ISO 20785-1:2012

Dosimetry for exposures to cosmic radiation in civilian aircraft - Part 1: Conceptual basis for measurements

ISO 20785:2012 gives 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 this purpose.

Dosimétrie pour l'exposition au rayonnement cosmique à bord d'un avion civil — Partie 1: Fondement théorique des mesurages

L'ISO 20785-1:2012 donne 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

• Status: Withdrawn
• Publication Date: 13-Dec-2012
• Withdrawal Date: 13-Dec-2012
• ICS: 13.280 - Radiation protection
• ICS: 49.020 - Aircraft and space vehicles in general
• Technical Committee: ISO/TC 85/SC 2 - Radiological protection
• Drafting Committee: ISO/TC 85/SC 2/WG 21 - Dosimetry for exposures to cosmic radiation in civilian aircraft
• Current Stage: 9599 - Withdrawal of International Standard
• Start Date: 24-Jun-2020
• Completion Date: 13-Dec-2025

Relations

• Revised: ISO 20785-1:2020 - Dosimetry for exposures to cosmic radiation in civilian aircraft - Part 1: Conceptual basis for measurements
• Effective Date: 09-Jun-2018
• Revises: ISO 20785-1:2006 - Dosemetry for exposures to cosmic radiation in civilian aircraft - Part 1: Conceptual basis for measurements
• Effective Date: 07-Nov-2009

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 20785-1
Second edition
2012-12-15
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 2012
© ISO 2012
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Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Terms and definitions . 1
2.1 General . 1
2.2 Quantities and units . 2
2.3 Atmospheric radiation field . 8
3 General considerations .10
3.1 General description of the cosmic radiation field in the atmosphere .10
3.2 General calibration considerations for the dosimetry of cosmic radiation fields
in aircraft .11
3.3 Conversion coefficients .13
4 Dosimetric devices .13
4.1 Introduction .13
4.2 Active devices .14
4.3 Passive devices .17
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
[80]
minimum and maximum vertical cut-off rigidity .20
Bibliography .24
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.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International
Standards adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting.
Publication as an International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies
casting a vote.
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.
ISO 20785-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 85, Nuclear energy, nuclear technologies, and
radiological protection, Subcommittee SC 2, Radiological protection.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 20785-1:2006), which has been
technically revised.
ISO 20785 consists of the following parts, under the general title Dosimetry for exposures to cosmic
radiation in civilian aircraft:
— Part 1: Conceptual basis for measurements
— Part 2: Characterization of instrument response
Measurements at aviation altitudes is to form the subject of a future Part 3.
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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
[1]
recommendations of the International Commission on Radiological Protection in Publication 60,
[2]
confirmed by Publication 103, the European Union (EU) introduced a revised Basic Safety Standards
[3]
Directive which included exposure to natural sources of ionizing radiation, including cosmic radiation,
as occupational exposure. The 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:
(i) to assess the exposure of the crew concerned; (ii) to take into account the assessed exposure when
organizing working schedules with a view to reducing the doses of highly exposed crews; (iii) to inform
the workers concerned of the health risks their work involves; and (iv) 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 put 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 dosemeters 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 fold these values with flight and staff roster information to obtain estimates of
effective doses for individuals. This approach is supported by guidance from the European Commission
[4]
and the ICRP in Publication 75.
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 by measurements traceable to national standards. 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 radiation workers. Ambient dose equivalent rate as a function of
geographic location, altitude and solar cycle phase is then calculated and folded with flight and staff
roster information.
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 must be
performed using accurate and reliable methods that ensure the quality of readings provided to workers
and regulatory authorities. This part of ISO 20785 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 part of ISO 20785 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.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 20785-1:2012(E)
Dosimetry for exposures to cosmic radiation in civilian
aircraft —
Part 1:
Conceptual basis for measurements
1 Scope
This part of ISO 20785 gives 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 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
2.1 General
2.1.1
calibration
operation that, under specified conditions, establishes a relation between the conventional quantity, H ,
and the indication, G
Note 1 to entry: A calibration may be expressed by a statement, calibration function, calibration diagram,
calibration curve, or calibration table. In some cases, it may 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.
2.1.2
calibration coefficient
N
coeff
quotient of the conventional quantity value to be measured and the corrected indication of the instrument
Note 1 to entry: The calibration coefficient is equivalent to the calibration factor multiplied by the instrument constant.
Note 2 to entry: The reciprocal of the calibration coefficient, N , is the response.
coeff
Note 3 to entry: For the calibration of some instruments, e.g. ionization chambers, the instrument constant and
the calibration factor are not identified separately but are applied together as the calibration coefficient.
Note 4 to entry: It is necessary, in order to avoid confusion, to state the quantity to be measured, for example:
the calibration coefficient with respect to fluence, N , the calibration coefficient with respect to kerma, N , the
Φ K
calibration coefficient with respect to absorbed dose, N .
D
2.1.3
indication
G
quantity value provided by a measuring instrument or a measuring system
Note 1 to entry: An indication can be presented in visual or acoustic form or can be transferred to another device.
