格爾木至拉薩快車2017年宇宙輻射受照劑量的數(shù)值仿真

張 旭，馮英進(jìn)

地球上的所有生物都要遭受到宇宙輻射。許多研究顯示，較強(qiáng)的宇宙輻射對(duì)人的健康有影響。根據(jù)美國(guó)科學(xué)家的研究統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，過(guò)去的30年，嬰兒死亡率與太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)弱有關(guān)，因?yàn)樘?yáng)活動(dòng)較弱時(shí)產(chǎn)生的太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)也較弱，太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)對(duì)宇宙輻射有屏蔽的作用，較弱的太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)對(duì)宇宙輻射的屏蔽作用就減小，所以胎兒就會(huì)因?yàn)榈厍虼髿鈱觾?nèi)較強(qiáng)的宇宙輻射而受到較大的影響[1]。地球大氣層內(nèi)各個(gè)地區(qū)所受到的宇宙輻射強(qiáng)度不同，主要與各個(gè)地點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和海拔，測(cè)試日期等參數(shù)有關(guān)。在影響輻射強(qiáng)度的幾個(gè)因素中，海拔高度對(duì)輻射強(qiáng)度影響最大。我國(guó)是地球上高原比較集中的國(guó)家，青藏鐵路是目前地球上海拔最高的鐵路線，沿青藏鐵路測(cè)量輻射強(qiáng)度和輻射劑量的有關(guān)實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)都很少，2010年臺(tái)灣清華大學(xué)在列車上沿臺(tái)灣北部鐵路進(jìn)行過(guò)包括宇宙輻射的輻射成分的測(cè)試，未發(fā)現(xiàn)異常[2]。

1 目的

用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真方法計(jì)算從格爾木至拉薩乘火車單程受到的宇宙輻射劑量。

在高原地區(qū)，獲得個(gè)人宇宙輻射劑量數(shù)據(jù)的途經(jīng)主要有兩個(gè)，即儀器測(cè)試和計(jì)算機(jī)仿真。用儀器測(cè)量的方法進(jìn)行高原地區(qū)宇宙輻射測(cè)量存在實(shí)際困難，因?yàn)榈厍虼髿鈱觾?nèi)的宇宙輻射場(chǎng)與核工業(yè)及其他地面上的輻射場(chǎng)不同，也區(qū)別于外層空間宇宙輻射場(chǎng)。地球大氣層內(nèi)宇宙輻射組成成分比較復(fù)雜，粒子的能量分布很寬，各成分對(duì)人的生理作用不同，對(duì)人體健康影響也不同[2]，而且用儀器測(cè)量存在很大的管理難度，用計(jì)算機(jī)仿真能比較方便的得到結(jié)果。

2 方法

國(guó)際上運(yùn)用數(shù)值仿真來(lái)進(jìn)行宇宙輻射估算的系統(tǒng)有很多，這些系統(tǒng)的基本原理是：以Monte Carlo方法編制的FLUKA程序運(yùn)行的結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)合的數(shù)據(jù)為其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以計(jì)算大氣層中一定海拔以內(nèi)任一位置的平均輻射劑量率。

2.1 輻射場(chǎng)數(shù)值仿真方法簡(jiǎn)介

國(guó)際、國(guó)內(nèi)采用的輻射場(chǎng)數(shù)值仿真計(jì)算程序都是以Monte Carlo方法為基礎(chǔ)。Monte Carlo方法又稱為計(jì)算機(jī)隨機(jī)模擬方法或統(tǒng)計(jì)模擬方法，是一種以概率統(tǒng)計(jì)理論為指導(dǎo)的非常重要的數(shù)值計(jì)算方法。它的基本思想是：當(dāng)所要求解的問(wèn)題是某種事件出現(xiàn)的概率或者是某個(gè)隨機(jī)變量的期望時(shí)，可以通過(guò)某種實(shí)驗(yàn)的方法得到該事件出現(xiàn)的概率，或者這個(gè)隨機(jī)變量的平均值，并用它們作為問(wèn)題的解。應(yīng)用Monte Carlo方法解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，并不是像通常的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法那樣通過(guò)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)來(lái)完成的，而是抓住事物運(yùn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)量和幾何特征，利用數(shù)學(xué)方法加以模擬，即進(jìn)行一種數(shù)字模擬實(shí)驗(yàn)，模擬次數(shù)越多，其模擬結(jié)果就越接近于真實(shí)值。對(duì)于特定的數(shù)學(xué)或物理問(wèn)題，若要得到較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，往往需要數(shù)十萬(wàn)、數(shù)百萬(wàn)次甚至更多的模擬實(shí)驗(yàn)，次數(shù)越多，結(jié)果越接近真實(shí)值。以這些模擬的數(shù)據(jù)來(lái)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)數(shù)值仿真程序，就可以利用這個(gè)程序來(lái)進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算宇宙輻射劑量和劑量率的流程

