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Aktuelle Themen Wie stark sind Piloten, Flugpersonal und andere

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14.05.2004
9:32 Uhr
Seite 73
Wie stark sind Piloten, Flugpersonal
und andere häufig fliegende
Personen der kosmischen Strahlung
exponiert?
How great is the exposure of pilots, air crew
and other frequent flyers to cosmic radiation?
Institut für Strahlenschutz
Aktuelle Themen
073_080_iss_akt.qxd
Hans Schraube
ereits im Jahre 1990 hat die Internationale Kommission für Strahlenschutz
(ICRP) abgeschätzt, dass die Berufsgruppe der Piloten und des übrigen fliegenden Personals einer Exposition durch kosmische Strahlung ausgesetzt ist, die vergleichbar oder im Mittel sogar höher ist als
diejenige von Personen, die mit künstlicher
Strahlung in Medizin und Technik umgehen.
Die ICRP hat daraus Empfehlungen über
jährliche Dosisgrenzwerte abgeleitet, die
1996 in europäisches Recht und nachfolgend
von den europäischen Mitgliedsstaaten übernommen wurden. Nach der deutschen Strahlenschutzverordnung vom Juli 2001 muss
seit August 2003 die Strahlungsdosis bestimmt werden, welche die Flugbesatzungen
bei der Ausübung ihres Berufes durch die
kosmische Strahlung erhalten, sofern die
Jahresdosis mehr als 1 mSv (milliSievert)
betragen kann.
Als sofortige Folge der ICRP-Empfehlungen
legten mehrere Europäische Institute Forschungsprogramme auf, die eine theoretische und experimentelle Erfassung der
natürlichen Strahlenexposition in Flugzeugen
zum Ziel hatten. Auch das Institut für Strahlenschutz des GSF-Forschungszentrums,
das schon in den 70er Jahren entsprechende Forschungsarbeiten durchgeführt hatte,
beteiligte sich an diesen Untersuchungen
B
s early as 1990, the International
Commission for Radiation Protection
(ICRP) estimated that pilots and
other air crew had an exposure level from
cosmic radiation that was similar to, or on
average higher even, than that of people
who worked with artificial radiation in
medicine and technology.
The ICRP made recommendations for
maximum yearly doses which passed into
European Law in 1996, and were subsequently taken over by the European member
states. Since August 2003, under the German
Radiation Protection Regulations of July
2001, the radiation dose that aircrew receive
from cosmic radiation in the course of their
work must be determined if the annual
dose could potentially be more than 1 mSv
(milliSievert).
A number of European institutes started
programmes in direct response to the ICRP
recommendations aimed at the theoretical
and experimental assessment of natural
radiation exposure in aircraft. The GSF
Institute of Radiation Protection, which had
already carried out relevant research work
in the seventies, also took part in these
investigations, eventually developing the
software program EPCARD (European
Program Package for the Calculation of
Aviation Route Doses) with support from
A
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und hat schließlich mit Unterstützung der
EU-Kommission gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Siegen das Software-Programm EPCARD (European Program Package for the Calculation of Aviation
Route Doses) entwickelt. Mit dessen Hilfe ist
es möglich, auf beliebigen Flugrouten und
Flugprofilen die von der natürlichen kosmischen Strahlung verursachte Dosis zu
berechnen. Das Luftfahrtbundesamt (LBA)
hat für dieses Programm im Dezember 2003
die offizielle Zulassung erteilt.
the European Commission and scientists at
the University of Siegen. Using this program, it is possible to calculate the dose
from natural cosmic radiation along any
flight route and flight profile. The Luftfahrtbundesamt (LBA, Federal Office for
Aviation) granted official approval for the
programme in December 2003.
Warum benötigt man für die Ermittlung der
Strahlungsdosis in Flugzeugen ein umfangreiches Software-Programm und kann sich
nicht einfach auf Messungen während des
Fluges beschränken?
vorgegebenen Randbedingungen, wobei
manche Parameter wie beispielsweise die
Anfangsenergie eines Teilchens mit einer
Zufallszahl „gewürfelt“ werden.) Das für
Neutronen interessante Intervall liegt z.B.
zwischen 0,001 Elektronenvolt und 500
Megaelektronenvolt.
