На правах рукописи

УДК 629.786.2:614.876

Бондаренко Валентина Александровна

ОЦЕНКА РАДИАЦИОННЫХ НАГРУЗОК НА КОСМОНАВТОВ МКС

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА

05.26.02 безопасность в чрезвычайных ситуациях

(Авиационная и ракетно-космическая техника, технические науки)

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007 г.

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации- Институте медико-биологических проблем Российской академии наук

Научный руководитель:

Доктор технических наук Митрикас Виктор Георгиевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук Смиренный Лев Николаевич

Доктор технических наук Беркович Юлий Александрович

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.И. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Защита состоится У25Ф апреля 2007 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.111.02 при Государственном научном центре Российской Федерации ЦИнституте медико-биологических проблем РАН (123007, Москва, Хорошевское шоссе, 76-А)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного центра Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем РАН (ГН - РФ - ИМБП РАН)

Автореферат разослан У21Ф марта 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.111.02.

Доктор биологических наук Назаров Н.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Воздействие космических лучей на экипаж космической станции является одним из постоянно действующих неблагоприятных факторов пребывания человека в космическом полете. Основная задача обеспечения радиационной безопасности пилотируемых полетов в космическом пространстве - снижение воздействия ионизирующего излучения на экипаж до уровня, не превышающего установленные нормы радиационной безопасности космических полетов (МУ 2.6.1.44-03-2004).

Актуальность работы.

Учет индивидуального радиационного воздействия на космонавтов является, несомненно, одной из ключевых проблем при планировании дальних пилотируемых космических полетов. Данные по индивидуальным дозам, полученным космонавтами в полетах, являются важной информацией для оценки последствий радиационного облучения. Получение таких данных - одна из главных задач Службы радиационной безопасности пилотируемых космических полетов.

Основные штатные дозиметрические приборы в российском сегменте международной космической станции (РС МКС) служат для измерения поглощенной дозы. Нормативы радиационной безопасности для конкретной длительности полета и за весь профессиональный период работы космонавта используют понятия эквивалентной дозы, учитывающей биологический эффект облучения. Эквивалентная доза равна поглощенной дозе в органе или ткани, умноженной на соответствующий коэффициент качества для данного вида излучения. Отдельные эксперименты, проведенные на борту космических станций, не дают полной картины изменения коэффициента качества космического излучения с циклом солнечной активности, не учитывают глубину залегания критических органов и тканей космонавта, места нахождение космонавтов в различных отсеках станции. Поэтому необходимо привлекать расчетные методы, разработка которых является актуальной проблемой.

Поскольку измерить распределения поглощенных доз внутри тела космонавта не представляется возможным, для расчетных и экспериментальных целей используются различные модели тела человека, называемые фантомами. Существующий ГОСТ 25645.203 предусматривает возможность использования как антропоморфного тканеэквивалентного гомогенного фантома, который имеет форму и усредненные размеры человека (мужчины), так и простых фантомов в виде совокупности двух эллиптических цилиндров или шара. Форма антропоморфного фантома представлена в цилиндрической системе координат таблицами сечений. Такое задание фантома затрудняет его использование совместно с моделью защищенности российского сегмента МКС, описываемой алгебраическими уравнениями второго порядка в декартовой системе координат. На практике использование фантомов на МКС началось только в 2004 году, однако до настоящего времени экспериментальные исследования не завершены и вопрос об оценках эквивалентных доз, полученных космонавтами, остается открытым. В связи с этим большую роль играют расчетно-теоретические фантомные исследования. Настоящая работа посвящена проблеме создания эффективных методов оценки дозовых нагрузок на критические органы и ткани организма космонавта с учетом самоэкранированности при облучении космическим излучением сложного энергетического, зарядового и видового состава в условиях реального распределения защищенности рабочих мест конструкциями и оборудованием станции.

