Оценка радиационных нагрузок на космонавтов мкс с использованием геометрической модели тела человека

Одна из рекомендаций ГОСТ 25645.203 состоит в том, что допускается использование упрощенной модели фантома в виде шара радиусом 170 мм с внутренней полостью радиусом 50 мм. Мы провели сравнение функций экранированности представительных точек шарового фантома (кожа – КЖ на расстоянии от центра = 169,93 мм, хрусталик глаза - ХГ = 167 мм, кроветворная система - КТС = 120 мм, центральная нервная система ЦНС = 100 мм и желудочно-кишечный тракт- ЖКТ =80 мм) с соответствующими функциями антропоморфного фантома. Для выполнения таких сравнений были определены функции экранированности антропоморфного фантома как средние значения по всем представительным точкам, относящимся к конкретной системе. По полученным результатам можно сделать следующие выводы: функции экранированности представительных точек для шарового фантома существенно отличаются от соответствующих функций фантома антропоморфного.

Выбранное представление антропоморфного фантома заданного в ГОСТ 25645.203 плоскими сечениями в виде таблиц требует значительного машинного времени для расчетов, и не совпадает по форме математического представления с моделью защищенности станции. Для устранения этого неудобства нами была разработана модель тела человека в геометрическом представлении, удобно сочетающая в себе ряд свойств разработанной ранее математической модели антропоморфного фантома и позволяющая использовать при расчетах модель защищенности рос-

сийского сегмента МКС.

Разработанный геометрический фантом представляет собой набор из 16 геометрических зон, заключенных в 28 поверхностях, описываемых уравнениями второго порядка. Отдельные части тела описаны следующими геометрическими фигурами.

1. Трехосные эллипсоиды: 1 – голова, 3 - плечевой пояс (до вспомогательной плоскости раздела плечевого пояса и торса), 5,6 – тазобедренные суставы (от плоскости раздела торса и тазобедренных суставов до плоскости раздела тазобедренных суставов и ног), 15,16,17,18 – внешняя и внутренняя поверхности рук (от плоскости раздела руки и кисти).

2. Эллиптический цилиндр: 2 – шея (от головы до плечевого пояса).

3. Эллиптические конусы: 4 – торс (от вспомогательной плоскости раздела плечевого пояса и торса до плоскости раздела торса и тазобедренных суставов); 7,8 – ноги (от плоскости раздела тазобедренных суставов и ног до плоскости раздела голеней и ступней); 9,10 – пятки (от плоскости раздела ног и ступней до основания по высоте и до разделения со ступней по горизонтали); 11,12 – ступни (от плоскости раздела ног и ступней до основания по высоте и от разделения с пяткой по горизонтали); 13,14 – руки (от плоскости раздела плечевого пояса и торса до плоскостей раздела рук и кистей).

Система координат выбрана таким образом, что плоскость ОХY совпадает с плоскостью основания, на котором установлен фантом. Ось OZ проходит через центр головы, направлена вертикально вверх. Ось OX направлена от центра головы в сторону «лица», ось OY образует с двумя другими осями правую тройку. Так уравнение для поверхности головы в системе координат X’Y’Z’ повернутой относительно выбранной системы в плоскости ОХY на 300 имеет канонический вид:

Где:

В диссертации представлено детальное описание уравнений всех поверхностей. На рис. 4 представлена схема геометрического фантома в двух проекциях в сравнении с антропоморфным фантомом. Обозначения поверхностей на рис. 4 соответствуют тексту. Видно совпадение основных геометрических размеров фантомов.

Во всех представительных точках фантома были рассчитаны функции экранированности для разработанного геометрического и заданного в ГОСТ 25645.203 антропоморфного фантома. При этом время счета каждой точки сократилось с 43 минут машинного времени для антропоморфного фантома до 14 секунд для геометрической модели тела человека для ЭВМ РС Pentium IV 1,4 Ггц.

Рис. 4. Схема геометрического фантома на фоне антропоморфного. Сплошная линия- антропоморфный фантом, пунктирная- геометрический фантом.

На рис. 5 показаны типичные примеры функций экранированности для представительных точек антропоморфного и геометрического фантомов.

Рис. 5. Сравнение функций экранированности Р(х) представительных точек КТС фантома. а – точка № 1 (позвонок Атлант), б – точка № 6 (челюстная кость). Толстая кривая – антропоморфный фантом, тонкая кривая – геометрический фантом.