Hinzu kommt, dass die Strahlenexposition
sowohl vom geographischen Ort und der
Flughöhe abhängt als auch zeitlichen
Schwankungen unterliegt. Dies hat folgenden
physikalischen Grund: Die oben genannten
energiereichen Primär- und Sekundärteilchen
treten je nach Energie und Ladung mehr
oder weniger stark mit den Molekülen der
Erdatmosphäre in Wechselwirkung. Dabei
verlieren sie Energie und werden schließlich
in der Erdatmosphäre oder im festen Boden
absorbiert, das heißt, je tiefer das Flugzeug
fliegt, desto schwächer ist die kosmische
Strahlung.
Eine Abhängigkeit von der geographischen
Breite wird durch das Erdmagnetfeld hervorgerufen. Dieses ist zeitlich fast konstant.
Es kann an den Polen am leichtesten überwunden werden, da die Teilchenbahnen hier
annähernd parallel zu den Feldlinien verlaufen. Am geomagnetischen Äquator dagegen
müssen die Teilchen eine Energie von über
15 GeV (15 Milliarden Elektronenvolt) besitzen, um senkrecht zu den Feldlinien bis
zur Erdatmosphäre vorzudringen. Da insbesondere die viel häufigeren Teilchen niedrigerer Energie von der Erde weggelenkt werden, ist am Äquator die Strahlenexposition
wesentlich geringer als an den Polen.
Und schließlich hängt die Intensität der
kosmischen Strahlung auch von der Sonnenaktivität ab. Die Sonne sendet einen riesigen
Dies hängt zum einen damit zusammen,
dass der Gesetzgeber die Bestimmung der
„effektiven Dosis“ fordert. Diese Größe
beinhaltet neben der physikalischen unter
anderem auch strahlenbiologische Informationen und dient der Abschätzung des
Strahlenrisikos. Aus dem Weltall, überwiegend aus dem galaktischen Raum, dringen
energiereiche elektrisch geladene Teilchen –
vor allem Protonen – in unser Sonnensystem
ein. Wenn diese Primärteilchen bis zur
Erdatmosphäre vordringen, lösen sie dort
eine Lawine von Sekundärteilchen aus: es
entstehen Neutronen, Pionen, Mesonen,
Elektronen, Photonen sowie wiederum
Protonen. Die verschiedenen Teilchen dieser
kosmischen Strahlung unterscheiden sich
erheblich in ihrer biologischen Wirkung,
zum Beispiel haben Neutronen eine wesentlich höhere biologische Wirkung pro absorbierter Dosis als Photonen. Bei der Berechnung der effektiven Dosis muss außerdem
berücksichtigt werden, dass sich einzelne
Organe in ihrer Strahlenempfindlichkeit
stark unterscheiden.
Die effektive Dosis ist also nicht direkt
messbar. Ihre Bestimmung erfordert vielmehr eine genaue Kenntnis der Energiespektren der einzelnen Teilchensorten. Diese
Informationen können in dem für die Dosimetrie jeweils wichtigen Energiebereich nur
aus sogenannten Monte Carlo-Berechnungen
gewonnen werden. (Monte Carlo-Programme
simulieren physikalische Prozesse gemäß
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500
5000
400
4000
300
3000
Sonnenzyklus 20
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23
2000
200
–
+
–
100
+
–
1000
Aktuelle Themen
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CLIMAX-Zählrate / 0,01 · h–1 (obere Kurve)
Zahl der Sonnenflecken (untere Kurve)
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0
1960
1970
1980
1990
2000
2010
Abb. 1: Gemittelte Zahl der Sonnenflecken (untere Kurve, linke Skala) und damit korrelierte Zählrate
eines der weltweit verteilten Neutronenmonitore (hier der Monitor in Climax, Colorado, USA, in
3400 m Höhe der Rocky Mountains; obere Kurve, rechte Skala). Die farbig unterlegte Kurve stellt
eine Voraussage der mittleren Sonnenaktivität des NASA Marshall Space Center dar. Die Sonnenzyklen werden seit 1755 gezählt, die Vorzeichen geben die Polarität des solaren Magnetfeldes an.
