04
Примечание. j — интервал энергии нейтронов.
4. Определяется флюенс нейтронов (интегральный поток за весь период измерений) N в каждом диапазоне энергии с использованием соответствующего значения а.. из матрицы отклика. Так, например, для детектора Ж05-10000:
Я6 = абб^о.
5. После определения N вычисляется флюенс нейтронов в следующем интервале энергий (^):
R5 = °55N5 + CT56N6.
Отсюда N5:
R
N5 =
CT56N6
55
6. Далее действия повторяются для оставшихся диапазонов энергии:
Я. = а,, N. + N + а. N,
4 44 4 45 5 46 6'
N =
CT45N5 - CT46N6
a
44
R3 = CT33N3 + CT34N4 + CT35N5+
N3 =
R3 - °34N4 - °35N5 - °36N6
R2 = °22N2 + °23N3 + °24N4+ °25N5 +
R2 - a23N3 - CT24N4 - CT25N5 - CT26N6
N2 =-;
a,
22
R1 = °11N1 + °12N2 + a13N3+ °14N4 + °15N5 + °16N6 ,
N =
12 '2 13 '3 14 '4 15 '5 16 '6 ' R1 - CT12N2 - CT13N3 - CT14N4 - CT15N5 - CT16N6
7. Флюенс Ф (н-см 2) во всем диапазоне энергии за время экспонирования детекторов:
6
Ф = Е N.
1
Для определения эквивалентной дозы используются конверсионные коэффициенты «флюенс-доза» из отчета МКРЗ (1СЯР), представленные на рис. 5.
1000
(В
СО
с §
к к
о
Он
aj и г о И н в <v К ИГ к
п О
и
100
1Е-08 1Е-07 1Е-06 1Е-05 1Е-04 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000
Энергия нейтронов, МэВ Рис. 5. Коэффициенты конверсии флюенса нейтронов в дозу из отчетов ICRP-74 (Н (10))( » ) и NCRP-38 ( ♦ )
о о.
СГ5 VO Я
00 СО
1
S S о о.
aj «
Я
О
а
н =
aj к ЕГ
S
СГ5 О
И
Методика космического эксперимента
Впервые измерения эквивалентной дозы нейтронного излучения с использованием шарового фантома были проведены в период экспедиций МКС-13, МКС-15 [19]. Измерения внутри фантома проводились, когда он располагался в правой кабине служебного модуля «Звезда» РС МКС. Одновременно проводились измерения вне фантома в правой и левой каютах модуля «Звезда» и внутри модуля «Пирс» (стыковочный отсек СО1). Размещение фантома в МИМ1 в период МКС-35/36 схематически показано на рис. 6-8.
Рис. 6. Расположение шарового тканеэквивалентного фантома внутри модуля МИМ1 Российского сегмента МКС:
1 — служебный модуль; 2 — малый исследовательский модуль 2; 3 — функциональный грузовой блок; 4 — Американский сегмент МКС; 5 — малый исследовательский модуль 1; 6 — шаровой фантом; 7 — стыковочный отсек 1
Рис. 7. Расположение шарового тканеэквивалентного фантома в запанельном пространстве по левому борту модуля МИМ1 Российского сегмента МКС: • — шаровой фантом
Рис. 8. Расположение шарового фантома за панелью 206 модуля МИМ1
Методика измерений внутри фантома незначительно отличалась от методики, используемой в работе [19]. Если в работе [19] для размещения детекторов в экваториальных каналах фантома использовались пустые пеналы, сделанные из тканеэквивалентного вещества, то в данном эксперименте детекторы располагались в каналах фантома в собственных чехлах из тканевого материала номекс (рис. 9). При этом так же, как и в работе [19], одновременно с измерениями внутри фантома проводились измерения на его поверхности и вблизи фантома в запанельном пространстве модуля МИМ1.
Рис. 9. Расположение детекторов научной аппаратуры «Баббл-дозиметр» в экваториальных каналах фантома
Особо следует отметить, что для измерения энергетического спектра нейтронов внутри шарового фантома впервые использовались спектрометрические детекторы НА «Баббл-дозиметр», характеристики которых представлены в табл. 4.
