Az űrdozimetria célja és jelentősége

A földfelszínen bennünket folyamatosan érő természetes ionizáló sugárzás (háttérsugárzás) részben földi, részben égi eredetű. Az égi eredetű összetevő az ún. kozmikus sugárzás, ami egyrészt a csillagközi térből (galaktikus kozmikus sugárzás), másrészt a Napból (szoláris kozmikus sugárzás) származik.

A sugárvédelemben az ionizáló sugárzás mennyiségét a dózissal jellemzik. A fizikai vagy más néven elnyelt dózis a sugárzás energiájának az a hányada, melyet az anyag egységnyi tömege elnyel. A sugárzás egészségkárosító hatásánál figyelembe kell venni az egységnyi úthosszon leadott energia nagyságát (ezt nevezik lineáris energiaátadási tényezőnek – LET), valamint az egyes szervek sugárérzékenységét is; az eredmény az effektív dózisegyenérték.

A földfelszínen kettős „védőpajzs” alatt élünk. A Föld mágneses tere a kozmikus sugárzás töltött részecskéit eltéríti, mintegy befogja, létrehozva a Föld körüli sugárzási övezeteket; ezek az alacsony Föld körüli pályán (LEO) keringő űrhajókat, űrállomásokat is védik. A védőpajzs másik eleme a légkör, amely a maradék kozmikus sugárzás nagy részét is elnyeli. A légkör védő hatása űrhajók, űrállomások esetében teljesen hiányzik, ezen felül a kozmikus sugárzás felső légkörrel, illetve az űrhajó szerkezeti elemeivel való kölcsönhatása másodlagos sugárzást (például fékezési röntgen-, neutronsugárzást) hoz létre, így azok fedélzetén a dózisterhelés a földinek ötven–százszorosa is lehet. Az űrállomások belső terében a sugárzási kép igen bonyolult, időben és térben nagyon változó. Napkitörések idején a sugárzási szint jelentősen megnőhet, és az asztronauták űrséta alatt is fokozott sugárterhelésnek vannak kitéve.

Az igen nagy költséggel kiképzett űrhajósok aktív pályafutásának mindinkább csak dózisterhelésük korlátja szab határt. Ezért alapvető fontosságú az űrállomások különböző pontjain történő folyamatos dózismérés (dózistérképezés), illetve az űrhajósok dózisterhelésének állandó nyomon követése (személyi dozimetria).

Részvétel az Interkozmosz együttműködésben

A magyar űrkutatás első évtizedeinek a szocialista országok Interkozmosz együttműködése adott keretet, a magyar fejlesztésű űrműszerek szovjet hordozóeszközökön repültek. A magyar űrtevékenységet kezdetben az Űrkutatási Kormánybizottság, később az MTA Interkozmosz Tanácsa koordinálta. Az űrdozimetriai programok hazai gazdája az MTA Központi Fizikai Kutató Intézetének (KFKI) Sugárvédelmi Osztálya lett.

A Sugárvédelmi Osztályon már a 60-as években megkezdték egy nagyon korszerű, ún. termolumineszcens dózismérésen (TLD) alapuló rendszer fejlesztését. A TLD-k passzív szilárdtestdetektorok, tápellátást nem igényelnek. Szervetlen egykristályok, melyekben ionizáló sugárzás hatására a töltéshordozók egy része magasabb energiaállapotba kerül. Ha a TL-anyagot felhevítjük, akkor a töltéshordozók fénykibocsátás kíséretében visszatérnek eredeti állapotukba. A kibocsátott fénymennyiség széles tartományban arányos az „összegyűjtött” dózissal. A dózis kiolvasása általában laboratóriumban, bonyolult és nagyméretű berendezéssel történik. A Sugárvédelmi Osztályon megszületett modern, sorozatban gyártott kiolvasó berendezést a moszkvai Orvosbiológiai Problémák Intézete (IMBP) rendszeresen használta a szovjet űrhajósok dózisának mérésére. Ez az intézet azóta folyamatosan, az ESA-együttműködésekben is a magyar kutatók állandó partnere.