0
Strom von Materie aus, den so genannten
Sonnenwind, der etwa hundert astronomische Einheiten (1 a.E. = Abstand Sonne-Erde
ca. 150 Mio. km) weit wirkt, und den die geladenen Primärteilchen überwinden müssen.
Die Intensität des Sonnenwindes schwankt
je nach Sonnenaktivität, die sich an der Zahl
der Sonnenflecken ablesen lässt, mit einer
Zykluszeit von 11 bzw. 22 Jahren.
Die Abschirmeffekte der Atmosphäre
wurden mit Hilfe eines Monte Carlo-Rechenprogrammes berechnet, wobei die derzeit
besten Modelle der NASA für die galaktische
Strahlung und die solare Modulation benutzt
wurden. Das zur Beschreibung der Teilchenwechselwirkungen verwendete MC-Programm FLUKA (entwickelt von INFN und
CERN*) berücksichtigt alle physikalischen
Wechselwirkungs-Prozesse unter Verwendung von Datensätzen aus Experimenten an
Hochenergiebeschleunigern. Im Ergebnis
liefert die MC-Rechnung eine vollständige
Beschreibung des kosmischen Strahlungs*
INFN = National-Labor für Kernphysik, Italien.
CERN = Europäisches Labor für Hochenergiephysik,
Genf, Schweiz.
feldes in der Erdatmosphäre durch die
Flussdichten der wichtigsten Primär- und
Sekundärteilchen unter allen Bedingungen
der magnetischen Abschirmung und solaren
Modulation. Diese dient als Datengrundlage
für EPCARD.
Der Einfluss der Sonnenaktivität auf die
Strahlungsdosis lässt sich qualitativ ungefähr
so beschreiben: Zunächst ist die Sonnenaktivität mit der Zahl der bereits von Galilei
um etwa 1612 entdeckten Sonnenflecken
korreliert (untere Kurve in Abb. 1). Das
Maximum der Sonnenfleckenzahl korrespondiert auch mit dem Maximum des von
der Sonne verursachten Magnetfeldes, das
wiederum einer maximalen Abschirmung
gegen die hochenergetischen galaktischen
kosmischen Teilchen und somit einer minimalen Strahlungsdosis entspricht. Die bis
zur Erdoberfläche vordringenden hochenergetischen Strahlungskomponenten (obere
Kurve in Abb. 1) werden mit sogenannten
Neutronenmonitoren registriert, die an ausgewählten geographischen Orten stationiert
sind. Über ein vereinfachtes Modell des
Magnetfeldes der Sonne lässt sich eine
Korrelation zwischen der Anzeige der Neu-
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Äquivalentdosisleistung (µSv/h)
15
Solares
Maximum:
Minimum:
10
Äquatorregion
Polregion
5
0
6
8
10
12
14
16
Flughöhe (km)
Abb. 2: Diagramm zur überschlägigen Abschätzung der Umgebungs-Äquivalentdosis-Leistung für
den Flughöhenbereich zwischen 5 und 15 km für den Polar- und den Äquatorbereich jeweils für
hohe und niedrige Sonnenaktivität.
tronenmonitore und dem Bremspotential
des Sonnenwindes herstellen, das die galaktischen kosmischen Teilchen überwinden
müssen. Damit kann für die weiteren Rech-
nungen ermittelt werden, wie die Energie
der Teilchen bei Eintritt in die Magnetosphäre
und die Atmosphäre der Erde von der Sonnenaktivität abhängt.
effektive Dosis (µSv)
80
15
70
Effektive Dosis
60
Flugdauer
50
EPCARD V3.2
10
Flugdauer (h)
4
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30
5
20
10
0
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Abb. 3: Vergleich von Flugdauer (ausgezogene Kurve, rechte Skala) und effektiver Dosis (linke Skala) für
Flüge von München oder Frankfurt (*) zu ausgewählten Zielen auf dem jeweils kürzesten Weg, sortiert
nach steigender Flugdauer. Die Dosiswerte wurden mit EPCARDv3.2 für Januar 2002 für folgende Bedingungen berechnet: Steig- und Sinkflug jeweils 30 min, angenommene Flughöhe 37000 ft (ca. 11 km).
