豐俊東 駱益宙 周 浩 趙錫達(dá) 羅薈姚 劉雯倩

1（南京航空航天大學(xué)核技術(shù)系 南京211106）

2（空間核技術(shù)應(yīng)用與輻射防護(hù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京211106）

3（中國(guó)人民解放軍東部戰(zhàn)區(qū)空軍醫(yī)院 南京210002）

在長(zhǎng)時(shí)間載人深空探測(cè)航行過(guò)程中，由于缺少地球磁場(chǎng)和大氣層的保護(hù)，宇航員暴露于空間輻射中的概率大大增加，嚴(yán)重影響宇航員身心健康，其機(jī)理及防護(hù)是國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)?？臻g輻射構(gòu)成的主要粒子包括質(zhì)子、電子、重離子、中子等。在執(zhí)行航天任務(wù)的過(guò)程中，宇航員會(huì)受到空間電離輻射的影響。美國(guó)航空航天局（NASA）認(rèn)為，空間輻射在未來(lái)可能會(huì)成為人類(lèi)進(jìn)行深空探測(cè)活動(dòng)的最大限制因素之一［1］。人體暴露在輻射中所面臨的風(fēng)險(xiǎn)研究及防護(hù)措施研究對(duì)于載人航天工程發(fā)展至關(guān)重要［2］。

1 空間輻射的來(lái)源與種類(lèi)

空間輻射的來(lái)源主要有三個(gè)部分：太陽(yáng)粒子事件（SPE）、銀河宇宙射線(xiàn)（GCR）以及地球輻射帶（ERBs）。SPE主要指起源于太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)的高能帶電粒子，包括質(zhì)子、電子、重離子等，因?yàn)橘|(zhì)子在其中占的比重很大，所以又稱(chēng)太陽(yáng)質(zhì)子事件。太陽(yáng)質(zhì)子事件根據(jù)持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)又可劃分為兩類(lèi)：脈沖型事件和漸進(jìn)型事件。通常會(huì)將短時(shí)脈沖太陽(yáng)質(zhì)子事件列為耀斑；緩慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的質(zhì)子釋放事件被認(rèn)為是由于日冕物質(zhì)拋射所導(dǎo)致［3］。GCR 主要指來(lái)自于除太陽(yáng)系之外的銀河系中的高能粒子，其中87%是質(zhì)子，其余大部分由α粒子組成，除此之外還有一小部分的重離子。這些帶電粒子的能量跨度為108～1020eV，通量密度為2～4 （cm－2?s－1）。由于其能量高的特點(diǎn)，GCR 給我們?cè)谳d人航天過(guò)程中的屏蔽帶來(lái)了很大的難題。ERBs又被稱(chēng)為Van Allen輻射帶。由于地球自身帶有地磁場(chǎng)，于是地球周?chē)途奂撕芏喔吣軒щ娏Ｗ?，形成了一條地球輻射帶。地球輻射帶又分為內(nèi)輻射帶和外輻射帶。距離地心約地球半徑的1.5 倍范圍是內(nèi)輻射帶，主要由電子和高能質(zhì)子構(gòu)成；距離地心約地球半徑的3～4 倍范圍為外輻射帶。同時(shí)地磁輻射帶還分為向陽(yáng)區(qū)和背陽(yáng)區(qū)，由于地磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，地球輻射帶的空間分布和強(qiáng)度也會(huì)隨之發(fā)生改變［4］。由于地磁場(chǎng)的南北極連線(xiàn)與地球的自轉(zhuǎn)軸線(xiàn)并不重合，所以在南大西洋的某區(qū)域上空，地磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)幾乎是垂直下降的，這個(gè)區(qū)域被稱(chēng)為南大西洋異常區(qū)，空間輻射增強(qiáng)。在這個(gè)區(qū)域上空約16～320 km處能量大于30 MeV 的質(zhì)子通量要比其他區(qū)域的相同高度處高出約4個(gè)量級(jí)。

