ŰRDOZIMETRIA HÁROMTENGELYŰ SZILÍCIUM DETEKTOROS TELESZKÓP ÉS A PILLE HORDOZHATÓ TLD RENDSZER ALKALMAZÁSÁVAL PhD tézisfüzet PÁZMÁNDI TAMÁS Témavezető: DR. DEME SÁNDOR (KFKI AEKI) Tanszéki konzulens: DR. ZAGYVAI PÉTER (BME NTI) KFKI Atomenergia Kutatóintézet 2003
A KUTATÁSOK ELŐZMÉNYE, CÉLKITŰZÉSEK Az ionoszféra feletti térben még nagyintenzitású kozmikus sugárzást a Föld mágneses tere és a mintegy 10 méter mély vízoszlopnak megfelelő árnyékoló hatású légkör több nagyságrenddel csökkenti. Az alacsony földkörüli pályákon (az űrállomások keringési magasságában) a dózisteljesítmény két nagyságrenddel meghaladja a tengerszinten mérhetőt, és az utasszállító repülőgépek repülési magasságában is többszöröse a talajszinten mérhetőnek. A hosszú idejű űrrepülések során az egyik legnagyobb egészségi kockázatot az űrhajósokat érő kozmikus sugárzás jelenti, mely különösen napkitörések, intenzív naptevékenység esetén jelentős. Az űrhajósokat egy év alatt érő dózisterhelés a földi munkahelyek éves dóziskorlátjának tízszeresét is elérheti, a dózisterhelés a repülési idő korlátját is képezheti. Emiatt az űrállomásokon fellépő sugárzási tér, valamint a következtében létrejövő dózis ismerete nagyon fontos, vizsgálata széleskörű nemzetközi együttműködés keretében folyik. Az egyes detektorok, illetve műszerek azonban csak az összetett és időben is változó tér egy-egy jellemzőjét képesek meghatározni, a sugárzási tér teljesebb jellemzéséhez a különböző mérések és számítások komplex felhasználására van szükség. Doktori munkám során egy háromtengelyű, a lineáris energiaátadás (LET) eloszlást mérő teleszkóp (Tritel) tervezésén, a teleszkóp amplitúdó spektrumát értékelő szoftver fejlesztésén dolgoztam. Emellett közreműködtem a Pille fedélzeti termolumineszcens dózismérő rendszerrel a Nemzetközi Űrállomáson végzett mérések kiértékelésében, és bekapcsolódtam az újabb típusok fejlesztésébe. A kombinált Pille-Tritel rendszer alkalmas mind az elnyelt dózis, mind a sugárzási tér lineáris energiaátadási spektrumán alapuló minőségi tényező meghatározására. VIZSGÁLATI MÓDSZEREK Az űrállomások keringési magasságán a sugárzási tér igen összetett, jellemzésére az irodalomban többféle, egymásnak gyakran ellentmondó csoportosítást találunk, melyekben a sugárzás eredetére, fajtájára és egyéb jellemzőire vonatkozó szempontok keverednek. A tényleges helyzetet jobban mutatja, ha a részecskék eredetére és az alacsony földkörüli pályán keringő űrállomásokon kialakult sugárzási térre vonatkozó jellemzőket különválasztjuk. Új, áttekinthető felosztást javasoltam az alacsony földkörüli pályán kialakuló sugárzási tér komponenseinek leírására. A részecskék eredetét tekintve galaktikus és szoláris sugárzást különböztettem meg, az
alacsony földkörüli pályán keringő űrállomásokra jellemző sugárzási tér esetén a Föld mágneses tere által befogott és nem-befogott részecskékről beszélhetünk, melyekhez a napkitörések esetén további komponens járul. Az alacsony földkörüli pályákra jellemző sugárzási tér általam javasolt felosztása alapján értékeltem ki a Pille termolumineszcens (TL) dózismérő rendszerrel a Nemzetközi Űrállomáson végzett méréseket. A 2001. május 5. és augusztus 8. között végrehajtott DOSMAP (DOSimetric MAPping) kísérletsorozat célja a sugárzási tér feltérképezése volt az űrállomás belsejében. A nemzetközi kísérlet keretében különböző működési elvű TL-, félvezető- és nyomdetektor dózismérőkkel az űrállomás számos pontján mérték a kozmikus sugárzás dozimetriai szempontból lényeges jellemzőit. A