Измерения проходили с мая по август 2013 г. в период экспедиций МКС-35/36. За это время было проведено шесть сеансов измерений внутри шарового фантома, в каждом из которых космонавт выполнял следующие операции:
• активация детекторов;
• регистрация каждого из детекторов в считывающем устройстве (пульте) посредством помещения детектора в «гнездо» для считывания информации с штрих-кодов и фиксации времени начала экспозиции;
• размещение детекторов в экваториальных каналах фантома и на его поверхности, фотографирование;
• экспозиция детекторов в течение примерно 7 сут;
• сбор детекторов и считывание информации в пульте;
• перевод детекторов в пассивное состояние хранения до следующего сеанса КЭ.
Таблица 4
Характеристики спектрометрических детекторов «Баббл-дозиметр»
Тип детектора 5Ж>5Ч0 5Ж>5Ч00 5В£>5-600 5Ж>5Ч000 5ВД5-2500 Ж05Ч0000
Чувствительность, пузырьков/мбэр 1,6 1,4 1,4 2,3 1,6 0,46
Пороговая энергия, МэВ, не менее 0,06 0,25 0,6 2 3,5 15
Описанная в статье схема измерений является типичной для КЭ с использованием пузырьковых детекторов и ранее представлена в работах по этому направлению космической дозиметрии (например, в [19]).
Информация о данных измерений по каждому из детекторов записывалась на карту памяти, которая по окончании каждой экспедиции возвращалась на Землю. Кроме того, для оперативного анализа информации данные считывались экипажем с дисплея пульта НА «Баббл-дозиметр» и передавались на Землю по каналам связи.
Учитывая, что для определения «полного» энергетического спектра нейтронов необходимы данные со всех шести спектрометрических детекторов, а свободных каналов в шаровом фантоме было всего три, измерения проводились по следующей схеме:
• в одном сеансе в фантоме размещалось три спектрометрических детектора из шести, измеряющих «нижнюю» область спектра (диапазон энергии 60...600 кэВ);
• в следующем сеансе в фантоме размещались другие три спектрометрических детектора, измеряющих «верхнюю» область спектра (600 кэВ...50 МэВ);
• по итогам двух сеансов данные объединялись для определения спектра во всем исследуемом диапазоне энергии.
При этом в некоторых сеансах внутри и на поверхности фантома располагались также интегральные дозиметрические детекторы. Интервал между сеансами не превышал 21 день, в эти периоды не проводилась коррекция орбиты МКС, а также не было отмечено возмущений радиационных условий. все эти факторы подтверждают, что внешние условия были одинаковы за время проведения измерений внутри фантома.
Экспериментальные результаты
На рис. 10 и 11 представлены энергетические спектры нейтронов в экваториальных каналах шарового фантома и на его поверхности.
Для удобства сравнения полученных данных с более ранними результатами используются методы и термины (из теории замедления нейтронов), аналогичные использованным
в работе [10]: «летаргический спектр» — поток нейтронов, нормированный на логарифмическую потерю энергии нейтрона в определенном энергетическом интервале, определяемом характеристиками конкретного спектрометрического детектора.
Данные на поверхности фантома (рис. 10) хорошо согласуются с данными измерений как в Американском, так и Российском сегментах МКС — отчетливо выделяются пики в энергетическом спектре в диапазонах энергии 0,6.2,0 МэВ и 15.50 МэВ, что соответствует испарительным и каскадным нейтронам, образующимся при взаимодействии первичного космического излучения с веществом защиты станции и тканеэквивалентным веществом самого шарового фантома.
2,0 -I-
1,5- г-"-;
— 1 I
о \ '
¿Г 1,0- ""
0,5-
о,о-1—■ ■ ■ •!■•■■—. .. .1...,— . .. I■■■■
0,01 0,1 1 10 100 Энергия нейтронов, МэВ
3,0 -,-
2,5-
8 1.5
0,5 -
0,01-г.;,-Т""1..—I • • • I . I...
0,01 од 1 ю 100
Энергия нейтронов, МэВ
Рис. 10. Энергетический спектр нейтронов на поверхности шарового фантома в модуле МИМ1 по результатам двух
сеансов:--энергетический спектр;---- — погрешность
Примечание. Измерения проводились с 30.05.13 г. по 02.08.13 г. Средняя орбита МКС — 435/412 км (апогей/перигей).
Рис. 11. Энергетический спектр нейтронов внутри шарового фантома в модуле МИМ1 по результатам двух сеансов:
--энергетический спектр;---- — погрешность
Примечание. Измерения проводились с 28.06.13 г. по 30.08.13 г. Средняя орбита МКС — 435/412 км (апогей/ перигей). Отчетливо наблюдается «размазывание» нейтронов с энергией ~1 МэВ.
