基于蒙特卡羅方法的航空機組人員輻射劑量評估

鄔仁耀，耿長冉,2,3，田 鋒，劉 緩，湯曉斌,2,3

(1.南京航空航天大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)系，南京 211106；2.空間核技術(shù)應(yīng)用與輻射防護工業(yè)和信息化部重點實驗室，南京 211106；3.南京航空航天大學(xué) 先進粒子放射治療國際合作聯(lián)合實驗室，南京 211106)

在海平面水平，宇宙射線對人類受到的天然輻射總有效劑量的貢獻低于10%，而在商業(yè)飛行高度上，宇宙射線對人體造成的有效劑量率將會超過地面的100倍以上，局部可高達7 μSv/h[1-2]。商業(yè)飛行高度的輻射場由初級宇宙射線及其與大氣層相互作用的次級反應(yīng)產(chǎn)物組成，初級宇宙射線主要包括銀河宇宙射線(galactic cosmic rays，GCR)和太陽宇宙射線(solar cosmic rays，SCR)[3]。SCR主要由質(zhì)子組成，其能量一般低于106eV；GCR的組成中，質(zhì)子占比約89%，氦核占比約為9%，其余2%為電子和重帶電粒子，其能量可高達1020eV[4]。

國際放射防護委員會(International Commission on Radiological Protection，ICRP)第132號報告指出：自1996年歐盟的航空機組人員執(zhí)行飛行任務(wù)時受到的航空輻射屬于職業(yè)照射，因此歐盟要求所有歐洲航空公司都必須保存機組人員的航空輻射受照記錄[5]；2002年我國頒布并開始實施《空勤人員宇宙輻射控制標(biāo)準(zhǔn)》[6]。與此同時，針對航空輻射劑量評估的研究也有開展，2004年，F(xiàn)errari等人[7]使用數(shù)字化飛機模型再現(xiàn)了空客340的結(jié)構(gòu)，并利用蒙特卡羅程序FLUKA實現(xiàn)了機艙內(nèi)劑量分布的評估。2013年，Matthi?[8]利用蒙特卡羅工具包Geant4構(gòu)建了航線劑量評估的數(shù)值模型，并將該模型作為德國宇航中心開發(fā)的專業(yè)航空劑量評估軟件(PANDOCA)的核心。

目前國內(nèi)對于航空機組人員飛行過程中受到的輻射劑量的研究較少。本文以昆明至北京航線飛行為例，通過在蒙特卡羅軟件包Geant4中構(gòu)建輻射仿真人體面元模型和數(shù)字化飛機模型分析了機組人員受到的輻射有效劑量，探索了人體參數(shù)和飛行參數(shù)變化時機組人員受到的航空輻射有效劑量的變化情況。獲得的結(jié)果數(shù)據(jù)可為我國航空機組人員輻射防護工作的開展提供一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 材料和方法

1.1 模型參數(shù)設(shè)置

1.1.1數(shù)字化飛機模型

當(dāng)前，民用航空飛機的型號和類型眾多，選取其中具有代表性的波音757飛機進行劑量評估研究，對于此型飛機進行研究獲得的結(jié)果數(shù)據(jù)可以合理地擴展到具有可比尺寸的其他飛機。構(gòu)建的飛機模型包含飛機機身結(jié)構(gòu)、燃油、乘客和貨物等共490個部件，其中，飛機外殼等效為5 mm厚度的鋁殼，飛機各個部件的密度和元素組成列于表1[7,9]。航空輻射有效劑量的蒙特卡羅模擬中，飛機采取全經(jīng)濟艙布局，共有240名乘客，每名乘客質(zhì)量為60 kg；貨艙中按照每名乘客約20 kg的行李放置有8.37 m3的貨物；模型中的主儲油箱加上兩側(cè)機翼以及翼根部的副儲油箱總體積設(shè)定為25.76 m3。為消除機艙內(nèi)劑量波動的影響，研究中對飛機內(nèi)部由前至后共6個位置進行有效劑量評估，評估結(jié)果選取為男性和女性計算結(jié)果的均值。圖1給出了體模的擺放位置及飛機結(jié)構(gòu)組成。