tetszőleges számú termolumineszcens dózismérőből és egy könnyű, hordozható TLD kiolvasóból álló Pille rendszer előnye, hogy a dózismérők az űrállomás fedélzetén kiértékelhetők, így a mérési eredmények azonnal rendelkezésre állnak. A Pille mérései alapján meghatároztam a dózisteljesítmény időbeli változását és a befogott és nem-befogott részecskékből eredő dózisok arányát. Kimutattam a dózisteljesítmény jelentős emelkedését a Dél-atlanti Anomálián áthaladó fordulatok esetében. Az eredmények felhasználásával meghatároztam a napi dózisokat is: a 2001. májusi, 8 µgy/h értéket meghaladó dózisteljesítmény fokozatosan csökkent 6 µgy/h értékre június végéig, majd ismét megközelítette a 7 µgy/h értéket. Az eredmények összhangban vannak az űrállomás repülési magasságára jellemző ritka légkör sűrűségváltozásával. A dózisteljesítmény időbeli változásának nyomonkövetése mellett az űrállomás különböző pontjaiba helyezett dózismérők segítségével a sugárzási tér helyfüggését is meghatároztuk. Bemutattam, hogy a dózisteljesítmény helyfüggéséhez használt dózismérők mérési eredményeinek átlagolásával kapott értékek jól egyeznek az automata méréssel kapott időfüggéssel. Az eredményeket összehasonlítottam a Pille korábbi mérési eredményeivel. Megállapítottam, hogy a napciklus befolyásoló hatásának és az űrállomás pályaadatainak megfelelően a Nemzetközi Űrállomáson mért dózisteljesítmény (6,2 µgy/h) közelítőleg fele a korábban a Mir űrállomáson mért dózisteljesítménynek (12 µgy/h). A Pille dózismérővel kapott eredményeket összehasonlítottam a DOSMAP kísérletsorozat során végzett más mérések adataival is. Megállapítottam, hogy a három kutatócsoport TL dózismérőivel végzett mérések eredményei ±10% eltérést mutatnak, a lengyel KR 700H jelű dózismérők átlagosan 10%-kal az átlagérték alatt, míg a német DLR 700H jelűek 11%-kal felette mértek. A Pille mérésekkel kapott eredmények minden esetben csak néhány százalékkal térnek el az átlagtól. A mérési adatok kiértékelése mellett bekapcsolódtam a Pille készülék továbbfejlesztésébe. Megmértem a kifűtési görbe dozimetriai csúcsának hőmérsékletfüggését CaSO 4 :Dy dózismérő
esetében. Meghatároztam az integrálási tartomány kezdetének, hosszának és az integrálási tartomány területe és a dózis közötti normalizációs tényező hőmérsékletfüggését. Meghatároztam a beépített LED alapú ellenőrző fényforrás hőmérsékletfüggését. Új eljárást dolgoztam ki a fotoelektron-sokszorozó sötétáramának meghatározására, mely a tényleges kifűtést megelőzően három, egyenként kb. 0,1 másodperces méréssel képes a háttér megfelelő pontosságú becslésére és automatikus kompenzálására. Megvizsgáltam a dózismérő válaszjelének linearitását az 1 3000 mgy tartományban. Megállapítottam, hogy a 300 mgy alatti tartományban a dózismérő által mutatott érték 3%-nál kisebb mértékben tér el a tényleges dózistól; afelett azonban a linearitás jelentősen romlik, és a szupralinearitás jelensége figyelhető meg, ami szoftveresen korrigálható. Meghatároztam a dózismérők jelzésének szögfüggését. Abban az esetben, amikor a hengeres dózismérő hossztengelye körül végeztem a forgatást, az érzékenység nem csökkent a maximális érték 90%-a alá. A henger alakú dózismérő hossztengelyére merőlegesen végzett forgatás esetén az érzékenység egyes irányokban 70%-ra csökkent. A vizsgálatok alapján tett javaslataimat a fejlesztések során elfogadták, és a tapasztalatokat felhasználták az új, kereskedelmi célú készülékben is. Az egyenérték dózis az elnyelt dózisból a sugárzási súlytényezővel