[論文レビュー] Space Radiation exposure calculations during different solar and galactic cosmic ray activities

Pavlos Paschalis, Anastasia Tezari+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2016

Radiation Therapy and Dosimetry被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、太陽活動の異なる段階における航空機乗務員および乗客の等価線量を計算する新しいモンテカルロシミュレーションツールであるDYASTIMA-Rを提示する。このツールは、銀河宇宙線（GCR）および太陽粒子イベント（SPE）からのエネルギー吸収を、さまざまな高度および緯度でモデル化し、太陽活動最小期には中性子の寄与が等価線量の主な要因であるのに対し、陽子が全吸収線量に最も寄与することを示している。

ABSTRACT

The primary components of radiation in interplanetary space are galactic cosmic rays (GCR) and solar cosmic radiation (SCR). GCR originates from outside of our Solar System, while SCR consists of low energy solar wind particles that flow constantly from the Sun and the highly energetic solar particle events (SPEs) that originate from magnetically disturbed regions of the Sun, which sporadically emit bursts of energetic charged particles. Exposure to space radiation may place astronauts and aviation crews at significant risk for numerous biological effects resulting from exposure to radiation from a major SPE or combined SPE and GCR. Doses absorbed by tissues vary for different SPEs and model systems have been developed to calculate the radiation doses that could have been received by astronauts during previous SPEs. For this reason a new application DYASTIMA-R which constitutes a successor of the Dynamic Atmospheric Shower Tracking Interactive Model Application (DYASTIMA) is being developed. This new simulation tool will be used for the calculation of the equivalent dose during flights scenario in the lower or higher atmosphere, characterized by different altitudes, different geographic latitudes and different solar and galactic cosmic ray intensity. Results for the calculated energy deposition and equivalent dose are calculated during quiet and disturbed periods of the solar cycles 23 and 24, are presented.

研究の動機と目的

• 変動する太陽および銀河宇宙線条件下での大気中の宇宙線被曝をモデル化できる新しい被曝シミュレーションツールの開発。
• 特に太陽活動最大期と最小期における電離放射線の生物学的リスクの評価。
• 陽子、中性子、光子、電子などの異なる粒子種が全吸収線量および等価線量に与える寄与の定量化。
• GLEアラートを含むリアルタイムの宇宙天気データと統合し、運用上の被曝リスク評価を可能にする。
• 異なるシールド構成およびフライト条件における乗務員・乗客の線量計算を可能にすることで、航空安全を支援する。

提案手法

• 大気中における宇宙線シャワーのモンテカルロシミュレーションおよび物質との相互作用をGeant4ツールキットを用いて実施。
• 線量計算のための人体組織のモデルとして、水同等の円筒型パペット（高さ1.75 m、半径0.25 m）を採用。
• 吸収線量の式 D = dE/dm および等価線量の式 H = wR × D を適用。ここで wR は線量当量係数であり、LET（線量当量線量）に基づく。
• 太陽活動最大期および最小期の静穏状態における主成分GCRスペクトルをCREME2009から取得。
• 大気層および任意の航空機シールド構造を通じた粒子輸送をシミュレートし、シールド効果を評価。
• リアルタイムの太陽活動入力として、A.Ne.Mo.S.中性子モニタおよびESAのGLEアラートシステムと統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽周期23および24の間で、異なる高度および緯度における等価線量はどのように変化するか？
• RQ2 陽子、中性子、電子などの異なる粒子種が全吸収線量および等価線量に与える相対的寄与は何か？
• RQ3 太陽活動最大期と最小期の条件が、GCR強度およびそれに伴う被曝にどのように影響するか？
• RQ4 太陽粒子イベント（SPE）および地上レベル増幅（GLE）がフライト中の線量をどの程度増加させるか？
• RQ5 異なるシールド構成は、乗務員および乗客の等価線量をどの程度低減できるか？

主な発見

• 7時間のフライト中、太陽活動静穏期の等価線量は0.05 mSvであるのに対し、極端な太陽粒子イベント（10^5 粒子/cm²/sec）では40 mSvに上昇する。
• 銀河宇宙線（GCR）被曝は太陽活動最小期にピークに達し、太陽活動最大期には最小となる。これはGCR強度と太陽活動の逆相関に起因する。
• 陽子が全吸収線量に最も寄与するが、中性子が全等価線量に主たる寄与を示す。
• 中性子の線量当量係数（wR）はエネルギーに依存し、En < 1 MeV の場合、2.5+18.2exp(-(log En)²/6) となる。中間および高エネルギーの中性子では、より高い値を示す。
• DYASTIMA-Rは、ESAのGLEアラートシステムおよびNMDB宇宙線データと統合することで、リアルタイムの被曝リスク評価を支援するように設計されている。
• 本ツールは、さまざまなフライトプロファイル、シールド材、太陽活動段階を想定したシナリオベースの線量計算を可能にし、民間航空および宇宙ミッションの安全計画を支援する。