Дозы радиации в окололунном пространстве. Рентгеновское излучение Солнца по данным GOES
21:19
Характерной особенностью рентгеновского излучения является очень короткая длина волны, что позволяет этому виду электромагнитных волн нести большую энергию и придает ему высокую проникающую способность. В отличие от света, рентгеновские лучи способны проникать сквозь тело человека ("просвечивать его").
Во время прохождения через организм человека рентгеновские лучи "разбивают" сложные молекулы и атомы ДНК человека на заряженные частицы и активные молекулы.
В отличие от протонного ливня и солнечного ветра, опасность которых можно предупредить за час, рентгеновское излучение распространяется со скоростью света. Заблаговременно предупредить об их "приближении" физически невозможно. По этой причине рентгеновские лучи могут представлять собой неожиданную и серьезную угрозу для человека на Луне.
Как и в случае других видов радиации, опасным считается только рентгеновское излучение определенной интенсивности, которое воздействует на организм человека в течение достаточно долгого промежутка времени.
СОДЕРЖАНИЕ
Данные спутника GOES за 30 лет
Список протонных солнечных событий с 1996 по 2013 год
Дозы радиации от солнечных протонных событий для разных значений защиты модуля в окололунном пространстве
Радиационные требования к лунным поселениям
Данные спутника ACE с 1996 по 2013 год
Дозы радиации от солнечного ветра для разных значений защиты модуля в окололунном пространстве
Американские ученые о радиационном риске рентгеновского излучения от Солнца
Данные рентгеновского излучения Солнца по GOES с 2012 по 2013 год
Данные рентгеновского излучения Солнца по GOES за 30 лет
Дозы радиации от рентгеновского излучения в окололунном пространстве
Радиационные требования к лунному скафандру
Галактические космические лучи
Окна для безопасного освоения Луны
Американские ученые о радиационном риске рентгеновского излучения от Солнца
Дэвид Смит (David Smith) из лаборатории лунных и планетных исследований в г. Таксон, штат Аризона, и Джон Скало (John Scalo) из техасского университета в г. Остин провели исследование по радиационному риску рентгеновского излучения [1].
Проведенные учеными расчеты показали, что астронавт в околоземном или окололунном космическом пространстве в современном скафандре за 100 часов с вероятностью 10% получит опасную для здоровья и жизни дозу радиации. Пороговый уровень поглощенной дозы ионизирующего излучения был определен в 0,1 Грэй (10 рад). При дозе в 0,1 Грэй возможны внутренние кровоизлияния, растет риск развития злокачественных новообразований.
Рис. 1. Поглощенная доз радиации от массовой защиты полимера (представляющая защиту текущих скафандров) для рентгеновской вспышки 1031 эрг в зависимости от спектрального индекса. Доза радиации чувствительная к массовой защите и спектральному индексу вспышки. Для снижения дозы рентгеновского излучения до уровня ниже наших приняты максимально допустимые острой дозы 0,1 Гр массовая толщина полимера должна быть выше 2 г/ см2.
В работе сравнивается эффективность защиты из трансэквивалентного вещества и алюминия.
Рис. 2. Поглощенная доз радиации от массовой защиты алюминия (представляющая текущее исследование для защиты скафандров) для рентгеновской вспышки 1031 эрг в зависимости от спектрального индекса. Алюминий имеет более высокий атомный номер, чем углерод в полимерах (13 против 6) и поглощает рентгеновские лучи гораздо более эффективно. Для 2 г/ см2 из алюминия доза радиации уменьшается ниже 0,05 Гр.
Исследования показывают, что предпочтение имеет защита из алюминия, чем из полимеров.
В работе сделано заключение, что современные средств защиты от рентгеновского излучения представляет собой новую серьезную проблему – для ее существенного снижения в расчете на одного астронавта необходим, по расчетам ученых, алюминиевый «зонтик» площадью 2-3 квадратных метра и массой 14-21 кг.
Данная работа проводилась, как часть исследований NASA по астробиологии по программе Экзобиология, гранты NNG04GK43G 2007 г.
В настоящей работе проведено независимое исследование результатов американских ученых.
Данные рентгеновского излучения Солнца по GOES с 2012 по 2013 год
На рис. 3 приведены потоки рентгеновского излучения от Солнца за 2012 и 2013 года [2].
