格尔木至拉萨快车2017年宇宙辐射受照剂量的数值仿真

张 旭，冯英进

地球上的所有生物都要遭受到宇宙辐射。许多研究显示，较强的宇宙辐射对人的健康有影响。根据美国科学家的研究统计发现，过去的30年，婴儿死亡率与太阳活动强弱有关，因为太阳活动较弱时产生的太阳风磁场也较弱，太阳风磁场对宇宙辐射有屏蔽的作用，较弱的太阳风磁场对宇宙辐射的屏蔽作用就减小，所以胎儿就会因为地球大气层内较强的宇宙辐射而受到较大的影响[1]。地球大气层内各个地区所受到的宇宙辐射强度不同，主要与各个地点的经度、纬度和海拔，测试日期等参数有关。在影响辐射强度的几个因素中，海拔高度对辐射强度影响最大。我国是地球上高原比较集中的国家，青藏铁路是目前地球上海拔最高的铁路线，沿青藏铁路测量辐射强度和辐射剂量的有关实验和文献都很少，2010年台湾清华大学在列车上沿台湾北部铁路进行过包括宇宙辐射的辐射成分的测试，未发现异常[2]。

1 目的

用计算机数值仿真方法计算从格尔木至拉萨乘火车单程受到的宇宙辐射剂量。

在高原地区，获得个人宇宙辐射剂量数据的途经主要有两个，即仪器测试和计算机仿真。用仪器测量的方法进行高原地区宇宙辐射测量存在实际困难，因为地球大气层内的宇宙辐射场与核工业及其他地面上的辐射场不同，也区别于外层空间宇宙辐射场。地球大气层内宇宙辐射组成成分比较复杂，粒子的能量分布很宽，各成分对人的生理作用不同，对人体健康影响也不同[2]，而且用仪器测量存在很大的管理难度，用计算机仿真能比较方便的得到结果。

2 方法

国际上运用数值仿真来进行宇宙辐射估算的系统有很多，这些系统的基本原理是：以Monte Carlo方法编制的FLUKA程序运行的结果和实测结合的数据为其基础数据库，可以计算大气层中一定海拔以内任一位置的平均辐射剂量率。

2.1 辐射场数值仿真方法简介

国际、国内采用的辐射场数值仿真计算程序都是以Monte Carlo方法为基础。Monte Carlo方法又称为计算机随机模拟方法或统计模拟方法，是一种以概率统计理论为指导的非常重要的数值计算方法。它的基本思想是：当所要求解的问题是某种事件出现的概率或者是某个随机变量的期望时，可以通过某种实验的方法得到该事件出现的概率，或者这个随机变量的平均值，并用它们作为问题的解。应用Monte Carlo方法解决实际问题时，并不是像通常的数理统计方法那样通过真实的实验来完成的，而是抓住事物运动过程的数量和几何特征，利用数学方法加以模拟，即进行一种数字模拟实验，模拟次数越多，其模拟结果就越接近于真实值。对于特定的数学或物理问题，若要得到较为准确的模拟结果，往往需要数十万、数百万次甚至更多的模拟实验，次数越多，结果越接近真实值。以这些模拟的数据来建立数据库，开发数值仿真程序，就可以利用这个程序来进行仿真计算。

图1 计算机系统计算宇宙辐射剂量和剂量率的流程

2.2 CARD估算系统

CARD是由中国民航总局开发并验证的估算系统，该系统是采用计算机程序估算飞行机组人员的辐射剂量的一种计算方法[3]。该系统可以计算飞行过程中乘机人员受到的宇宙辐射（galactic cosmic radiation，GCR）有效剂量（单位：μSV），计算的时间期限为1958年1月到目前。还可以计算大气层中从海平面至25 000m高空任何一点的宇宙辐射剂量率（单位：μSV/h）。目前，在国外已经投入使用的宇宙辐射剂量估算系统有美国联邦航空署的CARI，欧盟的EPCARD，法国的SIEVERT，加拿大空军的PCAIRE和欧盟的的FREE，后两个系统提供给专业人员使用。国外的有关机构和组织还在继续进行这方面的科学技术研究与开发工作。

