ISO 20785-1:2020
(Main)Dosimetry for exposures to cosmic radiation in civilian aircraft — Part 1: Conceptual basis for measurements
Dosimetry for exposures to cosmic radiation in civilian aircraft — Part 1: Conceptual basis for measurements
This document specifies the conceptual basis for the determination of ambient dose equivalent for the evaluation of exposure to cosmic radiation in civilian aircraft and for the calibration of instruments used for that purpose.
Dosimétrie pour l'exposition au rayonnement cosmique à bord d'un avion civil — Partie 1: Fondement théorique des mesurages
Le présent document spécifie les principes de base permettant de déterminer l'équivalent de dose ambiant pour l'évaluation de l'exposition au rayonnement cosmique à bord d'un avion civil, ainsi que pour l'étalonnage des instruments utilisés à cette fin.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 20785-1
Third edition
2020-07
Dosimetry for exposures to cosmic
radiation in civilian aircraft —
Part 1:
Conceptual basis for measurements
Dosimétrie pour l'exposition au rayonnement cosmique à bord d'un
avion civil —
Partie 1: Fondement théorique des mesurages
Reference number
©
ISO 2020
© ISO 2020
All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may
be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting
on the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address
below or ISO’s member body in the country of the requester.
ISO copyright office
CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva
Phone: +41 22 749 01 11
Email: copyright@iso.org
Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2020 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
3.1 General terms . 1
3.2 Quantities and units . 2
3.3 Atmospheric radiation field . 4
4 General considerations . 6
4.1 The cosmic radiation field in the atmosphere . 6
4.2 General calibration considerations for the dosimetry of cosmic radiation fields in
aircraft . 7
4.2.1 Approach . 7
4.2.2 Considerations concerning the measurement . 7
4.2.3 Considerations concerning the radiation field . 8
4.2.4 Considerations concerning calibration . 8
4.2.5 Simulated aircraft fields . 9
4.3 Conversion coefficients . 9
5 Dosimetric devices .10
5.1 Introduction .10
5.2 Active devices .10
5.2.1 Devices to determine all field components .10
5.2.2 Devices for low LET/non-neutron .11
5.2.3 Devices for high-LET/neutron component .12
5.3 Passive devices .13
5.3.1 General considerations .13
5.3.2 Etched track detectors .14
5.3.3 Fission foil detectors .14
5.3.4 Superheated emulsion neutron detectors (bubble) detectors .14
5.3.5 Thermoluminescent detectors.15
5.3.6 Photoluminescent detectors .15
Annex A (informative) Representative particle fluence rate energy distributions for
the cosmic radiation field at flight altitudes for solar minimum and maximum
conditions and for minimum and maximum vertical cut-off rigidity .16
Bibliography .22
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following
URL: www .iso .org/ iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 85, Nuclear energy, nuclear technologies,
and radiological protection, Subcommittee SC 2, Radiation protection.
This third edition cancels and replaces the second edition (ISO 20785-1:2012), which has been
technically revised. The main changes are as follows:
— revision of the terms and definitions;
— updated references.
A list of all the parts in the ISO 20785 series can be found on the ISO website.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
iv © ISO 2020 – All rights reserved
Introduction
Aircraft crews are exposed to elevated levels of cosmic radiation of galactic and solar origin and
secondary radiation produced in the atmosphere, the aircraft structure and its contents. Following
recommendations of the International Commission on Radiological Protection (ICRP) in Publication
[1] [2]
60 , confirmed by Publication 103 , the European Union (EU) introduced a revised Basic Safety
[3] [4]
Standards Directive and International Atomic Energy Agency (IAEA) issued a revised Basic Safety
Standards. Those standards included exposure to natural sources of ionizing radiation, including cosmic
radiation, as occupational exposure. The EU Directive requires account to be taken of the exposure of
aircraft crews liable to receive more than 1 mSv per year. It then identifies the following four protection
measures:
a) to assess the exposure of the crew concerned;
b) to take into account the assessed exposure when organizing working schedules with a view to
reducing the doses of highly exposed crews;
c) to inform the workers concerned of the health risks their work involves; and
d) to apply the same special protection during pregnancy to female crews in respect of the "child to be
born" as to other female workers.
The EU Council Directive has already been incorporated into laws and regulations of EU Member States
and is being included in the aviation safety standards and procedures of the Joint Aviation Authorities
and the European Air Safety Agency. Other countries such as Canada and Japan have issued advisories
to their airline industries to manage aircraft crew exposure.
For regulatory and legislative purposes, the radiation protection quantities of interest are the
equivalent dose (to the foetus) and the effective dose. The cosmic radiation exposure of the body is
essentially uniform and the maternal abdomen provides no effective shielding to the foetus. As a
result, the magnitude of equivalent dose to the foetus can be set equal to that of the effective dose
received by the mother. Doses on board aircraft are generally predictable, and events comparable to
unplanned exposure in other radiological workplaces cannot normally occur (with the rare exceptions
of extremely intense and energetic solar particle events). Personal dosimeters for routine use are not
considered necessary. The preferred approach for the assessment of doses of aircraft crews, where
necessary, is to calculate directly the effective dose per unit time, as a function of geographic location,
altitude and solar cycle phase, and to combine these values with flight and staff roster information to
obtain estimates of effective doses for individuals. This approach is supported by guidance from the
[5] [6]
European Commission and the ICRP in Publications 75 and 132 .
The role of calculations in this procedure is unique in routine radiation protection and it is widely
accepted that the calculated doses should be validated by measurement. The effective dose is not
directly measurable. The operational quantity of interest is ambient dose equivalent, H*(10). In order
to validate the assessed doses obtained in terms of effective dose, calculations can be made of ambient
dose equivalent rates or route doses in terms of ambient dose equivalent, and values of this quantity
determined from measurements. Traceability should be provided for a reasonable number of particle
types and energies of the atmospheric radiation field, corrections included for differences between the
calibration fields and the total atmospheric radiation field, and related uncertainties properly taken
into account. The validation of calculations of ambient dose equivalent for a particular calculation
method may be taken as a validation of the calculation of the effective dose by the same computer code,
but this step in the process may need to be confirmed. The alternative is to establish a priori that the
operational quantity ambient dose equivalent is a good estimator of effective dose and equivalent dose
to the foetus for the radiation fields being considered, in the same way that the use of the operational
quantity personal dose equivalent is justified for the estimation of effective dose for ground-based
radiation workers.
The radiation field in aircraft at altitude is complex, with many types of ionizing radiation present, with
energies ranging up to many GeV. The determination of ambient dose equivalent for such a complex
radiation field is difficult. In many cases, the methods used for the determination of ambient dose
equivalent in aircraft are similar to those used at high-energy accelerators in research laboratories.
Therefore, it is possible to recommend dosimetric methods and methods for the calibration of dosimetric
devices, as well as the techniques for maintaining the traceability of dosimetric measurements to
national standards. Dosimetric measurements made to evaluate ambient dose equivalent should be
performed using accurate and reliable methods that ensure the quality of readings provided to workers
and regulatory authorities. This document gives a conceptual basis for the characterization of the
response of instruments for the determination of ambient dose equivalent in aircraft.
Requirements for the determination and recording of the cosmic radiation exposure of aircraft
crews have been introduced into the national legislation of EU Member States and other countries.
Harmonization of methods used for determining ambient dose equivalent and for calibrating instruments
is desirable to ensure the compatibility of measurements performed with such instruments.
This document is intended for the use of primary and secondary calibration laboratories for ionizing
radiation, by radiation protection personnel employed by governmental agencies, and by industrial
corporations concerned with the determination of ambient dose equivalent for aircraft crews.
vi © ISO 2020 – All rights reserved
INTERNATIONAL STANDARD ISO 20785-1:2020(E)
Dosimetry for exposures to cosmic radiation in civilian
aircraft —
Part 1:
Conceptual basis for measurements
1 Scope
This document specifies the conceptual basis for the determination of ambient dose equivalent for the
evaluation of exposure to cosmic radiation in civilian aircraft and for the calibration of instruments
used for that purpose.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at http:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1 General terms
3.1.1
calibration
operation that, under specified conditions, establishes a relation between the conventional quantity,
H , and the indication, G
Note 1 to entry: A calibration can be expressed by a statement, calibration function, calibration diagram,
calibration curve, or calibration table. In some cases, it can consist of an additive or multiplicative correction of
the indication with associated measurement uncertainty.
