SPADA: A project to study the effectiveness of shielding materials in space

The SPADA (SPAce Dosimetry for Astronauts) project is a part of an extensive teamwork that aims to optimize shielding solutions against space radiation. Shielding is indeed an irreplaceable tool to reduce exposure of crews of future Moon and Mars missions. We concentrated our studies on two flexible materials, Kevlar R� and Nextel R,� because of their ability to protect human space infrastructures from micrometeoroids. We measured radiation hardness of these shielding materials and compared to polyethylene, generally acknowledged as the most effective space radiation shield with practical applications in spacecraft. Both flight test (on the International Space Station and on the Russian FOTON M3 rocket), with passive dosimeters and accelerator-based experiments have been performed. Accelerator tests using high-energy Fe ions have demonstrated that Kevlar is almost as effective as polyethylene in shielding heavy ions, while Nextel is a poor shield against high-charge and -energy particles. Preliminary results from spaceflight, however, show that for the radiation environment in low-Earth orbit, dominated by trapped protons, thin shields of Kevlar and Nextel provide limited reduction

The ALTCRISS project on board the International Space Station

The Altcriss project aims to perform a long term survey of the radiation environment on board the International Space Station. Measurements are being performed with active and passive devices in different locations and orientations of the Russian segment of the station. The goal is to perform a detailed evaluation of the differences in particle fluence and nuclear composition due to different shielding material and attitude of the station. The Sileye-3/Alteino detector is used to identify nuclei up to Iron in the energy range above 60 MeV/n. Several passive dosimeters (TLDs, CR39) are also placed in the same location of Sileye-3 detector. Polyethylene shielding is periodically interposed in front of the detectors to evaluate the effectiveness of shielding on the nuclear component of the cosmic radiation. The project was submitted to ESA in reply to the AO in the Life and Physical Science of 2004 and data taking began in December 2005. Dosimeters and data cards are rotated every six months: up to now three launches of dosimeters and data cards have been performed and have been returned with the end of expedition 12 and 13.Comment: Accepted for publication on Advances in Space Research http://dx.doi.org/10.1016/j.asr.2007.04.03

Ion rates in the International Space Station during the December 2006 Solar Particle Event

Solar Particle Events (SPEs) are a major concern during prolonged space missions. During such events, a large amount of light ions, mostly protons and helium nuclei, are accelerated with enough energy to traverse the spacecraft hull and therefore represent a high hazard for the crews' health. The ALTEA particle telescope was collecting continuous data inside the USLab module of the International Space Station (ISS) during most of the December 2006 SPEs. The telescope is able to measure protons and helium respectively in the 42–45 MeV and 42–250 MeV/nucleon energy ranges, heavier ions up to relativistic molybdenum, and to discriminate nuclei for Z ≥ 5. First measurements of the charged radiation environment inside the USLab during a SPE are presented. The data averaged over the entire SPE week show an increase of the light ion rate (about a factor 1.5 in the energy range of the detector) when compared to quiet Sun conditions. The increase becomes much higher during the SPE climax (13 December) reaching a factor 10 (when averaged over three ISS orbits showing the highest activity). The extension of these results beyond the detector range is discussed. Conversely, the rates of ions with Z ≥ 5 are shown not to change significantly during the SPE week

ALTEA: anomalous long term effects on astronauts on board the international space station

