[논문 리뷰] Space Radiation exposure calculations during different solar and galactic cosmic ray activities

Pavlos Paschalis, Anastasia Tezari외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 28.

Radiation Therapy and Dosimetry인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 태양 활동 단계에 따라 항공기 승무원과 승객의 등가 방사선 선량을 계산하는 데 기반한 Geant4 기반 신규 몬테카를로 시뮬레이션 도구인 DYASTIMA-R를 제시한다. 이 도구는 다양한 고도와 위도에서 간성우주선(GCR)과 태양입자이벤트(SPEs)에 의한 에너지 침착을 모의하여, 태양 최소기 동안 중성자가 등가선량에서 지배적인 기여를 한다는 것을 보여주며, 태양 최대기에는 양성자가 총 흡수선량에 가장 큰 기여를 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 태양 및 간성우주선 조건 하에서 대기 중 공간방사선을 모의할 수 있는 새로운 방사선 노출 시뮬레이션 도구 개발.
• 특히 태양 최대기 및 최소기 단계 동안 상업 항공기 운항 중 이온화방사선으로 인한 생물학적 위험 평가.
• 양성자, 중성자, 광자, 전자 등의 다양한 입자 유형이 총 흡수선량 및 등가선량에 기여하는 정도 정량화.
• GLE 경고를 포함한 실시간 공간 weahter 데이터와의 통합을 통한 운영적 방사선 위험 평가 지원.
• 다양한 차폐 및 비행 조건 하에서 승무원, 승객 및 항공기 설계를 위한 시나리오 기반 선량 계산을 가능하게 하여 항공안전 지원.

제안 방법

• 대기 중 우주선 쇼워와 물질과의 상호작용을 몬테카를로 시뮬레이션하기 위해 Geant4 툴킷 사용.
• 선량 계산을 위한 인간 조직 모의를 위해 수질 등가 원통형 환영(1.75 m 높이, 0.25 m 반지름) 활용.
• 흡수선량 공식 D = dE/dm 과 등가선량 공식 H = wR × D 적용, 여기서 wR은 LET에 기반한 방사선 가중계수.
• 태양 최대기 및 최소기 조건에서의 태양 침체 상태에 대한 주요 GCR 스펙트럼은 CREME2009에서 제공.
• 대기층과 선택적 항공기 차폐 구조물을 통과하는 입자 이동 시뮬레이션을 통해 차폐 효과 평가.
• 실시간 태양활동 입력을 위해 A.Ne.Mo.S. 중성자 모니터 및 ESA의 GLE Alert 시스템과 통합.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양활동주기 23 및 24 동안 고도 및 위도에 따라 등가방사선선량은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 다양한 입자 유형(예: 양성자, 중성자, 전자 등)이 총 흡수선량 및 등가선량에 기여하는 비율은 어떻게 되는가?
• RQ3 태양 최대기 및 최소기 조건이 GCR 강도와 그로 인한 방사선 노출에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 태양입자이벤트(SPEs) 및 지표면 강화(GLEs)가 비행 중 방사선선량을 얼마나 증가시키는가?
• RQ5 다양한 차폐 구성이 승무원 및 승객의 등가선량 감소에 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 7시간 비행 중 태양 침체기에는 등가선량이 0.05 mSv로 나타나지만, 극단적인 태양입자이벤트(10^5 입자/cm²/sec) 시에는 40 mSv로 증가한다.
• 간성우주선(GCR) 노출은 태양 최소기 시에 최고에 도달하며, 태양 최대기 시에는 태양 활동과의 반비례 관계로 최소가 된다.
• 양성자가 총 흡수선량에 가장 큰 기여를 하며, 중성자가 총 등가선량에 주요 기여를 한다.
• 중성자에 대한 방사선가중계수(wR)는 에너지에 따라 변하며, En < 1 MeV일 경우 2.5 + 18.2exp(-(log En)²/6)이며, 중간 및 고에너지 중성자에 대해서는 더 높은 값이 적용된다.
• DYASTIMA-R는 ESA의 GLE Alert 시스템과 NMDB 우주선 데이터 통합을 통해 실시간 방사선 위험 평가 지원하도록 설계되었다.
• 이 도구는 다양한 비행 프로파일, 차폐 재료, 태양활동 단계를 고려한 시나리오 기반 선량 계산을 가능하게 하여 민간 항공 및 우주미션의 안전 계획 지원한다.