Radiation Dosage in Flight Through the Van Allen Belt

8/10/2019 Radiation Dosage in Flight Through the Van Allen Belt

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E R O S P C E M E D IC IN E

Off icial Pub l icat ion of the erospa ce M edical ssociat ion

V O L U M E 30 S E P T E M B E R , 1959 N U M B E R 9

Radiat ion Dosage in F l ight through

the Van l len Be l t

HERMANN J. SCHAEFER Ph .D .

B O U T t en y e a r s a g o , w h e n a v i a -

l i o n m e d i c i n e d e v e l o p e d a s e r i-

, o u s i n t e r e s t i n t h e p r o b l e m o f

c o s m i c r a y , h a z a r d s i n f l i g h t a t t h e t o p

o f a n d o u t s id e t h e a t m o s p h e r e , it b e -

c a m e c o m m o n p r a c t i c e t o e x p r e s s c o s -

m i c r a y i n t e n s i t i e s i n t e r m s o f t i s s u e

i o n i z a t io n d o s a g e s , t h a t i s, i n r o e n t -

g e n s e q u i v a le n t p h y s i c a l ( r e p ) . T h i s

e x p e d i t e d ~ h e i n t e r p r e t a t i o n o f t h e ~ ;lata

o f t h e p h y s i c i s t s i n a s m u c h a s e x p o s -

u r e s q u o t e d i n r e p o r m i l l i - r e p i m m e -

d i a t e l y c o n v e y , t o t h e r a d i o b i o l o g i s t ,

a n i d ea a b o u t t h e e f f e c ts o n l iv i n g m a t -

t e r to b e e x p e c te d . O n t h e o t h e r h a n d ,

o n e s h o u l d r e al iz e th a t d o s a g e s d e r i v e d

in t h is m a n n e r a r e n o t r e p r e s e n t a t i v e

o f t h e t r u e e x p o s u r e t h a t w o u l d p r e -

v a i l i f a ~ h u m a n , b o d y w e r e t o r e p l a c e

t h e m e a s u r i n g d e v ic e . T h o u g h c o s m i c

r a y i n t e n s i t i e s a r e o f t e n g i v e n i n u n i t s

o f i o n p a i r s p e r c . c . o f s t a n d a r d a i r ,

t h e r e b y l e n d i n g t h e m s e l v e s e a s i l y t o

t h e i n d i c a t e d c o n v e r s i o n , t h e y u s u a l l y

h a v e b ee n m e a s u r e d w i th e q u i p m e n t

w h i c h d o e s n o t f u l fi ll t h e r e q u i r e m e n t s

From the U. S. Naval School of Avia t ion

Medicine, Pensacola, Florida.

Presen ted on A pri l 28, 1959, at the 3 0th

annual m eeting of the A ero Medical Associa-

t ion, Los Angeles.

SEFrEMnER, 1959

o f a i r e q u i v a l e n c e a s s e t f o r t h in t h e

d e f i n i t i o n o f t h e r o e n t g e n u n i t .

I f , t i s s u e i o n i z a t i o n d o s a g e s a r e t o [ ) e

i n d i r e c t l y d e t e r m i n e d b y i n f e r e n c e

f r o m d a t a , w h i c h ' h a v e b e e n c o l le c t ed

w i t h o u t a n y c o n s i d e r a t io n o f r a d i o -

b i o l o g i c a l i m p l i c a t i o n s , l a r g e r s y s t e m -

a t i c e r r o r s a r e b o u n d t o e n t e r t h e e v a l -

u a t i o n . T h e i o n i z a t i o n i n t h e g a s o f a n

i o n c h a m b e r i s r e p r e s e n t a t i v e f o r t h e

t is s u e 'd o s ag e o n l y i f a n u m b e r o f c o n -

d i t i o n s a r e f u l f il le d . T h e f il l in g g a s

a n d t h e w a l l s ,h a ve t o b e o f t h e s a m e

m e a n a t o m i c n u m b e r a s l i v i n g m a t t e r .

T l l e t h i c k n e s s ~ f t h e e h a m ' b e r w a l l s

m u s t b e l a r g e e n o u g h t o e q u a l t~h e m a x -

i m u m r a n g e o f s e c o n d a r y e le c tr o n s a n d

s m a l l e n o u g h n o r t o a t t e n u a t e t h e r a d i -

a t io n t o b e m e a s u r e d . F o r a r a d i a t io n

o f t h e u t t e r i n h o m o g e n e i t y o f t h e p r i -

m a r y c o s m i c r a y , b e a m , t h e l a t t e r r e -

q u i r e m e n t l e a d s t o c o n t r a d i c t o r y s p e c i -

f i ca t io n s o f d e s ig n . A n o t h e r d i f f i cu l t y

l i e s i n t h e n e e d , f o r s a t u r a t i o n v o l t a g e

o f t h e i o n c o l l e c t i n g f i e l d i n t h e c h a m -

b e r . A s i z a b le f r a c t i o n o f th e t o t a l

i o n i z a t i o n o f t h e p r i m a r y c o s m i c r a y

b e a m i s g e n e r a t e d i n a b s o r p t i o n e v e n t s

o f h i g h l o c a l e n e r g y d i s s i p a t i o n c r e a t -

i n g d e n s e c o l u m n s o r g i a n t ' c l u s t e r s o f

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2/9

R A D I A T I O N D O S A G E I N F L I G I -I T - -S C H A E F E R

i o n s. C o n s i d e r a b l e r e c o m b i n a t i o n lo s s

i s u n a v o i d a b l e f o r t h i s f r a c t i o n o f t h e

t oi ea l i o n i za t i o n e v e n i f a h i g h v o l t ag e

i s u s ed f o r t h e i o n co l l e c t i n g f i e l d .