An indication is often given by the position of a pointer on the display for analogue outputs, a displayed or printed
number for digital outputs, a code pattern for code outputs, or an assigned quantity value for material measures.
Note 2 to entry: An indication and a corresponding value of the quantity being measured are not necessarily
values of quantities of the same kind.
2.1.4
reference conditions
conditions of use prescribed for testing the performance of a detector assembly or for comparison of
results of measurements
Note 1 to entry: The reference conditions represent the values of the set of influence quantities for which the
calibration result is valid without any correction.
Note 2 to entry: The value of the measurand may be chosen freely in agreement with the properties of the
detector assembly to be calibrated. The quantity to be measured is not an influence quantity but may influence
the calibration result and the response.
2.1.5
response
R
quotient of the indication, G, or the corrected indication, G , and the conventional quantity value
corr
to be 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 quantity
corr
to be measured, for example: the response with respect to fluence, R , the response with respect to kerma, R , the
Φ K
response with respect to absorbed dose, R .
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 may 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.
2.2 Quantities and units
2.2.1
particle fluence
fluence
Φ
number, dN, at a given point of 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 .
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Note 2 to entry: The energy distribution of the particle fluence, Φ , is the quotient, dΦ, by dE, where dΦ is the
E
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 can be written
Ω
(with arguments) Φ (E,Ω), where the subscripts characterize the variables (quantities) for differentiation and
E,Ω
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
0 E 0
no special values are indicated, the brackets may be omitted.
2.2.2
particle fluence rate
fluence rate

Φ
rate of the particle fluence 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 .
2.2.3
energy imparted
ε
for ionizing radiation in the matter within a given three-dimensional domain,
εε=
∑ i
where
ε is the energy deposited in a single interaction, i, and given by ε = ε – ε + Q, where
i i in out
ε is the energy of the incident ionizing particle, excluding rest energy,
in
ε is the sum of the energies of all ionizing particles leaving the interaction, excluding rest
out
energy, and
Q is the change in the rest energies of the nucleus and of all particles involved in the interaction
Note 1 to entry: Energy imparted is a stochastic quantity.
Note 2 to entry: The unit of the energy imparted is J.
2.2.4
mean energy imparted
ε
mean energy imparted to the matter in a given domain, expressed as
ε =−RR + Q
in out ∑
where
R is the radiant energy of all those charged and uncharged ionizing particles that enter the
in
domain,
R is the radiant energy of all those charged and uncharged ionizing particles that leave the
out
domain, and
∑Q is the sum of all changes of the rest energy of nuclei and elementary particles that occur in
that domain
Note 1 to entry: This quantity has the meaning of expected value of the energy imparted.
Note 2 to entry: The unit of the mean energy imparted is J.
2.2.5
specific energy imparted
specific energy
z
for any ionizing radiation,
ε
z =
m
where
ε is the energy imparted to the irradiated matter,
m is the mass of the irradiated matter
Note 1 to entry: Specific energy imparted is a stochastic quantity.
Note 2 to entry: In the limit of a small domain, the mean specific energy imparted is equal to the absorbed dose.
Note 3 to entry: The specific energy imparted can be the result of one or more (energy-deposition) events.
–1
Note 4 to entry: The unit of specific energy is J⋅kg , with the special name gray (Gy).
2.2.6
absorbed dose
D
for any ionizing radiation,
dε
D=
dm
where
is the mean energy imparted by ionizing radiation to an element of irradiated matter of mass
dε
dm, where
ε = Dmd
∫
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).
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2.2.7
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).
2.2.8
unrestricted linear energy transfer
linear energy transfer
LET
L
Δ
for an ionizing charged particle, the mean energy, dE , imparted locally to matter along a small path
Δ
through the matter minus the sum of the kinetic energies of all the electrons released with kinetic
energies in excess of Δ, divided by the length, dl:
dE
Δ
L =
Δ
dl
Note 1 to entry: This quantity is not completely defined unless Δ is specified, i.e. the maximum kinetic energy of
secondary electrons whose energy is considered to be “locally deposited”. Δ may be expressed in eV.
Note 2 to entry: Linear energy transfer is often abbreviated LET, but to which should be appended the subscript
Δ or its numerical value.
−1 −1
Note 3 to entry: The unit of the linear energy transfer is J m , a frequently used unit is keV μm .
Note 4 to entry: If no energy cut-off is imposed, the unrestricted linear energy transfer L is equal to the linear
∞
electronic stopping power S and may be denoted simply as L.
el
2.2.9
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).
2.2.10
single-event dose-mean specific energy
dose-mean specific energy per event
z
D
expectation
∞
zz= dz()dz
D 1
∫
where d (z)is the dose probability density of z
Note 1 to entry: The dose probability density of z is given by d (z), where d (z) dz is the fraction of the absorbed
1 1
dose delivered in single events with specific energies in the interval from z to z+dz.
2.2.11
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 .
2.2.12
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.