Az űrutazások időtartamának növekedésével a TL-módszer korlátai egyre nyilvánvalóbbá váltak. A kiolvasók mérete és tömege miatt a dózismérőket csak az űrrepülés végén, a Földön tudták kiolvasni, rendszeres dóziskiolvasásra a fedélzeten nem volt mód. A 70-es évek végén, az első magyar űrrepülés kísérleti programjának keretében, a KFKI-ban elkészült egy világviszonylatban egyedülálló, űrben is használható új TL dózismérő rendszer, mely a Pille nevet kapta. A BME Alkalmazott Kémiai Tanszékén kifejlesztett TL-kristályokat üvegfalú vákuumbúrákba, fűtőlemezkére ragasztották (ezeket később a Tungsram Rt. sorozatban gyártotta), a búrákat pedig a könnyű kezelhetőség érdekében ún. kulcsokba építették. Méréskor a kulcsot mindössze a kisméretű, kisfogyasztású kiolvasó berendezés nyílásába kell helyezni és elfordítani; a mérés automatikusan megtörténik, annak végén a dózisértéket a kiolvasó kijelzőjéről le lehet olvasni. Farkas Bertalan a Szaljut–6 fedélzetén sikeresen felavatta a Pillét; ekkor nyílt először lehetőség űrhajósok személyi dózisának tetszés szerinti időpontban történő fedélzeti meghatározására (1. kép). A Pille a magyar űrhajós visszatérése után is az űrben maradt, a műszert – és annak továbbfejlesztett példányait – rendszeresen használták a Szaljut–7 és a Mir űrállomáson is. 1984-ben Sally Ride, a NASA első női űrhajósa a Pille egy módosított változatával a Challenger amerikai űrrepülőgépen végzett igen sikeres méréssorozatot.

1. kép • Farkas Bertalan a Pillével mér

a Szaljut–6 űrállomás fedélzetén

Paradigmaváltás a 90-es években

A 90-es évek elején Magyarországon és a környező országokban alapvető politikai, társadalmi és gazdasági változások történtek; a szocialista tábor megszűnésével az Interkozmosz együttműködés is véget ért. A magyar űrkutatás koordinálását az Interkozmosz Tanácstól a Magyar Űrkutatási Szervezet (MŰT, ŰTT) végrehajtó szerve, a Magyar Űrkutatási Iroda (MŰI) vette át. A nemzetközi együttműködés sokkal szélesebb körben, kétoldalú és sokoldalú megállapodások keretében folyt tovább. 1991-ben Magyarország – a kelet-közép-európai országok közül elsőként – űrkutatási együttműködési megállapodást írt alá az ESA-val, majd a következő években más országok, köztük Oroszország űrügynökségével. Hazánk csatlakozott az ESA-nak a kis országok űrtevékenységét támogató PRODEX programjához, majd 2003-ban az ESA Európai Együttműködő Állam (ECS) Megállapodáshoz, mely a teljes jogú ESA-tagság „előszobája” volt. Magyarország 2015-ben végül az ESA teljes jogú tagjává válik. A hazai űrkutatási programok finanszírozása a 90-es évek eleje óta pályázati rendszer alapján történik.

A 90-es évek elején, az OMFB (Országos Műszaki Fejlesztési Bizottság) támogatásával – az MTA KFKI Atomenergia Kutatóintézet (AEKI), az MTA Energiatudományi Kutatóközpont jogelődje Űrdozimetriai Laboratóriumában, a BL-Electronics Kft. közreműködésével – megkezdődött egy új generációs, mikroprocesszoros vezérlésű Pille fejlesztése. A mérésvezérlés, jelfeldolgozás és adattárolás alapvetően megváltozott. A dózismérő kulcsba épített memóriachip segítségével a dózismérő automatikusan azonosítható, és a kiolvasó a kiértékelésnél figyelembe veszi az adott dózismérő egyedi tulajdonságait; ezáltal a mérési pontosság jelentősen megnőtt. A Pille összes belső paramétere – a kífűtési hőmérséklet profiljától a fotoelektron-sokszorozó nagyfeszültségéig – külső számítógépről beállítható. A kiolvasó egy benne hagyott dózismérőt meghatározott időközönként automatikusan ki tud olvasni. A mérési eredményeket – a dózismérő azonosítójával és a kiolvasás időbélyegével együtt – szabványos, kihúzható és cserélhető memóriakártyán tárolja, azok személyi számítógéppel egyszerűen feldolgozhatók. A kiolvasó kezelését és beállítását menürendszer segíti.

