KR101689631B1 - 항공 방사선량 분석 시스템 - Google Patents

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KR101689631B1 KR1020160102425A KR20160102425A KR101689631B1 KR 101689631 B1 KR101689631 B1 KR 101689631B1 KR 1020160102425 A KR1020160102425 A KR 1020160102425A KR 20160102425 A KR20160102425 A KR 20160102425A KR 101689631 B1 KR101689631 B1 KR 101689631B1
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Abstract

본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템은 지구 대구로 입사되는 은하 우주선, 태양 양성자 이벤트에 따른 양성자 스펙트럼을 계산하는 양성자 스펙트럼 생성부; 상기 양성자자 스펙트럼을 이용하여 입자수송을 계산하고 피폭량 지도를 생성하는 전지구 방사선량 지도 생성부; 표준대기를 기준으로 생성된 상기 피폭량 지도를 실시간 대기에 맞추어 변환하여 현재대기 구성에서의 피폭량 지도로 변환하는 전지구 방사선량 지도 변환부; 및 상기 양성자 스펙트럼 생성부, 상기 전지구 방사선량 지도 생성부, 상기 전지구 방사선량 지도 변환부의 구동에 따른 필요 데이터가 미리 계산되어 저장된 데이터베이스부;를 포함하여, 주어진 경로 외에도 임의의 경로, 시간 정보가 주어진다면 해당하는 노선의 피폭량 값이 산출할 수 있는 효과가 있다.

Description

항공 방사선량 분석 시스템{ANALYSIS SYSTEM FOR AVIATION RADIATION DOSE}
본 발명은 항공 방사선량 분석 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 흑점 개수 데이터와 GOES 위성의 10MeV 이상 양성자 플럭스를 입력값으로 사용하여 실시간 전지구 우주 방사선량 지도를 산출하고, 이 방사선량 지도를 사용하여 실시간 변화하는 비행경로, 시간 등에 따른 순간 방사선 피폭량 및 누적 피폭량 값을 계산하여, 주어진 경로 외에도 임의의 경로, 시간 정보가 주어진다면 해당하는 노선의 피폭량 값을 산출할 수 있도록 계산하는 항공 방사선량 분석 시스템에 관한 것이다.
종래 우주방사선량 분석 모델은 미국 항공연방청(Federal Aviation Administration:FAA)이 제공하는 CARI-6/6M과, 미국 항공 우주국(National Aeronautics and Space Administration:NASA)에서 개발한 NAIRAS 모델 등이 있으나, CARI-6/6M은 태양 양성자 이벤트를 반영하지 않고 있고, NAIRAS 모델은 소스코드와 데이터를 일반에게 제공하지 않는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1066878호(2011.09.16)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 미 국립 해양 대기청(National Oceanic and Atmospheric Administration : NOAA)의 흑점 개수 데이터와 GOES 위성의 10MeV 이상 양성자 플럭스를 입력값으로 사용하여 실시간 전지구 방사선량 지도를 산출하고, 이 지도를 사용하여 실시간 변화하는 비행경로, 시간 등에 따른 순간 방사선 피폭량 및 누적 피폭량 값을 계산하여, 주어진 경로 외에도 임의의 경로, 시간 정보가 주어진다면 해당하는 노선의 피폭량 값이 산출할 수 있는 항공 방사선량 분석 시스템의 제공을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템은 우주에서 지구 대구로 입사되는 방사선원인 은하 우주선, 태양 양성자 이벤트에 따른 양성자 스펙트럼을 계산하는 양성자 스펙트럼 생성부; 상기 양성자자 스펙트럼을 이용하여 입자수송을 계산하고 전지구 피폭량 지도를 생성하는 전지구 방사선량 지도 생성부; 표준대기를 기준으로 생성된 상기 피폭량 지도를 실시간 대기에 맞추어 변환하여 현재의 대기 구성에서의 피폭량 지도로 변화하는 전지구 방사선량 지도 변환부; 및 상기 양성자 스펙트럼 생성부, 및 상기 전지구 방사선량 지도 생성부, 상기 전지구 방사선량 지도 변환부의 구동에 따른 필요한 방대한 분량의 방사선 피폭량 데이터가 사전에 미리 계산되어 저장된 데이터 베이스부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템은 흑점 개수 데이터와 정지궤도에서 관측한 GOES 위성의 10MeV 이상 실시간 양성자 플럭스를 입력값으로 사용하여 실시간 전지구 방사선량 지도를 산출하고, 이 지도를 사용하여 비행경로, 시간 등에 따른 누적 방사선 피폭량 값을 계산하여, 주어진 경로 외에도 임의의 경로, 시간 정보가 주어진다면 해당하는 노선의 방사선 피폭량을 산출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템의 전체 개념 블럭도,
도 2는 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템의 상세 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템의 양성자 스펙트럼 생성부의 상세 블럭도,
도 4는 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템의 전지구 방사선량 지도 생성부의 상세 블럭도, 및
도 5는 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템의 제1 스펙트럼 생성부에서 구동되는 Badhwar-O`Neill 2011 모델의 작동 과정 블럭도,
도 6은 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템의 제1 스펙트럼 생성부에 의한 은하 우주선 스펙트럼의 일 실시예를 도시한 도면,
도 7은 2012년 5월 한 달간의 GOES 위성이 관측한 전 에너지 채널의 양성자 플럭스의 변화량을 나타낸 도면,
도 8은 2000년~2015년 동안의 10MeV 이상을 갖는 양성자 에너지 전 채널의 differential 플럭스의 피팅(fitting)결과를 도시한 도면,
도 9는 특정시간에 700MeV 이하 에너지를 갖는 양성자의 스펙트럼 그래프 도면,
도 10은 태양 고에너지 양성자와 은하 우주선 스펙트럼이 병합된 그래프 도면,
도 11은 특정일의 태양 고에너지 양성자와 은하 우주선 그리고 그 둘 사이의 fitting function을 동시에 나타낸 도면,
도 12은 전 지구상에서 위도 1도와 경도 1도 간격으로 계산한 effective cutoff rigidity의 분포를 나타낸 도면,
도 13은 전 지구상에서 cutoff rigidity를 통과한 양성자들의 effective energy 분포도,
도 14는 특정 위도 및 경도 위치에 대한 cutoff energy 적용 예를 도시한 도면,
도 15는 고정형 미국 표준대기 모델(1976)을 도시한 도면,
도 16은 위도, 경도별 고도에 따른 압력변화를 도시한 그래프 도면,
도 17은 경도, 위도, 및 고도별 고정형 미국 표준대기 기반 피폭량 결과(적색)와 실시간 변화하는 NRLMSISE00 대기모델이 적용된 피폭량(흑색)을 함께 도시한 그래프 도면,
도 18은 태양 양성자 주입에 따른 지구 대기의 반응 매트릭스(Response Matrix) 제작을 위한 단순화한 컴퓨터 시뮬레이션 기하구조(geometry) 도면,
도 19는 100GeV 에너지를 갖는 태양 양성자의 지구 대기로의 입사에 따른 입자 종별(양성자, 중성자, 광자, 전자) 고도에 따른 입자량(fluence) 도면,
도 20은 5 GeV 에너지를 갖는 태양 양성자의 지구 대기로의 입사에 따른 입자 종별(양성자, 중성자, 광자, 전자) 고도에 따른 입자량(fluence) 도면,
도 21은 100 MeV 에너지를 갖는 태양 양성자의 지구 대기로의 입사에 따른 입자 종별(양성자, 중성자, 광자, 전자) 고도에 따른 입자량(fluence) 도면,
도 22는 입자 종별 입자량-유효선량 전화계수 그래프 도면,
도 23은 양성자량-유효선량 전화계수 테이블 도면,
도 24는 중성자량-유효선량 전화계수 테이블 도면,
도 25는 전자량-유효선량 전화계수 테이블 도면,
도 26은 광자량-유효선량 전화계수 테이블 도면, 및
도 27은 대기로 입사하는 양성자 에너지에 따른 고도별 유효선량 반응지도(response matrix)도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템의 전체 개념 블럭도 이고, 도 2는 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템의 상세 블럭도 이다.
