透过航天事业看电离辐射的相应的医学防护进展
关键词：放射医学；防护问题；载人航天飞行
ICRP(1990)帮写硕士论文和UNSCEAR(1993)均将航天飞行中人员受到的空间电离辐射的照射视为来自天然辐射源的职业照射。我国已将载人航天作为一项重大的系统工程列入国家的经济建设计划,在此背景下应了解载人航天飞行中与放射医学与防护有关的问题。
一、空间电离辐射环境的特点
长期航天飞行中人员面临三方面有害于健康和安全的威胁:①长期微重力环境所引起的生理失调;②空间环境中宇宙辐射的生物效应;③长期飞行中产生的心理和行为障碍。此外,空间宇宙辐射是仅次于微重力的环境危险因素。空间电离辐射来自:捕获粒子辐射(TPR)、银河宇宙辐射(GCR)和太阳粒子辐射(SPR)。TPR主要由质子和电子构成。在西经0°至60°,南纬20°至50°,300 km以上高度形成一个辐射强度大于0·5μGy/min的南大西洋异常区,它是近地球低轨道、低倾角航天飞行时遇到的主要辐射来源之一。GCR由质子、α粒子和重离子构成。GCR在空间分布基本上是各向同性的。在太阳活动平静时,GCR的强度最大。伴随太阳耀斑的活动会发射大量高能带电粒子,论文帮写称为太阳粒子事件(SPE)。这些粒子绝大多数是质子,其次为α粒子,重离子较少。15天轨道飞行时遇到1、2、3和4级别SPE的概率分别为32%、2%、2%和1%。因此,空间辐射环境的特点无论从时间分布或是空间分布上其强度都是不均匀的[1]。
航天飞行时人员主要受到小剂量空间辐射的照射,美国辐射防护与测量委员会(NCRP)曾对低轨道倾角、中等轨道倾角、高轨道倾角、地同步轨道和月球飞行5种航天飞行给定航期情况下航天员造血器官的受照剂量作过估算,为70~110 mSv;航期3年的火星飞行为1000 mSv[2]。舱外活动会使受照剂量增加。如在500 km/28·5°空间站舱外活动6小时,骨髓受照剂量约为30mGy[3]。而1、2、3和4级SPE时,在3·5 g/cm2屏蔽层后人员受照剂量分别达30、140、200和340 mSv,1960年后最大的一次SPE(1972年8月4日)在12~18小时内位于2 g/cm2屏蔽体后的航天员皮肤、眼晶体和骨髓受照当量剂量估算值依次为11、9·1和1·2 Sv[4]。迄今,根据已有的监测资料航天员受照最大剂量为180 mGy[5],他们绝大多数为450 km高度以下未遇到SPE的近地球轨道飞行中获得的。
二、以重离子为主的空间高LET辐射效应的特点
电子生物效应与X及γ射线的相似。总体来说,空间高能质子照射所致的危险不会显著超过电子、γ射线的效应。在各种类型的航天飞行中没有考虑中子的照射,重离子(由于它原子序数及能量高,故又称HZE粒子)不同于上述粒子,虽然它们的注量比质子低得多,剂量也很小,但其电离能力强,沿粒子径迹会产生很大的能量沉积(高LET),从而造成生物细胞的破坏,帮写毕业论文甚至一个重离子就能对细胞产生明显损伤。由于重离子的电离能力正比于其相对丰度与原子序数平方的乘积,所以在原子序数(Z) 26的重离子中,铁元素(Z=26)在GCR剂量中的贡献占重要份额。根据美国10次航天飞机穿梭飞行中航天员的剂量学资料,LET>20 keV/μm水的重离子的剂量占总剂量的份额在5·1% ~33·9%,平均为21·4%[2]。
在Apollo计划的5次登月飞行中有15名航天员感觉到不规则的闪光和光线,平均间隔2~3分钟,开眼和闭眼时都有,这是HZE粒子击中航天员头部、重离子穿越视网膜时引起光受体的退极化和“着火”的证据[1]。
估计GCR损伤效应的资料主要来自地面加速器产生的粒子所进行的模拟实验[6-8]。用4He、12C、20Ne和40Ar等离子一次照射的小鼠,其LD50/30天的RBE均大于1·0,当LET为80 ~100keV/μm时出现峰值。Ne离子诱发的鼠类白内障RBE高达50~100,Fe离子也达40;分次照射时,X射线照射则出现“减轻效应”,而Ar离子则出现明显的“增加效应”。由He、C、Ne、Fe和Ar等离子束照射小鼠后,以20%小鼠出现副泪腺肿瘤为指标,在6~190 keV/μm范围内,RBE随LET增加而由5增至25,大于190 keV/μm时RBE维持在25。
在离体哺乳动物细胞实验中,重离子辐射在一定的剂量范围内,随着离子原子序数和LET的增加,存活曲线的肩区逐渐变窄,乃至消失;剂量率高低对存活率无影响,说明不存在潜在性致死损伤的修复。高LET重离子辐射能更有效地诱导G1期细胞出现染色体断裂或易位;如Fe离子束诱发染色体断裂效应的RBE高达5·0,高LET的重离子能比低LET辐射使DNA分子中出现更多的非重接性链断裂;当LET增加时,重接速率明显降低;大多数不能重接的链为双链断裂,也能观察到一部分不能修复的单链断裂。非修复性及复杂的DNA链断裂的形成可能与重离子的径迹结构有关。重离子所致体细胞HPRT位点突变频率与剂量呈明显的线性关系,单位吸收剂量诱发的突变率较高;而且具有组织(细胞)类型和位点特异性,能诱