Note 2 to entry: Calibration should not be confused with adjustment of a measuring system, often mistakenly
called "self-calibration", or with verification of calibration.
Note 3 to entry: Often, the first step alone in the above definition is perceived as being calibration.
3.1.2
response
response characteristic
R
quotient of the indication, G, or the corrected indication, G , and the conventional quantity value to be
corr
measured
Note 1 to entry: To avoid confusion, it is necessary to specify which of the quotients, given in the definition of
the response (to G or to G ) is applied. Furthermore, it is necessary, in order to avoid confusion, to state the
corr
quantity to be measured, for example: the response with respect to fluence, R , the response with respect to
Φ
kerma, R , the response with respect to absorbed dose, R .
K D
Note 2 to entry: The reciprocal of the response under the specified conditions is equal to the calibration
coefficient N
coeff.
Note 3 to entry: The value of the response can vary with the magnitude of the quantity to be measured. In such
cases the detector assembly's response is said to be non-constant.
Note 4 to entry: The response usually varies with the energy and direction distribution of the incident
radiation. It is, therefore, useful to consider the response as a function, R(E,Ω), of the radiation energy, E, and
of the direction, Ω of the incident monodirectional radiation. R(E) describes the "energy dependence" and R(Ω)
the "angle dependence" of response; for the latter, Ω may be expressed by the angle, α, between the reference
direction of the detector assembly and the direction of an external monodirectional field.
3.2 Quantities and units
3.2.1
particle fluence
fluence
Φ
number, dN, at a given point in space, of particles incident on a small spherical domain, divided by the
cross-sectional area, da, of that domain:
dN
Φ=
da
−2 −2
Note 1 to entry: The unit of the fluence is m ; a frequently used unit is cm .
Note 2 to entry: The energy distribution of the particle fluence, Φ , is the quotient, dΦ, by dE, where dΦ is
E
the fluence of particles of energy between E and E+dE. There is an analogous definition for the direction
distribution, Φ , of the particle fluence. The complete representation of the double differential particle fluence
Ω
can be written (with arguments) Φ (E,Ω), where the subscripts characterize the variables (quantities) for
E,Ω
differentiation and where the symbols in the brackets describe the values of the variables. The values in the
brackets are needed for special function values, e.g. the energy distribution of the particle fluence at energy
E = E is written as Φ (E ). If no special values are indicated, the brackets may be omitted.
0 E 0
3.2.2
particle fluence rate
fluence rate
Φ
rate of the particle fluence (3.2.1) expressed as
dΦ d N
Φ ==
dt ddat⋅
where dΦ is the increment of the particle fluence during an infinitesimal time interval with duration dt.
−2 −1 −2 −1
Note 1 to entry: The unit of the fluence rate is m s , a frequently used unit is cm s .
3.2.3
absorbed dose
D
for any ionizing radiation,
dε
D=
dm
where dε is the mean energy imparted by ionizing radiation to an element of irradiated matter of mass
dm
Note 1 to entry: In the limit of a small domain, the mean specific energy is equal to the absorbed dose.
−1
Note 2 to entry: The unit of absorbed dose is J kg , with the special name gray (Gy).
2 © ISO 2020 – All rights reserved
3.2.4
kerma
K
for indirectly ionizing (uncharged) particles, the mean sum of the initial kinetic energies dE of all the
tr
charged ionizing particles liberated by uncharged ionizing particles in an element of matter, divided by
the mass dm of that element:
dE
tr
K=
dm
Note 1 to entry: Quantity dE includes the kinetic energy of the charged particles emitted in the decay of excited
tr
atoms or molecules or nuclei.
−1
Note 2 to entry: The unit of kerma is J kg , with the special name gray (Gy).
3.2.5
dose equivalent
H
at the point of interest in tissue,
HD= Q
where
D is the absorbed dose;
Q is the quality factor at that point, and
∞
HQ= ()LD dL
L
∫
L=0
Note 1 to entry: Q is determined by the unrestricted linear energy transfer, L (often denoted as L or LET), of
∞
charged particles passing through a small volume element (domains) at this point (the value of L is given for
∞
charged particles in water, not in tissue; the difference, however, is small). The dose equivalent at a point in tissue
is then given by the above formula, where D = dD/dL is the distribution in terms of L of the absorbed dose at the
L
point of interest.
[2]
Note 2 to entry: The relationship of Q and L is given in ICRP Publication 103 (ICRP, 2007) .
−1
Note 3 to entry: The unit of dose equivalent is J kg , with the special name sievert (Sv).
3.2.6
lineal energy
y
quotient of the energy, ε , imparted to the matter in a given volume by a single energy deposition event,
s
by the mean chord length, l , in that volume:
ε
s
y=
l
−1 −1
Note 1 to entry: The unit of lineal energy is J m , a frequently used unit is keV μm .
3.2.7
dose-mean lineal energy
y
D
expectation
∞
yy= dy()dy
D
∫
where d(y)is the dose probability density of y.
Note 1 to entry: The dose probability density of y is given by d( y), where d( y)dz is the fraction of absorbed dose
delivered in single events with lineal energy in the interval from y to y+dy.
Note 2 to entry: Both the dose-mean lineal energy and distribution d( y) are independent of the absorbed dose or
dose rate.
3.2.8
ambient dose equivalent
H*(10)
dose equivalent (3.2.5) at a point in a radiation field, that would be produced by the corresponding
expanded and aligned field, in the ICRU sphere at 10 mm depth on the radius opposing the direction of
the aligned field
−1
Note 1 to entry: The unit of ambient dose equivalent is J kg with the special name sievert (Sv).
3.2.9
standard barometric altitude
pressure altitude
altitude determined by a barometric altimeter calibrated (3.1.1) with reference to the International
[7]
Standard Atmosphere (ISA) (ISO 2533 , Standard Atmosphere) when the altimeter's datum is set to
1 013,25 hPa
Note 1 to entry: ISO/IEC Directives Part 2 Clause 9 requires ISO documents to use SI units and to conform with
[8]
ISO 80000 so the default should be metres. However, in aviation, the flight level is mostly given as FLxxx, where
xxx is a three-digit number representing multiples of 100 feet of pressure altitude, based on the ISA and a datum
setting of 1013,25 hPa; for instance FL350 corresponds to 35 000 ft or, using 1 foot = 0,304 8 m, 10 668 m.
3.2.10
vertical geomagnetic cut-off rigidity
vertical cut-off
cut-off
rc
minimum magnetic rigidity a vertically incident particle can have and still reach a given location above
the Earth
3.3 Atmospheric radiation field
3.3.1
cosmic radiation
cosmic rays
cosmic particles
ionizing radiation consisting of high-energy particles, primarily completely ionized atoms, of
extra-terrestrial origin and the particles they generate by interaction with the atmosphere and
other matter
3.3.2
primary cosmic rays
cosmic radiation (3.3.1) incident from space at the Earth’s orbit
4 © ISO 2020 – All rights reserved
3.3.3
secondary cosmic radiation
secondary cosmic rays
cosmogenic particles
particles which are created directly or in a cascade of reactions by primary cosmic rays (3.3.2)
interacting, with the atmosphere or other matter
Note 1 to entry: Important particles with respect to radiation protection and radiation measurements in aircraft
are: neutrons, protons, photons, electrons, positrons, muons and, to a lesser extent, pions and nuclear ions
heavier than protons.
3.3.4
galactic cosmic radiation
galactic cosmic rays
GCR
cosmic radiation (3.3.1) originating outside the solar system
3.3.5
solar particles
solar cosmic radiation
solar cosmic rays
cosmic radiation (3.3.1) originating from the Sun
3.3.6
solar particle event
SPE
large fluence rate of energetic solar particles ejected into space by a solar eruption
Note 1 to entry: Solar particle events are directional.
3.3.7
ground level enhancement
GLE
sudden increase of cosmic radiation (3.3.1) observed on the ground by at least two neutron monitor
stations recording simultaneously a greater than 3 % increase in the five-minute-averaged count rate
associated with solar energetic particles
Note 1 to entry: A GLE is associated with a solar-particle event having a high fluence rate of particles with high
energy (greater than 500 MeV).
Note 2 to entry: GLEs are relatively rare, occurring on average about once per year. GLEs are numbered; the first
number being given to that occurring in February 1942.
