COSMIC RAY PARTICLE FLUENCES IN THE ATMOSPHERE RESULTING FROM PRIMARY COSMIC RAY HEAVY IONS AND THEIR RESULTING EFFECTS ON DOSE RATES TO AIRCRAFT OCCUPANTS AS CALCULATED WITH MCNPX 2.7.0

Abstract

Aircrews of commercial aircraft are exposed to higher doses of ionizing radiation than members of the general population in most parts of the world. The principal ionizing radiation to which aircrews are exposed is galactic cosmic radiation (GCR), which comes from outside our solar system. Among the most enigmatic particles present in the primary GCR spectrum are the so called heavy ions; atoms that are stripped of all electrons and traveling at relativistic speeds. They can cause unique biological injury that remains poorly understood. This research seeks to improve the evaluation of dose rates at altitudes up to the edge of space resulting from these ions.

Secondary particle spectra produced by mono-energetic showers of neutrons and GCR ions up through iron at 18 altitudes from 0-100 km were calculated by means of Monte Carlo simulations using MCNPX 2.7.0. These spectra were converted to doses per unit fluence of the incident primary particle using fluence-to-dose conversion coefficients or were summed in order to provide secondary particle flux per unit primary flux for 37 secondary particle types. Results were collected into databases for rapid numerical integration. A magnetic pass-band filter with a Kp-index-based correction function was constructed based on vertical magnetic cutoff rigidity to account for magnetic shielding prior to particles reaching the atmosphere. The atmosphere was modelled from the 1976 U.S. standard atmosphere. Multiple GCR models were used as sources to drive the model. Solar activity was accounted for using GCR model specific parameters. Neutron monitor data was used to account for Forbush decreases.

Calculations with CARI-7, the resulting rapid computer software model, compare well with measurements and dose calculations of others, but also show the characteristic shortcomings of modeling GCR showers without including local magnetic effects on particle path lengths and directions. Superposition, an approximation commonly used in modern flight-dose calculations, slightly increases effective dose rates at altitudes below 16.3 km and severely decreases them at higher altitudes, where increased ionization from heavy ions in the primary GCR flux and their large radiation weighting factors can result in effective dose estimates as high as 76 microseivert per hour.

Les membres d’équipage d’avions de ligne commerciaux sont exposés à de plus grandes doses de rayonnement ionisant que les membres de la population générale vivant dans presque toutes les parties du monde. Les membres d’équipage des avions de ligne sont surtout exposés au rayonnement cosmique galactique qui provient de l’espace hors de notre système solaire. Les ions lourds sont parmi les particules les plus énigmatiques composant le spectre du rayonnement cosmique galactique primaire et comprennent des atomes qui ont perdu tous leurs électrons et qui se déplacent à des vitesses relativistes. Ils peuvent causer des dommages biologiques importants qui demeurent peu compris. La présente recherche vise à améliorer l’évaluation des taux de dose causés par ces ions à des altitudes jusqu’à la frontière de l’espace.

Des simulations basées sur la méthode de Monte Carlo utilisant le code MCNPX 2.7.0 ont permis calculer des spectres de particules secondaires produites par des averses de neutrons mono-énergétiques et d’ions de rayonnement cosmique galactique jusqu’à la masse du fer pour 18 altitudes de 0 à 100 km. On a pu alors convertir ces spectres en doses par unité de fluence de particule primaire incidente à l’aide de coefficients de conversion fluence-à-dose ou encore on a fait la sommation de ces spectres afin de déterminer des flux de particules secondaires par unité de flux de particules primaires pour 37 types de particules secondaires. Les résultats ont été colligés en bases de données permettant une intégration numérique rapide. On a ensuite construit un filtre magnétique à bande passante sur la rigidité verticale de coupure magnétique avec fonction de correction basée sur l’indice Kp pour prendre en compte les effets du bouclier magnétique terrestre sur les particules avant leur entrée dans l’atmosphère. Le modèle de l’atmosphère utilisé ici est le modèle américain standard d’atmosphère de 1976. Plusieurs modèles du rayonnement cosmique galactiques ont été utilisés pour construire le modèle. L’activité solaire a été incluse pour déterminer les paramètres spécifiques au modèle du rayonnement cosmique galactique. On a tenu compte des décroissements de Forbush grâce aux données fournies par les installations de surveillance des neutrons.

La recherche a résulté en un logiciel rapide appelé CARI-7, dont les résultats se comparent favorablement avec des mesures expérimentales ainsi que des résultats de doses calculés par d’autres chercheurs. De plus, les résultats obtenus ont permis de montrer les manquements caractéristiques résultant de modèles d’averses de rayonnement cosmique galactique qui n’incluent pas explicitement les effets magnétiques locaux sur les distances de parcours des particules et leur directions. Enfin, on a déterminé que la superposition, une approximation fréquemment utilisée pour les calculs modernes des doses reliées aux vols en haute altitude, augmente quelque peu les taux de dose effective pour des altitudes inférieures à 16.3 km, mais diminue beaucoup ces taux pour des altitudes supérieures, pour lesquelles on constate une ionisation accrue due aux ions lourds du rayonnement cosmique galactique primaire et les grandes valeurs de leurs facteurs de pondération résultent en des taux de dose effective estimés aussi élevés que 76 Sv . h-1.