F i n a l l y , t h e c o s m i c r a y a p p a r a t u s o f

t h e p h y s i c i s t i s u s u a l l y d e s i g n ed , to t h e

m o s t s t r i n g e n t s p e c i fi c a ti o n s o f c o m -

p a c t n e s s w e i g h i n g a f e w , po u n d s a t t h e

m o s t . A c c o r d i n g l y , th e d o s a g e c o n t r i-

b u t i o n f r o m l o c a l s c a t t e r i n g i n c a s i n g ,

f r a m e a n d e q u i p m e n t c a n b e e x p e c t e d

t o b e s u b s t a n t i a l ly s m a l l e r t h a n f o r a

h u m a n b o d y i n a l a r g e s p a c e c a p s u l e .

F o r a l l t h e s e r e a s o n s , t h e i n d i c a t e d

e v a l u a t i o n o f c o s m i c r a y e x p o s u r e s i n

r e p c a n n o t c l a i m a c c u r a c y . H o w e v e r ,

a s . lo n g a s t h e ,d o s ag es i n v o l v e d r em a i n

s m a l l , n o t ex c eed i n g t h e 1 r l ev e l , t h i s

i n d e t e r m i n a c y s e e m s a c c e p t a , b l e s i n c e

o n t h e b i o l o g i ca l l ev e l a s i m i l a r l y l a r g e

m a r g i n o f u n c e r t a i n t y e x i st s w i t h r e -

g a r d t o t h e d e f i n i ti o n o f t h e p e r m i s s i-

b l e d o s e . F o r t h e s o - c a ll e d q u i e s c e n t

c o s m i c r a y b e a m b e y o n d t h e a t m o -

s p h e r e a n d w i t h d o s e r a t e s w e l l b e l o w

0 .1 r e p p e r 2 4 h o u r s , t h i s s p e c i fi c a ti o n

s eem s w e l l f u l f il l ed . F o r s p ace t r av e l i n

g e n e r a l , h o w e v e r , a s i m i l a r a s s u r a n c e

n o l o n g e r e x i s t s s i n c e V a n A l l e n h a s

s h o w n t h a t a fi e l d o f i n t e n s e r a d i a t i o n

i s g i r d l i n g t h e e a r t h b e y o n d th e 1 , 00 0

k i l o m e t e r m a r k w i t h d ~)s e r a r es e x c e e d -

i n g t h e 1 0 r e p p e r h o u r l ev e l. D e s p i t e

t h e s e n e w a s p e c t s , i t is n e v e r t h e l e s s f e l t

t h a t i n t h e p r e s e n t e a r l y p h a s e o f s p a c e

e x p l o r a t i o n t h e u s e o f th e r e p u n i t f o r

d o s a g e e s t i m a t e s , b e c a u s e o f i t s b e t t e r

d e s c r i p t i v e n e s s , s h o u l d n o t b e a b a n -

d o n e d . I f t h e a f o r e m e n t i o n e d li m i ta -

t i o n s a r e b o r n e i n m i n d , n o m i s c o n c e p -

t i o n s a r e l i k e ly t o d e v e lo p . W h e n s a t -

e l li t e :t e ch n i q u es p r o g r e s s i n t h e f u -

t u r e a n d m o r e d e t a i le d d a t a o n t h e

r a d i a t i o n i n t h e V a n A l l e n b e l t a r e

6 3

a v a i l a b l e , a m o r e f r u i t f u l d e b a t e o f

h o w t o c a r r y o u t t h e d e t e r m i n a t io n o f

t h e . t r u e t i s s u e i o n i z a t i o n d o s a g e s i n

a m a n n ed s p ace s h i p w i ll ,b e p o s s i b l e .

T h e d i s c o v e r y b y V a n A l l e n 2 th a t

t h e e a r t h i s s u r r o u n d e d , i n t h e e q u a t o -

r i a l r e g io n , b y a n i n t e n s e r a d i a t i o n f ie l d

e x t e n d i n g f r o m 1 , 0 00 leo a b o u t

20 000

k i l o m e t e r s i n a l t i t u d e , h a s b r o u g h t

a b o u t a r e v o l t t t i o n a r y c h a n g e i n t h e

b a s i c c o n c e p t s o f t h e r a d i a t i o n h a z a r d s

i n s p a c e f li g h t. W h i l e p r e s e n t i n f o r m a -

t i o n i s s t i l l t o o f r a g m e n t a r y t o a l l o w a

p r e c i s e d e t e r m i n a t i o n o f t h e . ti ss u e i o n i-

z a t i o n d o s a g e s t h a t w i l l h a v e t o b e

a c c e p t e d i n f l i g h t t h r o u g h t h e V a n A l -

l e n b e l t, t h e f r e q u e n c i e s o f i o n i z i n g

p a r t i c le s h a v e b e en a c c u r a t e l y d e t e r -

m i n e d a n d s o m e f i r s t c l u e s a s t o t h e

n a t u r e o f t h e s e p a r t i c l e s a n d t h e i r e n -

e r g i e s a r e a v a i l a b le . T h i s i n f o r m a t i o n

i n d i c a t e s t h a t e x p o s u r e l e v e l s c l o s e l y

a p p r o a c h i n g o r p o s s i b ly f u l l y e nt e r in g

t h e r a n g e o f a c u t e r a d i a t i o n d a m a g e

p r e v a i l in t h e c e n t r a l z o n e s o f t h e V a n

Al len be l t .

T h e i m p a c t o f t h i s s e n s a t i o n a l t u r n

o f ev en t s is s o s t r o n g t h a t s o m e m i g h t:

b e i n c l i n e d t o f o r g e t t h e v a s t r eg i, 0n

b e t w e e n 2 0 0 a n d 1 0 0 0 , k il o m e t e rs i n

a l t i t u d e i n w h i c h l o n g - l i v e d s t a b l e o r -

b i t s c a n b e e s t a b l i s h e d a n d t h e r a d i a -

t i o n h a z a r d s e e m s e n t i r e l y a c c e p t a b l e .

