Development of Si-based Particle Detectors to Measure Space Radiations in Low-Earth Orbit and Lunar Surface = 근지구 궤도 및 달 표면 우주방사선 측정을 위한 실리콘 기반 입자 검출기의 개발

국문 초록 (Abstract)

우주 방사선 환경은 은하우주선(Galactic Cosmic Rays, GCRs), 태양고에너지입자(Solar Energetic Particles, SEPs), 그리고 지구 자기권 내 포획입자(trapped particles)에서 기원하는 고에너지 하전입자로 구성되며, 이는 우주비행사와 우주선 시스템에 심각한 위험 요소로 작용한다. 이러한 환경을 정확히 규명하는 것은 방사선 위험 평가 및 효과적인 방호 전략 수립을 위해 필수적이다. 근지구 궤도(low-Earth orbit, LEO)는 인간의 우주 활동이 주로 이루어지는 영역으로, 대부분의 위성 운용과 유인 임무가 이 궤도에서 이루어진다. 그러나 국제우주정거장(International Space Station, ISS) 고도보다 높은 영역에서의 방사선 측정은 상대적으로 제한적이다. 한편, 달 궤도에서는 여러 임무를 통해 방사선 환경이 연구되어 왔지만, 달 표면에서의 방사선 환경은 직접적인 측정 사례가 매우 제한적이며 지역적 차이를 보이기 때문에, 실제 탐사 및 거주 조건을 고려한 정밀한 특성화가 필요하다.
본 연구는 은하우주선 및 태양고에너지입자에서 기원하는 고에너지 하전입자에 적합한 우주 방사선 선량 평가 및 에너지 분광을 위한 소형 실리콘 기반 입자 검출기 시스템의 개발, 검증, 그리고 측정 결과 분석에 중점을 둔다. 본 연구의 내용은 검출기 설계 최적화, 감마선·양성자·중이온을 이용한 선량지표의 지상 교정 실험, 그리고 고고도 근지구 궤도에서의 궤도상 방사선 측정 및 분석을 포함한다.
근지구 궤도 우주방사선 측정기(Low-Earth Orbit Space Radiation Dosimeter, LEO-DOS)는 2023년 5월 25일 한국형 발사체 누리호(KSLV-III)를 통해 발사된 차세대 소형위성 2호(NEXTSat-2)에 탑재되었다. 이는 실리콘 기반 입자 선량계(Si-based particle dosimeter, Si-PD)를 이용하여 선형에너지전달(linear energy transfer, LET) 및 선량지표(dose quantities)을 실시간으로 측정한다. 한편, 달 표면 우주방사선 측정기(Lunar Vehicle Radiation Dosimeter, LVRAD)는 달 표면에서의 방사선 환경을 특성화하고 이의 인체 영향을 평가하기 위해 설계되었으며, 이 환경은 지구 자기장의 차폐 효과가 없어 은하우주선과 태양고에너지입자에 직접 노출된다. LVRAD의 하전입자 모듈은 실리콘 기반 입자 선량계와 실리콘 기반 입자 분광계(Si-based particle spectrometer, Si-PS)로 구성되어 있으며, 민간 달 착륙선에 탑재되어 민간 달 탑재체 서비스(Commercial Lunar Payload Services, CLPS) 프로그램을 통해 향후 달 탐사 임무를 지원할 예정이다.
근지구 궤도 우주방사선 측정기와 달 표면 우주방사선 측정기에 포함된 실리콘 기반 입자 선량계는 10 mm 두께의 조직등가플라스틱(tissue-equivalent plastic, TEP) 층으로 둘러싸인 실리콘 센서로 구성되어 있다. 이 구조는 전신 유효선량을 보수적으로 추정하는 선량지표인 Hp(10)을 측정하도록 설계되었다. 달 표면 우주방사선 측정기의 실리콘 기반 입자 분광계는 하전입자의 선형에너지전달 스펙트럼 측정과 동시에 은하우주선과 태양고에너지입자의 주요 성분인 양성자의 에너지 스펙트럼을 1-500 MeV 범위에서 측정할 수 있도록 설계되었다. 이러한 설계를 통해 두 검출기 시스템은 다양한 우주 방사선 환경을 정밀하게 특성화하기 위한 생물학적 선량과 에너지 분포의 동시 평가가 가능하다. 실리콘 기반 입자 선량계와 입자 분광계의 지상 교정 실험 결과, 측정값과 몬테카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션 결과가 잘 일치하였으며, 넓은 에너지 및 선형에너지전달 범위에서 에너지와 선형에너지전달 응답에 대해 우수한 선형성을 보였다. 근지구 궤도 우주방사선 측정기의 실리콘 기반 입자 선량계는 발사 이후 550 km 근지구 궤도에서 1년 이상의 기간 동안 우주 방사선 환경을 지속적으로 측정하였으며, 이를 통해 은하우주선, 태양고에너지입자, 포획양성자의 기여를 포함한 근지구 궤도 방사선 환경을 상세히 특성화하였으며, 이들의 인체 영향 평가를 위한 선량지표를 도출하였다.