2.2.13
ambient dose equivalent
H*(10)
dose equivalent 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).
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2.2.14
particle-fluence-to-ambient-dose-equivalent conversion coefficient
h∗
Φ
quotient of the particle ambient dose equivalent, H*(10), and the particle fluence, Φ:
H∗()10
h∗=
Φ
Φ
2 −1
Note 1 to entry: The unit of the particle-fluence-to-ambient-dose-equivalent conversion coefficient is J m kg
2 2
with the special name Sv m , a frequently used unit is pSv cm .
2.2.15
atmosphere depth
X
v
mass of a unit-area column of air above a point in the atmosphere
−2 −2
Note 1 to entry: The unit of atmosphere depth is kg m ; a frequently used unit is g cm .
2.2.16
standard barometric altitude
pressure altitude
altitude determined by a barometric altimeter calibrated with reference to the International Standard
Atmosphere (ISA) (ISO 2533, Standard Atmosphere) when the altimeter’s datum is set to 1 013,25 hPa
Note 1 to entry: The flight level is sometimes given as FL 350, where the number represents multiples of 100 ft of
pressure altitude, based on the ISA and a datum setting of 1 013,25 hPa. However, in some countries flight levels
are expressed in meters, in which case appropriate conversions should be made before applying the data given in
this International Standard.
2.2.17
magnetic rigidity
P
momentum per charge (of a particle in a magnetic field), given by
p
P=
Ze
where
p is the particle momentum,
Z is the number of charges on the particle, and
e is the charge on the proton
–1
Note 1 to entry: The base unit of magnetic rigidity is the tesla metre (T⋅m) ( = V⋅m ⋅s). A frequently used unit is
V (or GV) in a system of units where the values of the speed of light, c, and the charge on the proton, e, are both 1,
and the magnetic rigidity is given by pc/Ze.
Note 2 to entry: Magnetic rigidity characterizes charged-particle trajectories in magnetic fields. All particles having
the same magnetic rigidity have identical trajectories in a magnetic field, independent of particle mass or charge.
2.2.18
geomagnetic cut-off rigidity
cut-off rigidity
r
c
minimum magnetic rigidity an incident particle can have and still penetrate the geomagnetic field to
reach a given location above the Earth
Note 1 to entry: Geomagnetic cut-off rigidity depends on angle of incidence. Often, vertical incidence to the Earth’s
surface is assumed, in which case the vertical geomagnetic cut-off rigidity is the minimum magnetic rigidity a
vertically incident particle can have and still reach a given location above the Earth.
2.2.19
vertical geomagnetic cut-off rigidity
vertical cut-off
cut-off
minimum magnetic rigidity a vertically incident particle can have and still reach a given location
above the Earth
2.3 Atmospheric radiation field
2.3.1
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
2.3.2
primary cosmic radiation
primary cosmic rays
cosmic radiation incident from space at the Earth’s orbit
2.3.3
secondary cosmic radiation
secondary cosmic rays
cosmogenic particles
particles which are created directly or in a cascade of reactions by primary cosmic rays 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.
2.3.4
galactic cosmic radiation
galactic cosmic rays
GCR
cosmic radiation originating outside the solar system
2.3.5
solar particles
solar cosmic radiation
solar cosmic rays
cosmic radiation originating from the sun
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2.3.6
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.
2.3.7
ground-level enhancement
GLE
sudden increase of cosmic radiation observed on the ground by at least two neutron monitor stations
recording simultaneously a greater than 1 % 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.
2.3.8
solar modulation
change of the GCR field (outside the Earth’s magnetosphere) caused by change of solar activity and
consequent change of the magnetic field of the heliosphere
2.3.9
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.
2.3.10
relative sunspot number
Wolf number
measure of sunspot activity, computed from the expression k(10g + f ), where f is the number of individual
spots, g the number of groups of spots and k a factor that varies with the observer’s personal experience
of recognition and with the observatory (location and instrumentation)
2.3.11
solar maximum
time period of maximum solar activity during a solar cycle, usually defined in terms of relative
sunspot number
2.3.12
solar minimum
time period of minimum solar activity during a solar cycle, usually defined in terms of relative
sunspot number
2.3.13
cosmic ray neutron monitor
ground level neutron monitor
cosmic radiation neutron monitor
GLNM
large detector used to measure the time-dependent relative fluence rate of high-energy cosmic radiation,
in particular the secondary neutrons generated in the atmosphere (protons, other hadrons and muons
may 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.
3 General considerations
3.1 General description of 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
[5][6] 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 for low geomagnetic cut-off and low solar activity is
approximately 90 % protons, 9 % He ions, 1 % heavier nuclei; at a vertical cut-off of 15 GV, the composition
[7][8]
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 events (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.
10 © ISO 2012 – All rights reserved

Key
X altitude (km)
Y ambient dose equivalent rate (μSv/h)
[9]
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
3.2 General calibration considerations for the dosimetry of cosmic radiation fields in
aircraft
3.2.1 Approach
The general approach necessary for measurement and calibration is given here. Details of calibration
fields and procedures are given in ISO 20785-2.