IIe i s t h i s v e r y r eg i o n , u p o n v eh i ch th e

s o u n d , p r a c t i c a l d e v e l o p m e n t o f h t m a a n

s p a c e f l i g h t i n t h e n e a r f u t u r e w i l l

c e n t e r . G l o b a l p a s s e n g e r t r a n s p o r t a -

t i o n w i t h b a l l i s t i c v e h i c l e s a n d p e r m a -

n e n t l y o r b i t i n g o b s e r v a t i o n a n d r e l a y

p l a t f , o r m s w i l l b o t h o p e r a t e i n t h i s

a l t i tu d e r a n g e . I n f a c t , b o t h t y p e s o f

o p e r a t i o n a r e l i k e l y t o h e a v i l y f a v o r

t h e l o w e r th i r d o f t h e a l ti t u d e r a n g e i n

q u e s t i o n . N e v e r t h e l e s s , t h e c h a ll e n g e

EROSP CE MEDICINE


3/9

R A D I A T I O N D O S A G E I N F L I G H T - - S C H A E F E R

o f m a n n e d f li g h t b e y o n d t h e 1 0 0 0

k i l o m e t e r m a r k w i ll a l w a y s b e t h e re ,

a n d c a l l s f o r a t e n t a t i v e a s s e s s m e n t o f

t h e r a d i a t i o n h a z a r d s i n t h e s e r e g i o n s .

THE V N LLEN BELT

G r a p h s a n d p i c t t l r e s o f t h e g e n e r a l

i s o i n t e n s i t y c o n t o u r s o f t h e V a n A l l e n

b e l t : , a s t h e y f o l l o w f r o m t h e r e c o r d -

i n g s o f t h e

Explorer

s a t e l l i t e s a n d

Pio

neer p r o b e s , h a v e b e e n p u b l i s h e d r e -

p e a t ed l y . 1 T h e y a r e a ll b a s e d o n V a n

A l l e n s . o ri g in a l g r a p h i n h i s r e p o r t

on , the

Pioneer 11I

d a t a . 3 T h e b a s i c

s t r u c t u r a l f e a t u r e o f t h e . b e l t i s t h e d i -

v i s i o n i n t w o z o n e s s h o w i n g m a x i m u m

r a d i a t i o n i n t e n s i t y a t a b o u t 3 0 0 0 a n d

a b o u t 1 5 , 0 0 0 k i l o m e t e r s i n a l t i t u d e

a b o v e s e a l ev e l. I n a s m u c h a s t h e p r o b -

i n g v e h i c l e s , c a r r i e d d i v e r s e d e t e c t o r s ,

s o m e f ir s t c l u e s o n t h e c o m p o s i t i o n o f

t h e r a d i a t i o n i n t h e t w o z o n e s a r e a l s o

a v a il a b le . T h e m o s t p e n e t r a t i n g c o m -

p o n e n t i n t h e i n n e r z o n e s e e m s t o c o n -

s i s t o f p r o t o n s i n th e 1 0 0 m i l l i o n e - v o l t

e n e r g y r a n g e . T h i s c o m p o n e n t p r o -

d u c e s, e v e n b e h i n d 1 g r a m p e r c m 2

a b s o r b i n g m a t e r ia l , a d o s e r a t e o f m o r e

t h a n 1 0 r e p p e r h o u r a n c ~ i s li tt le a t -

t e n u a t e d b y a n a d d i t i o n a l s h i el d o f 3

m i l l i m e t e r s o f l e ad . W i t h o u t t h e i n d i-

c a t e d a b s o r b e r s , t h e m a x i m u m i n t e n s -

i t y i n t h e i n n e r z o n e i s ~ r e m e n d o u s , y e t

t h e , bu lk ,o f t h e b e a m c o n s i s t s o f p a r -

t i c l e s o f l o w e n e r g y c o r r e s p o n d i n g t o

a p e n e t r a t i n g p o w e r o f l e s s t h a n 1 4 0

m i l l i g r a m s p e r c m 2. T h e r e m a i n i n g i n -

t e n s i t y o f h i g h e r p e n e t r a t i o n t h a n 1 4 0

m g p e r c m 2 e x h i b i t s a l e s s s t e e p d e -

c l i n e t o w a r d s ~ hig h er e n e r g i e s . T h i s

m e a n s t h a t a m a n f r e e l y e x p o s e d i n a

s p a ce s u it o f m i n i m u m d e s i g n f o r p r e s -

s u r i z a ti o n a n d h e a t i n su l a t io n ( a b o u t

0 . 2 g p e r c m 2 ) w i ll r e c e i v e a n e n t r a n c e

d o s e t ~ h i s s k i n . o f s t ~ b s t a n t i a l l y m o r e

SEPTEMBER, 1959

t h a n 1 0 r p e r h o u r a n d t h e d e p t h d o s e

o f t h i s r a d i a t i o n w i l l n o t s h o w a v e r y

s t e e p d e c l i n e .

T h e o u t e r z o n e s e e m s t o c o n s i s t e x -

c h t s i v e ly o f e l e c tr o n s , w h i c h s h o w a

s i m i l a r l y s t e e p e n e r g y s p e c t r u m f a l l -

i n g o f f r a p i d l y to w a r d h i g h e r e n e r g i e s

( i. e. , p e n e t r a t i n g p o w e r s ) . W h i l e p r o -

t e ct io n f r o m t h e e l e c tr o n s t h e m s e l v e s

w o u l d p o s e n o s e r io u s w e ig h t p r o b l e m

b e c a u s e o f t h e ir l o w p e n e t r a t i n g p o w e r ,

t h e ac t u a l e x p o s u r e c o n d i t i o n s a r e s e r i -

o u s ly a g g r a v a t e d b y t h e c i r c u m s t a n c e

t h a t e l e c tr o n s i n t h e p r o c e s s o f b e i n g

s t o p p e d p r o d u c e x - r a y s i n t h e s o -c a ll e d

bremsstrahlung

p r o c e s s e s , a n d t h e s e

x - r a y s h a v e a b o u t a t h o u s an d t im e s

h i g h e r p e n e t r a t i o n t h a n t h e e l e c t r o n s

g e n e r a t i n g th e m . T h i s lo c a l x - r a y

p r o d u c t i o n i n th e o u t e r s u r f a c e o f t h e

v e h i c l e r e p r e s e n t s t h e m a i n , i f n o t e x -

c l u s i v e e x p o s t r r e f l a r e a t i n t h e o u t e r

z o n e o f t h e V a n A l l ef l b e l t.