3.3.8
solar cycle
period during which the solar activity varies with successive maxima separated by an average interval
of about 11 years
Note 1 to entry: If the reversal of the Sun’s magnetic field polarity in successive 11 year periods is taken into
account, the complete solar cycle may be considered to average some 22 years, the Hale cycle.
Note 2 to entry: The sunspot cycle as measured by the relative sunspot number, known as the Wolf number, has
an approximate length of 11 years, but this varies between about 7 and 17 years. An approximate 11 year cycle
has been found or suggested in geomagnetism, frequency of aurora, and other ionospheric characteristics. The u
index of geomagnetic intensity variation shows one of the strongest known correlations to solar activity.
3.3.9
solar maximum
time period of maximum solar activity during a solar cycle (3.3.8), usually defined in terms of relative
sunspot number
3.3.10
solar minimum
time period of minimum solar activity during a solar cycle (3.3.8), usually defined in terms of relative
sunspot number
3.3.11
cosmic radiation neutron monitor
large detector used to measure the time-dependent relative fluence rate of high-energy cosmic radiation
(3.3.1), in particular the secondary neutrons generated in the atmosphere (protons, other hadrons and
muons can also be detected)
Note 1 to entry: Installed worldwide at different locations and altitudes on the ground (and occasionally placed
on ships or aircraft), cosmic radiation neutron monitors are used for various cosmic radiation studies and to
determine solar modulation.
4 General considerations
4.1 The cosmic radiation field in the atmosphere
The primary galactic cosmic radiation (and energetic solar particles) interact with the atomic nuclei of
atmospheric constituents, producing a cascade of interactions and secondary reaction products that
contribute to cosmic radiation exposures that decrease in intensity with depth in the atmosphere from
[9][10] 20
aviation altitudes to sea level . Galactic cosmic radiation (GCR) can have energies up to 10 eV, but
lower energy particles are the most frequent. After the GCRs penetrate the magnetic field of the solar
system, the peak of their energy distribution is at a few hundred MeV to 1 GeV per nucleon, depending
−2,7 15
on solar magnetic activity, and the spectrum follows a power function of the form E eV up to 10 eV;
−3
above that energy, the spectrum steepens to E eV. The fluence rate of GCR entering the solar system is
fairly constant in time, and these energetic ions approach the Earth isotropically.
The magnetic fields of the Earth and Sun alter the relative number of GCR protons and heavier ions
reaching the atmosphere. The GCR ion composition on the fluence basis for low geomagnetic cut-off and
low solar activity is approximately 90 % protons, 9 % He ions, 1 % heavier nuclei; at a vertical cut-off
[11][12]
of 15 GV, the composition is approximately 83 % protons, 15 % He ions, and nearly 2 % heavier ions .
The changing components of ambient dose equivalent caused by the various secondary cosmic radiation
constituents in the atmosphere as a function of altitude are illustrated in Figure 1. At sea level, the
muon component is the most important contributor to ambient dose equivalent and effective dose; at
aviation altitudes, neutrons, electrons, positrons, protons, photons, and muons are the most significant
components. At higher altitudes, nuclear ions heavier than protons start to contribute. Figures showing
representative normalized energy distributions of fluence rates of all the important particles at low
and high cut-offs and altitudes at solar minimum and maximum are shown in Annex A.
The Earth is also exposed to bursts of energetic protons and heavier particles from magnetic
disturbances near the surface of the Sun and from ejection of large amounts of matter (coronal mass
ejections – CMEs) with, in some cases, acceleration by the CMEs and associated solar wind shock waves.
The particles of these solar particle events, or solar proton events (both abbreviated to SPEs), are much
lower in energy than GCR: generally below 100 MeV and only rarely above 10 GeV. SPEs are of short
duration, a few hours to a few days, and highly variable in intensity. Only a small fraction of SPEs, on
average one per year, produce large numbers of high-energy particles, which cause significant dose
rates at high altitudes and low geomagnetic cut-offs and can be observed by neutron monitors on the
ground. Such events are called ground level enhancements (GLEs). For aircraft crews, the cumulative
dose from GCR is far greater than the dose from SPEs. Intense SPEs can affect GCR dose rates by
disturbing the Earth's magnetic field in such a way as to change the galactic particle intensity reaching
the atmosphere.
6 © ISO 2020 – All rights reserved
Key
X altitude (km)
Y ambient dose equivalent rate (μSv/h)
[13]
Conditions: 1 GV cut-off and solar minimum (deceleration potential, ϕ, of 465 MV)
Figure 1 — Calculated ambient dose equivalent rates as function of standard barometric
altitude for high latitudes at solar minimum for various atmospheric cosmic radiation
component particles
4.2 General calibration considerations for the dosimetry of cosmic radiation fields in
aircraft
4.2.1 Approach
The general approach necessary for measurement and calibration is given here. Details of calibration
[14]
fields and procedures are given in ISO 20785-2 .
4.2.2 Considerations concerning the measurement
[15]
Ambient dose equivalent cannot be measured directly by conventional dosimetric techniques . The
experimental determination of ambient dose equivalent for the complex radiation field considered
here (see Figure 1) is particularly difficult. An approximate approach is to use a tissue equivalent
proportional counter (TEPC) to measure dose equivalent to a small mass of tissue, by measuring the
absorbed dose distribution in lineal energy (which is an approximation for LET), with corrections
applied, and directly applying the LET-dependent quality factor. However, this measurement still does
not realize the quantity.
Dosimetry of the radiation field in aircraft requires specialized techniques of measurement and
calculation. The preferred approach would be to use devices that have an ambient dose equivalent
response that is independent of the energy and the direction of the total field, or the field component
to be determined. It is generally necessary to apply corrections using data on the energy and direction
characteristics of the field and the energy and angle ambient dose equivalent response characteristics
of the device.
4.2.3 Considerations concerning the radiation field
The field comprises mainly photons, electrons, positrons, muons, protons and neutrons. There is not
a significant contribution to dose equivalent from energetic primary heavy charged particles (HZE)
or fragments. The electrons, positrons and muons are directly ionizing radiation, and, together with
indirectly ionizing photons and secondary electrons, interact with matter via the electromagnetic
force. Neutrons (and a small contribution from pions) interact via the strong interaction producing
directly ionizing secondary particles. Protons are both directly ionizing via the electromagnetic force
and indirectly via neutron-like strong interactions.
The directly ionizing component and the secondary electrons from indirectly ionizing photons comprise
the non-neutron component. The neutrons plus the neutron-like interactions of protons comprise
the neutron component. Alternatively, for dosimetric purposes, the field can be divided into low-LET
(<10 keV/μm) and high-LET (≥10 keV/μm) components. This definition is based on the dependence of
quality factor on LET. Quality factor is unity below 10 keV/μm. This separation between low and high
LET particles can be applied to TEPCs, and to other materials and detectors, but the low-LET/high-LET
threshold can vary between 5 keV/μm and 10 keV/μm. The low-LET component comprises the directly
ionizing electrons, positrons and muons; secondary electrons from photon interactions, most of the
energy deposition by directly ionizing interactions of protons; and part of the energy deposition by
secondary particles from strong interactions of protons and neutrons. The high-LET component is
from relatively short-range secondary particles from strong-interactions of protons and neutrons. The
relative contributions to the total ambient dose equivalent of low-LET and non-neutron component,
and high-LET and neutron and neutron-like component are not necessarily the same, but are generally
similar in magnitude.
The operational dose quantity relevant for these determinations, ambient dose equivalent, is reasonably
approximated, assuming suitable calibration and normalization, by the response of a tissue equivalent
proportional counter (TEPC), recombination ionization chamber or semiconductor spectrometer. The
low-LET or non-neutron energy deposition can be determined using an ionization chamber, silicon-
based detector, or scintillation detector; or a passive luminescence or ion storage detector. The high-LET
or neutron component can be measured using an extended range neutron survey meter or multi-sphere
spectrometer; or a passive etched track detector, bubble detector or fission foil with damage track
detector. The summed components, low LET plus high LET, or non-neutron plus neutron and neutron-
like, with suitable calibration and normalization, give total ambient dose equivalent. It is essential for
the measurement of the complex radiation fields that instruments used are characterized at national
standards laboratories in relevant radiation fields, corrections included for differences between the
calibration fields and the total atmospheric radiation field, and related uncertainties properly taken
into account.