도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템은 양성자 스펙트럼 생성부(100), 전지구 방사선량 지도 생성부(200), 전지구 방사선량 지도 변환부(300), 및 데이터베이스부(400)를 포함한다.
도 3은 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템의 양성자 스펙트럼 생성부의 상세 블럭도인데, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 양성자 스펙트럼 생성부(100)는 외부입력데이터인 흑점 개수(Sunspot Number)와 정지궤도에 위치한 GOES 위성에서 관측한 실시간 10MeV 이상의 고에너지 양성자 플럭스(GOES pfu<particle flux unit>)를 입력 값으로 사용하여 이들로부터 양성자 스펙트럼을 실시간으로 생성한다.
보다 구체적으로, 상기 양성자 스펙트럼 생성부(100)의 제1 스펙트럼 생성부(110)는 상기 흑점 개수를 사용하여 BO`11(Badhwar-O`Neill 2011)모델을 구동함으로써 은하 우주선 스펙트럼을 생성한다.
즉, 상기 양성자 스펙트럼 생성부(100)는 BO`11모델을 통해 은한 우주선으로부터 기인한 중이온의 스펙트럼을 정지궤도 위치에서 원자 종별(수소부터 플루토늄까지), 에너지 별(10~107MeV)로 제공하는데, 태양권(heliosphere) 경계(약 100AU)에서 은하 우주선 입자의 종별 성간 스펙트럼(Local Interstellar Spectrum:LIS)을 일정하게 두고, 각 입자들이 태양계 내부로 유입되는 양을 Fokker Planck 방정식을 통해 계산하여 지구 공전 궤도에서의 스펙트럼을 생성한다.
한편, 태양계 내부로의 은한 우주선 입자유입은 태양활동의 영향을 받는데, 태양활동이 강한 시기에는 태양에 의한 자기장이 강화되어 입자의 유입이 상대적으로 줄어들게 되고, 반대로 태양활동이 약한 시기에는 태양에 의한 자기장이 감소하여 더 많은 입자들이 내부로 유입되게 된다.
상기 Badhwar-O'Neill 2011 모델에서는 태양 변조 변수(solar modulation parameter)를 사용하여 태양활동의 세기를 추정한다. 태양 변조 변수는 태양의 흑점 수를 통해 계산되는데, Badhwar-O'Neill 2011 모델에서는 원하는 날짜를 입력하면 프로그램 내부에 저장된 월별 태양 흑점수를 바탕으로 자동으로 태양 변조 변수를 계산한다. 따라서 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템(KREAM: Korean Radiation Exposure Assessment Model for aviation route dose)에서는 고 에너지 양성자 스펙트럼을 결정하기 위해 지속적으로 현재시간의 월 평균 태양 흑점 수를 계산하여 태양 변조 변수를 계산하는데 사용한다.
상기 월 평균 태양 흑점 수는 미 국립해양 대기청의 우주기상 예보센터 (Space Weather Prediction Center : SWPC)에서 제공하는 일평균 흑점수를 통해 계산한다. 도 5에 도시된 바와 같이 현재시간으로부터 이전 30일까지 축적된 일평균 흑점수를 평균하여 상기 Badhwar-O'Neill 2011 모델 내부에 입력하여 구동하면 모델 내에서 태양 변조변수를 계산하고 그 결과를 바탕으로 지구 공전궤도에서 입자의 양을 계산한다.
한편, 도 6은 상기 Badwar-O'Neill 2011 모델을 사용하여 산출한 2015년 8월 4일 UT 6시에 지구 공전 궤도에서의 양성자 플럭스 값이다. 양성자의 에너지 별 플럭스 분포는 700 MeV 근처에서 최댓값을 보이며, 에너지가 증가하거나 감소하면 플럭스도 감소하는 것을 볼 수 있다.
상기 Badwar-O'Neill 2011 모델에서 계산하는 은하 우주선은 매우 넓은 에너지 영역을 제공하지만, 이것들은 오직 태양계 외부에서 오는 은하 우주선만을 대상으로 한다. 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템에서는 대기 상층부 (80 km 상공)에서의 입사하는 양성자를 입력 값으로 사용하는데, 여기에는 은하우주선과 더불어 태양으로부터의 양성자와 자기권 내부에서 가속되는 양성자 등 여러 가지 원인이 복합적으로 기여한다.
고 에너지 양성자 (700 MeV이상)는 자기권 내부에서 가속되거나 태양에서부터 온다고 보기 어렵고 대부분 은하 우주선에 의한 것이어서 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템에서는 700 MeV 이상의 고에너지 양성자의 초기 입력 값으로 Badwar-O'Neill 2011 모델 결과 값을 사용한다.
상기 양성자 스펙트럼 생성부(100)의 제2 스펙트럼 생성부(120)는 상기 고에너지 양성자 플럭스 값을 이용하여 태양 고에너지 양성자 스펙트럼을 생성한다.
이때, 상기 제2 스펙트럼 생성부(120)는 상기 데이터베이스부(400)의 함수DB(410)에 저장된 태양 고에너지 양성자 스펙트럼 피팅함수(fitting function)를 이용함으로써, 상기 태양 고에너지 양성자 스펙트럼을 보다 빠르게 계산할 수 있다.
참고로, 상기 함수DB(410)에는 태양 고에너지 양성자 스펙트럼을 계산하기 위하여 과거 데이터를 통계 처리한 후, 상기 고에너지 양성자 플럭스 값에 근거한 태양 고에너지 양성자 스펙트럼 피팅함수(fitting function)가 저장되어 있다.
