張守杰 江新標(biāo) 李 達(dá) 余小任 苗亮亮 馬 燕1（西北核技術(shù)研究所 西安 710024）

2（強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710024）

空間質(zhì)子輻射有效劑量測量的閃爍探測器理論設(shè)計(jì)

張守杰1,2江新標(biāo)1,2李 達(dá)1,2余小任1,2苗亮亮1,2馬 燕1,21（西北核技術(shù)研究所 西安 710024）

2（強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710024）

有效劑量可解決航天員在空間飛行中所受質(zhì)子輻射的危害比較與評價(jià)問題，在空間輻射危害評價(jià)中具有重要應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)空間質(zhì)子輻射有效劑量監(jiān)測,針對空間各向同性質(zhì)子輻射，利用蒙特卡羅程序設(shè)計(jì)了一種閃爍探測器。通過對探測器結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，在20-400 MeV能量范圍內(nèi)，各向同性質(zhì)子在該探測器內(nèi)沉積的能量與國際輻射防護(hù)委員會(International Commission on Radiological Protection, ICRP)116號報(bào)告提供的質(zhì)子有效劑量基本成正比。通過探測質(zhì)子沉積能量來監(jiān)測質(zhì)子輻射有效劑量，克服了直接測量有效劑量所存在的困難。對AP8MIN模型地球俘獲帶質(zhì)子能譜與隨機(jī)抽樣質(zhì)子輻射能譜，經(jīng)數(shù)值計(jì)算，探測器給出的有效劑量與ICRP 116號報(bào)告給出的有效劑量的相對偏差均小于±8%。

空間質(zhì)子輻射，有效劑量，蒙特卡羅模擬，閃爍探測器

空間電離輻射是載人航天遇到的重要有害環(huán)境因素之一，質(zhì)子是空間帶電粒子的主要組成部分，是對宇航員造成輻射傷害的重要源項(xiàng)。隨著載人航天的快速發(fā)展，宇航員在空間環(huán)境中的質(zhì)子輻射防護(hù)與監(jiān)測日益受到重視，空間質(zhì)子輻射劑量監(jiān)測對于保障航天員輻射安全具有重要意義[1-2]。

空間質(zhì)子輻射能量范圍寬，質(zhì)子從4π方向入射，受太陽粒子事件影響較大[2]，目前精細(xì)測量4π方向空間質(zhì)子能譜還存在較大困難?，F(xiàn)有空間帶電粒子探測器大多采用由數(shù)片半導(dǎo)體探測器組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)作為傳感器，只能在某一方向、某一確定大小立體角內(nèi)測量幾個能段的質(zhì)子通量[3-5]，并且望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)由多個探測器組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)編制的輻射帶模型，如AP9等監(jiān)測區(qū)域沒有覆蓋整個近地空間，這些模型是平均、靜態(tài)模型，不能反映真實(shí)輻射帶的復(fù)雜環(huán)境和漲落較大的動態(tài)變化，模型描述的輻射環(huán)境與實(shí)際觀測結(jié)果有較大的差異[6]，低高度質(zhì)子通量的偏差達(dá)到10倍，難以滿足空間質(zhì)子輻射劑量評估需求。

航天員在空間飛行中所受質(zhì)子輻射劑量率低、持續(xù)時間長，主要引起隨機(jī)性效應(yīng)[7]。目前國內(nèi)外對質(zhì)子劑量監(jiān)測主要針對吸收劑量與劑量當(dāng)量[8]，而不是監(jiān)測可評估不均勻照射引起的隨機(jī)性效應(yīng)發(fā)生幾率的有效劑量。有效劑量在空間輻射危害評價(jià)中具有重要應(yīng)用，美國國家輻射防護(hù)與測量委員會(National Council on Radiation Protection and Measurements, NCRP)發(fā)布的第132號報(bào)告對低地球軌道飛行的航天員全身照射劑量限值提出的新建議中就采用了有效劑量[9]。為評估有效劑量，對于光子與中子，目前的做法是采用可直接測量的實(shí)用量如周圍劑量當(dāng)量H*(10)來近似估計(jì)有效劑量。由于質(zhì)子與物質(zhì)相互作用方式不同于光子、中子，難以采用定義在國際輻射防護(hù)委員會(International Commission on Radiological Protection, ICRP)球或人體組織某一確定深度的實(shí)用量來評估質(zhì)子輻射有效劑量。目前有文獻(xiàn)提出利用仿真人體模型、多路探測器系統(tǒng)進(jìn)行有效劑量的測量[10]，該測量系統(tǒng)總共需28個探測器，形成28個測量通道，整個系統(tǒng)體積大、重量重，不適用于空間環(huán)境。為此，設(shè)計(jì)一個較為輕便的探測器，實(shí)現(xiàn)對空間質(zhì)子輻射有效劑量的監(jiān)測，對于評估宇航員受到的質(zhì)子輻射危害具有重要應(yīng)用價(jià)值。