való szorzás révén nyerhető, mely egyenlőnek vehető a minőségi tényezővel az ICRU gömb 10 mm-es mélységében, így az adott sugárzás lineáris energiaátadási tényezőjének (LET) függvénye. Mivel az űrbéli kozmikus sugárzás nagyrészt nehéz töltött részecskékből (proton, alfa és nehezebb részecskék) áll, az egyenérték dózis lényegesen nagyobb az elnyelt dózisnál. A Pille TLD rendszer csak az ionizáló sugárzások fizikai (Gy) dózisának mérésére alkalmas; emellett a nagy lineáris energiaátadású sugárzások esetén a jelzés egységnyi dózisra vonatkoztatva a gamma-sugárzással végzett kalibrációs értéknél kisebb, mert a termolumineszcens anyagok a nagy ionizációs sűrűségű sugárzásoknál csökkent jelzést adnak. Javaslatot tettem egy olyan szilícium detektoros LET spektrométer paramétereire, melynek spektruma alapján a Pille mérési adatai korrigálhatók és a sugárzási súlytényező(w R ) meghatározható. A kombinált rendszerrel lehetővé válik mind a pontos elnyelt dózis (Gy), mind az egyenérték dózis (Sv) meghatározása.
A sugárzás és az anyag kölcsönhatásának, illetve a különböző közegben mérhető dózismennyiségek átszámításának több szempontból is fontos szerepe van. A mérésekhez nyomdetektorokat, termolumineszcens anyagokat és szilícium spektrométert használnak, emiatt a testszövetben mérhető egyenérték dózis meghatározásához a detektorokkal mért dózisokat és LET adatokat az anyagösszetétel eltérése miatt korrigálni kell. Emellett a különböző mérési módszerek összehasonlításához is elengedhetetlen, hogy a mérési eredményeket közös nevezőre hozzuk, azonos közegre vonatkoztatva azokat. Kidolgoztam e korrekciós tényező számítási módszerét, és megmutattam az energiafüggés figyelembevételének jelentőségét. Szilícium és testszövet közötti átszámítási tényezőre protonok esetére általános esetben 1,23-at, alfa részecskékre 1,33 értéket javasoltam. Kevert tér esetében az egyes részecsketípusokra érvényes értékek súlyozott átlaga alkalmazandó. Az űrállomásokon mért adatbázisra vonatkozó eredményeket összehasonlítottam más szerzők a korrekciós tényező energiafüggését elhanyagoló adataival. A háromtengelyű teleszkóp rendszertechnikai fejlesztése több lépésben valósult meg. Először a teleszkóp méréstechnikai szempontból optimális geometriai paramétereit határoztam meg, ehhez egymásnak ellentmondó feltételek kompromisszumos teljesítésére volt szükség. A szilícium detektorok távolságának (p) és a sugaruk (r) arányára a q = p/r = 1,233 értéket javasoltam. Megvizsgáltam az eltérő típusú és sugarú detektorokból épített teleszkóp jellemzőit. Megállapítottam, hogy a detektorok sugarának arányát növelve a rendszer érzékenységének szögfüggése csökken. Meghatároztam a rendszer elméleti válaszfüggvényét, megvizsgáltam a rendszer elrendezésétől, valamint a részecskék típusától és energiájától való függését. A kidolgozott algoritmus felhasználásával végzett számításaimban figyelembe vettem a töltött részecske LET értékének változását a detektoron való áthaladás során, valamint a detektorban összes energiájukat leadó és ezért abban elhaló részecskék járulékos hatását is beépítettem a modellbe. A válaszfüggvényt ismert, jól leírható sugárzási terek válaszspektrumának meghatározására használtam. Számításokat végeztem a detektor elé helyezett árnyékolás szerepének meghatározására, megállapítottam, hogy 20 MeV energiával rendelkező protonok esetén már 1 mm alumínium is jelentős torzulást okoz a válaszspektrumban, ugyanakkor 200 MeV felett még a 10 mm vastag alumínium hatása is elhanyagolható.