导相当高比例的“基因重排”。
应该指出地面实验的条件与空间仍有不同。地面实验时,粒子束注量高,能量、方向单一,论文帮写只能加速GCR多种HZE粒子中一小部分粒子。而在空间飞行时,生物体受到原子质量谱和能谱广宽而注量低的粒子照射,这种照射来自四面八方。此外,还应考虑在空间飞行时微重力和电离辐射的复合作用。正由于空间辐射,尤其是HZE粒子,在生物效应方面有上述特点,使上述研究发展成为放射生物学的一个新的分支———空间(太空)放射生物学[6]。
三、可供采取的辐射防护措施
航天飞行时,人员不可避免地会受到GCR的低剂量照射,同时也可能受到SPE的高剂量率照射。根据航天飞行作业条件的特点,可以采取下列防护措施,以减少人员的辐射危险。
1·选择优化的作业条件。①预测SPE的发生。在长期航天飞行时,可以利用其他卫星获得的质子注量率资料实时报警将发生的SPE;此外,还可利用太阳耀斑至继后出现质子注量率峰值之间一段延迟时间(一般为0·5~1·0天)采取相应措施[2]。②调整轨道的高度和倾角。当轨道高度保持250~300 km、倾角由28·5°~40°增至57°时,日剂量率增加1倍。倾角保持28·5°,高度增加至528 km时,日剂量率增加约10倍[9]。③避开辐射异常区。在28·5°倾角近地球轨道飞行时,航天飞机在每昼夜绕地球15周次的飞行中有6次经过“南大西洋异常区”。所以,航天员的舱外活动应避开这些周次[6]。帮写硕士论文④利用屏蔽体的防护性能。飞船的不同舱室厚度是不均匀的。根据1989年10月SPE强度计算,当屏蔽层厚度分别为0、5、10和20 gAl/cm2时,航天员造血器官所受的当量剂量依次为1·2、0·4、0·2和0·1 Sv。
2·实施有效的剂量监测。航天员辐射监测系统包括三个部分:舱外剂量监测系统,舱内剂量监测系统以及个人剂量计。舱外剂量监测采用有源式的辐射测量仪,用以评价航天员出舱活动时的辐射影响,决定出舱活动时间;也用以测定空间辐射场变化情况及判断SPE出现的时机。舱内剂量监测系统用以持续测定舱内剂量率的分布及辐射场的LET谱,它通常由可遥测的或实时读出的有源式测量仪构成[1]。
航天员个人剂量计则采用无源式剂量计(径迹探测器和TLD剂量计),但其剂量读数对轨道参数有明显的依赖性,故常采用组合式剂量计[10]。染色体畸变这种回顾性生物剂量计适合于飞行时间从几周延长到数月的航天飞行。对飞行时间小于6个月的航天飞行,还可采用荧光原位杂交(FISH)方法测定染色体稳定性畸变。血液样品应在着陆后1个月以内采集。但是,由于染色体畸变方法的灵敏度仅为0·03~0·04 Sv,所以应该将航天员拔下的牙齿妥善保存以备电子顺磁共振(ESR)方法的灵敏度改进后,再复核航天员受到的剂量。1989年后提出了采用携带式ESR谱仪测量活体牙齿的累积剂量,但此方法的可测限仅为2 Gy[11]。
3·制订电离辐射剂量限值。空间电离辐射剂量限值不可能等同于地面放射工作人员的剂量限值,因为,载人航天器载荷受到严格的重量限制。美国和俄国(前苏联)在制订空间电离辐射剂量限值时采用了两个不同的体系[12]。
1970年美国制订的月、季度、年和终身的限值依次为0·025、0·035、0·075和4·0Sv(骨髓剂量)。1989年以3%终身超额危险作为此限值的依据,同时假设照射延续10年及采用不同年龄和性别的危险系数。因此,起始受照年龄为25、35、45和55岁的男性航天员的全身(骨髓)当量剂量限值依次为1·5、2·5、3·25和4 Sv;女性的数值依次为1·0、1·75、2·5和3·0 Sv[2]。1990年ICRP新建议书发表后,已考虑将1989年的限值降低一半[13]。
前苏联1976年暂行标准中限定的急性效应死亡危险概率是0·6×10-4T(T为飞行持续月数)。依此概率,飞行持续时间为1、3、6和12个月的容许剂量依次为0·5、0·8、1·1和1·5 Sv(全身照射剂量)。1986年依据ICRP新的辐射危险系数分别降至0·105、0·215、0·370和0·665 Sv。1997年补充了飞行时间延至2和3年时的容许剂量分别为1·18和1·62 Sv。一次SPE急性照射的剂量限值为0·50 Sv,终身为4 Sv[10]。
4·必要时给予药物防护。在航天飞行时如遇大的SPE,必要时考虑采取药物预防措施。已研究过的药物有:氨巯基类化合物,色胺类化合物,多糖类,细胞因子,雌激素等。多年来研究工作的成绩是:提高了效价
