Detektory termoluminescencyjne w pomiarach promieniowania kosmicznego Paweł Bilski

Transkrypt

1 Detektory termoluminescencyjne w pomiarach promieniowania kosmicznego Paweł Bilski 10 lat badań na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej Seminarium IFJ PAN

2 Plan prezentacji 1. Kilka zdań o promieniowaniu kosmicznym - dla przypomnienia 2. Przegląd eksperymentów kosmicznych z naszym udziałem 3. Eksperyment MATROSHKA przebieg i wyniki 4. Eksperymenty na Ziemi akceleratorowe wiązki jonów 5. Dalsze plany

3 Promieniowanie kosmiczne (z perspektywy narażenia radiacyjnego astronautów) - Składowa galaktycza - Składowa słoneczna - Pasy radiacji

4 Składowa galaktyczna Pochodzi spoza układu słonecznego Promieniowanie o bardzo wysokiej energii silnie penetrujące, trudne do osłony promieniowanie wtórne Jądra atomów (1H do 238U) duża gęstość jonizacji silne efekty biologiczne

5 Składowa słoneczna Neutron monitor count rate Year Sourcle: NASA Daily sunspot number - aktywność cykliczna - wiatr słoneczny (niska energia) - wybuchy słoneczne - cykl słoneczny wpływa na składową galaktyczną

6 Pasy radiacji (pasy Van Allena) Source: Russell - zewnętrzny : elektrony - wewnętrzny: protony Anomalia południowoatlantycka

7 400 km Moc dawki promieniowania ~ 20 µsv/h km ~ 4 µsv/h 40 3 km ~ 0.2 µsv/h 2 50 m > 40 µsv/h (EVA space suit) ~ 0.1 µsv/h 1

8 IFJ w pomiarach na orbicie Ziemi BIOPAN-3 DOSMAP MATROSHKA MTR-1 MTR-2a MTR-2b MTR- KIBO Space Intercomparison SI-2 SI-3 Lithodose (BIOPAN-6) EXPOSE-E EXPOSE-E EXPOSE-R EXPOSE-R DOSIS D1 D pomiary wewnątrz stacji kosmicznej - pomiary na zewnątrz stacji kosmicznej Sumaryczny czas trwania eksperymentów: 4105 dni

9 BIOPAN-3 BIOPAN to urządzenie badawcze, montowane na zewnątrz pojazdu kosmicznego Foton i otwierane na orbicie w celu ekspozycji różnych eksperymentów Detektory TLD były osłonięte jedynie cienką folią kaptonową Czas ekspozycji: 12.7 dni 2.4 Gy / day Depth, mm 0.20

10 BIOPAN-3 DOSMAP MATROSHKA MTR-1 MTR-2a MTR-2b MTR- KIBO Space Intercomparison SI-2 SI-3 Lithodose (BIOPAN-6) EXPOSE-E EXPOSE-E EXPOSE-R EXPOSE-R DOSIS D1 D pomiary wewnątrz stacji kosmicznej - pomiary na zewnątrz stacji kosmicznej Sumaryczny czas trwania eksperymentów: 4105 dni

11 LITHODOSE część eksperymentu LITHOPANSPERMIA Cel: Wyznaczenie rozkładu głębokościowego dawki stack of MTS-7 pellets stack of MTS-6 pellets depth Dose, mgy Depth, mm

12 BIOPAN-3 DOSMAP MATROSHKA MTR-1 MTR-2a MTR-2b MTR- KIBO Space Intercomparison SI-2 SI-3 Lithodose (BIOPAN-6) EXPOSE-E EXPOSE-E EXPOSE-R EXPOSE-R DOSIS D1 D pomiary wewnątrz stacji kosmicznej - pomiary na zewnątrz stacji kosmicznej Sumaryczny czas trwania eksperymentów: 4105 dni

13 DOSMAP Dosimetric Mapping projekt NASA, marzec-sierpień 2001 Cel: pomiar rozkładu dawki w module stacji kosmicznej US Lab Destiny DOSMAP był prawdopodobnie pierwszym eksperymentem dozymetrycznym przeprowadzonym na stacji kosmicznej ISS (pierwsza załoga ISS od listopada 2000, moduł Destiny podłączony w lutym 2001) widok stacji kosmicznej w lutym 2001