T h e b e s t w e i g h t e c o n o m y i n th e d e -

s i g n o f s h i e l d i n g f r o m t h e r a d i a t io n

i n th e o u t e r z o n e w o u l d b e a f f o r d e d b y

l a m i n a t e d w a l l s a s s i g n i n g t h e t a s k o f

s t o p p i n g t h e b e t a r a y s t o a m a t e r i a l

o f l o w a to m i c n u m b e r Z , t h e r e b y m i n -

i m i z i n g t h e p r o d u c t i o n o f x - r a y s , a n d

t h e t a s k o f a t t e n u a t i n g t h e x - r a y s t o

a n e l e m e n t o f , h i g h Z w h i c h o f f e r s

g r e a t e r a b s o r p t i o n o n t h e sa m e w e i g h t

b a s i s t h a n a l i g h t e r m a t e r i a l .

INTEGR L EXPOSURE IN DIFFERENT

ORBITS

A n o t h e r p o s s i b il it y o f r e d u c i n g t h e

r a d i a t i o n e x p o s u r e i n f l i g h t t h r o u g h

t h e r a d i a t i o n b e l t l i e s i n : s p e e d i n g u p

t h e t r a v e r s a l o f t h e r e g i o n s o f h i g h e s t

i n te n s it y . T h e f o l l o w i n g e x a m p l e

s e r v e s b e s t t o e x p l a i n t h e ~ a s i c i s s u e .

N e a r e s t a t h a n d is t h e ca s e o f t h e l u n a r

t r a n s f e r , i .e ., th e t r i p t o t h e m o o n .

633


4/9


5/9

R A D I A T I O N D O S A G E IN F L I G H T - - S C H A E F E R

R o u t i n e m a t h e m a t i c a l p r o c e d u r e s

l e a d f r o m t h e a l t i tu d e p r o f i le o f t h e

s p e e d ( b o t t o m , F i g . 1 ) t o th e a l t it u d e

p r o f i le o f t h e t im e , w h i c h i n t u r n c a n

b e c o m b i n e d w i t h t h e a l t it u d e p r o f il e

o f th e d o s e r a t e ( t o p , F i g . 2 ) f u r n i s h -

i n g f i n M . l y t h e a l t i t u d e p r o f i l e o f t h e

i n t e g r a l d o s e ( b o t t o m , F i g . 2 ) . O f

s p e c i a l i n t e r e s t a l s o i s t h e t i m e p r o f i l e

o f t h e d o s e r a t e f o r t h e t w o t r a j e c t o r i e s

7.5

~

z

Q::

I 1 5 2 2 5 3

n

5 I0 15 20 25

LSso

e v e l A L T I T U D E N 1 , 0 0 0 K IL OM E TE R S

3

Fig . 2 . Radia t ion dosage in Van Al len

be l t . Dose ra te a s a func t ion of a l t i tude

above sea leve l over equa tor (abov e) . A c-

cumula ted dose as a func t ion of a l t i tude for

t i l e two t ra jec tor ies of F igure 1 (be low).

i n q u e s t i o n , s i n c e i t c o n v e y s d i r e c t i n -

f o r m a t i o n o n t h e c r i t i c a l t i m e i n t e r v a l s

d u r i n g w h i c h h i g h r a d i a t i o n i n te n s i ti e s

p r e v a i l . T h e s e t i m e , p ro f il es a r e s h o w n

i n F i g u r e 3 . T h e a r e a s u n d e r t h e

c u r v e s a r e d i r e c t l y i n t e g r a l d o s e s .

I t is i n t e r e s t i n g t o n o t i c e t h a t , f o r

t h e r a d i a l s h o t , * h e c r i t i c a l t i m e i n t e r -

v a l s w i t h i n w h i c h t h e b u l k o f t h e f u l l

d o s e is a d m i n i s t e r e d e q u a l 7 m i n u t e s

f o r t h e f ir st , a n d a b o u t 1 5 m i n u t e s f o r

t h e s e c o n d b e l t . I t s e e m s c o n c e i v a b l e

t h a t a s p a c e p i l o t d u r i n g s u c h r e l a t i v e l y

s h o r t p e r i o d s c o u l d a c c e p t s o m e d i s -

c o m f o r t i n o r d e r t o en s u r e b e t te r p r o -

t e c t io n a s s h o w n i n F i g u r e 4 . R o l l i n g

u p t o a f e ta l p o s i t io n t h e m a n c o u l d

c r a m h i m s e l f i n t o a l e a d li n e d c a p s u l e

IO

7 5

5

2 . 5

~

r

10

~ 7 . 5

5

'~ i ~ Radial

hot

0 15 3 0 4 5 6 0 7 5

9

~ ronsfel~

I E I t ipse

0 1 5 3 0 4 5 6 0 7 5 9 0

T I M E I N M I N U T E S A F T E R E N T R Y N R A D I A TI ON B E L T

Fig . 3 . Time prof i le of dose ra te in Van

Al len be l t for the two t ra jec tor ies of F igure

1. N ote sho rter t im e intervals a t ~high dose

rates for radial shot , especial ly in the first

zone.

