[論文レビュー] Emulation of the space radiation environment for materials testing and radiobiological experiments

Jeffrey Chancellor, S. Guetersloh+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2017

Radiation Therapy and Dosimetry被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、特定の材料で作られた調整されたターゲットブロックと単一のモノエネルギーイオンビームを用いて、地上で宇宙空間の放射線環境を再現する新しいシミュレーション手法を提案する。これらのブロックの厚さと組成を制御することにより、深宇宙における多イオン・低線量率の条件を的確に再現する連続的で生物学的に意味のある線形エネルギー移譲（LET）スペクトルが生成され、より現実的な放射線生物学的および材料試験が可能になる。

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.

研究の動機と目的

• 現在の放射線生物学研究が、現実の宇宙空間放射線条件ではなく、モノエネルギーで高線量率のビームに依存するという限界を是正すること。
• 地上で宇宙飛行機内空間の多イオン・低線量率・広いLETスペクトルの放射線環境を再現すること。
• さまざまな放射線LET値の生物学的効果を再現することで、宇宙飛行士の健康リスクを正確に評価すること。
• 外部銀河宇宙線、惑星表面（例：火星、月）および人工衛星軌道環境へのシミュレーション能力を拡張すること。
• 1台の加速器システムを用いて、将来的な宇宙放射線実験に実用的かつスケーラブルな地上アナログを提供すること。

提案手法

• 核反応を誘発するために、主放射源として単一のモノエネルギーイオンビームを用いる。
• 1種類以上の材料からなるターゲットブロックにビームを照射し、核スパラッセーションおよびフラグメンテーションによって二次粒子を生成する。
• ターゲットブロックの厚さと組成を制御することで、放出される放射線場を緩和し、LETスペクトルを整形する。
• 一次および二次核が通過する質量または長さを調整して、特定のイオン種やエネルギー分布を優先的に生成する。
• 地上の宇宙飛行機内空間放射線環境に代表的な連続的LETスペクトルを生成するようにターゲットブロックの設計を最適化する。
• 実際の宇宙飛行環境のLET分布と一致させることで、シミュレートされた放射線場の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一のモノエネルギーイオンビームを用いて、宇宙放射線の複雑さを再現する広範かつ連続的なLETスペクトルを生成できるか？
• RQ2 ターゲットブロックの組成と厚さが、二次粒子のスペクトル分布およびLET値をどれほど制御できるか？
• RQ3 この手法が、宇宙飛行機内空間放射線環境の多イオンおよび低線量率特性をどれほど正確に再現できるか？
• RQ4 この手法を火星や月の惑星表面の放射線環境に適応してシミュレートできるか？
• RQ5 従来のモノエネルギーイオンビーム照射と比較して、この手法が材料および放射線生物学的効果のより生物学的に意味のある試験を可能にするか？

主な発見

• ターゲットブロックの厚さと組成を調整することで、連続的LETスペクトルが生成され、複雑な宇宙空間放射線場のシミュレーションが可能になった。
• ターゲットブロックに複数の材料を用いることで、特定の核断片やイオンの生成が優先され、スペクトル制御が向上した。
• 本手法により、宇宙飛行機内および宇宙飛行外の両方の空間放射線環境、すなわち惑星表面や地球軌道上の環境をシミュレートできるようになった。
• 従来のモノエネルギーイオンビーム研究と比較して、銀河宇宙線の多イオンおよび低線量率特性をより正確に再現できた。
• 本手法は、将来的な宇宙放射線環境における放射線生物学的および材料試験のためのスケーラブルで実用的な地上アナログを提供する。
• 本手法のシミュレーション能力は、遮蔽条件や露出条件が異なるさまざまな宇宙放射線環境へも拡張可能である。