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Radiation Shielding during Deep-Space Missions: Dose Measurements, Monte Carlo Simulations, and Nuclear Cross-Sections

Luoni, Francesca (2023)
Radiation Shielding during Deep-Space Missions: Dose Measurements, Monte Carlo Simulations, and Nuclear Cross-Sections.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022965
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Radiation Shielding during Deep-Space Missions: Dose Measurements, Monte Carlo Simulations, and Nuclear Cross-Sections
Language: English
Referees: Durante, Prof. Dr. Marco ; Roth, Prof. Dr. Markus
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 157 Seiten
Date of oral examination: 18 July 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00022965
Abstract:

Deep-space radiation is among the biggest hindrances to human space exploration. Therefore, radiation protection in space is a very active field of research. Passive shielding is currently the most promising radiation protection strategy and it consists of adding shielding material to the walls of the spacecraft and the planetary bases. This thesis work presents results obtained in accelerator-based experimental campaigns with some of the most relevant ion beams for radiation protection in space and several structural, in situ, standard, and innovative shielding materials. Lithium-based hydrides stabilised with paraffin were proved to combine the promising dose attenuation properties of the pure hydrides and the mechanical and chemical stability of the paraffin, resulting in good candidate shielding materials for space missions. The experimental data were compared with the simulation results of the most commonly used Monte Carlo codes in this field of research, namely FLUKA, PHITS, and Geant4. The simulations showed significant and systematic differences among the codes mainly due to the different implemented nuclear cross-section models. Therefore, the last part of the work focuses on the presentation of the two nuclear cross-section databases (total reaction cross-sections and fragment production cross-sections) that were generated within this thesis work. The collected nuclear reaction cross-section data were compared to the parametrisations used in the Monte Carlo codes to understand which of them are more reliable. It was concluded that no parametrisation can well reproduce all the experimental data for every system and energy region. Therefore, an optimisation of the Tripathi parametrisation for reaction cross-sections was proposed. Additionally, an important gap in the experimental data was pointed out for high energies. The databases were uploaded online and made open access to provide the research communities interested in such data, with the possibility to access them and plot them alongside the parametrisations.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Strahlung im tiefen Weltraum ist eines der größten Hindernisse für die bemannte Raumfahrt. Daher ist der Weltraumstrahlenschutz ein sehr aktives Forschungsgebiet. Trotz einiger Einschränkungen ist die passive Abschirmung derzeit die vielversprechendste Abschirmungsstrategie. Bei dieser Methode werden Abschirmmaterialien an den Wänden des Raumfahrzeugs und der planetaren Basis angebracht. In dieser Arbeit werden Ergebnisse vorgestellt, welche in beschleunigerbasierten experimentellen Kampagnen mit für den Strahlenschutz im Weltraum relevanten Ionenstrahlen und verschiedenen strukturellen, in situ, Standard- und innovativen Abschirmmaterialien gewonnen wurden. Dabei hat sich gezeigt, dass mit Paraffin stabilisierte Hydride auf Lithiumbasis die vielversprechenden Dosisabschwächungseigenschaften der reinen Hydride mit der mechanischen und chemischen Stabilität von Paraffin kombinieren. Dies macht sie als zu guten Kandidaten für Abschirmmaterialien in Weltraummissionen. Die experimentellen Daten wurden mit den Simulationsergebnissen der in diesem Forschungsbereich am häufigsten verwendeten Monte-Carlo-Codes, FLUKA, PHITS und Geant4, verglichen. Die Simulationen zeigten signifikante systematische Unterschiede, welche hauptsächlich auf die unterschiedlichen in den Codes implementierten Kernreaktionsmodelle zurückzuführen sind. Daher konzentriert sich der letzte Teil der Arbeit auf die Präsentation von zwei Datenbanken mit Kernreaktions- und Produktionsquerschnitten, welche im Rahmen dieser Arbeit erstellt wurden. Die gesammelten Daten zu totalen nuklearen Reaktionsquerschnitten wurden mit den in den Monte-Carlo-Codes verwendeten Parametrisierungen verglichen, um zu verstehen welche von ihnen zuverlässiger sind. Es wurde festgestellt, dass keine Parametrisierung alle experimentellen Daten für jedes System und jeden Energiebereich gut reproduzieren kann. Daher wurde eine Optimierung der Tripathi-Parametrisierung für totaler Reaktionsquerschnitte vorgeschlagen. Außerdem wurde auf eine wichtige Lücke in den experimentellen Daten für hohe Energien hingewiesen. Die Datenbanken wurden online hochgeladen und frei zugänglich gemacht, um den an solchen Daten interessierten Forschungsgruppen die Möglichkeit zu geben, sie einzusehen, herunterzuladen und sie zusammen mit den Parametrisierungen darzustellen.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-229657
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for Condensed Matter Physics
05 Department of Physics > Institute for Condensed Matter Physics > Biophysics
Date Deposited: 07 Feb 2023 09:07
Last Modified: 08 Feb 2023 07:00
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/22965
PPN: 504388320
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