Из анализа представленных рисунков видно их хорошее совпадение по форме кривых. Аналогичные результаты получены и для остальных представительных точек. Проведенный статистический анализ показал, что наибольшее расхождение функций экранированности антропоморфного и геометрического фантомов по средним значениям составляет 8,7%, а по значениям дисперсии – 3,0%. Близость форм функций распределения и первых 2-х моментов (математического ожидания и дисперсии) свидетельствует о там, что разработанная в соавторстве геометрическая модель тела человека хорошо описывает самоэкранировку представительных точек тела человека и может использоваться для расчета доз на критические органы и ткани человека в разных отсеках МКС.

В третьей главе подробно описана процедура мониторинга радиационной обстановки на борту МКС за период с 2000 по 2006 гг. с указанием особенностей работы бортового радиометра Р-16, индивидуальных дозиметров «Пилле-МКС» и индивидуальных дозиметрических сборок «ИД-3МКС».

По результатам ежедневного оперативного контроля радиационной обстановки на МКС нами была сформирована база данных, в которую включались: результаты ежедневного оперативного контроля по штатному радиометру Р-16; баллистические характеристики орбиты МКС; значения геомагнитных параметров и индексов солнечной активности; характеристики межпланетного магнитного поля; значения потоков частиц измеряемых на искусственных спутниках Земли.

Также была создана отдельная база данных, в которую во время прохождения СПС заносились часовые значения потоков протонов с энергиями Е>10, 30, 50 и 100

100 МэВ, а также часовые значения DST – вариации.

Был проведен линейный корреляционный анализ динамики поглощенной дозы и гелио-геомагнитных и баллистических параметров. Результаты анализа представлены в таблице 1. Эти данные подтверждают ранее сделанный вывод о недостаточной связи мощности поглощенной дозы с индексами, характеризующими геомагнитную обстановку. Наиболее значимый коэффициент корреляции наблюдается с высотой орбиты.

Таблица 1. Коэффициенты корреляции измеренных доз по каналам D1 и D2 радиометра Р-16 с индексами гелио-геомагнитной активности и баллистическими параметрами

Зная баллистические параметры орбиты МКС, и используя известные методики расчетов доз, разработанные для станции МИР (Митрикас В.Г. 2000.), можно проверить применимость этих методик для МКС на примере сравнения расчетных и измеренных поглощенных доз штатным радиометром Р-16. Были проведены расчеты поглощенных доз в месте расположения радиометра Р-16 для каналов D1 и D2 от излучений РПЗ (протоны и электроны) и ГКЛ. При расчетах доз от ГКЛ значения потоков протонов в модельном описании ГКЛ нормировались на экспериментально определенные значения суточных потоков протонов из базы данных. Таким способом учитывались вариации потоков частиц ГКЛ. На рис. 6 и 7 представлены результаты расчетов в сравнении с экспериментальными данными.

Рис. 6. Сравнение динамики мощности поглощенной дозы по каналу D2 радиометра Р-16. Пунктирная кривая – экспериментальные данные, сплошная кривая – расчет.

Рис. 7. Сравнение динамики мощности поглощенной дозы по каналу D1 радиометра Р-16. Пунктирная кривая – экспериментальные данные, сплошная кривая – расчет.

При проведении расчетов и сравнений с экспериментальными данными не учитывался вклад в поглощенную дозу от протонов СПС. В экспериментальных данных в дни прихода на орбиту МКС протонов СПС в качестве значений мощности поглощенной дозы использованы средние значения результатов измерений за 2 - 3 суток до начала СПС и за 2 -3 суток после завершения прихода протонов от СПС.

Анализ полученных результатов показывает, что средняя разность между расчетными и измеренными результатами составляет для канала D1: -4,6 ± 19,9 мкГр (или 13,6%). Соответственно для канала D2: -14,9 ± 40,8 мкГр (или 21,8%). В качестве погрешности использованы значения среднеквадратичных отклонений. Таким образом, показана возможность применения этих методик для МКС от квазистационарных источников космических излучений в месте расположения радиометра Р-16. Данный вывод позволяет применять разработанную методику и в других местах пребывания космонавтов внутри РС МКС.

Отдельно проведено сравнения результатов расчетов поглощенных доз во время СПС с показаниями радиометра Р-16, превышающими общий среднесуточный фон в 100 – 150 мкГр. Нами были проанализированы все 12 СПС, зарегистрированные штатным прибором Р-16 за период эксплуатации станции.