來(lái)源于GCR、SPE 和ERBs 的高傳能線(xiàn)密度（LET）輻射主要由高能質(zhì)子、α 粒子、電子、重離子和中子組成。其中GCR 和SPE 主要由質(zhì)子構(gòu)成。重離子（HZE，如C、O、Mg、Si、Fe等）主要來(lái)自GCR，具有高電離能力和穿透能力，能夠穿透艙體，雖然其占比小，但輻射生物學(xué)效應(yīng)不可忽視［5］。HZE 在與航天器材料發(fā)生相互作用的過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生次級(jí)粒子［6］，如中子等，增加航天員受照總劑量或劑量當(dāng)量［7-9］。據(jù)報(bào)道，中子的劑量貢獻(xiàn)約占航天員受照總劑量的30%～60%［10］，且生物效應(yīng)較強(qiáng)。Mitricas 等［11］對(duì)MIR空間站內(nèi)吸收劑量率隨時(shí)間的變化關(guān)系做了研究，他們利用R16 組織等效計(jì)數(shù)器對(duì)MIR 空間站內(nèi)吸收劑量率進(jìn)行了12 a 的連續(xù)測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：從1987 年至1990 年，MIR 空間站的吸收劑量率的曲線(xiàn)變化較為緩和，且呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；從1991 年直至1996 年，吸收劑量率曲線(xiàn)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并在1996年附近到達(dá)最大值；從1996年至1999年吸收劑量率曲線(xiàn)呈現(xiàn)出持續(xù)衰減的趨勢(shì)。

2 空間輻射與中樞神經(jīng)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的放射生物學(xué)認(rèn)為，大腦對(duì)電離輻射的敏感程度較低。近年來(lái)隨著檢測(cè)和診斷技術(shù)的進(jìn)步，研究發(fā)現(xiàn)即便電離輻射劑量較小時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致一定程度的放射性大腦認(rèn)知損害。研究發(fā)現(xiàn)，醫(yī)院中從事放射線(xiàn)下介入治療的醫(yī)護(hù)人員與不接觸射線(xiàn)的醫(yī)護(hù)人員相比較，出現(xiàn)了不同程度的記憶力下降和語(yǔ)言流暢表達(dá)能力的衰退［12］。針對(duì)頭部放射治療病人的研究［13］證明了電離輻射對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)影響。一項(xiàng)對(duì)腦瘤兒童治療后智力和學(xué)業(yè)成績(jī)的研究顯示［14］，輻射暴露與智力水平和學(xué)業(yè)成績(jī)下降相關(guān)，其中包括對(duì)智商測(cè)試、閱讀、拼寫(xiě)、計(jì)算以及注意力等方面的影響。瑞典的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)［15］，約有50%接受放射治療的兒童患者有智力或行為的發(fā)育遲緩，嚴(yán)重者影響到成年后的認(rèn)知能力，尤其是在3歲以下接受治療者，甚至在低劑量照射后亦可發(fā)生。美國(guó)每年接受全腦放射治療的患者約有20 萬(wàn)，經(jīng)過(guò)臨床驗(yàn)證，這些患者中超過(guò)50%的成年人均會(huì)出現(xiàn)放射性腦損傷（Radiation brain injury，RBI）的現(xiàn)象。根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，患者在接受放射治療后發(fā)生腦組織壞死的概率約有28.5%；在接受治療5 a后，患者發(fā)生放射性腦損傷的概率便會(huì)增到59%。

根據(jù)損傷部位的不同，放射性腦損傷主要分為大腦型、腦干型和垂體型［16］。大腦型放射性腦損傷主要部位位于顳葉，也是臨床發(fā)生率最高的一種放射性腦損傷，大腦型放射性腦損傷的出現(xiàn)導(dǎo)致患者生存質(zhì)量下降。按照發(fā)病患者的臨床癥狀，放射性腦損傷分為無(wú)癥狀型、輕癥狀型、典型顳葉損傷型和顱內(nèi)高壓型。無(wú)癥狀型患者基本無(wú)臨床異常表現(xiàn)，但出現(xiàn)腦部影像學(xué)變化；輕癥狀型患者主要臨床表現(xiàn)為記憶力下降、頭痛；典型顳葉損傷型患者主要臨床表現(xiàn)較多，如多語(yǔ)、幻覺(jué)、癲癇、智力下降等。此外，根據(jù)潛伏期長(zhǎng)短，放射性腦損傷分為急性反應(yīng)期、早期遲發(fā)反應(yīng)期和晚期遲發(fā)反應(yīng)期。