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90
Relativer Dosisanteil (%)
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40
30
20
Effektive Dosis E
10
1998 (solares Minumum)
Flüge von MUC/FRA* nach
Photonen
Myonen
Elektronen
Protonen
Neutronen
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Abb. 4: Relative Anteile der effektiven Dosis aus den einzelnen Komponenten der kosmischen
Strahlung für die in Abbildung 3 gezeigten Flugrouten (hier in alphabetischer Reihenfolge), berechnet für das Jahr 1998, also zu einem Zeitpunkt nahe der minimalen Sonnenaktivität, und damit
höchster Exposition durch kosmische Strahlung.
Wie wirken sich diese physikalischen
Effekte nun auf die Strahlungsdosis in üblichen Flughöhen aus? Für eine grobe Abschätzung kann Abbildung 2 dienen: Hier ist
die Umgebungs-Äquivalentdosis-Leistung
über der Flughöhe aufgetragen, das ist also
die Größe, die ein ideales Ortsdosimeter
anzeigen würde. Man kann erkennen,
dass beispielsweise in 10 km Höhe (etwa
33 000 ft) die Dosisleistung in Äquatornähe
rund 1,5 µSv/h (microSievert pro Stunde)
beträgt, wobei sich die Sonnenaktivität
kaum auswirkt. In Polnähe hingegen kann
sich die Dosisleistung fast verdoppeln, je
nachdem, ob sich die Sonne in einer Phase
hoher oder niedriger Aktivität befindet.
Aus der Abbildung 3 lässt sich eine erste
Abschätzung der Flugdosen ableiten, die
sich allerdings je nach Flugroute und -profil
erheblich ändern können. Man kann deutlich
erkennen, dass auf Flügen über den Äquator
(z.B. von München nach Sao Paulo) bei
vergleichbarer Flugdauer wesentlich geringere Dosen akkumuliert werden als auf den
Nordatlantikrouten (z.B. nach San Franzisko).
Zum Vergleich: Wenn man sich in unseren
Breiten in Meereshöhe aufhält, dann beträgt
die effektive Dosis aus der natürlichen
kosmischen Strahlung in einem Jahr etwa
0,3 mSv, die aus der gesamten externen
natürlichen Strahlung (ohne Radon etc.)
etwa 1 mSv.
Bei der Bewertung des Strahlenrisikos
spielt die Zusammensetzung der Strahlung
eine wichtige Rolle, da die einzelnen Teilchenarten in den Körperorganen unterschiedlich stark absorbiert werden und dort
unterschiedliche Arten von Sekundärteilchen erzeugen. Daher werden in EPCARD
alle Strahlungskomponenten, die zu einer
Exposition beitragen, einzeln berechnet.
In Abbildung 4 sind die relativen Anteile der
„effektiven Dosis“ für die Flugrouten der
Abbildung 3 aufgetragen. Der Anteil von
Neutronen und Protonen ist etwa gleich
groß, zusammen tragen sie je nach Flugroute etwa 65% bis 80% zur Gesamtdosis bei.
Es ist allerdings von der ICRP vorgeschlagen
worden, den Wichtungsfaktor für Protonen
vom derzeit gesetzlich gültigen Wert 5 auf 2
zu erniedrigen, was den Beitrag der Protonen zur effektiven Dosis entsprechend verringern würde.