14 DOSMAP Dosimetric Mapping projekt NASA, marzec-sierpień 2001 Cel: pomiar rozkładu dawki w module stacji kosmicznej US Lab Destiny DOSMAP był prawdopodobnie pierwszym eksperymentem dozymetrycznym przeprowadzonym na stacji kosmicznej ISS (pierwsza załoga ISS od listopada 2000, moduł Destiny podłączony w lutym 2001) Zmierzono moc dawki od 0.15 do 0.20 mgy/d

15 BIOPAN-3 DOSMAP MATROSHKA MTR-1 MTR-2a MTR-2b MTR- KIBO Space Intercomparison SI-2 SI-3 Lithodose (BIOPAN-6) EXPOSE-E EXPOSE-E EXPOSE-R EXPOSE-R DOSIS D1 D pomiary wewnątrz stacji kosmicznej - pomiary na zewnątrz stacji kosmicznej Sumaryczny czas trwania eksperymentów: 4105 dni

16 BIOPAN-3 DOSMAP MATROSHKA MTR-1 MTR-2a MTR-2b MTR- KIBO Space Intercomparison SI-2 SI-3 Lithodose (BIOPAN-6) EXPOSE-E EXPOSE-E EXPOSE-R EXPOSE-R DOSIS D1 D pomiary wewnątrz stacji kosmicznej - pomiary na zewnątrz stacji kosmicznej Sumaryczny czas trwania eksperymentów: 4105 dni

17 EXPOSE Eksperymenty astrobiologiczne - ekspozycja próbek biologicznych na warunki panujące w przestrzeni kosmicznej: UV, promieniowanie jonizujące, próżnia EXPOSE E : platforma EuTEF (European Technology Exposure Facility) przymocowana na zewnątrz europejskiego modułu Columbus EXPOSE R : platforma URM-D przymocowana na zewnątrz rosyjskiego modułu Zwiezda

18 EXPOSE EXPOSE-R EXPOSE-E / EuTEF moc dawki: mgy/d

19 BIOPAN-3 DOSMAP MATROSHKA MTR-1 MTR-2a MTR-2b MTR- KIBO Space Intercomparison SI-2 SI-3 Lithodose (BIOPAN-6) EXPOSE-E EXPOSE-E EXPOSE-R EXPOSE-R DOSIS D1 D pomiary wewnątrz stacji kosmicznej - pomiary na zewnątrz stacji kosmicznej Sumaryczny czas trwania eksperymentów: 4105 dni

20 DOSIS DOSIS Dose Distribution Inside ISS Measurement of the radiation environment inside the European Columbus Laboratory onboard the ISS Columbus

21 DOSIS 3 x TLD/OSL Holders 2 x CR 39 Holders 3 x TLD/OSL Holders DOSIS Passive Detector Packages (PDP)

22 DOSIS Fluence [cm -2.sr -1 ] Average over all boxes Highest fluence (Box 6) Lowest fluence (Box 11) LET [kev/ m] Moc dawki zmierzona detektorami 7 LiF:Mg,Ti przez różne grupy badawcze Widmo LET zmierzone detektorami śladowymi CR-39 (wyniki dr T. Horwacika)

23 MATROSHKA Projekt ESA pomysłodawca i koordynator Dr Günther Reitz, DLR, Kolonia realizowany na orbicie Ziemi w latach MATROSHKA - fantom (model) ciała ludzkiego zaprojektowany w celu wyznaczenie rozkładu przestrzennego dawki promieniowania i oceny narażenia radiacyjnego astronautów, wyposażony w zestaw aktywnych i biernych detektorów promieniowania

24 MATROSHKA Projekt ESA pomysłodawca i koordynator Dr Günther Reitz, DLR, Kolonia realizowany na orbicie Ziemi w latach Projekt FP 7 HAMLET Human Model MATROSHKA for Radiation Exposure Determination of Astronauts