Рис. 3. Изменения интенсивности рентгеновского излучения и дозы радиации рад/сек с 2012 по 2013 год. Нелинейная шкала слева – уровни потока рентгеновского излучения от Солнца по данным спутника GOES, нелинейная шкала справа – доза радиации в единицах рад в секунду человека в скафандре с эффективной защитой 0,25 г/см2 тканеэквивалентного вещества. Жми, чтобы увеличить.
На рис. 3 приведены данные для точек через каждые 5 минут с сентября 2012 года по март 2013 года для рентгеновского излучения с длиной волны 1,0-8,0 А и 0,5-4,0 А. Средняя интенсивность составляет ~ 10-6 Ватт/м2 и 3·10-9 Ватт/м2, соответственно. Как и в случае пиков протонного и электронного излучения, рентгеновское излучение имеет пики за сутки, неделю, месяц. Резкое увеличение жесткого рентгеновского излучения продолжается 35-40 минут, пики мягкого рентгеновского излучения продолжаются 60-120 минут, затем они спадают.
За сутки средняя интенсивность мягкого рентгеновского излучения за 2012-2013 год составляет ~ 86 мВатт/м2сутки.
Это высокое радиационное излучение. Опасность данного излучения справедлива для орбитальных станций, околоземного и окололунного пространства.
Данные рентгеновского излучения Солнца по GOES за 30 лет
На рис. 4 приведены потоки мягкого рентгеновского излучения от Солнца с 1983 по 2013 года по данным GOES [3].
Рис. 4. Изменение интенсивности мягкого рентгеновского излучения и дозы радиации рад/сут с 1983 по 2013 год. Нелинейная шкала слева – уровни потока рентгеновского излучения от Солнца по данным спутника GOES, нелинейная шкала справа – доза радиации в единицах рад в сутки человека в скафандре с эффективной защитой 0,25 г/см2 тканеэквивалентного вещества. Горизонтальные линии отмечают уровни для сравнения: жёлтая – доза при единичной рентгенографии грудной клетки, оранжевая – доза при томографии позвонков, алая - порог радиационных заболеваний, красная - смертельная доза для человека. Жми, чтобы увеличить.
Можно отметить, что в год максимума солнечной активности интенсивность мягкого рентгеновского излучения варьируется между 0,04 и 0,86 Ватт/м2сутки при среднем фоне ~0,150 Ватт/м2сутки.
В год минимума солнечной активности средний фон рентгеновского излучения уменьшается почти в 100 раз и составляет ~2 мВатт/м2сутки. При этом увеличивается вариация рентгеновского потока от 0,4 (порог чувствительности приборов) до 400 мВатт/м2сутки.
Дозы радиации от рентгеновского излучения в окололунном пространстве
Зная интенсивность рентгеновского излучения и длину волны, мы можем провести расчет дозы радиации, которые получает экипаж, в зависимости от защитных экранов, корпуса лунного модуля или скафандра.
Интенсивность рентгеновского излучения Io, проходя через слой материала толщиной х и плотностью ρ, ослабевает по экспоненциальному закону
I = Io exp[-μ(x/ρ)],
где μ - массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения см2/г, х/ρ - массовая толщина зашиты г/см2. Если рассматривают несколько слоев, тогда под экспонентой находятся несколько слагаемых со знаком минус.
Мощность поглощенной доза радиации от рентгеновского излучения за единицу времени N определяется интенсивностью излучения I и массовым коэффициентом поглощения μEN
N = μEN I
Для расчетов массовые коэффициенты ослабления и поглощения для разных значений энергии рентгеновского излучения взяты согласно NIST X-Ray Mass Attenuation Coefficients [4].
В таблице 1 приведены используемые параметры и результаты расчетов для поглощенной и эквивалентной дозы радиации от защиты.
Табл. 1. Характеристика рентгеновского излучения, коэффициенты ослабления в Al и поглощения в организме, толщина защиты, результат расчета поглощенной и эквивалентной дозы радиации за сутки*
Рентгеновское излучение от Солнца
Коэф. ослаб. и поглощ.
