用MC方法模拟空间离子通过屏蔽体后人体模型的剂量分布

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进入21世纪,世界各国对太空的争夺日渐激烈,其中一个重要方面就是载人航天。随着我国开始建造空间站,以后我国宇航员在太空的停留时间必定大幅增长。空间辐射作为空间复杂环境的重要组成部分,可对宇航员的健康安全构成严重威胁。因此,研究评估宇航员在空间的辐射剂量对保证宇航员的健康安全非常重要。  目前对宇航员的剂量评估有两种研究方法:一种是采用粒子输运软件加载人体数值模型模拟空间辐射条件下计算人体数值模型各器官或组织的辐射剂量,如日本Sato等人采用PHITS软件加载国际辐射防护委员会(ICRP:InternationalCommissiononRadiologicalProtection)推荐的成人参考数值模型计算空间离子在人体各器官或组织的剂量;另一种是空间搭载仿真人体模型的空间实验,如欧洲宇航局的“MATROSHKA”拟人化人体躯干研究设施,包含超过6000个剂量探测器,在国际空间站进行了约539天的空间搭载实验。  由于空间辐射中粒子种类多,粒子能量谱宽的特点,所以空间搭载实验的所受辐射的因素复杂,需要更迸一步了解不同粒子不同能量的辐射剂量贡献。利用粒子输运软件加载人体模型模拟空间环境下每种辐射粒子在体模各器官的辐射剂量成为合适的方法。另外,不同的粒子输运软件结合体模的计算结果间相互比较可进一步的改进相关模型,为以后提高计算精度和准确性提供研究基础。本文研究利用基于MonteCarlo方法的软件工具包GEANT4加载ICRP成人男女参考数值模型模拟空间环境计算部分离子外辐射人体模型各器官或组织的吸收剂量。  首先,利用GEANT4软件包编程加载ICRP参考数值模型在各向同性外照射几何条件模拟空间辐射环境分别计算单能的1H,4He,12C和56Fe离子在人体模型各器官或组织的吸收剂量。对比文献参考计算数据,得到差别均小于25%的不同离子能量范围,即质子的能量在1MeV-10GeV范围内;氦离子是1MeV/u-700MeV/u;碳离子是1MeV/u-10GeV/u;铁离子是1MeV/u-700MeV/u。  另外,采用常用屏蔽空间辐射厚度为20g/cm2的铝材料球壳屏蔽体,分别计算屏蔽体后1H,4He和12C离子在屏蔽体后人体数值模型各器官或组织的吸收剂量。对比无屏蔽体的计算结果,加载屏蔽体后能量较高的离子在人体模型的各器官或组织的吸收剂量总体上结果偏大,原因是一方面是由于加载屏蔽体后导致离子的在体模内产生的Bragg峰发生前移,另一方面是因为高能离子与屏蔽体相互作用产生次级粒子尤其导致在体模浅表器官或组织产生更高的能量沉积。对于能量>300MeV的质子,屏蔽体后器官或组织的计算结果大于无屏蔽体的结果,差别在1%-43%范围内;能量在300~700MeV/u间的氦离子屏蔽体后的计算结果相比对照略微偏大;能量>500MeV/u的碳离子,屏蔽体后器官或组织的计算结果大于无屏蔽体的结果,差别在0.5%-20%范围内。  最后,由于ICRP的成人参考数值模型的体素尺寸在毫米量级,无法对人体皮肤组织中厚度约70μm的基细胞层进行辐射剂量估计。另外,皮肤中的基细胞层对辐射尤为敏感并可能诱发皮肤癌,所以建立了基细胞层在50到100μm间的局部皮肤模型。利用GEANT4内载的低能物理过程计算能量范围小于12MeV/u的单能电子,1H,4He,12C和56Fe的局部皮肤剂量转化系数。其中电子和4He离子的计算结果与MCNPX的参考数据对比符合一致。本论文的研究工作初步验证了GEANT4软件工具包计算部分空间离子的合适能量范围,对采用GEANT4软件模拟空间离子辐照人体的研究方法以及屏蔽体的设计提供了重要参考数据和研究技术基础。
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