圖1 數(shù)字化飛機模型結(jié)構(gòu)和飛機模型內(nèi)6個輻射仿真人體模型放置位置示意圖

表1 數(shù)字化飛機模型的材料組成和密度

1.1.2輻射仿真人體模型

國際輻射單位與測量委員會(International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU)第48號報告提出將輻射仿真人體模型運用于輻射防護工作；同時，近幾十年輻射仿真人體模型得到跨越式發(fā)展，成為了核技術(shù)領(lǐng)域劑量學(xué)研究的重要研究工具[10-11]。圖2所示是本課題組開發(fā)的成年男性/女性輻射仿真面元人體模型，該輻射仿真人體模型具有中國人參考生理特征[12-13]，其身體特征參數(shù)源自GBZ/T 200—2007標(biāo)準(zhǔn)，其中男性體模身高170 cm、體重63 kg，女性體模身高158 cm、體重54 kg[14]?；谠撔腕w模展開研究，該型體模中器官和組織的元素組成及占比參考自ICRP第89號出版物[15]，所考慮的器官囊括ICRP第103號出版物中用于計算輻射有效劑量的主要器官，包括：腸、肺、胃、乳腺、性腺、膀胱、食道、肝、甲狀腺、腦、唾液腺、皮膚、腎上腺、外胸區(qū)、膽囊、心臟、腎、肌肉、淋巴、胰腺、前列腺(男)、小腸、脾、胸腺、子宮(女)、骨骼等[16]。器官的詳細參數(shù)可以參見文獻[12]。

圖2 輻射仿真人體面元模型(左：男性體模，右：女性體模)

1.2 航空高度輻射場重建

航空高度輻射場重建所需數(shù)據(jù)由Sato開發(fā)的PARMA軟件提供，PARMA是一個針對航空輻射粒子的數(shù)值模擬軟件[17-18]。在輸入日期和航線參數(shù)后，PARMA軟件可計算得到該航線上任意位置處的粒子注量率和能譜，其能量覆蓋范圍廣(高達100 GeV)、包含了航空輻射中需要考慮的全部粒子種類。本研究中PARMA軟件的輸入日期參數(shù)為第24個太陽活動周期中太陽活動強度處于此周期均值時的日期，飛行高度為典型的商業(yè)航空高度10 km，圖3給出了設(shè)定條件下的典型航空高度輻射粒子能譜。航空高度輻射場中除較高能量中子具有向下的傾向性，較低能量中子和其余各輻射粒子都趨于各向同性的角分布，采用各向同性的輻射場對航空高度輻射場建模，這種輻射幾何較為接近民用航空高度的輻射條件，并且能夠保證劑量評估結(jié)果的保守性[19]，該航空高度輻射場設(shè)置也廣泛運用于之前的航空輻射劑量評估研究當(dāng)中[7,20]。輻射場的幾何設(shè)置具體表現(xiàn)為：航空輻射粒子在一個完全包裹飛機幾何的球面上均勻的分布，并以cos-law的方式向球體內(nèi)部各向同性的發(fā)射[21]。

圖3 航空高度典型輻射粒子能量微分譜

1.3 蒙特卡羅程序及設(shè)置

采用歐洲核子研究組織(Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire, CERN)開發(fā)的蒙特卡羅應(yīng)用軟件包Geant4，該軟件包可用于模擬粒子在物質(zhì)中輸運的物理過程，主要優(yōu)點是源代碼完全開放，用戶可以根據(jù)實際需要更改、擴充程序[22]。考慮到在Geant4中進行網(wǎng)格模型計算的時間成本，輻射仿真面元人體模型被轉(zhuǎn)換為體素模型后再導(dǎo)入Geant4中進行后續(xù)模擬工作，體素大小為5 mm×5 mm×5 mm。使用PARMA軟件生成的航空輻射粒子的能譜和注量率作為Geant4程序的輸入?yún)?shù)，考慮到重帶電粒子對航空輻射劑量貢獻極小，對氦核、質(zhì)子、正負(fù)電子、光子、正負(fù)繆子和中子8種航空輻射粒子進行了模擬計算。粒子的輸運及與物質(zhì)相互作用過程使用了參考物理過程QGSP_BIC_HP，該參考物理過程為各種粒子提供精確的截面信息和相互作用模型?？紤]到計算精度和時間的影響，單次模擬的光子數(shù)為5×108，其余種類粒子數(shù)為1×107。