На рис. 8 показана динамика среднечасовых потоков протонов СПС за 28.10.2003 года одного из самых крупных событий по данным искусственного спутника Земли GOES-10 вместе с динамикой среднечасовых значений амплитуды кольцевого тока

Рис. 8. Серия СПС начавшаяся 28.10.2003 г. Тонкой пунктирной кривой на обозначены значения потока протонов I с энергиями выше 10 МэВ. Тонкими сплошными кривыми обозначены потоки протонов с энергиями выше 30 МэВ и выше 50 МэВ, жирной сплошной кривой обозначены потоки протонов с энергиями выше 100 МэВ. Жирной пунктирной кривой показана мера амплитуды кольцевого тока Dst (правая ось ординат).

Анализ рис. 8 иллюстрирует факт наличия в этот период двух СПС. При этом вторая вспышка началась на фоне сильной геомагнитной бури. Dst-вариация достигала значения в 310 нТл. На фазе спада потоков протонов произошла еще одна сильная буря, во время которой Dst-вариация достигала значения в 347 нТл. Из-за наличия магнитных бурь вклад в поглощенную дозу от второй вспышки превысил вклад от первой вспышки, хотя суммарный поток протонов с энергиями больше 30 МэВ в первой вспышке был почти в 6 раз больше, чем во второй.

Рис. 9. Динамика накопления поглощенной дозы D от СПС начавшегося 28.10.2003 г.

Расчетная динамика накопления поглощенной дозы по каналу D2 радиометра Р-16 представлена на рис. 9 сплошной тонкой кривой, по каналу D1 - пунктирной тонкой кривой. Экспериментальные значения представлены зачерненными треугольниками - по каналу D2, зачерненными кружочками - по каналу D1.

Из анализа рис. 9 видно хорошее согласие расчетных и экспериментальных измерений при возмущенной радиационной обстановке от протонных потоков при солнечных вспышках.

Общий вывод по результатам сравнения расчетов с экспериментальными данными заключается в том, что имеющиеся расчетные модели вполне пригодны как для расчетов поглощенных доз от квазистационарных источников космических ионизирующих излучений (ГКЛ и РПЗ), так и от стохастических источников (СПС).

Были рассмотрены величины доз для нескольких мест расположения космонавтов, в которых в модели защищенности РС МКС были размещены геометрические фантомы. Первое место в районе центрального поста управления (ЦПУ), второе – в районе рабочего стола (Стол), третье в левой каюте (КЛБ), четвертое – в левой и правой каюте (КПБ), пятое – в переходном отсеке (ПХО). При проведении расчетов доз в критических органах и тканях человека, определенных по представительным точкам фантома (ГОСТ 25645.203), нами получено, что поглощенные дозы весьма существенно зависят от пространственной ориентации фантома (направление “взгляда”). Были рассмотрены следующие случаи: в сторону ПХО -вперед, в противоположном направлении – в сторону переходной камеры (ПРК) - назад, в сторону правого борта и в сторону левого борта. Выполнены расчеты для периодов прохождения на орбиту МКС протонов всех СПС, зарегистрированных штатным дозиметром Р-16 за период функционирования МКС. Эти периоды менялись от 1 до 6 дней, в зависимости от мощности события.

Из рассмотрения полученных результатов следует, что при размещении фантома около рабочего стола наиболее опасным направлением является направление «вперед». Для этого направления поглощенная доза для ХГ (среднее значение по двум ХГ), в среднем, на 25% больше, чем при ориентации фантома в «правый борт» (максимальное отклонение 49% во время прохождения СПС от 28.10.2003). При ориентации фантома в «левый борт» среднее по всем СПС превышение поглощенных доз над значениями поглощенных доз при ориентации фантома в «правый борт» составляет 1,18. Будем называть далее это отношение коэффициентом неравномерности поглощенных доз. При ориентации фантома «назад» соответствующий коэффициент неравномерности равен 1,06. В периоды отсутствия СПС соответствующие значения коэффициента неравномерности составляют 1,16 для ориентации «вперед», 1,10 для ориентации фантома в «левый борт» и 1,08 для ориентации фантома «назад».

В таблицах 2 и 3 представлен средний по вспышкам коэффициент неравномерности поглощенных доз для различных критических органов и тканей человека, расположенного около стола (таблица 2) и в каюте (таблица 3). В скобках указан максимальный коэффициент; во всех случаях он относится к СПС от 28.10.2003.

Таблица 2. Средний по вспышкам коэффициент неравномерности поглощенных доз в фантоме, расположенном около стола.

Таблица 3. Средний по вспышкам коэффициент неравномерности поглощенных доз в фантоме, расположенном в правой каюте.