25 MATROSHKA Detektory TLD rozłożone w 33 warstwach fantomu, tworząc regularną 2.5 centymetrową siatkę x/y/z w całej objętości TLDs 2.5 cm W sumie: 1631 pozycji pomiarowych 5373 detektorów TLD

26 Investigator Number of positions IFJ Kraków 785 DLR Cologne 407 TLD types MTS-7, MCP-7 MTT-7, MTS-6 TLD-700, TLD-600 TLD-700H Total number of TLDs ATI Vienna 405 TLD-700, TLD Oklahoma State University MATROSHKA Uczestnicy projektu (TLD): 34 TLD-100, TLD TOTAL

27 MATROSHKA Detektory w pozycjach wybranych narządów #1 oko #2 płuca #3 żołądek #4 nerki #5 jelito #6 głowa

28 MATROSHKA TLD na skórze TLD na Poncho Poncho # 1: przód-góra Poncho # 2: przód-dół Poncho # 3: lewy bok Poncho # 4: prawy bok Poncho # 5: tył-góra Poncho # 6: tył-dół

29 Etapy eksperymentu MATROSHKA

30 Etapy eksperymentu MATROSHKA MTR 1 ( ) 616 d (539 d na zewnątrz) MTR 2A (2006) 337 d MTR 2B ( ) 518 d MTR 2 KIBO ( ) 322 d

31 Etapy eksperymentu MATROSHKA KIBO Pirs: MTR-2A Zvezda: MTR-1, MTR-2B

32 Etapy eksperymentu MATROSHKA MATROSHKA 1 na zewnątrz ISS: 26 lutego sierpnia 2005

33 MATROSHKA-1 Sergiej Krikalew i John Philips demontują fantom (18 sierpnia 2005)

34 MATROSHKA-2A Valery Tokarev instaluje detektory w fantomie (styczeń 2006 ) Fantom w czasie pomiarów w module Pirs 1 Thomas Reiter w czasie wyjmowanie detektorów z fantomu grudzień 2006

35 MATROSHKA-2B Fantom w czasie pomiarów w module Zvezda Yuri Lonchakov demontuje detektory z fantomu ( 18 marca 2009)

36 MATROSHKA-2 KIBO Instalacja detektorów w fantomie przez Aleksandra Skvortsova, Mikhaila Kornienko i Soichi Noguchi, 4 maja 2010

37 MATROSHKA-2 KIBO MATROSHKA 2 KIBO: Alexander Kaleri, Dmitry Kondratyev, Paolo Nespoli i Oleg Skripochka demontują detektory z fantomu (10 marca 2011)

38 3D Depth Dose MTR 1 DLR DLR + ATI DLR + ATI + IFJ

39 3D Depth Dose MTR 1/ 2A/ 2B

40 3D Depth Dose MTR 1/ 2A/ 2B 0,50 MTR-1 MTR-2A MTR-2B 0,45 Dose (mgy/d) 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0, Minimum distance from phantom edge (mm) 120

41 3D Continuous MTR 1

42 3D Continuous MTR 2A

43 3D Continuous MTR 2B

44 3D Distribution: MTR 1/ 2A/ 2B

45 3D Distribution: MTR 1 / 2A / 2B

46 Dawka pochłonięta w narządach MTR-1 MTR-2A MTR-2B 0.4 Dose rate [mgy/d] Skin Eye lens Breast Testes Salivary glands Thyroid Brain Bones Colon Red bone marrow Esophagus Reminder Liver Small intestine Stomach Lungs Bladder Kidney

47 Absorbed dose rate (mgy/d) Dawka pochłonięta w narządach Thyroid Brain Bones Colon Red bone marrow Esophagus Remainder Liver Small intestine Stomach Lungs Bladder Kidney Salivary glands 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Skin Eye lens Breast Testes 0,0 0,25 0,25 MTR-1 MTR-2A 0,20 0,15 Skin Eye lens Breast Testes Salivary glands Thyroid Brain Bones Colon Red bone marrow Esophagus Remainder Liver Small intestine Stomach Lungs Bladder Kidney Skin Eye lens Breast Testes Salivary glands Thyroid Brain Bones Colon Red bone marrow Esophagus Remainder Liver Small intestine Stomach Lungs Bladder Kidney 0,10 0,05 Absorbed dose rate (mgy/d) Absorbed dose rate (mgy/d) 0,00 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 MTR-2B