В работах [10] и [13] по измерениям в отсеках станции «Мир» и МКС было показано, что 40% и выше от полной дозы нейтронного излучения приходится на нейтроны с энергией выше 15 МэВ. Аналогичные результаты наблюдаются и в измерениях на поверхности фантома (доля нейтронов с энергией 15...50 МэВ составляет 34...56% в двух сеансах измерений).
В экваториальных каналах шарового фантома спектр нейтронов более «жесткий» — пики в диапазоне энергии ~1 МэВ «размазаны», и вклад нейтронов с энергией выше 15 МэВ существенно увеличивается и составляет уже 86... 100%. Этот результат можно объяснить эффективным замедлением низкоэнергичных нейтронов на атомах водорода, входящего в состав фантома, выведением их в более низкую часть спектра (менее 60 кэВ) и поглощением в веществе фантома.
Полученные данные подтверждают опасность нейтронного излучения высоких энергий: если нейтроны с энергией порядка единиц МэВ эффективно замедляются по мере приближения
к центру фантома, то нейтроны с энергией в десятки МэВ проникают в центр фантома, практически не замедляясь. Таким образом, можно сделать вывод, что из всего широкого энергетического спектра нейтронов основное поражающее воздействие на такие органы и системы человека, как кроветворная система, центральная нервная система и желудочно-кишечный тракт (см. табл. 1), оказывают именно нейтроны с энергией выше 15 МэВ.
На рис. 12 представлены результаты измерения мощности дозы нейтронного излучения в период экспедиций МКС-35/36 (данные дозиметрических детекторов) и для сравнения приведены результаты, полученные в работе [19].
Рис. 12. Мощность дозы от нейтронного излучения внутри шарового фантома, на его поверхности и в запанельном пространстве модуля МИМ1 РС МКС: о — в запанельном пространстве МИМ1; □ — на поверхности фантома (МКС-35/36); • — в каналах фантома (МКС-35/36); ▲ — в каналах фантома (МКС-15); Д — на поверхности фантома (МКС-13)
Из данных, представленных на рис. 12, следует, что мощности дозы внутри и на поверхности фантома в период МКС-35/36 (2013 г.) были несколько выше, чем в периоды МКС-13 и МКС-15 (2006-2007 гг.). Этот факт примечателен тем, что МКС-35/36 приходилась на период возрастания солнечной активности (СА) в 24-ом цикле (среднее значение числа Вольфа <W> = 96), в отличие от МКС-13 и МКС-15, когда был период спада 23-го цикла СА (<W> = 32). Повышенная СА, наблюдавшаяся для МКС-35/36 по сравнению с МКС-13 и МКС-15, приводит к уменьшению потоков ГКЛ в области энергий до ~0,5 ГэВ и протонов РПЗ, что, в свою очередь, должно вести к уменьшению образования вторичных нейтронов.
Однако, в связи с повышением на 40 км средней высоты орбиты МКС (в среднем с 360 км в 2006-2007 гг. до 400 км в 2013 г.) и, как следствие, увеличением потоков протонов РПЗ, следовало бы ожидать и некоторого увеличения потока вторичных нейтронов.
В настоящее время однозначной зависимости между средней высотой орбиты станции, ге-лиофизическими параметрами и дозой от нейтронного излучения установить не удается, эта задача будет являться предметом дальнейших исследований.
Важно продолжить исследования с НА «Баббл-дозиметр» для разных фаз СА с целью увеличения статистики измерений и определения степени влияния высоты орбиты и космической погоды (гелиофизических параметров) на изменение дозы и энергетического спектра нейтронов внутри модулей МКС, в т. ч. внутри тканеэквивалентных фантомов.
Выводы
Результаты измерений энергетического спектра и эквивалентной дозы нейтронного излучения внутри модуля МИМ1 хорошо согласуются с данными в других модулях Американского и Российского сегментов МКС.
Измерения энергетического спектра нейтронов с использованием шарового фантома показали, что из всего широкого энергетического спектра нейтронов основной вклад в эквивалентную дозу внутри фантома вносят нейтроны с энергией выше 15 МэВ, в то же время нейтроны с энергиями меньше 1 МэВ эффективно замедляются в веществе фантома.
