Collège militaire royal du Canada

Santé

Caractérisation des champs de rayonnement et répercussions dosimétriques à des altitudes d’avions à réaction

par : B.J. Lewis, L.G. I. Bennett, A.R. Green, M.J. McCall, P.D. Tume, J.R.M. Pierre, B. Ellaschuk and A. Butler, T. Cousins

Le Collège militaire royal du Canada (CMR)/Centre de recherches pour la Défense Ottawa (CRDO) participe activement à la caractérisation des champs de rayonnement à des altitudes d’aéronefs qui varient entre 6 et 24 km (20 000 à 80 000 pi). Ces travaux sont effectués en réponse aux récentes recommandations faites par la Commission internationale de protection radiologique (CIRP-60). La CIRP-60 a proposé une réduction de la dose limite stochastique annuelle pour le grand public et a fait état de l’exposition professionnelle résultant de l’exploitation d’un avion à réaction en haute altitude.

Étude pilote effectuée par les Forces canadiennes (CFPS)

À la suite des recommandations de la ICRP-60, le ministère de la Défense nationale a versé les sommes nécessaires au Groupe de recherche CMR/CRDO afin que celui-ci procède à une étude à deux phases visant à déterminer l'équivalent de doses totales auxquelles les pilotes des Forces canadiennes (FC) avaient été soumis. En raison de la complexité du champ de rayonnement, lors de la phase de mesure, nous devions évaluer avec précision l'équivalent de doses de divers dispositifs de détection du rayonnement active et passive qui comprennent entre autres : des dosimètres nus et gainés de plomb, des spectromètres gamma BGO et NaI(Tl), un compteur proportionnel équivalent au tissu, un spectromètre Bonner multi-noyaux, une chambre d'ionisation, des scintillateurs plastiques, des dosimètres à thermoluminescence, des spectromètres neutroniques à détecteurs à bulles et un mannequin anthropomorphique. En collaboration avec le Environmental Measurements Laboratory (EML) du US Department of Energy, ces instruments ont été transportés au cours d'une série de vols des FC spéciaux. Les mesures ont indiqué que la composante neutronique contribuait à environ la moitié de l'équivalent de doses totales et confirmait l'utilisation de spectromètres neutroniques à détecteurs à bulles comme principal outil de détection lors de la phase d'étude du projet de recherche.

Lors de la phase d'étude, les pilotes devaient, durant leurs tâches courantes, mesurer leur équivalent de dose neutronique à l'aide de spectromètres neutroniques à détecteurs à bulles afin d'évaluer leur exposition professionnelle. Seuls les pilotes du Groupe de transport aérien ont été exposés à la nouvelle limite public canadienne de 1 mSv y-1.

Étude de la NASA : Étude sur le rayonnement ionisant atmosphérique (AIR)

Dans le cadre du prolongement des travaux effectués en collaboration par le CMR/CRDO et le Environmental Measurements Laboratory du US Department of Energy à partir de l'étude effectuée par les Forces canadiennes (CFPS), le Groupe de recherche CMR/CRDO a participé à une étude internationale avec le Langley Research Centre (LRC) de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) intitulée Atmospheric Ionizing Radiation (AIR) Study. Cette étude examinait l’exposition aux rayonnements à haute altitude (20 km) afin d’obtenir des renseignements sur la possibilité d’effectuer le transport de civils à haute vitesse. Cette collaboration a permis de recueillir de l’information sur la répartition des rayonnements ionisants, la répartition spectrale ainsi que les intensités correspondantes dans la stratosphère supérieure au moyen d’un aéronef ER-2 équipé d’instruments et volant à haute altitude au cours d’une série de cinq vols réalisés entre le 2 et le 15 juin 1997. L’instrumentation canadienne était constituée d’un compteur proportionnel équivalent au tissu ainsi que d’un ensemble d’instruments thermo-commandés tels que des spectromètres neutroniques à détecteurs à bulles. Les résultats viennent s’ajouter aux travaux effectués antérieurement en haute altitude et nous permettent de disposer d’une base de données plus complète.