1 探測器設(shè)計(jì)原理

有效劑量定義為：

式中：E為有效劑量；wT與wR分別是組織權(quán)重因子與輻射權(quán)重因子；HT為器官當(dāng)量劑量；DT,R表示輻射R在組織或器官T中的平均吸收劑量；mT為人體組織或器官T的質(zhì)量；DR為輻射R在器官或組織T質(zhì)量元dm中的吸收劑量。器官或組織平均吸收劑量DT,R是很難測量出的[10]，這也是直接測量有效劑量的難點(diǎn)。

ICRP于2010年發(fā)布的第116號報(bào)告[11]基于最新仿真人體模型模擬計(jì)算了不同照射條件下單位注量質(zhì)子有效劑量，給出了單位注量質(zhì)子有效劑量與質(zhì)子能量的對應(yīng)關(guān)系，如圖1所示。對各向同性輻射(Isotropic, ISO)，在1-200 MeV能量范圍內(nèi)，單位注量質(zhì)子有效劑量與質(zhì)子能量基本成線性關(guān)系，200-400 MeV范圍內(nèi)質(zhì)子穿透能力強(qiáng)，在人體組織器官內(nèi)沉積的能量隨入射質(zhì)子能量變化不大，此能量范圍內(nèi)質(zhì)子有效劑量隨質(zhì)子能量變化不大。需要注意的是，當(dāng)質(zhì)子從人體背部照射時，20-40 MeV質(zhì)子在人體內(nèi)的入射深度隨質(zhì)子能量而增大，質(zhì)子大部分沉積能量從輻射敏感器官（wT較大）轉(zhuǎn)移到輻射不敏感器官（wT較?。?，因此背面照射有效劑量在20-40 MeV范圍內(nèi)隨質(zhì)子能量而減小。AP (Antero-posterior)：正面照射；PA (Postero- anterior)：背面照射；LLAT (Left Lateral)：左面照射；RLAT (Right lateral)：右面照射；ROT (Rotational)：旋轉(zhuǎn)照射；ISO (Isotropic)：各向同性照射。

圖1 單位注量質(zhì)子有效劑量與質(zhì)子能量的關(guān)系曲線[11]Fig.1 Relation curve of proton effective dose per fluence to proton energy[11].

400 km是載人航天的主要運(yùn)行軌道高度[5]，此軌道上絕大部分質(zhì)子的能量在幾個MeV至400MeV之間，航天員的受照條件可近似認(rèn)為各向同性[2]。若各向同性質(zhì)子在所設(shè)計(jì)探測器中沉積的

能量隨入射質(zhì)子能量的變化曲線與圖1中ISO曲線一致，即質(zhì)子沉積能量正比于有效劑量，比例系數(shù)通過計(jì)算確定，則可將對質(zhì)子有效劑量的測量轉(zhuǎn)換為對質(zhì)子沉積能量的測量，克服了直接測量有效劑量的困難。

2 探測器系統(tǒng)組成及模擬設(shè)計(jì)