3.2.2 Considerations concerning the measurement
[10]
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.
3.2.3 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 may 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 the instruments used be fully characterized at
national standards laboratories where possible, and thus that full traceability is established.
Definitions of terms and details of normal procedures used in the calibration and use of measurement
[87] [88]
devices are given in various ISO and ICRU documents (for instance, ISO 4037-3 , ISO 8529-3 ,
[10]
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 depends
[83]
upon the procedure for measurement and analysis. Details are given in ISO/IEC Guide 98-3 .
3.2.4 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
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.
12 © ISO 2012 – All rights reserved

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
[11][12][13]
with the setting of the low-LET threshold of TEPCs and other devices. Quasi-monoenergetic
[14][15][16][17][18]
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, use can be made by using a traceable technique to measure the particle fluence and
convert it to ambient dose equivalent by applying fluence to dose conversion factors.
3.2.5 Simulated aircraft fields
3.2.5.1 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
[19][20][21]
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 been calculated
[22]
by using the Monte Carlo code FLUKA. A number of mul
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 20785-1
Deuxième édition
2012-12-15
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
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Termes et définitions . 1
2.1 Généralités . 1
2.2 Grandeurs et unités . 2
2.3 Champ de rayonnement atmosphérique . 8
3 Considérations générales .10
3.1 Description générale du champ de rayonnement cosmique dans l’atmosphère .10
3.2 Considérations générales d’étalonnage pour la dosimétrie des champs de rayonnement
cosmique à bord d’un avion .11
3.3 Coefficients de conversion .14
4 Dispositifs dosimétriques .14
4.1 Introduction .14
4.2 Dispositifs actifs .14
4.3 Dispositifs passifs .18
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 rigidité de
[80]
coupure verticale minimale et maximale .21
Bibliographie .25
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 (CEI) en ce qui concerne
la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives
ISO/CEI, Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d’élaborer les Normes internationales. Les projets de
Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote.
Leur publication comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins des comités
membres votants.
L’attention est appelée 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.
L’ISO 20785-1 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 85, Énergie nucléaire, technologies nucléaires,
et radioprotection, sous-comité SC 2, Radioprotection.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 20785-1:2006), qui a fait l’objet
d’une révision technique
L’ISO 20785 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Dosimétrie pour les
expositions au rayonnement cosmique à bord d’un avion civil:
— Partie 1: Fondement théorique des mesurages
— Partie 2: Caractérisation de la réponse des instruments
Les mesurages à des altitudes de vol d’un avion feront l’objet d’une future partie 3.
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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 radiologique
[1] [2]
dans la Publication 60 , confirmées par la Publication 103 , l’Union Européenne (UE) a établi la
[3]
révision d’une Directive relative aux normes de sécurité de base , classant parmi les expositions
professionnelles le cas de l’exposition aux sources naturelles de rayonnement ionisant, y compris le
rayonnement cosmique. La Directive requiert 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: (i) évaluation de l’exposition du personnel concerné, (ii) prise en compte de l’exposition
évaluée lors de l’organisation des programmes de travail, en vue de réduire les doses du personnel
navigant fortement exposé, (iii) information aux travailleurs concernés sur les risques pour la santé que
leur travail implique et (iv) application des 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
recommendations 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 et 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 par la
[4]
directive de la Commission Européenne et la CIPR dans la Publication 75 .
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 par des
mesurages traçables à des étalons nationaux. 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. Le débit d’équivalent de dose ambiant en fonction des
coordonnées géographiques, de l’altitude et de la phase du cycle solaire, est ensuite calculé et combiné
aux informations concernant le vol et le tableau de service du personnel.
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 milliers de
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. Les mesurages dosimétriques
effectués pour évaluer l’équivalent de dose ambiant doivent être réalisés à l’aide de méthodes précises
et fiables qui assurent la qualité des relevés fournis aux travailleurs et aux autorités de réglementation.
La présente partie de l’ISO 20785 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
des 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.
La présente partie de l’ISO 20785 est destinée à être utilisée par les laboratoires d’étalonnages
primaire et secondaire 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.
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NORME INTERNATIONALE ISO 20785-1:2012(F)
Dosimétrie pour l’exposition au rayonnement cosmique à
bord d’un avion civil —
Partie 1:
Fondement théorique des mesurages
1 Domaine d’application
La présente partie de l’ISO 20785 donne 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 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
2.1 Généralités
2.1.1
étalonnage
opération qui dans des conditions spécifiées établit une relation entre la grandeur classique, H , et
l’indication G
Note 1 à l’article: Un étalonnage peut être exprimé par un rapport, une fonction d’étalonnage, un diagramme
d’étalonnage, une courbe d’étalonnage ou une table d’étalonnage. Dans certains cas, il peut consister en une
correction par addition ou multiplication de l’indication avec l’incertitude de mesure associée.
