基于蒙特卡罗方法的航空机组人员辐射剂量评估

邬仁耀，耿长冉,2,3，田 锋，刘 缓，汤晓斌,2,3

(1.南京航空航天大学 核科学与技术系，南京 211106；2.空间核技术应用与辐射防护工业和信息化部重点实验室，南京 211106；3.南京航空航天大学 先进粒子放射治疗国际合作联合实验室，南京 211106)

在海平面水平，宇宙射线对人类受到的天然辐射总有效剂量的贡献低于10%，而在商业飞行高度上，宇宙射线对人体造成的有效剂量率将会超过地面的100倍以上，局部可高达7 μSv/h[1-2]。商业飞行高度的辐射场由初级宇宙射线及其与大气层相互作用的次级反应产物组成，初级宇宙射线主要包括银河宇宙射线(galactic cosmic rays，GCR)和太阳宇宙射线(solar cosmic rays，SCR)[3]。SCR主要由质子组成，其能量一般低于106eV；GCR的组成中，质子占比约89%，氦核占比约为9%，其余2%为电子和重带电粒子，其能量可高达1020eV[4]。

国际放射防护委员会(International Commission on Radiological Protection，ICRP)第132号报告指出：自1996年欧盟的航空机组人员执行飞行任务时受到的航空辐射属于职业照射，因此欧盟要求所有欧洲航空公司都必须保存机组人员的航空辐射受照记录[5]；2002年我国颁布并开始实施《空勤人员宇宙辐射控制标准》[6]。与此同时，针对航空辐射剂量评估的研究也有开展，2004年，Ferrari等人[7]使用数字化飞机模型再现了空客340的结构，并利用蒙特卡罗程序FLUKA实现了机舱内剂量分布的评估。2013年，Matthiä[8]利用蒙特卡罗工具包Geant4构建了航线剂量评估的数值模型，并将该模型作为德国宇航中心开发的专业航空剂量评估软件(PANDOCA)的核心。

目前国内对于航空机组人员飞行过程中受到的辐射剂量的研究较少。本文以昆明至北京航线飞行为例，通过在蒙特卡罗软件包Geant4中构建辐射仿真人体面元模型和数字化飞机模型分析了机组人员受到的辐射有效剂量，探索了人体参数和飞行参数变化时机组人员受到的航空辐射有效剂量的变化情况。获得的结果数据可为我国航空机组人员辐射防护工作的开展提供一定的指导和借鉴意义。

1 材料和方法

1.1 模型参数设置

1.1.1数字化飞机模型

当前，民用航空飞机的型号和类型众多，选取其中具有代表性的波音757飞机进行剂量评估研究，对于此型飞机进行研究获得的结果数据可以合理地扩展到具有可比尺寸的其他飞机。构建的飞机模型包含飞机机身结构、燃油、乘客和货物等共490个部件，其中，飞机外壳等效为5 mm厚度的铝壳，飞机各个部件的密度和元素组成列于表1[7,9]。航空辐射有效剂量的蒙特卡罗模拟中，飞机采取全经济舱布局，共有240名乘客，每名乘客质量为60 kg；货舱中按照每名乘客约20 kg的行李放置有8.37 m3的货物；模型中的主储油箱加上两侧机翼以及翼根部的副储油箱总体积设定为25.76 m3。为消除机舱内剂量波动的影响，研究中对飞机内部由前至后共6个位置进行有效剂量评估，评估结果选取为男性和女性计算结果的均值。图1给出了体模的摆放位置及飞机结构组成。

图1 数字化飞机模型结构和飞机模型内6个辐射仿真人体模型放置位置示意图

表1 数字化飞机模型的材料组成和密度

1.1.2辐射仿真人体模型

国际辐射单位与测量委员会(International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU)第48号报告提出将辐射仿真人体模型运用于辐射防护工作；同时，近几十年辐射仿真人体模型得到跨越式发展，成为了核技术领域剂量学研究的重要研究工具[10-11]。图2所示是本课题组开发的成年男性/女性辐射仿真面元人体模型，该辐射仿真人体模型具有中国人参考生理特征[12-13]，其身体特征参数源自GBZ/T 200—2007标准，其中男性体模身高170 cm、体重63 kg，女性体模身高158 cm、体重54 kg[14]。基于该型体模展开研究，该型体模中器官和组织的元素组成及占比参考自ICRP第89号出版物[15]，所考虑的器官囊括ICRP第103号出版物中用于计算辐射有效剂量的主要器官，包括：肠、肺、胃、乳腺、性腺、膀胱、食道、肝、甲状腺、脑、唾液腺、皮肤、肾上腺、外胸区、胆囊、心脏、肾、肌肉、淋巴、胰腺、前列腺(男)、小肠、脾、胸腺、子宫(女)、骨骼等[16]。器官的详细参数可以参见文献[12]。

