1

宇宙線被ばくの影響

佐藤 達彦（原子力機構）

2018/11/16 保物セミナー2018@大阪科学技術センター

共同研究者

片岡龍峰（極地研） 塩田大幸（NICT） 久保勇樹（NICT） 石井守（NICT） 保田浩志（広島大学） 三宅晶子（茨城高専） 三好由純（名古屋大学） 上野遥（JAXA） 永松愛子（JAXA)

科研費新学術領域・太陽地球圏環境予測：PSTEP（http://pstep.jp）

2

発表内容

1. 宇宙線被ばくの概要

2. 太陽静穏時の被ばく線量評価法

3. 太陽フレア時の被ばく線量評価法

4. まとめ

SEPを観測するためには？

航空機高度における被ばく線量評価方法

衛星軌道における被ばく線量評価方法

空気シャワーシミュレーション

計算モデル開発と被ばく線量評価

3

大気圏内での宇宙線被ばく線量は，通常，太陽起源と銀河起源，どちらが多い？

１．太陽起源 ２．銀河起源

太陽活動度が高くなると，大気圏内の宇宙放射線強度は？

１．上がる ２．変わらない ３．下がる

航空機高度（高度12kmくらい）では，宇宙線被ばく線量は地表面と比べてどれくらい高い？

１．10倍 ２．100倍 ３．1000倍

航空機乗務員の被ばく線量が有意に上昇するような太陽フレアの発生頻度は？

１．数ヶ月に１回 ２．数年に１回 ３．数１０年に1回

そのときに支配的に寄与する1次放射線は？

１．陽子 ２．電子 ３．X線

質問

4

地球近傍の宇宙線環境

太陽風（陽子・電子などの

プラズマ状態）

巨大太陽フレア＋CMEに伴う太陽高エネルギー粒子（SEP）（希に～数GeV）

銀河宇宙線（11年周期）陽子・重イオン（数100MeV～1020eV）

捕捉電子（～数MeV）捕捉陽子（～150MeV）

電磁波（可視光含む）

5

太陽静穏時と大規模フレア時の宇宙線被ばく線量の概算値

宇宙線被ばくの概要

被ばく形態 太陽静穏時 大規模フレア時

宇宙飛行士（船外活動中）

約1 mSv/day銀河宇宙線（GCR），捕捉陽子，捕捉電子（皮膚と水晶体のみ）

最大 数Sv陽子(E>2MeV)，電子(E>1MeV)

→確定的影響が生じる

宇宙飛行士（ISS滞在中）

約0.5 mSv/day銀河宇宙線，捕捉陽子

最大 数100 mSv陽子(E>100MeV)

航空機搭乗者 約 0.1 mSv/東京・NY往復銀河宇宙線（主に２次中性子）

最大 数 mSv陽子(E>100MeV)

公衆（極域・0km）

約 0.3 mSv/y銀河宇宙線（主に２次μ粒子）

最大 数 μSv陽子(E>500MeV)

太陽静穏時：線量限度値を急に超える心配はない → 事後評価 大規模フレア時：線量限度値を急に超える可能性有り → 予測が重要

100MeV以上の太陽高エネルギー粒子(Solar Energetic Particle, SEP）フラックスをイベント発生からできるだけ早く予測することが重要

6

法令による航空機乗務員の被ばく管理

国際放射線防護委員会(ICRP)航空機被ばくは職業被ばくと90年勧告で認定

各国の規制当局線量管理目標値やその評価指針などを決定

日本では …• 文部科学省放射線審議会が2006年にガイドラインを策定

航空会社• 航路線量計算コードを用いて銀河宇宙線による乗務員の年間被ばく線量を評価

JISCARD（放医研＋原研）

• 太陽フレアについては，2006年以降，巨大イベントなし

年間線量管理目標値 (5 mSv/year)を設定

「太陽フレアについては，宇宙天気予報など可能な予測手段なども利用することにより適切な対応を図ること」と明記

→ We are Lucky!