Az új Pille prototípusa 1994-re készült el. Ez idő tájt látogatott a MŰI-be együttműködési lehetőségeket keresve dr. Heinz Oser, az ESA űrélettani kutatásainak koordinátora. Megtetszett neki a Pille, és támogatta, hogy az ESA-nak 1995-ben az EUROMIR’95 expedíció keretében a Mir űrállomásra felküldendő űrhajósa azt használja. A Pille operátora az ESA német űrhajósa, Thomas Reiter lett, aki hét hónapon keresztül azzal számos mérést végzett, sőt űrsétára is kivitte. Feltérképezte a Mir-en belüli dózisviszonyokat, automatikus óránkénti kiolvasással megmérte a Föld körüli kozmikus sugárzási tér helyfüggését; ilyen jellegű mérést TL-dózismérővel még nem végeztek.

Az EUROMIR’95 kísérlettel szinte egy időben az Űrdozimetriai Csoport elnyerte a NASA amerikai űrhajósa által a Mir űrállomáson végrehajtandó, új űrbiológiai kísérletekre meghirdetett pályázatát, célként többek között megjelölve az űrséta járulékos dózisának meghatározását egy módosított Pille segítségével. Az új amerikai űrruhák készítésénél a Pille dózismérők elhelyezésére külön zsebeket alakítottak ki. Ezzel a Pillével két amerikai űrhajós 1997-ben fél éven át végzett méréseket az űrállomáson belül és az űrséták során.

Magyar dózismérő eszközök
a Nemzetközi Űrállomáson

Pille az ISS-en • A Mir űrállomást időközben felváltotta a közel húsz nemzet közreműködésével épült Nemzetközi Űrállomás (ISS – International Space Station). A NASA, az ESA, valamint az Orosz Űrkutatási Ügynökség (RKA) is nagyfokú érdeklődését fejezte ki egy termolumineszcens dózismérésen alapuló operatív sugárvédelmi ellenőrző rendszer iránt az ISS fedélzetére, amely a Pille berendezésen alapul. A nemzetközi együttműködési szerződések aláírása nyomán ‒ Magyarországnak az űrállomáshoz való hozzájárulásaként ‒ az Űrdozimetriai Csoport a BL-Electronics Kft. közreműködésével, hazai pályázati forrásból kifejlesztette és elkészítette a Pille ISS-re adaptált változatát. Megváltozott a kiolvasó ún. kezelői felülete, így használata sokkal egyszerűbbé vált. A mérési adatok, melyeket addig a visszatérő űrhajósok memóriakártyán hoztak a Földre, részben automatikusan, távadatközléssel is lejuttathatók az űrállomásról (2. kép).

2. kép • Az ISS-re készített Pille kiolvasó

egy dózismérő kulccsal

A Pillének az ISS amerikai szegmensére készített példányát – amellyel alapvetően a biológiai kísérleti objektumok által elszenvedett dózist szándékoztak mérni – 2001 márciusában vitte fel egy űrsikló az űrállomásra. A NASA az ISS biológiai laborjának kiépítését és működtetését a költségvetés kurtítása miatt hamarosan leállította, de az ESA a Pillét kölcsönvette, és azzal a DOSMAP nemzetközi kísérletében egy NASA-űrhajós négy és fél hónapon keresztül több, mint 1700 sikeres fedélzeti mérést hajtott végre (3. kép). A nemzetközi együttműködésben, különböző típusú dózismérőkkel végrehajtott kampány feladata részben azok mérési adatainak összehasonlítása, részben az ISS amerikai szegmensén (Destiny) belüli dózisviszonyok feltérképezése volt. (Az ESA Columbus modulja ekkor még nem volt készen.) A NASA kutatói a – csak fizikai dózis mérésére alkalmas – Pille detektorokat a dózisegyenérték meghatározását (csak utólagos, földi kiértékelés után) lehetővé tevő nyomdetektorokkal egészítették ki.

3. kép • Jim Voss NASA-űrhajós a Pillével mér

az ISS Destiny moduljában

Az ISS orosz szegmensére (Zvezda) a Pille kissé módosított változatát egy Progressz teherűrhajóval 2003 augusztusában szállították fel. Ez a kiolvasó készülék egy interfészen keresztül közvetlenül kapcsolódhat az űrállomás orosz adatgyűjtő rendszerhez. A Pille a Zvezdán az ún. dozimetriai szolgálati rendszer része, az űrhajósok egészségvédelmének eszköze. Az űrállomás különböző pontjaira kihelyezett dózismérőket havi rendszerességgel olvassák ki; űrséták alatt minden esetben mérik a járulékos dózist, és egy, a kiolvasóban lévő dózismérővel 90 percenként (ennyi az ISS keringési ideje) végeznek automatikus, nagyfelbontású méréseket. Rendkívüli eseményekkor, mint például extrém nagy napkitörések idején az űrhajósok dózisterhelését napi kétszeri kiolvasással követik nyomon.

