Measurement of the Radiation Exposure for High Altitude Flights in the Polar Region

Möller, Thomas

The Earth is permanently exposed to energetic particle radiation from outer space called galactic cosmic rays. The radiation is mainly composed of protons, alpha-particles, some electrons and few heavy nuclei. A part of the galactic cosmic rays can penetrate the Earth’s magnetic field, whereby a particle cascade is initialized by nuclear interaction with the molecules of the atmosphere. The primary cosmic ray particles as well as the produced secondary particles form a natural radiation field composed of charged and neutral particles. The composition of the radiation field depends on the geomagnetic latitude and altitude. Thus, the radiation field changes for different altitudes such as at the orbit of the International Space Station (ISS), at common cruising altitudes, and at the ground. The radiation field at ground level is dominated by the terrestrial radiation and it is not considered in this work. Due to the fact that the exposure of air crew and astronauts is permanently calculated and measured, the radiation field at cruising altitudes and onboard the ISS is well known. For altitudes above 20 km and below the ISS orbit (400 km), however, the radiation exposure is mostly unknown. In future the radiation field in these altitudes will become more important because of the emergences of space tourism and new generation supersonic aircraft. Therefore, this work focuses on the radiation exposure up to an altitude of 25 km. For this purpose a particle telescope consisting of four segmented silicon semiconductor detectors was developed. Due to the arrangement of the detectors, it is possible to separate neutral and charged particles and the belonging calculated dose rates. In this work the particle telescope has been calibrated with several heavy ions, radioactive sources and with neutrons of different energies. Furthermore, measurements onboard aircraft were conducted in order to verify the performance of the telescope in a complex natural radiation field. In order to acquire measurements up to an altitude of 25 km an unmanned balloon flight near the polar circle was conducted. Based on this measurement presented in this work, it is now possible to estimate the radiation exposure up to an altitude of 25 km.

Die Erde ist fortwährend einer energiereichen Teilchenstrahlung aus dem Weltall ausgesetzt. Diese Strahlung wird Galaktische Kosmische Strahlung genannt und besteht hauptsächlich aus Protonen, Heliumkernen, Elektronen und sehr wenigen schweren Ionen. Ein Teil der Galaktischen Kosmischen Strahlung kann das Magnetfeld der Erde durchdringen und löst durch Wechselwirkungen mit den Luftmolekülen eine Teilchenkaskade aus. Die primären Teilchen und die dabei frei werdenden Sekundärprodukte erzeugen in der Erdatmosphäre ein natürliches Strahlungsfeld, das aus neutralen und geladenen Teilchen besteht. Die Zusammensetzung des Strahlungsfeldes ist abhängig von der magnetischen Breite und von der Höhe, so dass sich das Strahlungsfeld auf Höhe der Internationalen Raumstation (ISS), auf Reiseflughöhe und am Erdboden grundsätzlich unterscheidet. Das Strahlungsfeld am Erdboden ist dominiert von den Zerfallsprodukten der radioaktiven Isotope in der Erdkruste und wird in dieser Arbeit nicht weiter untersucht. Das Strahlungsfeld auf Reiseflughöhe und in Höhe der ISS ist sehr gut bekannt, da die Expositionen des fliegenden Personals und der Astronauten ständig berechnet oder gemessen werden. Für Höhen oberhalb von 20 km und unterhalb des ISS Orbits (400 km) sind die Expositionen durch das Strahlungsfeld jedoch nicht ausreichend gut bekannt. Da in Zukunft das Strahlungsfeld in diesen Höhen zunehmend durch Weltraumtourismus und den für die nahe Zukunft geplanten Überschallflugzeugen immer mehr an Bedeutung gewinnen wird, liegt das Ziel dieser Arbeit in der Untersuchung des Strahlungsfeldes bis in Höhen von 25 km. Für diese Untersuchung wurde ein aus vier Halbleiterdetektoren bestehendes Teilchenteleskop entwickelt. Aufgrund der Anordnung der Detektoren ist es möglich, zwischen geladenen und elektrisch neutralen Teilchen zu unterscheiden. Dieses Teilchenteleskop wurde mit verschiedenen Schwerionen, radioaktiven Quellen und Neutronen bestrahlt und kalibriert. Außerdem wurden verschiedene Messungen auf Reiseflughöhe durchgeführt, um die Funktionsweise des Teilchenteleskops in einem natürlichen und gemischten Strahlungsfeld zu überprüfen. Um bis zu einer Höhe von 25 km Messwerte zu erhalten, wurde ein unbemannter Ballonflug in der Nähe des Polarkreises durchgeführt. Basierend auf dieser Messung konnte die Strahlenexposition bis zu einer Höhe von 25 km abgeschätzt werden.

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Möller, Thomas: Measurement of the Radiation Exposure for High Altitude Flights in the Polar Region. 2013.

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