Инновационная технология «ДО-РА» для мониторинга радиации в авиации

Аннотация

В настоящее время создаются различные экосистемы, позволяющие людям взаимодействовать в режиме онлайн с миром интернет вещей (IoT и IIoT) на благо общества, с учётом индивидуальных требований потребителей современных инновационных технологий.

К данному типу экосистем возможно отнести и вновь создаваемую «Авиационную систему персонального дозиметрического мониторинга лётного состава и авиапассажиров» с использованием современных инновационных технологий ДО-РА.

Общеизвестно, что при использовании авиационного транспорта при авиаперелётах в разные точки мира, мы совершаем свои путешествия на высотах в 10-12 км. над Землёй. Во время этих перелетов авиапассажиры и лётный персонал подвергается воздействию космического ионизирующего излучения. При этом на используемых высотах авиарейсов уровень космического ионизирующего излучения может значительно превышать допустимые нормы, например, в 20-25 раз. Данное воздействие на организм часто летающих авиапассажиров и авиационного персонала может оказывать неблагоприятное воздействие.

Наша статья позволит каждому человеку понять возможные риски для себя в случае частых авиационных перелётов и принять соответствующие меры для минимизации ущерба для собственного здоровья и здоровья близкий ему людей, летающих на гражданских авиалиниях.

В этой связи, не знание о влиянии ионизирующего излучения на организм человека, не освобождают нас от его пагубного воздействия!

Введение и проблема космического излучения

Когда поднимаешься на борт самолёта обычно не задумываешься о том, что на высотах в 10-12 км. - стандартном коридоре полёта самолётов гражданского авиации тебя может что-либо потревожить, кроме грозы или турбулентности.  

Известно, что ещё в конце прошлого столетия гражданская авиация использовала более низкие коридоры для полетов на высотах - 6,0-8,0 км над поверхностью Земли. Но современные требования экологической обстановки по шумам авиадвигателей их выхлопам, а также экономия топлива в расчёте на полётную милю, загнали авиаторов подальше от Земли, поближе к звёздам в связи с меньшим сопротивлением воздуха при полётах и финансовой оптимизации перевозок авиапассажиров.

Выше только звёзды

Часто летая по миру, а заодно испытывая собственные разработки, созданные в рамках проекта http://DO-RA.ruexternal link, opens in a new tab по мониторингу окружающей среды в части ионизирующего излучения, или радиации, я открыл для себя следующие особенности перелётов.

Так на старте в самолете в Шамбери, Франция, радиационный фон составил всего 0.10 мкЗв./ч. На высоте в 3.000 м. радиационный фон колебался в пределах 0.15-0.18 мкЗв./ч. На высоте в 6.000 м. уровень радиационного фона находился в пределах 0.30-0.34 мкЗв./ч. На высоте в 8.800 м. уровень радиационного фона составил уже 0.72-0.76 мкЗв./ч. На высоте в 10.100 м. уровень радиационного фона поднялся до 1.02-1.12 мкЗв./ч. И наконец, на предельной высоте нашего маршрута, а именно на высоте в 10.700 м. радиационный фон был 1.22-1.35 мкЗв./ч. При посадке в Москве в Домодедово все данные замеров радиационного фона с доступной точностью подтвердились на тех же высотах. 

Оказывается, дневные перелёты в любом географическом направлении хотя и удобны для человека, но подвергают наш организм повышенной радиационной нагрузке, нежели ночные перелёты. Виной тому избыточное космическое излучение и солнечная радиация, а также более разряженный воздух, а, следовательно, менее эффективная естественная защита от ионизирующих частиц материи.

Чтобы не быть голословным и не попасться в ловушку собственных заблуждений приведем примеры исключительно из открытых источников, которые позволят открыть глаза на окружающее нас ионизирующее излучение, атакующее нас во время авиационных перелётов. Как известно, человек лишён органов чувств, способных ощущать и идентифицировать радиацию, чтобы предпринять возможные шаги по защите от опасной радиации и уменьшить наносимый организму вред.

Вспомним поговорку: «Знание – сила». А вот незнание о влиянии ионизирующего излучения на организм человека, не освобождают нас от его пагубного воздействия!

Космические лучи и солнечная радиация

Принято считать, что космическое излучение — это ионизирующее излучение, непрерывно падающее на поверхность Земли из мирового пространства и образующееся в земной атмосфере в результате взаимодействия излучения с атомами компонентов воздуха.