Radioexposition des équipages d'avions commerciaux - Partie I : Canadian Aircrew Radiation Environment Survey (CARES)

Lors de la première étape de ce projet, qui consistait à évaluer la radioexposition des équipages d'avions commerciaux au Canada, le Groupe CMR/CRDO, l’Association du transport aérien du Canada et la Direction générale de la sûreté nucléaire ont procédé à une vaste étude. Le Canadian Aircrew Radiation Environment Survey (CARES) comprenait une phase de mesure et une phase de contrôle auprès d’un certain nombre de transporteurs commerciaux canadiens (par exemple, Air Canada, Canadien international, Canada 3000, First Air et Canadien régional). Au cours de la phase de mesure, divers équipements de radiodétection, notamment un compteur proportionnel équivalent au tissu, une chambre d’ionisation, un radiamètre au plomb modifié, des dosimètres à thermoluminescence et des spectromètres neutroniques à détecteurs à bulles ont été transportés à bord d’un avion lors d’un vol aller-retour entre Ottawa et la baie Resolute et utilisés par le personnel scientifique du CMR/CDRO afin de caractériser le champ de rayonnement mixte sur un itinéraire de vol dans le Nord canadien. Lors de la phase d'étude, 80 membres d’équipage d’un avion commercial ont utilisé des détecteurs à bulles passifs durant leurs tâches courantes afin de mesurer la dose reçue durant un itinéraire précis pendant la période d’un an. À partir des résultats du vol scientifique, des calculs additionnels ont été effectués à l’aide de CARI 3C. Les mesures de doses de neutrons ont été transposées pour tous les types de particules, ce qui a permis de recueillir plus de 3 100 mesures de l’équivalent de doses totales recueillies sur 325 itinéraires de vol différents. Cette base de données vient augmenter la base qui avait été obtenue antérieurement au cours de l'étude effectuée par les Forces canadiennes (CFPS). Cet ensemble de mesures exhaustif a été incorporé au programme informatique de gestion de base de données, et il est maintenant possible d’effectuer des calculs de dosimétrie individuelle pour un itinéraire ainsi que des prévisions de doses.

Partie II : Code d'évaluation des doses de rayonnement pour les équipages aériens (PCAIRE)

À l'heure actuelle ,un bon nombre de pays élaborent une politique de réglementation à la lumière des recommandations de la ICRP selon lesquelles il est nécessaire de surveiller l'exposition professionnelle des équipages d'aéronefs. Par exemple, la nouvelle version des Normes fondamentales de radioprotection de l'Union européenne (UE), publiées en mai 1996 (BSS96), stipulent que des mesures de radioprotection concernant les équipages d'aéronefs soient ajoutées à la législation interne de chacun des pays membres de l'UE avant le 13 mai 2000. Aux États-Unis, la Federal Aviation Administration (FAA) a officiellement reconnu que les équipages d'aéronefs sont exposés dans le cadre de leur travail à des rayonnements et devraient être assujettis aux mêmes politiques en matière de radioprotection que celles mises en oeuvre dans tous les autres organismes fédéraux. Au Canada, Transport Canada a publié le 5 avril 2001 une Circulaire d'information de l'Aviation commerciale et d'affaires dans laquelle il reconnaît l'exposition professionnelle des équipages d'aéronefs.

Des études plus approfondies ont été effectuées par le Collège militaire royal Canada (CMR) en collaboration avec Transport Canada et la Direction générale de la sûreté nucléaire afin de mesurer le rayonnement cosmique complet à des altitudes d'avions à réaction à l'aide d'instruments portables notamment, un compteur proportionnel à équivalence de tissus vivants (TEPC), une chambre d'ionisation, un détecteur de neutrons à portée accrue, des dosimètres à thermoluminescence et des spectromètres neutroniques à détecteurs à bulles. Dans le cadre de ces travaux, nous avons mesuré l'équivalent de doses totales ambiant à l'aide du TEPC pendant 76 itinéraires de vol, ce qui a permis de recueillir plus de 25 000 points de données à des intervalles d'une minute à diverses altitudes et latitudes géomagnétiques (c.-à-d., qui s'étend sur la pleine rigidité de coupure du champ magnétique terrestre) pendant le cycle solaire (c.-à-d., dans des conditions galactiques maximales et minimales). Nous avons également comparé ces données avec celles recueillies dans le cadre de travaux de recherche semblables effectués à la Physikalisch Technische Bundesanstalt, à l'aide d'autres instruments, afin de mesurer séparément les composants du transfert linéique d'énergie bas et du transfert linéique d'énergie élevé du rayonnement mixte, pour ensuite faire des prévisions à l'aide des code de transport LUIN et FLUKA. Nous avons depuis obtenu des résultats semblables dans le cadre de recherches effectuées à l'aide des instruments portables du CMR. Tous les résultats expérimentaux et théoriques correspondaient parfaitement. À l'aide de ces données, un modèle semi-empirique a été élaboré afin d'effectuer l'interpolation du débit de dose de toute position , altitude et date à l'échelle mondiale (c. - à-d., la modulation solaire). Lors de l'intégration de ce facteur de coefficient de débit de dose sur une grande trajectoire de vol circulaire, un Code d'évaluation des doses de rayonnement pour les équipages aériens (PCAIRE) a été élaboré dans l'environnement de Visual C++ afin de fournir une évaluation de l'équivalent de doses totales pour tout itinéraire de vol à l'échelle mondiale, et ce, à tout moment pendant le cycle solaire. Le PCAIRE constitue une variable explicative beaucoup plus performante et polyvalente, lorsqu'il s'agit d' évaluer la radioexposition des équipages d'aéronefs, que la base de données CARES qui ne concernait que les trajectoires de vol mesurées dans le cadre de l'étude CARES.

