空间粒子辐射

空间粒子辐射的种类和来源 空间粒子辐射指宇宙空间环境中的各种粒子流。各种带电粒子和中性粒子在空间分布很广，按其来源可分为两大类：初级宇宙线和次级宇宙线；前者又分为银河宇宙线、太阳宇宙线和地球辐射带粒子。
银河宇宙线来源于银河系空间，由剥离掉电子的原子核、电子和光子组成(见表1)，在星际磁场中被加速而获得极高的能量。其能量范围从0.1～10¹⁰BeV（千兆电子伏）。由于恒速重粒子产生的吸收剂量与其原子序数的平方成正比，所以相当大的一部分吸收剂量是由电荷数大于3的原子核所产生。表2列出在地磁层之外，太阳活动最小年，初级银河宇宙线各种成分产生的剂量率在总剂量中所占的百分比。由于受太阳活动周期的影响，在地面附近，银河宇宙线的强度不是固定的，其变化范围为2～4.5粒子/cm²·s。若不考虑行星的影响，银河宇宙线在行星际空间的分布可以认为是各向同性的，因此航天员体内的剂量分布也是均匀的。另外由于地磁场和地球本身的屏蔽作用，越近地面，银河宇宙线的剂量也越低，在与地球赤道面成65°倾角、高度为250～300km的轨道上，剂量率为8～10mrad/日。

表1 银河宇宙线的强度和组成

成 分	强 度* (粒子/cm2·s)	百分比 (%)
质 子 α-粒子 轻核(锂、铍、硼) 中等核(碳、氮、氧、氟) 重核(10≤原子序数≤30) 超重核(原子序数≥31) 电子和光子(>4BeV)	3.6 4×10-1 8×10-3 3×10-2 6×10-3 5×10-4 4×10-2	88 9.8 0.2 0.75 0.15 0.01 1

*指太阳活动最小年的强度

表2 初级银河宇宙线的剂量率及各种成分在总剂量中所占的比例

剂 量 率		原子序数与剂量分布的关系
年	日	原子序数	占总剂量之百分比(%)
1.26 rad/年	3.45 mrad/日	1 2 6～9 10～14 26～28	37 28 15 10 10

