О.А. Барсуков (д. ф.-м.н.), С.В. Тертычная (к.т.н) г. Пенза, ПГУ

О.А. Барсуков (д. ф.-м.н.), С.В. Тертычная (к.т.н)
РАДИАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА ФАНТОМ ЧЕЛОВЕКА В ПРОЦЕССЕ ПОЛЕТА САМОЛЕТА
г. Пенза, ПГУ
Настоящая работа посвящена вопросу распределения доз на высотах 1012 км и ниже, создаваемых заряженными частицами галактического происхождения (как известно, солнечные космические лучи на указанные высоты за редчайшими исключениями не проходят 1, 2).
В генетической схеме вторичных частиц галактических космических лучей (ГКЛ), если исключить короткоживущие пионы, которые практически не
участвуют в формировании дозы, то из заряженных частиц следует учитывать
протоны, мюоны, электроны. Принимая во внимание характер трансформации
частиц ГКЛ в атмосфере, следует различать протонную компоненту и мюонэлектронно-фотонную. Вклад нейтронов в дозу на высотах до 10 км сравнительно мал.
Для оценки биологического воздействия космического излучения необходимо знать угловые, энергетические распределения, пространственные и
временные вариации всех компонентов излучений, дающих вклад в эквивалентную дозу. Физические характеристики ГКЛ определялись путем решения
кинетического уравнения переноса частиц; расчетные данные проверялись на
обширном экспериментальном материале. Отметим, в частности, что при решении задачи спектр первичных протонов представлялся в форме:
Ip = 1.32 . 104 . E-2.65 . (I-0.6)/[E .exp (-k/R )],
где Е – полная энергия частиц, R – их жесткость,  - скорость частиц в
единицах скорости света, k – коэффициент модуляции, определяемый свойствами плазмы солнечного ветра; с циклом солнечной активности (С.А.) значение k меняется от 0.3 (минимум солнечной активности) до 2.5 (ее максимум).
1
Мощность эквивалентной дозы (МЭД) внешнего облучения организма
излучениями, спектральный состав которых известен, описывается формулой:
P =   hi(E) Ii(E, ) d dE,
где hi(E) – регламентированные удельные эквивалентные дозы частиц i-го
сорта, Зв/см2/частица; Ei – энергия излучения частиц i-го сорта; Ii(E,) – дифференциальная плотность потока этого излучения.
В расчетах использовался стандартный фантом человеческого тела (ГОСТ
18 622-70), представляющий собой однородный шар плотностью 1, радиусом 15
см, состоящий из водорода (10% по массе), углерода (11%), кислорода (75%) и
ряда других более мелких компонент, входящих в состав тела человека.
На рис. 1(а, б, в) показаны зависимости мощности эквивалентной дозы
протонов в центре фантома от глубины (высоты атмосферы) при различных
жесткостях геомагнитного обрезания, при уровнях солнечной активности, соответствующих ее минимуму (k=0.3), среднему значению (k=1.0) и максимуму
(k=2.5). Сравнение рис.1(а, б, в) показывает, что по мере увеличения уровня
солнечной активности значение МЭД существенно уменьшаются (при изменении от 0.3 до 2.5 на 20-40% и более). Во всех рассматриваемых случаях значения МЭД быстро уменьшаются с ростом глубины атмосферы и жесткости обрезания, причем наиболее резко значения мощности убывают на высотах более 10
км; на высотах 5-8 км кривые сближаются между собой.
Обсудим зависимости МЭД от высоты для мюонно-электронно-фотонной
компоненты. Качественно эти кривые имеют такие же особенности, что и аналогичные зависимости для протонов. Однако, соответствующие количественные характеристики отличаются существенно. Главное отличие – значительно
меньший вклад в дозу мюонно-электронно-фотонной компоненты. Например,
при k=0.3, R=8 ГВ и высоте 400 г/см2 (6.7 км) значение МЭД для протонной
компоненты более, чем вдвое выше, чем для мюонно-электронно-фотонной.
