Космические исследования, 2019, T. 57, № 1, стр. 57-60

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, радиационная опасность в космосе для экипажей и технических систем космических кораблей исходит от высокоэнергичной космической радиации, главными составляющими которой являются потоки заряженных частиц, приходящие из Галактики (галактические космические лучи – ГКЛ) или от Солнца (солнечные космические лучи – СКЛ), а также находящиеся в ловушке магнитного поля Земли (радиационные пояса Земли – РПЗ). Эти составляющие космического ионизирующего излучения образуют радиационные поля, каждое из которых содержит заряженные частицы со своим элементным и энергетическим составом, и потоки этих частиц изменяются по своим законам в пространстве и во времени. Поэтому исследование (изучение, моделирование и прогнозирование) нарушений в оборудовании и у космонавтов, вызванных воздействием космической радиации, изучается отдельно для каждого из этих полей и затем суммируется. Однако общим в таких исследованиях является применение в качестве количественной меры радиационных нарушений физической величины – поглощенной дозы (ПД).

Кроме того, в нормах радиационной безопасности для целей радиологической защиты человека дополнительно используют нормируемые величины (эквивалентная доза, эффективная доза), которые, опираясь на значение ПД в ткани (органах человека), дополнительно учитывают “качество” излучений разного вида и энергии при создании радиобиологического эффекта.

ПД является интегральной характеристикой нарушений в исследуемом объекте, накапливаемых при облучении. Она отражает полное количество энергии, которая в течение времени облучения передается от множества бомбардирующих частиц единице массы вещества. Необходимо иметь в виду, что для количественных оценок “правильное” применение значений ПД накладывает определенное условие на размер чувствительных (активных) объемов, от которых зависит нарушения исследуемых свойств (рабочих параметров) объектов. А именно, линейные размеры чувствительных объемов должны быть (значительно) меньше, чем пробег частиц в веществе этих объектов.

Для изучения изменения значений ПД в связи с изменяющимися условиями в космическом пространстве (в зависимости от времени и пространственных координат) применяются расчетные методы, использующие модели потоков частиц в космическом пространстве с учетом прохождения частиц за защитные экраны. Эти методы требуют подтверждения путем сравнения с данными непосредственных измерений, которые могут быть получены с помощью приборов (дозиметров), установленных на борту космических аппаратов. В течение долгого времени такое сравнение было возможно только для околоземных орбит благодаря наличию дозиметрической аппаратуры на станции Мир и МКС, а также на некоторых автоматических космических аппаратах [1–3].

Теперь в связи с планами освоения Луны и Марса научное сообщество получило возможность более детально исследовать указанную проблему за пределами магнитосферы Земли, используя полетные данные от дозиметрических приборов на межпланетных автоматических космических станциях [4–8].

В настоящей работе выполнено сравнение значений ПД [4–8], которые измерены на борту межпланетных космических аппаратов при воздействии потоков частиц ГКЛ и которые рассчитываются с использованием модельных спектров потоков частиц ГКЛ. Также обсуждаются проблемы, возникающие при таком сравнении.

1. МОДЕЛЬНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ

В настоящей работе для расчета энергетических спектров тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ – протонов и более тяжелых ядер с зарядом ядра до z = 28) ГКЛ в межпланетном пространстве используется модель НИИЯФ-2016 [9].

Согласно этой модели энергетические спектры протонов и ядер гелия c энергиями до E = = 10⁵ МэВ/нуклон рассчитываются с учетом гелиоцентрического расстояния r в межпланетном пространстве, используя формулу

где модуляционный потенциал ε_{(p, He)}(t, r) зависит от числа Вольфа W(t – Δt), которое имело место во время t – Δt с разницей Δt относительно времени регистрации потока.

В (1) и (2) параметры γ = 2.72, Δ = 3.7, Δt не зависит от типа частиц, но параметры A, ε₀, k, α различны для протонов и ядер гелия.

Потоки тяжелых ядер от лития до никеля (с зарядом ядра z = 3–28) вычисляются по формуле

где ζ_(HCP) – коэффициент нормировки.

