Dosemetry for exposures to cosmic radiation in civilian aircraft — Part 1: Conceptual basis for measurements

ISO 20785-1:2006 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 de l'exposition au rayonnement cosmique dans l'aviation civile — Partie 1: Fondement théorique des mesurages

L'ISO 20785-1:2006 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Withdrawn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
30-Mar-2006
Withdrawal Date
30-Mar-2006
Current Stage
9599 - Withdrawal of International Standard
Start Date
14-Dec-2012
Completion Date
14-Dec-2012
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ISO 20785-1:2006 - Dosemetry for exposures to cosmic radiation in civilian aircraft
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ISO 20785-1:2006 - Dosimétrie de l'exposition au rayonnement cosmique dans l'aviation civile
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Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 20785-1
First edition
2006-04-01
Dosemetry for exposures to cosmic
radiation in civilian aircraft —
Part 1:
Conceptual basis for measurements
Dosimétrie de l'exposition au rayonnement cosmique dans l'aviation
civile —
Partie 1: Fondement théorique des mesurages
Reference number
ISO 20785-1:2006(E)
ISO 2006
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 20785-1:2006(E)
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Published in Switzerland
ii © ISO 2006 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 20785-1:2006(E)
Contents Page

Foreword............................................................................................................................................................ iv

Introduction ........................................................................................................................................................ v

1 Scope ..................................................................................................................................................... 1

2 Normative references ........................................................................................................................... 1

3 Terms, definitions and symbols.......................................................................................................... 1

3.1 Quantities and units ............................................................................................................................. 1

3.2 Atmospheric radiation field ................................................................................................................. 5

4 General considerations........................................................................................................................ 7

4.1 General description of the cosmic radiation field in the atmosphere............................................. 7

4.2 General calibration considerations for the dosemetry of cosmic radiation fields in aircraft....... 9

4.3 Conversion coefficients ..................................................................................................................... 11

5 Dosemetric devices ............................................................................................................................ 11

5.1 Introduction ......................................................................................................................................... 11

5.2 Active devices ..................................................................................................................................... 11

5.3 Passive devices .................................................................................................................................. 14

Annex A (informative) Representative particle fluence 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.............................................................................. 17

Bibliography ..................................................................................................................................................... 21

© ISO 2006 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 20785-1:2006(E)
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, Subcommittee SC 2,

Radiation protection.

ISO 20785 consists of the following parts, under the general title Dosemetry for exposures to cosmic radiation

in civilian aircraft:
⎯ Part 1: Conceptual basis for measurements

A Part 2 dealing with the characterization of instrument response is in preparation.

iv © ISO 2006 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 20785-1:2006(E)
Introduction

Aircraft crew 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

[1]

the International Commission on Radiological Protection in Publication 60 , the European Union (EU)

[2]

introduced a revised Basic Safety Standards 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 crew 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 crew; (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 crew 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.

For regulatory and legislative purposes, the radiation protection quantities of interest are equivalent dose (to

the foetus) and 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

[2], [3]

dosemeters for routine use are not considered necessary . The preferred approach for the assessment of

doses of aircraft crew, where necessary, is to calculate directly 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

[3]
the European Commission 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. 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 effective dose by the same computer code, but it

can be necessary to confirm this step in the process. 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

integrated with flight and staff roster information. The calculations of ambient dose equivalent rates or route

doses can then be validated by measurements traceable to national standards.

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, and the purpose of this International Standard is to give the conceptual basis for performing such

measurements and for the calibration of instruments used for this purpose. 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 dosemetric methods and

methods for the calibration of dosemetric devices, as well as the techniques for maintaining the traceability of

dosemetric measurements to national standards. Dosemetric measurements taken 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. The future Part 2 of ISO 20785 will give procedures for the

characterization of the response of instruments for the determination of ambient dose equivalent in aircraft.

© ISO 2006 – All rights reserved v
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ISO 20785-1:2006(E)

Requirements for the determination and recording of the cosmic radiation exposure of aircraft crew 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 International Standard 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 crew.

vi © ISO 2006 – All rights reserved
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 20785-1:2006(E)
Dosemetry 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 this

purpose.
2 Normative references

The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated

references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced

document (including any amendments) applies.