В соответствии с этим перед автором работы стояла следующая цель:

разработка методики оценки радиационных нагрузок - поглощенных и эквивалентных доз на критические органы и ткани космонавтов в экспедициях на МКС с использованием геометрической модели тела человека.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

• разработка геометрической модели тела человека, которая, с одной стороны, удобно сочетает в себе ряд свойств разработанной ранее математической модели антропоморфного фантома, с другой, позволяет использовать при расчетах модель защищенности российского сегмента МКС.
• проведение расчетов функций экранированности в представительных точках критических органов и тканях организма для геометрической модели тела человека и их сравнение с аналогичными характеристиками, полученными для антропоморфного фантома;
• модернизация программы защищенности станции с учетом размещения геометрической модели тела человека в различных отсеках и проведение расчетов функций экранированности;
• оценка поглощенных и эквивалентных доз на критические органы и ткани космонавтов, оценка коэффициентов качества космического излучения в отсеках станции в период проведения 13 - ти экспедиций на МКС;
• определение переходных коэффициентов для оценок поглощенных доз в отсеках станции по показаниям штатного радиометра Р-16.

Методы исследования:

• математическое моделирование;
• численные методы математического анализа и математической статистики;
• сравнительный анализ результатов расчетов и экспериментальных данных.

Научная новизна:

• разработана новая эффективная модель тела человека (фантом) в геометрическом представлении;
• впервые проведен сравнительный анализ результатов расчетов и экспериментальных данных по динамике распределения поглощенных доз в РС МКС и подтверждена достоверность методики расчетов доз;
• впервые проведен анализ пространственного распределения поглощенных и эквивалентных доз внутри фантома, помещенного в различных отсеках РС МКС, в зависимости от ориентации фантома;
• впервые получена расчетная оценка коэффициента качества космического излучения в отсеках станции за весь период ее функционирования с августа 2000 г. по сентябрь 2006 г.

Практическая ценность работы:

• создано новое эффективное методическое средство для оперативной оценки радиационных нагрузок на космонавтов;
• проведен детальный анализ радиационных нагрузок в отсеках РС МКС и определены поглощенные и эквивалентные дозы для космонавтов во всех экспедициях на МКС по реальным баллистическим и гелиогеофизическим параметрам и защитным функциям станции с учетом циклограммы работы космонавтов. Полученные данные являются основой медицинских заключений о профессиональной пригодности космонавтов и возможности их дальнейших космических полетов;
• создана база данных ежедневного мониторинга радиационной обстановки, включающая результаты оперативного контроля по штатному радиометру Р-16, оценки поглощенных и эквивалентных доз, баллистические характеристики орбиты МКС, значения геомагнитных параметров и индексов солнечной активности, характеристики межпланетного магнитного поля, значения потоков частиц со спутников ИСЗ GOES. Мониторинг ежедневного контроля охватывают период свыше 6 лет;
• полученные оценки коэффициента качества космического излучения позволяют проводить оценки эквивалентных доз и сравнение их с установленными нормами космических полетов.

На защиту выносятся следующие положения:

• разработанная геометрическая модель тела человека, включающая в себя ряд свойств имеющейся математической модели антропоморфного фантома, а по форме математического описания аналогичная модели защищенности российского сегмента МКС;
• база данных для оперативной оценки и последующего анализа радиационных нагрузок, включающая 113 параметров: баллистические характеристики орбиты МКС, значения геомагнитных параметров и индексов солнечной активности, характеристики межпланетного магнитного поля, значения потоков частиц, измеряемых на искусственных спутниках Земли, ежедневные значения поглощенных и эквивалентных доз. База охватывает период свыше 6 лет по 13-ти экспедициям МКС;
• расчетные оценки радиационных нагрузок на космонавтов МКС и результаты их анализа по поглощенным и эквивалентным дозам в критических органах и тканях человека для различных отсеков станции.

ичный вклад автора заключается в выполнении основного объема теорети-

ческих и расчетных исследований, изложенных в диссертационной работе, включая разработку модели тела человека, создание базы данных по радиационной обстановке на станции, содержащую обработку экспериментальных данных со штатных дозиметров, анализ и оформление результатов в виде публикаций и научных докладов.

Апробация работы.

Результаты и положения диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах.

Результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Шестая международная научно-практическая конференция Пилотируемые полеты в космос 10-11 ноября 2005 г., Звездный городок, Московская обл.