Поглощенная и эквивалентная доза радиации от внешней защиты, рад/сут (мЗв/сут)
длина волны, А
E, кэВ
сред. поток, Ватт/м2
Al, см2/г
орг. кость, см2/г
1,5 г/ см2 (LM-5)
0,35 г/ см2 (скаф. Кречет)
0,25 г/ см2 (скаф. XA-25)
0,15 г/ см2 (скаф. XA-15)
0,25 г/ см2 (скаф. XO-25)
0,21 г/ см2 (скаф. ОрланМ)
0,17 г/ см2 (скаф. A7L)
1,2560
10,0
1,0·10-6
26,2
28,5
0,0000
0,0006
0,0083
0,1114
1,0892
1,2862
1,5190
0,6280
20,0
3,0·10-9
3,44
4,00
0,0001
0,0038
0,0054
0,0075
0,0061
0,0063
0,0065
0,4189
30,0
1,0·10-9
1,13
1,33
0,0003
0,0010
0,0010
0,0012
0,0009
0,0009
0,0009
Итого рад/сут:
Итого мЗв/сут:
0,000
0,004
0,005
0,054
0,015
0,147
0,120
1,202
1,0961
10,961
1,2934
12,934
1,5263
15,263
*Примечание - толщина защиты LM-5 и скафандров "Кречет", "ХА-25" и "ХА-15" в алюминиевом эквиваленте, что соответствует 5,6, 1,3, 0,9 и 0,6 мм листового алюминия [5]; толщина защиты "ХО-25", "Орлан-М" и A7L тканеэквивалентного вещества [6], что соответствует 2,3, 1,9 и 1,5 мм тканеэквивалента.
Данную таблицу используют для оценки дозы радиации за сутки для других значений интенсивности рентгеновского излучения, умножая на коэффициент отношения между табличным значением потока и искомым усредненным за сутки. Результаты расчетов приведена на рис. 3 и 4 в виде шкалы поглощенной дозы радиации.
Расчет показывает, что лунный модуль с защитой 1,5 г/см2 (или 5,6 мм Al) полностью поглощает мягкое и жесткое рентгеновское излучение Солнца. Для самой мощной вспышке от 4 ноября 2003 года (по состоянию на 2013 год и регистрируемых с 1976 года) интенсивность ее рентгеновского излучения в пике составляла 28·10−4 Вт/м2 для мягкого излучения и 4·10−4 Вт/м2 для жесткого излучения. За сутки усредненная интенсивность составит, соответственно, 10 Вт/м2сут и 1,3 Вт/м2. Доза радиации для экипажа за сутки равна 8 рад или 0,08 Гр, что безопасно для человека.
Вероятность подобных событий, как 4 ноября 2003 года, определяется как 30 минут за 37 лет. Или равна ~1/650000 час−1. Это очень низкая вероятность. Для сравнения - среднестатистический человек проводит вне дома за всю свою жизнь ~300000 часов, что соответствует возможности быть очевидцем ренгеновского события от 4 ноября 2003 года с вероятностью 1/2.
Для определения радиационных требований к скафандру мы рассматриваем рентгеновские вспышки на Солнце, когда их интенсивность увеличивается в 50 раз для мягкого излучения и 1000 раз для жесткого излучения по отношению к среднему суточному фону максимальной активности Солнца. Согласно рис. 4, вероятность таких событий - 3 вспышки за 30 лет. Интенсивность для мягкого рентгеновского излучения будет равна 4,3 Ватт/м2сутки и для жесткого - 0,26 Вт/м2.
Радиационные требования и параметры лунного скафандра
В скафандре на поверхности Луны эквивалентные дозы радиации от рентгеновского излучения увеличиваются.
При использовании скафандра "Кречет" для табличных значений интенсивности излучения доза радиации составит 5 мрад/сут. Защиту от рентгеновского излучения обеспечивает 1,2-1,3 мм листового алюминия [5], уменьшая интенсивность излучения в ~e9=7600 раз. При использовании меньшей толщины листового алюминия дозы радиации увеличиваются: для 0,9 мм Al - 15 мрад/сути, для 0,6 мм Al - 120 мрад/сути.
Согласно МАГАТЭ, такой радиационный фон признан нормальным условием для человека.
При увеличении мощности излучения от Солнца до значения 0,86 Ватт/м2сутки доза радиации для защиты 0,6 мм Al равна 1,2 рад/сути, что находится на границе нормальных и опасных условий для здоровья человека.
Лунный скафандр "Кречет". Вид на открытый ранцевый люк, через который космонавт входит в скафандр. В рамках советской лунной программы понадобилось создать скафандр, позволяющий достаточно длительное время работать непосредственно на Луне. Он имел название «Кречет» и стал прообразом скафандров «Орлан», которые используются сегодня на МКС для работы в открытом космосе [7]. Вес 106 кг.