Различают первичное и вторичное космическое излучение. Первичное космическое излучение (КИ-1) представляет собой поток элементарных частиц, которые попадают на земную поверхность из космоса. Оно возникает вследствие извержения и испарения материи с поверхности звезд и туманностей космического пространства. КИ-1 состоит из протонов (92%), альфа-частиц (7%), ядер атомов лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода и др. (1%). Первичное космическое излучение (КИ-1) отличается большой проникающей способностью.

Далее, космические излучения подразделяются по происхождению на следующие виды: (i) внегалактические, (ii) галактические и (iii) солнечные.

Большая часть первичного космического излучения возникает в пределах нашей Галактики, энергия их чрезвычайно высокая – до 1019 эВ. Солнечное излучение возникает, в основном, при вспышках на Солнце, которые происходят с характерным 11-летним циклом. Энергия их не превышает 40 МэВ. Это не приводит к заметному увеличению дозы излучения на поверхности Земли.

Средняя энергия космических лучей 1010 эВ, поэтому они губительны для всего живого. Атмосфера служит своеобразным щитом, предохраняющим биологические объекты от воздействия космических частиц, и лишь немногие частицы достигают поверхности Земли.

Рис. 1. Уровень МЭД - мощности эквивалентной дозы на разных высотках над Землёй

При взаимодействии космических частиц с атомами элементов, находящихся в атмосфере возникает вторичное космическое излучение (КИ-2). Оно состоит из мезонов, электронов, позитронов, протонов, нейтронов, гамма- квантов, т.е. из практически всех известных в настоящее время частиц.

Первичные космические лучи, врываясь в атмосферу, постепенно теряют свою энергию, растрачивая ее на многочисленные столкновения с ядрами атомов воздуха. Получаемые осколки, приобретая часть энергии первичной частицы, сами становятся факторами ионизации, разрушают и ионизируют другие атомы газов воздуха, т.е. превращаются в частицы вторичного космического излучения (КИ-2).

КИ-2 возникает в результате электронно-фотонных и электронно-ядерных взаимодействий. При электронно-фотонном процессе заряженная частица взаимодействует с полем ядра атома, рождая фотоны, которые образуют пары электронов и позитронов. Эти частицы, в свою очередь, вызывают возникновение новых фотонов. Электронно-ядерный процесс обусловлен взаимодействием первичных частиц, энергия которых не менее 3х109 эВ, с ядрами атомов воздушной среды. При этом взаимодействии возникает ряд новых частиц – мезонов, протонов, нейтронов. Вторичное космическое излучение имеет максимум на высоте 20-30 км, на меньшей высоте процессы поглощения вторичного излучения преобладают над процессами его образования.

Интенсивность космического излучения зависит от географической широты и высоты над уровнем моря. Так как космические лучи в основном являются заряженными частицами, то они в районе над экватором отклоняются в магнитном поле и собираются в виде воронок в районах полюсов. В приполярных областях поверхности Земли достигают и частицы, имеющие сравнительно невысокую энергию (не нужно преодолевать магнитное поле), поэтому интенсивность космических излучений на полюсах возрастает за счет этих лучей. В экваториальной области поверхности достигают лишь частицы, которые обладают максимальными энергиями, способными преодолеть отклоняющее влияние магнитного поля.

Средняя мощность дозы космического излучения жителей Земли приблизительно равна 0,3 мЗв/год, а на уровне Лондон-Москва-Нью-Йорк достигает 0,5 мЗв/год.

Единицы измерения ионизирующего излучения

Эквивалентная доза (две единицы):

Бэр - биологический эквивалент рентгена (в некоторых книгах - рада). Это внесистемная единица измерения эквивалентной дозы. В общем случае:

1 бэр = 1 рад * К = 100 эрг/г * К = 0,01 Гр * К = 0,01 Дж/кг * К = 0,01 Зиверт

При коэффициенте качества излучения К=1, то есть для рентгеновского, гамма-, бета-излучений, электронов и позитронов, 1 бэр соответствует поглощённой дозе в 1 рад.