Travaux en cours

Actuellement, de concert avec diverses organisations aériennes et compagnies aériennes commerciales, avec le Groupe de transport aérien des Forces canadiennes et des laboratoires internationaux, nous effectuons des vols afin d’augmenter les données et d’élargir la portée de nos travaux réalisés jusqu’à maintenant. Ces travaux serviront à corroborer les politiques élaborées par Transports Canada et la Direction générale de la sûreté nucléaire en ce qui concerne la gestion de l’exposition professionnelle des équipages d’avions commerciaux et des Forces canadiennes. De plus, le PCAIRE est conçu de façon à pouvoir communiquer avec les bases de données concernant les ressources humaines, ce qui permet de mieux gérer l'exposition professionnelle des équipages d'aéronefs.

Publications

  1. P.T. Tume, B.J. Lewis, L.G.I. Bennett, T. Cousins, T.A. Jones, B.E. Hoffarth, J.R. Brission, P. Goldhagen, A. Cavallo, W. Van Steveninck, M. Reginatto, P. Shebell, F. Hajnal, T.J. Jamieson and F.J. LeMay, « Assessment of the Cosmic Radiation Field at Jet Altitudes », Proceedings of the Radiation Protection and Shielding Topical Meeting, No. Falmouth, Massachusetts, April 21-25, 1996, p. 68-75. (Best Paper Award)
  2. P. Tume, L.G.I. Bennett, B.J. Lewis, T. Cousins, T.A. Jones, B.E. Hoffarth and J.R. Brisson, « Canadian Forces Pilot Survey: Technologically-Enhanced Exposure of Canadian Forces Pilots to Natural Background Radiation », RMC/DREO report RMC-CCE-NSE-97-1, July 1997.
  3. P. Tume, B.J. Lewis, L.G.I. Bennett, T. Cousins, B.E. Hoffarth, T.A. Jones and J.R. Brisson, « Canadian Aircrew Radiation Environment Study (CARES) », Proceedings of the Workshop on Cosmic Radiation, Electromagnetic Fields and Health Among Aircrews, Medical University of South Carolina, Charleston, South Carolina, February 5-7, 1998, p. 10-16. (invited paper)
  4. P. Tume, B.J. Lewis, L.G.I. Bennett, M. Pierre, T. Cousins, B.E. Hoffarth, T.A. Jones and J.R. Brisson, « Assessment of High-Altitude Cosmic Radiation Exposure Using Tissue Equivalent Proportional Counters and Bubble Detectors », Atmospheric Ionizing Radiation Investigators' Workshop, Langley Research Centre, Hampton, Virginia, March 30-31, 1998.
  5. P. Tume, B.J. Lewis, L.G.I. Bennett, M. Pierre, T. Cousins, B.E. Hoffarth, T.A. Jones and J.R. Brisson, « Assessment of Cosmic Radiation Exposure on Canadian-Based Routes », Proceedings of the 1998 Annual Meeting of the National Council on Radiation Protection and Measurements, Arlington, Virginia, April 1-2, 1998. (invited paper)
  6. P. Tume, L.G.I. Bennett, B.J. Lewis, H.K. Wieland, M.K. Reid and T. Cousins, « Development of a Portable Micro-Environmental Cell for the Testing of Neutron Bubble Detectors in a Simulated Jet-Aircraft Environment », Proc. 19th Annual Conference of the Canadian Nuclear Society, ISSN 0227-1907, Vol. 1, Session 3A, Toronto, Ontario, October 18-21, 1998.
  7. B.J. Lewis, P. Tume, L.G.I. Bennett, M. Pierre, T. Cousins, B.E. Hoffarth, T.A. Jones and J.R. Brisson, « Cosmic Radiation Exposure on Canadian-Based Commercial Airline Routes », Proc. 19th Annual Conference of the Canadian Nuclear Society, ISSN 0227-1907, Vol. 2, Session 5A, Toronto, Ontario, October 18-21, 1998.
