Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
. . . . . . . "#:. .: " :. .:#" . . . . " " " " . . "#:. .:#" "#:. .:#" . . . . " " ...полностью>>
'Документ'
Підрозділи апарату, головні управління, управління, інші структурні підрозділи Київської облдерж­адміністрації, територіальні органи центральних орга...полностью>>
'Доклад'
Ситуация на мировом рынке труда свидетельствует о постепенном выходе из финансового кризиса: безработица, пусть медленно, но отступает. Восстановлени...полностью>>
'Обзор'
Обзорная экскурсия по городу с посещением Ростовского областного Краеведческого музея. Осмотр уникальной археологической коллекции скифского золота: ...полностью>>

Главная > Автореферат

Сохрани ссылку в одной из сетей:

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 “25апреля 2007 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.111.02 при Государственном научном центре Российской Федерации –Институте 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 (ГНЦ РФ - ИМБП РАН)

Автореферат разослан “21” 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.

Личный 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, ГНЦ 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).

Рис. 2. Функции экранированности точек хрусталика глаза (а) и кожи (б). Обозначения аналогичны рис. 1

Из анализа представленных рисунков следует совпадение результатов наших расчетов с результатами работы (Красильников Г.В. и др. 1992) и небольшие расхождения, особенно для КЖ, с результатами работы (Карташов Д.А. и др. 2004).

На рис. 3 представлено сравнение результатов наших расчетов с результатами

работы (Смиренный Л.Н. и др. 1975) для представительной точки «гонады» (ГН).

В перечне представительных точек антропоморфного фантома в ГОСТ 25645.203 нет такой точки, хотя она должна использоваться при вычислениях эффективной дозы. Из анализа рис. 3 видно хорошее согласие между результатами двух работ. Это позволяет ввести

Рис. 3. Функции экранированности Р(х) представительной точки «гонады». Сплошная кривая – наши расчеты, треугольники результаты работы (Смиренный Л.Н. и др. 1975)

точку «гонады» в список представительных точек фантома при проведении дальнейших расчетов.

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 XYZ 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

 

Ар

Dst

W

F

JP>100

Nn

Je>2

HA

HP

1/

D1

0.298

0.155

-0.12

-0.20

-0.118

-0.034

0.087

0.355

0.311

0.528

D2

0.254

0.385

0.40

0.28

-0.046

-0.121

-0.129

0.626

0.590

0.237

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.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Автореферат разослан 11 марта 2009 г

    Автореферат
    Защита состоится 26 мая 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.161.01 при федеральном государственном научном учреждении «Научно-исследовательский радиофизический институт» Федерального агентства по науке и инновациям
  2. Автореферат разослан 20 г (2)

    Автореферат
    Защита диссертации состоится «29» марта 2012 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 208.008.06 в Волгоградском государственном медицинском университете по адресу: 400131, г.
  3. Автореферат разослан 2009 г (1)

    Автореферат
    образования в Республике Тыва на основе учета особенностей физического и моторного развития коренного населения и национально–региональных традиций двигательной активности
  4. Автореферат разослан 2009 г (2)

    Автореферат
    Защита состоится «17» апреля 2009 г. в 10-00 часов на заседании Диссертационного совета ДМ 212.261.08 при Тамбовском государственном университете им. Г.
  5. Автореферат разослан 2007 года

    Автореферат
    Защита состоится « 12 » __ноября 2007 г. в __15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.154.11 при Московском педагогическом государственном университете по адресу: 103051 Москва, М.

Другие похожие документы..