Для определения влияния высоты орбиты, космической погоды (гео- и гелиофизических параметров) на характеристики нейтронных полей внутри модулей МКС необходимо продолжить измерения с использованием НА «Баббл-дозиметр» на разных фазах солнечного цикла, в т. ч. внутри тканеэквивалентных фантомов.
Кроме того, представляет интерес проведение «чистого» эксперимента по измерению зависимости дозы от нейтронов и заряженных частиц от эффективной толщины радиационной защиты, для чего планируется организовать искусственное «радиационное убежище» (дополнительную защиту детекторов) внутри МКС, используя различные материалы, находящиеся на станции.
В рамках проведения космического эксперимента «Матрешка-Р» в работе с НА «Баббл-дозиметр» принимает участие большой коллектив ученых и инженеров из России и Канады. Авторы хотели бы выразить благодарность и признательность за помощь и сотрудничество Канадскому космическому агентству в лице заместителя директора департамента космической медицины Л. Томи.
Также авторы выражают благодарность космонавтам А.А. Мисуркину и Ф.Н. Юрчихину за качественную и квалифицированную работу
с НА «Баббл-дозиметр» и НА «Комплект фантом» в рамках программы эксперимента «Матрешка-Р», а также А.Ю. Калери, внесшему ценные замечания по конструкции НА «Шаровой фантом» и методике проведения КЭ «Матрешка-Р».
Список литературы
1. Астрофизика космических лучей / Под ред. Гинзбурга В.Л. М.: Наука, 1984. 528 с.
2. Гинзбург В.Л. Астрофизические аспекты исследования космических лучей // Успехи физических наук. 1988. Т. 155. Вып. 2. С. 185-218.
3. Модель космоса. В 2-х т. / Под ред. Па-насюка М.И. и Новикова Л.С. М.: КДУ, 2007. 2016 с.
4. INTERNATIONAL STANDARD ISO-15390. Space environment (natural and artificial) — Galactic cosmic ray model. First edition, 2004. 12 р.
5. Лягушин В.И., Юшков Б.Ю. Измерение потоков нейтронов альбедо атмосферы Земли и в Южно-атлантической магнитной аномалии на орбитальной станции // Известия РАН. Энергетика. 2011. № 3. C. 75-81.
6. Севастьянов В.Д., Тарновский Г.Б., Лягушин В.И. Измерение энергетического спектра нейтронов на орбитальной станции «Мир» // Космические исследования. 1997. T. 35. № 2. C. 216-220.
7. ICRP Publication 60. Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. 1991.201 р.
8. Armstrong T.W., Colborn B.L. Predictions of secondary neutrons and their importance to radiation effects inside the International space station // Radiation Measurements. 2001.33. Р. 229-234.
9. Lyagushin V.I., Dudkin V.E., Potapov Yu. V., Sevastianov V.D. Russian measurements of neutron energy spectra on the Mir orbital station // Radiation Measurements. 2001.33. P. 313-319.
10. Smith M.B., Akatov Yu., Andrews H.R., Arkhangelsky V., Chernykh I.V., Ing H., Khoshooniy N., Lewis B.J., Machrafi R., Nikolaev I., Romanenko R.Y., Shurshakov V.A., Thirsk R.B., Tomi L. Measurements of the neutron dose and energy spectrum on the International Space Station during expeditions ISS-16 to ISS-21 // Radiation Protection Dosimetry. 2013. 153. Р. 509-533.
11. Badhwar G.D. (Ed.) Recommendations of the predictions and measurements of secondary neutrons in Space Workshop NASA /Johnson Space Center. 28-30 September 1998.
12. ГОСТ 25645.203-83. Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете. Модель тела человека для расчета тканевой дозы. М.: Госстандарт, 1984. 24 с.
13. Ing H. Neutron measurement using bubble detectors — terrestrial and space // Radiation Measurements. 2001.33. P. 275-286.
14. Lewis BJ, Smith M.B., Ing H, Andrews H. R, Machrafi R., Tomi L, Matthews T. J., Veloce L., Shurshakov V., Tchernykh I. and Khoshooniy N. Review of bubble detector response characteristics and results from space. // Radiation Protection Dosimetry. 2012. 150(1). Р. 1-21.