In questo lavoro di tesi sarà riportato il lavoro portato avanti sull’esperimento ALTEA durante i miei anni di dottorato. ALTEA (Anomalouos Long Term Effects on Astronauts) è un progetto finanziato dall’ASI, Agenzia Spaziale Italiana; è un programma multidisciplinare rivolto allo studio degli effetti funzionali della radiazione durante la permanenza umana nello spazio e contemporaneamente rivolto ad ottenere una misura della radiazione ambientale all’interno della Stazione Spaziale Internazionale (ISS). ALTEA è costituito da diversi esperimenti sia a terra che nello spazio. Il mio coinvolgimento ha riguardato principalmente l’esperimento ALTEA-space di cui ho seguito personalmente i test hardware, le calibrazioni su fascio e l’analisi dei dati di volo. Dopo una introduzione sull’ambiente spaziale e una breve descrizione dei principali effetti dell’esposizione a radiazione, riportate nel capitolo 1, nel capitolo 2 è presentato il programma ALTEA, con i suoi obiettivi scientifici e i differenti esperimenti che lo compongono. La facility ALTEA-space è descritta invece nel capitolo 3. Nel 4 capitolo è riportata una semplice simulazione utilizzata per il calcolo del flusso di particelle atteso all’interno della ISS. Nei capitoli successivi è per primo descritto tutto lo studio da me effettuato per verificare le performances e le caratteristiche del rivelatore ed in seguito vengono descritte le due sessioni di test eseguite all’acceleratore di particelle del GSI per testare e calibrare il modello di test (TM) e il modello di volo (FM) dell’apparato. Questo lavoro preliminare è stato completato con l’analisi dei dati acquisiti a terra dal modello di volo di ALTEA con tutti i sottosistemi accesi. Dopo la consegna dell’hardware di ALTEA-space a NASA, ho contribuito alla configurazione ed installazione dell’ALTEA User Home Base (UHB) dove vengono ricevuti tutti i dati di volo e da dove sono effettuate le comunicazioni verso NASA a supporto delle operazioni di volo. Prima dell’inizio della missione ho partecipato alle simulazioni NASA volte a familiarizzare con le operazioni di volo. ALTEA è stata finalmente portata a bordo della Stazione Spaziale Internazionale all’interno della missione Shuttle STS-121 il 4 Luglio 2006; nell’ultimo capitolo di questa tesi è descritto lo stato attuale delle operazioni di volo e sono presentati i risultati dell’analisi condotta sui primi dati raccolti sulla ISS. In questa tesi sono stati analizzati circa tre mesi di dati e i primi risultati includono tra gli altri lo studio del flusso di particelle, I differenti flussi rivelati dai sei rivelatori di particelle e un primo calcolo delle abbondanze nucleari relative. Ho infine contribuito a realizzare e a testare gli strumenti software di preprocessamento e di analisi dei dati usati sia per i dati di calibrazione che per i dati di volo. Questi strumenti sono stati sviluppati utilizzando diversi linguaggi di programmazione (C, VC++, VB, IDL).In this thesis I summarized the work carried out on ALTEA experiment during my PhD years. ALTEA (Anomalouos Long Term Effects on Astronauts) is a project funded by ASI, the Italian Space Agency; it is a multidisciplinary program devoted to investigate the functional effects of radiation during man permanences in space and concurrently to get a measure of radiation environment inside the International Space Station. It is constitued by several experiments both gorund-based and in space. I was mainly involved in the ALTEA-space experiment and I followed the hardware functioning tests, the calibration and the analysis of flight data. After an overview of space environment and a brief description of the main effects of radiation exposure, reported in the first chapter, the Altea program is presented with its scientific goals and the different experiments that it includes. In particular the ALTEA-space facility is described in the third chapter. In the fourth chapter a simple simulation to calculate the expected particle flux inside the ISS will be presented. In the following chapters, first of all the study I performed to verify the detector performances and characteristics is described, then the two session tests carried out at the GSI accelerator in order to test and calibrate the Flight Model and the Test Model of the device. This preliminary work was completed with the analysis of the files acquired on ground with all ALTEA Flight Model subsystems active. After ALTEA-space hardware was delivered to NASA, I contributed to asses the ALTEA User Home Base (UHB), where operation data are collected and the communications with NASA take place. Before the start of the mission operation I partecipated to the NASA simulations aimed at the reproduction of flight operations. ALTEA was finally brought on board the International Space Station within the STS-121 Shuttle mission on the July the 4th 2006; in the last chapter of this thesis the actual flight operations are described and the results of analysis performed on the first scientific data gathered onboard ISS are showed. About three month data were analyzed in this thesis and the first results include, among others, the study of the particle rate, the different particle fluxes measured by the six particle detectors and the first calculation of relative nuclear abundances. I contributed to realize and test pre-processing and analysis tools used both for calibration and for flight operations. These tools were developed using several programming languages (C, VC++, VB, IDL)

ALTEA: anomalous long term effects on astronauts on board the international space station