  8. B.J. Lewis, P. Tume, L.G.I. Bennett, T. Cousins, B.E. Hoffarth, T.A. Jones and J.R. Brisson, « Review of Canadian Aircrew Route and Individual Dosimetry », 1998 Annual Meeting of the Aerospace Medical Association, Seattle, Washington, May 17-21, 1998. (invited talk)
  9. P. Tume, B.J. Lewis, L.G.I. Bennett, T. Cousins, T.A. Jones, B.E. Hoffarth and J.R. Brisson, « Canadian Aircrew Radiation Environment Study », Volume 1: Project Summary (p. 1-71), Volume 2: Database Report (p. A-1 to A-33), and Volume 3: Database Management System User's Guide (p. 1-31), RMC/DREO reports to Air Transport Association of Canada, RMC-CCE-NSE-98-1 V1, V2, V3, March 1998.
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  15. B.J. Lewis, P. Tume, L.G.I. Bennett, M. Pierre, A.R. Green, T. Cousins, B.E. Hoffarth, T.A. Jones and J.R. Brisson, « Cosmic Radiation Exposure on Canadian-Based Commercial Airline Routes », Radiation Protection Dosimetry, Vol. 86, No. 1, (1999) 7-24 (and B.J. Lewis, L.G.I. Bennett and A.R. Green, Letter to the Editor, Radiation Protection Dosimetry Vol. 87, No. 4, (2000) 299-301).
  16. M.J. McCall, A.R. Green, B.J. Lewis, LG.I. Bennett, M. Pierre, U. Schrewe, K. O'Brien and E. Felsberger, « Canadian-Based Aircrew Exposure From Cosmic Radiation on Commercial Airline Routes », 21st Annual Conference of the Canadian Nuclear Society, ISBN 0-919784-66-6 (Session 2D), Toronto, Ontario, June 11-14, 2000.
  17. A.R. Green, M.J. McCall, B.J. Lewis, L.G.I. Bennett and M. Pierre, « Assessment of Aircrew Exposure from Cosmic Radiation on Commercial Airline Routes », to be presented at the Conference on Radiation Protection for Our National Priorities, Medicine, the Environment and the Legacy, American Nuclear Society, Radiation Protection and Shielding Division, Spokane, Washington, September 17-21, 2000.
  18. B.J. Lewis, M.J. McCall, A.R. Green and L.G.I. Bennett, « A Model for Prediction of Cosmic Radiation Exposure of Commercial Aircrew », American Nuclear Society Winter Meeting, Washington, DC, November 12-16, 2000 (invited).
  19. P. Tume, B.J. Lewis, L.G.I. Bennett, M. Pierre, T. Cousins, B.E. Hoffarth, T.A. Jones and J.R. Brisson, « Assessment of Cosmic Radiation Exposure on Canadian-Based Routes », Health Physics Vol. 79, No. 5, November 2000, p. 568.
  20. B.J. Lewis, L.G.I. Bennett, A.R. Green, M.J. McCall, M. Pierre and B. Ellaschuk, « Canadian Studies on Cosmic Radiation Exposure of Aircrew », 18th Annual International Aircraft Cabin Safety Symposium, Costa Mesa, California, February 11-15, 2001 (invited).
  21. B.J. Lewis, M.J. McCall, A.R. Green, L.G.I. Bennett, M. Pierre, U.J. Schrewe, K. O'Brien, E. Felsberger, « Aircrew Exposure from Cosmic Radiation on Commercial Airline Routes », Radiation Protection Dosimetry, Vol. 93, No. 4 (2001) 293-314.
  22. B.J. Lewis, L.G.I. Bennett, A.R. Green, M.J. McCall, B. Ellaschuk, A. Butler and M. Pierre, « Galactic and Solar Radiation Exposure to Aircrew During a Solar Cycle », submitted for publication.