Mivel szakmai körökben felmerült, hogy a sugárzási tér LET spektrumának pontosabb meghatározása érdekében indokolt lenne 300 µm-nél vékonyabb 100-150 µm vastag detektor használata, megvizsgáltam, hogy milyen javulás várható vékonyabb detektor használata esetén. Ehhez a detektort a vizsgálati modellben 10 darab 30 µm vastag szeletre osztottam és számításokat végeztem a detektoron áthaladó részecske paramétereinek nyomon követésére. Megállapítottam, hogy annak ellenére, hogy kis energiák esetében a detektor egyes rétegeiben leadott energia jelentősen eltér a detektorba belépő részecskére meghatározott LET értékben nincs lényeges eltérés. Emiatt nem várható a mérési eredmények és az egyenérték dózis meghatározásának pontosságában lényeges javulás a detektor vastagságának csökkentésétől. Az elvégzett analitikus számítások ellenőrzésére Monte-Carlo módszert használtam, mely alapvetően más elv alapján működik, mint a korábban alkalmazott matematikai algoritmus, valamint más LET, illetve hatáskeresztmetszet adatbázist használ. Megállapítottam, hogy a detektorban leadott energia várható értékére kapott eredmények nem térnek el egymástól jelentősen, ezzel igazoltam a kidolgozott algoritmus helyes működését. A számítási eredmények ismeretében meghatároztam a háromtengelyű, közel 4π térszögben érzékeny teleszkóp jeleiből a tér jellemzőit meghatározó inverz függvény fontosabb paramétereit, majd kidolgoztam az algoritmust. Helyes működését numerikusan előállított adatbázison és reális bemenő adatokra ellenőriztem.
ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK A munkám során elért új eredményeket a következő tézispontokban foglalom össze: 1. TÉZIS Az alacsony földkörüli pályákon tipikus sugárzási tér jellemzőinek általam javasolt felosztása alapján értékeltem ki a Pille termolumineszcens (TL) dózismérő rendszerrel a Nemzetközi Űrállomáson végzett méréseket. Meghatároztam a dózisteljesítmény időbeli változását és a befogott és nem-befogott részecskékből eredő dózisok arányát. Igazoltam a dózisteljesítmény jelentős emelkedését a Dél-atlanti Anomálián áthaladó fordulatok esetében. Az eredményeket összehasonlítottam a Pille korábbi mérési eredményeivel, az eltérést az űrállomások pályaadataival és a napciklus hatásával indokoltam. (A disszertáció 7. fejezete.) 2. TÉZIS A hordozható termolumineszcens dózismérő rendszer továbbfejlesztése kapcsán meghatároztam a kifűtési görbe dozimetriai csúcsának és paramétereinek hőmérsékletfüggését CaSO 4 :Dy dózismérő esetében. Új, gyors eljárást dolgoztam ki a fotoelektron-sokszorozó sötétáramának korrekciós célú meghatározására. Meghatároztam a dózismérők hatásfokának szögfüggését, a válaszjel linearitását és a maradékdózis nagyságát. (A disszertáció 8. fejezete.) 3. TÉZIS Kidolgoztam a különböző közegben mérhető dózisok és LET adatok közötti korrekciós tényező számítási módszerét, és megmutattam az energiafüggés figyelembevételének jelentőségét. Szilícium és testszövet közötti átszámítási tényezőre protonok esetében 1,23-at, alfa részecskékre 1,33 értéket javasoltam. (A disszertáció 11. fejezete.) 4. TÉZIS A sugárzási tér paramétereinek mérésére 3 dimenziós szilícium teleszkóp alkalmazását javasoltam, meghatároztam a rendszer geometriai paramétereit, a számítási eredmények ellenőrzésére korábbi mérések eredményeit használtam. Megvizsgáltam az eltérő típusú és sugarú detektorokból épített teleszkóp jellemzőit, és megállapítottam, hogy a kapuzó és a mérő detektor sugarának arányát növelve a rendszer érzékenységének szögfüggése csökken. (A disszertáció 9. és 10. fejezete.)
