Радиационная и электромагнитная безопасность длительных и дальних пилотируемых космических полетов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.02, доктор технических наук Труханов, Кирилл Александрович

• Труханов, Кирилл Александрович
• доктор технических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор технических наук Труханов, Кирилл Александрович

Обозначения и сокращения

Введение

Глава 1. Активная защита космических кораблей при межпланетных полетах

Введение

1.1 Методы определения радиационной обстановки за магнитной защитой

1.2 Варианты магнитных систем типа коаксиал

1.3 Защитные характеристики вариантов коаксиала (предварительный анализ)

1.4 Определение характеристик магнитной защиты обратным траекторным методом

1.5 Траектории частиц в защите при поле 1/г

1.6 Расчеты обратным траекторным методом для поля В = const.

1.7 Технология расчетов с помощью обратного траекторного метода

1.8 Заключительные замечания

Выводы

Глава 2. Электромагнитные факторы на борту межпланетных и околоземных пилотируемых космических аппаратов и возможности защиты экипажей от их воздействия

Введение

2.1 Магнитная обстановка на борту при космических полетах и на лунной базе

2.1.1 Межпланетные полеты и лунная база

2.1.2 Магнитная обстановка на борту при орбитальных космических полетах.

2.2 Имеющиеся литературные данные о воздействии слабых и сверхслабых магнитных полей, а также гипомагнитных условий и краткий обзор теоретических работ по механизмам этого воздействия

2.3 Возможности создания «искусственного геомагнитного поля» в космосе

2.3.1 Возможности создания «искусственного геомагнитного поля» на борту космического корабля в дальнем полете

2.3.2 Возможности создания «искусственного геомагнитного поля» на лунной базе

2.3.3 Особенности компенсации переменного уровня геомагнитного поля при околоземных полетах

2.4. Некорректность встречающихся в литературе утверждений о возникновении электрических полей в организме космонавтов «при пересечении силовых линий ГМП»

2.5 Особенности нормирования электромагнитных полей с широкополосным спектром.

2.6 Учет особенностей нормирования электромагнитных полей с широкополосным спектром при разработке требований к измерительной аппаратуре для МКС

Выводы

Глава 3. Применение методов радиотермометрии при моделировании воздействия факторов космического полета на организм и для возможного контроля его состояния в межпланетном полете и на лунной базе

Введение

3.1 Нахождение профиля температуры по глубине Т(х) по собственному радиоизлучению среды

3.2 Аппаратура и методики, которые применялись при моделировании воздействия моделируемых факторов космического полета в исследованиях ИМБП с участием испытателей.

3.3 Исследования с помощью радиотермометрии особенностей воздействия некоторых моделируемых факторов космического полета

Выводы

Глава 4. Вопросы метрологического обеспечения радиобиологических и радиационно-физических экспериментов на ускорителях заряженных частиц применительно к межпланетным (и околоземным) космическим полетам

Введение

4.1 Метод определения средней скорости частиц пучка по зависимости интенсивности излучения Вавилова Черенкова в оптическом диапазоне от показателя преломления радиатора

4.2 Метод нахождения спектра скорости частиц в пучке по зависимости интенсивности излучения Вавилова Черенкова в оптическом диапазоне от показателя преломления радиатора.

4.3 Некоторые практические вопросы создания черенковских спектрометров пучка для ускорителей

4.4 Метод определения скорости частиц пучка, основанный на использовании дисперсии света в радиаторе

Выводы

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Радиационная и электромагнитная безопасность длительных и дальних пилотируемых космических полетов»

Проблема безопасности человека в космосе до недавнего времени ограничивалась вопросами безопасности при околоземных полетах.

Перспектива пилотируемых полетов в межпланетном пространстве (например, к Марсу и обратно с высадкой на него) и создания лунных баз выдвигает совершенно новые вопросы.

К ним в первую очередь следует отнести:

-необходимость обеспечения во время длительных межпланетных полетов радиационной безопасности от потоков тяжелых ионов галактических космических лучей (ГКЛ) и солнечных космических лучей (СКЛ), значительно более интенсивных по сравнению с их потоками около Земли;

- необходимость снизить или вообще исключить длительное пребывание экипажа (и, вообще говоря, биорегенеративных систем жизнеобеспечения) в гипомагнитных условиях, т.е. в магнитном поле межпланетной среды, величина которого на несколько порядков ниже привычного геомагнитного поля (ГМП).

Новые аспекты появились в вопросах воздействия на борту электромагнитных полей, ранее считавшихся второстепенным или даже третьестепенным фактором. Не только в дальнем космосе, но и при околоземных полетах обнаружились новые проблемы, например воздействие на человека вариаций уровня геомагнитного поля, обусловленных изменением геомагнитных координат корабля (станции) при движении по орбите, а также процессами, происходящими в магнитосфере Земли [1,2].

При длительном межпланетном полете весьма актуальной оказывается проблема защиты экипажа от СКЛ во время солнечных событий и, в особенности, от тяжелых ионов ГКЛ, обладающих повышенным биологическим действием.

Именно во время полета к Земле после первой высадки на Луну астронавт E.Aldrin (Э.Олдрин) впервые сообщил о феномене ощущения зрительных образов в затемненном интерьере корабля «Аполлон-11» (1969). В результате бортовых и наземных исследований выяснилось, что это явление вызывается не только излучением Вавилова-Черенкова при прохождении космических лучей в средах глаза, но и непосредственным воздействием на сетчатку заряженных частиц с высокой линейной передачей энергии (ЛПЭ). Такую возможность предсказал в 1952 г., т.е. задолго до космических полетов, профессор С. Tobias (К. Тобайес) [3], впоследствии ведущий специалист HACA в области космической биологии и медицины.

Не исключено, что сетчатка (и вообще нервная система) может оказаться одной из критических структур по отношению к ГКЛ при длительных межпланетных полетах [4-6]. Это исключительно важно, учитывая первостепенную роль зрительного анализатора в полете, особенно, межпланетном.