Definitions of terms and details of normal procedures used in the calibration and use of measurement
[16] [17]
devices are given in various ISO and ICRU documents (for instance, ISO 4037-3 , ISO 8529-3 ,
[14] [15]
ISO 20785-2 and ICRU Report 66:2001 ). The determination of the uncertainties associated with
any set of measurement is an important part of dosimetry. Uncertainties associated with specific
methods of dosimetry are frequently not statistically independent. Even when they are independent,
the total uncertainty is frequently not simply the root mean square of the individual uncertainties but
[18]
depends upon the procedure for measurement and analysis. Details are given in ISO/IEC Guide 98-3 .
4.2.4 Considerations concerning calibration
In terms of ambient dose equivalent, the main contributions to the radiation field at aviation altitudes
are from neutrons from a few hundred keV up to a few GeV, protons from a few tens of MeV to a few
GeV, electrons, positrons and photons from a few MeV to a few GeV. The determination of the response
characteristics, both energy and angle dependence, of devices used for the determinations of ambient
dose equivalent for the cosmic radiation fields in aircraft should be carried out where possible in ISO
8 © ISO 2020 – All rights reserved
reference radiations. However, ISO reference radiations do not fully cover the energy range of photons,
neutrons and electrons to account for the majority of the contributions to total ambient dose equivalent.
Thus, additional calibration fields are required, including, for some devices, proton radiation fields.
To determine the response characteristics to high-energy low-LET radiation field components for which
reference fields are not available, it can be demonstrated by measurement and calculation for particular
devices, for example the tissue equivalent proportional counter (TEPC), that the details of the energy
deposition distribution in the sensitive volume of the device are similar for these components to those
for the ISO high-energy photon reference field R–F. This addresses the particular problems associated
[19][20][21]
with the setting of the low-LET threshold of TEPCs and other devices . Quasi-monoenergetic
[22][23][24][25][26]
neutron fields are available for energies up to about 200 MeV . For the determination of
the neutron response characteristics of devices for higher energies, measurements may sometimes be
made in mono-energetic proton beams in combination with calculation, or in broad energy distribution
neutron fields, also in combination with calculation.
For non-ISO fields, a traceable technique can be used to measure the particle fluence and convert it
to ambient dose equivalent by applying fluence to dose conversion factors. For photons, the use of air
kerma is possible where measured or modelled fluence is available.
4.2.5 Simulated aircraft fields
4.2.5.1 Accelerator-based fields
Instrument response measurements and inter-comparisons can be made in the simulated cosmic
radiation neutron field, which has been designed at, and provided by, CERN. The facility has been
developed and characterized jointly with the European Commission and is known as CERF (CERN-EU
[27][28][29]
high-energy Reference Field facility) . The fields are created by beams of high-energy protons
and pions with momenta of either 120 GeV/c (positive or negative) or 205 GeV/c (positive) incident on
a copper target. There is massive concrete shielding at the side of the beam at the target positions,
and, depending on target position, either iron or concrete shields above. The areal mass of the 80 cm
concrete shields are almost equal to the air layer above for flight altitudes of 10 km to 15 km. Well-
characterized neutron fields are located both at the side of the target area and on the roof shields.
The neutron component (plus other hadrons) of the radiation field in each calibration position has
[30]
been calculated by using the Monte Carlo code FLUKA . A number of multi-sphere spectrometry
[31]
measurements have also been made . At present the metrology of the field is not traceable to primary
standards laboratories.
4.2.5.2 Cosmic radiation fields on mountains
The cosmic radiation fields on the ground at high elevations are the radiation fields closest to those
[32][33][34][35],
in aircraft but, as with accelerator-produced simulated aircraft fields, differences
between these fields and the aircraft fields can affect the intercomparisons and/or evaluations of some
instruments and should be taken into account. The composition and spectral fluence of the cosmic
radiation field on the ground, even at altitudes as high as 4 km, is not exactly the same as the cosmic
radiation field at aviation altitudes. The fraction of dose from muons is higher at lower altitudes. The
cosmic radiation neutron spectrum on the ground has relatively more neutrons with energies above
[36]
10 MeV, fewer with energies from 1 eV to about 2 MeV, and more at thermal energies . Different
materials of the “ground” – soil, water or snow, concrete, or other building materials – scatter neutrons
differently and can affect the shape of the neutron spectrum.
4.3 Conversion coefficients
The fluence-to-ambient dose equivalent conversion coefficients depend on the particle type and their
energy. The data up to 180 MeV are well established and part of international recommendations (ISO,
[37] [38]
IEC, ICRU , ICRP ). A compilation of fluence-to-ambient dose equivalent conversion factor for all
particles and energies of relevance are given in Reference [39].
5 Dosimetric devices
5.1 Introduction
The types of detectors that can be used for measurements to determine ambient dose equivalent
onboard aircraft are similar to those devices used at accelerator laboratories. They can be categorized
as active or passive, or by the component of the field measured (see, for example, Reference [40]). This
document gives the basis for instruments’ use in the determination of ambient dose equivalent.
5.2 Active devices
5.2.1 Devices to determine all field components
5.2.1.1 Energy deposition spectrometers
5.2.1.1.1 General
The two main types of energy deposition spectrometers are gas-filled devices, in particular tissue
equivalent proportional counters (TEPCs) (see 5.2.1.1.2), and solid state (normally silicon) devices
(see 5.2.1.1.3).
5.2.1.1.2 Tissue equivalent proportional counters
A tissue equivalent proportional counter (TEPC) is sensitive to directly ionizing particles and to
indirectly ionizing particles via the charged secondary particles created by them in the walls of the
counter. The sensitive volume is filled with a gas of chemical composition similar to tissue, at a low
pressure in order to simulate a biological site of a few microns. Although ideally of spherical symmetry,
TEPCs are often cylindrical. Incident radiation produces electrons in the gas, which are collected on the
central anode, when an electric potential is applied between the anode and the wall of the detector. Each
event (or particle track through the gas) produces an output signal whose magnitude is proportional to
the initial energy deposited. Each event detected is analysed using a pulse height analysis method and
stored to produce the lineal energy distribution spectrum, d(y); y is the energy deposited divided by the
average chord length of the detector. For many practical purposes, y is used as an approximation to LET.
The sum of the deposited energy for each event divided by the mass of gas provides the absorbed dose.
The dose equivalent can be calculated by folding the absorbed dose distribution with the quality factor.
Ambient dose equivalent is determined by a calibration in reference fields but note that for use to
determine ambien
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 20785-1
Troisième édition
2020-07
Dosimétrie pour l'exposition au
rayonnement cosmique à bord d'un
avion civil —
Partie 1:
Fondement théorique des mesurages
Dosimetry for exposures to cosmic radiation in civilian aircraft —
Part 1: Conceptual basis for measurements
Numéro de référence
©
ISO 2020
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2020
Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2020 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
3.1 Termes généraux . 1
3.2 Grandeurs et unités . 2
3.3 Champ de rayonnement atmosphérique . 5
4 Considérations générales . 6
4.1 Champ de rayonnement cosmique dans l’atmosphère . 6
4.2 Considérations générales d’étalonnage pour la dosimétrie du rayonnement
cosmique à bord d’un avion . 8
4.2.1 Approche . 8
4.2.2 Facteurs à considérer pour le mesurage . 8
4.2.3 Facteurs à considérer pour le champ de rayonnement . 9
4.2.4 Aspects à considérer pour l’étalonnage .10
4.2.5 Champs de rayonnement simulés à bord d’un avion .10
4.3 Coefficients de conversion .11
5 Dispositifs dosimétriques .11
5.1 Introduction .11
5.2 Dispositifs actifs .11
5.2.1 Dispositifs permettant de déterminer l’ensemble des composantes de champ .11
5.2.2 Dispositifs applicables à la composante à faible TLE/non neutronique .13
5.2.3 Dispositifs applicables à la composante à fort TLE/neutronique .14
5.3 Dispositifs passifs .15
5.3.1 Considérations générales .15
5.3.2 Détecteurs à traces .16
5.3.3 Détecteurs à fission à feuille .16
5.3.4 Détecteurs de neutrons à émulsion métastable (détecteurs à bulles) .16
5.3.5 Détecteurs thermoluminescents .17
5.3.6 Détecteurs photoluminescents .17
Annexe A (informative) Distributions en énergie représentatives des débits de fluence
de particules pour le champ de rayonnement cosmique à des altitudes de vol
d’avion dans les conditions de période d’activité solaire minimale et maximale et
pour la coupure de rigidité verticale minimale et maximale .18
Bibliographie .24
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/ iso/ fr/ avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 85, Énergie nucléaire, technologies
nucléaires, et radioprotection, sous-comité SC 2, Radioprotection.