w h i c h p r o v i d e s o n l y m i n i m u m s p a ce

f o r m o v e m e n t . I t i s o b v i o u s t h a t t h e

t o ta l s u r f a c e a n d t h e r e f o r e a l s o t h e

w e i g h t o f s u c h a ,c a p su l e i s c o n s i d e r -

a n y s m a l le r th a n t h a t o f o n e d e s i g n e d

f o r a m a n i n a m o r e c o m f o r t a b l e p o s i -

t i o n . A t t h e . s am e t im e , a m a n i n a

r o l l e d - tt p p o s i t i o n r e c e i v e s a s m a l l e r

t o ta l b o d y d o s e i n a g i v e n r a d i a t i o n

f ie ld t h a n i n a s t a n d i n g o r s i t t in g p o -

s i t io n , ~ b e c au s e t h e b o d y o f f e r s , a s m a l l e r

t o t al e n t r a n c e c r o s s s e c t i o n t o t h e r a -

d i a ti o n b e a m w i t h a c o r r e s p o n d i n g l y

g r e a t e r e q u i v a l e n t t a r g e t t h i ck n e s s . I n

v i e w o f t h e l a r g e f r a c t i o n , of p a r t i c l e s

o f .lo w p e n e t r a t i o n i n t h e i n c o m i n g r a d -

i a t i o n , t h i s w i l l r e s u l t i n a s u b s t a n t i a l

l o w e r i n g o f t h e k i l o g r a m r o e n t g e n t o t al

b o d y r a d i a t i o n b u r d e n .

S Em v_.~Bra, 1959 635


6/9

R A D I A T I O N D O S A G E I N F L I G I- IT - -. SC H A E F E R

A n o t h e r q u e s t i o n w h i c h s h o u l d b e

d i s c u s s e d i n t h i s c o n n e c t i o n c o n c e r n s

t h e d i r e c ti o n a l p r o p e r t i e s o f t h e r a d i a -

t io n . T h e r e a r e s o m e li n e s o f e v i d e n c e

s h o w l a r g e ly o n m i - d i re c t i o n a l s y m m e t -

r y o f i n c i d e n c e .

A t h i r d q u e s t i o n p e r t a i n s t o s u b -

m e r s i o n i n w a t e r . W e t o l o w th a t a

I N C I D E N C E O F R A D I A T I O N

\

\ i

4 - - ~ - Ik

- - - - p

\

J [

] L

A . O M N I D IR E C T I O N A L B . C Y L I N D E R S Y M M E T R I C A L

Fig. 4. Fetal posi t ion of p i lot fo r m inimizing expos ure in short duration

trave rsal of intense radiat ion fields. Tw o advanta ges: (1) total surface,

i.e., weight o f shield is minimal, (2) volum e dose in kilo gra m roentgens

is minimal because of greater mean depth of target which means smaller

depth doses.

. J

t h a t a l a r g e . p a r t .o f t h e e l e c t r o n s a n d

p r o t o n s i n t h e V a n A l l e n b e l t t r a v e l

a t r i g h t a n g l e t o t h e m a g n e t i c . l i n e s o f

f o r c e o f t h e e a r t h s f ie ld . I n t e r m s

o .f t he 1 ,oca l c o nd i t i on s i n a s pa c e sh i p

t h is w o u l d m e a n t h a t .th e p r i m a r y r a d i -

a t i o n s h o w s . c y l i n d e r - s y m m e t r i c a l i n -

c id e n c e . I t h a s b e e n s u g g e s t e d t h a t

t h i s . c i r c u m s t a n c e c o u l d b e u t i l i z e d f o r

f u r t h e r w e i g h t .s a v in g s w i t h t h e d e s i g n

o f a r i n g - .o r b a r r e l - s h a p e d s h i e ld l e a v -

i n g to p a n d b o t t o m o p e n ( r i g h t , F i g .

4 ) . H o w e v e r , i t s e e m s q u e st io n a . b le

w h e t h e r s u l - , s t a n t i a l g a i n s c a n b e a c -

c o m p l i s h e d a l . o n g t h e s e l i n e s s i n c e a

l a r g e p a r t o f t h e t i s s u e d o s e w i t h i n

t he sh i p wi l l be , c on t r i bu~ t e d by se c on-

d a r i e s p r o d u c e d l o c a l l y in t h e s t r u c t u r a l

m a t e r i a l a n d e q u i p m e n t o f . t h e v e h i c l e .

T h i s s c a t t e r e d r a d i a t i . o n i s l i k e l y t o

c o n s i d e r a b l e a l l e v i a t i o n o f a c c e l e r a t i v e

s t r e s s e s c a n b e a c h i e v e d b y t o t a l b o d y

s u b m e r s i o n in w a t e r . C o m b i n i n g t h e

t w o p r i n c i p l e s o f w a t e r s u b m e r s i o n

a n d r a d i a t i o n s h i e ld i n g , o n e . co u ld c o n -

c e i v e o f a w a t e r - f i l le d b a r r e l w i t h l e a d -

l in e d w a ll s. T h i s w o u l d o p e n t h e p o s -

s i b i l i t y o f a l l o w i n g s , o m e w h a t m o r e

s p a ce a n d p o s i ti o n a l f r e e d o m i n a s -

m u c h a s t h e w a t e r w o u l d p a r t l y t a k e

o v e r t h e t a s k ,o f c r e a t i n g a c o m p a c t

b a l l - l i k e t a r g e t v o l u m e f o r t h e r a d i a -

t io n , m i n i m i z i n g t h e r e b y .t~ he d e p t h

d o s e a n d t h e i n t e g r a l v o l u m e d o s e f o r

t h e m a n i n it . A s m e n t i o n e d ~ b ef or e,

b e t t e r d a t a o n t h e a c t u a l r o e n t g e n d o s -

a g e s i n v o l v e d a r e n e e d e d b e f o r e i t c a n

b e d e c i d e d t o w h a t e x t e n t t h e s e p o t e n -

t ia l w a y s a n d m e a n s o ,f p r o t e c t i o n w i ll

h a v e t o b e u s e d . T h e r e i s n o, q u e s t i o n

6 6 A E R O S P A C E ~ [ ED IC I E


7/9

R A D I A T I O N D O S A G E

t h a t t h e y a r e a l l r a t h e r c o s t l y i n t e m l s

o f w e i g h t. W h a t m a k e s it e s p e c i al l y

f r u s t r a t i n g is t h at t h e y w o u l d b e n e ed -

e d f o r ~ n l y a r a t h e r s m a l l f r a c t i o n o f

t h e t o t a l t r a v e l i n g t i m e .