Одним из путей решения проблемы радиационной безопасности от потоков ГКЛ при таких полетах в будущем может оказаться активная защита космических кораблей магнитными полями, отклоняющими ГКЛ от обитаемого объема. Тем самым одновременно будет решен вопрос защиты от СКЛ, что позволит осуществлять межпланетный полет независимо от состояния солнечной активности.

Межпланетный полет будет проходить в межпланетном магнитном поле, величина которого в тысячи и десятки тысяч раз меньше привычного ГМП.

Как правило, пребывание в пониженном магнитном поле отрицательно сказывается на жизнедеятельности. В литературе (например, [7-9]) приводятся результаты экспериментов на биологических объектах при воздействии гипомагнитных условий и обследования людей, находившихся в. помещениях, экранированных от электромагнитных полей (ЭМП), включая ГМП. Степень ослабления ГМП в большинстве случаев была невелика и несопоставима с условиями в межпланетном пространстве.

Экипажи кораблей «Аполлон» во время лунных экспедиций уже оказывались в гипомагнитных условиях. Однако продолжительность полетов (даже с высадкой на Луну) была сравнительно короткой (~9-И2,5 суток). При дальних межпланетных полетах экипажи будут находиться в подобных условиях сотни дней. Таким образом, вопросы, связанные с гипомагнитными условиями при межпланетных полетах, актуальны.

Одним из вариантов решения проблемы является создание на борту корабля в обитаемом объеме магнитного поля, имитирующего ГМП. Как показано в наших работах [10-12], это вполне возможно. Более того, подобные системы можно использовать на борту околоземных пилотируемых объектов (станций). Выше уже указывалось, что колебания уровня ГМП на борту вследствие изменения геомагнитных координат этих объектов, а также процессов, разыгрывающихся в магнитосфере, воздействуют на космонавтов. Использование систем стабилизации уровня ГМП на борту позволит избегать нежелательных эффектов этого воздействия [12].

Тесно с этими вопросами связаны вопросы воздействия на человека и биологические системы электромагнитных полей (ЭМП), создаваемых системами и аппаратурой корабля [11].

Следует ожидать, что на борту межпланетных кораблей и на лунной базе будут находиться многочисленные системы и аппаратура, создающие при своей работе ЭМП. Скорее всего, это ЭМП будет широкополосным и квазинепрерывным. Требуется разработка подходов к его нормированию, что важно также для решения экологических задач на Земле (на производстве, в быту и т.д. [11, 13-15]).

Вместе с тем, использование собственного излучения человека в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) для изучения состояния его организма при исследованиях воздействия моделируемых факторов межпланетного полета, а также, возможно, и в самом полете, может оказаться перспективным [16].

При подготовке межпланетного полета необходимо проведение широкого круга радиационно-физических и радиобиологических исследований с использованием ускорителей заряженных частиц. При этом потребуются методы, не разрушающие пучок ускорителя и не прерывающие процесс облучения объекта. Требуется и большая точность диагностики пучка. Разработка таких методов является актуальной задачей. В работе предложены неразрушающие методы диагностики на основе излучения Вавилова-Черенкова [17-19], обладающие рядом достоинств по сравнению с распространенными в практике.

В более широком плане предложенные методы могут быть полезны для мониторирования пучков при использовании ускорителей в промышленности, в медицине (онкология) и в иных целях.

Цель исследования: разработка подходов к обеспечению радиационной и электромагнитной безопасности межпланетных пилотируемых космических полетов в условиях воздействия космического излучения, гипомагнитной внешней среды и собственных электромагнитных полей корабля.

Эта цель достигается решением следующих задач.

Задача 1

- анализ видов активной защиты и выбор защиты от ГКЛ и СКЛ;

- разработка методов расчета потоков космического излучения и доз за магнитной защитой:

-в первом приближении без учета ослабления потоков заряженных частиц веществом корабля и магнитной защиты;

-в следующем приближении - потоки частиц за магнитной защитой и дозы от них в фантоме (дозиметрической модели человека) с учетом взаимодействия заряженных частиц с веществом корабля и магнитной защиты (комбинированная защита полем и веществом) на основе обратного траекторного метода;

-определение величины ослабления потоков и доз за магнитной защитой выбранной конфигурации для спектров представительных ядер ГКЛ и СКЛ при заданной величине магнитной индукции поля и распределения масс корабля и магнитной защиты;

Задача 2:

- проработка возможности создания аналога ГМП на межпланетных кораблях и особенностей использования такого аналога на околоземных пилотируемых объектах (станциях) с целью избежать нежелательного воздействия на их экипажи колебаний уровня ГМП на борту;

- разработка подходов к нормированию сверхширокополосных ЭМП и принципов построения аппаратуры для их мониторирования на борту космических объектов; корректировка подходов к испытанию аппаратуры, предназначенной для установки на борт, с акцентом на необходимость суммирования уровней от всех источников ЭМП по всему излучаемому спектру и учета электромагнитного «эха» в корабле.

Задача 3:

-анализ возможности использования собственного теплового радиоизлучения тканей и органов для изучения влияния моделируемых факторов космического полета на организм человека;

- анализ теоретических основ метода радиотермометрии и возможностей его совершенствования и оценка целесообразности применения радиотермометрии и акустотермометрии в межпланетном полете и на лунной базе;

- эксперименты и их результаты.

Задача 4:

-анализ методов определения характеристик пучков заряженных частиц при проведении радиобиологических и радиационно-физических экспериментов на ускорителях;

-разработка метода определения характеристик пучков по зависимости интенсивности излучения Вавилова-Черенкова (ИВЧ) от фазовой скорости света; исходные уравнения, математические проблемы и их решение, физико-технические вопросы измерений;

-проработка возможности использования дисперсии света в радиаторах ИВЧ для определения характеристик пучков и одиночных импульсов (сгустков) частиц, а также характеристик сгустков частиц внутри этих импульсов;

-анализ возможности использования разработанных методов для определения характеристик потоков тяжелых заряженных частиц.