空間輻射增加航天員罹患各種疾病的風(fēng)險(xiǎn)。NASA將其概括為致癌、中樞神經(jīng)系統(tǒng)影響、退行性變（心血管、免疫系統(tǒng)變化、白內(nèi)障等）以及輻射綜合癥4 種類(lèi)型。由于飛行實(shí)驗(yàn)困難、昂貴、可重復(fù)性差以及劑量率低而無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)獲得有效數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)，地面實(shí)驗(yàn)成為解決空間輻射致病風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)問(wèn)題的關(guān)鍵。作為太空輻射計(jì)劃的一部分，美國(guó)宇航局資助美國(guó)宇航局太空輻射實(shí)驗(yàn)室（NSRL）開(kāi)展模擬太空環(huán)境中高能質(zhì)子和重離子實(shí)驗(yàn)。NSRL 已于2003 年10 月投入使用，對(duì)于減少風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的不確定性具有重要意義。

當(dāng)前，通常將空間輻射造成的中樞神經(jīng)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分為：（1）急性中樞神經(jīng)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，包括感覺(jué)運(yùn)動(dòng)功能改變、認(rèn)知能力改變以及行為改變，進(jìn)而影響航天員健康及航天任務(wù)的順利實(shí)施；（2）晚期中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病風(fēng)險(xiǎn)，包括阿爾茨海默綜合征和早衰等［17］?？臻g輻射可導(dǎo)致宇航員視覺(jué)感知異常，常見(jiàn)的是光幻視現(xiàn)象［18-19］，通常在宇航員進(jìn)行一段時(shí)間的暗適應(yīng)后可以觀察到。為進(jìn)一步研究航天員在太空中光幻視的產(chǎn)生原因，20 世紀(jì)70 年代，科學(xué)家在地面上選用人體開(kāi)展了一系列低強(qiáng)度粒子束的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，3 MeV、14 MeV、300 MeV 中子束可誘導(dǎo)出光幻視現(xiàn)象［20］。Mcnulty等［21］使用595 MeV、470 MeV 碳離子束也觀察到光幻視現(xiàn)象。Fazio等［22］發(fā)現(xiàn)在更高的能量下（高于切倫科夫閾值）光幻視出現(xiàn)的頻率更高。Budinger 等［23］開(kāi)展了進(jìn)一步探索，他們用氮離子束掃描人眼不同區(qū)域，當(dāng)?shù)x子束入射眼球后部時(shí)觀察到光幻視現(xiàn)象，提示視網(wǎng)膜與光幻視現(xiàn)象高度相關(guān)。由于涉及人體實(shí)驗(yàn)，后續(xù)停止了此類(lèi)研究。在地面與輻射相關(guān)的醫(yī)療活動(dòng)中，光幻視現(xiàn)象被陸續(xù)報(bào)道。Thibaud 等［24-25］發(fā)現(xiàn)重離子（Fe、C 等）穿過(guò)患者頭部通常伴隨閃光現(xiàn)象的出現(xiàn)，推測(cè)可能是高能重離子引起視覺(jué)傳導(dǎo)通路變化，包括視網(wǎng)膜和大腦皮質(zhì)視中樞等部位。法國(guó)居里研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)，73 MeV 質(zhì)子治療能夠誘發(fā)光幻視［26］。Schardt等［27］對(duì)比分析高能碳離子治療顱底腫瘤患者的視覺(jué)感受和波束的位置，他們的結(jié)果顯示，只有當(dāng)高能粒子撞擊視網(wǎng)膜時(shí)才會(huì)產(chǎn)生閃光。意大利航空管理局、NASA和歐洲航天局共同開(kāi)發(fā)了ALTEA計(jì)劃（2006），在軌研究輻射與光幻視現(xiàn)象的關(guān)系及其對(duì)腦功能的影響，并開(kāi)展了地面實(shí)驗(yàn)。2005 年，NASA 認(rèn)識(shí)到，在長(zhǎng)時(shí)間的太空飛行過(guò)程中航天員出現(xiàn)的視覺(jué)障礙/顱內(nèi)壓（VIIP）綜合征，影響到了國(guó)際空間站（ISS）上約三分之二的美國(guó)宇航員。被診斷的飛行員視力下降并伴有眼部結(jié)構(gòu)改變。返回地球后，部分航天員出現(xiàn)不同程度好轉(zhuǎn)。Mader 等［28］和Kramer等［29］認(rèn)為VIIP的產(chǎn)生與微重力條件下腦脊液重新分布和顱內(nèi)壓（ICP）升高有關(guān)，類(lèi)似于特發(fā)性顱內(nèi)高壓。ICP升高導(dǎo)致了眼部結(jié)構(gòu)和功能改變，包括視力的惡化。Sanzari等［30］模擬太陽(yáng)粒子事件劑量，對(duì)暴露在輻射中的豬進(jìn)行了90 d的ICP記錄，發(fā)現(xiàn)暴露于模擬SPE輻射引起ICP升高，由此推測(cè)空間輻射也可能與VIIP 相關(guān)。但對(duì)于執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，航天員的顱內(nèi)壓變化到底是微重力作用，還是輻射與失重的協(xié)同作用還有待進(jìn)一步研究。Joseph等［31-32］研究了低劑量56Fe暴露下大鼠的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)障礙和神經(jīng)化學(xué)變化，發(fā)現(xiàn)低于1 Gy的劑量即會(huì)降低運(yùn)動(dòng)能力，多巴胺釋放明顯減少［33］。有研究采用1.5 Gy的1 GeV/n的56Fe進(jìn)行大鼠全身照射，照射一個(gè)月后發(fā)現(xiàn)輻照組大鼠表現(xiàn)出認(rèn)知障礙，該損傷狀態(tài)與老齡鼠相似，活性氧數(shù)量的增加可能是輻射導(dǎo)致似老齡相關(guān)認(rèn)知缺陷的原因之一［34］。條件性味覺(jué)厭惡（CTA）測(cè)試是一種經(jīng)典的條件反射范式，是動(dòng)物將味覺(jué)的刺激與內(nèi)臟的不適感覺(jué)聯(lián)系起來(lái)的一種學(xué)習(xí)過(guò)程。相關(guān)研究顯示，低劑量重離子可以引起CTA 缺陷［35］，且與射線(xiàn)的LET有關(guān)（圖1）［36］，高LET射線(xiàn)具有較強(qiáng)的影響。