상술한 바와 같이, 은하 우주선(Galatic Cosimc Ray : GCR)은 본 발명에 따른 우주 방사선량 분석 시스템의 양성자 입력 값 중에서도 비교적 고에너지 부분을 담당한다.
하지만, 은하 우주선의 모델 값은 태양 흑점 수만으로 계산되므로 주기적인 태양활동 이외의 요소, 즉 태양의 갑작스런 폭발 활동이나 자기권의 순간적인 변화를 반영하지 못한다.
따라서, 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템에서는 이러한 우주기상에 의한 급격한 변화를 반영하기 위해 605 MeV 이하의 양성자 플럭스는 관측 값을 기반으로 한 통계적인 예측 방식을 사용하였다.
본 발명에서는 항공 방사선량 분석 시스템의 안정적인 작동과 예보 모델로의 역할을 고려하여, P>10 MeV의 누적(integrated) 양성자 플럭스 관측 값을 기반으로 수 MeV에서 수백 MeV까지 양성자의 에너지별 순간(differential) 플럭스 값을 fitting하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
이 방법을 사용하면 P>10 MeV 플럭스를 알고 있는 경우 각 에너지별 순간(differential) 플럭스도 추정할 수 있다. 10MeV 양성자 플럭스의 pfu를 기준으로 정한 이유는, 우주기상 중 방사선 폭풍 등급(Solar Radiation Storm)인 S 등급이 정지궤도에서 10MeV 양성자 플럭스의 pfu 단위를 기준으로 정해지기 때문이다.
우주기상의 예보 인자 중 하나인 S 등급 결정을 위해서 GOES 위성에서 관측하는 10MeV 관측 값은 미국 해양 대기청(NOAA)에서 상시 제공되므로, 안정적인 항공 방사선량 분석 시스템 운용을 위해서 10MeV 이상의 양성자 플럭스 채널 값을 입력 기준으로 정하였다.
미 국립 해양 대기청은 GOES(Geostationary Operational Environmental Satellite) series를 연속적으로 운영하며 정지궤도에서 우주환경 속 입자분포를 관측해오고 있다.
본 발명에서는 아래의 [표 1]과 같이 GOES위성의 관측기인 Energetic Proton, Electron and Alpha Detector(EPEAD)의 P > 10 MeV 누적(integrated) 양성자 플럭스와 EPEAD의 순간(differential) 양성자 플럭스 6개 채널, High Energy Proton and Alpha Detector(HEPAD)의 순간(differential) 양성자 플럭스 3개, 총 9개의 에너지 채널 데이터를 사용하였다.
기간 위성 검출기 양성자 에너지[MeV] 기준값


2000/01/01
~2015/05/31
GOES-10,11
 EPS 2.5, 6.5, 11.6, 30.6, 63.1, 165

P>10MeV 플럭스
HEPAD 375, 465, 605

GOES-13
 EPEAD 2.5, 6.5, 11.6, 30.6, 63.1, 165
HEPAD 375, 465, 605
2012년 5월 한 달간의 GOES 위성이 관측한 양성자 플럭스의 변화량을 도시한 도 7에 도시된 바와 같이, 이 기간 중 5월 17일에는 플레어에 동반된 태양 양성자 이벤트(Solar Proton Event, SPE)가 발생하였다.
이러한 사건이 발생하였을 때 10 MeV 이상 양성자의 누적(integrated) 플럭스는 양성자 각 에너지 채널의 순간(differential) 플럭스의 변화추세를 잘 보여주는 것을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명에서는 700MeV 이하의 양성자 입력값을 구하기 위해 10 MeV 이상 양성자의 누적(integrated) 플럭스를 기반으로 2차 poly fit을 통해 양성자의 순간(differential) 플럭스를 구하는 것이 바람직하다.
2000년 1월부터 2015년 5월까지 GOES 10, 11, 13위성의 자료를 이용하여 fitting을 수행하였다. P > 10 MeV 누적(integrated) 플럭스는 5×10-2에서 2×104까지 일정한 간격으로 59개를 선정하였고, 각 누적(integrated) 플럭스마다 GOES에서 주어지는 에너지채널 9개의 순간(differential) 플럭스가 선정되었다.
도 8은 fitting결과를 스펙트럼으로 그린 것이다. 높은 P > 10 MeV 플럭스 값으로 갈수록 모든 양성자 에너지 채널에서의 순간(differential) 플럭스가 증가하는 경향을 볼 수 있다.
본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템에서 입력 값으로 사용되는 양성자 중 700 MeV 이하는 위에서 설명한 fitting의 결과로 만들어진 59×9의 행렬로 이루어진 변수로부터 산출하게 된다.
현재의 P>10 MeV 관측 값이 59개의 값들 사이에 존재한다면 선형 보간법(Linear Interpolation)을 사용하여 각 에너지 채널별 플럭스를 산출한다. 이렇게 정해진 SEP 스펙트럼을 은하 우주선을 Badhwar-O'Neill 2011 모델을 이용하여 계산했던 2015년 8월 4일 6시에 대해 확인한 결과가 도 9에 도시되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이 높은 에너지로 갈수록 플럭스가 감소하는 경향을 확인할 수 있고, 실제 관측 값을 사용했기 때문에 모델 값에 비해 복잡한 경향을 갖는 것처럼 보인다.
이하에서 앞에서 구한 두 가지의 양성자 스펙트럼(관측 값을 사용한 태양 고에너지 양성자 fitting 결과와 Badhwar-O'Neill 2011 모델을 통해 계산한 은하 우주선)을 결합하여 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템의 입력값으로 사용되는 양성자 개수를 산정하는 방법과 cutoff rigidity를 통한 위치별 입력 값 변화에 대해 설명한다.
상술한 바와 같이 제1 스펙트럼 생성부(110)는 Badhwar-O'Neill 2011 모델을 통해 은하 우주선 스펙트럼을 계산하였고, 상기 제2 스펙트럼 생성부(120)는 지구 정지궤도에서의 양성자 관측 값을 통해 700 MeV 이하의 양성자 스펙트럼을 산출하였다.
이후, 상기 양성자 스펙트럼 생성부(100)의 스펙트럼 병합부(130)는 상기 제1 스펙트럼 생성부(110)가 생성한 은하 우주선 스펙트럼과 상기 제2 스펙트럼 생성부(120)가 생성한 태양 고에너지 양성자 스펙트럼을 병합하여 전체 양성자 스펙트럼을 생성하게 된다.
상술한 두 개의 서로 다른 에너지 대역의 양성자를 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템의 입력 값으로 사용하기 위해 두 가지의 과정을 더 거치게 된다.
