Detection of terrestrial gamma-ray flashes for aircraft safety

Abstract

Nesta tese, abordamos uma questão relevante que foi respondida desde que Terrestrial Gamma-ray Flashes (TGFs) foram descobertos pela missão Burst and Transient Source Experiment (BATSE) em 1994: os TGFs são um perigo ou não para os passageiros e membros da tripulação de voos comerciais? Para responder a essa questão, analisámos as principais características dos TGFs que foram medidos principalmente por observatórios de satélites astrofísicos de raios gama. As emissões de TGF são geradas no topo das nuvens cumulonimbus, que podem ultrapassar 10 km de altitude e atingir até 20 km. Essas emissões normalmente situam-se na faixa de energia entre 100 keV e 100 MeV. Também foi realizado um breve estudo sobre as condições e situações em que os aviões comerciais voam e quais os conhecimentos da tripulação sobre os TGFs. Assim, foi realizada uma entrevista com um piloto de aeronave e dois mecânicos de aviões comerciais, concluindo que os TGFs são desconhecidos para eles e nenhum detector é fornecido a bordo para medir a radiação. A principal tarefa deste trabalho de pesquisa foi estimar a dose absorvida e a dose efetiva em um modelo humano dentro de uma cabine de aeronave, em uma altitude típica de voo, quando irradiada por uma emissão de TGF. Usando dados reais de emissões de TGF de satélite, implementamos um programa de simulação baseado no kit de ferramentas MEGALib, que nos permitiu calcular o número total de eventos disparados gerados por uma emissão representativa de TGF irradiando um modelo de aeronave comercial transportando seres humanos. Primeiramente, foi considerado um modelo simples de aeronave, que era irradiado por feixes monocromáticos. No segundo modelo, a fuselagem de alumínio foi adicionada. O feixe de emissão da fonte também se tornou progressivamente complexo, com um fluxo real modelado em um perfil de lei de potência e geometria aproximada a um feixe em forma de cone. Um modelo humano também foi construído para estimar a dose absorvida e a dose efetiva. Os resultados aqui apresentados mostram que os TGFs podem de fato apresentar riscos reais aos passageiros e tripulantes de aeronaves a distâncias maiores que 2,5 km do local de emissão para passageiros e a distâncias maiores que 500 m, no caso de fortes emissões de TGF (1E20 durante 100 nós). Mesmo as emissões de TGFs de média intensidade (1E18 durante 100 us) devem ser informadas aos passageiros para distâncias da ordem de 500 m do local de emissão. A possibilidade de monitorizar TGFs a bordo de aeronaves comerciais usando um monitor de radiação baseado em CdTe também foi acessada. Os resultados mostram que esse tipo de dispositivo é uma boa opção para alertar e caracterizar a magnitude das emissões dos TGFs.

In the scope this thesis, we address a relevant question that has been answered since Terrestrial Gamma-ray Flashes (TGFs) were first discovered by the Burst and Transient Source Experiment (BATSE) mission in 1994: are TGFs a danger or not for passengers and crew members of commercial flights? In order to address this question, we analyzed the main characteristics of the TGFs that have been measured mainly by gamma-ray astrophysics satellite observatories. TGF emissions are generated on top of cumulonimbus clouds, which can exceed 10 km in altitude and reach up to 20 km. These emissions typically lay in the energy range between 100 keV and 100 MeV. A brief study was also carried out on the conditions and situations in which commercial aircraft fly and what knowledge the crew has about TGFs. Thus, an interview was conducted with an aircraft pilot and two mechanics of commercial aircraft, concluding that TGFs are unknown to them and no detector is provided on-board to measure radiation. The main task of this research work was to estimated the absorbed dose and the effective dose in a human model inside an aircraft cabin, at a typical flight altitude, when irradiated by a TGF emission. Using real satellite TGF emissions' data, we implemented a simulation program based in MEGALib toolkit, which allowed us to calculate the total number of triggered events generated by a representative TGF emission irradiating a commercial aircraft model carrying human beings. Firstly, it was considered a simple model of aircraft, which was irradiated by monochromatic beams. In the second model, the fuselage made of aluminum was added. The emission beam from the source was also made progressively complex, with a real flow modeled to a power-law profile and geometry approximated to a cone-shaped beam. A human model was also built to estimate the absorbed dose and the effective dose. The results here presented show that TGFs can in fact present real risks to passengers and crew members of aircrafts at distances longer than 2.5 km from the emission site for passengers and at distances longer than 500 m, in the case of strong TGF emissions (1E20 during 100 us). Even medium intensity TGFs emissions (1E18 during 100 us) should be reported to passenger for distances of the order of 500 m from the emission site. The possibility to monitor TGFs on board commercial aircraft using a CdTe based radiation monitor was also accessed. Results show that such kind of devices are a fine option to alert and characterize the magnitude of the TGFs' emissions.