[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出DYASTIMA-R，一种基于Geant4的新型蒙特卡洛模拟工具，用于计算不同太阳活动阶段下航空机组人员和乘客的等效辐射剂量。该工具模拟了银河宇宙射线（GCR）和太阳粒子事件（SPEs）在不同高度和纬度下的能量沉积，结果显示在太阳活动极小期，中子贡献主导等效剂量；而在总吸收剂量中，质子贡献最大。

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.

研究动机与目标

• 开发一种新型辐射暴露模拟工具，能够模拟在不同太阳活动和银河宇宙射线条件下大气层内的空间辐射。
• 评估商业飞行期间电离辐射带来的生物风险，特别是太阳极大期和极小期。
• 量化不同粒子类型（质子、中子、光子、电子）对总吸收剂量和等效剂量的贡献。
• 将工具与实时空间天气数据（包括GLE警报）集成，用于运行中的辐射风险评估。
• 通过支持基于情景的剂量计算，提升航空安全，涵盖机组人员、乘客以及不同屏蔽和飞行条件下的飞机设计。

提出的方法

• 使用Geant4工具包进行宇宙射线簇射在大气中及其与物质相互作用的蒙特卡洛模拟。
• 采用水当量圆柱体体模（高1.75米，半径0.25米）模拟人体组织以计算剂量。
• 应用吸收剂量公式 D = dE/dm 和等效剂量公式 H = wR × D，其中 wR 为基于LET的辐射权重因子。
• 采用CREME2009提供的主GCR能谱，用于太阳平静期在太阳极大和极小期的条件。
• 模拟粒子穿过大气层及可选的飞机屏蔽结构，以评估屏蔽效果。
• 与A.Ne.Mo.S.中子监测仪和欧洲航天局（ESA）的GLE警报系统集成，实现太阳活动的实时输入。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太阳周期23和24期间，等效辐射剂量如何随不同高度和纬度变化？
• RQ2 不同粒子类型（如质子、中子、电子）对总吸收剂量和等效剂量的相对贡献是多少？
• RQ3 太阳极大期和极小期条件如何影响GCR强度及由此产生的辐射暴露？
• RQ4 太阳粒子事件（SPEs）和地磁增强（GLEs）在飞行期间使辐射剂量增加的程度如何？
• RQ5 不同屏蔽配置在降低机组人员和乘客等效剂量方面的有效性如何？

主要发现

• 一次7小时飞行的等效剂量在太阳平静期为0.05 mSv，而在极端太阳粒子事件（10^5 粒子/cm²/sec）下可上升至40 mSv。
• 银河宇宙射线（GCR）暴露在太阳极小期达到峰值，而在太阳极大期最低，这是由于GCR强度与太阳活动呈反相关。
• 质子对总吸收剂量的贡献最大，而中子是总等效剂量的主要贡献者。
• 中子的辐射权重因子（wR）随能量变化，当 En < 1 MeV 时，wR = 2.5 + 18.2exp(-(log En)²/6)，中能和高能中子的值更高。
• DYASTIMA-R通过与ESA的GLE警报系统和NMDB宇宙射线数据集成，支持实时辐射风险评估。
• 该工具可实现针对不同飞行剖面、屏蔽材料和太阳活动阶段的基于情景的剂量计算，支持民用航空和空间任务的安全规划。