NOTE The documents published by the ICRP (International Commission on Radiological Protection) and the ICRU

(International Commission on Radiation and Measurements) are recognised by the ISO committee as having a wide

acceptance and authority status.
ICRU Report 60:1998, Fundamental Quantities and Units for Ionizing Radiation
3 Terms, definitions and symbols

For the purposes of this document, the following terms, definitions and symbols apply.

3.1 Quantities and units
3.1.1
particle fluence
fluence

quotient of dN by da, where dN is the number of particles incident on a sphere of cross-sectional area da

Φ =
−2 −2
NOTE 1 The unit of the particle fluence is m , a frequently used unit is cm .

NOTE 2 The energy distribution of the particle fluence, Φ , is the quotient dΦ by dE, where dΦ is 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 can be written (with arguments)

Φ E, Ω (E, Ω ), where the subscripts characterize the variables (quantities) for 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 the energy, E = E is written as Φ (E ). If no special values are indicated, the

0 E 0
brackets can be omitted.
© ISO 2006 – All rights reserved 1
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ISO 20785-1:2006(E)
3.1.2
particle fluence rate
fluence rate

quotient of dΦ by dt, where dΦ is the increment of particle fluence in the time interval dt:

ddΦ N
Φ==
ddta⋅dt
−2 −2

NOTE The unit of the particle fluence rate is m /s, a frequently used unit is cm /s.

3.1.3
energy imparted
energy imparted by ionizing radiation to the matter in a given volume
NOTE The unit of the energy imparted is J.
3.1.4
mean energy imparted

expectation value of the energy imparted by ionizing radiation to the matter in a given volume

NOTE The unit of the mean energy imparted is J.
3.1.5
specific energy imparted

quotient of ε by dm, where ε is the energy imparted by ionizing radiation to matter of mass dm:

z =
NOTE The unit of specific energy is J/kg, with the special name gray (Gy).
3.1.6
absorbed dose
quotient of dε by dm, where dε is the mean energy imparted to matter of mass dm:
D =
NOTE The unit of absorbed dose is J/kg, with the special name gray (Gy).
3.1.7
kerma

quotient of dE by dm, where dE is the sum of the initial kinetic energies of all the charged particles liberated

tr tr
by uncharged particles in the mass, dm, of material:
K =
NOTE The unit of kerma is J/kg, with the special name gray (Gy).
2 © ISO 2006 – All rights reserved
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ISO 20785-1:2006(E)
3.1.8
linear energy transfer
LET

quotient of dE by dl, where dE is the energy lost in a material by a charged particle due to electronic collisions

in traversing a distance dl:
L =

NOTE The unit of the linear energy transfer is J/m, a frequently used unit is keV/µm.

3.1.9
dose equivalent

product of Q and D at the point of interest in tissue, where D is the absorbed dose, Q is the quality factor at

that point, D is the distribution of the dose D in linear energy transfer L, and Q(L) is the quality factor as a

function of L in water:
H=⋅QD= Q()L D dL
NOTE 1 The unit of dose equivalent is J/kg, with the special name sievert (Sv).
NOTE 2 Values for the relationship Q(L) are given in ICRP Publication 60:1998.
3.1.10
dose-mean specific energy per event
single-event dose-mean specific energy

expectation value z = zd ()z dz , where d (z) is the dose probability density of z

D 1 1

NOTE The dose probability density of z is given by dz() =dD (z)/dz, where D (z) is the fraction of absorbed dose

11 1
per event delivered with specific energy less than or equal to z.
3.1.11
lineal energy

quotient of ε by l where ε is the energy imparted to the matter in a given volume by a single energy

s s
deposition event and l is the mean chord length in that volume:
y =
NOTE The unit of the lineal energy is J/m, a frequently used unit is keV/µm.
3.1.12
dose-mean lineal energy
expectation value yy= d()y dy , where d(y) is the dose probability density of y.

