Космические исследования, 2019, T. 57, № 3, стр. 192-198

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЗАЩИТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛИЭТИЛЕНА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ В КАЮТЕ МКС

В каюте СМ МКС имеются обширные зоны, защищенные только стенкой модуля, массовая толщина которой оценивается в 1.5 г/см² или в пересчете в тканевый (водный) эквивалент – всего 1.2 г/см², что предполагает применение ДЗ для уменьшения воздействия космической радиации. Кроме того, в центре боковой поверхности каюты расположен иллюминатор в виде диска из кварцевого стекла, массовая толщина которого больше, чем толщина стенки модуля, и составляет в тканевом эквиваленте 4.3 г/см² [7]. В общем случае, ослабление дозы, обусловленное дополнительной экранировкой, зависит как от исходного распределения масс в отсеке, так и от массы, геометрии и материала используемой защиты.

Применение в качестве ДЗ укладки “Шторка защитная”, состоящей из 4-х слоев СЛГ [7], позволяет увеличить массовую толщину защиты на 6.2 г/см² водного эквивалента. Отметим, что слои СЛГ занимают только часть толщины “Шторки защитной”, остальное пространство приходится на наружный чехол из номекса, крепежные устройства для удержания укладок СЛГ внутри чехла и пустые пространства, образуемые за счет неплотного прилегания элементов в укладке.

Максимальный защитный эффект при неизменных габаритах ДЗ получается при полном заполнении ее объема защитным веществом, в качестве которого рассмотрим полиэтилен высокого давления (ПВД). ПВД при плотности 0.9 г/см² [10] обладает более высокой эластичностью и температурной стойкостью по сравнению с другими видами полиэтилена. При выборе конкретной марки ПВД для использования в условиях орбитальной станции требуется учитывать его токсикологические и пожаробезопасные свойства. Кроме того, ПВД предпочтителен по сравнению с водой и алюминием с точки зрения его способности к ослаблению доз космической радиации.

Характеристикой ослабления ионизирующего излучения в веществе может служить плотность потерь энергии dE/dx на единицу массовой толщины. Следует отметить, что полиэтилен ослабляет ионизирующее излучение лучше, чем вода и, тем более, алюминий, поскольку для всего диапазона энергий частиц выполняется соотношение (dE/dx)_ПВД > (dE/dx)_Вода > (dE/dx)_Al [11]. На рис. 1 показано отношение плотности потерь энергии протонов в полиэтилене и воде к плотности потерь энергии в алюминии в зависимости от энергии протонов. При энергии протона ~50 МэВ полиэтилен эффективнее алюминия в 1.4 раза при той же массовой плотности защиты, в то время как вода эффективнее алюминия в 1.3 раза. Кроме того атомная масса элементов, входящих в состав полиэтилена, меньше, чем у воды и алюминия, что, как известно, приводит к более эффективному замедлению вторичных нейтронов, образующихся при взаимодействии космического излучения с веществом. Ослабление дозы космической радиации наиболее эффективно происходит в полиэтилене, по сравнению с водой или алюминием, что оправдывает выбор ПВД в качестве вещества ДЗ.

Таким образом, использование ПВД в объеме “Шторки защитной”, при той же геометрии размещения позволяет как увеличить массовую толщину ДЗ, так и применить защитный материал, более эффективно ослабляющий космическую радиацию, чем вода.

РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЗ В КАЮТЕ СМ МКС ДЛЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЕРИМЕНТА СО “ШТОРКОЙ ЗАЩИТНОЙ” ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПВД ВМЕСТО СЛГ

Для расчета распределения доз в каюте СМ МКС применяется метод оценки радиационных нагрузок, использующий для определения функций экранированности (ФЭ) трассировку лучей, исходящих из точки, окруженной защитой произвольной формы [12]. Данный метод был успешно верифицирован на результатах, полученных в космических экспериментах на борту МКС, с использованием тканеэквивалентного шарового фантома и “Шторки защитной” [7, 12]. При расчете распределения доз в отсеке космического аппарата применялся подход, связанный с использованием ФЭ и кривых ослабления доз от различных источников космической радиации [7, 12, 13]:

доза H(r₀) в точке r₀ находится из соотношения:

где H(x) – кривая ослабления дозы радиации космического излучения; $p({{{\mathbf{r}}}_{0}},x)$ – ФЭ точки r₀, нормированная на 1.