Проведенные исследования характеризуются не только актуальностью, но и новизной.

Дополнительно к уже известной конфигурации системы магнитной защиты типа тороидального соленоида («коаксиала») с магнитным полем В, зависящим от вектора-радиуса г как 1/г, предложена и рассмотрена конфигурация коаксиала с полем В = const, отличающаяся рядом достоинств [20].

Завершено [20] развитие обратного траекторного метода расчета потоков ГКЛ и CKJI за магнитной защитой и определения доз в фантоме с учетом дополнительного взаимодействия заряженных частиц с веществом корабля и элементами магнитной защиты [21,22,29], что является новым. Этот метод позволяет эффективно решать такие важные, но плохо поддававшиеся анализу задачи, как оценка комбинированной защиты магнитным полем и веществом.

Проведены расчеты магнитных систем для создания аналога ГМП на борту межпланетных кораблей. Показано, что такие системы не будут обладать ни значительной массой, ни заметным потреблением энергии [12]. Их аналоги можно использовать также на борту околоземных пилотируемых объектов (станций) для поддержания постоянства модуля магнитного поля в обитаемом объеме, что является принципиально новым подходом к решению задачи об исключении нежелательного воздействия на экипажи колебаний уровня ГМП на борту.

Подход к определению уровней воздействия сверхширокополосного фона ЭМП, как фона множества виртуальных источников, является также новым [13 -15]. Распространенное мнение, что если выполнены требования по электромагнитной совместимости (ЭМС) аппаратуры, то заведомо выполнены требования по электромагнитной безопасности для человека, в случае воздействия сверхширокополосных ЭМП оказывается некорректным [13-15].

На этой основе разработаны принципы построения аппаратуры для нормирования сверхширокополосных ЭМП, причем не только в космосе [14,15]. Предложено при испытаниях аппаратуры на ЭМС (во всяком случае, той, которая предназначается для использования на борту пилотируемых объектов) оценивать также ее «совместимость с человеком» [15] и учитывать при этом наличие электромагнитного «эха» в интерьерах корабля.

Разработаны методы радиотермометрии на основе регистрации собственного теплового радиоизлучения соответствующих сред применительно к исследованию влияния моделируемых факторов космического полета на организм человека [23]. Разработаны теоретически подходы к возможности использования корреляционных измерений для определения распределения температуры и электрофизических характеристик сред (в том числе, биологических) по глубине [23-25]. Впервые радиотермометрия использована для определения температурных сдвигов при воздействии некоторых моделируемых факторов космического полета на организм человека [23, 26].

Разработан неразрушающий (т.е. позволяющий проводить измерения, не прекращая облучения объекта) метод определения характеристик пучков по зависимости интенсивности излучения Вавилова-Черенкова от фазовой скорости электромагнитных волн в радиаторе, отличающийся рядом достоинств [17-19]. Впервые предложено использовать дисперсию света в радиаторах излучения Вавилова-Черенкова для неразрушающего определения характеристик пучков, характеристик одиночных импульсов (потоков) частиц и характеристик потока частиц внутри посылок [19]. До этого предложения дисперсия света считалась явлением, осложняющим применение черенковских методов. Проведена теоретическая разработка метода и показана реальность осуществления такой возможности, в особенности, для измерения мощных радиационных полей [19].

Проанализирована возможность использования разработанных методов для неразрушающего определения характеристик потоков электронов и тяжелых заряженных частиц ускорителей (медицинских, исследовательских и других).

Работа представляет и теоретическую, и практическую ценность.

Ее разделы выполнялись по научно-техническим программам ГКНТ СССР, научно-техническим программам Миннауки России, по тематике РАН и Роскосмоса.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на многих конференциях и семинарах, как международных, так и всесоюзных и российских.

Работа состоит из введения, четырех глав и четырех приложений, объединенных проблемой обеспечения радиационной безопасности от ионизирующих и неионизирующих излучений и электромагнитных факторов космического пространства при межпланетных (и околоземных) полетах и работах на лунной базе.

В первой главе анализируются возможности использования так называемой активной защиты межпланетного корабля с помощью статических электромагнитных полей, отклоняющих заряженные частицы от обитаемых объемов. Опасности от жесткого электромагнитного излучения (гамма - лучей, рентгена и т.п.) в космосе нет. Анализируются причины, по которым неприемлемы предложения об использовании в качестве защиты от СКЛ и ГКЛ электростатических полей. Показано, что единственно возможным перспективным вариантом активной защиты от ГКЛ и СКЛ является защита магнитным полем. Рассмотрены возможные принципиальные варианты магнитных систем, выбран наиболее перспективный, по нашему мнению, тип магнитной защиты (МЗ) варианты тороидального соленоида с двумя разными распределениями магнитного поля внутри (поле В, спадающее по радиусу, как 1/г, где г -радиальная координата в цилиндрической системе, и В = const.).

С использованием метода, который создал F.C.M. Stormer (К. Штёрмер -иностранный член-кор. Российской АН (1918) и почетный член АН СССР (1934)) для нахождения характеристик потоков заряженных частиц в поле земного диполя, разработаны методы первоначальных оценок радиационной обстановки за магнитной защитой «коаксиал».

Показано, что вследствие ионизационных потерь частиц в веществе корабля и магнитной защиты может иметь место эффект захвата заряженных частиц магнитным полем и их возврат в защищаемый объем. До наших работ эффект захвата и необходимость его учета при расчетах магнитной защиты были неизвестны.

Разработан обратный траекторный метод расчета радиационной обстановки за магнитным полем и нахождения дозного распределения в фантоме человека с учетом взаимодействия заряженных частиц с веществом корабля и собственно защиты (т.е. по сути для комбинированной защиты полем и веществом). Выполнены параметрические расчеты величины магнитного поля, необходимого для снижения потоков ГКЛ и CKJI до различных предполагаемых предельно допустимых уровней облучения.

Подчеркивается, что параметры магнитной защиты определяются свойствами материалов (сверхпроводящих и конструкционных) и криогенными технологиями, которые совершенствуются, в то время как параметры пассивной защиты определяются ядерными константами вещества.