1.4 航線劑量的評估

航線上機組人員的有效劑量是男性和女性有效劑量的平均值，由人體各器官當(dāng)量劑量與相應(yīng)組織權(quán)重因子加權(quán)求和得到。輻射權(quán)重因子和組織權(quán)重因子取自ICRP第103號報告[16]，其中，中子的輻射權(quán)重因子被精確描述為與能量相關(guān)的連續(xù)函數(shù)。航空輻射有效劑量評估方法適用于任意航線的劑量評估，研究中將整個航線離散化處理為數(shù)個飛行區(qū)間，通過分別計算各個區(qū)間內(nèi)的有效劑量值之和得到整條航線的劑量信息[23-24]。平均有效劑量率的評估過程如下所示：

(1)

選取昆明至北京航線進行機組人員的受照劑量評估，昆明長水國際機場至北京首都國際機場跨越緯度15.1度，該航線包含了一個較大緯度上的航空輻射信息。昆明至北京航線全長2 099 km，模擬中將此航線劃分成5個航段：0～400 km、400～800 km、800～1 200 km、1 200～1 600 km、1 600～2 099 km，對應(yīng)式(1)中N取值為5；各航段飛行時間分別為T(1)=T(2)=T(3)=T(4)=0.73 h，T(5)=0.91 h。每個航段的中點位置為Geant4程序進行劑量評估的劑量點，計算結(jié)果即為E(i)，表2列出了各劑量點的地理坐標(biāo)。每個劑量點在不同的偽隨機數(shù)種子下模擬10遍，以不確定度來表現(xiàn)劑量評估結(jié)果的穩(wěn)定性，不確定度計算見公式(2)[25]：

表2 昆明至北京航線各劑量評估點的地理坐標(biāo)

(2)

2 結(jié)果和討論

2.1 昆明至北京航線有效劑量分析

2.1.1機組人員的有效劑量評估

圖4給出了各劑量點處各輻射粒子對有效劑量的貢獻。從圖4中看出，有效劑量率隨劑量點由1至5變化時呈現(xiàn)上升趨勢，此現(xiàn)象是緯度因素造成的，計算得到昆明至北京航線機組人員平均受照的有效劑量率為2.114 μSv/h。

圖4 昆明至北京航線劑量評估點1至5上各輻射粒子對有效劑量貢獻的變化

我國《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規(guī)則》指出：飛行機組成員的總飛行時間在任一日歷年內(nèi)不得超過1 000 h[26]。以1 000 h為上限進行估算，昆明至北京航線的機組人員受到年有效劑量約為2.114 mSv。同時，2002年頒布并開始實施的中華人民共和國國家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中的《空勤人員宇宙輻射控制標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：空勤人員職業(yè)照射年有效劑量不得超過20 mSv[6]。以20 mSv為輻射有效劑量限值，昆明至北京航線機組人員年有效劑量的評估值2.114 mSv小于此劑量限值，基于合理可行盡量低(ALARA)原則，針對航空機組人員的輻射防護工作依然有其必要性。表3列出了《空勤人員宇宙輻射控制標(biāo)準(zhǔn)》中給出的短途航線有效劑量參考值，其中北京至上海航線千小時有效劑量為2.2 mSv、上海至昆明航線千小時有效劑量為2.1 mSv。

表3 《空勤人員宇宙輻射控制標(biāo)準(zhǔn)》中北京至上海和上海至昆明短途航線機組人員有效劑量信息

圖5給出了昆明至北京航線上，飛機模型內(nèi)不同位置處計算得到的有效劑量率結(jié)果，如圖1所示飛機的頭部至尾部分別是位置1至位置6。其中，后5個位置的有效劑量率計算結(jié)果較位置一的計算結(jié)果偏高，這一現(xiàn)象的原因是后5個位置位于客艙內(nèi)部，客艙內(nèi)的乘客、物品及座椅等因素導(dǎo)致次級輻射場的強度較大，而位置一處于飛機頭部，次級輻射場強度較小。位置一處的有效劑量率計算結(jié)果較后5個位置偏低約34.5%，后5個位置所處的機艙輻射環(huán)境幾乎相同，因此有效劑量率計算結(jié)果幾乎相當(dāng)。