当太阳表面出现大的耀斑时，常伴有大量高能带电粒子发射出来，这种现象称“太阳质子事件”，发射出的高能带电粒子称“太阳宇宙线”。太阳宇宙线的成分绝大部分是质子，其次是α-粒子，此外还有少量碳、氮和氧族元素的原子核。太阳质子事件的能谱和总流量(cm²面积上的粒子数)各次事件之间相差很大。太阳宇宙线粒子的能量一般从10MeV～10BeV。太阳质子事件出现的频次与太阳活动周期有关，在太阳活动剧烈的年份出现事件的概率远远大于太阳活动少的年份。从空间辐射生物学的观点来看，大的太阳质子事件比小的事件重要得多，因为大事件的总流量可以比小事件高几个数量级，仅是大事件决定着全年的太阳粒子的流量。为了保证载人航天的安全，应该特别注意大的太阳质子事件。据估计，在大的事件期间，航天员可能接受的辐射剂量，上身皮肤为350～800rem，眼睛为180rem，造血器官为3～12rem。同时体表部分还可能接受大量的阻止粒子(如质子、α-粒子和重核)。如果航天员在舱外活动，无飞船屏蔽防护，其皮肤还会受到大剂量高能电子的照射。当然，大的太阳质子事件是比较少见的，特大的太阳质子事件平均每四年才出现一次。如果是进行长期载人航天，例如为期一年的到火星的航行，即有可能至少会遇上一次大的事件。因此不容忽视。在已有的载人航天中，至今尚未遇到过特大的太阳质子事件。1974年7月苏联“联盟14号”曾遇到一次比较大的事件，只因当时飞船处于低轨道上，大部分太阳宇宙线被地磁场偏转掉，航天员才幸免受害。
第三种粒子辐射是地球辐射带粒子。在近地空间，由于地磁场对带电粒子的俘获作用，形成范围广泛的高强度辐射区，即地球辐射带。根据被俘获粒子在空间的分布情况，可分为内辐射带和外辐射带。内辐射带的成份主要是质子，还有少量电子；外辐射带主要是低能电子，也有少量质子。内、外两带均伴随着磁赤道，内带由北纬30°到南纬30°；外带由北纬60°到南纬60°。内带的最大强度约在地面以上5000km，其中高能粒子的中心位置离地近些，低能粒子的中心位置离地远些。外带的最大强度约在20000km高度。地球辐射带的形成、结构和变化与地磁场有密切关系。由于地磁场的变化，使得内带的下界在巴西与南非之间的南大西洋上空下降到200km高度，形成所谓南大西洋异常区。计算表明，载人飞船穿过内带时，如持续时间为10～20分钟，航天员接受的剂量不超过几个rem；如在赤道轨道上停留30～60天，飞船屏蔽为30g/cm²，接受的剂量就将为50～100rem；如乘美国阿波罗飞船指挥舱飞越外带，接受的剂量可为1rad，再加次级辐射的照射，航天员体表的总剂量将达到10～20rad/日。当初级辐射粒子撞击到飞船及其屏蔽材料上时，可产生次级辐射。因为初级辐射被物质吸收后，其入射能量的一部分或全部传给物质的原子核或电子，因而产生大量的反冲质子、中子、电子、X-射线、γ-射线或其它次级粒子。空间粒子辐射与其它电离辐射之主要区别在于，前者具有极高的能量，能产生级联簇射，形成大量次级光子和粒子。次级辐射的性质决定于入射粒子及其电荷和能量、屏蔽材料的密度和厚度以及不同结构材料的质量的近似程度等。次级辐射与设计飞船防辐射屏蔽有密切关系。由于屏蔽在防辐射时，改变了辐射的性质，产生大量次级辐射，而次级辐射与初级辐射有不同的生物效应。另外，同样性质和厚度的屏蔽，对不同来源的粒子有不同的防护效果，如厚铝屏蔽对太阳质子可能非常有效，而对俘获质子则无明显作用。研究表明，随着铝屏蔽厚度的增加，初级和次级太阳质子的剂量均急剧下降，但初级和次级俘获质子的剂量则稳定在一定水平。
载人航天过程中，除天然的空间粒子辐射外，还有人工辐射源。人工辐射源有两类： 一类是在未来的空间站上可能安装原子反应堆或应用放射性同位素； 另一类是由于美国和苏联在高空进行核试验，使得赤道面上离地3000～6000km的高空形成一条人工辐射带。辐射带中心部位的电子强度为109电子/cm²·s，电子通量约为10⁸～10⁹电子/cm²·s，相当于5～50rad/日的剂量率。
载人航天中的辐射危害 空间粒子辐射生物效应的研究工作起始于五十年代初。当时的实验工作主要在高空气球或高山顶上进行，使用的生物标本主要是老鼠和植物种子。但是用气球进行实验，不仅实验操作和结果分析有很大困难，而且飞行时间短，实验设备的重量和体积又受严格限制，不容易获得在统计学上有意义的实验结果，因此迫使科学家们设法在地面进行模拟实验。在地面模拟宇宙线的主要设备是回旋加速器。目前用各种回旋加速器模拟研究质子和α-粒子的生物效应均取得较好的结果，但对宇宙线重粒子的模拟，在技术上尚存在一定困难。六十年代以后，随着载人航天的实现和发展，空间辐射生物学作为航天医学中的一个重要的新领域，得到系统全面的研究，其主要研究内容包括：
❶各种宇宙线的生物效应特点。
❷短期和长期载人航天过程中宇宙线对航天员的危害。
❸空间辐射和航天中其它因素对人体的复合作用。
❹载人航天中的容许剂量标准。
❺航天员的安全防护措施。
在航天过程中，由于在飞船上、空间站上或航天员身上都带有各种辐射剂量测定仪，因此关于空间粒子辐射的剂量和危害已积累了大量资料，表3列出美国和苏联在载人航天中航天员接受的平均辐射剂量。从表中可见，迄今为止，在载人航天中航天员接受的辐射剂量均未达到危险水平。但是少数航天员也接受了相当大的辐射剂量，如美国的“双子星座10号”、“阿波罗14号”以及苏联的“联盟35号”的乘员等。故空间粒子辐射危害问题不容忽视，特别是长期载人航天，尤应重视。
在空间辐射生物学研究中，通常将宇宙线粒子分为两类： 轻核和重核。轻核指质子和α-粒子，重核指所有原子序数大于2的原子核。银河宇宙线和太阳宇宙线中的粒子大部分属于轻核。重核的数量虽很少，但剂量可以很大。在生物效应方面，高能轻核的作用与X-射线、γ-射线相近，而重核和阻止轻核能产生严重的不可逆病变。用轻核对动物作急性全身照射，动物的死亡率和急性放射综合征的表现与γ-射线照射后者类似。轻核中质子与

表3 美国和苏联航天员的辐射皮肤平均吸收剂量（用热释光剂量法测定）

苏联飞船	飞行天数	平均剂量(mrad)
东方1号 东方2号 东方3号 东方4号 东方5号 东方6号 上升1号 上升2号 联盟3号 联盟4号 联盟5号 联盟6号 联盟7号 联盟8号 联盟9号 礼炮1号 联盟10号 联盟12号 联盟13号 联盟14号 联盟16号 礼炮4号 联盟17号 联盟35号	(1小时48分) 1 4 3 5 3 1 1 4 3 3 5 5 5 18 175 2 2 8 16 6 769 30 175	2 11 62 46 80 44 30 60 85 70 62 70.5 63 72.5 323.5 870 141 106 149 280 83 800 700 7(rem)