Расчеты энергетических спектров потоков частиц ГКЛ для разных условий солнечной активности, соответствующим условиями полета космических аппаратов к Луне и Марсу [4–8], проводились для гелиоцентрического расстояния r = 1 а. е. (орбита Земли). Увеличение потоков частиц ГКЛ с увеличением r при полетах космических аппаратов к Марсу не учитывалось, так как, как показывают расчеты, потоки частиц ГКЛ на орбите Марса (r = = 1.5 а. е.) только на ~7% выше, чем на орбите Земли.

Для расчета энергетических спектров заряженных частиц, возникающих за защитой в результате ее бомбардировки потоком заряженных частиц ГКЛ, использовалась специальная программа. Эта программа аппроксимирует данные адронного транспортного кода SHIELD (http:// www.inr.ru/shield/introd-rus.html), ограничившись случаем расчетов спектров потоков ТЗЧ (ядра с зарядом от z = 1 до 28), создаваемых ГКЛ в центре сферической алюминиевой защиты разной толщины [10]. Использование расчетных спектров потоков частиц в центре сферической защиты для описания радиационного окружения внутри дозиметра следует считать оправданным из-за отсутствия (как правило) подробной информации о конфигурации защиты вокруг активного элемента (детектора излучения).

2. ПОГЛОЩЕННАЯ ДОЗА

Поглощенная доза D по определению есть средняя энергия dE, передаваемая от ионизирующего излучения элементу объема вещества dV c массой dm = ρdV:

где ρ [г/см³] – плотность вещества.

В этом определении понятие “средней энергии” указывает на то, что поглощенная доза является усредненной характеристикой выделенной энергии в “элементе объема” после многих актов взаимодействия налетающих частиц с атомами и электронами вещества. При этом в качестве “элемента объема” обычно рассматривается, так называемый, “точечный объем”, для которого справедливо предположение: пробег любой частицы из общего спектра падающих излучений превышает линейные размеры самого объема.

Тогда для расчета ПД в условиях космического пространства, когда происходит облучение “элемента объема” всенаправленными и изотропными потоками заряженных частиц разного сорта и энергии, формула (4) может быть преобразована к виду

где L_i(E) [МэВ/(г/см²)] – линейная передача энергии (ЛПЭ), то есть энергия, выделяемая частицей i-го сорта с энергией E на единице пути (в г/см²), Ф_i(E) [1/(cм² МэВ/нуклон)] – дифференциальный энергетический спектр всенаправленного и изотропного потока частиц i-го сорта, пересекающих “точечный” объема dV, $E_{i}^{{(\min )}}$ и $E_{i}^{{(\max )}}$ [МэВ/нуклон] – минимальная и максимальная энергия частиц i-го сорта в энергетическом спектре частиц, k = 1.6 ⋅ 10^–10 [Гр/(МэВ/г)] – постоянный коэффициент для преобразования значения поглощенной дозы к единице измерения в системе SI (Грей [Гр] = Дж/кг).

Формула (5) позволяет прогнозировать значения ПД при воздействии потоков частиц ГКЛ, если известны энергетические спектры потока каждой частицы Ф_i(E) (см. выше) и значения ЛПЭ L_i(E) каждой частицы в зависимости от их энергии E. Последние находятся из условия L_i(E) = = |dE/dx|_i/ρ, где |dE/dx|_i/ρ – удельные (средние) ионизационные потери энергии для частицы с энергией E, которые известны из ядерной физики. В настоящей работе при определении |dE/dx|_i/ρ для ТЗЧ ГКЛ использовался код SRIM (http://www. SRIM.org).

Следует еще раз подчеркнуть, что формула (5) выводится, полагая попадание частиц изотропного потока с любых направлений в “точечный объем”. Эти предположения требуют оценки расчетной погрешности ПД по отношению к ПД, измеряемой дозиметрами на космических аппаратах. Действительно, во-первых, в реальных условиях поток частиц, падающий на детектор дозиметра, не является строго изотропным из-за разной толщины пассивной защиты вокруг детектора (в том числе, и массой КА) в разных направлениях. Во-вторых, обычные чувствительные объемы детекторов нельзя считать “точечными объемами” для низкоэнергичных частиц, пробег которых не превышает линейные размеры детектора. Например, протоны с энергией 6 МэВ имеют пробег ~300 мкм в кремнии, что сравнимо с обычной толщиной полупроводниковых детекторов, используемых для измерения поглощенной дозы в космосе.