JAXAが定義したISS搭乗宇宙飛行士の生涯実効線量制限値

7

初めて宇宙飛行を行った年齢

男性の制限値 女性の制限値

27～30歳 0.6 Sv 0.5 Sv

31～35歳 0.7 Sv 0.6 Sv

36～40歳 0.8 Sv 0.65 Sv

41～45歳 0.95 Sv 0.75 Sv

46歳以上 1.0 Sv 0.8 Sv

JAXA国際宇宙ステーション搭乗宇宙飛行士被ばく管理規程（2013年6月26日改正）

http://iss.jaxa.jp/med/research/radiation/regulation/

8

発表内容

1. 宇宙線被ばくの概要

2. 太陽静穏時の被ばく線量評価法

3. 太陽フレア時の被ばく線量評価法

4. まとめ

SEPを観測するためには？

航空機高度における被ばく線量評価方法

衛星軌道における被ばく線量評価方法

空気シャワーシミュレーション

計算モデル開発と被ばく線量評価

9

太陽静穏時における被ばく線量評価法

放射線挙動解析モンテカルロコードPHITS

大気圏内宇宙線スペクトル計算モデルEXPACS

航路線量計算プログラムJISCARD

銀河宇宙線に対する空気シャワーシミュレーション

緯度・経度・高度・年月日から宇宙線フラックス導出

２空港間の航路線量を自動計算

日本の航空会社による乗務員被ばく線量管理に利用

PHITS http://phits.jaea.go.jp/ EXPACS http://phits.jaea.go.jp/expacs/ JISCARD http://www.jiscard.jp/

公衆の宇宙線被ばく線量評価に利用

PHITSの概要Particle and Heavy Ion Transport code System

PHITSとは？

任意の体系中における様々な放射線の挙動を、核反応モデルや核データを用いて模擬するモンテカルロ計算コード

適用例

加速器遮へい設計 放射線防護・治療評価 宇宙・地球惑星科学

10http://phits.jaea.go.jp/

入手方法• PHITS講習会に参加する → 全国各地で年10回以上開催 （無料）• RISTの原子力コードセンターに依頼する（国内ユーザー，手数料13,176円）• OECD/NEA DatabankもしくはRSICCに依頼する（国外ユーザー）

国内外3,000名以上のユーザーが様々な目的で利用

11

PHITS計算結果の例

個々の放射線挙動を乱数を用いて模擬することにより，全体的な挙動（平均値）を導出

137Cs から放出された100,000個の光子の挙動を模擬

12

銀河宇宙線による空気シャワーシミュレーション

太陽圏外（LIS)フラックス

太陽風による減衰

地磁気による減衰

大気モデル

地球モデル

高度・地磁気強度・太陽活動度の関数として大気圏内の中性子・陽子・α・μ± ・γ・e±フラックスを計算

PHITS

大気＋地球モデル

DLRモデル: E < 1 TeV, Z ≦ 28 (Ni)

シミュレーション条件

Force Field Formalism + 中性子モニタ計数率

Vertical cut-off rigidity + 双極子磁場

US standard Atmosphere 1976 (~86km)

SiO2, Al2O3, H2O（水分含有量を変化）

13

計算結果①：中性子フラックス

アメリカにおける測定値との比較 日本における測定値との比較

10–8 10–4 100 1040

0.0004

0.0008

0

0.05

0.1

0.15d = 218 g/cm2 (~11.28 km)rc = 12 GVsmin

Exp. (Nakamura et al.)

Simulation

0

0.01

0.02

d = 558 g/cm2 (~4.88km)rc = 12 GVsmin

Neutron Energy (MeV)

Neu

tron

Flu

x (c

m–2

s–1le

thar

gy–1

)

d = 1025 g/cm2 (ground level)rc = 10 GVsmax

10–8 10–4 100 1040

0.0005

0.001

0.0015

0

0.5

1

1.5 d = 101 g/cm2 (~16.0 km)rc = 0.7 GVsmin

Exp. (Goldhagen et al.)