5. TÉZIS Meghatároztam a rendszer elméleti válaszfüggvényét, megvizsgáltam a rendszer elrendezésétől, valamint a részecskék típusától és energiájától való függését. Számításaimban figyelembe vettem a töltött részecske LET értékének változását a detektoron való áthaladás során, valamint a detektorban összes energiájukat leadó részecskék járulékos hatását. Elemeztem a detektor elé helyezett árnyékolás hatását és jelentőségét. Megállapítottam, hogy a vékonyabb detektorok alkalmazásának nincs számottevő előnye a detektorba belépő részecskére LET értéknek meghatározása szempontjából. Meghatároztam a teleszkóp jeleiből a tér jellemzőit visszaállító inverz függvény fontosabb paramétereit, majd kidolgoztam az ennek számítására szolgáló algoritmust. Helyes működését numerikusan előállított adatbázison és reális bemenő adatokra ellenőriztem. (A disszertáció 13. és 15. fejezete.) AZ EREDMÉNYEK HASZNOSÍTÁSA A kidolgozott algoritmus alkalmazásával megvalósítható a kozmikus sugárzási tér LET spektrumának és irányeloszlásának visszaállítása, a sugárzási minőségi tényező meghatározása. Ezáltal végrehajtható a Pille mérés korrekciója és az egyenérték dózis meghatározása. A háromtengelyű szilícium teleszkópot az ilyen berendezések közül várhatóan elsőként használják majd az űrhajósok dózisterhelésének meghatározására. Az űrhajósokat érő biológiai sugárhatás (egyenérték dózis) közvetlen mérésére szolgáló LET spektrométer kifejlesztése mind az AEKI, mind a magyar űrkutatás egésze szempontjából minőségileg új lehetőséget jelent, a készülék és a mért spektrumot feldolgozó számítógépes program nemzetközi szinten is egyedülálló. A teleszkóp iránt nagy érdeklődést tanúsít az orosz űrkutatás (az Orvosbiológiai Problémák Intézete, az Orosz Űrkutatási Iroda, illetve az Enyergija cég), repülési lehetőséget biztosítva számára a Nemzetközi Űrállomás külső platformján, valamint a későbbiekben egy mars-szonda fedélzetén is. A bemutatott eredmények a repülőgépek személyzete dózisterhelésének vizsgálatánál is felhasználhatók.
SUMMARY One of the many risks of long duration space flights is the dose burden from cosmic radiation. Since space radiation mainly consists of charged heavy particles (protons, alpha and heavier particles), the equivalent dose significantly differs from the absorbed dose. The recently used measuring equipment is not fully suitable to measure both quantities simultaneously. A new combined device is under development, which consists of an on board thermoluminescent (TL) dosimeter reader (Pille) and a three axis silicon linear energy transfer (LET) spectrometer. THESES 1. According to the division of the radiation field in Low-Earth Orbit, I have evaluated the results measured by the Pille thermoluminescent dosemeter on the International Space Station. I have determined the dose-rate as a function of time as well as the ratio of the trapped and untrapped component. I have proven the increase of the dose rate above the South Atlantic Anomaly. The findings were compared with previous results, and the variance was explained by the flight parameter deviations and the solar cycle. 2. During the development of the new Pille thermoluminescent dosimeter system. I determined the dosimetric peak and other parameters of the glow curve as a function of temperature for the CaSO 4 :Dy dosimeter. I have elaborated a new, prompt method for the dark-current correction of the photomultiplier. I have determined the response of the dosimeters as a function of the angle, in addition to the response linearity and the value of the residual dose. 3. I have elaborated a method for the conversion of the dose and the LET in the case of different materials, and I have proven the importance of energy dependence. I have recommended 1.23 for protons and 1.33 for alpha particles to make a conversion between silicon and tissue. 4. I have suggested the application of a 3-dimensional silicon telescope for the determination of the radiation field. I have defined the geometric parameter of the system, and I used the results of previous measurements as a benchmark. I have scrutinised the features of various types and sizes of telescopes. I pointed out that the bigger the difference between the radii of the detectors, the less the angle-dependence of the system is. 5. I have determined the response function of the system, I have considered the dependence on the arrangement and on the type and energy of the particle. I took into consideration the changing of the LET of the charged particles in the detector and the effect of the particles stopping in the detector. I analysed the effect and importance of the shielding in front of the telescope. I proved that the use of very thin detectors do not have a considerable benefit in the case of determining the LET. I have defined the parameters of the inverse algorithm, restoring the characteristics of the field from the measured spectra. I verified the algorithm with numerical databases and realistic measured spectra.