NOTE 1 The dose probability density of y is given by dy() =dD(y)/dy, where D(y) is the fraction of absorbed dose

delivered with lineal energy less than or equal to y.

NOTE 2 Both y and the distribution d(y) are independent of the absorbed dose or dose rate.

© ISO 2006 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 20785-1:2006(E)
3.1.13
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

NOTE The unit of the ambient dose equivalent is J/kg, with the special name sievert (Sv).

3.1.14
particle fluence-to-ambient dose equivalent conversion coefficient

quotient of the particle ambient dose equivalent, H*(10), and the particle fluence, Φ :

H (10)
h =

NOTE The unit of the particle fluence-to-ambient dose equivalent conversion coefficient is J⋅m /kg with the special

2 2
name Sv⋅m , a frequently used unit is Sv⋅cm .
3.1.15
indication
reading

〈of a measuring instrument〉 value of a quantity provided by a measuring instrument

NOTE 1 The value read from the displaying device can be called the direct indication; it is multiplied by the instrument

constant to give the indication.

NOTE 2 The quantity can be the measurand, a measurement signal, or another quantity to be used in calculating the

value of the measurand.

NOTE 3 It is necessary to document whether the indication (reading) is normalized to the reference conditions to

account for influence quantities and is corrected for intrinsic background and other factors.

3.1.16
response characteristic
response

quotient of the indication (reading), M, of the instrument, by the value of the quantity, X, to be measured by the

instrument, for a specified type, energy and direction distribution of radiation:

R =

NOTE 1 VIM says, as a note in the definition of “measurement signal”, that “the input signal to a measuring system

may be called the stimulus, the output signal may be called the response.” The term “response characteristic” is defined

as the “relationship between a stimulus and the corresponding response, for defined conditions”. In radiation metrology

generally, the term “response” is an abbreviated form of “response characteristic”.

NOTE 2 It is necessary, in order to avoid confusion, to state the type of response, e.g. fluence response (response with

respect to Φ):
R =
or, dose equivalent response (response with respect to dose equivalent H)
R =
4 © ISO 2006 – All rights reserved
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 20785-1:2006(E)
3.1.17
atmospheric depth
mass of a unit-area column of air above a point in the atmosphere
2 2
NOTE The unit of atmospheric depth is kg/m ; a frequently used unit is g/cm .
3.1.18
magnetic rigidity
rigidity
momentum per unit charge (of a particle in a magnetic field)

NOTE 1 The unit of rigidity is T⋅m. A frequently used unit is V (or GV) in a system of units where momentum, p, is given

in eV/c (or GeV/c), and where rigidity is c times momentum per unit charge, p⋅ c/Q.

NOTE 2 Rigidity is especially useful in characterizing 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 atomic

charge.
3.1.19
geomagnetic cut-off rigidity
cut-off rigidity

minimum magnetic rigidity an incident particle can have and still penetrate the geomagnetic field to reach a

given location above the Earth

NOTE Cut-off rigidity depends on angle of incidence. Often vertical incidence is assumed.

3.1.20
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
3.2 Atmospheric radiation field
3.2.1
cosmic radiation
cosmic rays
cosmic particles

ionizing radiation consisting of high-energy particles, primarily ionized nuclei, of extra-terrestrial origin and the

particles they generate by interaction with the atmosphere and other matter
3.2.2
primary cosmic radiation
primary cosmic rays
cosmic radiation incident from space
3.2.3
secondary cosmic radiation
secondary cosmic rays
cosmogenic particles

particles that are created, directly or in a cascade of reactions, by primary cosmic radiation interacting with the

atmosphere or other matter

NOTE 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.