2.3 计算过程

通过计算机图形学和图像学的插值方法计算出该指定位置在给定日期的宇宙辐射剂量率。根据输入的铁路沿线的数据计算出列车行进过程中乘务人员受到的宇宙辐射有效剂量。

青藏高原的海拔一般在3 000到5 000m，要估算在这些地带列车工作人员的辐射剂量率，在计算大气层中从海平面至25 000m高空任何一点的宇宙辐射剂量率时，需要输入的数据为：1）日期；2）经度；3）纬度；4）海拔（千米）。计算结果的单位为：μSV/h。

本文即是利用CARD系统计算乘青藏铁路快车从格尔木至拉萨过程中各站点的宇宙辐射剂量率，再乘以列车的运行时间从而得出列车乘务人员单程所受的辐射剂量。本次计算以列车Z165的运行时间和路线为参照。计算时需要输入各站点的日期、经度、纬度和海拔，从格尔木至拉萨共1 130km，列车一共停靠4个车站，由于沿线各站点的海拔和经、纬度都有差别，为了使计算数据更加可靠和准确，在4个站点之前又增加了22个测量站点共26个测量点，选取测量站点的原则是海拔相差比较大的地方选取的测量点相对密集，海拔相差小的地方选取的测量点相对少一些，因为海拔的高低对大气层中宇宙辐射剂量率影响是最主要的因素[4]。测量点选的越多测量值越准确，所以列车乘务人员单程所受到的宇宙辐射有效剂量可以用以下公式来计算：

式中，E为从站点a至站点b列车运行过程中乘务人员所受到的有效剂量；t为列车在两站点之间的运行时间；f（x）为列车运行过程中某一位置任意时刻的剂量率，f和各站点的日期、经度、纬度和海拔等成函数关系，但f没有解析表达式，实际的计算用（2）式代替式（1）：

式中，i=1∙∙∙n，将列车运行线路分成26段，每段运行时间为Δt，fi为t时刻的剂量率。

3 结果

利用CARD系统，根据列车运行各区段的纬度、经度、海拔、时间等信息来计算得到的各区间的辐射有效剂量，求和就可以得到列车单次运行所受到的平均辐射剂量，再乘以一年中列车运行次数就可以得到列车一年所受到的平均辐射剂量。

根据2017年年均辐射有效剂量率计算，得出列车从格尔木至拉萨单边运行中乘务人员受到的宇宙辐射有效剂量为4.172μSV；列车按每天一班算（考虑到列车乘务人员的休假，实际工作天数要小），得出乘务人员一年中所受辐射的有效剂量为1.52mSV。ICRP和我国的标准规定，飞行人员年平均有效剂量不能高于20mSV，且5年中任何一年都不能高于50mSV[4]，从结果看远远小于对飞行员年辐射量的规定。不过，有关文献在讨论对飞行人员的辐射防护的问题时建议对于受辐射年均剂量高于1mSV的飞行人员必须采取相应的监测措施。一般而言，飞行人员受到的宇宙辐射对其健康有影响，但没有辐射事故的风险。目前，我国还没有对高原地带的列车乘务人员的宇宙辐射剂量有过相关的规定，不过我认为可以参考对飞行人员的宇宙辐射防护，也对列车乘务人员的辐射剂量做出界定，并对辐射剂量超过一定界限的列车员采取相应的监测和防护措施。

4 讨论和结论

最近几十年学术界主要关注受到高空宇宙辐射的飞行人员，对这个人群受到的宇宙辐射的大小及其对健康的影响研究较多。调查和研究表明，高海拔区域的宇宙辐射确实对飞行人员的健康有损害作用[5]。这种损害不是短期就能显现出来的，需要长期观察，德国科学家曾对26 774名飞行人员进行的调查研究在1997年分析时未发现异常情况，但继续观察6年后，2003年的统计分析表明，在该人群中，工龄长，受到宇宙辐射累积剂量多的人员，由于癌症的死亡率比累积剂量少的人员高[6]，所以建议我国应该对高海拔地区工作的列车工作人员也进行一系列的辐射监测和防护。

结论：估算结果，2017年列车工作人员受到的宇宙辐射平均剂量为1.52mSV，在国际、国标规定限值之内[7]。