2.2 CARD估算系統(tǒng)

CARD是由中國(guó)民航總局開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證的估算系統(tǒng)，該系統(tǒng)是采用計(jì)算機(jī)程序估算飛行機(jī)組人員的輻射劑量的一種計(jì)算方法[3]。該系統(tǒng)可以計(jì)算飛行過(guò)程中乘機(jī)人員受到的宇宙輻射（galactic cosmic radiation，GCR）有效劑量（單位：μSV），計(jì)算的時(shí)間期限為1958年1月到目前。還可以計(jì)算大氣層中從海平面至25 000m高空任何一點(diǎn)的宇宙輻射劑量率（單位：μSV/h）。目前，在國(guó)外已經(jīng)投入使用的宇宙輻射劑量估算系統(tǒng)有美國(guó)聯(lián)邦航空署的CARI，歐盟的EPCARD，法國(guó)的SIEVERT，加拿大空軍的PCAIRE和歐盟的的FREE，后兩個(gè)系統(tǒng)提供給專業(yè)人員使用。國(guó)外的有關(guān)機(jī)構(gòu)和組織還在繼續(xù)進(jìn)行這方面的科學(xué)技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)工作。

2.3 計(jì)算過(guò)程

通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像學(xué)的插值方法計(jì)算出該指定位置在給定日期的宇宙輻射劑量率。根據(jù)輸入的鐵路沿線的數(shù)據(jù)計(jì)算出列車行進(jìn)過(guò)程中乘務(wù)人員受到的宇宙輻射有效劑量。

青藏高原的海拔一般在3 000到5 000m，要估算在這些地帶列車工作人員的輻射劑量率，在計(jì)算大氣層中從海平面至25 000m高空任何一點(diǎn)的宇宙輻射劑量率時(shí)，需要輸入的數(shù)據(jù)為：1）日期；2）經(jīng)度；3）緯度；4）海拔（千米）。計(jì)算結(jié)果的單位為：μSV/h。

本文即是利用CARD系統(tǒng)計(jì)算乘青藏鐵路快車從格爾木至拉薩過(guò)程中各站點(diǎn)的宇宙輻射劑量率，再乘以列車的運(yùn)行時(shí)間從而得出列車乘務(wù)人員單程所受的輻射劑量。本次計(jì)算以列車Z165的運(yùn)行時(shí)間和路線為參照。計(jì)算時(shí)需要輸入各站點(diǎn)的日期、經(jīng)度、緯度和海拔，從格爾木至拉薩共1 130km，列車一共停靠4個(gè)車站，由于沿線各站點(diǎn)的海拔和經(jīng)、緯度都有差別，為了使計(jì)算數(shù)據(jù)更加可靠和準(zhǔn)確，在4個(gè)站點(diǎn)之前又增加了22個(gè)測(cè)量站點(diǎn)共26個(gè)測(cè)量點(diǎn)，選取測(cè)量站點(diǎn)的原則是海拔相差比較大的地方選取的測(cè)量點(diǎn)相對(duì)密集，海拔相差小的地方選取的測(cè)量點(diǎn)相對(duì)少一些，因?yàn)楹０蔚母叩蛯?duì)大氣層中宇宙輻射劑量率影響是最主要的因素[4]。測(cè)量點(diǎn)選的越多測(cè)量值越準(zhǔn)確，所以列車乘務(wù)人員單程所受到的宇宙輻射有效劑量可以用以下公式來(lái)計(jì)算：