© ISO 2006 – All rights reserved 5
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ISO 20785-1:2006(E)
3.2.4
galactic cosmic radiation
galactic cosmic rays
GCR
cosmic radiation originating outside the solar system
3.2.5
solar cosmic radiation
solar cosmic rays
solar particles
cosmic radiation originating from the sun
3.2.6
solar particle event
SPE

large fluence rate of energetic solar particles ejected into space by a solar eruption, or the sudden increase of

cosmic radiation observed when such particles arrive at Earth
3.2.7
ground level event
GLE

sudden increase of cosmic radiation, observed on the ground and at flight altitudes associated with a solar

particle event, having a high flux of particles with high energy (greater than 500 MeV)

NOTE GLEs are rare, occurring on average about once per year.
3.2.8
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
3.2.9
solar cycle

period during which the solar activity varies with successive maxima separated by an average interval of

about 11 years, the so-called solar cycle

NOTE 1 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.

NOTE 2 The sunspot cycle, as measured by the relative sunspot number, has an approximate length of 11 years, but

this varies between about 7 years 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.
3.2.10
relative sunspot number

measure of sunspot activity computed from the expression k(10 g + f), where f is the number of individual

spots, g is the number of groups of spots, and k is a factor that varies with the observer's personal experience

of recognition and with observatory (location and instrumentation)
NOTE The relative sunspot number is also known as the “Wolf number”.
3.2.11
solar maximum

time period of maximum solar activity during a solar cycle, usually defined in terms of the relative sunspot

number
6 © ISO 2006 – All rights reserved
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ISO 20785-1:2006(E)
3.2.12
solar minimum

time period of minimum solar activity during a solar cycle, usually defined in terms of the relative sunspot

number
3.2.13
cosmic ray neutron monitor
ground level 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, but can also include protons, other hadrons,

and muons

NOTE 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 General description of the cosmic radiation field in the atmosphere

The earth is continually bombarded by high-energy particles that come from outside the solar system, called

galactic cosmic radiation (GCR), and sporadically exposed to bursts of energetic particles from the sun. This

primary cosmic radiation interacts 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

[4], [5], [6]

intensity with depth in the atmosphere from aircraft altitudes to sea level . Solar cosmic radiation is

discussed at the end of this section; doses are far smaller than from GCR. About 98 % of the GCR are ionized

atomic nuclei and about 2 % are electrons. Of the nuclei, about 90 % are protons (hydrogen nuclei), 9 % are

[7] 20

helium ions, and 1 % are heavier ions . They can have energies up to about 10 eV, but lower-energy

particles are the most frequent. After the GCR penetrates the magnetic field of the solar system, the peak of

its energy distribution is at a few hundred MeV to 1 GeV per nucleon, depending on solar magnetic activity,

−2,7 15

and the spectrum follows a power function of the form E eV up to 10 eV; above that energy, the

spectrum steepens to E eV. The fluence rate of the GCR entering the solar system is fairly constant in time,

and these energetic ions approach the earth from all directions about equally.

Since cosmic radiation particles are electrically charged, their paths are bent when they cross a magnetic field.

The lower the momentum per unit charge (magnetic rigidity) of an ion, the more its path is bent. The magnetic

field that permeates the solar system and the stronger magnetic field of the earth act as shields that lower the

number of low-momentum GCR striking the atmosphere and consequently lower atmospheric cosmic-ray

dose rates.

The Sun has a varying magnetic field with a basic dipole component that reverses direction approximately

every 11 years. Near reversals, at “solar maximum”, there are many sunspots and other manifestations of

magnetic turbulence, and the plasma of protons and electrons ejected from the Sun (the solar wind) carries a

relatively strong and convoluted magnetic field with it outward through the solar system. At a solar maximum,

the GCR are maximally deflected as they enter the solar system, causing a radiation minimum at Earth.

Between reversals, at a “solar minimum”, there are few sunspots, and the heliosphere's magnetic field is

relatively weak and smooth, so a solar minimum is the time of radiation maximum. The relative change in

dose rates from this solar modulation depends on the other two main variables affecting cosmic radiation in

the atmosphere: geomagnetic latitude and altitude.

The Earth’s magnetic field has a larger effect than the Sun’s on cosmic radiation particles approaching the

atmosphere. Near the equator, where the geomagnetic field is nearly parallel to the ground, vertically incident

particles with magnetic rigidity less than about 15 GV are bent back into space. The minimum rigidity that a

vertically incident particle can have and still reach a given location is called the vertical geomagnetic cut-off

rigidity (cut-off) for that point. Near the magnetic poles, where the geomagnetic field is nearly vertical, the

vertical cut-off approaches zero, and the maximum number of primary cosmic radiation can reach the

atmosphere. As a result, cosmic radiation exposure rates are highest in polar regions and decline toward the

equator. The size of this effect depends on the altitude and the phase in the solar cycle.