美国飞船	飞行天数	平均剂量(mrad)
双子星座3号 双子星座4号 双子星座5号 双子星座6号 双子星座7号 双子星座8号 双子星座9号 双子星座10号 双子星座11号 双子星座12号 阿波罗7号 阿波罗8号 阿波罗9号 阿波罗10号 阿波罗11号 阿波罗12号 阿波罗13号 阿波罗14号 阿波罗15号 阿波罗16号 阿波罗17号 天空实验室	(4小时52分) 4 8 1 14 (10小时41分) 3 3 3 4 10 6 10 8 8 10 6 9 12 11 12 171	23 46 176 25 164 10 19.5 720 28 20 156 150 202 468 173 577 237 1142 300 500 600 2500～3500 (mrem)

α-粒子的相对生物效应都等于1，但质子可产生更严重的胃肠道症状和出血症状。用大剂量质子照射动物皮肤，产生的病理反应与烧伤的病理变化相似，除此之外还使动物寿命缩短和皮肤肿瘤的发病率增加。重核产生的生物效应不仅比轻核严重，而且危害性质也不一样。例如，只有足够剂量的α-粒子才能影响增生迅速的组织，如骨髓、上皮和性腺组织，这些组织虽受影响，但基本上仍能维持正常功能； 而用重核照射，即使是极低的剂量，也能使非再生性组织产生特殊的生物效应，甚至仅一个重粒子，也能产生效应。对于增生性组织，由于其特殊的修复能力，因而使生物效应不明显。非再生性组织包括中枢神经系统、感觉器官的某些细胞等。如在重核的作用下，眼睛有闪光感，视网膜出现病理变化和毛发变色。重核还能使神经元的结构和生物合成活动产生不可逆的变化，在神经元的胞浆中可观察到核固缩和脂褐质粒子，这可能是一种辐射引起的细胞衰老过程。由于神经元在成人体内是一种不再进行分裂的细胞，而神经系统的正常功能又是保证航天员顺利完成航天任务的基础，故应对重核对于神经元的影响机理进行深入研究。
航天过程中，人体受到的是多种因素的复合作用，在研究辐射的生物效应时，还应该考虑到其它因素的复合效应。例如动物在用粒子辐射照射之前先暴露于低氧环境中，由于低氧刺激，机体造血功能加强，可以提高机体对辐射的耐力；若是在照射之后再暴露于低氧环境中，机体对低氧的耐力也会有短暂提高。若是在放射病急性期暴露于低氧，可以提高存活率； 但若在放射病潜伏期暴露于低氧，则存活率下降。因此辐射与低氧基本上是对抗作用。动物已适应寒冷环境后再受到致死剂量的X-射线照射，动物的辐射耐力有轻度增高，但在半致死剂量的X-射线照射之后再暴露于寒冷之中，则死亡率增加。动物在高温下受照射比在常温下受照射，寿命缩短15～20%。经过两小时的超重和振动作用以后，动物对辐射的敏感性增高，表现为半数致死剂量降低，但数小时以后，辐射敏感性又会下降。失重可增强辐射的生物效应。在生物卫星上进行的实验表明，在两种因素的作用下，果蝇幼虫生殖细胞染色体重排的数目异常增多，小茧蜂发育和行为异常的现象也显著增多，各种植物种子的发芽能力增强，染色体畸变的数量也增加。总之，单一因素与复合因素在作用效果上有显著差异； 而且不同因素采取不同的排列和组合，其作用效果也不一致，可有增强、叠加、对抗等方式。
为了客观地评定空间粒子辐射的危害，保证飞行安全，在载人航天计划实施前，必须制订一个空间辐射容许剂量标准。评定空间辐射的危害，制定容许剂量标准，与一般工业上的辐射安全标准不同，必须考虑到下列四项因素：
❶载人航天是一项极为复杂的任务，对航天员要求很高，不仅要保证航天员的安全，还要保证航天员有高效的工作能力。
❷空间粒子辐射在时间上、空间上、强度上和性质上的经常变化。
❸在航天过程中，除粒子辐射外，还有其它环境因素同时作用于航天员。
❹航天员是一批经过严格选拔和专门训练的人员。美国为阿波罗登月计划制订的最大辐射容许剂量见表4。1969年又重新修订，为美国现行标准，见表5。苏联制订的30天以内载人航天的辐射标准是： 容许剂量为15rem，证明有危险的剂量为50rem，临界剂量为125rem。苏联标准中的“容许剂量”指照射以后对身体无明显损伤的剂量； “证明有危险的剂量”指照射以后有轻度的初期放射病反应，这个剂量标准亦可用于评定太阳质子事件的辐射危害；“临界剂量”指可引起放射病临床症状的剂量，应考虑飞行能否继续进行问题。

