Transport calculations and accelerator experiments needed for radiation risk assessment in space

The major uncertainties on space radiation risk estimates in humans are associated to the poor knowledge of the biological effects of low and high LET radiation, with a smaller contribution coming from the characterization of space radiation field and its primary interactions with the shielding and the human body. However, to decrease the uncertainties on the biological effects and increase the accuracy of the risk coefficients for charged particles radiation, the initial charged-particle spectra from the Galactic Cosmic Rays (GCRs) and the Solar Particle Events (SPEs), and the radiation transport through the shielding material of the space vehicle and the human body, must be better estimated. Since it is practically impossible to measure all primary and secondary particles from all possible position-projectile-target-energy combinations needed for a correct risk assessment in space, accurate particle and heavy ion transport codes must be used. These codes are also needed when estimating the risk for radiation induced failures in advanced microelectronics, such as single-event effects, etc., and the efficiency of different shielding materials. It is therefore important that the models and transport codes will be carefully benchmarked and validated to make sure they fulfill preset accuracy criteria, e.g. to be able to predict particle fluence, dose and energy distributions within a certain accuracy. When validating the accuracy of the transport codes, both space and ground based accelerator experiments are needed. The efficiency of passive shielding and protection of electronic devices should also be tested in accelerator experiments and compared to simulations using different transport codes. In this paper different multi-purpose particle and heavy ion transport codes will be presented, different concepts of shielding and protection discussed, as well as future accelerator experiments needed for testing and validating codes and shielding materials.

ZusammenfassungDie größten Unsicherheiten für Strahlenrisikoabschätzungen bei einem Aufenthalt im Weltraum ergeben sich aus den noch wenig untersuchten biologischen Effekten von Niedrig- und Hoch-LET-Strahlung. Kleinere Unsicherheiten resultieren auch aus der Zusammensetzung des Strahlungsfeldes im interplanetaren Raum und dessen Wechselwirkungen mit Abschirmmaterialien und dem menschlichen Körper selbst. Um die Risikoabschätzungen für die interplanetaren Strahlungsfelder zu verbessern müssen die biologischen Effekte besser verstanden werden. Dazu müssen nicht nur die Energiespektren der kosmischen Strahlung galaktischen Ursprungs (GCRs) und der Strahlung infolge von solaren Teilcheneruptionen (SPEs), sondern auch der Strahlungstransport durch die Abschirmung von Raumschiffen und dem menschlichen Körper besser abgeschätzt werden können. Es ist praktisch unmöglich alle Primär- und Sekundärteilchen für alle im Prinzip möglichen Kombinationen von Lokalisation, Teilchenart, Targetmaterial und Energie zu messen welche für eine korrekte Abschätzung des Strahlenrisikos für Astronauten notwendig wären. Deswegen spielt der Einsatz präziser Teilchentransport- Simulationen eine zentrale Rolle für Risikoabschätzungen. Solche Transportsimulationen werden auch dazu verwendet Strahlenschäden in elektronischen Schaltungen und die Effizienz verschiedener Abschirmmaterialien abzuschätzen. Es ist deswegen wichtig die eingesetzten Modelle und Transportprogramme sorgfältig zu verifizieren. Die Präzision des berechneten Teilchenflusses und der berechneten Dosis- und Energieverteilungen müssen innerhalb vorher festgelegter Schranken liegen. Zur Verifizierung der Transportrechnungen werden nicht nur Experimente verwendet die direkt im interplanetaren Raum durchgeführt wurden, sondern auch Beschleunigerexperimente auf der Erde. Auch die Effizienz von Abschirmmaterialien und elektronischen Schaltungen soll in Beschleunigerexperimenten getestet und die Messungen mit den jeweiligen Simulationen verglichen werden. In diesem Beitrag werden verschiedene Teilchentransport-Simulationsprogramme vorgestellt, Es werden verschiedene Abschirm- und Strahlenschutzstrategien diskutiert und die dazu notwendigen Beschleunigerexperimente vorgestellt.