© ISO 2006 – All rights reserved 7
---------------------- Page: 13 ----------------------
ISO 20785-1:2006(E)

The magnetic fields of the Earth and the Sun also alter the relative number of GCR protons and heavier ions

reaching the atmosphere. The GCR ion composition entering the atmosphere, as given above (90 % protons,

9 % He ions, 1 % heavier nuclei), is true for low geomagnetic cut-off and lo
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 20785-1
Première édition
2006-04-01
Dosimétrie de l'exposition au
rayonnement cosmique dans l'aviation
civile —
Partie 1:
Fondement théorique des mesurages
Dosemetry for exposures to cosmic radiation in civilian aircraft —
Part 1: Conceptual basis for measurements
Numéro de référence
ISO 20785-1:2006(F)
ISO 2006
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 20785-1:2006(F)
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---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 20785-1:2006(F)
Sommaire Page

Avant-propos..................................................................................................................................................... iv

Introduction ........................................................................................................................................................ v

1 Domaine d'application.......................................................................................................................... 1

2 Références normatives ........................................................................................................................ 1

3 Termes, définitions et symboles......................................................................................................... 1

3.1 Grandeurs et unités.............................................................................................................................. 1

3.2 Champ de rayonnement atmosphérique............................................................................................ 5

4 Considérations générales.................................................................................................................... 7

4.1 Description générale du champ de rayonnement cosmique dans l'atmosphère .......................... 7

4.2 Considérations générales d'étalonnage pour la dosimétrie des champs de rayonnement

cosmique à bord d'un avion ................................................................................................................ 9

4.3 Coefficients de conversion................................................................................................................ 12

5 Dispositifs dosimétriques.................................................................................................................. 12

5.1 Introduction ......................................................................................................................................... 12

5.2 Dispositifs actifs ................................................................................................................................. 12

5.3 Dispositifs passifs .............................................................................................................................. 16

Annexe A (informative) Distributions énergétiques représentatives de la 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

coupure verticale minimale et maximale..........................................................................................19

Bibliographie .................................................................................................................................................... 23

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ISO 20785-1:2006(F)
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, sous-comité SC 2,

Radioprotection.

L'ISO 20785 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Dosimétrie de l'exposition au

rayonnement cosmique dans l'aviation civile:
⎯ Partie 1: Fondement théorique des mesurages

Une Partie 2 traitant de la caractérisation de la réponse des instruments est en cours d'élaboration.

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ISO 20785-1:2006(F)
Introduction

Le personnel navigant est exposé à des niveaux élevés de rayonnement cosmique d'origine, galactique et

solaire, ainsi qu'à des niveaux élevés de rayonnement secondaire produit dans l'atmosphère, dans la

structure de l'avion et son contenu. Suivant les recommandations de la Commission internationale de

[1]

protection radiologique dans la Publication 60 , l'Union Européenne (UE) a établi une Directive relative aux

[2]

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 comporte et (iv) application de la même protection spéciale 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).

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 essentiellement

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

[2], [3]

comme nécessaire . La méthode préférée à utiliser pour l'évaluation des doses du 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 méthode est recommandée par les directives de la Commission Européenne et la

[3]
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, une confirmation de cette étape du processus d'évaluation pouvant toutefois se révéler nécessaire.

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 du fœtus pour les 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. Les calculs des débits d'équivalent de dose ambiant ou des doses en vol

peuvent alors être validés par des mesurages traçables à des étalons nationaux.
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ISO 20785-1:2006(F)

Le champ de rayonnement auquel est soumis un avion en 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, l'objectif de la

présente Norme internationale consiste à fournir le fondement théorique de la réalisation de mesurages de ce

type et de l'étalonnage des instruments utilisés dans ce dessein. 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 méthodes 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 tutelle. La Partie 2 de l'ISO 20785 décrit les modes opératoires 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 s'assurer de la compatibilité des mesurages effectués avec de tels

instruments.