图2 辐射仿真人体面元模型(左：男性体模，右：女性体模)

1.2 航空高度辐射场重建

航空高度辐射场重建所需数据由Sato开发的PARMA软件提供，PARMA是一个针对航空辐射粒子的数值模拟软件[17-18]。在输入日期和航线参数后，PARMA软件可计算得到该航线上任意位置处的粒子注量率和能谱，其能量覆盖范围广(高达100 GeV)、包含了航空辐射中需要考虑的全部粒子种类。本研究中PARMA软件的输入日期参数为第24个太阳活动周期中太阳活动强度处于此周期均值时的日期，飞行高度为典型的商业航空高度10 km，图3给出了设定条件下的典型航空高度辐射粒子能谱。航空高度辐射场中除较高能量中子具有向下的倾向性，较低能量中子和其余各辐射粒子都趋于各向同性的角分布，采用各向同性的辐射场对航空高度辐射场建模，这种辐射几何较为接近民用航空高度的辐射条件，并且能够保证剂量评估结果的保守性[19]，该航空高度辐射场设置也广泛运用于之前的航空辐射剂量评估研究当中[7,20]。辐射场的几何设置具体表现为：航空辐射粒子在一个完全包裹飞机几何的球面上均匀的分布，并以cos-law的方式向球体内部各向同性的发射[21]。

图3 航空高度典型辐射粒子能量微分谱

1.3 蒙特卡罗程序及设置

采用欧洲核子研究组织(Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire, CERN)开发的蒙特卡罗应用软件包Geant4，该软件包可用于模拟粒子在物质中输运的物理过程，主要优点是源代码完全开放，用户可以根据实际需要更改、扩充程序[22]。考虑到在Geant4中进行网格模型计算的时间成本，辐射仿真面元人体模型被转换为体素模型后再导入Geant4中进行后续模拟工作，体素大小为5 mm×5 mm×5 mm。使用PARMA软件生成的航空辐射粒子的能谱和注量率作为Geant4程序的输入参数，考虑到重带电粒子对航空辐射剂量贡献极小，对氦核、质子、正负电子、光子、正负缪子和中子8种航空辐射粒子进行了模拟计算。粒子的输运及与物质相互作用过程使用了参考物理过程QGSP_BIC_HP，该参考物理过程为各种粒子提供精确的截面信息和相互作用模型。考虑到计算精度和时间的影响，单次模拟的光子数为5×108，其余种类粒子数为1×107。

1.4 航线剂量的评估

航线上机组人员的有效剂量是男性和女性有效剂量的平均值，由人体各器官当量剂量与相应组织权重因子加权求和得到。辐射权重因子和组织权重因子取自ICRP第103号报告[16]，其中，中子的辐射权重因子被精确描述为与能量相关的连续函数。航空辐射有效剂量评估方法适用于任意航线的剂量评估，研究中将整个航线离散化处理为数个飞行区间，通过分别计算各个区间内的有效剂量值之和得到整条航线的剂量信息[23-24]。平均有效剂量率的评估过程如下所示：

(1)

选取昆明至北京航线进行机组人员的受照剂量评估，昆明长水国际机场至北京首都国际机场跨越纬度15.1度，该航线包含了一个较大纬度上的航空辐射信息。昆明至北京航线全长2 099 km，模拟中将此航线划分成5个航段：0～400 km、400～800 km、800～1 200 km、1 200～1 600 km、1 600～2 099 km，对应式(1)中N取值为5；各航段飞行时间分别为T(1)=T(2)=T(3)=T(4)=0.73 h，T(5)=0.91 h。每个航段的中点位置为Geant4程序进行剂量评估的剂量点，计算结果即为E(i)，表2列出了各剂量点的地理坐标。每个剂量点在不同的伪随机数种子下模拟10遍，以不确定度来表现剂量评估结果的稳定性，不确定度计算见公式(2)[25]：

表2 昆明至北京航线各剂量评估点的地理坐标

(2)

2 结果和讨论

2.1 昆明至北京航线有效剂量分析

2.1.1机组人员的有效剂量评估

图4给出了各剂量点处各辐射粒子对有效剂量的贡献。从图4中看出，有效剂量率随剂量点由1至5变化时呈现上升趋势，此现象是纬度因素造成的，计算得到昆明至北京航线机组人员平均受照的有效剂量率为2.114 μSv/h。

图4 昆明至北京航线剂量评估点1至5上各辐射粒子对有效剂量贡献的变化

我国《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》指出：飞行机组成员的总飞行时间在任一日历年内不得超过1 000 h[26]。以1 000 h为上限进行估算，昆明至北京航线的机组人员受到年有效剂量约为2.114 mSv。同时，2002年颁布并开始实施的中华人民共和国国家职业卫生标准中的《空勤人员宇宙辐射控制标准》规定：空勤人员职业照射年有效剂量不得超过20 mSv[6]。以20 mSv为辐射有效剂量限值，昆明至北京航线机组人员年有效剂量的评估值2.114 mSv小于此剂量限值，基于合理可行尽量低(ALARA)原则，针对航空机组人员的辐射防护工作依然有其必要性。表3列出了《空勤人员宇宙辐射控制标准》中给出的短途航线有效剂量参考值，其中北京至上海航线千小时有效剂量为2.2 mSv、上海至昆明航线千小时有效剂量为2.1 mSv。