먼저, 2.5 ~ 605 MeV의 태양 고에너지 양성자 플럭스와 10 ~ 107 MeV의 은하 우주선 플럭스를 하나로 연결(병합)한다.
상기 Badhwar-O'Neill 2011 모델은 은하 우주선의 플럭스를 매우 넓은 범위에서 제공하기 때문에, 관측값에 fitting한 결과로 얻은 태양 고에너지 양성자의 에너지 대역과 겹치는 부분이 존재한다.
본 발명에서 사용한 데이터에서는 태양 고에너지 양성자와 은하 우주선이 10 ~ 605 MeV의 영역에서 겹치는 것을 확인하였다. 태양 고에너지 양성자는 양성자 관측 값을 토대로 생성되었기 때문에 태양에서부터 오는 양성자는 물론 은하 우주선도 포함되어 있다.
따라서, 상기 스펙트럼 병합부(130)는 상기 태양 고에너지 양성자 스펙트럼이 커버하는 605 MeV 이하에서는 은하 우주선의 결과를 제거하고 700 MeV 이상의 플럭스부터 Badhwar-O'Neill 2011에 의한 은하 우주선의 결과 값을 가지고 은하 우주선 스펙트럼과 태양 고에너지 양성자 스펙트럼을 병합하여 전체 양성자 스펙트럼을 병합한다.
그 결과 상기 스펙트럼 병합부(130)는 2.5 MeV에서 107 MeV까지의 넓은 에너지 범위에서의 양성자 스펙트럼을 얻을 수 있다.
도 10은 2015년 8월 4일 6시의 태양 고에너지 양성자와 은하 우주선 플럭스를 합친 결과를 도시하고 있다. 태양 고에너지 양성자와 은하 우주선의 플럭스가 비교적 자연스럽게 연결되는 것을 확인할 수 있는데, 이는 수백 MeV의 양성자가 대부분 은하 우주선에서 발생 됨을 의미한다.
도 10에서 선정된 기간은 우주환경이 고요한 시기이므로 도 7에서 도시된 수백 MeV 양성자의 급격한 증가는 보이지 않았다.
은하 우주선은 태양흑점폭발과 같은 일시적이고 급작스런 태양 활동의 변화와는 무관하므로, 태양폭발에 의해 발생하는 플레어나 CME(Coronal Mass Ejection)등 비교적 짧은 기간 동안에 우주기상에 급격한 변화가 일어난다면, 태양 고에너지 양성자 피팅(fitting) 결과에서는 크게 값이 차이가 많이 나고, 은하 우주선 모델에서는 차이가 나타나지 않는다.
상술한 우주기상에 급격한 변화로 인해 태양 고에너지 양성자 피팅 결과에 큰 영향을 미치지만, 은하 우주선 모델에는 큰 영향을 미치지 않은 현상은 605 MeV와 700 MeV 양성자의 플럭스에 큰 차이를 나타낼 것이다.
따라서, 실제 양성자의 스펙트럼과 유사한 플럭스 분포를 만들기 위해 태양 고에너지 양성자와 은하 우주선 사이에 피팅(fitting)이 필요하다.
본 발명에서는 태양 고에너지 양성자와 은하 우주선의 플럭스 값을 fitting하기 위해 fit function을 3차 polynomial 꼴로 선택하였다. 매 시간마다 태양 고에너지 양성자 값과 은하 우주선 값은 계속 변하기 때문에 두 값을 fitting하는 function도 계속해서 바뀌게 된다. 다음은 2015년 8월 4일 6시의 태양 고에너지 양성자-은하 우주선 fit function 이다.
Figure 112016078158066-pat00001
여기서 E는 에너지 채널을 의미한다. 이 식은 원하는 에너지 채널에서의 양성자 플럭스 값을 제공한다. 도 11은 2015년 8월 4일의 태양 고에너지 양성자와 은하 우주선 그리고 그 둘 사이의 fitting한 결과를 동시에 나타낸 도면이다.
fit function 통해 10 - 105 MeV 까지 확인한 결과, 태양 고에너지 양성자와 은하 우주선 모두를 잘 반영하는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템은 대기의 최상층(여기에서는 80 km)에서의 양성자의 에너지별 입자 개수를 입력 값으로 사용하기 때문에 양성자의 플럭스를 입자 개수로 환산하는 과정이 필요하다.
본 발명에서는 입자의 등방적인 분포를 가정하여 플럭스를 적분하였다. 플럭스의 단위가 (입자개수/m2/sr/s/MeV)이므로 면적과 방위각과 에너지범위에 대해 적분하면 입자개수/s로 바꿀 수 있다.
적분과정에서 얻어진 입자의 개수와 에너지 채널은 전 지구적으로 동일한 값으로 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템에 입력된다. 다시 말해 현재 설명된 가정까지는 위도나 경도에 관계없이 동일한 수의 입자들이 지구 공전 궤도상에서 대기의 상층부 (고도 80 km)로 진입할 준비가 된 것이다.
상기 전지구 방사선량 지도 생성부(200)는 상기 양성자 스펙트럼 생성부(100)가 생성한 양성자 스펙트럼을 전달받아, 전지구 피폭량 지도를 생성한다.
도 4는 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템의 전지구 방사선량 지도 생성부의 상세 블럭도인데, 보다 구체적으로, 도 4를 참조하여 상기 전지구 방사선량 지도 생성부(200)에 의한 전지구 피폭량 지도의 생성에 대하여 설명한다.
먼저, 상기 전지구 방사선량 지도 생성부(200)는 양성자 필터링부(210) 및 전지구 방사선량 지도 산출부(220)를 포함한다.
상기 양성자 필터링부(210)는 cutoff rigidity 모델을 통해서 상기 양성자 스펙트럼 생성부(100)에서 전달되는 양성자 스펙트럼을 80km상공에서의 스펙트럼으로 변환한 뒤, 80km 상공까지 도달하지 못하는 양성자를 제거한다.
상기 cutoff rigidity 모델은 고정형 지구장기장 모델인 International Geomagnetic Reference Field(IGRE) 자기장 모델을 사용하고 있으며, 상기 장기장에 의하여 80km 상공에 도달하지 못하는 양성자를 제거한다.
이하에서 상기 cutoff rigidity 모델에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
지구 공전궤도상의 하전입자들은 본격적으로 자기장의 영향을 받으며 지구 자기권 안쪽으로 진입하게 된다. 이 과정에서 자기장에 의해 지구상의 낙하 위치별로 서로 다른 에너지 값에서의 차폐가 발생하게 된다.
본 발명에서는 이러한 고에너지 입자의 자기장에 의한 차폐 현상을 적용하기 위해 상술한 cutoff rigidity 모델을 사용하였다. 상기 cutoff rigidity 모델 결과에 따라서 동일한 위도, 경도, 고도에서 같은 종의 입자라도 다른 에너지를 갖는 경우 입자의 이동경로가 다르다는 사실을 알 수 있다.