Доза радиации увеличивается на порядок при использовании защиты тканеэквивалентного вещества (полимеры, как майлар, капрон, фетр, стекловолокно). Так для скафандра "Орлан-М" при защите 0,21 г/см2 тканеэквивалентного вещества [5] интенсивность излучения уменьшается в ~e3=19 раз и доза радиации от рентгеновского излучения для костной ткани организма составит 1,29 рад/сути. Для защиты 0,25 г/см2 и 0,17 г/см2, соответственно, 1,01 и 1,53 рад/сути.
Экипаж Аполлон-16 Джон Янг (командир), Томас Маттингли (пилот командного модуля) и Чарльз Дьюк (пилот лунного модуля) в скафандре A7LB. Самостоятельно одеть такой скафандр сложно. Жми, чтобы увеличить.
Юджин Сернан в скафандре A7LB, миссия Аполлона-17.
A7L — основной тип скафандра использовавшийся астронавтами НАСА в программе Аполлон до 1975 года.Вид с разрезом верхней одежды [8]. Верхняя одежда включала: 1) огнеупорная ткань из стекловолокна весом 2 кг, 2) экранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ) для защиты человека от перегрева при нахождении на Солнце и от чрезмерной потери тепла на неосвещенной поверхности Луны, представляет собой пакет из 7 слоев тонкой пленки майлара и капрона с блестящей алюминированной поверхностью, между слоями проложена тончайшая вуаль волокон дакрона, вес составлял 0,5 кг; 3) противометеорный слой из нейлона с неопреновым покрытием (толщиной 3–5 мм) и весом 2–3 кг [9]. Внутренняя оболочка скафандра изготавливалась из прочной ткани, пластика, прорезиненной ткани и резины. Масса внутренней оболочки ~20 кг. В комплект входили шлем, рукавицы, боты и СОЖ. Масса комплекта скафандра A7L для внекорабельной деятельности 34,5 кг [10].
При увеличении интенсивности излучения от Солнца до значения 0,86 Ватт/м2сутки доза радиации для защиты 0,25 г/см2, 0,21 г/см2 и 0,17 г/см2 тканеэквивалентного вещества, соответственно, равна 10,9, 12,9 и 15,3 рад/сути. Такая доза равноценна 500-700 процедурам рентгенографии грудной клетки человека.
Однократная доза 10-15 рад влияет на нервную систему и психику, на 5% повышается риск заболевания лейкозом крови, наблюдают умственную отсталость у потомков родителей. По МАГАТЭ такой радиационный фон представляет очень серьезную опасность для человека.
При интенсивности рентгеновского излучения 4,3 Ватт/м2сутки дозы радиации за сутки имеет значение 50-75 рад и вызывает радиационные заболевания.
Космонавт Михаил Тюрин в скафандре Орлан-М [11]. Скафандр использовался на станции МИР и МКС с 1997 по 2009. Вес 112 кг. В настоящее время на МКС используется Орлан-МК (модернизированный, компьютеризированный). Вес 120 кг.
Самый простой выход - это снижение времени пребывания космонавта под прямыми лучами Солнца до 1 часа. Поглощенная доза радиации в скафандре Орлан-М уменьшится до 0,5 рад. Другой подход - работа в тени космической станции, в этом случае длительность внекорабельной деятельности можно значительно увеличить, несмотря на высокое внешнее рентгеновское излучение.
В случае пребывания на поверхности Луны далеко за пределами лунной базы быстрое возвращение и укрытие не всегда возможно. Можно воспользоваться тенью лунного ландшафта или зонтиком от ренгеновских лучей...
Простым эффективным способом защиты от рентгеновского излучения Солнца является использование листового алюминия в скафандре. При 0,9 мм Al (толщина 0,25 г/см2 в алюминиевом эквиваленте) скафандр имеет 67-кратный запас от среднего рентгеновского фона. При 10 кратном увеличении фона до 0,86 Ватт/м2сутки доза радиации равна 0,15 рад/сути. Даже при внезапном 50-кратном увеличении рентгеновского потока от среднего фона до значения 4,3 Ватт/м2сутки поглощенная доза радиации за сутки не превысит 0,75 рад.
При 0,7 мм Al (толщина 0,20 г/см2 в алюминиевом эквиваленте) защита сохраняет 35-кратный радиационный запас. При 0,86 Ватт/м2сутки доза радиации составит не более 0,38 рад/сути. При 4,3 Ватт/м2сутки поглощенная доза радиации не превысит 1,89 рад.