4. kép • A Pille dózismérő számára kialakított zseb az Orlan űrruhán

5. kép • Charles Simonyi az ISS-en mér a Pillével

Az „orosz” Pille immár tizenkét éve mér folyamatosan, számos expedíció űrhajósai által üzemeltetve, azokat kiszolgálva. Ez idő alatt több mint negyvenhétezer sikeres mérést végzett; Pille dózismérőket valamennyi nemzet űrsétát végző asztronautái minden űrsétára visznek magukkal (4. kép). A Pillét az ISS mindegyik moduljában, a hozzá kapcsolódó emberes és teherűrhajókban használták dózistérképezésre, részese nemzetközi, többek között az ESA részvételével folyó fedélzeti dózismérő programoknak. Igen értékes, egyedi méréseket végzett vele mindkét űrrepülése során Charles Simonyi magyar származású űrturista (5. kép).

Nyomdetektoros mérések

A TLD-k hátránya, hogy elsősorban csak a gamma- és protonsugárzásra érzékenyek; a nagy energialeadású (>10 keV/μm) részecskéket és a neutronokat nem detektálják, és nem adnak információt a sugárzási komponensek LET-értékéről sem, így az effektív dózis kiszámítására nem alkalmasak. A >10 keV/μm LET-értékű ionizáló sugárzás detektálására és LET-értékük mérésére jellemzően egy másik típusú szilárdtestdetektort, az ún. nyomdetektort használják. A polikristályos műanyag lapkákban az elektromosan töltött részecskék ionizáció révén rombolt zónákat hoznak létre, melyek magukon viselik a részecskék tulajdonságait. Ezeket a kb. 10 nm átmérőjű, de néha cm hosszúságú rombolt zónákat megfelelő kémiai eljárással el lehet távolítani és olyan méretre felnagyítani, hogy optikai mikroszkóppal is megfigyelhetők (6. kép). A KFKI AEKI Űrdozimetriai Csoportjában a 90-es évek végén kifejlesztettek egy kombinált passzív detektorcsomagot (stack), mely mindkét fajta szilárdtestdetektort tartalmazza (1. ábra). Összecsomagolt állapotban a stack 4,5 × 6 cm² területű, 5 mm vastag és 18 g tömegű. Ez az összetétel és a speciális kiértékelő technika lehetővé teszi a kozmikus sugárzás szinte minden komponensének vizsgálatát, mérését. Hátránya viszont, hogy a mérési eredmények kiértékelése csak a Földön, bonyolult laboratóriumi munkával végezhető el.

6. kép • Az ISS-en korábban exponált nyomdetektor egy kis felületdarabkájáról 400-szoros nagyítás mellett készített felvétel

1. ábra • Kombinált passzív detektorcsomag felépítése

Az első űrhajósok 2000. október 31-én léptek az akkor még csak két orosz és egy amerikai egységből álló Nemzetközi Űrállomás fedélzetére. Ők telepítették a KFKI AEKI első passzív detektorrendszereit a Zvezda modul hat pontjában, 2001 februárjában. Ahogy az űrállomás bővült, úgy jelentek meg az egyes modulokban a KFKI AEKI (2012-től MTA EK) újabb és újabb detektoregységei. Az elmúlt 15 évben ilyen detektorokat harminc különféle összeállításban küldtek fel az ISS-re nemzetközi programok keretében, melyeket általában orosz szervezésben, de nemzetközi, köztük ESA-részvétellel valósítottak meg:

• Brados, SPD (dózistérképezés és munkahelyi dozimetria az ISS orosz szegmenseiben, 2001–2008, 2010–);

• Matrjoska (kozmikus sugárzás dóziseloszlásának vizsgálata emberszerű fantom belsejében az ISS-en kívül, ill. annak különböző szegmenseiben, 2004–2011) (7. kép);