Zur Berechnung der effektiven Dosis, aber
auch von Messanzeigen von Dosismessgeräten, muss man die Energieverteilung der
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0.025
5240m, 13 GV
·
E · ΦE (cm2 · s)-1
0.020
0.015
0.010
5240m, 13 GV
2660m, 4 GV
0.005
0.000
10-9
10-8
10-7
10-6
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10-4
10-3
10-2
10-1
100
101
102
103
104
Neutronen-Energie E (MeV)
Abb. 5: Verteilung der Energieflussdichte von Neutronen, die experimentell auf dem Schneefernerhaus (Zugspitze, 2660 m Höhe) und auf dem Mt. Chacaltaya (Bolivien, 5240 m Höhe) bestimmt
wurden (gleiche Flächen stellen gleiche Flussdichten dar). Der Energiebereich liegt zwischen 1 meV
und 10 GeV.
jeweiligen Teilchenart der kosmischen Strahlung kennen. Wie bereits erwähnt, werden
diese aus MC-Rechnungen gewonnen.
Speziell für Neutronen wurden diese bereits
Mitte der 70er Jahre in den USA berechnet,
das Ergebnis wurde aber angezweifelt und
für Dosisberechnungen ignoriert. Zur experimentellen Überprüfung wurde von der
GSF ein Neutronenspektrometer auf zwei
Berge mit sehr unterschiedlicher Abschneidesteifigkeit gebracht (aus dieser Größe, die
zwischen 0 GV an den Magnetpolen und
etwa 17 GV am geomagnetischen Äquator
liegt, lässt sich die Energie bestimmen, die
die primären kosmischen Teilchen besitzen
müssen, um das Erdmagentfeld zu überwinden): Zugspitze mit etwa 4 GV und
Mt. Chacaltaya mit etwa 13 GV. Abbildung 5
zeigt das Experimentalergebnis: Wegen der
energieabhängigen Wichtung der Neutronen, trägt zur effektiven Dosis nur der Anteil
oberhalb von etwa 0,1 MeV bei. Wichtig
hingegen ist das Maximum des Spektrums
bei etwa 100 MeV, dessen Existenz und
Höhe hiermit zum ersten Mal experimentell
bestätigt werden konnte.
78 { GSF
Das Institut für Strahlenschutz hatte sich
auch sehr frühzeitig mit der experimentellen
Bestimmung der Strahlungsdosen in Flugzeugen befasst. So wurden in den Jahren
1990 bis 1993 mit Unterstützung der Deutschen Lufthansa eine Reihe von Messflügen
durchgeführt. Wie oben bereits erwähnt,
reicht eine zeitlich und regional begrenzte
Zahl von Flügen nicht zur vollständigen
Beschreibung des Strahlungsfeldes in der
Erdatmosphäre aus. Die damals gewonnenen
Messdaten können aber heute in hervorragender Weise verwendet werden, um die
globalen Berechnungen des Strahlungsfeldes experimentell zu verifizieren.
In Abbildung 6 sind die Ergebnisse von
19 Messflügen wiedergegeben, die in den
Jahren 1991–1993 in einer Zeitspanne hoher
Sonnenaktivität und damit relativ niedriger
Dosisleistung durchgeführt wurden. Die
Werte der effektiven Dosis entlang der
Routen lagen zwischen 5 und 65 µSv. Die
dazugehörigen UmgebungsäquivalentDosen liegen erwartungsgemäß 10 bis 20 %
niedriger. Die berechneten Werte sind im
Mittel etwa 11 % höher als die entsprechen-
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60
1.2
50
1
40
0.8
30
0.5
20
E (EPCARD) / H* (EPCARD)
H*(10) und E (µSv)
70
10
E (EPCARD) / H* (EPCARD)
RA
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3
Frankfurt
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13
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4
Anchorage
Tokio
14
Mexico
Frankfurt
5
Tokio
Frankfurt
15
Frankfurt
San Francisco
6
Singapur
Melbourne
16
Seattle
Hamburg
7
Melbourne
Kuala Lumpur
17
Frankfurt
Johannesburg
8
Kuala Lumpur
Frankfurt
18
Johannesburg
Sao Paulo
9
Frankfurt
Rio de Janeiro
19
Rio de Janeiro
Frankfurt
Rio de Janeiro
Buenos Aires
10
Rio de Janeiro
Abb. 6: Vergleich der mit EPCARD berechneten Routendosen mit Ergebnissen der GSF-Messflüge in
den Jahren 1991-93. Die nicht-messbare effektive Dosis E, die Messgröße „Umgebungsäquivalentdosis H*(10)“ und der Messwert von H*(10) sind als Balken dargestellt (linke Skala), das Verhältnis
von E/H* als Punkte (rechte Skala). Die Codenamen der Flughäfen sind in der Tabelle erklärt, und
zwar in der Reihenfolge auf der Abszisse von links nach rechts.
