Detektory termoluminescencyjne w pomiarach promieniowania kosmicznego Paweł Bilski

Detektory termoluminescencyjne w pomiarach promieniowania kosmicznego Paweł Bilski 10 lat badań na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej Seminarium IFJ PAN 2.02.2012

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

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

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

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

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

400 km Moc dawki promieniowania ~ 20 µsv/h 200 10 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

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 D2 07-1999 07-2001 07-2003 07-2005 07-2007 07-2009 07-2011 - pomiary wewnątrz stacji kosmicznej - pomiary na zewnątrz stacji kosmicznej Sumaryczny czas trwania eksperymentów: 4105 dni

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 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 0.05 0.10 0.15 Depth, mm 0.20

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 D2 07-1999 07-2001 07-2003 07-2005 07-2007 07-2009 07-2011 - pomiary wewnątrz stacji kosmicznej - pomiary na zewnątrz stacji kosmicznej Sumaryczny czas trwania eksperymentów: 4105 dni

LITHODOSE część eksperymentu LITHOPANSPERMIA Cel: Wyznaczenie rozkładu głębokościowego dawki stack of MTS-7 pellets stack of MTS-6 pellets depth Dose, mgy 100 10 1 0 1 2 3 4 5 Depth, mm 6 7 8 9 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 D2 07-1999 07-2001 07-2003 07-2005 07-2007 07-2009 07-2011 - pomiary wewnątrz stacji kosmicznej - pomiary na zewnątrz stacji kosmicznej Sumaryczny czas trwania eksperymentów: 4105 dni

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

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

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 D2 07-1999 07-2001 07-2003 07-2005 07-2007 07-2009 07-2011 - pomiary wewnątrz stacji kosmicznej - pomiary na zewnątrz stacji kosmicznej Sumaryczny czas trwania eksperymentów: 4105 dni

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 D2 07-1999 07-2001 07-2003 07-2005 07-2007 07-2009 07-2011 - pomiary wewnątrz stacji kosmicznej - pomiary na zewnątrz stacji kosmicznej Sumaryczny czas trwania eksperymentów: 4105 dni

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

EXPOSE EXPOSE-R EXPOSE-E / EuTEF moc dawki: 0.21 0.38 mgy/d

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 D2 07-1999 07-2001 07-2003 07-2005 07-2007 07-2009 07-2011 - pomiary wewnątrz stacji kosmicznej - pomiary na zewnątrz stacji kosmicznej Sumaryczny czas trwania eksperymentów: 4105 dni

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

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

DOSIS Fluence [cm -2.sr -1 ] 10000 1000 100 10 Average over all boxes Highest fluence (Box 6) Lowest fluence (Box 11) 1 10 100 1000 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)

MATROSHKA Projekt ESA pomysłodawca i koordynator Dr Günther Reitz, DLR, Kolonia realizowany na orbicie Ziemi w latach 2004 2011 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

MATROSHKA Projekt ESA pomysłodawca i koordynator Dr Günther Reitz, DLR, Kolonia realizowany na orbicie Ziemi w latach 2004 2011 Projekt FP 7 HAMLET Human Model MATROSHKA for Radiation Exposure Determination of Astronauts 2008 2011

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

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 3140 1215 ATI Vienna 405 TLD-700, TLD-600 814 Oklahoma State University MATROSHKA Uczestnicy projektu (TLD): 34 TLD-100, TLD-300 204 TOTAL 1631 5373

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

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

Etapy eksperymentu MATROSHKA

Etapy eksperymentu MATROSHKA MTR 1 (2004 05) 616 d (539 d na zewnątrz) MTR 2A (2006) 337 d MTR 2B (2007 09) 518 d MTR 2 KIBO (2010 11) 322 d

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

Etapy eksperymentu MATROSHKA MATROSHKA 1 na zewnątrz ISS: 26 lutego 2004 18 sierpnia 2005

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

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

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

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

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

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

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

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 0,10 0 20 40 60 80 100 Minimum distance from phantom edge (mm) 120

3D Continuous MTR 1

3D Continuous MTR 2A

3D Continuous MTR 2B

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

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

Dawka pochłonięta w narządach 1.4 1.2 MTR-1 MTR-2A MTR-2B 0.4 Dose rate [mgy/d] 0.2 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

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

Równoważnik dawki w narządach 3.0 2.5 1.0 0.5 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

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

Równoważnik dawki w narządach i dawka efektywna 3.0 2.5 1.0 0.5 MTR-1 MTR-2A MTR-2B dawkomierze osobiste astronauty 3.0 2.5 1.0 0.5 0.0 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

MTR KIBO: wstępne wyniki styczeń 2012

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 2002-2005 HAMLET-FP7 5 serii pomiarowych w latach 2008-2011

HIMAC 1.1 a) LiF:Mg,Ti 1.0 0.9 Relative thermoluminescent efficiency, 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 b) LiF:Mg,Cu,P He C O Ne Si Ar Fe Kr Xe Relative efficiency 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 Si 55 kev/ m Si 151.4 kev/ m Fe 199.7 kev/ m 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 Relative efficiency LiF:Mg,Ti 0.3 0.2 0.2 0.2 10 100 1000 LET in water [kev/ m] 0.0 Feb '10 Feb '10 May'08 Feb'09 0.0

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

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

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