48 Równoważnik dawki w narządach MTR-1 MTR-2A MTR-2B Dose equivalent rate [msv/d] 0.0 Skin Eye lens Breast Testes Salivary glands Thyroid Brain Bones Colon Red bone marrow Esophagus Reminder Liver Small intestine Stomach Lungs Bladder Kidney

49 Dose equivalent rate (msv/d) Skin Eye lens Breast Testes Salivary glands Thyroid Brain Bones Colon Red bone marrow Esophagus Remainder Liver Small intestine Stomach Lungs Bladder Kidney 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Równoważnik dawki w narządach 0,7 0,7 MTR-1 0,6 0,5 0,4 0,3 Skin Eye lens Breast Testes Salivary glands Thyroid Brain Bones Colon Red bone marrow Esophagus Remainder Liver Small intestine Stomach Lungs Bladder Kidney 0,2 0,1 Dose equivalent rate (msv/d) 0,0 MTR-2A 0,6 0,5 0,4 0,3 Skin Eye lens Breast Testes Salivary glands Thyroid Brain Bones Colon Red bone marrow Esophagus Remainder Liver Small intestine Stomach Lungs Bladder Kidney 0,2 0,1 Dose equivalent rate (msv/d) 0,0 MTR-2B

50 Równoważnik dawki w narządach i dawka efektywna MTR-1 MTR-2A MTR-2B dawkomierze osobiste astronauty Dose equivalent rate [msv/d] 0.0 Skin Eye lens Breast Testes Salivary glands Thyroid Brain Bones Colon Red bone marrow Esophagus Reminder Liver Small intestine Stomach Lungs Bladder Kidney Effective dose

51 MTR KIBO: wstępne wyniki styczeń 2012

52 Badania na Ziemi : wydajność detektorów dla akceleratorowych wiązek jonów Wydajność detektorów TL zależy od gęstości jonizacji (LET), ale do niedawna : brak było spójnych danych opisujących tę zależność nieznana była wydajność TL dla promieniowania kosmicznego HIMAC,Heavy Ion Medical Accelerator, NIRS, Chiba, Japan ICCHIBAN InterComparison of Cosmic rays with Heavy Ion beams at NIRS 8 serii pomiarowych w latach HAMLET-FP7 5 serii pomiarowych w latach

53 HIMAC 1.1 a) LiF:Mg,Ti Relative thermoluminescent efficiency, b) LiF:Mg,Cu,P He C O Ne Si Ar Fe Kr Xe Relative efficiency Si 55 kev/ m Si kev/ m Fe kev/ m Relative efficiency LiF:Mg,Ti LET in water [kev/ m] 0.0 Feb '10 Feb '10 May'08 Feb'09 0.0

54 HIMAC pomiar TLD He, 140 MeV/n, 2.23 kev/µm symulacja MCNP

55 DALSZE PLANY 1) MATROSHKA Fantom sprowadzony na Ziemię, planowana kontynuacja, przerwa ok. 2 lata 2) DOSIS 3D projekt ESA, start wiosna 2012, czas trwania 3 lata, 6 półrocznych cykli pomiarowych 3) EXPOSE R 4) Badania wydajności detektorów dla protonów projekt badawczy NCN

56 Dziękuję za uwagę! Udział wzięli: Paweł Olko Monika Puchalska Tomasz Horwacik Marta Ptaszkiewicz Mariusz Kłosowski Renata Kopeć Anna Florczyk Agnieszka Szumska Anna Twardak Wojciech Gieszczyk Michał Sądel i inni Photos courtesy NASA, ESA, DLR Widok z orbity Księżyca na wschodząca Ziemię, 24 grudnia 1968 William A. Anders, Apollo 8