2.1 探測器組成

所設(shè)計(jì)探測器由閃爍體、光導(dǎo)、二氧化鈦反射層、光電倍增管組成。塑料閃爍體具有制作簡便、發(fā)光衰減時間短、透明度高、光傳輸性能好、性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、耐振動、耐沖擊、耐潮濕、無需封裝、耐輻射性能好等優(yōu)點(diǎn)[12]，采用型號為HND-S2型的塑料閃爍體。日本濱松公司生產(chǎn)的R4998型光電倍增管結(jié)構(gòu)緊湊重量輕，具有高增益、快時間響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，其光陰極光譜響應(yīng)曲線與HND-S2塑料閃爍體發(fā)光光譜曲線重合較好，光陰極對閃爍體發(fā)出光的利用效率高，輸出脈沖幅度大，有利于提高探測器能量分辨率。為使閃爍體發(fā)射的光能夠均勻、有效地收集在光電倍增管的光陰極上，采用光導(dǎo)連接光電倍增管與閃爍體。塑料閃爍體、光導(dǎo)外為二氧化鈦涂層，有利于提高光收集效率。

2.2 探測器模擬設(shè)計(jì)

考慮到質(zhì)子輻射為各向同性，因此采用球形閃爍體。在閃爍體外圍以若干個銅圈，銅圈由兩個同心且具有不同大小立體角的內(nèi)外圓錐面截?cái)嗲驓さ玫?，球殼的?nèi)徑與閃爍體的半徑相等，外徑各不相同。蒙特卡羅模擬計(jì)算在20 MeV、30 MeV、40 MeV、50 MeV、60 MeV、80 MeV、100 MeV、150 MeV、200 MeV、300 MeV、400 MeV能量點(diǎn)下進(jìn)行。

經(jīng)計(jì)算，光導(dǎo)長度達(dá)到8 cm時，光電倍增管對質(zhì)子在閃爍體內(nèi)沉積能量的影響就可忽略不計(jì)，綜合考慮光電倍增管光陰極尺寸、光傳輸效率等因素，計(jì)算中將圓柱形光導(dǎo)尺寸設(shè)定為?20 mm×80 mm。球形塑料閃爍體半徑、各銅圈厚度及其所占立體角為可變參數(shù)。計(jì)算時首先設(shè)定好閃爍體半徑、各銅圈厚度及其所占立體角，源設(shè)為單位注量各向同性質(zhì)子源。利用MCNPX程序計(jì)算得到11個能點(diǎn)下質(zhì)子在閃爍體內(nèi)沉積的能量，進(jìn)而得到11個有效劑量——沉積能量比例系數(shù)，計(jì)算并判斷各比例系數(shù)間相對偏差的最大值是否超過10%。若是，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，調(diào)整閃爍體半徑、各銅圈厚度及其所占立體角，并重新計(jì)算；若否，結(jié)束計(jì)算。模擬計(jì)算流程如圖2所示。經(jīng)過多次優(yōu)化計(jì)算，最終得到的探測器立體圖和剖面圖如圖3所示。

圖2 模擬計(jì)算流程圖Fig.2 Flowchart of the simulation process.

圖3 探測器立體(a)和剖面圖(b)Fig.3 Stereogram (a) and profile chart (b) of the detector.

蒙特卡羅模擬計(jì)算結(jié)果見表1。質(zhì)子有效劑量與質(zhì)子沉積能量的比例系數(shù)r取80 MeV時的計(jì)算結(jié)果r80，其余能量點(diǎn)下的比例系數(shù)與r80的最大相對偏差為-8.52%。

表1 蒙特卡羅模擬計(jì)算結(jié)果Table1 Monte Carlo simulation results.

3 數(shù)值驗(yàn)證

圖4是美國國家航空航天局的AP8MIN模型計(jì)算出的地球俘獲帶質(zhì)子能譜[13]。對于該能譜，根據(jù)圖1，計(jì)算可得到質(zhì)子輻射有效劑量E。同時利用蒙特卡羅程序模擬計(jì)算出同一能譜下閃爍體內(nèi)質(zhì)子沉積的能量，再乘以有效劑量與沉積能量的比例系數(shù)r80得到探測器給出的質(zhì)子有效劑量E'，二者之間的相對偏差為：

圖4 地球俘獲帶質(zhì)子能譜(軌道高度556 km,與赤道傾角為90°)[13]Fig.4 Energy spectrum of proton in the trapping belt (orbit height is 556 km with 90° of obliquity to equator)[13].