Рис. 1 и 2 позволяют дать ответы на поставленные вопросы о погрешности расчетной дозы от потоков частиц ГКЛ во время минимума (2010 г.) и максимума (2003 г.) солнечной активности по отношению к реально измеряемой дозе. На этих рисунках приводятся расчетные значения ПД, рассчитанные по формуле (5) для всех ТЗЧ ГКЛ с энергией от E^(min) = 0.1 до E^(max) = 10⁵ МэВ/нуклон с использованием энергетических спектров в центре сферической защиты с толщиной алюминиевой оболочки от 1 мм (0.27 г/см²) до 10 см (27 г/см²). В пределах этих значений толщин обычно находится защита детекторов на космических аппаратах, включая как собственную защиту дозиметрического блока, так и защиту с некоторых направлений конструкционными материалами космического аппарата.

На рис. 1 представлена расчетная поглощенная доза в зависимости от меняющегося значения верхнего предела интегрирования в формуле (5). Видно, что основной вклад в ПД от потоков частиц ГКЛ дают частицы c энергий от несколько десятков МэВ/нуклон до десятка ГэВ/нуклон. Вклад в расчетную дозу (в предположении “точечного объема”) потоков частиц ГКЛ с энергиями меньше и выше указанных значений минимален. Например, частицы с энергией менее 10 МэВ/нуклон, при расчете дают вклад в ПД не выше 10% (зависит от толщины защиты) относительно полного значения.

На рис. 2 представлена расчетная поглощенная доза в зависимости от толщины сферической защиты. При толщине защиты менее ~10 см различие расчетных значений не так велико, хотя может достигать ~30% (0.03 мГр/сутки при максимуме солнечной активности). Если толщина защиты выше 10 см, то при ее увеличении, как мы видим на рис. 4, наблюдается резкое падение значения ПД. Учитывая все указанные обстоятельства, необходимо констатировать, что неопределенность распределения толщины защиты вокруг детектора должна учитываться при сравнении расчетных и полетных значений поглощенной дозы при воздействии потоков частиц ГКЛ.

В табл. 1 приводится сравнение между расчетными значениями ПД, полученными с использованием выше приведенных формул, и известными данными, полученными во время полетов космических аппаратов в межпланетном пространстве. В расчет использовалась толщина сферической защиты равной 1 см, при которой расчетные значения ПД являются максимальными (см. рис. 2).

Из таблицы видно, что во всех случаях расчетные значения ПД находятся в удовлетворительном согласии с экспериментальными данными, если принять во внимание рассмотренные выше неопределенности, связанные с искажением всенаправленного потока частиц ГКЛ за защитой. Причем в четырех случаях из пяти расчетные значения ПД на 20–30% ниже, чем значения ПД, зарегистрированные дозиметрами. Хотя это отклонение расчетных значений от экспериментальных укладывается в оценки существующих неопределенностей при расчетах ПД, общая тенденция, по нашему мнению, указывает на существование дополнительный вклад в ПД вторичных излучений (в том числе, пионов [7]), которые не в полной мере учитываются в наших расчетах. Нельзя также сбрасывать со счетов вклад ПД потоков от других космических излучений, которые также как и ГКЛ постоянно присутствуют в космическом пространстве (например, от частиц аномальных космических лучей).

Отдельно следует сказать о данных дозиметра RADOM на космической станции Chandraayn-1. Этот дозиметр в значительной степени (как показывает анализ [5]) защищен корпусом и оборудованием космического аппарата от прямого попадания частиц ГКЛ. Поэтому значения ПД, измеренные этим дозиметром, оказались ниже, чем расчетные.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сравнение измеренных и расчетных значений ПД, получаемой в межпланетном пространстве от потоков частиц ГКЛ техническими системами и экипажами космических кораблей и станций показывает, что можно говорить о приемлемой точности (~30%) расчетных значений ПД, использующих модели потоков частиц ГКЛ и предположение о защите сферической формы вокруг рассматриваемого объекта. Уточнение расчетных ПД связано с учетом конфигурации формы защиты вокруг дозиметра и дополнительного вклада всех вторичных излучений, возникающих в материале защиты, включая корпус и оборудование космического аппарата.

Работа поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 17-29-01022.