The mobile dosimetric telescope : a small active dosimeter for the application in space; development, calibration and measurements

Ritter, Birgit

The radiation field in low Earth orbit (LEO) and at aviation altitudes differs significantly from the radiation environment on Earth's surface. On ground it is dominated by radioactive decay products as well as by secondary particles produced by cosmic radiation in the atmosphere. At aviation altitudes the radiation field consists of a complex mixture of charged and neutral secondary particles, whereas further out, e.g. in LEO at the altitude of the International Space Station, primary galactic cosmic radiation, particles from the sun and from the radiation belts around Earth play a significant role. This makes the radiation exposure one of the main hazards for the health of humans in space and poses a limiting factor for long duration space flights. Hence it is essential to continuously monitor the radiation exposure of astronauts, which is currently conducted with passive personal dosimeters and active area monitors onboard the International Space Station. Portable active devices, which can be worn by the astronaut all the time, are however desirable. In the course of this thesis a prototype for such a small size battery driven active personal dosimeter based on silicon detector technology is developed and its working principle is verified. The electronics is designed to match the requirements of the complex radiation field in LEO. The dosimeter measures absorbed dose and dose rates and includes a real time display as well as a micro SD card for data storage. The detector system is based on two silicon diodes arranged in a telescope configuration. The absorbed dose is obtained by considering all particles measured in either of the detectors. Particles traversing both diodes are recognized as coincidence events and enable to derive linear energy transfer spectra from which the quality factor of the radiation field can be determined. The quality factor gives information on the biological effectiveness of the radiation. With the information of absorbed dose and quality factor the dose equivalent can be estimated. In the frame of this thesis two prototypes of the Mobile Dosimetric Telescope (MDT), MDT-01-000-DLR-CAU and MDT-01-001-DLR-CAU, are developed, comprising the same electronics in different housing and their working principle is presented. The detectors are characterized and calibrated with radioactive isotope sources and heavy ions. They are intensely tested in fragmentation measurements of heavy ions proving excellent detection capabilities of densely ionizing heavy ions. Field tests onboard aircraft within the mixed radiation field at aviation altitudes are successfully performed and important dose quantities and physical parameters of the radiation field are derived. Furthermore basic simulations show the applicability of the MDT in space.

Das Strahlungsfeld im erdnahen Orbit und auf Reiseflughöhen unterscheidet sich signifikant von der natürlichen Strahlungsumgebung am Erdboden. In Bodennähe setzt sich diese aus radioaktiven Zerfallsprodukten, aber auch aus in der Atmosphäre von kosmischer Strahlung erzeugten Sekundärteilchen zusammen. Auf Flughöhen besteht es aus einer komplexen Mischung von geladenen und neutralen Sekundärteilchen, während es im erdnahen Orbit auf der Höhe der Internationalen Raumstation von galaktisch kosmischer Primärstrahlung, solaren Teilchen und Teilchen aus dem Strahlungsgürteln der Erde dominiert wird. Damit stellt die Strahlenexposition eines der Hauptrisiken für Langzeitaufenthalte von Menschen im All dar und muss zur Abschätzung der Gesundheitsrisiken für Astronauten kontinuierlich überwacht werden. Dafür sind derzeit passive Personendosimeter und aktive Umgebungsstrahlungsmessgeräte im Einsatz. Ein tragbares aktives Personendosimeter wäre jedoch von Vorteil. Im Rahmen dieser Arbeit wird solch ein batteriebetriebenes, auf der Basis von Siliziumdetektoren arbeitendes Personendosimeter entwickelt und charakterisiert. Die Elektronik ist an die hohen Anforderungen des Strahlenfeldes auf der Internationalen Raumstation angepasst. Absorbierte Dosis sowie Dosisraten werden in Echtzeit gemessen und auf einem Display angezeigt. Die Daten werden zusätzlich auf einer Micro SD Karte für spätere Datenauswertungen gespeichert. Das Detektorsystem arbeitet mit zwei Siliziumdioden, angeordnet zu einer Teleskopkonfiguration. Zur Berechnung der absorbierten Dosis werden alle Teilchen, die in einer Diode gemessen werden berücksichtigt. Teilchen, die beide Dioden durchqueren haben eine beschränkte Wegstrecke im Detektor und ermöglichen die Bestimmung des linearen Energietransfers, aus dem der mittlere Qualitätsfaktor des Strahlenfeldes bestimmt wird. Dieser ist ein Maßfür die biologische Wirksamkeit des Strahlenfeldes und ergibt zusammen mit der absorbierten Dosis eine Abschätzung der Äquivalentdosis. Im Laufe dieser Arbeit werden zwei Prototypen des Mobile Dosimetric Telescope (MDT), mit den Bezeichnungen MDT-01-000-DLR-CAU und MDT-01-001-DLR-CAU mit der gleichen Elektronik in unterschiedlichen Gehäusen entwickelt, charakterisiert und ihre Arbeitsweise präsentiert. Die Kalibrierung erfolgt mit radioaktiven Isotopenquellen und Schwerionen am Beschleuniger. Fragmentmessungen von Schwerionen zeigen das hohe Ansprechvermögen des entwickelten Detektorsystems. Als Praxistests werden Messungen im Flugzeug auf Reiseflughöhen durchgeführt und relevante Dosisgrößen, sowie wichtige physikalische Strahlenfeldparameter abgeleitet. Zusätzlich zeigen einfache Simulationen die Anwendbarkeit des Detektors im erdnahen Orbit.

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Ritter, Birgit: The mobile dosimetric telescope. a small active dosimeter for the application in space; development, calibration and measurements. 2013.

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