半球形银河宇宙射线定向照射下宇航员辐射剂量差异研究及其防护策略

本研究针对银河宇宙射线(GCR)在半球形定向照射条件下宇航员辐射剂量评估的复杂性问题，通过GEANT4蒙特卡罗模拟计算Z=1-28离子在ICRP110人体体素模型上的剂量转换系数，发现前向半球照射可使10-1000 MeV/n能区的剂量当量系数较各向同性照射升高80%，并首次提出通过优化宇航员体位朝向可实现15%的辐射剂量降低，为深空任务辐射防护提供了创新性解决方案。

　　

在人类探索深空的征程中，太空辐射始终是威胁宇航员健康的首要因素。银河宇宙射线(GCR)作为具有极高穿透力的带电粒子流，其各向同性的天然特性在月球表面或空间站等实际场景中会被地形或磁场约束为半球形照射。传统辐射剂量评估采用的4π各向同性模型与真实工况存在显著差异，特别是人体器官的空间取向与辐射入射方向的几何关系可能引发非预期的剂量分布变化。这种认知空白使得现有辐射防护体系存在系统性误差风险，亟需建立定向辐射与人体解剖结构关联的精确剂量模型。

为攻克这一难题，国内研究人员在《Life Sciences in Space Research》发表了创新性研究成果。研究团队采用GEANT4(v11.2.2)蒙特卡罗工具包，结合QBBC物理列表和ICRP110男女体素模型，系统计算了Z=1-28离子在4π各向同性、2π上半球和前向半球三种照射几何下的剂量转换系数。通过整合SDEMMA模型提供的2006-2019年GCR能谱数据，首次量化了定向辐射对人体27个敏感器官/组织的差异化影响，并评估了5 g/cm²
铝屏蔽的防护效果。

在方法学层面，研究建立了完整的剂量计算链条：①基于ICRU90和ICRU73数据确定质子与α粒子的非限制性线性能量转移(LET)；②分别采用ICRP60和NASA两种品质因数(Q)计算剂量当量；③通过解剖学驱动的体素模型捕捉器官特异性能量沉积；④创新性地开发半球形粒子入射的约束抽样算法。

主要结果呈现三大发现：

1. 剂量系数差异规律：前向半球照射在10-1000 MeV/n能区产生显著"剂量增强峰"，未屏蔽条件下铁离子的剂量当量系数比值达1.8，而5 g/cm²
   铝屏蔽可使该效应衰减。这种各向异性源于高w_T
   器官（如结肠、乳腺）的前向解剖学分布特征。

2. 时间演化特征：基于SDEMMA模型的13年动态分析显示，前向照射的剂量当量率持续高于0.5×4π基准值，在太阳活动极小期（2010、2020年）达到0.58峰值，证实低能GCR组分对方向敏感性具有调制作用。

3. 防护策略创新：研究提出"地球朝向+东偏转"体位策略，通过人体自身质量屏蔽高w_T
   器官，可使累积辐射暴露降低15%。该发现在月球表面站立/仰卧姿态和LEO空间站自由飘浮场景中均具有应用价值。

这项研究从根本上了改变了传统辐射防护中"各向同性近似"的认知范式。其创新价值体现在：①首次建立GCR方向效应与人体解剖的定量关联模型；②揭示5 g/cm²
铝屏蔽对各向异性效应的衰减规律；③开创"体位优化"这一零成本防护手段。特别值得注意的是，研究发现的15%剂量降低幅度，相当于为6个月近地轨道任务节省约30 mSv的有效剂量，这对长期深空任务辐射风险控制具有战略意义。

未来研究可进一步结合：①真实航天器屏蔽结构的各向异性建模；②GCR次级粒子场的方向特性；③动态体位调整的实时剂量监控系统。这些延伸方向将推动太空辐射防护从"被动屏蔽"向"主动-定向防护"的新范式转变，为载人登月和火星任务提供关键技术支持。