Вторая глава посвящена электромагнитным факторам на борту межпланетных и околоземных пилотируемых космических аппаратов и возможности защиты экипажей от их воздействия. Рассматриваются возможности создания искусственного геомагнитного поля на борту марсианского корабля и лунной базы и связанные с этим вопросы. Приводятся краткие литературные данные по воздействию гипомагнитных условий на биообъекты и человека. Рассматриваются также особенности режима возможных магнитных систем для компенсации переменного уровня ГМП на борту при околоземных полетах. Анализируются особенности нормирования ЭМП с широкополосным спектром и проблема биоэлектромагнитной совместимости бортовой аппаратуры в пилотируемых полетах.

В третьей главе рассматриваются методы радиотермометрии при моделировании воздействия факторов космического полета на организм и контроля его состояния в дальнем космосе. Анализируются теоретические и практические вопросы радиотермометрии и акустотермометрии. Уделено внимание получению профиля глубинной температуры среды с помощью корреляционных измерений. Анализируются возможности диагностики состояния человека при моделировании воздействия экстремальных факторов, используя его собственное радиоизлучение (радиотермометрия и интроскопия, теория и методы)

Приводится описание аппаратуры и методик, разработанных совместно с член-кор. В.С. Троицким (НИРФИ) и результаты экспериментов, выполненных в ИМБП по исследованию воздействия некоторых моделируемых факторов космического полета на организм человека. Для этих целей радиотермометрия применена впервые. Рассматривается возможность применения методов акусто- и радиотермометрии в межпланетных полетах и на лунной базе для контроля за состоянием экипажа.

В четвертой главе анализируются вопросы диагностики и мониторирования пучков ускорителей при проведении радиобиологических и радиационно-физических экспериментов. Рассматривается метод определения параметров (характеристик) пучков по зависимости интенсивности излучения Вавилова-Черенкова (ИВЧ) от фазовой скорости электромагнитных волн в оптическом и радиочастотном диапазоне. Метод является практически неразрушающими и может быть использован для нахождения распределения скоростей заряженных частиц в пучках, в том числе, высокоинтенсивных, причем при произвольном и неизвестном угловом распределении.

Особо выделяется вариант метода, основанный на использовании зависимости скорости электромагнитной волны (и, соответственно, порога ИВЧ) в оптическом диапазоне от ее длины, т.е. на дисперсии света. Известно, что дисперсия света, вообще говоря, осложняет применение черенковских методов. Здесь дисперсия впервые оказывается «дружественным» явлением и позволяет в принципе находить распределение частиц по скорости в одиночном импульсе ускорителя, а при выполнении некоторых требований - и внутри этого импульса. Неразрушающее измерение распределения частиц по энергии в пучках представляется весьма важным и для других приложений - для контроля процессов облучения в промышленности, биологии и медицине.

Положения, выносимые на защиту

1. Теоретические основы и методики определения защитных характеристик магнитных полей различных конфигураций от галактических космических лучей (ГКЛ) и солнечных космических лучей (СКЛ) без учета их взаимодействия с веществом, а также ослабления потоков ГКЛ и СКЛ магнитной защитой типа «коаксиал» и определения доз в фантоме за ней с учетом взаимодействия заряженных частиц с веществом корабля и магнитной защиты (комбинированная защита полем и веществом) на основе обратного траекторного метода.

2. Оценки энергии представительных ядер ГКЛ, которых необходимо полностью отклонять магнитным полем от защищаемого объема (энергия отсечки) для снижения доз до предполагаемых в межпланетном полете значений.

3. Создание искусственного ГМП на борту межпланетных кораблей с использованием специальных магнитных систем. Показано, что такие системы будут обладать сравнительно небольшой массой и энергопотреблением.

4. Предложение поддерживать постоянство модуля магнитного поля при околоземных пилотируемых полетах с помощью магнитных систем, управляемых магнитометром в обитаемом объеме, для устранения нежелательных эффектов воздействия на экипажи вариаций уровня ГМП на борту. Рассмотрена зависимость от времени токов в магнитной системе для орбит с разными углами наклона, оценено энергопотребление таких систем.

5. В связи с перспективами резкого возрастания, особенно, на межпланетном корабле и на лунной базе, количества систем и аппаратуры, создающих при своей работе широкополосный фон ЭМП, предложено нормировать этот фон как излучение множества виртуальных источников.

6. Использование радиотермометрии при исследованиях воздействия на организм моделируемых факторов космического полета. Полученные впервые данные говорят в пользу дальнейшей разработки методов и аппаратуры радио - и акустотермометрии и ее применения в исследованиях, в отборе, при тренировках и в качестве бортовой аппаратуры межпланетных кораблей и на лунной базе.

7. Методы определения распределения скоростей частиц в пучках ускорителей на основе излучения Вавилова-Черенкова применительно к радиобиологическим и радиационно-физическим экспериментам в целях обеспечения радиационной безопасности человека в космосе. Методы практически не разрушают пучок и позволяют определять и регулировать его параметры, не прекращая облучения объекта.

Заключение диссертации по теме «Безопасность в чрезвычайных ситуациях (по отраслям наук)», Труханов, Кирилл Александрович

ВЫВОДЫ

1. Для обеспечения радиационной безопасности экипажа при будущих межпланетных пилотируемых полетах может быть применена магнитная защита обитаемого отсека от галактических космических лучей и заряженных частиц солнечных событий.

2. Разработаны теоретические основы и методики определения защитных характеристик магнитных полей различных конфигураций от галактических космических лучей (ГКЛ) и солнечных космических лучей (СКЛ) без учета их взаимодействия с веществом, а также ослабления потоков ГКЛ и СКЛ магнитной защитой типа «коаксиал» и определения доз в фантоме за ней с учетом взаимодействия заряженных частиц с веществом корабля и магнитной защиты на основе обратного траекторного метода (комбинированная защита полем и веществом).