Note 2 à l’article: Il est recommandé que l’étalonnage ne soit pas confondu avec un réglage d’un système de mesure,
souvent appelé par erreur «auto-étalonnage» ou avec une vérification d’étalonnage.
Note 3 à l’article: Souvent, la première étape seule dans la définition ci-dessus est perçue comme étant l’étalonnage.
2.1.2
coefficient d’étalonnage
N
coeff
quotient de la valeur conventionnelle d’une grandeur à mesurer et de l’indication corrigée de l’instrument
Note 1 à l’article: Le coefficient d’étalonnage est équivalent au facteur d’étalonnage multiplié par la constante de
l’instrument.
Note 2 à l’article: Le réciproque du coefficient d’étalonnage, N , est la réponse.
coeff
Note 3 à l’article: Pour l’étalonnage de quelques instruments, par exemple les chambres d’ionisation, la constante
de l’instrumentet le facteur d’étalonnage ne sont pas identifiés séparément, mais sont appliqués ensemble comme
le coefficient d’étalonnage.
Note 4 à l’article: Il est nécessaire, pour éviter la confusion, de définir la quantité à mesurer, par exemple le
coefficient d’étalonnage en ce qui concerne la fluence, N , le coefficient d’étalonnage en ce qui concerne le kerma,
Φ
N , le coefficient d’étalonnage en ce qui concerne la dose absorbée, N .
K D
2.1.3
indication
G
valeur de quantité fournie par un appareil de mesure ou un système de mesure
Note 1 à l’article: Une indication peut être présentée sous forme visuelle ou acoustique, ou peut être transférée
à un autre dispositif. Une valeur de quantité est souvent donnée par la position d’un pointeur sur un cadran
d’affichage pour des sorties analogiques, ou par l’affichage d’un nombre visualisé ou imprimé pour des sorties
numériques, ou par une valeur de code pour des sorties codifiées ou par une valeur de grandeur associée à des
mesures matérielles.
Note 2 à l’article: Une indication et une valeur correspondante de la quantité mesurée ne sont pas nécessairement
des valeurs de quantités de la même sorte.
2.1.4
conditions de référence
conditions d’utilisation prédéterminées pour soumettre à essai les performances d’un ensemble de
détecteur ou pour une comparaison des résultats de mesure
Note 1 à l’article: Les conditions de référence représentent les valeurs de l’ensemble de grandeurs d’influence
pour lesquelles le résultat d’étalonnage est valide sans aucune correction.
Note 2 à l’article: La valeur du mesurande peut être choisie librement en accord avec les propriétés de l’ensemble
de détecteur devant être étalonné. La grandeur devant être mesurée n’est pas une grandeur d’influence mais peut
influer sur le résultat d’étalonnage et la réponse.
2.1.5
réponse
R
quotient de l’indication, G, ou de l’indication corrigée, G , et de la valeur de grandeur classique à mesurer
corr
Note 1 à l’article: Pour éviter une confusion, il est nécessaire de spécifier lequel des quotients, donnés dans
la définition de la réponse (selon l’indication G ou selon l’indication corrigée G ) est appliqué. De plus, il est
corr
nécessaire, de manière à éviter une confusion, d’établir la grandeurà mesurer, par exemple: la réponse par rapport
à la fluence, R , la réponse par rapport au kerma, R , la réponse par rapport à la dose absorbée, R .
Φ 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 avec l’ampleur de la grandeur à mesurer. Dans de tels cas, la
réponse de l’ensemble de détecteur est dite être 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.
2.2 Grandeurs et unités
2.2.1
fluence de particules
fluence
Φ
à un point donné dans l’espace, le nombre, dN, de particules incidentes sur un petit domaine sphérique
divisé par la section, da, de ce domaine
dN
Φ =
da
−2 −2
Note 1 à l’article: L’unité de la fluence de particules est le m , cm constitue une unité d’usage courant.
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Note 2 à l’article: La distribution en énergie de la fluence de particules, Φ , est le quotient dΦ par dE, où dΦ est la
E
fluence des particules d’énergie 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 différentielle
Ω
double peut s’écrire (avec les arguments) Φ (E, Ω), où les indices caractérisent les variables (grandeurs) de
E, Ω
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 valeur
0 E 0
spéciale, les parenthèses ne sont pas nécessaires.
2.2.2
débit de fluence de particules
débit de fluence

Φ
taux de fluence de particules 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 −2
Note 1 à l’article: L’unité du débit de fluence est le m /s, le cm /s constitue une unité d’usage courant.
2.2.3
énergie impartie
ε
pour un rayonnement ionisant dans la matière au sein d’un domaine en trois dimensions
εε=
∑ i
où
ε est l’énergie déposée en une seule interaction, i, et est donné par ε = ε – ε + Q, où
i i in out
ε est l’énergie de la particule ionisante incidente, à l’exclusion de l’énergie restante,
in
ε est la somme des énergies de toutes les particules ionisantes quittant l’interaction, à l’excep-
out
tion de l’énergie restante, et
Q est la variation dans les énergies restantes du noyau et de toutes les particules impliquées
dans l’interaction
Note 1 à l’article: L’énergie impartie est une grandeur stochastique.
