Radiation Field in Low Earth Orbit :Measurements from MATROSHKA DOSTEL onboard ISS

Labrenz, Johannes

The Earth is permanently exposed to Galactic Cosmic Radiation (GCR). The GCR consist of charged particles and are effectively shielded by Earth’s magnetic field and atmosphere. Therefore the radiation exposure on ground is insignificant, but becomes important when leaving the protective atmosphere. Due to the increased radiation exposure, radiation protection is an important field for space exploration. The MATROSHKA experiment was performed to investigate the radiation exposure to humans on the International Space Station (ISS). An anthropomorphic upper-torso phantom equipped with radiation detectors, named after the Russian nesting doll, was brought to space to perform measurements outside and inside the ISS. One of MATROSHKA’s radiation detectors is the DOSimetric TELescope (DOSTEL), which is based on Silicon semiconductor technology. This active instrument allows a time resolved measurement of the radiation field at ISS altitudes. DOSTEL measurements have shown that the spacecraft hull has only a minor effect on the intensity of GCR particles. The radiation exposure mainly depends on the solar modulation of the GCR. Furthermore, the angular distribution of the GCR particles could be estimated by using data obtained with DOSTEL. Besides GCR particles, particles trapped in Earth’s magnetic field in the socalled radiation belts contribute to the radiation exposure. These particles are effectively shielded by the ISS spacecraft hull, and thus, their contribution to the radiation exposure decreases for inside measurements. During the outside measurement, DOSTEL observed a disturbance of the radiation field at ISS altitudes. In July 2004 Earth’s magnetic field was filled with relativistic electrons. The electrons formed a quasi stable radiation belt in the slot region which was observable until November 2004. The additional radiation exposure induced by this temporal phenomenon was estimated and led to important scientific findings, which were necessary for the interpretation of the results of the other MATROSHKA detectors.

Die Erde ist kontinuierlich der Galaktischen Kosmischen Strahlung (GCR) ausgesetzt. Die GCR besteht aus geladenen Teilchen, welche durch das Erdmagnetfeld und die Erdatmosphäre abgeschirmt werden, so dass sie für Menschen auf dem Erdboden nur zu einer geringen und damit zu vernachlässigenden Strahlenexposition führen. Verlässt man die schützende Erdatmosphäre steigt die Strahlenexposition durch die kosmische Strahlung an, was dazu führt, dass diese nicht mehr zu vernachlässigen ist und für Astronauten auf der internationalen Raumstation (ISS) deshalb von besonderer Bedeutung ist. Das MATROSHKA Experiment hat sich zur Aufgabe gemacht die Strahlenexposition für Menschen auf der ISS möglichst genau zu bestimmen und hat zu diesem Zweck ein Phantom des menschlichen Oberkörpers mit Strahlungsdetektoren versehen und auf die ISS bringen lassen. Einer der Strahlungsdetektoren des MATROSHKA Experiments ist das DOSimetric TELescope (DOSTEL). Dieses aktive Instrument besteht aus Silizium Halbleiterdetektoren und ist in der Lage eine zeitaufgelöste Vermessung des Strahlungsfeldes auf ISS Flughöhen durchzuführen. Während der beiden MATROSHKA Experimentphasen MTR-1 und MTR-2B hat das DOSTEL Instrument außerhalb und innerhalb der ISS Daten aufgenommen. Die DOSTEL Messungen haben gezeigt, dass die Intensität der GCR Teilchen kaum durch die Hülle der ISS abgeschirmt wird und hauptsächlich von der solaren Modulation der GCR abhängig ist. Außerdem konnte die Winkelverteilung der GCR Teilchen mit Hilfe der DOSTEL Messungen abgeschätzt werden. Neben den GCR Teilchen tragen auch geladene Teilchen, welche im Erdmagnetfeld in den sogenannten Strahlungsgürteln gefangen sind, zur Strahlenexposition bei. Die Außenhaut der ISS schirmt diese Teilchen effektiv ab, so dass die Strahlenexposition durch diese Teilchen innerhalb der ISS deutlich geringer ist. Während der Messungen außerhalb der ISS konnte zudem eine Störung des Strahlungsfeldes auf ISS Höhen festgestellt werden. Im Juli 2004 wurde das Erdmagnetfeld mit relativistischen Elektronen gefüllt, welche einen quasi-stabilen Strahlungsgürtel bildeten. Die zusätzliche Strahlenexposition durch dieses zeitlich begrenzte Phänomen wurde mit DOSTEL bestimmt und lieferte damit wichtige Erkenntnisse zur Interpretation der Messwerte der passiven MATROSHKA Detektoren.

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Labrenz, Johannes: Radiation Field in Low Earth Orbit :Measurements from MATROSHKA DOSTEL onboard ISS. 2014.

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