表3 《空勤人员宇宙辐射控制标准》中北京至上海和上海至昆明短途航线机组人员有效剂量信息

图5给出了昆明至北京航线上，飞机模型内不同位置处计算得到的有效剂量率结果，如图1所示飞机的头部至尾部分别是位置1至位置6。其中，后5个位置的有效剂量率计算结果较位置一的计算结果偏高，这一现象的原因是后5个位置位于客舱内部，客舱内的乘客、物品及座椅等因素导致次级辐射场的强度较大，而位置一处于飞机头部，次级辐射场强度较小。位置一处的有效剂量率计算结果较后5个位置偏低约34.5%，后5个位置所处的机舱辐射环境几乎相同，因此有效剂量率计算结果几乎相当。

图5 飞机模型内不同位置处计算得到的有效剂量率

2.1.2不同人体参数体模的有效剂量差异

为了评估人体参数对航空辐射剂量的影响，使用符合高加索人体参数的体模数据在相同航空辐射条件下的剂量评估值与前述结果(基于中国参考人模型的数据)进行对比。其中，航空辐射条件选取为1.4节所述的剂量评估点1处辐射环境。高加索人体参数体模的剂量评估过程如下所示[8]：

(3)

图6 不同人体参数辐射仿真人体模型的有效剂量评估

2.2 航线参数对辐射有效剂量率的影响

对机组人员辐射剂量产生影响的航线参数包括航线纬度、飞行日期和航线的高度。航线纬度越低，地磁场对于航空高度的宇宙辐射屏蔽作用越强，因此低纬度航线剂量一般小于高纬度航线。不同飞行日期时的太阳活动强度不同，太阳活动会对GCR产生一定的屏蔽作用，太阳活动强度越小，GCR通量会在一定程度上增大，从而导致航线有效剂量升高。航线的高度直接与大气层的屏蔽作用相关，航线海拔越高屏蔽作用越弱，航空辐射产生的剂量将会升高。针对1.4节所述的剂量评估点1，图7给出了剂量评估点1上三种航线参数变化时计算得到的航空辐射有效剂量率。

(a)航线高度对有效剂量率的影响；(b)飞行日期对有效剂量的影响；(c)纬度对有效剂量的影响，dT =-5°对应于真实的地理纬度21.2°，dT = 0°对应于真实的地理纬度26.2°，dT = 5°对应于真实的地理纬度31.2°。

通过对图7分析发现，航线飞行高度对有效剂量率的影响最明显。在14 km高度飞行时，机组人员受到的航空辐射有效剂量率是其在6 km时的7.5倍，是典型航空高度10 km有效剂量率值的1.8倍。在14 km高度飞行时，机组人员年有效剂量达到3.5 mSv以上。在本文设置参数条件下，太阳活动极大水平较太阳活动极小水平时的有效剂量率减小约5%，航空高度有效剂量率对太阳活动水平的敏感程度较低。但需要说明的是由于太阳质子事件的不可预测特性，目前对于航空辐射评估的研究大多没有将其纳入考虑，本文也未考虑太阳质子事件瞬时剂量率升高的情况。对于纬度的影响，由dT=-5°变化至dT= 5°时，机组人员在航线上受到的有效剂量率提升约24.6%，对于年有效剂量而言，这是一个非常显著的提升。就本项工作的结果而言，航线高度对辐射有效剂量率的影响最大，国际航线飞行海拔较高，对航线高度带来的影响需要更加关注；航线纬度对辐射有效剂量率的影响也十分显著，在更大的纬度跨度上，有效剂量率的差异非常明显，因此在针对机组人员的辐射防护工作中应当考虑纬度差异。

3 总结

本研究开展了基于蒙特卡罗方法的航空辐射剂量评估研究，以昆明至北京航线飞行为例，计算得到该航线机组人员年均辐射有效剂量为2.114 mSv。对辐射剂量产生影响的参数众多，高加索人体参数体模有效剂量率的评估值与中国参考人模型的差异可达25.3%；航线高度变化时，有效剂量率将产生数倍的变化，14 km飞行高度的机组人员年有效剂量达到3.5 mSv以上；航线纬度对辐射有效剂量也有显著影响，航线纬度升高10°时，有效剂量率提升了24.6%。本研究开展的航空辐射剂量评估研究及其结果对我国航空机组人员的辐射剂量评估工作和辐射防护工作具有一定的指导和借鉴意义。