Кривые ослабления выбирались таким же образом, как в работах [7, 12] в зависимости от средней высоты орбиты космической станции и фазы цикла солнечной активности при наклонении орбиты 51.6°. ФЭ выбранных точек рассчитывались по методике трассировки лучей, подробно описанной в [12], в которой объекты сложной формы представляются в виде набора непересекающихся (смежных) треугольников, полностью покрывающих поверхность.

Для моделирования условий защищенности детекторов в эксперименте со “Шторкой защитной” использовались те же четыре объекта, что и в работе [7], а именно: корпус СМ МКС, иллюминатор каюты, внутренний объем СМ МКС и укладка, размещенная на стенке каюты, заполненная, в нашем случае, ПВД в том же объеме, что и СЛГ. Характеристики объектов подробно описаны в работе [7], при этом необходимо учитывать, что укладка, содержавшая СЛГ, заменена на аналогичную по геометрии (длина 180 см, ширина 60 см, толщина 10 см), заполненную ПВД плотностью 0.9 г/см³, что дает массовую толщину ДЗ 9 г/см². На рис. 2 показана модель расположения на стенке каюты ДЗ в виде “Шторки защитной”, заполненной ПВД, с указанием точек, для которых производится расчет доз. Точки выбирались как в слабозащищенной области стенки каюты, так и в более защищенной области иллюминатора: точка 1 – находится с наружной стороны ДЗ вне области иллюминатора, примыкает непосредственно к тонкой стенке каюты (“незащищенная” точка); точка 6 – находится на поверхности ДЗ, обращенной внутрь каюты, вне области иллюминатора, на том же уровне, что и точка 1 – “защищенный” аналог точки 1; пара точек 4 и 5 является аналогом точек 1 и 6 и располагается в области иллюминатора.

В работе [7] для сопоставления с данными эксперимента были рассмотрены точки, расположенные вне центральной оси ДЗ (точки 2, 7), а также на стенке каюты при отсутствии ДЗ (точка 3). Показано, для всех рассмотренных радиационных условий дозы в точках 1, 2 и 3 (“незащищенные”), а также дозы в точках 6 и 7 (“защищенные”) отличаются незначительно, что обусловлено геометрией защиты. Для оценки защитного эффекта от применения ДЗ достаточно сравнить дозы в защищенных точках (точки 1 и 4) с дозами в их незащищенных аналогах (точки 6 и 5). Выбор точек обусловлен возможностью проведения в дальнейшем экспериментальной проверки защитного эффекта использования ДЗ из ПВД, при размещении детекторов в каюте СМ МКС в указанных точках.

Используя метод трассировки лучей, были определены ФЭ для защищенных и незащищенных точек. В качестве ДЗ рассматривалась “Шторка защитная”, наполнителями которой являлись либо СЛГ, где основным защитным веществом является вода, либо пластины из ПВД. Отметим, что объем ДЗ как в случае СЛГ, так и в случае пластин ПВД, одинаков и определяется размером используемых накопителей. На рис. 3 показаны полученные ФЭ защищенных и незащищенных точек в каюте СМ (сплошная линия – без дополнительной защиты, линия с длинными штрихами – дополнительная защита из воды, с короткими штрихами – из ПВД): (а) – вне иллюминатора, (б) – в зоне иллюминатора. Из анализа кривых, представленных на рис. 3, следует, что при отсутствии ДЗ минимальная защита определяется либо толщиной стенки модуля (1.2 г/см² – случай (а)), либо толщиной иллюминатора (4.3 г/см² – случай (б)). Использование ДЗ приводит к увеличению минимальной толщины защиты (на 6.2 г/см² в случае СЛГ или 9.5 г/см² в случае ПВД) и соответствующему смещению ФЭ в сторону больших толщин как для случая (а), так и для случая (б).