圖5 飛機模型內(nèi)不同位置處計算得到的有效劑量率

2.1.2不同人體參數(shù)體模的有效劑量差異

為了評估人體參數(shù)對航空輻射劑量的影響，使用符合高加索人體參數(shù)的體模數(shù)據(jù)在相同航空輻射條件下的劑量評估值與前述結(jié)果(基于中國參考人模型的數(shù)據(jù))進行對比。其中，航空輻射條件選取為1.4節(jié)所述的劑量評估點1處輻射環(huán)境。高加索人體參數(shù)體模的劑量評估過程如下所示[8]：

(3)

圖6 不同人體參數(shù)輻射仿真人體模型的有效劑量評估

2.2 航線參數(shù)對輻射有效劑量率的影響

對機組人員輻射劑量產(chǎn)生影響的航線參數(shù)包括航線緯度、飛行日期和航線的高度。航線緯度越低，地磁場對于航空高度的宇宙輻射屏蔽作用越強，因此低緯度航線劑量一般小于高緯度航線。不同飛行日期時的太陽活動強度不同，太陽活動會對GCR產(chǎn)生一定的屏蔽作用，太陽活動強度越小，GCR通量會在一定程度上增大，從而導(dǎo)致航線有效劑量升高。航線的高度直接與大氣層的屏蔽作用相關(guān)，航線海拔越高屏蔽作用越弱，航空輻射產(chǎn)生的劑量將會升高。針對1.4節(jié)所述的劑量評估點1，圖7給出了劑量評估點1上三種航線參數(shù)變化時計算得到的航空輻射有效劑量率。

(a)航線高度對有效劑量率的影響；(b)飛行日期對有效劑量的影響；(c)緯度對有效劑量的影響，dT =-5°對應(yīng)于真實的地理緯度21.2°，dT = 0°對應(yīng)于真實的地理緯度26.2°，dT = 5°對應(yīng)于真實的地理緯度31.2°。

通過對圖7分析發(fā)現(xiàn)，航線飛行高度對有效劑量率的影響最明顯。在14 km高度飛行時，機組人員受到的航空輻射有效劑量率是其在6 km時的7.5倍，是典型航空高度10 km有效劑量率值的1.8倍。在14 km高度飛行時，機組人員年有效劑量達到3.5 mSv以上。在本文設(shè)置參數(shù)條件下，太陽活動極大水平較太陽活動極小水平時的有效劑量率減小約5%，航空高度有效劑量率對太陽活動水平的敏感程度較低。但需要說明的是由于太陽質(zhì)子事件的不可預(yù)測特性，目前對于航空輻射評估的研究大多沒有將其納入考慮，本文也未考慮太陽質(zhì)子事件瞬時劑量率升高的情況。對于緯度的影響，由dT=-5°變化至dT= 5°時，機組人員在航線上受到的有效劑量率提升約24.6%，對于年有效劑量而言，這是一個非常顯著的提升。就本項工作的結(jié)果而言，航線高度對輻射有效劑量率的影響最大，國際航線飛行海拔較高，對航線高度帶來的影響需要更加關(guān)注；航線緯度對輻射有效劑量率的影響也十分顯著，在更大的緯度跨度上，有效劑量率的差異非常明顯，因此在針對機組人員的輻射防護工作中應(yīng)當(dāng)考慮緯度差異。

3 總結(jié)

本研究開展了基于蒙特卡羅方法的航空輻射劑量評估研究，以昆明至北京航線飛行為例，計算得到該航線機組人員年均輻射有效劑量為2.114 mSv。對輻射劑量產(chǎn)生影響的參數(shù)眾多，高加索人體參數(shù)體模有效劑量率的評估值與中國參考人模型的差異可達25.3%；航線高度變化時，有效劑量率將產(chǎn)生數(shù)倍的變化，14 km飛行高度的機組人員年有效劑量達到3.5 mSv以上；航線緯度對輻射有效劑量也有顯著影響，航線緯度升高10°時，有效劑量率提升了24.6%。本研究開展的航空輻射劑量評估研究及其結(jié)果對我國航空機組人員的輻射劑量評估工作和輻射防護工作具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。