CN107391898B

CN107391898B - 水生生物剂量转换因子的计算方法

Info

Publication number: CN107391898B
Application number: CN201610321346.0A
Authority: CN
Inventors: 王艾俊; 李建国; 马炳辉; 韩宝华; 王慧娟; 曹少飞; 李阳
Original assignee: China Institute for Radiation Protection
Current assignee: China Institute for Radiation Protection
Priority date: 2016-05-16
Filing date: 2016-05-16
Publication date: 2021-09-24
Anticipated expiration: 2036-05-16
Also published as: CN107391898A

Abstract

本发明涉及一种水生生物剂量转换因子的计算方法，包括如下步骤：根据对剂量转换因子分析，确定水生生物相关参数与剂量转换因子的关系；利用蒙特卡罗方法，计算相关参数在不同照射条件下的剂量转换因子值；对上述剂量转换因子值利用拟合公式进行数据拟合；对拟合公式进行误差分析；获得水生生物剂量转换因子。采用本发明的方法，无需考虑水生生物类型，只需考虑生物体尺寸、生物体密度、入射粒子能量以及照射途径，便能快速、准确的计算出剂量转换因子；该方法不需要依靠大量的数据库，简便易行。

Description

水生生物剂量转换因子的计算方法

技术领域

本发明属于辐射剂量计算领域，具体涉及一种水生生物剂量转换因子的计算方法。

背景技术

对于水生生物外(内)照射剂量率的计算，利用源粒子在生物体中所沉积的能量计算出外(内)照射剂量转换因子DCC((μGy·h^-1)/(Bq·kg^-1))，结合水生生物所处环境介质(生物体内)中的放射性核素浓度C(Bq·kg^-1)，即得出水生生物的外(内)照射剂量率D(μGy·h^-1)。就目前而言，国内外对于水生生物外(内)照射剂量转换因子DCC的计算，绝大部分来自于蒙特卡罗模拟或能量吸收分数经验公式计算所得，而放射性核素浓度C则取自于实测值。

如今，国际上对于生物剂量转换因子的计算一部分基于大量的MCNP计算结果插值而来，例如有欧共体的ERICA工具及美国能源部的RESRAD-BIOTA程序；一部分采用能量吸收分数的半经验公式而来，例如有英格兰和威尔士环境当局的R&D 128模型及IAEA的SUJB方法。我国对非人类物种辐射评估的研究还处于起步阶段，目前主要借鉴欧共体的ERICA工具以及美国能源部的RESRAD-BIOTA程序，而国际上大部分非人类物种辐射剂量评估软件所计算的剂量转换因子DCC值均不一致，其中相差最大的可达6-7倍。我国作为一个核大国，在核设施环境管理中，要求对放射性流出物所致的生态环境影响进行评估，但目前尚未建立有效的评价方法和导则。本方法的建立，对快速准确的评估放射性流出物对水生生物的辐射影响，保护生态环境，为核环境影响评价提供依据，具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种水生生物剂量转换因子的计算方法，能够快速准确的计算放射性流出物对水生生物的影响，便于生态环境的保护。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种水生生物剂量转换因子的计算方法，包括如下步骤：

1)根据对剂量转换因子分析，确定水生生物相关参数与剂量转换因子的关系，所述相关参数包括生物体体积、生物体密度以及粒子入射能量；

2)利用蒙特卡罗方法，计算水生生物相关参数在不同照射条件下的剂量转换因子值；

3)对步骤2)中获得的剂量转换因子值利用拟合公式进行数据拟合，拟合度达到99％以上；

4)对拟合公式进行误差分析；

5)获得水生生物剂量转换因子。

进一步，在步骤1)中，所述剂量转换因子分析，是根据剂量转换因子的计算公式

得出剂量转换因子DCC_k与沉积能量E_k、介质质量与生物体质量比M/m有关。

进一步，所述沉积能量E_k，从能量衰减公式

中，得出沉积能量E_k与入射粒子能量E成正比关系；其中：E₀是入射粒子初始能量；u是入射粒子在介质中的线衰减系数；d是入射粒子在介质中穿行的距离，ρ是介质密度，e是自然指数。

进一步，在步骤2)中，四种照射条件包括γ外照射、γ内照射、β外照射、β内照射。

进一步，在步骤3)中，所述数据拟合的具体方法为：首先，对生物体体积V、生物体密度ρ与剂量转换因子DCC进行多项式拟合，拟合度达到99％以上；其次，再单独对入射粒子能量E进行多项式拟合，拟合度达到99％以上。

进一步，在步骤4)中，所述误差分析是：将拟合公式计算值分别与蒙特卡罗方法计算值、简化解剖学模型计算值以及欧共体ERICA计算值进行比对。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明建立了一套新型的剂量转换因子计算模式，不用考虑水生生物的生物类型，只需考虑生物体尺寸(即体积)、生物体密度、入射粒子能量以及照射途径，就能快速、准确的计算剂量转换因子，该方法及利用该方法获得的模块能填补我国核设施非人类物种辐射剂量评价的空白领域。