3 空間輻射防護(hù)

對(duì)于近地軌道（Low earth orbit，LEO）的載人航天飛行，地球自身存在的磁場(chǎng)及地球本身都會(huì)對(duì)輻射產(chǎn)生一定的屏蔽效果，因此對(duì)于近地軌道的短期飛行而言，適當(dāng)?shù)卦黾悠帘螌硬牧系暮穸瓤蓾M(mǎn)足大部分航天器對(duì)于空間輻射的防護(hù)要求。對(duì)于深空探測(cè)和星際飛行而言，地磁捕獲輻射帶對(duì)于航天器的保護(hù)作用就會(huì)變得微乎其微，失去了地磁捕獲輻射帶的天然防護(hù)，航天器受到銀河宇宙輻射和太陽(yáng)粒子事件的影響大大加強(qiáng)。NASA對(duì)該變化進(jìn)行了模擬計(jì)算，估算在遠(yuǎn)離近地軌道的深部空間中，銀河宇宙輻射會(huì)使航天員接受到每年約0.6 Sv 的劑量［37］，超出了國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)（ICRP）提出的20 mSv/a 的職業(yè)照射年劑量限值［37］。Townsend 等［37］綜合太陽(yáng)粒子事件最大注量時(shí)（1972 年8 月）事件注量和最硬能譜時(shí)（1956 年2 月）事件能譜兩個(gè)條件，計(jì)算了宇航員可能受到的照射劑量，結(jié)果記錄見(jiàn)表1。

表1 最大注量/最硬能譜時(shí)的估算劑量Table 1 Estimated dose at maximum dose/hardest energy spectrum