Simulation

0

0.2

0.4

d = 201 g/cm2 (~11.8km)rc = 4.3 GVsmin

Neutron Energy (MeV)

Neu

tron

Flu

x (c

m–2

s–1le

thar

gy–1

)

d = 1030 g/cm2 (ground level)rc = 2.7 GVsmin

14

世界各地（左）及び気球を使って測定した陽子フラックス（垂直方向）との比較

計算結果②：陽子フラックス

102 103 10410−10

10−8

10−6

102 103 104 10510−10

10−8

10−6

10−4

Proton Energy (MeV)

Ver

tical

Flu

x (c

m−

2s−

1sr

−1M

eV−

1)

This

105 g/cm2Work Mochiutti

(B)

165 g/cm2

312 g/cm2

446 g/cm2

678 g/cm2

885 g/cm2

rc = 4.3 GV

Proton Energy (MeV)

Ver

tical

Flu

x (c

m−

2s−

1sr

−1M

eV−

1)

This

Sanuki 2770m 11.2GV

Barber 2750m 5.6GVKocharian 3200m 7.6GV

Work Exp.

(A)

Diggory 65m 2.5GV

15

CAPRICE（左）及びBESS（右）実験で測定したミューオンフラックス（垂直方向）との比較

計算結果③：ミューオンフラックス

102 103 104 105

10−10

10−8

10−6

102 103 104 105

10−10

10−8

10−6

Muon Energy (MeV)

Ver

tical

Flu

x (c

m−

2s−

1sr

−1M

eV−

1)

Flux

ThisWork Exp

Sanuki et al.

2770m 11.2 GV

Haino et al.

30m 11.4 GV

(B)

Flux * 0.1

Muon Energy (MeV)

Ver

tical

Flu

x (c

m−

2s−

1sr

−1M

eV−

1)

Flux

ThisWork

Kremeret al.

1270m 4.3 GV360m 0.4 GV

(A)

Flux * 0.1

16

大気中の電子・陽電子(左）及び光子（右）フラックス

計算結果④：電子，陽電子，光子フラックス

17

発表内容

1. 宇宙線被ばくの概要

2. 太陽静穏時の被ばく線量評価法

3. 太陽フレア時の被ばく線量評価法

4. まとめ

SEPを観測するためには？

航空機高度における被ばく線量評価方法

衛星軌道における被ばく線量評価方法

空気シャワーシミュレーション

計算モデル開発と被ばく線量評価

18

導出方法•高度： 0～64kmまで28条件•地磁気強度： Vertical Cut-off Rigidity 0～20 GVまで21条件•太陽活動度： W index (～黒点数) 0～200まで5条件•放射線の種類： 中性子・陽子・イオン（～Ni）・μ±・e±・光子の34種類

大気圏内宇宙線スペクトルを関数化

合計28×21×5×34＝99,960条件に対する宇宙線スペクトルの系統性を解析

*太陽フレア時を除く

3 2

10 10 5B 1 4 7 10 9 10 11 102

2 2 8 10 1210 6

log ( ) log ( )( ) exp exp log 1 tanh log 1 tanh log

2 log ( )

cE cE E E E E

E c c c c cc c c c cc

T. Sato PLOS ONE 10(12): e0144679 (2015), T. Sato PLOS ONE 11(8): e0160390

PHITS-based Analytical Radiation Model in the Atmosphere

10 G 1 2 10 4 103 5

log ( , ) log 1 tanh log( ) ( )

E Ef E w g g g

g w g w

関数系（例）

フリーパラメータ： モンテカルロ計算結果を最小自乗フィッティングして決定

大気中任意地点・時間*における宇宙線スペクトルを高精度かつ迅速に計算可能

大気圏内宇宙線スペクトル迅速計算モデルPARMA

100 101 102 103 104 105

10−8

10−6

10−4

10−2

100

エネルギー (MeV)

フラ

ックス

(cm

−1s−

1M

eV−

1)

PHITS

東京上空 12km光子中

性子

電子＋

陽電子

陽子

粒子

ヘリウム

100 101 102 103 104 105

10−10

10−8

10−6

10−4

10−2

エネルギー (MeV)

フラッ

クス

(cm

−1s−

1M

eV−

1)

PHITS

東京 地表面 光子中

性子

電子＋陽電子

陽子

粒子

ヘリウム

19

PHITSと数学モデルによる結果の比較

太陽活動極小期の東京地表面及び上空12kmにおける宇宙線スペクトル

100 101 102 103 104 105

10−8

10−6

10−4

10−2

100

エネルギー (MeV)

フラ

ックス

(cm

−1s−

1M

eV−

1)

