格爾木至拉薩快車2017年宇宙輻射受照劑量的數值仿真

張 旭，馮英進

地球上的所有生物都要遭受到宇宙輻射。許多研究顯示，較強的宇宙輻射對人的健康有影響。根據美國科學家的研究統計發現，過去的30年，嬰兒死亡率與太陽活動強弱有關，因為太陽活動較弱時產生的太陽風磁場也較弱，太陽風磁場對宇宙輻射有屏蔽的作用，較弱的太陽風磁場對宇宙輻射的屏蔽作用就減小，所以胎兒就會因為地球大氣層內較強的宇宙輻射而受到較大的影響[1]。地球大氣層內各個地區所受到的宇宙輻射強度不同，主要與各個地點的經度、緯度和海拔，測試日期等參數有關。在影響輻射強度的幾個因素中，海拔高度對輻射強度影響最大。我國是地球上高原比較集中的國家，青藏鐵路是目前地球上海拔最高的鐵路線，沿青藏鐵路測量輻射強度和輻射劑量的有關實驗和文獻都很少，2010年臺灣清華大學在列車上沿臺灣北部鐵路進行過包括宇宙輻射的輻射成分的測試，未發現異常[2]。

1 目的

用計算機數值仿真方法計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，獲得個人宇宙輻射劑量數據的途經主要有兩個，即儀器測試和計算機仿真。用儀器測量的方法進行高原地區宇宙輻射測量存在實際困難，因為地球大氣層內的宇宙輻射場與核工業及其他地面上的輻射場不同，也區別于外層空間宇宙輻射場。地球大氣層內宇宙輻射組成成分比較復雜，粒子的能量分布很寬，各成分對人的生理作用不同，對人體健康影響也不同[2]，而且用儀器測量存在很大的管理難度，用計算機仿真能比較方便的得到結果。

2 方法

國際上運用數值仿真來進行宇宙輻射估算的系統有很多，這些系統的基本原理是：以Monte Carlo方法編制的FLUKA程序運行的結果和實測結合的數據為其基礎數據庫，可以計算大氣層中一定海拔以內任一位置的平均輻射劑量率。

2.1 輻射場數值仿真方法簡介

國際、國內采用的輻射場數值仿真計算程序都是以Monte Carlo方法為基礎。Monte Carlo方法又稱為計算機隨機模擬方法或統計模擬方法，是一種以概率統計理論為指導的非常重要的數值計算方法。它的基本思想是：當所要求解的問題是某種事件出現的概率或者是某個隨機變量的期望時，可以通過某種實驗的方法得到該事件出現的概率，或者這個隨機變量的平均值，并用它們作為問題的解。應用Monte Carlo方法解決實際問題時，并不是像通常的數理統計方法那樣通過真實的實驗來完成的，而是抓住事物運動過程的數量和幾何特征，利用數學方法加以模擬，即進行一種數字模擬實驗，模擬次數越多，其模擬結果就越接近于真實值。對于特定的數學或物理問題，若要得到較為準確的模擬結果，往往需要數十萬、數百萬次甚至更多的模擬實驗，次數越多，結果越接近真實值。以這些模擬的數據來建立數據庫，開發數值仿真程序，就可以利用這個程序來進行仿真計算。

圖1 計算機系統計算宇宙輻射劑量和劑量率的流程

2.2 CARD估算系統

CARD是由中國民航總局開發并驗證的估算系統，該系統是采用計算機程序估算飛行機組人員的輻射劑量的一種計算方法[3]。該系統可以計算飛行過程中乘機人員受到的宇宙輻射（galactic cosmic radiation，GCR）有效劑量（單位：μSV），計算的時間期限為1958年1月到目前。還可以計算大氣層中從海平面至25 000m高空任何一點的宇宙輻射劑量率（單位：μSV/h）。目前，在國外已經投入使用的宇宙輻射劑量估算系統有美國聯邦航空署的CARI，歐盟的EPCARD，法國的SIEVERT，加拿大空軍的PCAIRE和歐盟的的FREE，后兩個系統提供給專業人員使用。國外的有關機構和組織還在繼續進行這方面的科學技術研究與開發工作。