由表1 可以看出，當(dāng)鋁的屏蔽厚度為20 g/cm2時(shí)，宇航員所受的劑量仍然會(huì)超出ICRP 提出的劑量限值［38］，此時(shí)若仍只是依靠增加屏蔽層厚度來(lái)進(jìn)行屏蔽，則無(wú)法滿(mǎn)足深空探測(cè)和長(zhǎng)期飛行的要求。以上各種太空航行的具體情況對(duì)宇航員的輻射防護(hù)提出了新的要求。

當(dāng)前對(duì)于空間輻射的防護(hù)主要分為物理防護(hù)和生物醫(yī)學(xué)防護(hù)。

3.1 物理防護(hù)

物理防護(hù)是指通過(guò)物理手段來(lái)對(duì)空間輻射進(jìn)行防護(hù)，通過(guò)增加屏蔽材料厚度，利用電磁場(chǎng)等方法盡可能減小航天員工作、生活區(qū)的空間輻射，設(shè)置“保護(hù)區(qū)”。物理防護(hù)分為被動(dòng)防護(hù)和主動(dòng)防護(hù)。

3.1.1 被動(dòng)防護(hù)

被動(dòng)防護(hù)是目前應(yīng)用較廣的輻射防護(hù)方法，其原理是利用帶電粒子射入航天器后與航天器屏蔽材料發(fā)生相互作用，從而損失能量以達(dá)到屏蔽的目的。Durante 等［39］在2011 年提出空間輻射與屏蔽材料之間的能量損失的公式；Durante等［40］在2014 年提出帶電粒子穿過(guò)材料時(shí)單位靶質(zhì)量下的阻止本領(lǐng)和碰撞截面σ的近似表達(dá)式。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算與研究后，發(fā)現(xiàn)Durante 等提出的公式恰好佐證了Wilson等［41］在1993年提出的觀點(diǎn)：屏蔽材料越輕，對(duì)于空間輻射的屏蔽效果越好。基于這種觀點(diǎn)，Zeitlin 等［42］通過(guò)研究不同屏蔽材料的布拉格曲線(xiàn)和其初始斜率，對(duì)于1 GeV/n的鐵離子在各屏蔽材料中的衰減情況作了比較，結(jié)果見(jiàn)圖2［43］。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，圖2中的屏蔽材料，液態(tài)氫元素的屏蔽效果最好，并且沿豎軸由上到下的方向，隨屏蔽材料質(zhì)量逐漸加重，屏蔽效果也隨之下降。航天器的材料一般是鋁和塑料，艙體厚度越厚屏蔽效果越明顯。Simonsen等［44］通過(guò)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)一個(gè)容積為30 m3的宇航員圓形座艙增加10 g/cm2的屏蔽材料時(shí)，整個(gè)飛船的載重需要增加5 T，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了飛船載重能力的要求，而且空間輻射中的高能射線(xiàn)或粒子會(huì)與航天器的材料發(fā)生相互作用從而產(chǎn)生次級(jí)粒子［45］，這些次級(jí)粒子會(huì)對(duì)宇航員的身體造成損害。研究顯示，當(dāng)航天器的屏蔽材料的質(zhì)量厚度達(dá)到20 g/cm2以上時(shí)，由入射的初級(jí)輻射所引發(fā)的次級(jí)輻射的劑量已經(jīng)和初級(jí)輻射接近［46］。因此，我們需要尋找更合適的空間輻射防護(hù)方法。

3.1.2 主動(dòng)防護(hù)

主動(dòng)防護(hù)是指利用磁場(chǎng)或電場(chǎng)使入射的帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使其無(wú)法進(jìn)入艙內(nèi)，以此來(lái)達(dá)到屏蔽的效果。目前最主要的三種主動(dòng)防護(hù)的方法分別是靜電場(chǎng)防護(hù)、等離子體防護(hù)和磁場(chǎng)防護(hù)。