PHITS数学モデル

東京上空 12km光子中

性子

電子＋

陽電子

陽子

粒子

ヘリウム

100 101 102 103 104 105

10−10

10−8

10−6

10−4

10−2

エネルギー (MeV)

フラッ

クス

(cm

−1s−

1M

eV−

1)

PHITS数学モデル

東京 地表面 光子中

性子

電子＋陽電子

陽子

粒子

ヘリウム

大気圏内の任意の場所・時間における宇宙線強度をモンテカルロ計算と同等の精度で迅速に計算可能とした

大規模計算 大規模計算PHITS PHITS

http://phits.jaea.go.jp/expacs/ 20

EXcel-based Program for calculating Atmospheric Cosmic-ray Spectrum

入力欄•高度

•緯度・経度•年月

•周辺環境

出力欄宇宙線スペクトル

（グラフ）

出力欄

各放射線別の被ばく線量率

出力欄宇宙線スペクトル

（数値データ）

Web上で一般公開

EXPACSの開発

21

東京上空における宇宙線被ばく線量率の高度依存性

大気圏内宇宙線被ばく線量の高度依存性

0 500 1000

10–2

100

大気圧 (g/cm2)

宇宙

線被

ばく

線量

率 (

uSv/

h)合計

中性子

陽子

e±

光子

μ±

α

中性子線量率測定値1,2)

PHITS

0 500 1000

10–2

100

大気圧 (g/cm2)

宇宙

線被

ばく

線量

率 (

uSv/

h)合計

中性子

陽子

e±

光子

μ±

α

中性子線量率測定値1,2)

PHITS

簡易計算式

1) T. Nakamura et al., (2005) 2) M. Kowatari et al., (2005)

航空機高度では地表面の約100倍の宇宙線被ばく線量地表面では，μ粒子による寄与が支配的

PARMA

22

高度11kmにおける現在の宇宙線被ばく線量率地図（from JISCARD1) ）

地域（地磁気強度）依存性

1) http://www.nirs.go.jp/research/jiscard/index.shtml 2) http://reat.space.qinetiq.com/septimess/magcos/

（各地点における地磁気強度はMAGNETOCOSMIC2)より計算）

23

過去３０年間における黒点数と東京上空高度11kmにおける宇宙線被ばく線量率の時間変化

時間（太陽活動周期）依存性

1980 1990 20001.6

1.8

2

0

100

200

年

宇宙線被

ばく線量率

(S

v/h)

月平均黒点数（

Wol

f数）月平均黒点数（右軸）

被ばく線量率（左軸）

現在の宇宙線被ばく線量率は数ヶ月前の太陽活動強度に影響を受ける

黒点数と宇宙線被ばく線量率は負の相関関係 → 数ヶ月程度の位相差がある

24

公衆・航空機乗務員の年間宇宙線被ばく線量

T. Sato, Sci. Rep. 6, 33932 (2016)

地表面における宇宙線被ばく線量率

国・地域別の公衆年間宇宙線被ばく線量

順位 国名 (mSv/年)

1 ボリビア 0.81

153 日本 0.27

210 シンガポール 0.23

平均値(mSv/年)

最大値(mSv/年)

パイロット 1.68 3.79

客室乗務員 2.15 4.24

日本航空機乗務員の年間被ばく線量

保田 Isotope News, 2009年7月号

標高が高い方が高い

極域の方が高い

世界平均は0.32mSvで従来の想定より16%低い

管理目標値５ｍSv/年を下回ることを確認

25

発表内容

1. 宇宙線被ばくの概要

2. 太陽静穏時の被ばく線量評価法

3. 太陽フレア時の被ばく線量評価法

4. まとめ

SEPを観測するためには？

航空機高度における被ばく線量評価方法

衛星軌道における被ばく線量評価方法

空気シャワーシミュレーション

計算モデル開発と被ばく線量評価

26

SEPを観測するには？ ①太陽観測

「ひので」によるX線観測（国立天文台/JAXA/MSU）

太陽観測で見えるのは可視光やX線など SEP（高エネルギー陽子）を直接捉えることはできない

27

SEPを観測するには？ ②衛星観測

GOES衛星で測定した陽子及びX線フラックス

X線と陽子フラックスの時間変動は必ずしも一致しない 被ばく評価で重要となる高エネルギーSEPの観測精度は高くない

6 7 8 9 10 11 1210−2

100

102

10−6

10−4

10−2

Day (Sep. 2017)