In questo lavoro di tesi sarà riportato il lavoro portato avanti sull’esperimento ALTEA durante i miei anni di dottorato. ALTEA (Anomalouos Long Term Effects on Astronauts) è un progetto finanziato dall’ASI, Agenzia Spaziale Italiana; è un programma multidisciplinare rivolto allo studio degli effetti funzionali della radiazione durante la permanenza umana nello spazio e contemporaneamente rivolto ad ottenere una misura della radiazione ambientale all’interno della Stazione Spaziale Internazionale (ISS). ALTEA è costituito da diversi esperimenti sia a terra che nello spazio. Il mio coinvolgimento ha riguardato principalmente l’esperimento ALTEA-space di cui ho seguito personalmente i test hardware, le calibrazioni su fascio e l’analisi dei dati di volo. Dopo una introduzione sull’ambiente spaziale e una breve descrizione dei principali effetti dell’esposizione a radiazione, riportate nel capitolo 1, nel capitolo 2 è presentato il programma ALTEA, con i suoi obiettivi scientifici e i differenti esperimenti che lo compongono. La facility ALTEA-space è descritta invece nel capitolo 3. Nel 4 capitolo è riportata una semplice simulazione utilizzata per il calcolo del flusso di particelle atteso all’interno della ISS. Nei capitoli successivi è per primo descritto tutto lo studio da me effettuato per verificare le performances e le caratteristiche del rivelatore ed in seguito vengono descritte le due sessioni di test eseguite all’acceleratore di particelle del GSI per testare e calibrare il modello di test (TM) e il modello di volo (FM) dell’apparato. Questo lavoro preliminare è stato completato con l’analisi dei dati acquisiti a terra dal modello di volo di ALTEA con tutti i sottosistemi accesi. Dopo la consegna dell’hardware di ALTEA-space a NASA, ho contribuito alla configurazione ed installazione dell’ALTEA User Home Base (UHB) dove vengono ricevuti tutti i dati di volo e da dove sono effettuate le comunicazioni verso NASA a supporto delle operazioni di volo. Prima dell’inizio della missione ho partecipato alle simulazioni NASA volte a familiarizzare con le operazioni di volo. ALTEA è stata finalmente portata a bordo della Stazione Spaziale Internazionale all’interno della missione Shuttle STS-121 il 4 Luglio 2006; nell’ultimo capitolo di questa tesi è descritto lo stato attuale delle operazioni di volo e sono presentati i risultati dell’analisi condotta sui primi dati raccolti sulla ISS. In questa tesi sono stati analizzati circa tre mesi di dati e i primi risultati includono tra gli altri lo studio del flusso di particelle, I differenti flussi rivelati dai sei rivelatori di particelle e un primo calcolo delle abbondanze nucleari relative. Ho infine contribuito a realizzare e a testare gli strumenti software di preprocessamento e di analisi dei dati usati sia per i dati di calibrazione che per i dati di volo. Questi strumenti sono stati sviluppati utilizzando diversi linguaggi di programmazione (C, VC++, VB, IDL).In this thesis I summarized the work carried out on ALTEA experiment during my PhD years. ALTEA (Anomalouos Long Term Effects on Astronauts) is a project funded by ASI, the Italian Space Agency; it is a multidisciplinary program devoted to investigate the functional effects of radiation during man permanences in space and concurrently to get a measure of radiation environment inside the International Space Station. It is constitued by several experiments both gorund-based and in space. I was mainly involved in the ALTEA-space experiment and I followed the hardware functioning tests, the calibration and the analysis of flight data. After an overview of space environment and a brief description of the main effects of radiation exposure, reported in the first chapter, the Altea program is presented with its scientific goals and the different experiments that it includes. In particular the ALTEA-space facility is described in the third chapter. In the fourth chapter a simple simulation to calculate the expected particle flux inside the ISS will be presented. In the following chapters, first of all the study I performed to verify the detector performances and characteristics is described, then the two session tests carried out at the GSI accelerator in order to test and calibrate the Flight Model and the Test Model of the device. This preliminary work was completed with the analysis of the files acquired on ground with all ALTEA Flight Model subsystems active. After ALTEA-space hardware was delivered to NASA, I contributed to asses the ALTEA User Home Base (UHB), where operation data are collected and the communications with NASA take place. Before the start of the mission operation I partecipated to the NASA simulations aimed at the reproduction of flight operations. ALTEA was finally brought on board the International Space Station within the STS-121 Shuttle mission on the July the 4th 2006; in the last chapter of this thesis the actual flight operations are described and the results of analysis performed on the first scientific data gathered onboard ISS are showed. About three month data were analyzed in this thesis and the first results include, among others, the study of the particle rate, the different particle fluxes measured by the six particle detectors and the first calculation of relative nuclear abundances. I contributed to realize and test pre-processing and analysis tools used both for calibration and for flight operations. These tools were developed using several programming languages (C, VC++, VB, IDL)