(1)靜電場(chǎng)防護(hù)。Vogler 等［47］最先提出了一種靜電場(chǎng)防護(hù)模型，該模型為兩個(gè)同心球體，而保護(hù)區(qū)域處于內(nèi)層球內(nèi)部，但是若想要達(dá)到對(duì)于空間輻射防護(hù)的目的，并且要考慮到防止真空擊穿，通過(guò)模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)此模型要同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)球殼上的電場(chǎng)密度均不能低于3×107V/m且球的半徑需要達(dá)到數(shù)百米這兩個(gè)條件，才能達(dá)到我們所期望的屏蔽效果。顯然這種模型還不足以應(yīng)用到航天中。于是在2005 年Sussinham 等［48］提出了另一種靜電場(chǎng)防護(hù)的模型。圖3為靜電場(chǎng)防護(hù)模型，此靜電場(chǎng)模型由13 個(gè)球體組成，保護(hù)區(qū)域位于中心球體的內(nèi)部，此球體的半徑為20 m，球殼表面的電壓為300 MV；第二層的6 個(gè)小球的半徑為10 m，每個(gè)球的球心與中心球的球心間距為50 m，球殼的表面電壓V=+300 MV；圍繞在最外層的6 個(gè)球半徑為20 m，每個(gè)球的球心與中心球的球心相距160 m，球殼表面電壓V=?300 MV。

圖4中，上曲線(xiàn)為α粒子的透射系數(shù)，下曲線(xiàn)為質(zhì)子的透射系數(shù)。通過(guò)理論計(jì)算結(jié)果推測(cè)，該模型的輻射防護(hù)效果更好，但由于該模型的實(shí)現(xiàn)需要外接設(shè)備，目前并不適用于載人航天領(lǐng)域。

(2)等離子體防護(hù)。等離子體防護(hù)方法最先由Levy等［49］于1964年提出，基本原理為：通過(guò)在保護(hù)區(qū)表面加上正電勢(shì)進(jìn)而對(duì)質(zhì)子和重離子產(chǎn)生排斥，以減少質(zhì)子或重粒子在到達(dá)保護(hù)區(qū)時(shí)的能量，以此來(lái)達(dá)到防護(hù)的效果。等離子體防護(hù)雖然比靜電場(chǎng)防護(hù)所需要的重量與外接設(shè)備數(shù)量少很多，但是其所需的技術(shù)更加嚴(yán)苛、復(fù)雜，當(dāng)前難以實(shí)現(xiàn)，所以目前還未廣泛應(yīng)用于載人航天工程上。

(3)磁場(chǎng)防護(hù)。磁場(chǎng)防護(hù)的基本原理：在保護(hù)區(qū)周?chē)梢粋€(gè)磁場(chǎng)，當(dāng)有帶電粒子入射后會(huì)受到磁場(chǎng)作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使原本的運(yùn)動(dòng)軌道改變，從而達(dá)到防護(hù)的目的。磁場(chǎng)防護(hù)分為束縛磁場(chǎng)防護(hù)和非束縛磁場(chǎng)防護(hù)。

約束磁場(chǎng)將磁場(chǎng)約束在保護(hù)區(qū)域周?chē)?dāng)帶電粒子入射后便會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)［50］。粒子的剛度是影響入射帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)程度大小的重要因素，同時(shí)，我們可以利用粒子剛度與磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算粒子在磁場(chǎng)中的曲率半徑（r），也稱(chēng)為拉莫爾半徑。對(duì)于一個(gè)確定的束縛磁場(chǎng)而言，當(dāng)入射粒子的拉莫爾半徑（r）小于約束性磁場(chǎng)的空間寬度Δ時(shí)，入射的帶電粒子就會(huì)很容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但是這個(gè)確定的束縛磁場(chǎng)可以防護(hù)的帶電粒子是有局限的，這與帶電粒子的入射角度相關(guān)，極限情況是帶電粒子沿切線(xiàn)射入，如圖5所示。當(dāng)這個(gè)磁場(chǎng)的空間寬度Δ 大于入射粒子的拉莫半徑的2 倍（2r）時(shí)，無(wú)論帶電粒子以何種角度射入磁場(chǎng)，其軌跡都將被偏轉(zhuǎn)到保護(hù)區(qū)之外，圖中垂直于粒子動(dòng)量的磁場(chǎng)分量的方向是垂直向外的。

Spillantini等［51］根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)了一個(gè)可以應(yīng)用于載人航天飛船上的圓柱形應(yīng)急避難所，如圖6所示。這個(gè)避難所中的小圓柱體為保護(hù)區(qū)，通過(guò)調(diào)整外圓柱體的尺寸（磁場(chǎng)強(qiáng)度）即可對(duì)中心區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。