3. На основе разработанных методов получены оценки энергии представительных ядер ГКЛ, которых необходимо полностью отклонять магнитным полем от защищаемого объема (энергия отсечки) для снижения доз до предполагаемых в межпланетном полете значений. При полете к Марсу энергия отсечки должна составлять не менее (0,6 0,8) ГэВ/нуклон. При этом устраняется радиационная опасность от СКЛ, что позволит осуществлять будущие межпланетные полеты независимо от солнечной активности.

4. Обсуждены возможности создания искусственного ГМП на борту межпланетных кораблей с использованием специальных магнитных систем, предложены их варианты. Показано, что такие системы будут обладать сравнительно небольшой массой и энергопотреблением.

5. Поддержание постоянства величины модуля магнитного поля в обитаемом объеме с помощью магнитной системы, управляемой расположенным в нем магнитометром, должно способствовать устранению нежелательных эффектов воздействия на экипажи околоземных объектов вариаций уровня ГМП на борту. Выбраны оптимальные режимы питания магнитных систем для орбит с разными углами наклона.

6. Широкополосный фон ЭМП на борту будущих межпланетных кораблей и на лунной базе следует рассматривать как множество виртуальных источников и соответственно его нормировать. Распространенное мнение, что если электромагнитное поле удовлетворяет требованиям электромагнитной совместимости аппаратуры, то для человека оно тем более не превышает предельно допустимый уровень, оказывается в условиях широкополосного фона некорректным, что показано на примере аппаратуры, поставляемой на Российский Сегмент МКС. Необходим пересмотр требований к испытаниям и допуску аппаратуры на борт, а также к бортовой аппаратуре для измерений и мониторинга электромагнитного поля на борту.

7. В связи с положительным опытом использования радиотермометрии при исследовании воздействия моделируемых факторов космического полета на организм необходима дальнейшая разработка методов и аппаратуры радио - и акустотермометрии. Целесообразно их применение в исследованиях, при отборе и тренировках, а также в качестве бортовой аппаратуры контроля состояния членов экипажа, особенно, в условиях межпланетного полета и работ на Луне.

8. Разработаны применительно к радиобиологическим и радиационно-физическим экспериментам в целях обеспечения радиационной безопасности человека в космосе методы определения распределения скоростей частиц в пучках ускорителей, основанные на использовании зависимости интенсивности излучения Вавилова-Черенкова от показателя преломления радиатора. Они практически не разрушают пучок, позволяют контролировать и изменять его параметры в процессе облучения объекта и проводить измерения в пучках с неизвестным угловым распределением. С их помощью станет возможным неразрушающим способом определять распределение по скоростям (по энергии) частиц даже в одиночном сгустке частиц и внутри этого сгустка. Таких возможностей другие методы пока не имеют.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе рассмотрены новые проблемы, возникающие в космонавтике при планировании пилотируемых межпланетных полетов, а также при создании лунной базы и работах на ней.

Впервые полет будет проходить длительное время в межпланетном пространстве, где потоки галактических и солнечных космических лучей (ГКЛ и СКЛ) намного выше, чем в околоземном пространстве, а возможности для эвакуации экипажа отсутствуют. Наряду с этим, магнитное поле в межпланетном пространстве на несколько порядков меньше, чем привычное геомагнитное. Имеются достаточно убедительные данные, что даже небольшое снижение уровня геомагнитного поля неблагоприятно воздействует на жизнедеятельность.

В работе исследованы возможности магнитной защиты, основанной на отклонении сильными магнитными полями частиц космического излучения от обитаемого объема межпланетного корабля. Разработаны методы расчета доз в фантоме (дозиметрической модели человека) от ГКЛ и СКЛ. В первом приближении - без учета вещества корабля и собственно магнитной защиты, а в следующем приближении - для комбинированной защиты полем и веществом.

Исследованы возможности создания на межпланетном корабле и на лунной базе искусственного геомагнитного поля. Показано, что такое решение не только возможно, но и не требует для своей реализации магнитных систем большой массы и с большим энергопотреблением.

Предложено использовать сходные магнитные системы для компенсации вариаций уровня геомагнитного поля на борту, неблагоприятно действующих на космонавтов. Эти вариации обусловлены как изменением геомагнитных координат пилотируемого объекта на орбите, так и процессами в магнитосфере. Решение заключается в стабилизации суммарного уровня магнитного поля, обусловленного геомагнитным полем и полем бортовой однокомпонентной магнитной системы, управляемой магнитометром.

Рассмотрены вопросы, связанные с воздействием на экипаж электромагнитных полей (ЭМП) бортовой аппаратуры и систем. Предложены подходы к определению дозовой нагрузки от широкополосных ЭМП, что, несомненно, будет иметь место как в межпланетном корабле с его высокой энерговооруженностью и большим количеством электро- и радиосистем, так и на лунной базе.

Исследована возможность использования радиотермометрии для определения глубинной температуры органов и тканей при воздействии на организм моделируемых факторов космического полета. Предложены возможные способы получения профиля температуры по глубине. Показано, что радиотермометрия (и, по-видимому акустотермометрия) позволяют прогнозировать возможность человека выполнять работу, связанную с большими физическими нагрузками, в особенности, после гипокинезии. Возможно, что радиотермометрическая и акустометрическая аппаратура будет полезна для оценки состояния организма в межпланетном полете и при работах на лунной базе.

Разработаны новые методы определения распределения по энергии заряженных частиц в пучках ускорителей для метрологического обеспечения радиобиологических и радиационно-физических экспериментов на ускорителях применительно к межпланетным (и околоземным) пилотируемым космическим полетам.

Методы являются практически неразрушающими пучок и позволяют проводить его непрерывный мониторинг и на основе этих данных управлять режимом ускорителя, не прерывая процесс облучения.

Можно надеяться, что эти методы найдут применение также в промышленности и в медицине - в последнем случае для контроля работы медицинских ускорителей.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Труханов, Кирилл Александрович, 2006 год

1. Baevsky R.V., Petrov V.M., Chernikova A.G. Regulation of autonomic nervous system in space and magnetic storms // Adv. Space Res. -1998.- V.22.1. P. 227-234.