1 бэр = 1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Гр = 0,01 Дж/кг = 0,01 Зиверт

Особо необходимо отметить следующий факт. Ещё в 50-х годах было установлено, что если при экспозиционной дозе в 1 рентген воздух поглощает 83,8-88,0 эрг/г (физический эквивалент рентгена), то биологическая ткань поглощает 93-95 эрг/г (биологический эквивалент рентгена). Поэтому оказывается, что при оценке доз можно считать (с минимальной погрешностью), что экспозиционная доза в 1 рентген для биологической ткани соответствует (эквивалентна) поглощённой дозе в 1 рад и эквивалентной дозе в 1 бэр (при К=1), то есть, грубо говоря, что 1 Р, 1 рад и 1 бэр - это одно и то же.

Зиверт (Зв) - единица эквивалентной и эффективной эквивалентной доз в системе СИ. 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой произведение величины поглощённой дозы в Грэях (в биологической ткани) на коэффициент К будет равно 1 Дж/кг. Иными словами, это такая поглощённая доза, при которой в 1 кг вещества выделяется энергия в 1 Дж.

В общем случае: 1 Зв = 1 Гр. К = 1 Дж/кг. К = 100 рад. К = 100 бэр

При К=1 (для рентгеновского, гамма-, бета-излучений, электронов и позитронов) 1 Зв соответствует поглощённой дозе в 1 Гр: 1 Зв = 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад = 100 бэр.

Меру воздействия ионизирующего изучения на организм человека принято считать МЭД – мощностью эквивалентной дозы. Амбиентный эквивалент дозы Н*(d) — эквивалент дозы, который был создан в шаровом фантоме МКРЕ (международной комиссии по радиационным единицам) на глубине d (мм) от поверхности по диаметру, параллельному направлению излучения, в поле излучения, идентичном рассматриваемому по составу, флюенсу и энергетическому распределению, но мононаправленном и однородном, то есть амбиентный эквивалент дозы Н*(d) — это доза, которую получил бы человек, если бы он находился на. ... Грей/секунда (Гр/с). 1рад/с=0.01 Гр/c. Мощность эквивалентной дозы. Бэр/секунда (бэр/с). Зиверт/секунда (Зв/с).

В заключение ещё раз напомним, что для рентгеновских, гамма-, бета-излучений, электронов и позитронов величины рентген, рад и бэр, а также (отдельно) величины Грэй и Зиверт оказываются равнозначными при оценке облучения человека.

Нормы радиационной безопасности – НРБ-99/2009

Завершая экскурс в физику процесса, хотелось бы отметить следующее, что благодаря активному эффекту воздействия ионизирующего излучения на человека и его системы организма, в авиации введены специальные радиационные нормы для лётного персонала. Эти нормы ограничивают полеты авиационного состава из расчета не более 80 лётных часов в месяц, не более 240 лётных часов в квартал и не более 800 лётных часов в год на человека.

Рис. 2 Авиационная система персонального дозиметрического мониторинга лётного состава

Данные параметры лётного времени взяты из Приказа Министерства транспорта РФ № 139 от 21 ноября 2015 г. с учётом Регламента ICAO «Международные стандарты и рекомендуемая практика», п.7.6: «Нормы полетного и служебного полетного времени членов лётного экипажа определяются нормами Государственных авиационных агентств стран участниц ICAO». Однако такой почасовой учёт лётных часов в настоящее время достаточно архаичная и порочная система контроля для лётного персонала и вот почему.

Одно дело летать параллельно экватору над наиболее заселенными Европейским или Азиатским континентами и совсем другое дело совершать авиаперелёты через полюса. И тем более, проблематично для здоровья летать в период солнечных бурь. В такие моменты при авиаполётах мощность эквивалентной дозы облучения лётного состава может серьёзно различаться и не совпадать с реальными норами среднестатистических полётных часов.

Основные факторы влияния космической радиации на разные уровни организма приведены на Рис.3

Рис. 3. Воздействие космической радиации на организм человека

За время существования науки радиологии, изучающей воздействие ионизирующего излучения на организм человека и животных, долгосрочная, достоверная статистика воздействия радиации, выраженная в рисках заболевания тех или иных органов человека. Данные по рискам заболеваний взяты из официального документа НРБ 99/2009 и для наглядности сведены в таблицу, представленную на Рис. 4.

Рис. 4. Коэффициенты радиационного риска заболевания органов человека

Статистка перелётов в гражданской авиации...

Международная статистика авиаперевозок гражданской авиации даёт следующие показатели. В 2016 было перевезено мировой авиацией - 3.7 млрд. пассажиров, при этом всеми авиалиниями мира было совершено 10 млрд. лётных часов (данные ICAO и АТОР). Существуют прогнозы роста гражданских перелётов на 4.6% в год до 2034 г. (данные ОАК). Хотя в том же 2016 г. авиаперевозки людей всё же возросли на 6% (данные ICAO и АТОР).