表4 阿波罗登月飞行辐射剂量标准

主要器官	最大容许 积分剂量 (rem)	相对生 物效应 (rem/rad)	年平均 剂量 (rad)	一次急性照射最大 容许剂量(仅指质 （子） (rad)
全身皮肤 造血组织 足、踝、手 眼 睛	1600 270 4000 270	1.4 1.0 1.4 2.0	250 55 550 27	500 200 700 100

表5 航天任务辐射剂量标准

	剂 量 (rem)
飞行时间	骨髓 (5cm)	皮肤 (0.1mm)	眼晶状体 (3mm)	睾丸 (3cm)
日平均剂量率(1年) 30天最大容许剂量 季度最大容许剂量 年最大容许剂量 10年（工作年限）	0.2 25 35 75 400	0.8 75 105 225 1200	0.3 37 52 112 600	0.1 13 18 38 200

空间粒子辐射的安全防护 预防空间粒子辐射的危害，始终是载人航天中需要认真考虑和解决的一个大问题。目前常用的防护措施主要有四种： 物理防护、药物预防、辐射剂量测定和太阳质子事件预报。
物理防护分被动防护和主动防护。利用周围屏蔽物质进行辐射防护称“被动防护”。航天员周围的屏蔽物质包括飞船或空间站结构及里面的设备。为了取得较好的屏蔽效果，应对舱内各种设备、仪器、燃料、食品、水和其它物资器材进行合理放置。由于实际情况比较复杂，一般很难使各方向的屏蔽层厚度保持均匀。美国阿波罗飞船的指挥舱，主要结构材料是铝合金、不锈钢和酚环氧树脂，屏蔽层的平均厚度为7.5g/cm²，但厚薄不均，舱前方较薄，仅有1.75g/cm²，而舱后部又极厚，为212g/cm²。这是因为指挥舱的后部是服务舱，舱内装有燃料、火箭发动机及其它一些重型设备，而且飞船的防热层也位于后部。为了可靠地防避太阳宇宙线和地球内辐射带粒子的危害，被动屏蔽层的厚度应为10g/cm²。按此标准，一个容积为20～25m³的座舱，其屏蔽重量最低限度应为10t.因此在载人飞船或空间站上，仅靠增厚屏蔽层来防辐射是不现实的。为了克服被动防护的重量缺陷，近年还探讨“主动防护”，就是使用人工强磁场或电场，使射向飞船座舱的带电粒子偏转，离开座舱，达到安全防护的目的。对于太阳宇宙线的高能质子和内辐射带粒子，仅用磁场即可； 若要同时防人工辐射带粒子，还应加上电场。磁屏蔽的优点是重量轻，而且很少产生次级辐射。如容积为144m³的座舱，用磁屏蔽防能量为1BeV的质子，屏蔽重量仅为1.5t，而用被动防护屏蔽，重量可达440t。长期载人航天中使用磁屏蔽，理论上是可行的，但实际应用上还有许多技术问题有待解决。
所谓辐射的药物预防，是指航天员在受到空间粒子辐射照射之前，给予药物，以预防或减轻辐射的危害。辐射预防药必须具备以下条件： 预防效果良好、毒性低、副作用小、使用方便、有效时间长、药效迅速和药性稳定。辐射预防药可分为特异性与非特异性者两类。常用特异性预防放射病药物有胱氨酸、半胱氨酸、胱胺、半胱胺、β-氨基乙基异硫脲(AET)等。非特异性预防药主要是增强机体对外界不良因素的抵抗力，从而减轻辐射的损伤作用。这类药物一般要长期服用才可能见效。常用非特异性预防药有人参，维生素C、P、B₁、B₂，色氨酸，组氨酸和三磷酸腺苷等。
航天过程中，空间粒子辐射的强度分布有很大随机性。为了让航天员和地面医务监督人员随时知道空间辐射的实际情况，必须不间断地测量辐射剂量并及时报警。通常有三类辐射测量系统：
❶飞船或空间站座舱剂量监测系统，可以连续测量座舱内的剂量率和累积剂量。
❷航天员个人剂量测量系统，每名航天员身上都带有传感器，可以分别测出每个人身体不同部位的辐射剂量。
❸舱外剂量率监测系统。
对太阳质子事件的预报是比较复杂的工作。在美国，为保证其航天任务的顺利实施，由空军、国家航空航天局和环境科学服务局三个单位共同负责，由分布在世界各地的17个光学和无线电太阳观测站、太阳粒子监测系统和地球物理电传打字情报网组成一个统一的辐射警报体系，再加上从“轨道地球物理观测”卫星、“先驱者”卫星和“维拉”卫星获得的数据，可以对太阳活动进行不间断的监视，并实时地对太阳质子事件进行预警。