張守杰 江新標(biāo) 李 達(dá) 余小任 苗亮亮 馬 燕1（西北核技術(shù)研究所 西安 710024）

2（強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710024）

空間質(zhì)子輻射有效劑量測(cè)量的閃爍探測(cè)器理論設(shè)計(jì)

張守杰1,2江新標(biāo)1,2李 達(dá)1,2余小任1,2苗亮亮1,2馬 燕1,21（西北核技術(shù)研究所 西安 710024）

2（強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710024）

有效劑量可解決航天員在空間飛行中所受質(zhì)子輻射的危害比較與評(píng)價(jià)問(wèn)題，在空間輻射危害評(píng)價(jià)中具有重要應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)空間質(zhì)子輻射有效劑量監(jiān)測(cè),針對(duì)空間各向同性質(zhì)子輻射，利用蒙特卡羅程序設(shè)計(jì)了一種閃爍探測(cè)器。通過(guò)對(duì)探測(cè)器結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，在20-400 MeV能量范圍內(nèi)，各向同性質(zhì)子在該探測(cè)器內(nèi)沉積的能量與國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)(International Commission on Radiological Protection, ICRP)116號(hào)報(bào)告提供的質(zhì)子有效劑量基本成正比。通過(guò)探測(cè)質(zhì)子沉積能量來(lái)監(jiān)測(cè)質(zhì)子輻射有效劑量，克服了直接測(cè)量有效劑量所存在的困難。對(duì)AP8MIN模型地球俘獲帶質(zhì)子能譜與隨機(jī)抽樣質(zhì)子輻射能譜，經(jīng)數(shù)值計(jì)算，探測(cè)器給出的有效劑量與ICRP 116號(hào)報(bào)告給出的有效劑量的相對(duì)偏差均小于±8%。

空間質(zhì)子輻射，有效劑量，蒙特卡羅模擬，閃爍探測(cè)器

空間電離輻射是載人航天遇到的重要有害環(huán)境因素之一，質(zhì)子是空間帶電粒子的主要組成部分，是對(duì)宇航員造成輻射傷害的重要源項(xiàng)。隨著載人航天的快速發(fā)展，宇航員在空間環(huán)境中的質(zhì)子輻射防護(hù)與監(jiān)測(cè)日益受到重視，空間質(zhì)子輻射劑量監(jiān)測(cè)對(duì)于保障航天員輻射安全具有重要意義[1-2]。

空間質(zhì)子輻射能量范圍寬，質(zhì)子從4π方向入射，受太陽(yáng)粒子事件影響較大[2]，目前精細(xì)測(cè)量4π方向空間質(zhì)子能譜還存在較大困難?，F(xiàn)有空間帶電粒子探測(cè)器大多采用由數(shù)片半導(dǎo)體探測(cè)器組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)作為傳感器，只能在某一方向、某一確定大小立體角內(nèi)測(cè)量幾個(gè)能段的質(zhì)子通量[3-5]，并且望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)由多個(gè)探測(cè)器組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)編制的輻射帶模型，如AP9等監(jiān)測(cè)區(qū)域沒(méi)有覆蓋整個(gè)近地空間，這些模型是平均、靜態(tài)模型，不能反映真實(shí)輻射帶的復(fù)雜環(huán)境和漲落較大的動(dòng)態(tài)變化，模型描述的輻射環(huán)境與實(shí)際觀(guān)測(cè)結(jié)果有較大的差異[6]，低高度質(zhì)子通量的偏差達(dá)到10倍，難以滿(mǎn)足空間質(zhì)子輻射劑量評(píng)估需求。