15. Green A.R., Andrews H.R. Bennett L.G.I., Clifford E.T.H., Ing H., Jonkmans G., Lewis B.J., Noulty R.A., Ough E.A. Bubble detector characterization for space radiation. // Acta Astronautica. 2005.56. Р. 949-960.
16. Green, A.R., Bennett, L.G.I., Lewis B. J., Tume P., Andrews H. R., Noulty R. A. and Ing H. Characterisation of bubble detectors for aircrew and space radiation exposure. // Radiation Protection Dosimetry. 2006. 120(1-4). Р. 485-490.
17. Ing H., Noulty R.A. and McLean T.D. Bubble detectors, a maturing technology // Radiation Measurements. 1997. 27(1). Р. 1-11.
18. D'Errico F. Fundamental properties of superheated drop (bubble) detectors // Radiation Protection Dosimetry. 1999. 84(1-4). P. 55-62.
19. Черных И.В., Лягушин В.И., Акатов Ю.А., Архангельский В.В., Петров В.М., Шуршаков В.А.,
Машрафи Р., Гарроу К., Инг Х., Смит М., Томи Л. Результаты измерения дозы нейтронов внутри Российского сегмента Международной космической станции в эксперименте «Матрешка-Р» с использованием пузырьковых детекторов // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2010. Т. 44. № 3. С. 12-17.
20. ГОСТ 18622-79. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. Химический состав тканеэквивалентного вещества. М.: Госстандарт, 1980. 5 с.
21. Акатов Ю. А., Еременко В. Г., Карцев И. С., Крылов А.В., Никаноров А.Г., Петров В.И., Поленов Б.В., Шуршаков В.А., Юдин В.Н. Шаровой фантом для исследования радиационной обстановки в космическом пространстве // Ядерные измерительно-информационные технологии. 2002. № 3. С. 67-71.
22. Карцев И. С., Акатов Ю. А., Еременко В. Г., Петров В.И., Петров В.М., Поленов Б.В., Шуршаков В.А., Юдин В.Н. Шаровой фантом для исследования радиационной обстановки в космическом пространстве. Конструктивные особенности // Ядерные измерительно-информационные технологии. 2005. № 4(16). С. 36-45.
Статья поступила в редакцию 23.01.2015 г.
References
1. Astrofizika kosmicheskikh luchei [Cosmic ray astrophysics], Ed. Ginzburg V.L. Moscow, Nauka publ., 1984.528p.
2. Ginzburg V.L, Astrofizicheskie aspekty issledovaniya kosmicheskikh luchei [Astrophysical aspects of cosmic ray studies]. Uspekhi fizicheskikh nauk, 1988, vol. 155, issue 2, pp. 185-218.
3. Model' kosmosa, V 2-kh t, [Model of Cosmos. In two volumes]. Eds. Panasyuk M.I., Novikov. L.S. Moscow, KDUpubl, 2007.2016p.
4. INTERNATIONAL STANDARD ISO-15390. Space environment (natural and artificial) — Galactic cosmic ray model. First edition, 2004. 12 p.
5. Lyagushin V.I,, Yushkov BYu, Izmerenie potokov neitronov al'bedo atmosfery Zemli i v Yuzhno-atlanticheskoi magnitnoi anomalii na orbital'noi stantsii [Measurement of neutron flux of Earth atmospheric albedo and in the South Atlantic Magnetic Anomaly onboard the orbital station]. Izvestiya RAN. Energetika, 2011, no. 3, pp. 75-81.
6. Sevast'yanov V.D., Tarnovskii G.B., Lyagushin V.I, Izmerenie energeticheskogo spektra neitronov na orbital'noi stantsii «Mir» [Measurements of the neutron energy spectrum onboard Mir space station]. Kosmicheskie issledovaniya, 1997, vol. 35, no. 2,pp. 216-220.
7. ICRP Publication 60. Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. 1991. 201 p.
8. Armstrong T.W., Colborn B.L. Predictions of secondary neutrons and their importance to radiation effects inside the international space station. Radiation Measurements, 2001,33, pp. 229-234.
9. Lyagushin V,I,, Dudkin V,E,, Potapov Yu, V,, Sevastianov V,D, Russian measurements of neutron energy spectra on the Mir orbital station. Radiation Measurements, 2001,33, pp. 313-319.