Pro

ton

flu

x (c

m−

2 s−

1 sr−

1 )

X−

ray

flux

(W m

−2 )

Proton (E>100MeV)

X−ray (0.1 − 0.8 nm)

28

SEPを観測するには？ ③地上観測

大気圏内で発生する2次中性子を計測するモニタが世界各地に整備

GOESでSEP増加が観測されても地上には影響がない場合が多い むしろ，Furbush decreaseにより被ばく線量は下がる 極めて大量のSEPが来た場合のみ中性子モニタ計数率が上がる

→ Ground Level Enhancement (GLE) 発生

http://www.nmdb.eu/

6 7 8 9 10 11 126000

6500

7000

Day (Sep. 2017)

Co

un

t ra

te (

/min

)

Oulu stationにおける計数率

Forbush decrease GLE

http://cosmicrays.oulu.fi/

29

SEPを観測するには？ ④線量モニタ

航空機には線量モニタは常時搭載されていない

航空機を用いた被ばく線量計測実験結果はいくつかあるが，SEPにより被ばく線量が上昇した結果は数例しかない

原子炉等で使用される放射線モニタは，感度が低いためバックグランドの微妙な変動を計測することはできない

地上では原子炉などの周辺で線量が常時モニタリングされている

（京大原子炉）

航空機高度における被ばく線量はモデルにより推定する必要がある

30

発表内容

1. 宇宙線被ばくの概要

2. 太陽静穏時の被ばく線量評価法

3. 太陽フレア時の被ばく線量評価法

4. まとめ

SEPを観測するためには？

航空機高度における被ばく線量評価方法

衛星軌道における被ばく線量評価方法

空気シャワーシミュレーション

計算モデル開発と被ばく線量評価

31

各国のSEP被ばく評価コードの比較

AVIDOSNAIRAS WASAVIES

NAIRAS AVIDOS WASAVIES

開発機関 NASA ESA (SeibersdorfLaboratories)

All Japan (NIPR, NICT, JAEA, Nagoya U. etc.)

入射フラックス GOES GOES 中性子モニタ＋GOES

空気シャワー 決定論的モデル（HZETRN）

モンテカルロ（FLUKA）

モンテカルロ（PHITS）

Now- or Forecast Nowcast Nowcast Nowcast + Forecast

自動計算システム あり あり なし

32

WASAVIESの特徴

従来モデル

GOES陽子データから航空機高度の被ばく線量を推定

中性子モニタ計数率から航空機高度の被ばく線量を推定

PSTEPで開発中のモデル

GOES陽子データと中性子モニタ計数率の両方から航空機高度の被ばく線量を推定（内挿）

GLEの初期段階は現況推定，ピークを過ぎれば予測も可能

１つのデータからモデルを使って外挿するイメージ

２つのデータからモデルを使って内挿するイメージ

物理モデル*をベースとしているため

*Kataoka et al. Space Weather (2014), Kubo et al. EPS (2015)

33

SEP被ばくを特徴付ける４つのパラメータ

• 太陽近傍でのSEP加速の時間構造（Injection Profile，IP）

• 太陽近傍でのSEPのべき（γ）

• 磁気圏への南北方向に対する入射角度（θt）

• 磁気圏に入射するSEPフラックスの絶対値（N0）

SEPが入射角θで磁気圏に突入してくると仮定（θt=0だと軌道面に並行）

SEP発生（IP，γ）

磁気圏入射（θ，C）

これらのパラメータをGOESと中性子モニタ計数率から決定

34

開発したアルゴリズム

GOES 陽子フラックス E>100 MeV: ΦG 中性子モニタ計数率（１３ステーション）

自動ダウンロード（５分間隔）

磁気圏入射SEPフラックス, Φ1AU,IP,γ(t, E0, φ)

Tsyganenko-89に基づく磁気圏内反陽子追跡モデル

中性子モニタ計数率RNM,i(Ei)

各IP, θt, γに対して，現在の計数率を最も再現する規格化定数N0を最小二乗法で決定

各γに対して，GLE開始から現在までの計数率を最も再現するIP, θtを決定

空気シャワーシミュレーションデータベース, REAS,i(E0, Ei, h)

決定したN0, IP, θを用いてTOAにおけるフラックスを計算しΦGを最も再現するγを決定

1-D focused transport equation

SEP mode

磁気圏透過SEPのピッチ角分布, PG,O,Kp,θt(E0, φ)

その日の太陽活動度を計算

銀河宇宙線モデルPARMA

銀河宇宙線による世界各地の被ばく線量を計算

GCR mode日付変更？GLE発生?