Рассмотрим зависимость МЭД от жесткости геомагнитного обрезания для
протонной компоненты. Кривые на глубине атмосферы h=140 г/см2 имеют мак2
симум, соответствующем интервалу R=1-3 ГВ; при h=320 г/см2 максимум едва
выражен, а при h=520 г/см2 обсуждаемая зависимость выражается пологой кривой.
3
R=1ГВ
R=0,7ГВ
22
20
18
16
a
R=2ГВ
14
12
R=3ГВ
10
8
6
R=5ГВ
R=8ГВ
4
2
11
20
18
б
R=0,7ГВ
16
14
R=2ГВ
12
10
R=4ГВ
8
R=6ГВ
6
R=10ГВ
4
Мощность эквивалентной дозы D (протоны ГКЛ, мкЗв/ч)
Мощность эквивалентной дозы D (протоны ГКЛ, мкЗв/ч)
Мощность эквивалентной дозы D (протоны ГКЛ, мкЗв/ч)
22
10
9
R=3ГВ
в
8
7
6
R=6ГВ
5
4
3
2
R=9ГВ
R=12ГВ
R=16,5ГВ
R=16,5ГВ
R=16,5ГВ
2
1
120 140
170
200
240
280
320
360
400
440
480
520
120 140
170
200
240
280
320
360
400
440
480
520
120 140
170
200
240
280
320
360
400
440
480
520
15,3 14
12,8
11,6
10
9,2
8,3
7,5
6,7
6
5,4
4,8
15,3 14
12,8
11,6
10
9,2
8,3
7,5
6,7
6
5,4
4,8
15,3 14
12,8
11,6
10
9,2
8,3
7,5
6,7
6
5,4
4,8
Глубина [высота] атмосферы, h, г/см [км]
Коэффициент модуляции 0,3
2
Глубина [высота] атмосферы, h, г/см [км]
Коэффициент модуляции1 0,
2
Рис. 1. Зависимость мощности эквивалентной дозы в фантоме,
создаваемая протонами ГКЛ, от глубины (высоты) атмосферы
при коэффициентах модуляции 0.3 (а), 1.0 (б), 2.5 (в)
4
Глубина [высота] атмосферы, h, г/см [км]
Коэффициент модуляции 2,5
2
Таким образом, уровень мощности эквивалентной дозы, создаваемой
ионизирующими излучениями космического происхождения сильно зависят от
широты местности, высоты, фазы солнечной активности и вида частиц. При
прочих равных условиях значения МЭД мюонно-электронно-фотонной компоненты значительно меньше, чем протонной. Это обстоятельство имеет существенное значение при разработке бортовых дозиметрических приборов.
Список литературы.
1. Барсуков О.А., Коломеец Е.В. Радиационные аспекты исследования
космического излучения в стратосфере. М.: Энергоатомиздат, 1985,
120с.
2. Авдюшин С.И., Айтбаев Ф.Б., Баранников Ю.И. и др. Атлас карт радиационной обстановки на трассах полета высотных самолетов. М.: Гидрометеоиздат, 1991, 106с.
3. Баранников Ю.И., Барсуков О.А., Гаврилов П.Ф. Дозовые характеристики космических лучей на трассах полетов высотных самолетов. –
Космические исследования, 1986, т.XXIV, с. 314-318.
4. Баранников Ю.И., Барсуков О.А., Малышев А.Б., Пустоветов В.П.
Уровени облучения экипажей и пассажиров воздушных судов при полетах в полярных районах. – Авиакосмическиая и экологическая медицина, 1994, N 4, с. 44-47.
5. Богомолов Э.А., Романов В.А., Степанов С.В., Шулакова М.С. Спектры и угловые характеристики мюонов и электронов в атмосфере в
энергетической области выше 50 МЭВ. Препринт N 629. Л.: ФТИ,
1979, 41 с.
6. Баранников Ю.И., Барсуков О.А., Комаров В.Б., Пустоветов В.П. Расчет характеристик потока мюонов альбедо в атмосфере. Геомагнетизм
и аэрономия, 1992, т. 32, с. 180-183.
5