입자들의 이동경로는 주어진 자기장에 대해 다음과 같은 Lorentz의 운동방정식을 적용하여 계산한다.
Figure 112016078158066-pat00002
상기 [수학식 2]에서
Figure 112016078158066-pat00003
는 가속도, q는 입자의 전하량, m1는 이온의 질량,
Figure 112016078158066-pat00004
는 입자의 속도 그리고
Figure 112016078158066-pat00005
는 주어진 자기장이다. 이 방정식은 cutoff rigidity 코드 내에서 Runge-Kutta 알고리즘을 통해 계산된다.
입력카드에 입자의 출발 위도, 경도를 설정하고 rigidity(energy)를 설정하여, 프로그램 내부에서 출발하는 고도를 설정한 후 프로그램을 실행하면 각 rigidity별 입자들이 수렴하는 위도와 경도가 각각 ALat와 ALon으로 출력되며, 이 값이 RFH 표시된 경우 입자가 지구 밖으로 빠져나가지 못함을 의미한다.
따라서 지구를 빠져나가지 못하는 입자의 rigidity는 불연속적으로 설정될 수 있다. 따라서 해당 위치에서 입자가 지구를 빠져나올 수 없는 특정한 rigidity를 선택하기 위해 effective cutoff rigidity(RC)의 개념을 도입할 필요가 있다.
상기 effective cutoff rigidity는 불연속적으로 존재할 수 있는 rigidity값을 효과적으로 대변할 수 있는 단일 값이며 아래와 같은 [수학식 3]으로 정의할 수 있다.
Figure 112016078158066-pat00006
상기 [수학식 3]에서 Ru는 지구 밖으로 빠져나갈 수 없는 가장 높은 rigidity 값, RL은 가장 낮은 값, △Ri는 연속된 rigidity의 범위이다.
상술한 rigidity계산을 지구의 전 위도, 경도에 대해 적용하여 계산하면 위도, 경도별로 다른 effective cutoff rigidity값을 갖게 된다.
도 12는 각각 위도 1과 경도 1 간격으로 계산한 effective cutoff rigidity의 분포를 나타낸 전지구 도면이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 적도에 가까울수록 rigidity가 커지며 최대 18 GV(기가볼트)까지 나타나고, 극지방으로 갈수록 감소하여 0 GV에 가까워지며, 경도방향으로는 미 대륙 근처에서 약하게 나타나며 아시아 근처에서는 상대적으로 큰 값을 갖는 것을 알 수 있다.
이는 입자의 cutoff rigidity가 아시아 지역의 적도 쪽으로 갈수록 큰 값을 갖게 되어 매우 높은 에너지의 입자만 80km상공에 다다를 수 있다는 것을 의미한다. 즉, 고위도 지방에서는 상대적으로 낮은 에너지의 입자도 침투할 수 있지만, 저위도에서는 매우 높은 에너지를 갖는 입자만 침투가 가능하다.
상기 cutoff rigidity는 아래 식을 통해 cutoff energy로 변환될 수 있다.
Figure 112016078158066-pat00007
상기 [수학식 4]에서 nz는 입자의 전하량, na는 입자의 원자번호, Pamu는 원자량 단위, EPamu=931.131 MeV/amu는 단위 원자량에 대한 질량 에너지이다.
도 13은 도 12에 도시된 effective cutoff rigidity를 상기 [수학식 4]를 통해 전 지구상에 대하여, effective energy로 변환한 것을 도시한 도면인데, 도시된 바와 같이, effective energy 분포와 effective rigidity 분포가 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템에서는 고정형 자기장 모델인 IGRF모델을 사용하기 때문에 cutoff rigidity와 cutoff energy map이 항상, 도 12 및 도 13에 도시된 형태로 고정되어 있다.
실시간으로 변화하는 자기장을 사용한다면 변화하는 값을 얻을 수 있지만, 이는 빠른 계산과 예측을 요구하는 본 발명에서는 꼭 필요한 것은 아니다.
본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템의 입력 값은 양성자의 에너지에 따른 개수 분포이고, 양성자 스페트럼이 지구 공전 궤도상에서의 값이기 때문에 이값은 전 지구적으로 동일하게 설정된다.
입자들이 정지궤도에서 상공 80km까지 진입할 때 자기장에 대해 차폐되는 에너지는 cutoff rigidity이하로 주어진다.
따라서, 도 14에 도시된 바와 같이 지구 공전궤도상의 양성자 스펙트럼에 cutoff energy 이하의 값을 제거하면 각 위도, 경도별로 다른 양성자 스펙트럼이 적용된다.
상기 전지구 방사선량 지도 산출부(220)는 상기 양성자 필터링부(210)에 의해 필터링된 양성자 스펙트럼으로부터 US 표준 대기에서의 전지구 피폭량 지도를 산출한다.
이때 상기 전지구 방사선량 지도 산출부(220)는 상기 데이터베이스부(400)의 응답 매트릭스DB(420)에 저장된 응답 매트릭스(response matrix)와 상기 양성자 스펙트럼(입력 값)을 연산하여 표준대기 하에서의 전지구 피폭량 지도를 산출한다.
참고로, 상기 응답 매트릭스DB(420)에는 연산시간이 매우 오래 걸리는 GEANT4 입자 수송 시뮬레이션 결과에 대한 응답 매트릭스 연산 수식이 저장되어 있다.
보다 구체적으로, 비행고도에서의 우주방사선 피폭량을 구하기 위해서는 최종적으로 80km 상공으로부터 지표까지 양성자를 비롯한 중성자, 전자, 광자의 수송 과정을 일일이 추적하여 계산하여야 한다. 이를 수행하는 방법은 크게는 확률론적 방법, 확정론적 방법의 두 가지로 나누어진다. 확률론적 방법은 상대적으로 높은 정확도의 계산 결과가 산출되는 반면, 물리적으로 매우 긴 계산시간을 요구하며, 확정론적 방법은 매우 빠른 시간에 계산을 수행할 수 있지만, 계산 정확도가 매우 낮은 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 응답 매트릭스(response matrix)를 사용한 사전 계산 방식을 고려하였는데, 확률론적 방법을 사용하여 80km 상공으로부터 지표까지의 입자수송을 사전 계산하여, 그 결과가 정리된 응답 매트릭스(response matrix)를 사전 제작한 뒤, 실시간으로 시스템을 운용할 때에는 상기 응답 매트릭스(response matrix)만을 이용하여 계산을 수행한다.
이를 통해 시간이 많이 걸리는 계산 과정을 사전에 완료하였기에 실제 운용에서는 짧은 시간 안에 계산을 완료할 수 있으며, 확률론적 방법을 사용하였기에 높은 정확도의 결과를 얻을 수 있다.