2. Tobias С.A. Radiation hazards in high altitude aviation. //Aviat. Med.- 1952.-V.23.- P. 345-372.

3. Труханов К.А., Бриндикова Т.А., Зак П.П., Лебедев В.М., Спасский А.В., Федорович И.Б., академик Островский М.А. Действие тяжелых заряженных частиц на родопсин и изолированную сетчатку глаза. //ДАН,- 2001.- Т.377. -№5.-С 715-717.

4. Trukhanov K.A. Retina as one of probable critical structure at flight to Mars. // Abstracts for COSPAR Second Coll. "Radiation safety for manned mission to Mars". 29.09-01-10.2003 -Dubna.- Russia. P. 70.

5. Копанев В.И., Шакула A.B. Влияние гипомагнитного поля на биологические объекты. Л.: Наука.- 1985. 73 с.

6. Бинги В.И. // Магнитобиология. Эксперименты и модели. М.: МИЛТА.-2000.- 502 с. Монография переведена на английский язык : Binhi V.N. Magnetobiology: Onderlying Physical Problems. Academic Press. London. 2002.

7. Trukhanov К.A., Lugansky L.B. "Artificial" geomagnetic field on manned spacecrafts.// Abstracts of 4-th Int. Workshop on Space Rad. Res. and 17-th Annual NASA Space Rad. Health Inv. Workshop. Moscow-St. Peterburg. -5-9.06. 2006. P.131-132.

8. Григорьев Ю.Г., Труханов К.А., Васин A.JI. // Электромагнитные поля и здоровье человека / Под общей ред. Ю.Г. Григорьева. Изд-во РУДН.- 2002 -. Глава 7. Избранные вопросы теории биологического действия электромагнитных полей. С. 124- 140.

9. Васин А. Л., Труханов К. А. Оценка вклада широкополосного квазинепрерывного электромагнитного фона в дозовую нагрузку //Радиац. биология. Радиоэкология. 2003. - Т. 43. - В.5. - С. 590-593.

10. Труханов К. А. Некоторые вопросы электромагнитной и биоэлектромагнитной совместимости. // Ежегодник Российского Национального Комитета по защите от неионизирующих излучений. 2005.-С. 199-205.

11. Trukhanov К.А. Magnetic shielding of Martian spacecrafts//Abstracts of 4-th Int. Workshop on Space Rad. Res. and 17-th Annual NASA Space Rad. Health Inv. Workshop. Moscow-St. Peterburg. 5-9.06. 2006. - P. 134-135.

12. Вайнберг Б.Р., Егоров Ю.В., Труханов К.А., Шлапак В.Н. Об одном методе расчета потоков частиц в системах магнитной защиты.// Вопросы дозиметрии и защиты. Изд-во МИФИ. 1978. - В. 17. - С. 1496 - 1504.

13. Trukhanov К.А., Kondratiev V.A. On magnetic shielding of Martian spacecraft. // Abstracts for COSPAR Second Coll. "Radiation safety for manned mission to Mars". 29.09-01-10.2003. Dubna. Russia. P. 97.

14. Trukhanov К.А. Promising method for determination of temperature in depth at simulation of action of space flight factors // Proc. Second Aerospace Congress. Moscow. 31.08-5.09.1997. V.I. - P. 208-211.

15. Бяков В.М., Степанов С.В. К механизму первичного биологического действия ионизирующих излучений//УФН. 2006. - Т. 176. -№ 5.- С.487-506.

16. Christophorou L.G. Atomic and molecular radiation physics. London. Wiley-Interscience. 1971. - 672 p.

17. Труханов K.A., Рябова Т.Я., Морозов Д.Х. Активная защита космических кораблей. М.: Атомиздат. 1970. - 231 с.

18. Паркер 10. Как защитить космических путешественников?// В мире науки. 2006. - № 6. - С. 15-20.

19. Dow, N.F. Structural Implications of the Ionizing Radiation in Space.// Proceedings of the Manned Space Stations Symposium. 1960. - Los Angeles.-April 20-22.- P. 55-60.

20. Kash, S.W. Magnetic Space Shields // In Advances in Plasma Dynamics, Anderson and Springer (eds.), Northwestern University Press. Evanston. IL. -1967. P.135-166.

21. Levy, R.H. Radiation Shielding of Space Vehicles by Means of Superconducting Coils // ARS Journal. 1961. 31 (November). P. 1568-1570.

22. Townsend, L.W. HZE Particle Shielding Using Confined Magnetic Fields.// Journal of Spacecraft and Rockets. 1983 V. 20. - 629-630.

23. Brown, G.V. "Magnetic Radiation Shielding." Chapter 40. High Magnetic Fields. Kolm, Lax, Bitter, and Mills (eds.). 1962 MIT Press. - Cambridge.- MA. - P. 370-378.

24. Levy, R.H. and French, F.W. Plasma Radiation Shield Concept and Applications to Space Vehicles//Journal of Spacecraft and Rockets. - 1968. - 5. -P. 570-577.

25. Труханов K.A., Морозов Д.Х., Шахова А.И. О вычислении поглощенной дозы в системах магнитной защиты. // Вопросы дозиметрии и защиты. Изд-во МИФИ. 1969. -В. 10. - С. 106 - 115.

26. Landis G. A., "Magnetic Radiation Shielding: An Idea Whose Time Has Returned?" Presented at the Tenth Biennial SSI/Princeton Conference on Space Manufacturing.- May 15-19, 1991. Princeton.

27. Мануйлов В.Г. Оптимизация магнитного радиационного экрана.//ЖТФ. -1967.-Т. 37.-7.-С. 1230.

28. Spillantini P. Radiation shielding of spacecraft in manned interplanetary flights. // Nuclear Physics В (Proc. Suppl.). 2000. - 85. P. 3.