式中，E為從站點(diǎn)a至站點(diǎn)b列車運(yùn)行過(guò)程中乘務(wù)人員所受到的有效劑量；t為列車在兩站點(diǎn)之間的運(yùn)行時(shí)間；f（x）為列車運(yùn)行過(guò)程中某一位置任意時(shí)刻的劑量率，f和各站點(diǎn)的日期、經(jīng)度、緯度和海拔等成函數(shù)關(guān)系，但f沒(méi)有解析表達(dá)式，實(shí)際的計(jì)算用（2）式代替式（1）：

式中，i=1???n，將列車運(yùn)行線路分成26段，每段運(yùn)行時(shí)間為Δt，fi為t時(shí)刻的劑量率。

3 結(jié)果

利用CARD系統(tǒng)，根據(jù)列車運(yùn)行各區(qū)段的緯度、經(jīng)度、海拔、時(shí)間等信息來(lái)計(jì)算得到的各區(qū)間的輻射有效劑量，求和就可以得到列車單次運(yùn)行所受到的平均輻射劑量，再乘以一年中列車運(yùn)行次數(shù)就可以得到列車一年所受到的平均輻射劑量。

根據(jù)2017年年均輻射有效劑量率計(jì)算，得出列車從格爾木至拉薩單邊運(yùn)行中乘務(wù)人員受到的宇宙輻射有效劑量為4.172μSV；列車按每天一班算（考慮到列車乘務(wù)人員的休假，實(shí)際工作天數(shù)要小），得出乘務(wù)人員一年中所受輻射的有效劑量為1.52mSV。ICRP和我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，飛行人員年平均有效劑量不能高于20mSV，且5年中任何一年都不能高于50mSV[4]，從結(jié)果看遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)飛行員年輻射量的規(guī)定。不過(guò)，有關(guān)文獻(xiàn)在討論對(duì)飛行人員的輻射防護(hù)的問(wèn)題時(shí)建議對(duì)于受輻射年均劑量高于1mSV的飛行人員必須采取相應(yīng)的監(jiān)測(cè)措施。一般而言，飛行人員受到的宇宙輻射對(duì)其健康有影響，但沒(méi)有輻射事故的風(fēng)險(xiǎn)。目前，我國(guó)還沒(méi)有對(duì)高原地帶的列車乘務(wù)人員的宇宙輻射劑量有過(guò)相關(guān)的規(guī)定，不過(guò)我認(rèn)為可以參考對(duì)飛行人員的宇宙輻射防護(hù)，也對(duì)列車乘務(wù)人員的輻射劑量做出界定，并對(duì)輻射劑量超過(guò)一定界限的列車員采取相應(yīng)的監(jiān)測(cè)和防護(hù)措施。

4 討論和結(jié)論

最近幾十年學(xué)術(shù)界主要關(guān)注受到高空宇宙輻射的飛行人員，對(duì)這個(gè)人群受到的宇宙輻射的大小及其對(duì)健康的影響研究較多。調(diào)查和研究表明，高海拔區(qū)域的宇宙輻射確實(shí)對(duì)飛行人員的健康有損害作用[5]。這種損害不是短期就能顯現(xiàn)出來(lái)的，需要長(zhǎng)期觀察，德國(guó)科學(xué)家曾對(duì)26 774名飛行人員進(jìn)行的調(diào)查研究在1997年分析時(shí)未發(fā)現(xiàn)異常情況，但繼續(xù)觀察6年后，2003年的統(tǒng)計(jì)分析表明，在該人群中，工齡長(zhǎng)，受到宇宙輻射累積劑量多的人員，由于癌癥的死亡率比累積劑量少的人員高[6]，所以建議我國(guó)應(yīng)該對(duì)高海拔地區(qū)工作的列車工作人員也進(jìn)行一系列的輻射監(jiān)測(cè)和防護(hù)。

結(jié)論：估算結(jié)果，2017年列車工作人員受到的宇宙輻射平均劑量為1.52mSV，在國(guó)際、國(guó)標(biāo)規(guī)定限值之內(nèi)[7]。