상기 응답 매트릭스(response matrix)를 제작하기 위하여 대기 기하구조(geometry)와 핵입자 시뮬레이션을 위해 개발된 Monte-Carlo 방식의 GEANT4 입자 수송 코드를 사용하였고, 입자가 지나가는 배경이 되는 대기 모델로는 이미 언급한 바와 같이 US 표준대기 모델을 사용하여 지표에서 80km까지의 대기조성과 밀도 정보가 사용되었다.
본 발명에서는 대기환경과 같은 환경에서 GEANT4 전산모사를 보다 다양한 에너지 대역에서 수행하여 보다 정밀하고 고도화된 응답 매트릭스(response matrix)를 구축하였다.
현재 주어진 사용 가능한 전산자원과 일정에 맞추어 80km 상공에서 입사되는 양성자의 대표 에너지 값은 13개의 에너지(5, 10, 50, 100, 500, 1000, 2000, 3000, 5000, 10000, 20000, 50000, 100000 MeV)로 정하였다.
상기 GEANT4 전산모사를 위한 기하구조(geometry)는 도 18 및 표 2에 도시되고 기재된 바와 같이, 최상단 고도를 80km, 대기층 두께를 지표에서 비행고도에 조밀한 층으로 배치하였고, 총 대기층의 수 148개로 하였다.
위도, 경도 방향으로는 100km의 공간을 고려하였고, 최종 산출물 계산에서는 1˚간격으로 피폭량이 계산된다. 각 층의 정보는 US 표준 대기 모델에서 각 고도에 해당하는 정보를 인용하였으며, 최하층 구성을 물(H2O) 또는 지표를 선택할 수 있도록 하여 북극항로 기준으로 정확한 결과를 산출하도록 하였다.


대기층 두께

 고도 층 두께
50 ~ 80 km 2.5km
15 ~ 50 km 1.0km
5 ~ 15 km 0.2km
0 ~ 5 km 0.1km
대기 정보 US 표준 대기
US 표준대기는 도 15에 도시된 바와 같이, 지표에서의 압력이 1013 hPa이고, 고도 100 km까지 지속적으로 감소하는 모델이다.
상기 전지구 방사선량 지도 산출부(220)의 응답 매트릭스(response matrix)를 통해 계산된 전지구 피폭량 지도(dose map)는 응답 매트릭스(response matrix)를 작성할 때 사용된 대기상황에 따라 변화하게 된다.
US 표준대기 모델을 적용하는 경우 지구상에서 위도와 경도에 따른 대기의 변화를 반영하지 못하고, 계절에 대한 변화 또한 적용하지 못하는 문제점이 있다.
한편, 상기 전지구 방사선량 지도 생성부(200)는 상술한 문제점을 해소하고, 표준대기 하에서 생성된 전지구 피폭량 지도가 현재 대기 상태에 맞추어 변환될 수 있도록, 상기 전지구 방사선량 지도 변환부(300)로 전달한다.
상기 전지구 방사선량 지도 변환부(300)는 상기 전지구 피폭량이 상기 전지구 방사선량 지도 생성부(200)에서 고정형인 미국 US 표준대기에 맞추어 생성되었기 때문에, 이를 실시간 대기에 맞추어 변환하는 작업을 수행하고, 해당 작업을 통해 현재의 대기 구성에서의 피폭량 지도로 변환한다.
상기 전지구 방사선량 지도 변환부(300)는 상기 데이터베이스부(400)의 현재대기 정보DB(430)에 저장된 대기 정보 중, 현재시간에 맞는 대기 정보를 가지고 표준대기에 맞추어진 전지구 피폭량 지도를 현재 대기 상태에 맞게 변환(전환)한다.
이때, 상기 전지구 방사선량 지도 변환부(300)는 압력을 기준으로 현재대기와 US표준 대기 사이의 전환이 이루어진다.
참고로, 현재 대기 정보는 미국 해군 연구소(Naval Research Laboratory)에서 개발한 NRLMSISE-00 모델을 사용하는데, 상기 현재대기 정보DB(430)는 상기 NRLMSISE-00 모델의 계산 속도를 단축하기 위해 사전 시뮬레이션을 수행하여 얻은 결과가 저장되어 있다.
상기 데이터베이스부(400)는 상기 양성자 스펙트럼 생성부(100), 전지구 방사선량 지도 생성부(200), 및 전지구 방사선량 지도 변환부(300) 각각의 연산시간이 데이터 산출시간보다 길어져 사실상 실시간 데이터 산출이 불가능하기 때문에, 사전계산이 가능한 부분을 분리하여 사전 계산 수행을 통해 데이터베이스화된다.
상술한 지도 변화부(300)에 의한 피폭량 지도 변환에 대하여 좀더 구체적으로 설명하면, 본 발명에서는 좀 더 사실적인 대기 상태를 반영하기 위해 미국 해군 연구소 (US Naval Research Laboratory Mass Spectrometer and Incoherent Scatter Radar with Exosphere released in 2000 : NRLMSISE00) 모델을 사용하였다.
NRLMSISE00 모델은 날짜와 시간, 위도, 경도, 고도, F10.7 그리고 Ap 지수를 입력 값으로 받으며, 이를 통해 출력 값으로 각종 중성입자(He, O, O2, N, N2, Ar, H)들의 개수밀도와 총 질량 밀도, 온도를 제공한다.
US 표준대기 모델은 고도에 따른 압력을 제공하므로, NRLMSISE00 모델의 결과를 통해 압력을 구하기 위해 이상기체 상태 방정식(P = nkT)을 사용하였다.
도 16은 F10.7과 Ap 지수 변화에 따른 위도, 경도별 고도에 따른 압력의 변화를 보여준다. 모든 위도와 경도에서 F10.7과 Ap 지수에 의한 영향은 80 km 이상에서만 큰 것을 확인할 수 있다.
따라서, 80 km 이하에서 NRLMSISE00 모델은 F10.7과 Ap 지수에 영향을 거의 받지 않는다고 할 수 있다.
본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템에서 응답 매트릭스(response matrix)의 제작을 100 km 상공부터 진행한다면 모델을 구동시킬 때마다 NRLMSISE00 모델을 구동하여 실시간 F10.7과 Ap지수의 상태를 반영해서 전 지구적 대기의 압력 분포를 산출해야할 것이다.
하지만 응답 매트릭스(response matrix)의 상층부 기준을 80 km로 정한다면 NRLMSISE00 모델을 DB화하여 모델의 안정성을 높이고, 모델 구동 시간을 줄일 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 항공 방사선량 분석 시스템은 80 km를 대기 상층부로 가정하고, 0~80 km, 총 148개의 고도 간격과 위도, 경도 각각 1˚씩, 360×181×148의 매트릭스(matrix)형태로 한 시간에 하나씩 총 8,784개의 파일을 작성하여 DB화 하였다.