В 2017 г. во всем мире на регулярных авиарейсах было перевезено рекордное число пассажиров – более 4 млрд человек, что выше на 7 %, чем в 2016 г., когда так же отмечался значительный рост по отношению к предшествующему периоду.

При этом по статистике ICAO часто летающих авиапассажиров с +30 полетов в год насчитывается более 70 млн. чел. В этой связи можно уверенно утверждать, что потенциал рынка дозиметрических средств персонального радиационного контроля достаточно велик и устойчив к неуклонному, стабильному росту.

Технология ДО-РА:

Персональный дозиметр-радиометр для лётного состава:

• Построен на основе твердотельного детектора ионизирующего излучения
• Устройство имеет беспроводный протокол передачи данных
• Создана конструкторская документация в международном формате IPC
• Все устройства объединены в единую систему на основе серверного решения

Технические характеристики устройства DO-RA.Avia:

Габариты (ШxГxВ), мм: 29.1 x 7 x 62.
Температурный режим работы: от 0 до + 55ºС.
Тип датчика: Твердотельный детектор - DoRaSi.
Диапазон обнаруживаемых гамма и бета излучений: от 25 кЭв до 10 мЭв.
Интенсивность обнаруживаемых излучений: Определяется.
Максимальная погрешность: +/‐10% при экспозиции - 60 с.
Интерфейс передачи данных: Bluetooth low energy (BLE)
Поддерживаемые мобильные операционные системы: Apple iOS, Google Android 2.x, 3.x,4.x, WP, Java ME; а также ОС: Windows, Linux, Mac OS.

• Матричные, твердотельные детекторы радиации со структурой PIN диода
• Электроника чтения на дискретных компонентах или на основе чипа – ASIC
• Семейство пользовательских программ для ключевых Операционных Систем
• Более 65 патентов включая: Россию, ЕврАзЭс, США, Японию, Корею, Китай, Индию, Евросоюз

Российские патенты: RU № 109625; 124101; 116296; 116725; 117226; 2484554; 133943; 136194; 140489; 88973; 156901; 156906; 156907; 145480; 2545502; 159972; 125008; 126484; 2575939; 167308

Зарубежные патенты: № 025350; 74126; 14797; US 9547089 B2; US 8738077 B2; Korean: 20-0479248; CN 2033537453 U; JP 3189486

Серверное решение DO-RA:

• Создан прототип серверной составляющей комплекса программного обеспечения устройств DO-RA.Avia
• Ведение учета пользователей системы;
• Ведение протокола работы системы (самомониторинг);
• Выполнение самодиагностики, включая контроль объема хранимых данных, контроль временных и нагрузочных характеристик работы компонент системы, число обработанных запросов, число ошибочных запросов и т.д.;
• Получение данных от зарегистрированных мобильных устройств с привязкой геокоординат, высот и времени выполненного измерения;
• Длительное хранение результатов измерений;
• Актуализация картографического представления данных мониторинга;
• Предоставление данных системы мониторинга в картографическом виде;
• Предоставление REST API внешним информационным системам для доступа к системе сбора и хранения данных, системе обработки данных;

Авторы статьи:

1. Владимир Елин, автор для переписки, CEO и основатель ПАО «Интерсофт Евразия», руководитель и разработчик проекта ДО-РА, к.т.н., Москва, Россия, elin@intersofteurasia.ru.
2. Ольга Шартс, ген. дир и основатель “California Innovations Corp.”, Сан Диего, Калифорния, Магистр Наук в области химии и спектроскопии, olgasharts@gmail.com.
3. Александр Каирис, Президент Фонда Научных Исследований, г.Токио, Япония, hopecorporation@gmail.com.  
4. Меркин Михаил, Доктор физ.-мат. наук, заведующий лабораторией кремниевых детекторов в отделе экспериментальной физики высоких энергий НИИ ядерной физики имени Д.В.Скобельцына Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова (ОЭФВЭ НИИЯФ МГУ), г. Москва, Michael.Merkin@gmail.com.

Источники информации и литература:

1. Корпоративный портал «Интерсофт Евразия».
2. Информационный интернет портал «Кто.Гуру».
3. Нормы радиационной безопасности РФ - НРБ-99/2009.
4. Международная система единиц, СИ.
5. Википедия.