La présente Norme internationale 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 20785-1:2006(F)
Dosimétrie de l'exposition au rayonnement cosmique
dans l'aviation civile —
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 Références normatives

Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les

références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du

document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).

NOTE Les documents publiés par la CIPR (Commission internationale de protection radiologique) et l'ICRU

(Commission internationale des unités et des mesures radiologiques) sont reconnus par le comité de l'ISO comme étant

largement acceptés et faisant autorité.
ICRU Report 60:1998, Fundamental Quantities and Units for Ionizing Radiation
3 Termes, définitions et symboles

Pour les besoins du présent document, les termes, définitions et symboles suivants s'appliquent.

3.1 Grandeurs et unités
3.1.1
fluence des particules
fluence

quotient de dN par da, où dN est le nombre de particules entrant dans une sphère de section da

Φ =
−2 −2

NOTE 1 L'unité de la fluence de particules est le m ; cm constitue une unité d'usage courant.

NOTE 2 La distribution énergétique de la fluence de particules, Φ , est le quotient dΦ par dE, où dΦ est la 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 double peut s'écrire (avec les

arguments) Φ (E, Ω), où les indices caractérisent les variables (grandeurs) de différentiation et où les symboles entre

E, Ω

parenthèses décrivent les valeurs des variables. Les valeurs entre parenthèses sont requises pour des valeurs de fonction

spéciales, par exemple la distribution énergétique 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 spéciale, les parenthèses ne sont pas nécessaires.

E 0
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ISO 20785-1:2006(F)
3.1.2
débit de fluence de particules
débit de fluence

quotient de dΦ par dt, où dΦ est la variation de la fluence de particules dans l'intervalle de temps dt:

ddΦ N
Φ==
ddta⋅dt
−2 −2

NOTE L'unité du débit de fluence de particules est le m /s; cm /s constitue une unité d'usage courant.

3.1.3
énergie impartie

énergie communiquée à la matière par le rayonnement ionisant dans un volume donné

NOTE L'unité de l'énergie communiquée est le J.
3.1.4
énergie impartie moyenne

espérance mathématique de l'énergie communiquée à la matière par le rayonnement ionisant dans un volume

donné
NOTE L'unité de l'énergie communiquée moyenne est le J.
3.1.5
énergie impartie spécifique

quotient de dε par dm, où dε est l'énergie communiquée par un rayonnement ionisant à un élément de

matière de masse dm:
z =

NOTE L'unité de l'énergie spécifique est le J/kg, et son équivalent est le gray (Gy).

3.1.6
dose absorbée

quotient de dε par dm, où dε est l'énergie moyenne absorbée dans un élément de matière de masse dm:

D =

NOTE L'unité de la dose absorbée est le J/kg, et son équivalent est le gray (Gy).

3.1.7
kerma

quotient de dE par dm, où dE est la somme des énergies cinétiques initiales de toutes les particules

tr tr
chargées libérées par les particules non chargées dans la masse dm de matière:
K =
NOTE L'unité du kerma est le J/kg, et son équivalent est le gray (Gy).
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ISO 20785-1:2006(F)
3.1.8
transfert d'énergie linéaire
TLE

quotient de dE par dl, où dE est l'énergie communiquée à une matière par une particule chargée du fait des

collisions électroniques se produisant sur le parcours d'une distance dl:
L =

NOTE L'unité du transfert linéique d'énergie est le J/m; keV/µm constitue une unité d'usage courant.

3.1.9
équivalent de dose

produit de Q et D au point concerné du tissu, où D est la dose absorbée, Q est le facteur de qualité en ce

point, D est la distribution de la dose D pour le transfert linéique d'énergie L, et Q(L) est le facteur de qualité

en fonction de L dans l'eau:
H=⋅QD= Q()L D dL

NOTE 1 L'unité de l'équivalent de dose est le J/kg, et son équivalent est le sievert (Sv).