AZ ÉRTEKEZÉSSEL KAPCSOLATOS PUBLIKÁCIÓK /RELATED PUBLICATIONS/ 1. I. Apáthy, R. Beaujean, S. Deme, T. Pázmándi and G. Reitz: Personal dosimetry for human missions to Mars based on TLD and LET-spectrometry technique, Advances in Space Research, Vol. 31, pp. 39-44, 2003 2. T. Pázmándi, I. Apáthy, R. Beaujean, S. Deme: A new system for measurement of the space radiation, International Youth Nuclear Congress, Pozsony, 2000. 3. T. Pázmándi, E. Láng, S. Deme: Determination of the radiation weighting factor using silicon telescopes, IRPA Regional Congress on Radiation Protection in Central Europe, Croatia, ISBN 953-96133-3-7, 2001 4. S. Deme, I. Apáthy, T. Pázmándi: On-board TL dosimetry: possibilities and limitations, IRPA Regional Congress on Radiation Protection in Central Europe, Croatia, ISBN 953-96133-3-7, 2001 5. T. Pázmándi, E. Láng, S. Deme: Determination of the radiation weighting factor using silicon telescopes, IYNC 2002, Korea 6. Pázmándi T., Apáthy I., Deme S., Fehér I., Csőke A., Bodnár L.: Hordozható TLD kiolvasó fejlesztése, Nukleáris Technikai Szimpózium, Budapest, 2002 7. Pázmándi T., Deme S.: Új módszer az egyenérték dózis meghatározására, Nukleáris Technikai Szimpózium, Budapest, 2002 8. Pázmándi, T.: Towards the planet Mars New method for the determination of the radiation dose of the astronauts, microcad 2003 International Scientific Conf., Miskolc, ISBN 963 661 5470, 2003 9. T. Pázmándi, S. Deme: Tissue dose conversion factors for proton and alpha particles in case of different detector materials, IRPA Regional Congress on Radiation Protection in Central Europe, Slovakia, 2003 10. Apáthy I., Csőke A., Deme S., Fehér I., Pázmándi T.: Űrdozimetriai kutatások, Nukleáris Technikai Szimpózium, Budapest, 2003 TOVÁBBI TUDOMÁNYOS KÖZLEMÉNYEK 11. S. Deme, I. Goricsán, E. Láng, T. Pázmándi, L. Sági, Zs. Szepesi: Radiation fields near buildings in case of radionuclide leakage, IRPA Regional Congress on Radiation Protection in Central Europe, Croatia, ISBN 953-96133-3-7, 2001 12. E. Ötvös, T. Pázmándi, Z. Tuba: First national survey of atmoshperic heavy metal deposition in Hungary by analysing of mosses, Science of the Total Environment, Volume 309/1-3 pp. 151-160, 2003 13. Benedekfi Ö., Czifrus Sz., Fehér S., Ormai P., Pázmándi T., Raics P., Zagyvai P., Zombori P.: Atomreaktorok leszerelése (Decommissioning) Kutatási jelentés, OAH-ABA-56/00 (2000) 14. Ormai P., Pázmándi T., Raics P., Zagyvai P., Zombori P.: Atomreaktorok leszerelése (Decommissioning) Kutatási jelentés, OAH NBI SZT 30/02 (2003)