R e t u r n i n g a g a i n to th e c o m p u t a t i o n -

a l p r o c e d u r e o f e v a l u a t i n g t h e i n t e g -

r a l r a d i a t i o n d o s e , i t i s i n t e r e s t i n g t o

n o t e t h a t a v e r y d e s c r i p t i v e m e t h o d

o f g r a p h i c a l p l o t t i n g o f r a d i a t i o n f i e l d s

i s , o b t a i n e d b y d i v i d i n g t h e l o c a l d o s e

r a t e a t a c e r t a i n d i s t a n c e f r o m t h e e a r t h

b y 12 he .lo ca l v e r t i c a l s p e e d c o m p o n e n t

o f t h e v e h i c l e . T h e r e s u l t o f t h i s d i v i -

s i o n i s a q u a n t i t y , w h i c h h a s t h e d i -

m e n s i o n o f d o s e d i v i d e d , b y d i s t a n c e .

I t i s , . i n o t h e r w o r d s , t h e . d o s e w h i c h

t h e v e h i c l e a c c u m u l a t e s i n t r a v e l i n g

o v e r u n i t d i st a n c e. F i g u r e 5 s h o w s t h e

c o r r e s p o n d i n g g r a p h w i l~ h t he 1 ,0 00

k i l o m e t e r d o s e p l o t t e d , o n t h e o r d i n a t e .

T h e c h a r a c t e r i s t i c d i f f e r e n c e o f t h e

t w o t r a j e c t o r i e s n o w s h o w s u~p m o s t

c l e a rl y . A t t h e s a m e t im e , t h e p l o t i s

a n a l t i t u d e p r o f i l e a n d n o t a t i m e p r i ~ -

f il e. T h i s i s a d e f in i t e a d v a n t a g e s i n c e

i t r e s t o r e s t h e c o n n e c t i o n to , t h e a l t i -

t u d e p r o f i le o.f th e d o s e r a t e a n d p e r -

m i t s d i r e c t m a p p i n g o ,f t h e r a d i a t io n

f i e l d i n c o n v e n t i o n a l t e r m s o f a l t i t u d e

a n d l a t i t u d e .

T h e m a i n r e a s o n f o.r t h e u s e f u l n e s s

o f t h e 1 0 0 0 k i l o m e t e r d o s e r e s t s i n

t h e f a c t th a t f o r m o s t i n t e r p l a n e t a r y

o p e r a t i o n s , s u c h a s t r a n s f e r t o th e

m o o n o r t o M a r s , o r V e n u s , b y f a r

t h e l a r g e s t p a r t o f t h e p r o p u l s i o n w o r k

i s p e r f o r m e d i n g e t t i n g t h e v e h i c l e o u t

o f t h e g r a v i t a t i o n a l r e a c h o f t h e e a r t h .

S i n c e t h i s w o r k i s t h e s a m e f .o r a n y

m i s s i o n , t h e r e q u i r e d l a u n c h i n g s p e e d

o f . t h e v e h i c l e w i l l b e l a r g e l y t h e s a m e .

A s i s w e l l k n o w n , . to e a c h d i s t a n c e

f r o m t h e e a r t h w i t h i n i t s g r a v i t a t i o n a l

r e a c h a c o r r e s p o n d i n g c h a r a c t e r i s t i c e s -

SEPTEMB~.R,

959

I N F L IG I -I T S C H A E F E R

c a p e v e l o c i t y c a n ~be a s s i g n e d . I f t h e

d o s e r a t e o f i o n i z i n g r a d i a t i o n a t t h a t

d i s t a n c e i s a l s o k n o w n o n e c a n i m -

m e d i a t e l y d e t e r m i n e t h e c o r r e s p o n d i n g

0 6

Radial

S h o t

0 6

= 0 2

w 5 ,o ,5 25

0 4

q 5 tO 15 2 25

A L T IT U O E IN I O 0 0 K I L O N E T E R S

Fig. 5. Altitude profile of 1,000 kilometer

dose for the two t ra jec tor ies of Figure 1.

1 0 0 0 k i l o m e t e r d o s e f o r t h a t p a r t i c u l a r

po i n t a s t he qu ,o . t i e n t o f t he l oc a l dose

r a t e a n d t h e l o c a l e s c a p e v e lo c i t y . T h i s

1 0 0 0 k i l o m e t e r d o s e i s a m u c h m o r e

r e a l i s t i c t e r m t h a n t h e d o s e r a t e i t s e l f ,

s i n c e i t d i r e c t l y d e f i n e s t h e l o c a l e x p o -

s t tr e h a z a r d . F o r i n s ta n c e , t h e s a m e

d o s e r a te o f 1 0 r p e r h o u r e n c o u n t e r e d

a t a n a l t it u d e o f 6 , 0 0 0 k i l o m e t e r s i s

e q u i v a l e n t t o 0. 35 r . p e r 1 0 0 0 k i l o m e t e r s ,

e n c o u n t e r e d a t 6 0 , 0 0 0 k i l o m e t e r s a l t i -

t u d e i t i s e q u i v a l e n t t o t w i c e a s m u c h ,

n a m e l y , 0 . 7 r p e r 1 0 0 0 k i l o m e t e r s .