Note 2 à l’article: L’unité de l’énergie impartie est le Joule (J).
2.2.4
énergie impartie moyenne
ε
énergie impartie moyenne à la matière dans un domaine donné, exprimée par
ε =−RR + Q
in out ∑
où
R est l’énergie radiante de toutes les particules ionisantes chargées et non chargées qui entrent
in
dans le domaine,
R est l’énergie radiante de toutes ces particules ionisantes chargées et non chargées qui quittent
out
le domaine, et
∑Q est la somme de toutes les variations de l’énergie restante des noyaux et des particules élé-
mentaires qui se produisent dans ce domaine
Note 1 à l’article: Cette grandeur désigne la valeur moyenne attendue de l’énergie impartie.
Note 2 à l’article: L’unité de l’énergie impartie moyenne est le Joule (J).
2.2.5
énergie spécifique impartie
z
pour tout rayonnement ionisant,
ε
z=
m
où
ε est l’énergie impartie à la matière irradiée,
m est la masse de la matière irradiée
Note 1 à l’article: L’énergie spécifique impartie est une grandeur stochastique.
Note 2 à l’article: Dans la limite d’un petit domaine, l’énergie spécifique moyenne impartie est égale à la dose absorbée.
Note 3 à l’article: L’énergie spécifique impartie peut être due à un ou plusieurs événements (dépôt d’énergie).
Note 4 à l’article: L’unité de l’énergie spécifique est le Joule par kilogramme (J/kg)et son équivalent est le gray (Gy).
2.2.6
dose absorbée
D
pour tout rayonnement ionisant
dμ
D=
dm
où
est l’énergie moyenne impartie par un rayonnement ionisant à un élément d’une matière irradiée
dε
présentant la masse dm, où
ε = Dmd
∫
Note 1 à l’article: Dans la limite d’un petit domaine, l’énergie spécifique moyenne est égale à la dose absorbée.
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).
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2.2.7
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 valeur dE comprend l’énergie cinétique des particules chargées émise dans le ralentissement
tr
des atomes ou des molécules ou des noyaux excités.
Note 2 à l’article: L’unité du kerma est le Joule par kilogramme (J/kg) et son équivalent est le gray (Gy).
2.2.8
transfert linéique d’énergie non limité
transfert linéique d’énergie
TLE
L
Δ
pour une particule chargée ionisante, l’énergie moyenne dE impartie localement à une matière le long
Δ
d’un petit trajet à travers la matière, moins la somme des énergies cinétiques de tous les électrons libérés
avec les énergies cinétiques dépassant Δ, divisée par la longueur dl
dE
Δ
L =
Δ
dl
Note 1 à l’article: Cette valeur n’est pas totalement définie à moins que Δ soit spécifié, c’est-à-dire l’énergie
cinétique maximale des électrons secondaires dont l’énergie est considérée être «localement déposée». Δ peut
être exprimé en eV.
Note 2 à l’article: Le transfert linéique d’énergie est souvent abrégé par TLE, mais auquel il est recommandé
d’ajouter l’indice Δ ou sa valeur numérique.
Note 3 à l’article: L’unité du transfert linéique d’énergie est le Joule par mètre (J/m), le kiloélectron-volt par
micromètre (keV/μm) constitue une unité d’usage courant.
Note 4 à l’article: Si aucune interruption d’énergie n’est imposée, le transfert linéique d’énergie non limité, L est
∞
égal à le pouvoir d’arrêt électronique linéaire, S , et peut être désigné simplement par L.
el
2.2.9
équivalent de dose
H
au point concerné dans le tissu
HD= Q
où
D est la dose absorbée,
Q est le facteur de qualité à 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 par L ou LET),
∞
de particules chargées traversant un élément de faible volume (domaines) au niveau de ce point (la valeur de L est
∞
donnée pour les particules chargées dans l’eau, pas dans le tissu. La différence cependant est faible). L’équivalent
de dose à un point dans le tissu est alors donné par l’équation ci-dessus où D = dD/dL est la distribution en
L
fonction de L de la dose absorbée au point concerné.
[2]
Note 2 à l’article: La relation de Q et L est donnée dans la publication 103 de la CIPR (CIPR, 2007) .
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).
2.2.10
énergie spécifique moyenne en dose par événement
énergie spécifique moyenne en dose par événement unique
z
D
espérance
∞
zz= dz()dz
D 1
∫
où d (z) est la densité de probabilité en dose de z
Note 1 à l’article: La densité de probabilité en dose de z est donnée par d (z), où d (z) est la fraction de la dose
1 1
absorbée délivrée lors d’événements uniques avec des énergies spécifiques dans l’intervalle de z à z+dz.
2.2.11
énergie linéale
y
quotient de l’énergie, ε , impartie à la matière dans un volume donné par un dépôt d’énergie unique par
s
la longueur de corde moyenne, l , dans ledit volume:
ε
s
y=
l
Note 1 à l’article: L’unité de l’énergie linéale est le Joule par mètre (J/m), le kiloélectron-volt par micromètre
(keV/µm) constitue une unité d’usage courant.
