Cosmic radiation dosimetry : detectors calibration during an on-board experience at commercial flight altitudes and improvement of dose assessment for aircrew members

The Earth and all living things on it are constantly bombarded by radiation from surface and from outer space: at terrestrial surface the effective dose rate is ranging from few tens to few hundred of µSv/h, but it can reach the value of several µSv/h on-board at commercial flight altitudes in normal solar conditions and up to few tens of mSv/h in case of violent solar flare. The reason of this higher dose rate at flight-route level is due to the continuous exposition to cosmic radiation field, whose intensity depends on solar activity and eruptions. Due to their professional activity, aircrew members and frequent flyers may receive an annual dose of a few mSv up to 6 mSv, crossing the annual limit of 1mSv for public. ICRP recognizes them as occupationally exposed workers and requires airlines to assess the dose and to inform their aircrews about the risk. The effective dose has to be estimated using various experimental and calculation means: in France, IRSN has developed the SIEVERT system for flight assessment of exposure to cosmic radiation including dose from solar event. Nevertheless, models and methods used to estimate dose from solar flare, need to be confronted with experimental data. To provide measurement data during solar flare to the scientific community, IRSN and Air France have set-up permanent monitoring experiment onboard commercial airplanes. This report present the work achieved to characterize the instrumentation placed on board airplanes and possible new dosimeters that could be used by passenger and crew and also the evaluation of the performance of the whole system of monitoring. The detectors were tested in reference facility but also during flight campaign. The analysis of three calibration flights from Paris to Boston, Montréal and Tokyo on-board of Air France aircrafts: Liulin, EPD-N2, D-Shuttle and other small devices have been calibrated in term of low- and high-LET component of ambient dose equivalent rate H*(10), considering data from TEPC as reference. And finally two routine campaigns have been performed on several Air France flights, installing on-board a set of detectors composed by Liulin, EPD-N2, RPL and D-Shuttle: the aim was to map in term of dose, different routes and to check the detectors sensitivity to record an extra dose during solar eruption occurred on December 2015. A comparison with SIEVERT calculation has been done to obtain route’s coefficient.

L'esposizione alle radiazioni da sorgenti naturali è una caratteristica inevitabile della vita quotidiana: mangiare una banana, utilizzare materiali quali il granito per la pavimentazione di casa, lavorare ad un piano interrato, prendere un volo intercontinentale, etc. Il lavoro di tesi svolto dalla sottoscritta si interessa d’indagare gli aspetti d’esposizione alla radiazione proprio durante quest’ultimo esempio di esperienza quotidiana : dosimetria della radiazione cosmica per l’equipaggio aereo durante voli commerciali. La Terra e tutti gli esseri viventi su di essa sono costantemente bombardati da radiazioni provenienti dal sotto suolo e dallo spazio : a livello della superficie terrestre il rateo di dose efficace é 0.1µSv/h ma spingendosi sempre più lontano da essa, fuggiamo dall’esposizione di materiali naturalmente radioattivi, entrando tuttavia sempre più a contatto con il campo di radiazione cosmica. In primo luogo viene a mancare la schermatura data dall’atmosfera, la quale fungendo da mezzo d’interazione con la radiazione cosmica primaria, i.e. protoni ed elettroni di alta energia, particelle alfa, ioni pesanti, permette l’innesco di una cascata di reazioni nucleari costituita da particelle secondarie di più bassa energia quali neutroni, ioni leggeri, pioni, muoni, elettroni e positroni, etc. L’ intensità di questo primo schermo naturale decresce aumentando in altitudine in modo quasi lineare con un conseguente aumento del rateo di dose efficace pari a +1.5 μSv/h ogni km fino a raggiungere le quote tipiche dei voli commerciali, tra i 10 e i 13 km, alle quali il rateo potrebbe arrivare ad un valore di 5 µSv/h. Fortunatamente il nostro pianeta è altremodo protetto da due fonti di schermo naturale quali il proprio campo magnetico, chiamato per l’appunto geomagnetico, e il campo magnetico del Sole. Il primo, in tutta la sua complessità strutturale, possiede la capacità di deviare i flussi di particelle cariche provenienti dal Sole e dallo spazio interplanetare e di porle in rotazione attorno alla Terra nelle fasce di Van Allen. Il secondo, caratterizzato da una bipolarità reversibile approssimativamente ogni 11 anni, prevede periodi di minimo e massimo. In questi ultimi, l’intensità del campo generato dal Sole é in grado deflettere la radiazione cosmica al di fuori del sistema solare, schermandoci implicitamente da essa. Altri due componenti influenzano l'esposizione: il vento solare, il quale spazza materiale da regioni di spazio interplanetario e si compone del 95% di protoni e il resto è di particelle