den Messwerte (Abb. 7). Dies hängt unter
anderem damit zusammen, dass die Berechnungen für das Strahlungsfeld außerhalb
des Flugzeuges durchgeführt und somit
Absorptionseffekte der Flugzeugkonstruktion
und des Treibstoffes nicht berücksichtigt
werden. Hiermit ergibt sich eine leicht konservative Abschätzung der tatsächlichen
Strahlenexposition. Der Effekt kann sogar
noch etwas höher sein, da der Beitrag der
Protonen zum experimentellen Ergebnis
nicht vollständig berücksichtigt werden
konnte. Diese Beobachtung ist in Überein-
stimmung mit Untersuchungen des INFN,
bei denen für verschiedene rechnerisch simulierte Flugzeugtypen die Dosis an verschiedenen Aufenthaltsorten innerhalb des Flugzeuges ermittelt wurde.
Fluggesellschaften steht eine Vollversion
von EPCARD zur Verfügung, um für jeden
durchgeführten Flug die akkumulierte Strahlungsdosis zu berechnen, die sie entsprechend den gesetzlichen Vorschriften ihren
Piloten zuordnen müssen. Das LuftfahrtBundesamt (LBA) hat für diese Version die
offizielle Zulassung erteilt und diese in ihren
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H*(10) / H* exp
1.5
1.0
Mittelwert: 1.11 (1 ± 0.07)
H* EPCARD / H* exp
RA
-F
RU
IG
G
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A
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YV
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0.5
Abb. 7: Verhältnis der berechneten zur experimentell bestimmten Routendosis, H*(10) / H* exp,
für die Experimentalflüge von Abbildung 6. Das mittlere Verhältnis ist 1.11, mit einer statistischen
Unsicherheit von 7% (1s).
Nachrichten für Luftfahrer (NfL II-107/03
vom 11.12.2003) veröffentlicht. Eine vereinfachte Version kann unter der Adresse http://
www.gsf.de/epcard abgerufen werden. Hiermit verfügen insbesondere kleinere Flugunternehmungen über eine vom LBA anerkannte Möglichkeit, den Nachweis zu führen, dass für ihre Piloten der Dosiswert von
1 mSv im Jahr nicht überschritten wird.
Die amtlich zugelassene Version von
EPCARD wird bereits von den wichtigsten
deutschen Fluggesellschaften, wie beispielsweise Deutsche Lufthansa, LH-Cargo,
LH-Cityline, Condor, Germania und LTU
verwendet.
Für alle französischen Fluggesellschaften
ermittelt das Partnerinstitut IRSN des Instituts für Strahlenschutz die Flugdosen ebenfalls mit Hilfe von EPCARD. Mit weiteren
europäischen Fluggesellschaften sind Verhandlungen im Gange.
80 { GSF
{
Ausgewählte Veröffentlichungen
Roesler, S., Heinrich, W. and Schraube, H.: Monte Carlo
calculation of the radiation field at aircraft altitudes.
Radiat. Prot. Dosim. 98, 4 (2002) 367-388
Schraube, H., Leuthold, G., Heinrich, W., Roesler, S.,
Mares, V. and Schraube, G.: EPCARD – European program
package for the calculation of aviation route doses, User’s
manual. GSF-National Research Center, Neuherberg,
Germany (2002). ISSN 0721 - 1694. GSF-Report 08/02
Mares, V., Roesler, S. and Schraube, H.: Averaged
particle dose conversion factors in air crew dosimetry.
In print in: Radiat. Prot. Dosim. (2004)
Document
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Seele and Geist
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