2.3 計算過程

通過計算機圖形學和圖像學的插值方法計算出該指定位置在給定日期的宇宙輻射劑量率。根據輸入的鐵路沿線的數據計算出列車行進過程中乘務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，在計算大氣層中從海平面至25 000m高空任何一點的宇宙輻射劑量率時，需要輸入的數據為：1）日期；2）經度；3）緯度；4）海拔（千米）。計算結果的單位為：μSV/h。

本文即是利用CARD系統計算乘青藏鐵路快車從格爾木至拉薩過程中各站點的宇宙輻射劑量率，再乘以列車的運行時間從而得出列車乘務人員單程所受的輻射劑量。本次計算以列車Z165的運行時間和路線為參照。計算時需要輸入各站點的日期、經度、緯度和海拔，從格爾木至拉薩共1 130km，列車一共停靠4個車站，由于沿線各站點的海拔和經、緯度都有差別，為了使計算數據更加可靠和準確，在4個站點之前又增加了22個測量站點共26個測量點，選取測量站點的原則是海拔相差比較大的地方選取的測量點相對密集，海拔相差小的地方選取的測量點相對少一些，因為海拔的高低對大氣層中宇宙輻射劑量率影響是最主要的因素[4]。測量點選的越多測量值越準確，所以列車乘務人員單程所受到的宇宙輻射有效劑量可以用以下公式來計算：

式中，E為從站點a至站點b列車運行過程中乘務人員所受到的有效劑量；t為列車在兩站點之間的運行時間；f（x）為列車運行過程中某一位置任意時刻的劑量率，f和各站點的日期、經度、緯度和海拔等成函數關系，但f沒有解析表達式，實際的計算用（2）式代替式（1）：

式中，i=1???n，將列車運行線路分成26段，每段運行時間為Δt，fi為t時刻的劑量率。

3 結果

利用CARD系統，根據列車運行各區段的緯度、經度、海拔、時間等信息來計算得到的各區間的輻射有效劑量，求和就可以得到列車單次運行所受到的平均輻射劑量，再乘以一年中列車運行次數就可以得到列車一年所受到的平均輻射劑量。

根據2017年年均輻射有效劑量率計算，得出列車從格爾木至拉薩單邊運行中乘務人員受到的宇宙輻射有效劑量為4.172μSV；列車按每天一班算（考慮到列車乘務人員的休假，實際工作天數要小），得出乘務人員一年中所受輻射的有效劑量為1.52mSV。ICRP和我國的標準規定，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]，從結果看遠遠小于對飛行員年輻射量的規定。不過，有關文獻在討論對飛行人員的輻射防護的問題時建議對于受輻射年均劑量高于1mSV的飛行人員必須采取相應的監測措施。一般而言，飛行人員受到的宇宙輻射對其健康有影響，但沒有輻射事故的風險。目前，我國還沒有對高原地帶的列車乘務人員的宇宙輻射劑量有過相關的規定，不過我認為可以參考對飛行人員的宇宙輻射防護，也對列車乘務人員的輻射劑量做出界定，并對輻射劑量超過一定界限的列車員采取相應的監測和防護措施。

4 討論和結論

最近幾十年學術界主要關注受到高空宇宙輻射的飛行人員，對這個人群受到的宇宙輻射的大小及其對健康的影響研究較多。調查和研究表明，高海拔區域的宇宙輻射確實對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出來的，需要長期觀察，德國科學家曾對26 774名飛行人員進行的調查研究在1997年分析時未發現異常情況，但繼續觀察6年后，2003年的統計分析表明，在該人群中，工齡長，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]，所以建議我國應該對高海拔地區工作的列車工作人員也進行一系列的輻射監測和防護。

結論：估算結果，2017年列車工作人員受到的宇宙輻射平均劑量為1.52mSV，在國際、國標規定限值之內[7]。