I t i s t o o e a r l y t o d e c i d e t o w h a t e x -

t e n t su c h e l a b o r a te m a p p i n g o f r a d i a -

t i o n f i el d s in s p a c e w i l l b e n e c e s s a r y .

I t i s n o t e v e n k n o w n y e t w h e t h e r t h e s e

f ie ld s a r e c o n s t a n t e n o u g h t o m a k e : su ch

a g e n e r al a n a l y s i s w o r t h w h i l e a n d r e a l-

i st ic . A r a d i c a l l y d i f f e r e n t w a y 0 4

s o l v i n g t h e r a d i a t i o n i ss tr e i s b y p a s s i n g

637


8/9

R A D I A T I O N D O S A G E I N F L I G H T - - S C H A E F E R

t h e V a n A l l e n b e l t e n t i r e ly ,b y c h o o s i n g

t h e s o - c al le d p o l a r e s c a p e r o u t e . F i g -

u r e 6 , d r a w n s t r i c t l y t o s c a l e , s h o w s

t h e i n it ia l s e c t io n o f s u c h a l u n a r t r a n s -

a d d i t i o n a l

pus'h

i n l a u n c h i n g s a v i n g

f u el . B o t h a d v a n t a g e s d o n o t e x i s t f o r

t h e n o n - c o p l a n a r e l li p se . S i n c e t h e

p l a n e o f t h i s o r b i t f o r m s a n a n g l e

2 5

16 I

Fig. 6. So-called polar escape route fo r lunar t ri p bypassing

Va n Allen belt . No te that actual launching a nd inject ion . into

orbi t can take place at any lat i tude including equator.

f e r e l li p s e . I t is i n t e r e s t i n g

to

n o t i c e

t ha t : t he ve h i c l e , c ou l d

e

l a unc he d i n , t o

t h i s o r b it f r o m a l o c a ti o n a s f a r d o w n

a s t h e g e o m a g n e t i c e q u a t o r a n d s t i l l

w o u l d c l e a r t h e r a d i a t i o n , b e l t , b y a

l a r g e d is .t an c e. I t w o u l d b e e r r o n e u o s ,

h o w e v e r , t o a s s u m e t h a t t h e p o s s i b i l i t y

o f u s i n g a t r a n s f e r e ll ip s e f o r t h i s o r b i t

w o u l d r e s t o r e t h e n a v i g a t i o n a l a d v a n -

t a g e s o f t h i s t y p e ,o f t r a j e c t o r y o v e r t h e

r a d i a l s h o t. T h e c o n v e n t i o n a l l u n a r

t r a n s f e r e ll ip s e , w h i c h h a s b e e n e x -

c l u s iv e l y u s e d s o f a r f o r a l l m o o n

p r o b e s , t h e

Pioneers

a s w e l l a s

Mechta,

i s c o p l a n a r w i t h t h e m o o n s o r b it . T h i s

e n s u , r e s a g r e a t e r c h a n c e o f s t i l l r e a c h -

i n g . t h e m o o n d e s p i t e n a v i g a t i . o n a l

l a u n c h i n g i n ac c u ra c ie s .. E x p r e s s e d i n

t h e ja r g o n o .f t h e a s t r o n a u t , t h e m o o n

i s a l a r g e r . t a r g e t f o r a c o p l a n a r e l l i p s e .

F u r t h e r m o . r e , t h e c o p l a n a r o r b i t a l l o w s

u t i l i z i n g t h e r o t a t i o n o f t h e e a r t h a s a n

638

c l o s e t o 9 0 d e g r e e s w i t h t h e , p l a n e o f

t h e m o o n s o r b i t , t h e m o o n i s a t a r g e t

n o t s i g n i f i c a n t l y l a r g e r t h a n f o r t h e r a -

d i a l s h o t . T h a t . th e r . o ta t io n o f t h e

e a r t h c a n n o t b e u t i l i z e d e i t h e r , i s o b -

v i o u s .

A t t h e p r e s e n t s t a t e o f t h e a r t , b o t h

a d v a n t a g e s o f t h e e o p l a n a r t r a n s f e r e l -

l ip s e, t h e s a v i n g o f p r o p u l s i o n w o r k

a n d , th e s a f e r n a g i v a t i o n , s e e m t o w e i g h

r a t h e r h e a v i l y a s r o c k e t e x p e r t s a s s e r t .

S i n c e t h e t i m e f o r m a n s f l ig h t t o t h e

m o o n h a s n o t q u i te c o m e y e t, i t s e e m s

t h a t t h e f i n a l d e c i s i o n w h i c h s o l u t i o n

a p p e a r s t o ,b e t h e b e s t c h o i ce c a n s a f e l y

b e p o s t p o n e d u n t i l b e t t e r d a t a o n t l l e

v a r i o u s p a r a m e t e r s , w h i c h h a v e t o , b e

w e i g h e d i n t h i s , d e c i s i o n , a r e a v a i l a b l e .

SU M M RY

T h e V a n A l l e n ,b e lt i s a f i e l d o f i n -

t e n s e r a d i a t i o n g i r d l i n g lth e e a r t h i n

EROSP CE MEDICINE


9/9

R A D I A T I O N D O S A G E

t h e e q u a t o r i a l p l a n e b e t w e e n a b o u t

1 , 0 0 0 a n d 1 8 , 0 0 0 k i l o m e t e r s a l t i t u d e .

T h e r a d i a t i o n i n t e n s i t y s h o w s t w o

m a x i m a a b o u t 3 ,0 0 0 a n d 1 5 ,0 0 0 k il -

o m e t e r s . T h e f ir s t z o n e s e e m s to c o n -

s is t o f p r o t o n s e x h i b i t i n g a v e r y b r o a d

e n e r g y s p e c t r u m w i t h a t r em e n d o u s

p a r t i c l e f l u x o f l o w , p e n e t r a . t i n g p o w e r .