Cette troisième édition annule et remplace la deuxième édition (ISO 207851:2012), qui a fait l’objet
d’une révision technique. Les principales modifications sont les suivantes:
— révision des termes et définitions;
— mise à jour des références.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 20785 se trouve sur le site web de l’ISO.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/ fr/ members .html.
iv © ISO 2020 – Tous droits réservés
Introduction
Le personnel navigant est exposé à des niveaux élevés de rayonnement cosmique d’origine galactique
et solaire, ainsi qu’au rayonnement secondaire produit dans l’atmosphère, dans la structure de
l’avion et son contenu. Suivant les recommandations de la Commission internationale de protection
[1] [2]
radiologique (CIPR) dans la Publication 60 , confirmées par la Publication 103 , l’Union
[3]
européenne (UE) a établi la révision d’une Directive relative aux normes de sécurité de base et
[4]
l’Agence internationale de l’énergie atomique (IAEA) a publié une version révisée des normes de
sécurité de base. Ces normes classaient parmi les expositions professionnelles le cas de l’exposition
aux sources naturelles de rayonnements ionisants, y compris le rayonnement cosmique. Cette Directive
de l’UE exige de prendre en compte l’exposition du personnel navigant susceptible de recevoir plus de
1 mSv par an. Elle identifie ensuite les quatre mesures de protection suivantes:
a) évaluer l’exposition du personnel concerné;
b) prendre en compte l’exposition évaluée lors de l’organisation des programmes de travail, en vue de
réduire les doses du personnel navigant le plus fortement exposé;
c) informer les travailleurs concernés sur les risques pour la santé que leur travail implique; et
d) appliquer les mêmes règles de protection spécifiques en cas de grossesse pour le personnel navigant
féminin, eu égard à «l’enfant à naître», que pour tout autre travailleur exposé de sexe féminin.
La Directive du Conseil de l’UE a déjà été intégrée aux lois et réglementations des États membres de l’UE
ainsi que dans les normes et les modes opératoires de sécurité de l’aviation, des autorités communes de
l’aviation (Joint Aviation Authorities) et de l’Agence européenne pour la sécurité aérienne (European Air
Safety Agency). D’autres pays tels que le Canada et le Japon ont émis des règles ou des recommandations
à l’attention de leurs compagnies aériennes pour gérer la question de l’exposition du personnel navigant.
Les grandeurs de protection concernées, dans un cadre réglementaire et législatif, sont la dose
équivalente (au fœtus) et la dose efficace. L’exposition de l’organisme au rayonnement cosmique est
globalement uniforme et l’abdomen maternel ne fournit aucune protection particulière au fœtus.
Ainsi, la dose équivalente au fœtus peut être considérée comme égale à la dose efficace reçue par la
mère. Les doses liées à l’exposition à bord des avions sont généralement prévisibles, et des événements
comparables à des expositions non prévues à d’autres postes de travail sous rayonnement ne peuvent
pas habituellement se produire (à l’exception rare des éruptions solaires extrêmement intenses
produisant des particules solaires très énergétiques). Le recours à des dosimètres individuels pour un
usage de routine n’est pas considéré comme nécessaire. L’approche préférée pour l’évaluation des doses
reçues par le personnel navigant, si nécessaire, consiste à calculer directement la dose efficace par
unité de temps, en fonction des coordonnées géographiques, de l’altitude et de la phase du cycle solaire,
et à combiner ces valeurs avec les informations concernant le vol et le tableau de service du personnel,
afin d’obtenir des estimations des doses efficaces pour les individus. Cette approche est recommandée
[5] [6]
par la directive de la Commission européenne et la CIPR dans les Publications 75 et 132 .
Le rôle des calculs dans ce mode opératoire est unique par rapport aux méthodes d’évaluation
habituellement utilisées en radioprotection et il est largement admis qu’il convient de valider les doses
calculées par mesurage. La dose efficace n’est pas directement mesurable. La grandeur opérationnelle
utilisée est l’équivalent de dose ambiant, H*(10). Afin de valider les doses évaluées en termes de dose
efficace, il est possible de calculer les débits d’équivalent de dose ambiant ou les doses pendant le vol,
en termes d’équivalent de dose ambiant, ainsi que les valeurs de cette grandeur déterminées à partir de
mesurages. Il convient que la traçabilité soit assurée pour un nombre raisonnable de types de particules
et d’énergies du champ de rayonnement atmosphérique, que des corrections soient effectuées pour
tenir compte des différences entre les champs d’étalonnage et le champ de rayonnement atmosphérique
total, et que les incertitudes associées soient correctement prises en compte. La validation des calculs
de l’équivalent de dose ambiant par une méthode de calcul particulière peut être considérée comme
la validation du calcul de la dose efficace par le même code de calcul, mais cette étape du processus
d’évaluation peut nécessiter d’être confirmée. La variante consiste à établir, a priori, que l’équivalent de
dose ambiant constitue un bon estimateur de la dose efficace et de la dose équivalente destinée au fœtus
pour les champs de rayonnements considérés, de la même façon que l’utilisation de l’équivalent de dose
individuel est justifiée pour l’estimation de la dose efficace des travailleurs sous rayonnement au sol.
Le champ de rayonnement auquel est soumis un avion aux altitudes de vol est complexe, avec la présence
de nombreux types de rayonnements ionisants dont les énergies peuvent atteindre plusieurs GeV. Il
est difficile de déterminer l’équivalent de dose ambiant pour un champ de rayonnement si complexe.
Dans de nombreux cas, les méthodes employées pour déterminer l’équivalent de dose ambiant à
bord d’un avion sont semblables à celles utilisées auprès d’accélérateurs haute énergie dans les
laboratoires de recherche. Des méthodes dosimétriques et des méthodes d’étalonnage des dispositifs
dosimétriques peuvent par conséquent être recommandées, ainsi que les techniques permettant de
conserver la traçabilité des mesurages dosimétriques à des étalons nationaux. Il convient de réaliser
les mesurages dosimétriques destinés à évaluer l’équivalent de dose ambiant à l’aide de méthodes
précises et fiables qui assurent la qualité des relevés fournis aux travailleurs et aux autorités en charge
de la réglementation. Le présent document décrit les bases conceptuelles permettant de caractériser la
réponse des instruments pour la détermination de l’équivalent de dose ambiant à bord d’un avion.
Les exigences relatives à la détermination et à l’enregistrement de l’exposition au rayonnement cosmique
du personnel navigant font partie intégrante de la législation nationale des États membres de l’UE et
d’autres pays. Il est souhaitable d’harmoniser les méthodes permettant de déterminer l’équivalent de
dose ambiant et d’étalonner les instruments utilisés afin de garantir la compatibilité des mesurages
effectués avec de tels instruments.
Le présent document est destiné à être utilisé par les laboratoires d’étalonnages primaires et secondaires
dans le domaine des rayonnements ionisants, par le personnel des services de radioprotection employé
par les organismes publics et par les entreprises industrielles, intéressées par la détermination de
l’équivalent de dose ambiant du personnel navigant.
vi © ISO 2020 – Tous droits réservés
NORME INTERNATIONALE ISO 20785-1:2020(F)
Dosimétrie pour l'exposition au rayonnement cosmique à
bord d'un avion civil —
Partie 1:
Fondement théorique des mesurages
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie les principes de base permettant de déterminer l’équivalent de dose
ambiant pour l’évaluation de l’exposition au rayonnement cosmique à bord d’un avion civil, ainsi que
pour l’étalonnage des instruments utilisés à cette fin.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp;
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/ .
3.1 Termes généraux
3.1.1
étalonnage
opération qui, dans des conditions spécifiées, établit une relation entre la grandeur conventionnelle, H ,
et l’indication, G
Note 1 à l'article: Un étalonnage peut être exprimé sous la forme d’un énoncé, d’une fonction d’étalonnage, d’un
diagramme d’étalonnage, d’une courbe d’étalonnage ou d’une table d’étalonnage. Dans certains cas, il peut
consister en une correction additive ou multiplicative de l’indication avec une incertitude de mesure associée.