航天員在空間飛行中所受質(zhì)子輻射劑量率低、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，主要引起隨機(jī)性效應(yīng)[7]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)質(zhì)子劑量監(jiān)測(cè)主要針對(duì)吸收劑量與劑量當(dāng)量[8]，而不是監(jiān)測(cè)可評(píng)估不均勻照射引起的隨機(jī)性效應(yīng)發(fā)生幾率的有效劑量。有效劑量在空間輻射危害評(píng)價(jià)中具有重要應(yīng)用，美國(guó)國(guó)家輻射防護(hù)與測(cè)量委員會(huì)(National Council on Radiation Protection and Measurements, NCRP)發(fā)布的第132號(hào)報(bào)告對(duì)低地球軌道飛行的航天員全身照射劑量限值提出的新建議中就采用了有效劑量[9]。為評(píng)估有效劑量，對(duì)于光子與中子，目前的做法是采用可直接測(cè)量的實(shí)用量如周?chē)鷦┝慨?dāng)量H*(10)來(lái)近似估計(jì)有效劑量。由于質(zhì)子與物質(zhì)相互作用方式不同于光子、中子，難以采用定義在國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)(International Commission on Radiological Protection, ICRP)球或人體組織某一確定深度的實(shí)用量來(lái)評(píng)估質(zhì)子輻射有效劑量。目前有文獻(xiàn)提出利用仿真人體模型、多路探測(cè)器系統(tǒng)進(jìn)行有效劑量的測(cè)量[10]，該測(cè)量系統(tǒng)總共需28個(gè)探測(cè)器，形成28個(gè)測(cè)量通道，整個(gè)系統(tǒng)體積大、重量重，不適用于空間環(huán)境。為此，設(shè)計(jì)一個(gè)較為輕便的探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間質(zhì)子輻射有效劑量的監(jiān)測(cè)，對(duì)于評(píng)估宇航員受到的質(zhì)子輻射危害具有重要應(yīng)用價(jià)值。

1 探測(cè)器設(shè)計(jì)原理

有效劑量定義為：

式中：E為有效劑量；wT與wR分別是組織權(quán)重因子與輻射權(quán)重因子；HT為器官當(dāng)量劑量；DT,R表示輻射R在組織或器官T中的平均吸收劑量；mT為人體組織或器官T的質(zhì)量；DR為輻射R在器官或組織T質(zhì)量元dm中的吸收劑量。器官或組織平均吸收劑量DT,R是很難測(cè)量出的[10]，這也是直接測(cè)量有效劑量的難點(diǎn)。

ICRP于2010年發(fā)布的第116號(hào)報(bào)告[11]基于最新仿真人體模型模擬計(jì)算了不同照射條件下單位注量質(zhì)子有效劑量，給出了單位注量質(zhì)子有效劑量與質(zhì)子能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖1所示。對(duì)各向同性輻射(Isotropic, ISO)，在1-200 MeV能量范圍內(nèi)，單位注量質(zhì)子有效劑量與質(zhì)子能量基本成線(xiàn)性關(guān)系，200-400 MeV范圍內(nèi)質(zhì)子穿透能力強(qiáng)，在人體組織器官內(nèi)沉積的能量隨入射質(zhì)子能量變化不大，此能量范圍內(nèi)質(zhì)子有效劑量隨質(zhì)子能量變化不大。需要注意的是，當(dāng)質(zhì)子從人體背部照射時(shí)，20-40 MeV質(zhì)子在人體內(nèi)的入射深度隨質(zhì)子能量而增大，質(zhì)子大部分沉積能量從輻射敏感器官（wT較大）轉(zhuǎn)移到輻射不敏感器官（wT較小），因此背面照射有效劑量在20-40 MeV范圍內(nèi)隨質(zhì)子能量而減小。AP (Antero-posterior)：正面照射；PA (Postero- anterior)：背面照射；LLAT (Left Lateral)：左面照射；RLAT (Right lateral)：右面照射；ROT (Rotational)：旋轉(zhuǎn)照射；ISO (Isotropic)：各向同性照射。

圖1 單位注量質(zhì)子有效劑量與質(zhì)子能量的關(guān)系曲線(xiàn)[11]Fig.1 Relation curve of proton effective dose per fluence to proton energy[11].

400 km是載人航天的主要運(yùn)行軌道高度[5]，此軌道上絕大部分質(zhì)子的能量在幾個(gè)MeV至400MeV之間，航天員的受照條件可近似認(rèn)為各向同性[2]。若各向同性質(zhì)子在所設(shè)計(jì)探測(cè)器中沉積的

能量隨入射質(zhì)子能量的變化曲線(xiàn)與圖1中ISO曲線(xiàn)一致，即質(zhì)子沉積能量正比于有效劑量，比例系數(shù)通過(guò)計(jì)算確定，則可將對(duì)質(zhì)子有效劑量的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)質(zhì)子沉積能量的測(cè)量，克服了直接測(cè)量有效劑量的困難。

2 探測(cè)器系統(tǒng)組成及模擬設(shè)計(jì)