與約束磁場(chǎng)防護(hù)相對(duì)的是非約束磁場(chǎng)防護(hù)，有時(shí)我們無(wú)法將磁場(chǎng)約束在保護(hù)區(qū)周?chē)?，只能利用已有的磁?chǎng)環(huán)境進(jìn)行防護(hù)，地球磁場(chǎng)就是非約束磁場(chǎng)防護(hù)的一個(gè)典型例子。但是非約束磁場(chǎng)的有效防護(hù)范圍較小，磁場(chǎng)在某些區(qū)域很弱，無(wú)法達(dá)到防護(hù)的目的。為解決此類(lèi)問(wèn)題，Winglee等［52］提出利用等離子體將磁場(chǎng)膨脹后對(duì)航天器進(jìn)行防護(hù)的方法，見(jiàn)圖7［53］。

3.2 生物醫(yī)學(xué)防護(hù)

當(dāng)宇航員在執(zhí)行長(zhǎng)期的載人航天任務(wù)中受到低、中劑量的輻射時(shí)，人體內(nèi)會(huì)發(fā)生主要由水分子電離產(chǎn)生的羥基自由基所引起的DNA 的損傷［54-55］。通過(guò)生物醫(yī)學(xué)防護(hù)的方法，利用服用藥物、補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)等手段，有望提高人體對(duì)于輻射的耐受性來(lái)減輕輻射對(duì)于人體的損傷。

Vasin等［56］發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期小劑量服用抗氧化劑或多酚類(lèi)物質(zhì)，可以使人體對(duì)低劑量電離輻射具有一定抵抗力。Brown 等［57］也同樣發(fā)現(xiàn)，在全身受到照射后24 h 服用抗氧化劑可以使骨髓細(xì)胞的存活率增加，佐證了Vasin 等的觀點(diǎn)。有研究顯示，不同的膳食結(jié)構(gòu)對(duì)抗氧化劑的需求量不同，當(dāng)膳食中包含較多不飽和脂肪酸時(shí)，若要達(dá)到預(yù)期的輻射防護(hù)效果則需要大大增加抗氧化劑的攝入量［58］。輻射防護(hù)劑/治療劑對(duì)于人體的部分作用機(jī)制見(jiàn)圖8［59］。國(guó)際上目前已經(jīng)研制出了諸如抗氧化劑、細(xì)胞因子等多種類(lèi)的輻射防護(hù)劑和緩解劑，提高人體的輻射耐性，使人體的抗氧化系統(tǒng)維持平衡［43，60］。

我國(guó)境內(nèi)有豐富的植物資源，它們包含很多天然抗氧化劑和輻射防護(hù)劑，如靈芝、綠茶、天山雪蓮等［61-63］，這些植物富含抗氧化劑，且對(duì)人體的副作用較小。利用這些資源對(duì)輻射防護(hù)具有重要意義。此外，Mortazavi等［64］的研究發(fā)現(xiàn)，利用低劑量輻射誘導(dǎo)航天員對(duì)射線(xiàn)的適應(yīng)性，適應(yīng)性較強(qiáng)的人對(duì)于太陽(yáng)粒子的輻射敏感性比其他人會(huì)更低。

4 總結(jié)與展望

我國(guó)積極開(kāi)展的“探月工程”、“載人空間站工程”、“空間飛機(jī)”等大型工程，正在為“建立我國(guó)的空間安全體系”而努力?？臻g飛行環(huán)境對(duì)人和生物極其嚴(yán)峻，所以研究航天環(huán)境下人體生理、心理變化及輻射防護(hù)方法至關(guān)重要，是保障載人航天飛行任務(wù)順利完成及在軌研究順利推進(jìn)的基礎(chǔ)。當(dāng)前空間輻射對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的類(lèi)型、發(fā)病率、劑量-效應(yīng)關(guān)系、損傷機(jī)制等雖然有了一定的研究成果，并開(kāi)始應(yīng)用于實(shí)踐，但其發(fā)生的確切機(jī)制、影響因素等仍需進(jìn)一步探索，尤其是面向深空探測(cè)，有效的空間輻射防護(hù)措施仍需進(jìn)一步研究。