alfa e ioni minori. La sua intensità è modulata dal ciclo solare di 11 anni, ma può essere un'importante fonte di radiazioni per membri dell'equipaggio aereo nel momento in cui funge da “trasportatore” di SEP, particelle energetiche solari provenienti da eruzioni intense. Durante i periodi di elevata attività del Sole, le espulsioni di materiale radioattivo dirette verso la Terra, possono causare un aumento del rateo di dose efficace oltre i 30 µSv/h ad altitudini dell’ aviazione civile. Ciononostante, data la loro bassa frequenza, è difficile stimare in anticipo la dose e di conseguenza sono necessarie misurazioni a bordo. Recentemente alcune preoccupazioni sono state sollevate sulla potenziale esposizione dell'equipaggio aereo e dei passeggeri a lampi di raggi gamma prodotti nell'atmosfera in occasione di celle temporalesche. Questi fenomeni, chiamati Terrestrial Gamma Flash, che non sono legati alla radiazione cosmica, durano pochi millisecondi con energia fino a 20 MeV. I particolari dettagli del meccanismo d’innesco di tali fenomeni sono ancora incerti, ma presumibilmente i raggi gamma vengono prodotti da elettroni accelerati fino a velocità prossime a quelle della luce, i quali collidono con gli atomi nell'atmosfera portandoli in stato eccitato. Non esiste attualmente alcun elemento per valutare la dose associata a un evento TGF, ma centinaia di voli presenti nei database delle compagnie aree potrebbero essere un punto di partenza per esplorare il problema. Per tutti questi motivi, i membri dell'equipaggio aereo sono riconosciuti come lavoratori professionalmente esposti: solitamente il limite di dose annuale per la categoria di lavoratori esposti è di 20 mSv ma ICRP per questa particolare classe di lavoratori ha fissato il limite in un range compreso tra 5 e 10 mSv/anno. Ogni paese ha un proprio regolamento nazionale che impone un monitoraggio dosimetrico per tutti i cittadini che rischiano di superare il limite annuo pubblico di 1mSv e per quanto riguarda l'aviazione, è imposto l’obbligo di stima della dose tramite l’utilizzo di software e misure a bordo degli aeromobili, con strumentazione specifica per la rilevazione di radiazione cosmica. Dal 2000, IRSN gestisce il sistema SIEVERT, che calcola le dosi di radiazione cosmica di passeggeri ed equipaggi a bordo degli aeromobili delle compagnie aeree. La grande forza di questo codice è stata dimostrata in questi anni: i risultati sono proposti in termini di dose efficace, è possibile prevedere la dose per ogni tratta aerea ed il contributo alla dose dato dai raggi x durante le fasi di controllo in aeroporto è evitato. Inoltre, SIEVERT tiene conto del contributo alla dose dato da eventuali eruzioni solari proprio perché si erge su misure effettuate sugli aeromobili durante l’avvenimento di particolari eventi solari. Per migliorare il modello, IRSN ha avviato una collaborazione con Air France attraverso la quale è possibile installare dosimetri per ottenere ulteriori misurazioni a bordo. A seguito di un’approfondita trattazione delle caratteristiche della radiazione cosmica e dei fenomeni fisici che la influenzano legati all’attività solare, presente nel capitolo 2, nel capitolo 3 l’attenzione viene posta sugli aspetti dosimetrici e radioprotezionistici legati al personale di volo. Una prima parte riguarda le grandezze dosimetriche e microdosimetriche sulle quali basa lo studio effettuato in questo lavoro di tesi, seguito da una breve carrellata di valori di dose riscontrabili tipicamente durante i voli di linea in condizioni standard e in condizioni di straordinari eventi solari. Una sezione è invece dedicata alla regolamentazione imposta da ICRP per il personale di volo. Tre sono gli obbiettivi del lavoro di tesi e i capitoli 4 e 5 sono dedicati rispettivamente alla descrizione della strumentazione nonché delle metodologie utilizzate e all’analisi dei risultati. Il primo obbiettivo riguarda la caratterizzazione di alcuni nuovi dispositivi di piccole dimensioni, al fine di testare la loro risposta a bassi ed alti ratei di dose e di studiarne la capacità di rilevare la radiazione cosmica. Consideriamo che tali rivelatori possano rappresentare una grande soluzione per la dosimetria personale dei membri dell'equipaggio aereo e anche per la classe di passeggeri che viaggia frequentemente per questioni lavorative. Il loro facile utilizzo, le dimensioni ridotte e il prezzo contenuto, li rende ottimi candidati per le misure effettuate in queste particolari condizioni aeree. Molti di essi necessitano una connessione diretta o Bluetooth a un qualsiasi smartphone sul quale sia possibile scaricare l’applicazione dedicata alla visualizzazione e al salvataggio dei dati. Altri invece necessitano di un segnale GPS, altri ancora nulla di tutto questo. I dispositivi testati sono stati: Atom Simple, D-Shuttle, Gamma Scout, Gamma Sapiens, Iterium, Polismart, RadEye, Radex, Safecast. Sono stati ideati per effettuare misure di monitoraggio ambientale, di conseguenza la loro capacità di rivelazione è limitata a particelle di basso LET, quali beta, raggi gamma e x. La quasi totalità di essi è dotato all’interno di un contatore