2.1 探測(cè)器組成

所設(shè)計(jì)探測(cè)器由閃爍體、光導(dǎo)、二氧化鈦反射層、光電倍增管組成。塑料閃爍體具有制作簡(jiǎn)便、發(fā)光衰減時(shí)間短、透明度高、光傳輸性能好、性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、耐振動(dòng)、耐沖擊、耐潮濕、無(wú)需封裝、耐輻射性能好等優(yōu)點(diǎn)[12]，采用型號(hào)為HND-S2型的塑料閃爍體。日本濱松公司生產(chǎn)的R4998型光電倍增管結(jié)構(gòu)緊湊重量輕，具有高增益、快時(shí)間響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，其光陰極光譜響應(yīng)曲線(xiàn)與HND-S2塑料閃爍體發(fā)光光譜曲線(xiàn)重合較好，光陰極對(duì)閃爍體發(fā)出光的利用效率高，輸出脈沖幅度大，有利于提高探測(cè)器能量分辨率。為使閃爍體發(fā)射的光能夠均勻、有效地收集在光電倍增管的光陰極上，采用光導(dǎo)連接光電倍增管與閃爍體。塑料閃爍體、光導(dǎo)外為二氧化鈦涂層，有利于提高光收集效率。

2.2 探測(cè)器模擬設(shè)計(jì)

考慮到質(zhì)子輻射為各向同性，因此采用球形閃爍體。在閃爍體外圍以若干個(gè)銅圈，銅圈由兩個(gè)同心且具有不同大小立體角的內(nèi)外圓錐面截?cái)嗲驓さ玫?，球殼的?nèi)徑與閃爍體的半徑相等，外徑各不相同。蒙特卡羅模擬計(jì)算在20 MeV、30 MeV、40 MeV、50 MeV、60 MeV、80 MeV、100 MeV、150 MeV、200 MeV、300 MeV、400 MeV能量點(diǎn)下進(jìn)行。

經(jīng)計(jì)算，光導(dǎo)長(zhǎng)度達(dá)到8 cm時(shí)，光電倍增管對(duì)質(zhì)子在閃爍體內(nèi)沉積能量的影響就可忽略不計(jì)，綜合考慮光電倍增管光陰極尺寸、光傳輸效率等因素，計(jì)算中將圓柱形光導(dǎo)尺寸設(shè)定為?20 mm×80 mm。球形塑料閃爍體半徑、各銅圈厚度及其所占立體角為可變參數(shù)。計(jì)算時(shí)首先設(shè)定好閃爍體半徑、各銅圈厚度及其所占立體角，源設(shè)為單位注量各向同性質(zhì)子源。利用MCNPX程序計(jì)算得到11個(gè)能點(diǎn)下質(zhì)子在閃爍體內(nèi)沉積的能量，進(jìn)而得到11個(gè)有效劑量——沉積能量比例系數(shù)，計(jì)算并判斷各比例系數(shù)間相對(duì)偏差的最大值是否超過(guò)10%。若是，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，調(diào)整閃爍體半徑、各銅圈厚度及其所占立體角，并重新計(jì)算；若否，結(jié)束計(jì)算。模擬計(jì)算流程如圖2所示。經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化計(jì)算，最終得到的探測(cè)器立體圖和剖面圖如圖3所示。

圖2 模擬計(jì)算流程圖Fig.2 Flowchart of the simulation process.

圖3 探測(cè)器立體(a)和剖面圖(b)Fig.3 Stereogram (a) and profile chart (b) of the detector.

蒙特卡羅模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。質(zhì)子有效劑量與質(zhì)子沉積能量的比例系數(shù)r取80 MeV時(shí)的計(jì)算結(jié)果r80，其余能量點(diǎn)下的比例系數(shù)與r80的最大相對(duì)偏差為-8.52%。

表1 蒙特卡羅模擬計(jì)算結(jié)果Table1 Monte Carlo simulation results.

3 數(shù)值驗(yàn)證

圖4是美國(guó)國(guó)家航空航天局的AP8MIN模型計(jì)算出的地球俘獲帶質(zhì)子能譜[13]。對(duì)于該能譜，根據(jù)圖1，計(jì)算可得到質(zhì)子輻射有效劑量E。同時(shí)利用蒙特卡羅程序模擬計(jì)算出同一能譜下閃爍體內(nèi)質(zhì)子沉積的能量，再乘以有效劑量與沉積能量的比例系數(shù)r80得到探測(cè)器給出的質(zhì)子有效劑量E'，二者之間的相對(duì)偏差為：

圖4 地球俘獲帶質(zhì)子能譜(軌道高度556 km,與赤道傾角為90°)[13]Fig.4 Energy spectrum of proton in the trapping belt (orbit height is 556 km with 90° of obliquity to equator)[13].