본 연구의 결과는 향후 유인 임무의 핵심 영역이지만 상대적으로 측정 데이터가 제한적인 고고도 근지구 궤도 및 달 표면의 방사선 환경 및 이에 연관된 인체 영향에 대한 데이터를 제공하며, 향후 근지구 궤도 너머에서의 인간 및 로봇 탐사를 위해 필수적인 경량화·다목적화 방사선 모니터링 시스템 설계의 기반을 제공한다. 이러한 성과는 개발된 검출기 시스템의 적용 가능 범위를 보다 폭넓은 탐사 임무로 확장하고, 유인 및 무인 우주 임무에서의 방사선 위험 평가의 신뢰성을 강화할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The space radiation environment poses significant risks to both astronauts and spacecraft systems, as it consists of high-energy charged particles originating from galactic cosmic rays (GCRs), solar energetic particles (SEPs), and trapped particles in Earth’s magnetosphere. Accurate characterization of this environment is essential for assessing radiation hazards and developing effective protection strategies. The low-Earth orbit (LEO) is the primary region of human space activities, where the most satellite operations and crewed missions are conducted. However, radiation measurements in regions above the altitude of the International Space Station (ISS) are relatively limited. Meanwhile, the radiation environment in lunar orbit has been investigated through several missions, but direct measurements of the radiation environment on the lunar surface remain scarce and exhibit regional variations, highlighting the need for precise characterization considering actual exploration and habitation conditions.
This study focuses on the development, validation, and analysis of measurement results of compact Si-based particle detector systems for space radiation dosimetry and energy spectroscopy suitable for high-energy charged particles from GCRs and SEPs. The research includes detector design optimization, ground-based calibration of dose quantities using gamma rays, protons, and heavy ions, and in-orbit measurements and analysis in high-altitude LEO.
The Low-Earth Orbit Space Radiation Dosimeter (LEO-DOS) was launched aboard the Korea Next Generation Small Satellite-2 (NEXTSat-2) on May 25, 2023, by the Korea Space Launch Vehicle-III (KSLV-III). It provides real-time measurements of linear energy transfer (LET) and dose quantities using a Si-based particle dosimeter (Si-PD). Meanwhile, the Lunar Vehicle Radiation Dosimeter (LVRAD) was designed to characterize the radiation environment on the lunar surface and evaluate its biological effects, where the absence of Earth’s geomagnetic shielding results in direct exposure to GCRs and SEPs. The charged particle module of the LVRAD consists of a Si-PD and a Si-based particle spectrometer (Si-PS) and will be deployed on a commercial lunar lander to support future lunar missions through the Commercial Lunar Payload Services (CLPS) program.
The Si-PD included in both LEO-DOS and LVRAD consists of a silicon sensor surrounded by a 10 mm thick tissue-equivalent plastic (TEP) layer. This structure is designed to measure Hp(10), which is a dose quantity that provides a conservative estimate of the whole-body effective dose. The Si-PS in LVRAD is designed to measure the LET spectrum of charged particles while simultaneously measuring the proton energy spectrum in the energy range of 1-500 MeV, which is the dominant component of GCRs and SEPs. This configuration allows simultaneous evaluation of biological dose and energy distribution for precise characterization of diverse space radiation environments. The ground calibration experiments for the Si-PD and Si-PS showed good agreement between measurements and Monte Carlo simulations, and demonstrated good linearity in energy and LET responses over broad energy and LET ranges. The Si-PD of the LEO-DOS has continuously measured the radiation environment at 550 km LEO for over one year after launch, providing a detailed characterization of the LEO radiation environment, including contributions from GCRs, SEPs, and trapped protons, and derived dosimetric quantities to assess their biological effects.
The outcomes of this research provide radiation environment and data on associated biological effects for high-altitude LEO and the lunar surface, which are key regions for future crewed space missions where measurements remain relatively limited, and provide a foundation for the design of lightweight, versatile radiation monitoring systems essential for future human and robotic exploration beyond LEO. These outcomes will further enhance the applicability of the developed detector systems to a wider range of exploration missions and strengthen the reliability of radiation risk assessment for both crewed and uncrewed space missions.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of Tables vii
• List of Figures viii
• List of Abbreviations xii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Space Radiation Environment 1
• 1.2. Si-based Particle Detectors 5
• 1.3. Motivation of the Study 9
• Chapter 2. Materials and Methods 19
• 2.1. Overview of the Space Mission Payloads 19
• 2.1.1. LEO-DOS Science Payload 19
• 2.1.2. LVRAD Science Payload 21
• 2.2. Si-based Detector System Design 22
• 2.2.1. Si-PD System Design 22
• 2.2.2. Si-PS System Design 34
• 2.3. Si-PD Ground-based Calibration 51
• 2.3.1. Standard Source LET Calibration 51
• 2.3.2. Gamma Dose Calibration 52
• 2.4. Si-PS Ground-based Calibration 58
• 2.4.1. Heavy Ion LET Calibration 58
• 2.4.2. Proton Energy Calibration 64
• 2.5. LEO-DOS Measurement Data Analysis 74
• 2.5.1. LEO Environment Analysis 74
• 2.5.2. Dosimetric Quantity Analysis 75
• 2.5.3. Comparison with MC Simulations 79
• Chapter 3. Results 86
• 3.1. Si-PD Ground-based Calibration 86
• 3.1.1. Standard Source LET Calibration 86
• 3.1.2. Gamma Dose Calibration 91
• 3.2. Si-PS Ground-based Calibration 95
• 3.2.1. Heavy Ion LET Calibration 95
• 3.2.2. Proton Energy Calibration 103
• 3.3. LEO-DOS Measurement Data Analysis 116
• 3.3.1. LEO Environment Analysis 116
• 3.3.2. Dosimetric Quantity Analysis 119
• 3.3.3. Comparison with MC Simulations 128
• Chapter 4. Discussion 134
• Chapter 5. Conclusions 139
• Bibliography 142
• Abstract in Korean 151