US 표준대기 모델을 기준으로 작성한 전지구 피폭량 지도(dose map)에 NRLMSISE00 모델을 적용하는 방법은 다음과 같다.
먼저 각 위도와 경도에서 NRLMSISE00의 고도 간격을 응답 매트릭스(response matrix)를 만들 때 사용한 고도 간격과 일치시킨 후 전 지구적으로 압력을 구한다.
NRLMSISE00의 결과로 만들어진 압력을 기준으로 해당 압력일 때 US 표준대기에서의 고도 값을 선형보간법으로 구한다.
상술한 방식으로, 모든 위치(위도, 경도, 고도)의 압력 값에 대해 US 표준대기에서의 고도로 변환한다. 만약 고도 값을 음수로 갖게 된다면(지표근처), 0으로 바꿔준다. 고도 값으로 작성된 NRLMSISE00 모델의 대기 정보에 dose map의 값을 고도에 맞춰 대입하여 새로운 전지구 피폭량 지도(dose map)를 만들면, NRLMSISE00 모델이 적용된 전지구 피폭량 지도(dose map) 작성이 완료된다.
도 17은 US 표준대기에서의 전지구 피폭량 지도(dose map)와 NRLMSISE00 모델이 적용된 전지구 피폭량 지도(dose map)의 위도, 경도, 고도별 차이를 나타낸 것이다. US 표준대기를 사용한 전지구 피폭량 지도(dose map)와 NRLMSISE00 모델을 적용한 전지구 피폭량 지도(dose map)는 평균 약 7%의 차이를 보인다. 전반적으로 큰 차이는 보이지 않지만, 위도가 높은 지역(약 70이상)에서 dose가 약간 감소하는 경향성이 보인다. 이것은 위도가 약 70이상부터는 위도에 따라 dose 값이 크게 증가하지는 않지만, NRLMSISE00 대기모델에서 산출된 압력이 크게 증가하기 때문이다. 극지방으로 갈수록 지구 중심으로부터의 거리가 짧아지고 중력은 늘어나기 때문에 대기가 더 강하게 지구에 구속되어 밀도가 증가하게 된다. 따라서 높은 위도로 갈수록 대기의 압력은 높아지고, 이에 대응하는 US 표준대기의 고도는 감소하기 때문에 dose 또한 감소하게 된다.
NRLMSISE00 모델 적용이 괄목할만한 큰 차이를 만들지는 않지만, US 표준대기를 사용한 것에 비해 정량적으로 좀 더 정밀함을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 조건에서 상기 GEANT4 전산모사 결과를 살펴보면, 도 19에 도시된 바와 같이, 1개의 100 GeV 양성자가 80 km 상공에서 입사하는 경우, 1차 입자로 100 GeV 양성자가 입사되기 때문에 높은 고도에서 100 GeV 양성자 입자량(fluence) 값이 ~1/cm2 정도로 나타나고 있다.
1차 입자인 100 GeV 양성자로부터 다양한 에너지의 중성자, 전자, 광자가 생성되는 것을 알 수 있다. 특히 지표에서 20 km 고도 사이에서 핵 간 상호작용이 강하게 일어나면서 많은 양의 입자가 생성되고, 높은 입자량(fluence) 값을 보인다.
100 GeV 양성자는 일반적으로 은하 우주선 스펙트럼에만 존재한다고 고려되기 때문에 강한 은하 우주선 스펙트럼이 있을 경우 비행 고도뿐만 아니라 지표에 까지도 큰 영향을 끼칠 수 있음을 확인할 수 있다.
위의 결과에서 양성자, 전자, 광자의 결과는 10-3-105 MeV의 결과를 나타내었고, 중성자는 10-6-105 MeV의 결과를 나타내었는데, 이는 fluence-effective dose (2000, Pelliccioni) 변환상수가 중성자에 한해서만 매우 낮은 에너지 (2.5E-8 MeV)까지 제시되어 있기 때문이다.
5 GeV 양성자가 입사된 경우, 상기 GEANT4 전산모사 결과를 살펴보면, 도 20에 도시된 바와 같다.
상술한 100GeV 양성자가 입사된 경우와 비슷하지만, 입자량(fluence) 값이 100GeV 결과에 비해 작은 값이 나오게 된다.
양성자의 경우 100MeV ~ 50 GeV 에너지를 가지는 이차입자가 40 km 고도 이하로 생성이 되어 비행 고도 상에 분포하지만, 지표까지 도달하던 100 GeV 와는 달리 5 km 고도 상까지 밖에는 진입하지 못하고 있다. 중성자, 광자, 입자는 지표까지 도달하고 있고, 이는 100 GeV의 경향과 동일하다.
100 MeV 양성자가 입사된 경우, 상기 GEANT4 전산모사 결과를 살펴보면, 도 21에 도시된 바와 같다.
양성자 결과를 보면 앞의 결과와는 다르게 35km 부근에서 유입이 완전히 차단되고 있는 것을 알 수 있다. 이는 80km에서 입사되는 100 MeV 일차 입자가 35km 부근에서 반응이 증가함에 따라 더 이상 통과하지 못하고 있기 때문이다.
이에 반해 1~50 MeV의 낮은 에너지 양성자는 더욱 낮은 고도까지 통과하고 있다. 중성자, 광자의 경우 고도 20km 근방에서 경계가 보이고 있어서, 20km 고도 이상에서는 피폭량이 높게 증가할 것이라는 사실을 예상할 수 있다.
대기 중에서 방사선의 각 종별 유효선량 값을 직접 계산하는 것은 사실상 불가능하기 때문에, 도 22에 도시된 바와 같이 비교적 간단하게 계산할 수 있는 상술한 입자량(fluence) 값과 유효선량 사이의 관계를 파악하여 계산된 fluence-effective dose 변환상수들(coefficients)을 사용하고 있다.
보다 구체적인 입자종류별 입자량-유효선량 전환계수는 도 23, 도 24, 도 25, 및 도 26에 도시된 바와 같다.
우주방사선량 분석 모델에서 계산된 층별 입자량(fluence) 정보와 상술한 변환상수들을 사용하면 특정 에너지를 갖는 양성자 1개에 의한 각 층별 유효선량이 도출되는데, 이 정보가 응답 매트릭스(response matrix)로 사용된다.
이와 같은 종합적인 과정을 거쳐서 산출된 최종 응답 매트릭스(response matrix)는 도 27에 도시된 바와 같다.
도 27의 응답 매트릭스(response matrix)는 2차원 행렬 방식으로 X축은 80 km 상공에서 입사되는 양성자 1개의 에너지, Y축은 고도에 해당하며, 행렬의 값은 유효선량(Effective Dose)이다.