Note 2 à l'article: Il convient de ne pas confondre l’étalonnage avec l’ajustement d’un système de mesure, souvent
appelé improprement «auto-étalonnage», ni avec la vérification de l’étalonnage.
Note 3 à l'article: Souvent, la première étape seule dans la définition ci-dessus est perçue comme étant
l’étalonnage.
3.1.2
réponse
caractéristique de la réponse
R
quotient de l’indication, G, ou de l’indication corrigée, G , et de la valeur conventionnelle d’une
corr
grandeur à mesurer
Note 1 à l'article: Pour éviter toute confusion, il est nécessaire de spécifier lequel des quotients indiqués dans
la définition de la réponse (celui associé à G ou G ) a été utilisé. De plus, il est nécessaire, pour éviter toute
corr
confusion, d’indiquer la grandeur à mesurer, par exemple la réponse en ce qui concerne la fluence, R , la réponse
Φ
en ce qui concerne le kerma, R , ou la réponse en ce qui concerne la dose absorbée, R .
K D
Note 2 à l'article: La réciproque de la réponse dans les conditions spécifiées est égale au coefficient
d’étalonnage N
coeff.
Note 3 à l'article: La valeur de la réponse peut varier selon l’expression quantitative de la grandeur à mesurer.
Dans de tels cas, la réponse de l’ensemble de détecteur est dite non constante.
Note 4 à l'article: La réponse varie habituellement avec la distribution en énergie et la distribution directionnelle
du rayonnement incident. Par conséquent, il est utile de considérer la réponse sous forme d’une fonction, R(E,Ω),
de l’énergie de rayonnement, E, et de la direction, Ω du rayonnement monodirectionnel incident. R(E) décrit la
«dépendance énergétique» et R(Ω) décrit la «dépendance angulaire» de la réponse. Pour cette dernière, Ω peut
être exprimée par l’angle, α, entre la direction de référence de l’ensemble de détecteur et la direction d’un champ
monodirectionnel externe.
3.2 Grandeurs et unités
3.2.1
fluence de particules
fluence
Φ
en un point donné de l’espace, quotient du nombre, dN, de particules incidentes sur un petit domaine
sphérique, par l’aire de la section, da, de ce domaine
dN
Φ=
da
−2 −2
Note 1 à l'article: L’unité de base de la fluence de particules est le m ; le cm constitue une unité d’usage courant.
Note 2 à l'article: La distribution en énergie de la fluence de particules, Φ , est le quotient, dΦ par dE, où dΦ est
E
la fluence des particules dont l’énergie est comprise entre E et E+dE. Il existe une définition analogue pour la
distribution directionnelle, Φ , de la fluence de particules. La représentation complète de la fluence de particules
Ω
différentielle double peut s’écrire (avec les arguments) Φ (E,Ω), où les indices caractérisent les variables
E,Ω
(grandeurs) de différenciation et où les symboles entre parenthèses décrivent les valeurs des variables. Les
valeurs entre parenthèses sont requises pour des valeurs de fonction spéciales, par exemple la distribution en
énergie de la fluence de particules à l’énergie E = E s’écrit sous la forme Φ (E ). En l’absence d’indication de toute
0 E 0
valeur spéciale, les parenthèses ne sont pas nécessaires.
3.2.2
débit de fluence de particules
débit de fluence
Φ
taux de fluence de particules (3.2.1) exprimé par:
dΦ d N
Φ ==
dt ddat⋅
où dΦ est l’incrément de la fluence de particules au cours d’un intervalle de temps infinitésimal avec la
durée dt
−2 −1 −2 −1
Note 1 à l'article: L’unité de base du débit de fluence est le m s ; le cm s constitue une unité d’usage courant.
2 © ISO 2020 – Tous droits réservés
3.2.3
dose absorbée
D
pour tout rayonnement ionisant,
dε
D=
dm
où dε est l’énergie moyenne transmise par le rayonnement ionisant à un élément de matière irradiée
de masse dm
Note 1 à l'article: Dans la limite d’un petit domaine, l’énergie spécifique moyenne est égale à la dose absorbée.
−1
Note 2 à l'article: L’unité de la dose absorbée est le joule par kilogramme (J kg ) et son équivalent est le gray (Gy).
3.2.4
kerma
K
pour des particules indirectement ionisantes (non chargées), la somme moyenne des énergies cinétiques
initiales, dE , de toutes les particules ionisantes chargées libérées par les particules ionisantes non
tr
chargées dans un élément de matière, divisée par la masse, dm, de cet élément:
dE
tr
K=
dm
Note 1 à l'article: La grandeur dE comprend l’énergie cinétique des particules chargées émises au cours de la
tr
décroissance des atomes, molécules ou noyaux excités.
−1
Note 2 à l'article: L’unité du kerma est le joule par kilogramme (J kg ) et son équivalent est le gray (Gy).
3.2.5
équivalent de dose
H
au point considéré dans le tissu,
HD= Q
où
D est la dose absorbée;
Q est le facteur de qualité en ce point; et
∞
HQ= ()LD dL
L
∫
L=0
Note 1 à l'article: Q est déterminé par le transfert linéique d’énergie non limité, L (souvent désigné L ou LET),
∞
des particules chargées passant par un petit élément de volume (domaine) en ce point (la valeur de L est donnée
∞
pour des particules chargées dans l’eau et non dans le tissu; la différence est cependant faible). L’équivalent
de dose en un point dans le tissu est alors donné par la formule ci-dessus où D = dD/dL est la distribution en
L
fonction de L de la dose absorbée au point considéré.
[2]
Note 2 à l'article: La relation entre Q et L est donnée dans la Publication 103 de l’ICRP (ICRP, 2007) .
−1
Note 3 à l'article: L’unité de l’équivalent de dose est le joule par kilogramme (J kg ), et son équivalent est le
sievert (Sv).
3.2.6
énergie linéale
y
quotient de l’énergie, ε , transmise à la matière dans un volume donné par un seul événement de
s
transmission d’énergie, par la longueur de corde moyenne, l , dans ce volume:
ε
s
y=
l
−1
Note 1 à l'article: L’unité de base de l’énergie linéale est le joule par mètre (J m ); le kiloélectron-volt
−1
par micromètre (keV μm ) constitue une unité d’usage courant.
3.2.7
énergie linéale moyenne en dose
y
D
espérance
∞
yy= dy()dy
D
∫
où d(y) est la densité de probabilité en dose de y
Note 1 à l'article: La densité de probabilité en dose de y est donnée par d( y), où d( y)dz est la fraction de dose
absorbée délivrée lors d’événements uniques avec une énergie linéale dans l’intervalle de y à y+dy.
Note 2 à l'article: L’énergie linéale moyenne en dose et la distribution d( y) sont indépendantes de la dose absorbée
ou du débit de dose.
3.2.8
équivalent de dose ambiant
H*(10)
équivalent de dose (3.2.5) en un point d’un champ de rayonnement qui serait produit par le champ
correspondant expansé et aligné, dans la sphère ICRU, à une profondeur de 10 mm sur le rayon faisant
face à la direction du champ unidirectionnel
−1
Note 1 à l'article: L’unité de l’équivalent de dose ambiant est le joule par kilogramme (J kg ), et son équivalent est
le sievert (Sv).
3.2.9
altitude barométrique étalon
pression d’altitude
altitude déterminée par un altimètre barométrique étalonné (3.1.1) par référence à l’atmosphère type
[7]
internationale (ISA) (ISO 2533 , Atmosphère type) lorsque les données de l’altimètre sont établies à
1 013,25 hPa
Note 1 à l'article: L’Article 9 de la Partie 2 des Directives ISO/IEC impose d’utiliser les unités SI dans les documents
[8]
ISO et de se conformer à l’ISO 80000 . Il convient donc que l’unité par défaut soit le mètre. Cependant, dans le
domaine de l’aviation, le niveau de vol est souvent donné sous la forme FLxxx, où xxx est un nombre à trois chiffres
qui représente les multiples de 100 fts d’altitude-pression, sur la base de l’atmosphère ISA et d’un paramétrage de
données à 1 013,25 hPa; par exemple, FL350 correspond à 35 000 ft ou, en utilisant 1 pied = 0,304 8 m, 10 668 m.