2. Ежегодная конференция по космической биологии и авиакосмической медицине, Москва, ГН - РФ ИМБП РАН, 2005 г.

Объем и структура.

Диссертация изложена на 136 страницах машинописного текста, включая 27 таблиц и 36 рисунков, состоит из введения, 4 глав, содержащих описания материалов, теоретических и экспериментальных исследований, заключения, выводов и списка использованных источников, включающего 78 наименований.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность проблемы оценки радиационных нагрузок на космонавтов, сформулирована цель исследования - разработка методики оценки поглощенных и эквивалентных доз на критические органы и ткани космонавтов по экспедициям на МКС. Обоснованы новизна и практическая значимость результатов исследований.

В первой главе представлен анализ известных методов расчета поглощенных и эквивалентных доз в различных фантомах, используемых для космических пилотируемых аппаратов. Рассмотрены типы используемых фантомов, рекомендованных в ГОСТ 25645.203.

Фантомные исследования проводятся в дозиметрии ионизирующих излучений достаточно давно, практически с того времени, когда возник вопрос о необходимости уточнения воздействия ионизирующих излучений на организм человека. В качестве фантомов использовались различные модели: от заполненных водой специальных объемов до антропоморфных фантомов из различных пластмасс. В данной работе рассматриваются фантомы, предназначенные для исследований, связанных с воздействием на человека космических ионизирующих излучений при выполнении пилотируемых космических полетов. Проанализированы результаты расчетов доз на станции МИР. Показано, что оценки носят приблизительный характер и выполнены для граничных условий (максимум или минимум солнечной активности).

В главе дан обзор основных характеристик источников космического излучения, способных давать заметный вклад в поглощенную дозу, воздействующую на космонавтов: протоны и электроны радиационных поясов Земли (РПЗ); протоны и более тяжелые частицы галактических космических лучей (ГКЛ); протоны солнечных космических лучей (СКЛ).

На основе анализа моделей выбрана методика расчетов характеристик различных составляющих космической радиации, используемая далее в работе. Модель учитывает: прохождение частиц через магнитосферу Земли (для ГКЛ и СКЛ); прохождение излучений через оболочку и оборудование КА; формирование дозового поля внутри КА и тела космонавта с учетом экранированности рабочих мест и самоэкранированности.

Во второй главе представлена новая методика расчета функций экранированности антропоморфного фантома и разработанный геометрический фантом.

Для расчета поглощенных и эквивалентных доз в теле космонавтов предназначен ГОСТ 25645.203. В нем установлены размеры и форма антропоморфного тканеэквивалентного гомогенного фантома, а также определены координаты представительных точек некоторых систем организма человека: кроветворной системы (КТС) 14 точек, хрусталика глаза (ХГ) 2 точки, желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) 3 точки, центральной нервной системы (ЦНС) 1 точка и кожи (КЖ) 2 точки. Формы отдельных частей антропоморфного фантома представлены в цилиндрической системе. Каждая часть фантома имеет собственное начало координат. Использована неравномерная шкала высот для обеспечения правильности описания формы фантома.

Для расчета функции экранированности выбранной представительной точки фантома использовалась методика вычисления расстояния от этой точки до поверхности фантома по всем направлениям в 4 стерадиан. В расчете использовались численное разбиение для азимутального угла шаг = 2 и по косинусу полярного угла шаг Cos = 0,02, т.е. всего использовалось 18000 направлений.

На рис. 1,2 представлены некоторые результаты расчетов функций экранированности антропоморфного фантома по нашей методике в сравнении с результатами работы (Красильников Г.В. и др. 1992) и работы (Карташов Д.А. и др. 2004), рассчитываемые методом статистических испытаний. Наши результаты представлены сплошной кривой, проведенной по правой границе интервалов толщин.

Рис. 1. Функции экранированности Р(х) в зависимости от глубины залегания Х точек КТС на груди (а) и на спине (б). Сплошная кривая - наши расчеты, треугольники результаты работы (Красильников Г.В. и др. 1992), точки - результаты работы (Карташов Д.А. и др. 2004).