10. Smith M,B,, Akatov Yu,, Andrews H,R,, Arkhangelsky V,, Chernykh I,V,, Ing H,, Khoshooniy N,, Lewis B,J,, Machrafi R,, Nikolaev I,, Romanenko R,Y,, Shurshakov V,A,, Thirsk R,B,, Tomi L, Measurements of the neutron dose and energy spectrum on the International Space Station during expeditions ISS-16 to ISS-21. Radiation Protection Dosimetry, 2013, 153, pp. 509-533.
11. Badhwar G.D. (Ed.) Recommendations of the predictions and measurements of secondary neutrons in Space Workshop NASA. Johnson Space Center, 28-30 September 1998.
OnPE^E^EHHE £03bl H ЭНЕPГЕТHHЕСКОГО CnEKTPA HEÏÏTPOHOB
12. GOST25645.203-83. Bezopasnost' radiatsionnaya ekipazha kosmicheskogo apparata v kosmicheskom polete. Model' tela cheloveka dlya rascheta tkanevoi dozy [Radiation safety of a spacecraft crew in space flight. Human body model for calculating tissue dose]. Moscow, Gosstandartpubl., 1984.24p.
13. Ing H. Neutron measurement using bubble detectors — terrestrial and space. Radiation Measurements, 2001,33, pp. 275-286.
14. Lewis B.J., Smith M.B., Ing H., Andrews H. R., Machrafi R., Tomi L., Matthews T. J., Veloce L., Shurshakov V, Tchernykh I. and Khoshooniy N. Review of bubble detector response characteristics and results from space. Radiation Protection Dosimetry, 2012, 150(1), pp. 1-21.
15. Green A.R., Andrews H.R. Bennett L.G.I., Clifford E.T.H., Ing H., Jonkmans G., Lewis B.J, Noulty R.A., Ough E.A. Bubble detector characterization for space radiation. Acta Astronautica, 2005, 56, pp. 949-960.
16. Green, A.R., Bennett, L.G.I., Lewis B. J., Tume P., Andrews H. R., Noulty R. A. and Ing H. Characterisation of bubble detectors for aircrew and space radiation exposure. Radiation Protection Dosimetry, 2006, 120(1-4), pp. 485-490.
17. Ing H., Noulty R.A. and McLean. T.D. Bubble detectors, a maturing technology. Radiation Measurements, 1997, 27(1),pp. 1-11.
18. D'Errico F. Fundamental properties of superheated drop (bubble) detectors // Radiation Protection Dosimetry, 1999, 84(1-4), pp. 55-62.
19. Chernykh I.V., Lyagushin V.I., Akatov Yu.A., Arkhangel'skii V.V., Petrov V.M., Shurshakov V.A., Mashrafi R., Garrou K., Ing Kh., Smit M., Tomi L. Rezul'taty izmereniya dozy neitronov vnutri Rossiiskogo segmenta Mezhdunarodnoi kosmicheskoi stantsii v eksperimente «Matreshka-R» s ispol'zovaniem puzyr'kovykh detektorov [Results of measurements of neutron dosage inside the Russian Segment of the International Space Station in Matryoshka-R experiment using bubble detectors]. Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2010, vol. 44, no. 3, pp. 12-17.
20. GOST 18622-79. Vzaimodeistvie ioniziruyushchego izlucheniya s veshchestvom. Khimicheskii sostav tkaneekvivalentnogo veshchestva [Interaction of ionizing radiation with matter. Chemical composition of the tissue-equivalent material]. Moscow, Gosstandart publ., 1980.5p.
21. Akatov Yu. A., Eremenko V. G., Kartsev I. S., Krylov A.V., Nikanorov A.G., Petrov V.I., Polenov B.V., Shurshakov V.A., Yudin V.N. Sharovoi fantom dlya issledovaniya radiatsionnoi obstanovki v kosmicheskom prostranstve [Spherical phantom for studying radiation environment in space]. Yadernye izmeritel'no-informatsionnye tekhnologii, 2002, no. 3,pp. 67-71.
22. Kartsev I. S., Akatov Yu. A., Eremenko V. G., Petrov V.I., Petrov V.M., Polenov B.V., Shurshakov V.A., Yudin V.N. Sharovoi fantom dlya issledovaniya radiatsionnoi obstanovki v kosmicheskom prostranstve. Konstruktivnye osobennosti [Spherical phantom for studying radiation environment in space. Design features]. Yadernye izmeritel'no-informatsionnye tekhnologii, 2005, no. 4(16),pp. 36-45.