Geiger Müller o di un contatore proporzionale. La prima fase sperimentale messa in atto consiste nella caratterizzazione della risposta a partire da 0.05µSv/h grazie all’utilizzo di sorgenti di Cs-137 di cui IRSN dispone presso i propri laboratori. Durante la seconda fase, abbiamo provveduto ad installarli a bordo di alcuni voli insieme al set di dosimetri solitamente utilizzati. Il secondo obbiettivo riguarda la calibrazione in volo dei rivelatori Liulin, EPD-N2 sulla base dei dati ottenuti con il contatore proporzionale tessuto equivalente TEPC, e il test dei dispositivi caratterizzati precedentemente: il fine ultimo riguarda il calcolo dei coefficienti di conversione per le componenti di basso e alto LET. Il modello di rivelatore TEPC da noi utilizzato è Hawk, riempito con gas propano puro, in grado di rivelare direttamente e separatamente il contributo alla dose dato data particelle di basso e alto LET. Le sue elevate performance han fatto si che venisse insignito del titolo di rivelatore di riferimento per la rivelazione di radiazione cosmica. Tuttavia una previa calibrazione è stata necessaria e per questo motivo sono state effettuate tre campagne di misura, presso IRSN, presso Lawrence Livermore National Laboratory in California e presso la CERF facility al CERN. Sorgenti di fotoni quali Co-60 e Cs-137 vennero impiegate per la regione di basso LET e contrariamente sorgenti di AmBe e Cf-252 per la regione di alto LET. Grazie alla collaborazione con Air France abbiamo installato una serie di rivelatori su voli diretti a Boston, Montreal e Tokyo, in partenza da Parigi. Bisogna tuttavia sottolineare che durante il volo con destinazione Tokyo non è stato possibile effettuare misure con TEPC, di conseguenza per ovviare a tale problema, la calibrazione è stata pensata sulla base dei dati ottenuti dalle simulazioni con il sistema informatico SIEVERT. Come detto precedentemente, sono stati sottoposti a calibrazione Liulin, EPD-N2 e i dispositivi portatili e tra tutti, D-shuttle si è mostrato essere uno dei più performanti e la nostra attenzione è stata posta su di esso anche per le qualità e caratteristiche possedute: nessun problema relativamente a salvataggio di dati, nessuna necessità di connessione a smartphones, piccole dimensioni e bassi costi, e soprattutto alta sensibilità. Come previsto dalla regolamentazione imposta da ICRP, simulazioni tramite opportuni software sono richieste per lo studio della dose. Attraverso il sistema SIEVERT abbiamo provveduto a calcolare il valore di dose efficace per i tre voli d’interesse Boston, Montréal e Tokyo, per poterlo comparare con le misure in volo. Infine, analisi dei dati ottenuti dai test dei nuovi dispositivi ha mostrato interessanti risultati, nonostante non tutti abbiano registrato l’intera durata dei voli. L'ultimo obbiettivo del lavoro di tesi consiste nell'analisi di voli di routine effettuati da Air France, per consentire il mapping della dose ricevuta a seconda della destinazione in questione, nonché il calcolo dei coefficienti di conversione per ogni rotta basati su misure fatte da Liulin e simulazioni fatte da SIEVERT. Da anni, su 35 aeromobili Air France, tra cui Airbus 380 e Boeing 777, sets di dosimetri comprendenti Liulin, EPD-N2, RPL sono installati a bordo funzionando 24/24h per periodi di 1/2mesi. Allo scadere del periodo suddetto, i rivelatori vengono consegnati a IRSN, affinchè proceda con l’analisi dei dati. Durante il mio periodo di studio a IRSN, due campagne di misurazioni di routine sono state effettuate: la prima nei mesi di Ottobre e Novembre e la seconda a seguire fino a Febbraio. Centinaia di voli sono stati studiati, calcolandone la dose rivelata da Liulin e da EPD-N2 a bordo. Tramite il software SIEVERT, la dose efficace è stata calcolata al fine di poter poi procedere con il calcolo dei coefficienti di conversione per ogni destinazione. L'altra importante caratteristica di quest'ultima parte del mio lavoro riguarda la sensibilità dei rivelatori nel rilevare eventi solari come CME, solar flares, TGF, che possono verificarsi durante le misurazioni di routine e stimarne il contributo supplementare di dose ad essi associato. Per poter migliorare la statistica e per poter andare più a fondo sull’argomento, le misure di routine stanno continuando ad essere effettuate e ciò in cui bisogna sperare è in un eruzione solare di alta intensità diretta verso la Terra, in mondo che ulteriori dati possano essere acquisiti. La radiazione cosmica è una sorgente infinita e il desiderio dell’uomo di esplorare ciò che lo circonda, qualcosa che sta sempre più lontano dalla superficie terrestre ma sempre più a contatto con il campo di radiazione, ci obbliga a considerare in modo più serio l’impatto della dose sulla nostra salute. Il numero di personale di volo e di astronauti è in continua crescita, e il fatto che siano considerati lavoratori esposti per la loro intera carriera, conferma la necessità di portare avanti studi di dosimetria relativi al campo di radiazione cosmica, per raggiungere una più profonda conoscenza dei fenomeni fisici e per trovare una strategia di salvaguardia e protezione migliore.