По формуле (1) с использованием полученных ФЭ, был произведен расчет суточной мощности эквивалентной дозы в каюте СМ в выбранных точках, для круговой орбиты с высотой 400 км и наклонением 51.6° в минимуме и максимуме солнечной активности. На рис. 4 представлены результаты расчетов для незащищенных точек, а также для защищенных, где в качестве материала ДЗ используются СЛГ, пропитанные водой, или пластины из ПВД; рассмотрены случаи расположения точек вне области иллюминатора – случай (а) и в зоне иллюминатора – случай (б). Результаты расчета показывают, что мощность дозы в выбранных точках в каюте космонавта уменьшается сильнее при использовании ДЗ из ПВД по сравнению с ДЗ из СЛГ. Эффект снижения дозы имеет место в течение всего солнечного цикла, причем в области иллюминатора, характеризуемой большей исходной толщиной защиты, этот эффект меньше.

Следует отметить, что увеличение защиты путем дальнейшего наращивания толщины отсека материалами из алюминия является крайне неэффективным с учетом свойств алюминия по ослаблению дозы космической радиации, поскольку отношение плотности потерь энергии протонов в полиэтилене и воде к плотности потерь энергии в алюминии составляет 1.3 и более во всем интервале энергии протонов космических ионизирующих излучений, см. рис. 1.

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДЗ

Для более подробного анализа эффективности применения различных типов ДЗ в разных фазах цикла солнечной активности и при различной начальной защищенности введем понятие защитного эффекта K, который может быть определен как:

где H_{защищенная}, H_{незащищенная} – мощности эквивалентной дозы в защищенной и незащищенной точках соответственно. K представляет собой уменьшение мощности дозы, обусловленное применением ДЗ, выраженное в процентах. При этом, K = 0 означает полное отсутствие защитного эффекта, K = 100% означает максимально возможный защитный эффект.

Защитный эффект K может также определяться в терминах эффективной дозы, для определения которой необходимо производить расчеты дозовых нагрузок в различных критических органах тканеэквивалентного фантома. Однако, экспериментальные данные для сопоставления с подобными расчетами в настоящее время отсутствуют, поэтому в данной работе защитный эффект рассматривается по отношению к выбранным точкам на стенке каюты.

С использованием описанной выше методики был произведен расчет ФЭ, доз и защитного эффекта K в тех же выбранных точках каюты СМ в диапазоне высот орбит от 350 до 450 км, характерным для космической станции, в минимуме и максимуме СА. На рис. 5 представлена зависимость защитного эффекта от высоты орбиты в случае ДЗ из СЛГ (штриховые линии) и из ПВД (сплошные линии) для минимума СА (верхняя пара сплошной и штриховой линий) и максимума СА (нижняя пара сплошной и штриховой линий): (а) – вне иллюминатора, (б) – в зоне иллюминатора. Из анализа данных расчетов, представленных на рис. 5, следует, что защитный эффект имеет место для всего диапазона высот орбиты космической станции и в период всего цикла СА. В то же время, с ростом высоты орбиты защитный эффект увеличивается, что связано с увеличением вклада в дозу протонов радиационного пояса Земли, имеющих более мягкий, а следовательно легко ослабляемый в ДЗ, энергетический спектр, по сравнению с более жестким и проникающим компонентом – галактическими космическими лучами. Отмеченная зависимость защитного эффекта от высоты более сильно выражена при использовании ДЗ вне иллюминатора, где исходная защита оболочки станции меньше; в области иллюминатора зависимость от высоты сохраняется, но выражена более слабо. В фазе минимума СА защитный эффект во всей области высот орбит больше, чем в фазе максимума СА, что обусловлено различиями энергетических спектров космического излучения. Защитный эффект как в случае ДЗ, расположенной в области иллюминатора, так и вне этой области, существенно выше для фазы минимума СА, по сравнению с фазой максимума СА, что имеет важный практический эффект, т.к. для фазы минимума СА характерна более высокая мощность дозы в отсеках станции.