YesYes

各IP, θt, γに対して，各ステーションの計数率の相対値を計算

決定したN0, IP, θt, γを用いて世界各地の被ばく線量を計算（現在＋未来）

フルエンスから実効線量への換算係数, RED,i(Ei)

粒子・重イオン輸送計算コード: PHITS

: リアルタイム解析 : モデルもしくは計算コード : データもしくはデータベース

35

中性子モニタ計数率の再現性

6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

2000

4000

60006 8 10 12 14 16 18 20 22 24

0

1000

2000

3000 McMurdo

2 4 6

6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500Inuvik

2 4 6

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24100

150

200

250Thule

2 4 6

2 4 6UT (h) on 2005/1/21

6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

200

400

600

800Oulu

2 4 6

UT (h) on 2005/1/20

Cou

nt r

ate

(cps

)

South Pole MeasuredCalculated

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24250

300

350

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

120

140Thule

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24180

200

220

240Inuvik

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

100

120Newark

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

200

300

Apatity

UT (h) on 2006/12/13

Cou

nt r

ate

(cps

)

McMurdoMeasuredCalculated

GLE69 GLE70

世界各地の中性子モニタ計数率の計算値と測定値の比較

36

GOES陽子フラックスの再現性

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24100

101

102

103

6 8 10 12 14 16 18 20 22 2410

1

102

103

104

2 4 6UT (h) on 2005/1/21

Exp

= 7.0 = 6.5 = 6.0 = 5.5 = 5.0 = 4.5

Best fit

UT (h) on 2005/1/20

GLE 69

UT (h) on 2006/12/13

Exp

= 7.0 = 6.5 = 6.0 = 5.5 = 5.0 = 4.5

Best fit

GLE 70

GO

ES

Pro

ton

flu

x (E

>1

00

Me

V)

(/cm

2/s

/sr)

GOES陽子フラックス（衛星軌道）＆中性子モニタ（地上），ともによく再現→ 航空機高度における計算精度を保証

37測定値を驚くほどよく再現！

航空機実験結果の再現性

8 12 16 200

5

10

0

5

10

8 12 16 200

10

20

0

5

10

Dos

e R

ate

(S

v/h)

or

(G

y/h)

Alti

tude

(km

)

Dose rate (ACREM)Dose rate (cal., Dair + 2 x EGCR−neutron)

AltitudeDose rate (cal., Dair)

(A) FRA−DFW

UT(h) on 2001/4/15

Dos

e R

ate

(G

y/h) Dose rate (LIULIN)

Dose rate (cal., Dair)

Alti

tude

(km

)

Altitude

(B) PRG−JFK

GLE60時の２航路(Frankfurt-Dallas & Prague-New York)における被ばく線量

Bartlett et al. (2002)

Spurny and Dachev(2002)GLE started

38

航空機高度の被ばく線量（GLE69）

航空機高度（12km）におけるSEP瞬間最大線量は400μSv/h 航空機高度（12km）におけるSEP積算最大線量は200μSv程度

→ 通常の東京-ニューヨーク往復の2倍程度

6 8 10 12 14 16 18 20 22 2410−4

10−2

100

102

2 4 6UT (h) on 2005/1/21

20 km12 km5 km2 km

0 km

SEP

20 km12 km5 km2 km0 km

GCR

UT (h) on 2005/1/20

Eff

ect

ive

do

se r

ate

(S

v/h

)