3.2.10
coupure de rigidité géomagnétique verticale
coupure verticale
coupure
rc
rigidité magnétique minimale qu’une particule à incidence verticale peut avoir tout en atteignant un
emplacement donné au-dessus de la surface de la Terre
4 © ISO 2020 – Tous droits réservés
3.3 Champ de rayonnement atmosphérique
3.3.1
rayonnement cosmique
rayons cosmiques
particules cosmiques
rayonnement ionisant composé de particules de haute énergie, des atomes totalement ionisés du
rayonnement cosmique primaire, d’origine extraterrestre et de particules engendrées par interaction
avec l’atmosphère et toute autre matière
3.3.2
rayons cosmiques primaires
rayons cosmiques (3.3.1) provenant de l’espace au niveau de l’orbite terrestre
3.3.3
rayonnement cosmique secondaire
rayons cosmiques secondaires
particules d’origine cosmique
particules créées, directement ou par des réactions en cascade, par les rayons cosmiques primaires
(3.3.2) interagissant avec l’atmosphère ou toute autre matière
Note 1 à l'article: Les neutrons, protons, photons, électrons, positrons, muons et, dans une moindre mesure, les
pions et les ions plus lourds que les protons constituent des particules importantes, eu égard à la radioprotection
et aux mesurages des rayonnements à bord d’un avion.
3.3.4
rayonnement cosmique galactique
rayons cosmiques galactiques
GCR
rayons cosmiques (3.3.1) provenant de l’extérieur du système solaire
3.3.5
particules solaires
rayonnement cosmique solaire
rayons cosmiques solaires
rayons cosmiques (3.3.1) provenant du Soleil
3.3.6
événement de particules solaires
SPE
débit de fluence important de particules solaires énergétiques, projetées dans l’espace par une
éruption solaire
Note 1 à l'article: Les événements de particules solaires sont directionnels.
3.3.7
augmentation au niveau du sol
GLE
augmentation soudaine du rayonnement cosmique (3.3.1), observée au niveau du sol par au moins
deux moniteurs à neutrons enregistrant simultanément une augmentation supérieure à 3 % du taux de
comptage moyenné sur 5 min associée aux particules solaires énergétiques
Note 1 à l'article: Une GLE est associée à un événement de particules solaires ayant un débit de fluence de
particules élevé ainsi qu’une énergie élevée (supérieure à 500 MeV).
Note 2 à l'article: Les GLE sont des événements relativement rares, se produisant en moyenne environ une fois
par an. Les GLE sont numérotées, le premier numéro étant affecté à la GLE qui s’est produite en février 1942.
3.3.8
cycle solaire
période durant laquelle l’activité solaire varie, avec des écarts maximaux successifs d’un intervalle
moyen de 11 ans environ
Note 1 à l'article: Si l’inversion de la polarité du champ magnétique solaire dans un hémisphère donné selon des
périodes successives de 11 ans est prise en compte, il peut être considéré que le cycle solaire complet s’effectue
en moyenne en quelque 22 années, soit le cycle de Hale.
Note 2 à l'article: Le cycle de l’activité solaire, tel que mesuré par l’indice de taches solaires relatif, appelé
«nombre de Wolf», dure à peu près 11 ans, mais ce nombre varie entre 7 ans et 17 ans environ. Un cycle
approximatif de 11 ans a été observé ou proposé pour le géomagnétisme, la fréquence des aurores boréales et
d’autres caractéristiques ionosphériques. L’indice u de la variation de l’intensité géomagnétique révèle l’une des
corrélations connues les plus fortes avec l’activité solaire.
3.3.9
période d’activité maximale du cycle solaire
période d’activité solaire maximale au cours d’un cycle solaire (3.3.8), généralement définie en termes
d’indice de taches solaires relatif
3.3.10
période d’activité minimale du cycle solaire
période d’activité solaire minimale au cours d’un cycle solaire (3.3.8), généralement définie en termes
d’indice de taches solaires relatif
3.3.11
moniteur à neutrons de rayonnement cosmique
détecteur de grande taille utilisé pour mesurer le débit de fluence relatif en fonction du temps de la
composante haute énergie du rayonnement cosmique (3.3.1), notamment les neutrons secondaires
générés dans l’atmosphère (les protons, autres hadrons et muons peuvent également être détectés)
Note 1 à l'article: Installés en de multiples emplacements et altitudes à la surface de la Terre (et éventuellement
à bord de navires ou d’avions), des moniteurs à neutrons sont utilisés pour les diverses études menées sur le
rayonnement cosmique et pour déterminer les fluctuations de l’activité solaire.
4 Considérations générales
4.1 Champ de rayonnement cosmique dans l’atmosphère
Le rayonnement cosmique galactique primaire (et les particules solaires énergétiques) interagissent
avec les noyaux atomiques des constituants atmosphériques, produisant une cascade d’interactions
et générant des particules secondaires qui contribuent à l’exposition au rayonnement cosmique dont
l’intensité diminue en fonction de l’épaisseur d’atmosphère traversée, depuis les hautes couches de
[9][10]
l’atmosphère, puis aux altitudes de vol des avions jusqu’au niveau de la mer . Le rayonnement
cosmique galactique (GCR) peut avoir des énergies jusqu’à 10 eV, mais les particules de plus
faible énergie sont les plus abondantes. Une fois que le GCR pénètre dans le champ magnétique du
système solaire, la valeur maximale de sa distribution en énergie s’établit de quelques centaines de
MeV jusqu’à 1 GeV par nucléon, selon l’activité magnétique solaire, et le spectre suit une fonction de
−2,7 15
puissance de la forme E eV jusqu’à 10 eV. Au-delà de cette énergie, la courbe du spectre s’établit à
−3
E eV. Le débit de fluence du GCR pénétrant dans le système solaire est relativement constant dans le
temps, et ces ions énergétiques arrivent à la surface de la Terre de façon globalement isotropique.
Les champs magnétiques terrestre et solaire affectent également le nombre relatif de protons du
GCR, ainsi que celui des ions plus lourds qui atteignent l’atmosphère. La composition en ions du GCR
en termes de fluence pour une coupure géomagnétique peu élevée et une activité solaire faible est
approximativement de 90 % de protons, 9 % d’ions He et 1 % de noyaux plus lourds. À une coupure
verticale de 15 GV, la composition est d’environ 83 % de protons, 15 % d’ions He et près de 2 % d’ions
[11][12]
plus lourds .
6 © ISO 2020 – Tous droits réservés
Les composantes variables de l’équivalent de dose ambiant, dues aux divers constituants du
rayonnement cosmique secondaire dans l’atmosphère en fonction de l’altitude, sont illustrées sur la
Figure 1. Au niveau de la mer, les muons constituent la composante dont la contribution à l’équivalent de
dose ambiant et à la dose efficace est la plus importante. Aux altitudes de vol des avions, les neutrons,
électrons, positrons, protons, photons et muons constituent les éléments les plus significatifs. À des
altitudes plus élevées, les ions, plus lourds que les protons, sont à prendre en compte. Les figures
illustrant les distributions en énergie normalisées représentatives des débits de fluence de l’ensemble
des particules pour des coupures et des altitudes faibles et élevées, aux périodes d’activité minimale et
maximale du cycle solaire, sont présentées dans l’Annexe A.
La Terre est également exposée à des salves de protons énergétiques et de particules plus lourdes, dues
aux turbulences magnétiques se produisant à proximité de la surface du Soleil et à l’éjection de grandes
quantités de matière (éjections de masse coronale – CME) avec, dans certains cas, une accélération par
les éjections de masse coronale et les ondes de choc du vent solaire associées. L’énergie des particules
de ces événements à particules solaires, ou événements à protons solaires (tous deux abrégés sous
la forme SPE), est bien moins élevée que celle du GCR: généralement au-dessous de 100 MeV et très
rarement au-dessus de 10 GeV. Les SPE sont de courte durée, de quelques heures à quelques jours, et
d’intensité très variable. Seule une petite fraction des SPE, en moyenne un par an, produit des quantités
élevées de particules de grande énergie qui entraînent des débits de doses significatifs à des altitudes
élevées et des coupures géomagnétiques faibles, et qui peuvent être observés par les moniteurs à
neutrons au niveau du sol. Ces événements sont appelés augmentations au niveau du sol (ou GLE). Pour
le personnel navigant, la dose cumulée due au GCR est bien plus élevée que la dose due aux SPE. Des SPE
intenses peuvent affecter les débits de dose dus au GCR par une perturbation du champ magnétique
terrestre qui modifie l’intensité des particules galactiques atteignant l’atmosphère.