• DOSIS (dozimetria az ISS Columbus moduljában, majd adatfeldolgozás, melynek végső célja egy, az ISS egészét felölelő, mindenki által felhasználható dozimetriai adatbázis létrehozása, 2009–);

• Foton, Bion (visszatérő műholdakban a biológiai kísérletekhez sugárdozimetriai mérési adatok szolgáltatása, 2005–);• BioTrack, Phoenix (biológiai vizsgálatok passzív doziméterek támogatásával az ISS Pirs moduljában, 2010–2015);

• Orosz kozmonauták dózisterhelésének vizsgálata az IMBP-vel közösen kialakított személyi dózismérővel, mely TLD- és SSNTD-detektorokat tartalmaz;

• Háromtengelyű félvezető detektoros teleszkóp – TRITEL

7. kép • A Matrjoska emberszerű fantom

szerelése az ISS fedélzetén (DLR)

2. ábra • A TRITEL háromtengelyű teleszkóp geometriai felépítése

Az elmúlt évtizedben egy olyan – a kozmikus sugárzás LET-eloszlásának időbeli és térbeli meghatározására alkalmas – háromtengelyű részecsketeleszkóp (TRITEL) fejlesztése történt az MTA EK Űrdozimetriai Kutatócsoportjában a BL-Electronics Kft.-vel együttműködve, mellyel mind az elnyelt dózis, mind a kozmikus sugárzás biológiai károsító hatására jellemző dózisegyenérték akár 10 perces időfelbontásban becsülhető. A részecsketeleszkóp felépítése a 2. ábrán látható.

8. kép • A TRITEL detektor egységének belseje

9. kép • A TRITEL RS detektora és központi egysége az ISS Zvezda moduljában

A korábban a világűrben alkalmazott félvezető detektoros teleszkópokhoz képest a detektoregységből (8. kép), az ahhoz kapcsolódó, miniszámítógépre épülő központi egységből és egy passzív dózismérő csomagból álló TRITEL rendszer nagy előnye, hogy a három, egymásra merőleges tengelyű detektorpárjának köszönhetően a tér bármely irányából érkező részecskékre közel egyforma érzékenységű. A három irányban történő mérésekkel továbbá – bizonyos mértékig – a kozmikus sugárzási tér anizotrópiájának a vizsgálatára is lehetőség nyílik. A TRITEL-kísérlet első ízben 2012 második felében jutott fel az ISS fedélzetére, ahol 2013 májusáig végeztek vele méréseket az ESA Columbus moduljában. Hasonló összeállítás működött az ISS Zvezda moduljában 2013. április és július között (9. kép).
 

Kulcsszavak: kozmikus sugárzás, sugárdózis, dózismérés, űrdozimetria, ISS
 

IRODALOM

Apáthy István – Deme S. – Fehér I. – Akatov, Yu. A. – Reitz, G. – Arkhangelsky, V. V. (2002): Dose Measurements in Space by the Hungarian Pille TLD System. Radiation Measurements. 35, 381–391. DOI: 10.1016/S1350-4487(02)00071-9

Apáthy István – Akatov, Yu. A. – Arkhangelsky, V. V. – Bodnár L. – Deme S. – Fehér I. – Kaleri, A. – Padalka, I. – Pázmándi, T. – Reitz, G. – Sharipov, S. (2007): TL Dose Measurements on Board the Russian Degment of the ISS by the “Pille” System during Expedition-8, -9 and -10. Acta Astronautica. 60, 322–328. DOI: 10.1016/j.actaastro.2006.09.037 • WEBCÍM

Fehér István – Deme S. – Szabó B. – Vágvölgyi J. – Szabó P. P. – Csőke A. – Ránky M. – Akatov, Yu. A. (1981): A New Thermoluminescent Dosimeter System for Space Research. Advances in Space Research. 1, 61–66. DOI: 10.1016/0273-1177(81)90244-1

Pálfalvi József – Szabó J. – Eördögh I. (2010): Detection of High Energy Neutrons, Protons and He Particles by Solid State Nuclear Track Detectors. Radiation Measurements. 45, 10, 1568–1573. DOI: 10.1016/j.radmeas.2010.06.053

Pázmándi Tamás – Deme S. – Láng E. (2006): Space Dosimetry with the Application of a 3D Silicon Detector Telescope: Response Function and Inverse Algorithm. Radiation Protection Dosimetry. 120, 401–404. DOI: 10.1093/rpd/nci539