對(duì)地球俘獲帶質(zhì)子能譜，探測(cè)器給出的有效劑量與ICRP 116號(hào)報(bào)告給出的有效劑量的相對(duì)偏差為4.829%。采用隨機(jī)抽樣方法抽取各向同性質(zhì)子輻射能譜。隨機(jī)抽樣1000次，得到1000個(gè)不同的質(zhì)子能譜。針對(duì)這1000個(gè)不同的質(zhì)子能譜，探測(cè)器給出的有效劑量E'與根據(jù)ICRP 116號(hào)報(bào)告計(jì)算的有效劑量E之間的相對(duì)偏差見(jiàn)圖5。圖5中相對(duì)偏差的最大值為7.84%，最小值為-5.31%，平均值為0.52%。偏差ε基本在原點(diǎn)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布，且不超過(guò)±8%，探測(cè)器所給結(jié)果與ICRP 116號(hào)報(bào)告結(jié)果符合較好。

圖5 抽樣結(jié)果Fig.5 Results of random sampling.

4 結(jié)語(yǔ)

為解決空間質(zhì)子輻射有效劑量監(jiān)測(cè)存在的技術(shù)難題，設(shè)計(jì)了一種閃爍探測(cè)器。通過(guò)對(duì)探測(cè)器結(jié)構(gòu)

的特殊設(shè)計(jì)，質(zhì)子在所設(shè)計(jì)探測(cè)器內(nèi)沉積的能量隨入射質(zhì)子能量的變化曲線(xiàn)與ICRP 116號(hào)報(bào)告有效劑量隨質(zhì)子能量變化曲線(xiàn)基本一致。通過(guò)對(duì)AP8MIN模型地球俘獲帶質(zhì)子能譜與隨機(jī)抽樣質(zhì)子能譜的數(shù)值計(jì)算，探測(cè)器給出的有效劑量與ICRP 116號(hào)報(bào)告計(jì)算的有效劑量之間的相對(duì)偏差小于±8%，二者符合較好。探測(cè)器理論上可實(shí)現(xiàn)空間質(zhì)子輻射有效劑量監(jiān)測(cè)，為航天員空間質(zhì)子輻射有效劑量評(píng)估提供了一種方法。

下一步將利用中國(guó)原子能科學(xué)研究院HI-13串列加速器（升級(jí)工程）在20-100 MeV能量點(diǎn)上對(duì)加工設(shè)計(jì)的探測(cè)器的性能做全面測(cè)試，包括探測(cè)器穩(wěn)定性、重復(fù)性等。

1 容超凡, 陳軍, 王志強(qiáng), 等. 空間輻射劑量學(xué)淺談[J].輻射防護(hù)通訊, 2004, 24(1): 5-10. DOI: 10.3969/j.issn. 1004-6356.2004.01.002 RONG Chaofan, CHEN Jun, WANG Zhiqiang, et al. Brief introduction to space radiation dosimetry[J]. Radiation Protection Bulletin, 2004, 24(1): 5-10. DOI: 10.3969/j.issn.1004-6356.2004.01.002

2 祁章年. 載人航天的輻射防護(hù)與監(jiān)測(cè)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2002: 1-3 QI Zhangnian. Radiation protection and monitoring for manned spaceflight[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2002: 1-3

3 王世金, 朱光武, 梁金寶, 等. FY-1C衛(wèi)星空間粒子成分監(jiān)測(cè)器及其探測(cè)結(jié)果[J]. 上海航天, 2001, 18(2): 24-28. DOI: 10.3969/j.issn.1006-1630.2001.02.004 WANG Shijin, ZHU Guangwu, LIANG Jinbao, et al. FY-1C space particle composition monitor and the results detected[J]. Aerospace Shanghai, 2001, 18(2): 24-28. DOI: 10.3969/j.issn.1006-1630.2001.02.004

4 王春琴, 張賢國(guó), 王世金, 等. FY-3A衛(wèi)星與NOAA系列衛(wèi)星高能帶電粒子實(shí)測(cè)結(jié)果的比較[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 30(1): 49-54. DOI: 10.11728/cjss2010.01.049 WANG Chunqin, ZHANG Xianguo, WANG Shijin, et al. Comparison of high energy particles observation results between FY-3A satellite and NOAA series satellites[J]. Chinese Journal of Space Science, 2010, 30(1): 49-54. DOI: 10.11728/cjss2010.01.049

5 沈國(guó)紅, 王世金, 張申毅, 等. 二期載人航天空間粒子方向探測(cè)器[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2012, 32(5): 535-538. DOI: 10.3969/j.issn.0258-0934.2012.05.009 SHEN Guohong, WANG Shijin, ZHANG Shenyi, et al. A particles’ direction detector on manned space II[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2012, 32(5): 535-538. DOI: 10.3969/j.issn.0258-0934. 2012.05.009