29. Störmer С. The Polar Aurora. Clarendon Press. Oxford. 1955.

30. Росси Б., Ольберт С. Введение в физику космического пространства. Пер. с англ. под ред. В.П. Шабанского. М.: Атомиздат. 1971.- 392 с.

31. Бауров Ю.А., Огородников С.Н. О движении заряженных частиц в поле магнитного диполя // ЖТФ. 1977. - Т. 47. - В.6. - С. 1135-1140.

32. Prescott A.D., Urban E.W., Shelton R.D. The application of the Liouvlle theorem to magnetic shielding problems. // Proc. 2 nd Symp. on protection against radiation in space. Washington. NASA. 1965. - P. 189-198.

33. Гликман Л.Г. Качественное исследование движения заряженной частицы в поле магнитного диполя // ЖТФ. 1974. - Т. 44. - №4. - С. 689-697.

34. Морозов Д.Х. О первом интеграле кинетического уравнения для диссипативных систем в магнитном поле.// ЖЭТФ. 1972. - Т.62. - В. 5. - С. 1733- 1736.

35. Кельман В.М., Родникова И.В. Движение заряженных частиц в магнитном поле линейного тока и электрическом поле цилиндрического конденсатора.//ЖЭТФ. -1951.-Т. 21.-В. 12.-С. 1364-1369.

36. Hertweck Von F. Die Bewegung geladenerTeilchen im Magnetfeld eines geraden stromdurchflossenen Drahtes.// Zeitschrift fur Naturforsch. B. 1959.-. 14A-N l.-S. 47-53.

37. Труханов K.A., Морозов Д.Х. К вопросу об оптимизации магнитного радиационного экрана.//ЖТФ. 1970. - T. XL. - В. 6. - С. 1229- 1235.

38. Саркисян Л.А. Аналитические методы расчета стационарных магнитных полей. М.: Энергоатомиздат. 1993. - 288 с.

39. Невзгодина Л.В., Григорьев Ю.Г., Маренный A.M. Действие тяжелых ионов на биологические объекты. М.: Энергоатомиздат. 1990. - 216 с.

40. A.И., Дудкин В.Е., Ковалев Е.Е., Коварский Л.М., Лесновский Л.Н., Панин

41. B.А.,Перфильева С.М., Портман А.И., Потапов Ю.В., Ремизов И.Я.

42. Информационный бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики». М.: ВНИИэлектроэнергетики. 2006. - Т.З. - В. 2. Под научной редакцией член-кор. РАН Н.А. Черноплекова.

43. Trukhanov К.А. Some new problems in safety of manned flights // Abstracts of 4-th Int. Workshop on Space Rad. Res. and 17-th Annual NASA Space Rad. Health Inv. Workshop. Moscow-St. Peterburg. -5-9.06. 2006. P. 133-134.

44. Pokhodzey L.V. Biological effects and hygienic standards of hypo-geomagnetic fields // Ibid. P. 101-102.

45. Майкельсон СМ.// Основы космической биологии и медицины. Т.П. Книга 2. Радиоизлучения: магнитные и электрические поля. М.: Наука. -1975.-С.9-58.

46. Давыдов Б.И., Тихончук B.C., Стржижовский А.Д. //Космическая биология и медицина. T.III. Книга 2. Человек в космическом полете. Глава 18. Неионизирующие излучения. М.: Наука. 1997. - С. 206 -245.

47. Dubrov А.Р. // Geomagnetic Field and Live. Geomagnetobiology. N.Y. L. Plenum Press. 1978.-310 p.

48. Труханов K.A., Шевнин А.Д. 2.4. Электромагнитные поля, возникающие при движении в геомагнитном поле//В кн. Электромагнитные поля в биосфере / Под ред. Н.В. Красногорской. М.: Наука. 1984. - Т.1. - С. 109117.

49. Луговенко В.Н. Статистический анализ аномального магнитного поля. М.: Наука. 1974.-200 с.

50. Аррениус Сванте. Влияние космических условий на физиологические отправления человека.//Научное обозрение. СПб. 1900. - №2. - С. 261 -298.

51. Владимирский Б.М. Атмосферный инфразвук как возможный фактор, передающий влияние солнечной активности на биосферу. // Проблемы космической биологии. М.: Наука. 1982. - Т. 43. - С. 174.

52. Бауров Ю.А., Труханов К.А. Космологический векторный потенциал как возможный фактор космофизических и гелиофизических связей // Биофизика. 1998. - Т.43. - № 5. - С. 928-935.

53. Франкевич Е.Л. Магнитные поля и скорость реакции. // Вестн. АН СССР. 1978. - №2. - С.80-92.

54. Франкевич Е.Л., Трибель М.М. Магнитные эффекты в фотосинтезирующих и модельных системах. // Жур. Всес. хим. общества им. Д.И. Менделеева. 1986. Т.31. - N6. - С. 532 - 536.

55. McLeod B.R., Smith S.D., Cooksey К.Е., Liboff A.R. Ion cyclotron resonance frequencies enhance Ca dependent motility in diatoms//! Bioelectr. 1987. - V. 11.-P. 29-42.

56. Liboff A.R. Interaction mechanisms of low-level electromagnetic fields and living systems. Oxford. Oxford Univ. Press. 1992.

57. Вуд P. Физическая оптика. ОНТИ. 1936. - 895 с.

58. Clarkson N., Davies M.S., Dixey R. Diatom motility and low frequency electromagnetic fields-a new technique in the search for independent replication of results. // Bioelectromagnetics. 1999. - V. 20. - P. 94-100.

59. Шувалова Л.А., Островская М.В., Сосунов Е.А., Леднев В.В. Слабое магнитное поле, настроенное на параметрический резонанс, меняет скорость Са2+ кальмодулин-зависимого фосфорилирования миозина //ДАН. 1991. -Т. 317. - N1. - С. 227- 230.

60. Lednev V.V. Possible mechanism for the influence of weak magnetic fields on biological systems. // Bioelectromagnetics. 1991. - V. 12. - N 1. - P.71-74.