GLE69時のGCR及びSEPによる最大被ばく線量の時間変化（Nowcast）

39

航空機高度宇宙線被ばく線量マップ

GLE69ピーク時（2005/1/20 UT18:00）の高度12kmにおける被ばく線量

40

特定航路上の宇宙線被ばく線量マップ

GLE69ピーク時（2005/1/20 UT18:00）の東京・ロンドン標準的な航路上における被ばく線量率

41

航空機高度の被ばく線量（GLE69）（Forecast）

Start timeまでの情報を使って，その後の時間変化を予測した結果 Forecast ≒ Nowcast → 物理モデルの正しさを証明

6 8 10 12 14100

101

102

103

UT (h) on 2005/1/20

Eff

ectiv

e do

se r

ate

(S

v/h)

6:507:007:107:30

Nowcast8:009:00

starting atForecast

42

航空機高度の被ばく線量（GLE70）（Forecast）

時間と共に最適なγ（スペクトルのベキ）が変化するため，Nowcastデータを再現していない → 物理モデル改良の必要性を示唆

2 4 6 8 1010

−1

100

101

UT (h) on 2006/12/13

Eff

ectiv

e do

se r

ate

(S

v/h)

2:503:003:103:30

Nowcast

4:005:30

starting atForecast

43

発表内容

1. 宇宙線被ばくの概要

2. 太陽静穏時の被ばく線量評価法

3. 太陽フレア時の被ばく線量評価法

4. まとめ

SEPを観測するためには？

航空機高度における被ばく線量評価方法

衛星軌道における被ばく線量評価方法

空気シャワーシミュレーション

計算モデル開発と被ばく線量評価

44

太陽高エネルギー粒子（SEP）宇宙空間で引き起こす問題

宇宙飛行士の放射線被ばく

シングルイベントアップセットによる衛星搭載機器の誤作動

様々な衛星軌道におけるSEPフラックスの現況が分かれば運用に役立つ

予報ができれば，なお素晴らしい

45

拡張したアルゴリズム

GOES proton fluxes above 100 MeV: ΦGOES Count rates of 13 neutron monitorsAutomatic download at intervals of 5 min

SEP fluxes at 1 AU,Φ1AU,IP,γ(t, E0, φ)

Particle trace model based on Tsyganenko-89

Response function of NM, RNM,i(Ei)

Response function of EAS simulation, REAS,i(E0, Ei, h)

1-D focused transport equation

SEP mode

Probability density of pitch angle, PG,O,Kp,θt(E0, φ)

GCR model in the atmosphere: PARMA

Calculate GCR fluxes and dose rates in the atmosphere

GCR modeEnd of a dayGLE occurs?

YesYes

Calculate SEP fluxes and dose rates in the atmosphere, Dj(t,h)

Effective dose conversion coefficient, RED,i(Ei)

GCR model at 1 AU developed by DLR

Calculate GCR fluxes at 1 AU, ΦGCR,1AU,j(Ej)

Calculate geomagnetic transmission function, TS,Kp,j (tc,Ej)

Response function of particle fluence in satellite, RS,ji(Ej, Ei)

Response function for converting particle fluence to various kinds of doses, RD,i(Ei)

Calculate probability density of pitch angle, PS,Kp,θt(E0, φ) for best-fit θt

Calculate SEP flux outside satellite, ΦSEP,Sout(tc,E0)

TLE data of satellite

Calculate SEP flux inside satellite, ΦSEP,Sin(tc, E0)

Calculate SEP dose rates inside satellite, DSEP,Sin(tc)

Calculate GCR flux outside satellite, ΦGCR,Sout(tc,E0)

Calculate GCR flux inside satellite, ΦGCR,Sin(tc,E0)

Calculate GCR dose inside satellite, DGCR,Sin(tc)

: Real-time analysis procedure : Model or code : Data or databaseBlue line: used for the original WASAVIESRed line: newly implemented for WASAVIES-EO

Kp

Calculate best-fit IP, θt, γ, and N0

Particle and heavy ion transport code system: PHITS

Calculate force-field potential of the day

通常のWASAVIES解析が完了した後，衛星軌道データを使って地球軌道モードの解析を開始

46

Virtual ISS

きぼうモジュール内はラックの構造まで反映 それ以外のモジュールは重さのみ調整 与圧部など様々な場所における応答関数をPHITSで計算

永松さん（JAXA）らが中心となって開発したVirtual ISSモデル

47

精度検証①

GCR成分はほぼ完璧に再現 SEP成分はやや過小評価するもののよく再現 捕捉陽子（SAA）に関してはモデルで考慮していないので再現できない

16 18 20 22 24

100

102

2 4 6UT (h) on 2001/4/16

GLE 60

SAA

UT (h) on 2001/4/15

Do

se r

ate

(G

y/h

)

Exp.