6 Ginet G P, O’Brien T P, Byers D L. AP-9/AE-9: new radiation specification models[EB/OL]. 2013-03-01. http://lws-set.gsfc. nasa.gov/documents

7 隋麗, 王瀟, 周平坤, 等. 質(zhì)子劑量和DNA濃度對(duì)DNA損傷的影響[J]. 核技術(shù), 2011, 34(6): 447-451 SUI Li, WANG Xiao, ZHOU Pingkun, et al. Effect of dose and DNA concentration on DNA damage induced by protons[J]. Nuclear Techniques, 2011, 34(6): 447-451

8 劉毅娜, 葉宏生, 李瑋, 等. 空間輻射劑量測(cè)量技術(shù)發(fā)展[J]. 宇航計(jì)測(cè)術(shù), 2013, 33(5): 68-73. DOI: 10.3969/ j.issn.1000-7202.2013.05.015 LIU Yina, YE Hongsheng, LI Wei, et al. Review of measurement technique for dosimetry in space[J]. Journal of Astronautic Metrology and Measurement, 2013, 33(5): 68-73. DOI: 10.3969 /j.issn.1000-7202.2013.05.015

9 NCRP. Radiation protection guidance for low-earth orbit[R]. NCRP Publication 132, USA: NCRP, 2000

10 王勇, 韋應(yīng)靖, 黃亞雯, 等. 一種可用于實(shí)時(shí)測(cè)量有效劑量的監(jiān)測(cè)方法及裝置[P]. 中國(guó): 104749605A, 2015-07-01 WANG Yong, WEI Yingjing, HUANG Yawen, et al. A method and device that can measure effective dose in real time[P]. China: 104749605A, 2015-07-01

11 ICRP. Conversion coefficients for radiological protection quantities for external radiation exposures[R]. ICRP publication 116, USA: ICRP, 2010

12 汲長(zhǎng)松. 核輻射探測(cè)器及其實(shí)驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京:原子能出版社, 1988: 315-318 JI Changsong. Handbook of nuclear radiation detectors & their experiment techniques[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1998: 315-318

13 王朝壯, 羅文蕓, 查元梓, 等. 空間質(zhì)子屏蔽材料優(yōu)化選擇的蒙特卡洛模擬[J]. 輻射防護(hù), 2007, 27(2): 79-86. DOI: 10.3321/j.issn:1000-8187.2007.02.003 WANG Chaozhuang, LUO Wenyun, CHA Yuanzi, et al. Monte Carlo simulation of optimization choice of shielding materials for proton radiation in space[J]. Radiation Protection, 2007, 27(2): 79-86. DOI: 10.3321/ j.issn:1000-8187.2007.02.003

Theoretical design of a scintillation detector for space protons radiation effective dose measurements

ZHANG Shoujie1,2JIANG Xinbiao1,2LI Da1,2YU Xiaoren1,2MIAO Liangliang1,2MA Yan1,21(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China)
2(State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect, Xi’an 710024, China)

Background: Space protons radiation exposure is one of the most considerable concern in terms of radiation risk to astronauts during their occupational activities in space, and effective dose is important for the estimation of the radiation hazard. However, there is no technical way to monitor effective dose for space protons radiation until now. Purpose: This study aims to monitor the effective dose of space protons radiation to astronauts. Methods: Contraposing isotropic protons radiation in space, a scintillation detector was designed using Monte Carlo simulation program. By means of special design of the detector structure, the energy isotropic protons in the range of 20-400 MeV deposited in the detector is mostly proportional to the effective dose provided by International Commission on Radiological Protection (ICRP) report No.116. The effective dose is monitored by measuring the deposited energy. Results: For the proton energy spectra of AP8MIN model and random sampling, the relative deviation between the results of the ICRP report No.116 and the detector is less than ±8% by numerical calculation. Conclusion: Theoretically, this detector can monitor the effective dose of space protons radiation to astronauts.

Space protons radiation, Effective dose, Monte Carlo simulation, Scintillation detector

ZHANG Shoujie, male, born in 1991, graduated from Nanjing University in 2014, focusing on ionizing radiation measurement

TL99

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.120401

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(No.11305127)、強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究基金(No.SKLIPR1216)資助

張守杰，男，1991年出生，2014年畢業(yè)于南京大學(xué)，研究領(lǐng)域?yàn)殡婋x輻射計(jì)量

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11305127), State Key Lab of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect Basic Research Foundation (No.SKLIPR1216)

2016-08-10，

2016-10-07