基于电荷加权品质因子Q*的空间辐射剂量评估新方法及其在航天实践中的应用

本刊推荐：为解决空间辐射剂量评估中传统线性能量传输(LET)依赖的品质因子QICRP无法反映电荷(Z)依赖性的问题，研究人员开发了新型电荷加权品质因子Q。该因子通过整合银河宇宙射线(GCR)能谱的电荷贡献率，实现了仅依赖LET的测量数据与Z依赖性品质因子Q(NASA)的等效转换。研究证实Q评估结果与实测数据高度吻合，且显示当前基于QICRP的评估可能高估重离子贡献约9%。这项研究为航天辐射防护提供了更精确的剂量评估工具。

　　

随着人类航天活动从近地轨道向月球、火星及深空拓展，长期任务中空间辐射暴露成为重大风险因素。银河宇宙射线(GCR)和太阳高能粒子(SEP)中的高电荷高能粒子(HZE)虽通量不高，但其高线性能量传输(LET)和高相对生物有效性(RBE)使累积剂量显著增加。国际空间站(ISS)的年剂量当量达200-300 mSv，而在月球和深空环境中分别升至400 mSv和600 mSv。尽管GCR中质子占比约87%，但氦至铁核素等HZE粒子因其特殊的能量沉积模式，对辐射风险贡献巨大。

目前空间剂量评估普遍采用国际放射防护委员会(ICRP)提出的品质因子Q_ICRP，该因子仅依赖LET值。然而大量研究表明，粒子电荷数Z和单位核子动能E共同决定了径迹核心外的次级电子分布，理想情况下需要Z和E双重参数才能准确评估生物效应。NASA开发的Q(NASA)模型虽然考虑了Z和E依赖性，但其应用需要复杂的粒子鉴别技术，而当前航天员个人剂量计仅能测量LET谱。这种测量参数与品质因子参数之间的不匹配，使得先进品质因子模型难以应用于实际空间剂量评估。

针对这一难题，日本量子科学技术研究开发机构放射线医学综合研究所的Masayuki Naito和Satoshi Kodaira在《Life Sciences in Space Research》发表研究，提出了新型电荷加权品质因子Q*。该方法通过整合GCR能谱中不同电荷粒子的吸收剂量贡献率C(Z,LET)，构建出仅依赖LET却等效于Q(Z,E)模型的实用型品质因子，成功解决了先进生物物理模型与现有测量技术之间的应用壁垒。

研究人员主要采用三项关键技术：首先基于NASA建立的Q(Z,E)模型计算不同电荷粒子的品质因子；其次利用DLR模型获取太阳活动极小期和极大期的GCR能谱，并通过Geant4工具包(11.2.1版本)模拟粒子在铝屏蔽层(20 g/cm²)和水屏蔽层(10 g/cm²)中的传输过程；最后使用国际空间站MATROSHKA-R实验中CR-39核径迹探测器测量的LET谱数据进行验证。CR-39探测器可记录LET>10 keV/μm的HZE粒子径迹，是空间辐射剂量测量的标准方法。

Q因子的构建与验证*

通过公式Q(LET)=∑Q(Z,LET)·C(Z,LET)构建电荷加权品质因子，其中C(Z,LET)=D(Z,LET)/∑D(Z,LET)表示特定Z粒子在对应LET值下的吸收剂量贡献率。研究发现基于太阳极小期自由空间能谱计算的Q值最高，与其他场景（太阳极大期、屏蔽条件）的差异在10%以内。这意味着采用最坏情况下的Q*值进行评估既符合辐射安全原则，又具备工程实用性。

Q与Q_ICRP的对比分析*

比较研究显示，Q_cancer和Q_leukemia的峰值出现在约200 keV/μm处，且下降斜率较Q_ICRP更陡。固体癌模型的Q峰值位置与Q_ICRP相似，而白血病模型的峰值显著偏低，反映了不同生物学终点对辐射的响应差异。总体而言，基于Q(NASA)和Q评估的重离子剂量当量较Q_ICRP低约9%，表明传统方法可能高估了HZE粒子的辐射风险。

实测数据验证

将Q应用于国际空间站MATROSHKA-R实验的LET谱数据，发现评估结果与20 g/cm²铝屏蔽条件下的计算结果高度一致。剂量当量随防护深度增加而降低的趋势在Q_ICRP和Q评估体系中均得到体现，但Q*评估体系显示略低的防护效率，这源于核碎裂反应对重离子通量的影响差异。

本研究开发的电荷加权品质因子Q成功搭建了连接先进辐射生物模型与实用剂量测量技术的桥梁。通过整合GCR能谱的电荷贡献特性，Q实现了仅依赖LET测量数据即可获得等效于Z依赖性品质因子的评估效果。研究证实采用太阳极小期自由空间条件计算的Q*值具有最保守的评估特性，且与实际测量数据吻合良好。

值得注意的是，基于Q(NASA)和Q的评估显示重离子贡献较Q_ICRP降低约9%，这一发现对航天辐射防护策略具有重要启示：当前剂量评估体系可能过高估计了HZE粒子的风险，而Q评估体系为此提供了更精确的替代方案。该方法不仅适用于现有的CR-39等测量技术，还可随基础品质因子模型的更新而同步优化。

这项研究的意义在于首次实现了Z依赖性品质因子在实用剂量评估中的直接应用，为长期航天任务中的辐射风险管理提供了新工具，同时为未来月球基地和火星任务中的辐射防护设计提供了更准确的数据支持。随着人类深空探索时代的到来，这种兼顾科学准确性和工程实用性的剂量评估方法将发挥越来越重要的作用。