Как показывают расчеты, для обеспечения радиационной защиты, как 0,25 г/см2 в алюминиевом эквиваленте, требуется тканеэквивалент в 1,4 г/см2. При таком значении массовой защиты скафандра возрастет его толщина в несколько раз и понижает его юзабилити.
ИТОГИ И ВЫВОДЫ
В случае протонного излучения тканеэквивалентная защита имеет преимущество перед алюминием на 20-30%.
При рентгеновском излучении предпочтение имеет защита скафандра в алюминиевом эквиваленте, чем из полимеров. Данный вывод совпадает с результатами исследований Дэвида Смита (David Smith) и Джона Скало.
Лунные скафандры должны иметь два параметра защиты: 1) параметр защиты скафандра тканеэквивалентного вещества от протонного излучения, не ниже 0,21 г/см2; 2) параметр защиты скафандра в алюминиевом эквиваленте от рентгеновского излучения, не ниже 0,20 г/см2.
При использовании во внешней оболочке скафандра с площадью 2,5-3 м2 защиты Al масса скафандра на базе Орлан-МК увеличится на 5-6 кг.
Для лунного скафандра суммарная поглощенная доза радиации от солнечного ветра и рентгеновских лучей Солнца в год максимума солнечной активности составит 0,19 рад/сут (эквивалентная доза радиации - 8,22 мЗв/сут). Такой скафандр имеет 4-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра и 35-кратный запас радиационной прочности для рентгеновского излучения. Никакие дополнительные меры защиты, как радиационные алюминиевые зонтики, не нужны.
Для скафандра Орлан-М, соответственно, 1,45 рад/сут (эквивалентная доза радиации - 20,77 мЗв/сут). Скафандр имеет 4-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра.
Для скафандра A7L (A7LB) миссии Аполлон, соответственно, 1,70 рад/сут (эквивалентная доза радиации - 23,82 мЗв/сут). Скафандр имеет 3-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра.
При непрерывном пребывание в течении 4 суток на поверхности Луны в современных скафандрах Орлан или типа A7L человек набирает дозу радиации 0,06-0,07 Гр, что представляет опасность для его здоровья. Это соответствует выводам Дэвида Смита (David Smith) и Джона Скало, что в окололунном космическом пространстве в современном скафандре за 100 часов с вероятностью 10% человек получит опасную для здоровья и жизни дозу радиации выше 0,1 Грэй. Для скафандров Орлан или типа A7L необходимы дополнительные меры защиты от рентгеновского излучения, как радиационные алюминиевые зонтики.
Предлагаемый лунный скафандр на базе Орлан за 4 суток набирает дозу радиации 0,76 рад или 0,0076 Гр. (Один час пребывания на поверхности луны в скафандре под солнечным ветром соответствует двум процедурам рентгенографии грудной клетки). Согласно МАГАТЭ радиационный риск признан нормальным условием для человека.
NASA проводит испытания нового скафандра для готовящегося в 2020 году полета человека на Луну. Фото NASA
Кроме радиационного риска от солнечного ветра и рентгеновского излучения Солнца идет поток галактических космических лучей. Об этом далее.
Литература и ссылки:
David S. Smith and John M. Scalo, Risks due to X-ray flares during astronaut extravehicular activity, SPACE WEATHER, VOL. 5, S06004, doi:10.1029/2006SW000300, 2007.
Space Weather Events. sxi.ngdc.noaa.gov/sxi_greatest.html
Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients from 1 keV to 20 MeV for Elements Z = 1 to 92 and 48 Additional Substances of Dosimetric Interest
Карташов Дмитрий Александрович, Радиационные нагрузки на космонавта при внекорабельной деятельности в скафандре «Орлан-М» на низких околоземных орбитах, 3 глава, Диссертация на соискание ученой степени кандидат технических наук.
Кречет (скафандр). Материал из Википедии — свободной энциклопедии. 2013.
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Чтобы писать комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
» Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации. Зарегистрируйтесь на портале чтобы оставлять комментарии
Материалы предназначены только для ознакомления и обсуждения. Все права на публикации принадлежат их авторам и первоисточникам. Администрация сайта может не разделять мнения авторов и не несет ответственность за авторские материалы и перепечатку с других сайтов. Ресурс может содержать материалы 16+
Характерной особенностью рентгеновского излучения является очень короткая длина волны, что позволяет этому виду электромагнитных волн нести большую энергию и придает ему высокую проникающую способность. В отличие от света, рентгеновские лучи способны проникать сквозь тело человека ("просвечивать его").