2.2.12
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) 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: La distribution d( y) et y sont indépendantes de la dose absorbée ou du débit de dose.
D
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2.2.13
équivalent de dose ambiant
H*(10)
équivalent de dose en un point dans un champ de rayonnement, qui serait produit par le champ expansé
et unidirectionnel correspondant, dans la sphère ICRU, à une profondeur de 10 mm sur le rayon faisant
face à la direction du champ unidirectionnel
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).
2.2.14
coefficient de conversion fluence de particules-équivalent de dose ambiant
h*
Φ
quotient de l’équivalent de dose ambiant, H*(10), et de la fluence de particules, Φ:
H*(10)
h* =
Φ
Φ
Note 1 à l’article: L’unité du coefficient de conversion fluence de particules-équivalent de dose ambiant est le
2 2 2
J⋅m /kg, et son équivalent est le Sv⋅m , le Sv⋅cm constitue une unité d’usage courant.
2.2.15
profondeur atmosphérique
X
v
masse d’une colonne atmosphérique par surface unitaire au-dessus d’un point donné dans l’atmosphère
2 2
Note 1 à l’article: L’unité de la profondeur atmosphérique est le kg/m , g/cm constitue une unité d’usage courant.
2.2.16
altitude barométrique étalon
pression d’altitude
altitude déterminée par un altimètre barométrique étalonné par référence à l’atmosphère type
Internationale (ISA) (ISO, 1975) lorsque les données de l’altimètre sont établies à 1013,25 hPa.
Note 1 à l’article: Le niveau de vol est parfois donné sous la forme FL 350, où le numéro représente les multiples
de 100 pieds d’altitude-pression, sur la base de l’atmosphère ISA et d’un paramétrage de données à 1013,25
hPa. Cependant, dans certains pays, les niveaux de vol sont exprimés en mètres, auquel cas il convient que les
conversions appropriées soient réalisées avant d’appliquer les données communiquées dans la présente Norme
internationale.
2.2.17
rigidité magnétique
P
quantité de mouvement par charge d’une particule dans un champ magnétique donné par:
p
P=
Ze
où
p est la quantité de mouvement de la particule,
Z est le nombre de charge sur la particule, et
e est la charge du proton
-1
Note 1 à l’article: L’unité de la rigidité magnétique est tesla-mètre (T⋅m) = (V m s). Une unité d’usage courant est
le V (ou GV) dans un système d’unités où les valeurs de la vitesse de la lumière, c, et la charge sur le proton, e, sont
toutes deux de 1et la rigidité magnétique est donnée par pc/Ze.
Note 2 à l’article: La rigidité magnétique caractérise des trajectoires de particules chargées dans des champs
magnétiques. Toutes les particules en présence de la même rigidité magnétique auront des trajectoires identiques
dans un champ magnétique sous vide, indépendantes de la masse, de la vitesse ou de la charge des particules.
2.2.18
rigidité de coupure géomagnétique
rigidité de coupure
r
c
rigidité magnétique minimale potentielle pour une particule incidente, pénétrant effectivement le
champ géomagnétique pour atteindre un emplacement donné au-dessus de la surface de la Terre
Note 1 à l’article: La rigidité de coupure magnétique dépend de l’angle d’incidence. Souvent, l’incidence verticale
à la surface de la Terre est supposée, auquel cas, la rigidité de coupure géomagnétique verticale représente la
rigidité magnétique minimale potentielle pour une particule incidente verticale, atteignant effectivement un
emplacement donné au-dessus de la surface de la Terre.
2.2.19
rigidité de coupure géomagnétique verticale
coupure verticale
coupure
rigidité magnétique minimale potentielle pour une particule incidente verticale, atteignant effectivement
un emplacement donné au-dessus de la surface de la Terre
2.3 Champ de rayonnement atmosphérique
2.3.1
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
2.3.2
rayonnement cosmique primaire
rayons cosmiques primaires
rayons cosmiques provenant de l’espace au niveau de l’orbite terrestre
2.3.3
rayonnement cosmique secondaire
rayons cosmiques secondaires
particules d’origine cosmique
particules créées, directement ou par des réactions en cascade, par les rayons cosmiques primaires
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.
2.3.4
rayonnement cosmique galactique
rayons cosmiques galactiques
GCR
rayons cosmiques provenant de l’extérieur du système solaire
2.3.5
rayonnement cosmique solaire
rayons cosmiques solaires
particules solaires
rayons cosmiques provenant du Soleil
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2.3.6
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
2.3.7
augmentation au niveau du sol
GLE
augmentation soudaine du rayonnement cosmique, observé au niveau du sol par au moins deux stations
de surveillance des neutrons enregistrant simultanément une augmentation supérieure à 1 % 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.