NOTE 2 Les valeurs de la relation Q(L) sont données dans le rapport ICRU 60:1998.

3.1.10
énergie spécifique moyenne en dose par événement
énergie spécifique moyenne en dose par événement unique

espérance mathématique z = zd ()z dz , où d (z) est la densité de probabilité en dose de z

D 1 1

NOTE La densité de probabilité en dose de z est donnée par dz() =dD (z)/dz, où D (z) est la fraction de la dose

absorbée par événement déposée avec une énergie spécifique inférieure ou égale à z.

3.1.11
énergie linéale

quotient de ε par l où ε est l'énergie impartie à la matière dans un volume donné par un dépôt d'énergie

s s
unique et l est la longueur de corde moyenne dans ledit volume:
y =

NOTE L'unité de l'énergie linéale est le J/m; keV/µm constitue une unité d'usage courant.

3.1.12
énergie linéale moyenne en dose

l'espérance mathématique yy= d()y dy , où d(y) est la densité de probabilité en dose de y.

NOTE 1 La densité de probabilité en dose de y est donnée par dy() =dD(y)/dy, où D(y) est la fraction de dose

absorbée déposée avec une énergie linéale inférieure ou égale à y.

NOTE 2 La distribution d(y) et y sont indépendantes de la dose absorbée ou du débit de dose.

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ISO 20785-1:2006(F)
3.1.13
équivalent de dose ambiant
H*(10)

équivalent de dose en un point d'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 L'unité de l'équivalent de dose ambiant est le J/kg, et son équivalent est le sievert (Sv).

3.1.14
coefficient de conversion fluence-équivalent de dose ambiant

quotient de l'équivalent de dose ambiant, H*(10), et de la fluence de particules, Φ :

H *(10)
h * =

NOTE L'unité du coefficient de conversion fluence de particules-équivalent de dose ambiant est le J⋅m /kg, et son

2 2
équivalent est le Sv⋅m , une unité aussi fréquemment employée est le Sv⋅cm .
3.1.15
indication
lecture

〈d'un instrument de mesure〉 valeur d'une grandeur fournie par un instrument de mesure

NOTE 1 La valeur lue sur le dispositif d'affichage peut être appelée indication directe; elle doit être multipliée par le

facteur d'étalonnage de l'instrument pour obtenir l'indication.

NOTE 2 La grandeur peut être le mesurande, un signal de mesure ou une autre grandeur utilisée pour calculer la

valeur du mesurande.

NOTE 3 Il est nécessaire de mentionner si l'indication (la lecture) est normalisée par rapport aux conditions de

référence, afin de tenir compte des grandeurs d'influence, et si elle est corrigée du bruit de fond intrinsèque et des autres

facteurs.
3.1.16
caractéristique de la réponse
réponse

quotient de la lecture (indication), M, de l'instrument, par la valeur de la grandeur, X, devant être mesurée par

l'instrument, pour un type, une énergie et une distribution directionnelle de rayonnement spécifiés:

R =

NOTE 1 Le VIM indique, dans une note de la définition d'un «signal de mesure», que «le signal d'entrée d'un système

de mesure peut être appelé «stimulus» en anglais et le signal de sortie peut être appelé «réponse». Le terme

«caractéristique de réponse» est défini comme la «relation entre un signal d'entrée et la réponse correspondante, dans

des conditions définies». Généralement, dans la métrologie appliquée au rayonnement, le terme «réponse» est la forme

abrégée de «caractéristique de réponse».

NOTE 2 Il est nécessaire, pour éviter toute confusion, d'indiquer le type de réponse, par exemple réponse en fluence

(réponse eu égard à Φ):
R =
ou, réponse en équivalent de dose (réponse eu égard à l'équivalent de dose, H)
R =
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ISO 20785-1:2006(F)
3.1.17
profondeur atmosphérique

masse d'une colonne atmosphérique unité au-dessus d'un point donné dans l'atmosphère

2 2

NOTE L'unité de la profondeur atmosphérique est le kg/m ; g/cm constitue une unité d'usage courant.