DSEP(tc)DSEP(tc) + DGCR(tc)

SAA

GLE60時にISS US Laboratoryに搭載したSi線量計（DOSTEL）測定結果との比較

48

精度検証②

SEP線量を過大評価 低エネルギー（E>80MeV）の単純外挿に起因？ それとも遮蔽厚の違い？

GLE72時にISS Columbus Moduleに搭載したSi線量計（DOSTEL）測定結果との比較

2 4 6 8 10 12 14 16

100

102

UT (h) on 2017/9/11

Do

se r

ate

(G

y/h

)

Exp.

DSEP(tc)DSEP(tc) + DGCR(tc)

GLE 72

SAA

49

全被ばく線量はGLEピーク時のISS軌道に大きく

依存する

GLE69及びGLE70時における航空機高度（南極上空）とISSきぼうモジュール内

の被ばく線量率

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24100

101

102

103

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24100

101

102

103

2 42005/1/21UT (h) on 2005/1/20

Do

se r

ate

(S

v/h

) o

r (

Gy/

h)

Effective dose at flight altitude (Sv/h)

RBM dose equivalent in ISS (Sv/h)

RBM dose in ISS (Gy/h)

GLE69

UT (h) on 2006/12/13

Do

se r

ate

(S

v/h

) o

r (

Gy/

h) Effective dose at flight altitude (Sv/h)

RBM dose equivalent in ISS (Sv/h)RBM dose in ISS (Gy/h)

GLE70

被ばく線量評価結果：Nowcast

GLE69は回避 GLE70は直撃

50

絶対値はファクターでずれるものの，線量が上がるタイミングは予想できるため，被ばく

対策に役立つ

GLE69及びGLE70時における航空機高度（南極上空）とISSきぼうモジュール内

の被ばく線量率（GLE検出20分後か

ら予測開始）

被ばく線量評価結果：Forecast

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2410

0

101

102

103

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24100

101

102

103

2 42005/1/21UT (h) on 2005/1/20

Do

se r

ate

(S

v/h)

or

(G

y/h

)

Effective dose at flight altitude (Sv/h)

RBM dose equivalent in ISS (Sv/h)

RBM dose in ISS (Gy/h)

GLE69

UT (h) on 2006/12/13

Do

se r

ate

(S

v/h

) or

(G

y/h

) Effective dose at flight altitude (Sv/h)RBM dose equivalent in ISS (Sv/h)RBM dose in ISS (Gy/h)

GLE70

51

発表内容

1. 宇宙線被ばくの概要

2. 太陽静穏時の被ばく線量評価法

3. 太陽フレア時の被ばく線量評価法

4. まとめ

SEPを観測するためには？

航空機高度における被ばく線量評価方法

衛星軌道における被ばく線量評価方法

空気シャワーシミュレーション

計算モデル開発と被ばく線量評価

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まとめ

宇宙線被ばく線量評価は，太陽物理，宇宙天気，原子核物理，保健物理など様々な研究分野の知見を統合して初めて可能となる

太陽静穏時のモデルは既に完成し，航空機乗務員被ばく線量管理や公衆の宇宙線被ばく線量評価など様々な目的で応用されている

太陽フレア時のモデルは，現在，リアルタイムで情報を発信するWebシステムを開発中で，今年度中にNICT宇宙天気情報センターのサービスの一環として公開予定

あとはフレアが発生するのを待つのみ！

53

関連論文

PARMA/EXPACSの開発

PARMAを用いた公衆の被ばく線量評価

• T. Sato, PLOS ONE 10(12): e0144679 (2015)• T. Sato, PLOS ONE 11(8): e0160390 (2016)

• R. Kataoka et al. Space Weather 16, 917-923 (2018)

• T. Sato, Sci. Rep. 6: 33932 (2016)

WASAVIESモデル開発• R. Kataoka et al. Space Weather 12, 380-386 (2014)• T. Sato et al. Space Weather 16, 924-936 (2018)

WASAVIESによる2017年9月イベント解析結果