T ' h e i n t e n s i t y d e c l i n e s , f i r s t s t e e p l y ,

a n d t h e n m o r e g r a d u a l l y t o w a r d s p ec -

t r a l s e c t i o n s o f h i g h e r p e n e t r a t i o n .

T h e h a r d e s t c o m p o n e n t , t e n t a t i v e ly a s -

s u m e d t o c o n s i s t ~ f p r o t o n s i n t h e 1 0 0

m i l l i o n e - v o l t r a n g e , p r o d u c e s b e h i n d

1 g r a m p e r c m . 2 ab so l~ b .e r t h i c k n e s s

a b o u t 1 0 r e p p e r ' h o u r a n d i s l i t t l e

a t t e n u a t e d b y a n a d d i t i o n a l 3 m i l l i -

m e t e r s o f le ad . T h e s e c o n d z o n e s e e m s

t o c o n s is t o f e l e c tr o n s . T h o u g h t h e y

a r e . c o m p l e te l y a b s o r b e d i n a n y w a l l

o f m i n i m u m s t r u c t u r a l s t a b i l i t y , t h e

s ' h i e l d i n g p r o b l e m i s c o m p l i c a t e d b y

t h e p r o d u c t i o n o f s e c o n d a r y X - r a y s i n

t h e s t o p p i n g p r o c e s s o f e l e c t r o n s .

L a m i n a t e d s h i e ld s o f f e r , f o r t h i s d fi al

p r o t e c . t i o n , b e t t e r w e i g h t e c o n o m y t h a n

p l a i n ,o n es . G e n e r a l l y , s h i e l d i n g i n th e

o u t e r z o n e i m p o s e s a m u c h s m a l l e r

w e i g h t p e n a l ty . T h e i n t e g r a l d o se o n

a l u n a r t r i p i s i n v e s t i g a t e d f o r t w o

I N F L I G H T - - S C H A E F E R

d i f f e r e n t t r a j e c t o r i e s , t h e t r a n s f e r e l -

l i p s e a n d t h e r a d i a l s h o t . I .t i s s h o w n

t h a t a v e h i c l e o n t h e l a t t e r e n t e r s t ' b ,

f i r s t r a d i a t i o n z o n e a r t w i c e t h e r a d i a l

s p e e d t h a n t h e f o r m e r t h e r e b y r e c e i v -

i n g a d i s t i n c t l y s m a l l e r i n t e g r a l d o s ( ' .

T h e m o s t r a d i c a l s o l u t i o n o f t h e

r a d i a t i o n i s s u e i s t h e c o m p l e t e a v o i d -

a n c e o f t h e V a n A l l e n b e l t b y c h o o s i n g

a p o l a r e s c a p e ro u t e . I f is s h o w n t h a t

a v e h i c l e c a n b e l a u n c h e d o n t h i s r o u t e

f r o m a n y l a t i t u d e i n c l u d i n g t h e e q u a -

t o r a n d s t i l l c l e a r b o t h r a d i a t i o n z ~ ) , n e s

b y a l a r g e . d is ta n c e . T h e n a v i g a t i o n a l

d i s a d v a n t a g e s o f t h e r a d i a l s h o t a n d

t h e p o l a r t r a n s f e r e l l i p s e c o n s i s t i n

h i g h e r f u e l r e q u i r e m e n t s b e c a u s e t h e

r o t a t i o n o f t h e e a r t h . c a n n o t b e u t i l i z e d

f o r p r o p u l s i o n a n d i n s m a l l e r a i m i n g

a c c u r a c y ,b e c au s e th e m o o n i s a s m a l l e r

t a r g e t

for

t he se . t r a j ec t or i e s .

R E F E R E N E S

1. LAN~HA M, W . H .: Implicat ions of

space radiations in manned space

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3. VAN ALLEN, J. A., and FRANK, L. A .:

Radiat ion around the earth to a radial

distance of 107,400 km . Nature 183:

430, 1959.

T h i s i s Yo u r Ca p ta i n S p ea k i n g

W h a t t h e a i r l i n e p i l o t c a r e s t o d o i n l ' h e w a y o f c o m f o r t i n g o r c o s s e t i n g

t h e p a s s e n g e r s - - g i v i n g t h e m f li g ht n e w s . o ve r t h e p u b l i c - a d d r e s s s y s te m , o i '

m a k i n g c h i t c h a t o n v i s i t s u p a n d ' d o w n t h e a i s l e - - i s l e f t p r e t t y m u c h u p

t o h i m . N o p a r t i c u l a r c r e d i t o r d i s c r e d i t i s a t t a c h e d t o 'h is c o n d u c t i n

t h i s r e s p e c t s o l o n g a s h e ' s . c i v i l , a n d b r i n g s h i s p l a n e i n a p p r o x i m a t e l y o n

t im e . T h e c a p t a in p i l o t is i n v e s te d w i th c o m m a n d a u t h o r i t y : i f in h i s

j u d g m e n t t h e p l a n e s h o u l d n ' t b e t a k e n a l o f t , i t d o e s n ' t g o , a n d i n f l i g h t

h e is re s p o n s ib l e f o r m o r e t h a n 1 m i ll io n o f c o m p a n y p r o p e r t y a n d t h e

s a f e t y o f s e v e r a l sc o r e li ve s . B u t a f t e r h e c l im b s o u t o f t h e c o c k p i t n o b o d y

a s k s f o r , his o p in i o n a .b o t~ t a n y t h i n g m u e h . - - R o B E R T S H E E H A N : W h a t ' s

E a t i n g t h e A i r l i n e P i l o t s ?

Fortune

A p r i l , 1 9 5 9 .

SEFrEMBF.R, 1959 639

Documents

Radiation Dosage in Flight Through the Van Allen Belt