61. Blanchard J.P., Blackman C.F. Clarification and application of an ion parametric resonance model for magnetic field interaction with biological systems // Bioelectromagnetics. 1994. - V.15. - №. 3. - P.217-238.

62. Леднев В.В. Биоэффекты слабых комбинированных постоянных и переменных магнитных полей //Биофизика. 1996. - Т.41. - В. 1. - С. 224-232.

63. Бинги В.Н., Савин А.В. Физические проблемы действия слабых магнитных полей на биологические системы. //УФН. 2003. - 173 (3). - С. 265-300.

64. Гросберг А.Ю. Несколько замечаний, навеянных обзором В.Н. Бинги и А.В. Савина о магнитобиологии. //УФН. 2003. -173(10). - С. 1145-1148.

65. Бинги В.Н. За что и как критикуют магнитобиологию.// Ежегодник Российского Национального Комитета по защите от неионизирующих излучений. М. 2004. - С. 195-208.

66. Афанасьев Ю.В., Студенцов Н.В., Хорев В.Н. и др.// Средства измерения параметров магнитного поля. Л.: Энергия. 1979. - 320 с.

67. Гурфинкель Ю.И. Ишемическая болезнь сердца и солнечная активность. М.-2004.- 169 с.

68. Marino А.А., Becker R.O., Hart F.X., Anders F., Jn. Space osteoporosis. An Electromagnetic Hypothesis.// Aviat. Space and Environ. Med. 1979. - V. 50. -N4. -P.409-411.

69. Фейнман Р., Лейтон Р., Сендс М. //. Фейнмановские лекции по физике. Т. 6. Электродинамика. М.: Мир. - 1977. - 347 С.

70. Парселл Э. Электричество и магнетизм. М.: Наука. 1983. - 415 с.

71. Меерович Э.А., Меерович Б.Э. // Методы релятивистской электродинамики в электротехнике и электрофизике. М.: Энергоатомиздат. -1987.-231с.

72. Фейнман Р., Лейтон Р., Сендс М. //. Фейнмановские лекции по физике. -Т. 5. Электричество и магнетизм. М.: Мир. 1977. - 300 с.

73. Смайт В. Электростатика и электродинамика. М.: Изд-во Ин. Лит. 1961. - 604 с.

74. Миткевич В.Ф. Физические основы электротехники. Л.: КУБУЧ. 1932. -. 496 с.91 .Шваб А.И. Электромагнитная совместимость. / Под ред. И.П. Кужекина. М. Энергоатомиздат. 1995. -469 с.

75. Троицкий B.C., Густов A.B., Белов И.Ф. О возможности использования собственного теплового радиоизлучения человека для измерения температуры его внутренних органов: результаты и перспективы.//УФН. -1981.-Т. 134. -В.1. С.155-158.

76. Гуляев Ю.В., Годик Э.Э., Дементиенко В.В., Пасечник В.И., Рубцов A.A. О возможностях акустической термографии биологических объектов//ДАН. СССР. 1985. - Т. 283. - № 6. - С. 1495 - 1499.

77. Пасечник В.И. Пассивный термоакустический томограф, не использующий априорную информацию о коэффициенте поглощения.// Акуст. журн. 1997. - Т. 43. - № 4. - С. 563-565.

78. Аносов A.A., Пасечник В.И., Антонов М.А. Корреляционный прием теплового акустического излучения. В докладах 3-ей Междунар. Конф. «Радиоэлектроника в медицинской диагностике». Москва. 29.09-01.10.1999. С. 62-64.

79. Труханов К.А. Модифицированный корреляционный метод биологической радиометрии. В докладах 3-ей Междунар. Конф.

80. Радиоэлектроника в медицинской диагностике». Москва. 29.09-01.10.1999. С. 4243.

81. Троицкий B.C. К теории контактных радиометрических измерений внутренней температуры тел.// Изв. Вузов. Радиофизика. 1981. - Т. 24. -В.9.-С. 1054.

82. Шмаленюк А.С. Многомодовый метод определения температуры биологических объектов. // В сб. «Методические вопросы определения температуры биологических объектов радиофизическими методами» 1985. -С. 117.

83. Leroy Y. et al. Present results and trends in microwave thermography.//. IEEE Trans. MTT-S. Dig. 1983. - P. 186 -188.

84. Mamouni A. et al. Introduction to correlation microwave thermography.// J. Microwave Power. 1983. - V. 18. - N 3. - P. 285 -293.

85. ЮЗ.Джелли Дж. Черенковское излучение и его применение. ИнЛит. 1960 -235 с.104.3релов В.П. Излучение Вавилова Черенкова и его применение в физике высоких энергий. T.l, Т.2. Атомиздат. - 1968. - 501 с.

86. Болотовский Б.М. Теория эффекта Вавилова-Черенкова (III) // УФН. -1961.-Т. 125.-С. 295-350.

87. De Almeida C.E., Almond P.R. Energy calibration of high energy electronsVusing a Cerenkov detector and a comparison with different methods.// Phys. Med. Biol. 1974.-V.19.-P. 476-483.V

88. Arx von A., Kuphal К., Sempert М. Energieeichung der Elektronenstrahlung eines 45-MeV-Betastrons mit Hilpe des Cerenkow-Effektes. // Studia Biophysica. 1970. - B. 23.-Y. l.-S. 51-59.

89. Ремизович B.C., Рогозкин Д.Б, Рязанов М.И. Флуктуации пробегов заряженных частиц. М.: Энергоатомиздат. 1988. - 240 с

90. Воробьев А.А., Кононов Б.А. Прохождение электронов через вещество. Томск. Из-во Томского ун-та. 1966. - 177 с.

91. Вывод формул для расчетов магнитного поля рамок с током, образующих тороидальный соленоид (коаксиал)

92. Как отмечено в разделе 1.2 главы 1, имеющиеся в доступной литературе выражения для нахождения полей прямоугольной рамки с током оказались для нашей цели неудобными. Поэтому был выполнен соответствующий расчет.