[논문 리뷰] Emulation of the space radiation environment for materials testing and radiobiological experiments

Jeffrey Chancellor, S. Guetersloh외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 08.

Radiation Therapy and Dosimetry인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 특정 재료로 구성된 맞춤형 목표 블록과 단일 에너지 이온 비임을 사용하여 지상에서 우주 방사선 환경을 새롭게 시뮬레이션하는 방법을 제안한다. 이러한 블록의 두께와 조성을 제어함으로써, 우주 공간의 다중 이온, 저선량률 조건을 정확히 모의하는 연속적인 생물학적으로 관련 있는 선형 에너지 전달(LET) 스펙트럼을 생성할 수 있으며, 이는 더 현실적인 방사선 생물학 및 재료 시험 실험을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Current radiobiology studies on the effects of galactic cosmic ray radiation utilize mono-energetic beams, where the projected dose for an exploration mission is given using highly-acute exposures. This methodology does not replicate the multi-ion species and energies found in the space radiation environment, nor does it reflect the low dose-rate found in interplanetary space. In radiation biology studies as well as in the assessment of health risk to astronaut crews, the differences in the biological effectiveness of different ions is primarily attributed to differences in the linear energy transfer (LET) of the radiation spectrum. Here we show that the LET spectrum of the intravehicular environment of spaceflight vehicles can be simulated with a single particle, mono-energetic ion beam accelerated at target blocks constructed of one or more materials. The LET spectrum of the emerging field can then be moderated by the amount of mass or length of material the primary and secondary nuclei travels, thus preferentially producing specific nuclear spallation and fragmentation processes and allowing for a continuous generation of ionizing radiation that mimics the space radiation environment. This approach could allow more accurate simulation of not only intravehicular spaceflight conditions, but also could be used to simulate the external galactic cosmic ray field, planetary surface spectrum (e.g., Mars or Moon), and the local radiation environment of orbiting satellites, providing a much-needed ground-based space radiation analog for future experimentation.

연구 동기 및 목표

• 현행 방사선 생물학 연구가 현실적인 우주 방사선 조건이 아닌 단일 에너지, 고선량률 비임에 의존하는 데서 비롯되는 한계를 해결하기 위해.
• 지구상에서 우주선 내부 환경의 다중 이온, 저선량률, 광범위한 LET 스펙트럼을 시뮬레이션하기 위해.
• 다양한 방사선 LET 값의 생물학적 효과를 재현함으로써 우주비행사의 건강 위험을 정확히 평가할 수 있도록 하기 위해.
• 외부 갈락틱 우주선, 행성 표면(예: 화성, 달), 인공위 궤도 환경까지의 시뮬레이션 능력을 확장하기 위해.
• 단일 가속기 시스템을 사용하여 향후 우주 방사선 실험을 위한 실용적이고 확장 가능한 지상 모의 실험 기반을 제공하기 위해.

제안 방법

• 핵반응을 유도하기 위해 주로 단일 에너지 이온 비임을 방사선 원천으로 사용한다.
• 일부 또는 다수의 재료로 구성된 목표 블록에 비임을 조준하여 핵분열 및 분해 반응을 통해 제2차 입자를 생성한다.
• 목표 블록의 두께와 조성을 제어하여 유출되는 방사선장의 조절 및 LET 스펙트럼 형상 조절을 수행한다.
• 주입된 입자 및 제2차 핵종이 통과하는 질량 또는 길이를 조절하여 특정 이종 및 에너지 분포를 선호적으로 생성한다.
• 우주선 내부 방사선 환경을 대표하는 연속적인 LET 스펙트럼을 생성할 수 있도록 목표 블록 설계를 최적화한다.
• 실제 우주 비행 환경의 LET 분포와 일치시켜 시뮬레이션된 방사선장을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 에너지 이온 비임을 사용하여 우주 방사선의 복잡성을 모의하는 광범위하고 연속적인 LET 스펙트럼을 생성할 수 있는가?
• RQ2 목표 블록의 조성과 두께가 제2차 입자 및 그들의 LET 값의 스펙트럼 분포를 얼마나 정밀하게 제어할 수 있는가?
• RQ3 이 방법이 우주선 내부 방사선 환경의 다중 이온 및 저선량률 특성을 얼마나 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ4 이 접근법을 화성 또는 달과 같은 행성 표면의 방사선 환경을 시뮬레이션하는 데에 적응시킬 수 있는가?
• RQ5 기존의 단일 에너지 비임 노출에 비해 이 방법이 재료 및 방사선 생물학적 영향에 대해 더 생물학적으로 관련 있는 시험을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 목표 블록의 두께와 조성을 조절함으로써 연속적인 LET 스펙트럼을 성공적으로 생성하여 복잡한 우주 방사선 환경을 시뮬레이션할 수 있었다.
• 목표 블록에 다수의 재료를 사용함으로써 특정 핵분열 조각 및 이온의 선호적 생성이 가능해져 스펙트럼 제어 능력이 향상되었다.
• 이 방법은 우주선 내부뿐 아니라 외부 환경, 즉 행성 표면 및 지구 궤도 환경까지의 방사선 환경을 모두 시뮬레이션할 수 있었다.
• 기존의 단일 에너지 비임 연구에 비해 갈락틱 우주선의 다중 이온 및 저선량률 특성을 더 정확히 재현할 수 있었다.
• 향후 우주 방사선 환경에서의 방사선 생물학 및 재료 시험 실험을 위한 확장 가능하고 실용적인 지상 모의 실험 기반을 제공하였다.
• 이 시뮬레이션 능력은 다양한 우주 방사선 환경, 즉 다양한 차폐 조건과 노출 조건을 가진 환경까지도 확장 가능하다.