Messungen der Neutronenproduktion in Abschirmmaterialien und Untersuchung der radiobiologischen Auswirkungen von Sekundärstrahlung

Abstract

Das Ziel des Vorhabens war die Entwicklung eines Konzepts für ein integrales biophysikalisches Benchmarking-Experiment, das auf die Gegebenheiten der Hochenergiebestrahlungsanlage des Helmholtz-Zentrums GSI in Darmstadt optimiert wurde. Das Konzept des Benchmarking-Experiments bestand aus zwei Teilen: (I) die Bewertung biologischer (zytogenetischer) Schäden, die durch das gestreute Sekundärstrahlungsfeld hinter dicken Abschirmmaterialien entstehen, sowie (II) die Vermessung der gemischten Strahlungsfelder mit kernphysikalischen Detektorsystemen. In dem Experiment kam ein hochenergetischer Eisen-56-Ionenstrahl zum Einsatz. Dieser diente als Strahl der Primärteilchen, die im massiven Target vollständig abgebremst wurden. Ein solcher Eisen-56-Ionenstrahl ist eine gute laborbasierte Annäherung an die Weltraumstrahlung. In der ersten Phase des Vorhabens wurde eine Machbarkeitsstudie mit Aluminium als Referenzmaterial durchgeführt, das in der Raumfahrtindustrie weit verbreitet ist. Dieses wurde später durch Mondregolithsubstitut ergänzt. Mit dieser Versuchsanordnung wurde eine massive Abschirmung eines Habitats auf der Mondoberfläche imitiert. Die experimentelle Strahlzeit wurde dem Projektteam durch erfolgreiche Anträge im Rahmen der ESA-geförderten Forschungsprogramme IBER (Investigations into Biological Effects of Radiation) und IBPER (Investigations into Biological and Physical Effects of Radiation) zur Verfügung gestellt. Mithilfe der neu gewonnenen Messdaten konnte eine systematische Benchmark-Studie der in der Weltraum-Strahlenschutz-Community gängigen Strahlungstransport-Simulationscodes (MCNP, FLUKA, Geant4 und PHITS) durchgeführt werden. Diese Simulationscodes dienen als Basis für die Abschätzung der Strahlenbelastung von Astronauten in verschiedenen Szenarien (Raumschiff, Habitat etc.). Diese Simulationscodes zeigen weiterhin einen großen Bedarf an neuen, hochqualitativen Messdaten für Validierung und Benchmarking. Parallel dazu wurden die schädlichen Auswirkungen der Sekundärstrahlung auf die DNA in einem strahlenbiologischen Experiment abgeschätzt. Mithilfe einer hochauflösenden Färbetechnik konnten die Chromosomenschäden quantifiziert werden. Es konnten erste Zusammenhänge zwischen den strahlenbiologischen und kernphysikalischen Teilen des Gesamtmesskonzepts abgeleitet werden. Mithilfe des neu entwickelten Messkonzepts, können Simulationscodes der Weltraum-Strahlenschutz-Community sowie neuartige Abschirmungsmaterialien in Zukunft effektiver getestet werden. Das Vorhaben 50WB2125 wurde durch die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. gefördert. The project aimed to develop an integrated biophysical benchmarking experiment optimized for the conditions at the high-energy irradiation facility at the Helmholtz Centre GSI in Darmstadt. The benchmarking experiment consisted of two parts: (i) evaluating biological (cytogenetic) damage caused by scattered secondary radiation behind thick shielding materials; and (ii) measuring mixed radiation fields with nuclear physics detector systems. The experiment used a high-energy Fe-56 ion beam. This served as the beam of primary particles, which were completely absorbed by the massive target. It is assumed that the iron ion beam is a good laboratory-based approximation of the space radiation environment. In the first phase of the project, a feasibility study was conducted using aluminium, a material widely used in the space industry, as a reference material. This was later supplemented with a lunar regolith substitute. This experimental setup was used to simulate the shielding of a lunar habitat. The project team was granted access to experimental beam time at GSI through successful applications under the ESA-funded research programmes IBER (Investigations into Biological Effects of Radiation) and IBPER (Investigations into Biological and Physical Effects of Radiation). The newly acquired measurement data enabled a systematic benchmark study of radiation transport simulation codes commonly used in the space radiation protection community, such as MCNP, FLUKA, Geant4 and PHITS. These simulation codes form the basis for estimating radiation exposure for astronauts in various scenarios (e.g. spacecraft and habitats). However, these codes continue to demonstrate the need for new, high-quality experimental data for validation and benchmarking. In parallel, a radiation biology experiment estimated the harmful effects of secondary radiation on DNA. Chromosome damage was quantified using a high-resolution staining technique. The initial correlations between the radiation biology and nuclear physics components of the overall measurement concept could then be derived. The newly developed measurement concept of a biophysical benchmarking experiment will facilitate the testing of the performance of simulation codes from the space radiation protection community and novel space radiation shielding shielding materials in future.