對地球俘獲帶質(zhì)子能譜，探測器給出的有效劑量與ICRP 116號報(bào)告給出的有效劑量的相對偏差為4.829%。采用隨機(jī)抽樣方法抽取各向同性質(zhì)子輻射能譜。隨機(jī)抽樣1000次，得到1000個不同的質(zhì)子能譜。針對這1000個不同的質(zhì)子能譜，探測器給出的有效劑量E'與根據(jù)ICRP 116號報(bào)告計(jì)算的有效劑量E之間的相對偏差見圖5。圖5中相對偏差的最大值為7.84%，最小值為-5.31%，平均值為0.52%。偏差ε基本在原點(diǎn)兩側(cè)對稱分布，且不超過±8%，探測器所給結(jié)果與ICRP 116號報(bào)告結(jié)果符合較好。

圖5 抽樣結(jié)果Fig.5 Results of random sampling.

4 結(jié)語

為解決空間質(zhì)子輻射有效劑量監(jiān)測存在的技術(shù)難題，設(shè)計(jì)了一種閃爍探測器。通過對探測器結(jié)構(gòu)

的特殊設(shè)計(jì)，質(zhì)子在所設(shè)計(jì)探測器內(nèi)沉積的能量隨入射質(zhì)子能量的變化曲線與ICRP 116號報(bào)告有效劑量隨質(zhì)子能量變化曲線基本一致。通過對AP8MIN模型地球俘獲帶質(zhì)子能譜與隨機(jī)抽樣質(zhì)子能譜的數(shù)值計(jì)算，探測器給出的有效劑量與ICRP 116號報(bào)告計(jì)算的有效劑量之間的相對偏差小于±8%，二者符合較好。探測器理論上可實(shí)現(xiàn)空間質(zhì)子輻射有效劑量監(jiān)測，為航天員空間質(zhì)子輻射有效劑量評估提供了一種方法。

下一步將利用中國原子能科學(xué)研究院HI-13串列加速器（升級工程）在20-100 MeV能量點(diǎn)上對加工設(shè)計(jì)的探測器的性能做全面測試，包括探測器穩(wěn)定性、重復(fù)性等。

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Theoretical design of a scintillation detector for space protons radiation effective dose measurements

ZHANG Shoujie1,2JIANG Xinbiao1,2LI Da1,2YU Xiaoren1,2MIAO Liangliang1,2MA Yan1,21(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China)
2(State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect, Xi’an 710024, China)

Background: Space protons radiation exposure is one of the most considerable concern in terms of radiation risk to astronauts during their occupational activities in space, and effective dose is important for the estimation of the radiation hazard. However, there is no technical way to monitor effective dose for space protons radiation until now. Purpose: This study aims to monitor the effective dose of space protons radiation to astronauts. Methods: Contraposing isotropic protons radiation in space, a scintillation detector was designed using Monte Carlo simulation program. By means of special design of the detector structure, the energy isotropic protons in the range of 20-400 MeV deposited in the detector is mostly proportional to the effective dose provided by International Commission on Radiological Protection (ICRP) report No.116. The effective dose is monitored by measuring the deposited energy. Results: For the proton energy spectra of AP8MIN model and random sampling, the relative deviation between the results of the ICRP report No.116 and the detector is less than ±8% by numerical calculation. Conclusion: Theoretically, this detector can monitor the effective dose of space protons radiation to astronauts.

Space protons radiation, Effective dose, Monte Carlo simulation, Scintillation detector

ZHANG Shoujie, male, born in 1991, graduated from Nanjing University in 2014, focusing on ionizing radiation measurement

TL99

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.120401

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(No.11305127)、強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究基金(No.SKLIPR1216)資助

張守杰，男，1991年出生，2014年畢業(yè)于南京大學(xué)，研究領(lǐng)域?yàn)殡婋x輻射計(jì)量

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11305127), State Key Lab of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect Basic Research Foundation (No.SKLIPR1216)

2016-08-10，

2016-10-07