2.3.8
modulation solaire
variation du champ de rayonnement cosmique galactique (à l’extérieur de la magnétosphère terrestre),
due à un changement de l’activité solaire et à la modification associée du champ magnétique de
l’héliosphère
2.3.9
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 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 d’activité solaire, tel que mesuré par le nombre de taches solaires relatif, connu en
tant que nombre de Wolf, dure environ 11 ans, mais ce chiffre varie entre environ 7 ans et 17 ans. Un cycle
approximatif de 11 ans a été observé ou proposé pour le géomagnétisme, la fréquence des aurores polaires 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.
2.3.10
nombre de taches solaires relatif
nombre de Wolf
mesurage d’activité des taches solaires, calculée à partir de l’expression k(10g + f ), où f est le nombre de taches
individuelles, g est le nombre de groupes de taches et k est un facteur qui varie en fonction de l’expérience
personnelle de reconnaissance de l’observateur et de l’observatoire (emplacement et instruments)
2.3.11
période d’activité maximale du cycle solaire
période d’activité solaire maximale au cours d’un cycle solaire, généralement définie en termes de
nombre de taches solaires relatif
2.3.12
période d’activité minimale du cycle solaire
période d’activité solaire minimale au cours d’un cycle solaire, généralement définie en termes de
nombre de taches solaires relatif
2.3.13
moniteur neutronique de rayons cosmiques
moniteur neutronique au niveau du sol
GLNM
détecteur de grande taille utilisé pour mesurer le débit de fluence relatif en fonction du temps des
rayons cosmiques de haute énergie, 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 divers emplacements et altitudes à la surface de la Terre (et éventuellement à bord
de navires ou d’avions), des moniteurs neutroniques de rayons cosmiques sont utilisés pour les diverses études
menées sur le rayonnement cosmique et pour déterminer les fluctuations de l’activité solaire.
3 Considérations générales
3.1 Description générale du 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 altitudes de vol des
[5][6]
avions jusqu’au niveau de la mer . Le rayonnement cosmique galactique (CGR) peut avoir des
énergies jusqu’à 10 eV, mais les particules de plus faible énergie sont les plus abondantes. Une fois que
le rayonnement cosmique galactique 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,
-2,7
selon l’activité magnétique solaire, et le spectre suit une fonction de puissance de la forme E eV jusqu’à
15 -3
10 eV. Au-delà de ce niveau d’énergie, la courbe du spectre s’établit en E eV. Le débit de fluence du
rayonnement cosmique galactique pénétrant dans le système solaire est relativement constant dans le
temps, et ces ions énergétiques arrivent à la surface de la Terre de façon isotropique.
Les champs magnétiques terrestre et solaire affectent également le nombre relatif de protons du
rayonnement cosmique galactique, ainsi que celui des ions plus lourds qui atteignent l’atmosphère. La
composition en ions du rayonnement cosmique galactique pour une coupure géomagnétique peu élevée
et une activité solaire faible est approximativement de 90 % de protons, de 9 % d’ions He, de 1 % de
noyaux plus lourds. À une coupure verticale de 15 GV, la composition est d’environ 83 % de protons, de
[7][8]
15 % d’ions He et de près de 2 % d’ions plus lourds .
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 à 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 la projection 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 de particules solaires, ou événements de protons solaires (tous deux abrégés sous la forme
SPE), est bien moins élevée que celle du rayonnement cosmique galactique: généralement au-dessous de
100 MeV et très rarement au-dessus de 10 GeV. Les événements de particules/de protons solaires sont de
courte durée, de quelques heures à quelques jours, et d’intensité très variable. Seule une petite fraction
d’événements 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 événements au niveau du sol (ou GLE). Pour le personnel navigant, la dose cumulée due
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au rayonnement cosmique galactique est bien plus élevée que la dose due aux SPE. Des SPE intenses
peuvent affecter les débits de dose dus au rayonnement cosmique galactique 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)
[9]
Conditions: coupure de 1 GV et en période d’activité solaire minimale (potentiel de décélération, of 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
3.2 Considérations générales d’étalonnage pour la dosimétrie des champs de rayonne-
ment cosmique à bord d’un avion
3.2.1 Approche
L’approche générale de mesurage et d’étalonnage appliquée est donnée ici. Les détails relatifs aux
domaines et aux modes opératoires d’étalonnage seront donnés dans l’ISO 20785-2.
3.2.2 Considérations relatives au mesurage
L’équivalent de dose ambiant ne peut pas être mesuré directement par les méthodes dosimétriques
[10]
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
méthode 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 également directement le facteur de qualité dépendant du TLE. Ce
mesurage ne permet toutefois pas de déterminer la grandeur.
La dosimétrie du rayonnement à bord d’un avion requiert l’application de techniques spécifiques de mesurage
et de calcul. 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.
3.2.3 Considérations relatives au champ de rayonnement
Le champ comprend principalement des photons, électrons, positrons, muons, protons et neutrons. La
contribution des particules primaires énergétiques fortement chargées (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 via une force électromagnétique. Les neutrons (et 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 interactions fortes 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
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 du facteur de qualité au TLE. Le facteur de qualité 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 compteur
...