Légende
X altitude (km)
Y débit d’équivalent de dose ambiant (μSv/h)
[13]
Conditions: coupure de 1 GV et en période d’activité solaire minimale (potentiel de décélération, ϕ, de 465 MV) .
Figure 1 — Calcul des débits d’équivalent de dose ambiant en fonction de l’altitude
barométrique normale pour des latitudes élevées à une période d’activité minimale du cycle
solaire pour diverses particules du rayonnement cosmique atmosphérique
4.2 Considérations générales d’étalonnage pour la dosimétrie du rayonnement
cosmique à bord d’un avion
4.2.1 Approche
L’approche générale nécessaire pour le mesurage et d’étalonnage est exposée dans le présent
paragraphe. Les détails relatifs aux champs et aux modes opératoires d’étalonnage sont donnés dans
[14]
l’ISO 20785-2 .
4.2.2 Facteurs à considérer pour le mesurage
L’équivalent de dose ambiant ne peut pas être mesuré directement par les méthodes dosimétriques
[15]
classiques . Il est particulièrement difficile de déterminer de manière expérimentale l’équivalent de
dose ambiant pour le champ de rayonnement complexe considéré dans le cas présent (voir Figure 1). Une
approche approximative consiste à utiliser un compteur proportionnel équivalent tissu (CPET), afin de
mesurer l’équivalent de dose par rapport à une petite masse de tissu, en déterminant par mesurage la
distribution de la dose absorbée en énergie linéale (qui est une approximation du TLE), avec application
de corrections, et en appliquant directement le facteur de qualité dépendant du TLE. Ce mesurage ne
permet toutefois pas de déterminer la grandeur.
8 © ISO 2020 – Tous droits réservés
La dosimétrie du champ de rayonnement à bord d’un avion requiert l’application de techniques de
mesurage et de calcul spécifiques. L’approche idéale consisterait à utiliser des dispositifs dont la réponse
pour l’équivalent de dose ambiant est indépendante de l’énergie et de la direction du champ global ou
de la composante de champ à déterminer. Il est généralement nécessaire d’appliquer des corrections
en utilisant des données relatives aux caractéristiques énergétique et directionnelle du champ, ainsi
qu’aux caractéristiques de la réponse en termes de TLE et angulaire du dispositif pour l’équivalent de
dose ambiant.
4.2.3 Facteurs à considérer pour le champ de rayonnement
Le champ comprend principalement des photons, électrons, positrons, muons, protons et neutrons. La
contribution des particules lourdes primaires chargées et énergétiques (HZE) ou de leurs fragments
à l’équivalent de dose ambiant n’est pas significative. Les électrons, positrons et muons sont des
rayonnements directement ionisants et, associés aux photons indirectement ionisants et aux électrons
secondaires, ils interagissent avec la matière par l’intermédiaire d’une force électromagnétique. Les
neutrons (ainsi qu’une légère contribution issue des pions) interagissent par interaction forte produisant
des particules secondaires directement ionisantes. Les protons sont à la fois directement ionisants par
force électromagnétique et indirectement ionisants par l’intermédiaire des fortes interactions de type
nucléaire.
La composante directement ionisante et les électrons secondaires émis par les photons indirectement
ionisants constituent la composante non neutronique. Les neutrons plus les interactions des protons
de type nucléaire constituent la composante neutronique. Pour une approche dosimétrique, le champ
peut également être scindé en une composante à faible TLE (<10 keV/μm) et une composante à
fort TLE (≥10 keV/μm). Cette définition est fondée sur la dépendance au TLE du facteur de qualité, qui est
égal à l’unité au-dessous de 10 keV/μm. Cette séparation entre particules à faible TLE et à fort TLE peut
être appliquée aux compteurs proportionnels équivalents tissu et aux autres matériaux et détecteurs, le
seuil faible TLE/fort TLE pouvant toutefois varier entre 5 keV/μm et 10 keV/μm. La composante à faible
TLE comprend les électrons, positrons et muons directement ionisants; les électrons secondaires émis
par les interactions de photons qui contribuent à la plus grande partie de l’énergie transférée lors des
interactions directement ionisantes des protons; et une partie de l’énergie transférée par les particules
secondaires émises lors des interactions fortes des protons et des neutrons. La composante à fort TLE
est constituée de particules secondaires à parcours relativement faible, émises par les interactions
fortes des protons et des neutrons. Les contributions relatives de la composante à faible TLE et de la
composante non neutronique d’une part, de la composante à fort TLE et de la composante neutronique
et de type neutronique d’autre part, ne sont pas nécessairement identiques, mais ont généralement des
contributions comparables.
La grandeur dosimétrique opérationnelle adaptée à ces déterminations, à savoir l’équivalent de dose
ambiant, est convenablement estimée, en supposant un étalonnage et une normalisation adéquats,
par la réponse d’un compteur proportionnel équivalent tissu (CPET), d’une chambre d’ionisation de
recombinaison ou d’un spectromètre à semi-conducteur. La composante à faible TLE ou non neutronique
peut être déterminée à l’aide d’une chambre d’ionisation, d’un détecteur au silicium ou d’une sonde à
scintillations, voire d’un détecteur passif luminescent ou à stockage d’ions. La composante à fort TLE ou
neutronique peut être mesurée à l’aide d’un radiamètre à neutrons à plage de détection élargie ou d’un
spectromètre multisphère, voire d’un détecteur passif à traces, d’un dosimètre à bulles ou d’une feuille
à fission associée à un détecteur à traces. Les composantes additionnées, à savoir les composantes à
faible TLE et à fort TLE, ou les composantes non neutronique et neutronique, permettront d’obtenir, avec
un étalonnage et une normalisation appropriés, l’équivalent de dose ambiant total. Pour le mesurage
des champs de rayonnement complexe, il est donc essentiel que l’ensemble des caractéristiques des
instruments utilisés soit déterminé auprès des laboratoires d’étalonnage nationaux dans des champs
de rayonnement appropriés, que des corrections soient effectuées pour tenir compte des différences
entre les champs d’étalonnage et le champ de rayonnement atmosphérique total, et que les incertitudes
associées soient correctement prises en compte.
Les définitions des termes et les détails des modes opératoires habituels employés pour l’étalonnage,
ainsi que l’utilisation des dispositifs de mesure, sont donnés dans les divers documents de l’ISO et de
[16] [17] [14] [15]
l’ICRU (par exemple l’ISO 4037-3 , l’ISO 8529-3 , l’ISO 20785-2 et le rapport ICRU 66:2001 ).
La détermination des incertitudes associées à toute série de mesurages constitue un élément important
de la dosimétrie. Les incertitudes associées aux méthodes de dosimétrie spécifiques sont bien souvent
dépendantes des statistiques. Même lorsqu’elles sont indépendantes de ces dernières, l’incertitude
totale n’est, dans bien des cas, pas simplement la moyenne quadratique des incertitudes individuelles,
mais dépend des modes opératoires de mesurage et d’analyse utilisés. Des détails sont donnés dans
[18]
le Guide ISO/IEC 98-3 .
4.2.4 Aspects à considérer pour l’étalonnage
En termes d’équivalent de dose ambiant, les principales contributions aux altitudes de vol d’un avion
sont celles des neutrons allant de quelques centaines de keV à quelques GeV, des protons allant de
quelques dizaines de MeV à quelques GeV, et des électrons, positrons et photons allant de quelques
MeV à quelques GeV. Il convient, dans la mesure du possible, de déterminer les caractéristiques de la
réponse des dispositifs utilisés pour les calculs de l’équivalent de dose ambiant pour les champs de
rayonnement cosmique à bord d’un avion, en termes de dépendances à la fois énergétique et angulaire,
dans des rayonnements de référence ISO. Cependant, ces rayonnements de référence ne couvrent pas
totalement le domaine d’énergie des photons, neutrons et électrons qui représentent la majeure partie
des contributions à l’équivalent de dose ambiant total. Des champs d’étalonnage supplémentaires sont
alors requis, y compris, pour certains dispositifs, des champs de rayonnement protonique.
Afin de déterminer les caractéristiques de la réponse des dispositifs aux composantes du champ de
rayonnement à faible TLE et de haute énergie pour lesquelles il n’existe pas de champ de référence, il
peut être démontré par mesurage et calcul pour des dispositifs particuliers, par exemple le compteur
proportionnel équivalent tissu (CPET), que les détails relatifs à la distribution de l’énerg
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.