3.1.18
rigidité magnétique
rigidité

quantité de mouvement par unité de charge (d'une particule dans un champ magnétique)

NOTE 1 L'unité de la rigidité est T·m. Le V (ou le GV) constitue une unité d'usage courant dans un système d'unités où

la quantité de mouvement, p, est donnée en eV/c (ou GeV/c), et où la rigidité est égale à c multiplié par la quantité de

mouvement par unité de charge, p·c/Q.

NOTE 2 La rigidité est tout particulièrement utile pour caractériser les trajectoires des particules chargées dans les

champs magnétiques. Toutes les particules présentant la même rigidité magnétique ont des trajectoires identiques dans

un champ magnétique donné, indépendamment de la masse des particules ou du nombre de charge.

3.1.19
rigidité de coupure géomagnétique
rigidité de coupure

rigidité magnétique minimale potentielle d'une particule incidente, pénétrant effectivement le champ

géomagnétique pour atteindre un emplacement donné au-dessus de la surface de la Terre

NOTE La rigidité de coupure dépend de l'angle d'incidence. Une incidence verticale, est supposée dans bien des cas.

3.1.20
rigidité de coupure géomagnétique verticale
coupure verticale
coupure

rigidité magnétique minimale potentielle d'une particule incidente verticale, atteignant effectivement un

emplacement donné au-dessus de la surface de la Terre
3.2 Champ de rayonnement atmosphérique
3.2.1
rayonnement cosmique
rayons cosmiques
particules cosmiques

rayonnement ionisant composé de particules de haute énergie, les ions du rayonnement cosmique primaire,

d'origine extraterrestre et des particules engendrées par interaction avec l'atmosphère et toute autre matière

3.2.2
rayonnement cosmique primaire
rayons cosmiques primaires
rayons cosmiques provenant de l'espace
3.2.3
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 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 au mesurage des

rayonnements à bord d'un avion.
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ISO 20785-1:2006(F)
3.2.4
rayonnement cosmique galactique
rayons cosmiques galactiques
GCR
rayons cosmiques provenant de l'extérieur du système solaire
3.2.5
rayonnement cosmique solaire
rayons cosmiques solaires
particules solaires
rayons cosmiques provenant du Soleil
3.2.6
événement de particules solaires
SPE

flux important de particules solaires énergétiques, projetées dans l'espace par une éruption solaire, ou

augmentation soudaine du rayonnement cosmique, observé lorsque lesdites particules arrivent à la surface

de la Terre
3.2.7
événement au niveau du sol
GLE

augmentation soudaine du rayonnement cosmique, observé au niveau du sol et à des altitudes de vol

associées à un événement de particules solaires, ayant un flux élevé de particules de grande énergie

(supérieure à 500 MeV)

NOTE Les GLE sont des événements rares, se produisant en moyenne environ une fois par an.

3.2.8
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

3.2.9
cycle solaire

la plupart des indicateurs de l'activité solaire varient de manière quasi périodique, avec des maximums

successifs distants d'un intervalle moyen de 11 ans environ, désignés par le terme cycle solaire

NOTE 1 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

NOTE 2 Le cycle d'activité solaire, tel que mesuré par le nombre de taches solaires relatif, 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

3.2.10
nombre de taches solaires relatif

mesure 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)

NOTE Le nombre de taches solaires relatif est aussi appelé «nombre de Wolf».
3.2.11
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
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ISO 20785-1:2006(F)
3.2.12
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
3.2.13
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, mais les protons, d'autres hadrons et muons, peuvent

également être détectés

NOTE 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.
4 Considérations générales
4.1 Description générale du champ de rayonnement cosmique dans l'atmosphère

La Terre est soumise à une irradiation continue de particules de grande énergie provenant de l'extérieur du

système solaire, appelée rayonnement cosmique galactique (GCR) et, sporadiquement, à des salves de

particules énergétiques émises par le Soleil. Ce rayonnement cosmique primaire interagit avec les noyaux

atomiques des constituants atmosphériques, produisant une cascade d'interactions et générant

...

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