Защитный эффект от использования ДЗ может быть оценен по имеющимся экспериментальным данным. Измерения распределения эквивалентной дозы в каюте станции как при наличии ДЗ из СЛГ, так и при отсутствии ДЗ проводились в течение 5 сессий в правой каюте СМ МКС в период с 2010–2015 гг. с использованием термолюминесцентных и твердотельных трековых детекторов с помощью комбинированного метода [14], позволяющего определять эквивалентную дозу в смешанных полях космического излучения. Результаты определения защитного эффекта по данным измерений для случая СЛГ (вне иллюминатора K = 17–50%, в области иллюминатора K = 5–23%) подтверждают расчетные оценки защитного эффекта, хотя в ряде случаев защитный эффект, определенный по экспериментальным данным, ниже расчетных оценок, что обусловлено отличиями расчетной модели от условий реального космического эксперимента, как в части реальной геометрии защиты, так и в описании радиационных условий. Произведенные расчеты показывают, что защитный эффект при замене СЛГ на ПВД возрастает для любой фазы цикла СА в выбранном диапазоне орбит космической станции и достигает значений K = 48–60% вне иллюминатора и K = 22–38% в области иллюминатора. Подобное увеличение защитного эффекта от использования ДЗ при замене СЛГ на ПВД стоит ожидать и в условиях реального космического полета.

В каюте, где расположена ДЗ, космонавт проводит только часть суток – в основном время для отдыха и сна. Таким образом, при оценке снижения дозы за весь полет за счет использования ДЗ необходимо учитывать долю времени нахождения космонавта в каюте.

Необходимо отметить, что в условиях реального космического полета защитный эффект будет зависеть от соотношения вкладов различных источников космической радиации (ГКЛ, РПЗ). На трассе полета орбитальной космической станции только часть витков от 4 до 6 (из 16 за сутки) проходит через область Южно-Атлантической Аномалии (ЮАА), где наблюдаются повышенные мощности дозы от частиц РПЗ, имеющих, в то же время, более мягкий, а значит легче ослабляемый компонентами ДЗ, энергетический спектр. В случае, если время нахождения космонавта в каюте совпадает с прохождением ЮАА, эффект от использования ДЗ будет максимальным.

В условиях орбитального полета космонавты также подвергаются воздействию еще одного источника космической радиации, имеющего стохастическую природу – солнечных протонных событий (СПС). В этом случае защитный эффект ДЗ определяется жесткостью энергетического спектра СПС. Поскольку, в среднем, по своей жесткости СПС ближе к РПЗ, чем к ГКЛ [15], можно ожидать, что использование ДЗ будет давать заметный эффект по снижению дозы и в случае СПС. Подробное исследование зависимости защитного эффекта ДЗ в случае СПС является предметом отдельного рассмотрения и выходит за рамки данной статьи. Таким образом, ДЗ из ПВД является перспективной при длительных и дальних полетах, а также для слабозащищенных отсеков лунных и планетарных баз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлены результаты расчета доз космического ионизирующего излучения для условий, моделирующих каюту МКС, в которой установлено дополнительное оборудование в виде “Шторки защитной” эксперимента “Матрешка-Р”, заполненной ПВД вместо штатных укладок СЛГ. Для расчета использовалась методика трассировки лучей, ранее верифицированная с использованием данных космического эксперимента “Матрешка-Р”. Расчет проведен для мест расположения экспериментальных дозиметрических сборок для типовой орбиты МКС (высота от 350 до 450 км, наклонение 51.6°) в фазе минимума и максимума солнечной активности.

Получено, что защитный эффект от использования ДЗ в каюте МКС в терминах эквивалентной дозы составляет от 22 до 60% в зависимости от высоты орбиты, фазы цикла солнечной активности и начальных условий защищенности.

Полученные результаты свидетельствуют о большей эффективности дополнительной защиты из полиэтилена по сравнению с водосодержащими материалами, используемыми в целях личной гигиены. ДЗ из ПВД не требует замены в течение полета, в отличие от подверженных высыханию СЛГ. Дополнительная защита от космической радиации с использованием ПВД является перспективной при длительных и дальних полетах, а также для лунных и планетарных баз.

Выполнение данной работы частично поддержано темой Фундаментальные научные исследования РАН № 6000.