따라서, 상술한 은하 우주선, 태양 고에너지 양성자 스펙트럼 정보(양성자 에너지에 따른 입자 개수)와 연산하면, 최종적으로 입자 스펙트럼에 의해 생성되는 고도별 유효선량 정보가 산출할 수 있다.
상술한 고도별 유효선량은 아래의 [수학식 5]를 통해서 산출할 수 있다.
Figure 112016078158066-pat00008
Figure 112016078158066-pat00009
상기 수학식에서 D(h)는 고도(h)에 따른 변화하는 방사선 유효선량, E는 양성자 에너지, h는 고도, ED는 초기 양성자 에너지, S(EP)는 양성자 스펙트럼, C(E)는 변환 계수, F(E, Ep, h)는 입자량(fluence) 데이터, R=R(EP,h)는 응답 매트릭스(response matrix) 이다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 양성자 스펙트럼 생성부
110 : 제1 스펙트럼 생성부
120 : 제2 스펙트럼 생성부
130 : 스펙트럼 병합부
200 : 전지구 방사선량 지도 생성부
210 : 양성자 필터링부
220 : 전지구 방사선량 지도 산출부
300 : 전지구 방사선량 지도 변환부
400 : 데이터베이스부
410 : 함수DB
420 : 응답 매트릭스DB
430 : 현재대기 정보DB

Claims (10)

  1. 지구 대기로 입사되는 은하 우주선, 태양 양성자 이벤트에 따른 양성자 스펙트럼을 계산하는 양성자 스펙트럼 생성부(100);
    상기 양성자 스펙트럼을 이용하여 입자수송을 계산하고 피폭량 지도를 생성하는 전지구 방사선량 지도 생성부(200);
    표준대기를 기준으로 생성된 상기 피폭량 지도를 실시간 대기에 맞추어 변환하여 현재대기 구성에서의 피폭량 지도로 변환하는 전지구 방사선량 지도 변환부(300); 및
    상기 양성자 스펙트럼 생성부(100), 상기 전지구 방사선량 지도 생성부(200), 상기 전지구 방사선량 지도 변환부(300)의 구동에 따른 필요 데이터가 미리 계산되어 저장된 데이터베이스부(400);를 포함하되,
    상기 양성자 스펙트럼 생성부(100)는
    흑점 개수를 사용하여 BO`11(Badhwar-O`Neill 2011)모델을 구동함으로써 은하 우주선 스펙트럼을 생성하는 제1 스펙트럼 생성부(110);
    고에너지 양성자 플럭스 값을 이용하여 태양 고에너지 양성자 스펙트럼을 생성하는 제2 스펙트럼 생성부(120); 및
    상기 제1 스펙트럼 생성부(110)가 생성한 은하 우주선 스펙트럼과 상기 제2 스펙트럼 생성부(120)가 생성한 태양 고에너지 양성자 스펙트럼을 병합하여 전체 양성자 스펙트럼을 생성하는 스펙트럼 병합부(130);를 포함하는 것을 특징으로 하는 항공 방사선량 분석 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 스펙트럼 생성부(120)는
    상기 데이터베이스부(400)의 함수DB(410)에 저장된 태양 고에너지 양성자 스펙트럼 피팅함수(fitting function)를 이용해, 상기 고에너지 양성자 플럭스 값을 가지고 태양 고에너지 양성자 스펙트럼을 생성하는 것을 특징으로 하는 항공 방사선량 분석 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 스펙트럼 병합부(130)는
    상기 태양 고에너지 양성자 스펙트럼이 커버하는 605 MeV 이하에서는 은하 우주선의 결과를 제거하고, 700 MeV 이상의 플럭스부터 상기 BO`11(Badhwar-O`Neill 2011)모델에 의해 생성된 은하 우주선 스펙트럼 결과를 가지고 전체 양성자 스펙트럼을 생성하는 것을 특징으로 하는 항공 방사선량 분석 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전지구 방사선량 지도 생성부(200)는
    cutoff rigidity 모델을 통해서 상기 양성자 스펙트럼 생성부(100)에서 전달되는 양성자 스펙트럼을 80km상공에서의 스펙트럼으로 변환한 뒤, 80km 상공까지 도달하지 못하는 양성자를 제거하는 양성자 필터링부(210) 및
    상기 양성자 스펙트럼과 상기 데이터베이스부(400)의 응답 매트릭스DB(420)에 저장된 응답 매트릭스(response matrix)를 연산하여 표준대기하에서의 피폭량 지도를 산출하는 전지구 방사선량 지도 산출부(220);를 포함하는 것을 특징으로 하는 항공 방사선량 분석 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 응답 매트릭스(response matrix)는
    확률론적 방법을 사용하여 80km 상공으로부터 지표까지의 입자수송을 사전 계산하여, 그 결과가 정리되어 사전 제작되는 것을 특징으로 하는 항공 방사선량 분석 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 응답 매트릭스(response matrix)는
    대기 기하구조(geometry)와 핵입자 시뮬레이션을 위해 개발된 Monte-Carlo 방식의 GEANT4 입자 수송 코드가 사용되고, 입자가 지나가는 배경이 되는 대기 모델로 US 표준대기 모델이 사용되며, 지표에서 80km까지의 대기조성과 밀도 정보가 사용되어 제작되는 것을 특징으로 하는 항공 방사선량 분석 시스템.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 전지구 방사선량 지도 변환부(300)는
    상기 데이터베이스부(400)의 현재대기 정보DB(430)에 저장된 대기 정보 중, 현재시간에 맞는 대기 정보를 가지고 압력을 기준으로 표준대기에 맞추어진 전지구 피폭량 지도를 현재 대기 상태에 맞게 변환하는 것을 특징으로 하는 항공 방사선량 분석 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 현재대기 정보DB(430)은
    NRLMSISE00 모델의 계산 속도를 단축하기 위해 사전 시뮬레이션을 수행하여 얻은 결과가 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 항공 방사선량 분석 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 전지구 방사선량 지도 변환부(300)는
    모든 위치에서 상기 NRLMSISE00의 고도 간격을 상기 응답 매트릭스(response matrix)를 만들 때 사용한 고도 간격과 일치시킨 후, 전 지구적으로 상기 압력을 구하고, 선형보간법을 통해 압력을 기준으로 해당 압력일 때 표준대기에서의 고도 값을 구하여, 상기 고도 값으로 작성된 NRLMSISE00 모델의 대기 정보에 피폭량 지도(dose map)의 값을 고도에 맞춰 대입하여 상기 NRLMSISE00 모델이 적용된 피폭량 지도(dose map)로 변환하는 것을 특징으로 하는 항공 방사선량 분석 시스템.
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