(2)本发明提供的方法不需要依靠大量的数据库，简便易行。

附图说明

图1是本发明水生生物剂量转换因子计算方法的流程图；

图2是本发明水生生物剂量转换因子及剂量率计算界面。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

如图1所示，是本发明水生生物剂量转换因子的计算方法，包括如下步骤：

1)根据对剂量转换因子DCC的分析，确定不同参数与剂量转换因子DCC关系。其中，剂量转换因子DCC的分析方法如下：根据剂量转换因子计算公式，得出剂量转换因子DCC_k只与沉积能量E_k、介质与生物体质量比M/m有关。对于沉积能量E_k，从能量衰减公式

中，得出沉积能量E_k与入射粒子能量E成正比，并且与入射粒子在介质中穿行的距离d，cm、介质密度ρ，g/cm³成反比；对于质量比M/m，可转变成密度体积比(PV)/(ρv)，进而质量比M/m与距离d、密度ρ成反比。上述不同参数包括生物体体积V、生物体密度ρ、入射粒子能量E₀，u是入射粒子在介质中的线衰减系数，cm^-1，e是自然指数。

2)利用蒙特卡罗模块，模拟计算不同参数在四种照射条件下的剂量转换因子DCC值。其中：四种照射条件包括γ外照射、γ内照射、β外照射、β内照射。

3)将上述步骤2)中获得的剂量转换因子DCC值进行公式拟合，为了有效的减少误差传递，拟合的所有公式均保证其拟合度R在99％以上。其中，公式拟合中的具体方法如下：首先，对生物体体积V、生物体密度ρ与剂量转换因子DCC进行多项式拟合，精度要求：拟合度达到99％以上即可。其次，再单独对入射粒子能量E进行多项式拟合，精度要求：拟合度达到99％以上即可。

4)简化解剖学模型，计算相关参数在四种照射条件下的剂量转换因子值。简化解剖学模型包括带有相应器官(组织)的简化模型(鲤鱼、龙虾、河蚌、河蟹)以及能真实反映生物体组织和器官解剖学构造的体素模型(鲤鱼、河蟹)。

5)通过已知欧共体ERICA方法，计算相关参数在四种照射条件下的剂量转换因子值。

6)将拟合公式的计算值分别与蒙特卡罗计算值、简化解剖学模型计算值、欧共体工具计算值进行比较，进行误差分析。相关误差分析具体内容如下：与蒙特卡罗模拟计算值对比：(a)γ射线外照射剂量转换因子经验公式值与蒙特卡罗计算值的平均偏差保持在1.37％左右，精准度极高。(b)γ射线内照射剂量转换因子经验公式值与蒙特卡罗计算值的平均偏差保持在17.13％左右，但对于入射能量较高的γ射线(3MeV～5MeV)而言，其平均偏差保持在8.96％左右，具有较高的精准度。(c)β射线(入射能量为1.5MeV～5MeV)外照射剂量转换因子经验公式值与蒙特卡罗计算值的平均偏差保持在4.98％左右，精准度非常高。(d)β射线内照射剂量转换因子经验公式值与蒙特卡罗计算值的平均偏差保持在14.33％左右，但对于入射能量较低的β射线(0.1MeV～1.5MeV)而言，其平均偏差保持在5.67％左右，具有较高的精准度。与简化解剖学模型计算值对比：与简化模型平均偏差保持在23.72％左右，与体素模型平均偏差保持在24.30％左右。与欧共体非人类物种评价方法ERICA计算值对比，整体比ERICA计算值略小，平均偏差为22.5％左右。

如图2所示，是本发明利用上述方法获得水生生物剂量转换因子系统，该系统根据建立的四套经验公式，利用MATLAB模块编写出一套水生生物剂量转换因子及剂量率查询工具。⑴模块中的输入部分：长半轴、短半轴以及高分别为椭球体(用椭球体近似代替生物整体)的三个基本参数；密度为生物体内的平均密度；质量为生物体的总重量(若密度栏输入了数值，质量栏则不需要输入，反之同理)；特征核素包括了9种常见核设施排放物中主要裂变核素(后续版本继续增添核素)；输入水中活度浓度，是用于计算水生生物的外照射剂量率；输入生物体内活度浓度，是用于计算水生生物的内照射剂量率。⑵模块中的输出部分：γ射线外照射剂量转换因子DCC、γ射线内照射剂量转换因子DCC、β射线外照射剂量转换因子DCC、β射线内照射剂量转换因子DCC分别在输入完长半轴、短半轴、高、密度(或质量)，再选择完核素之后才会输出结果。外照射剂量率在上述四个结果出现后，再输入水中活度浓度才会输出结果。内照射剂量率在上述四个结果出现后，再输入生物体内活度浓度才会输出结果。

下面通过具体的实施例对本发明进行详细的描述。

本发明选取长轴、短轴、高的比例为18:4:5的椭球体来代替某生物体，按比例选取5种不同体积的椭球体，生物体密度从1g/cm³～5g/cm³选取五个点，入射粒子能量从0.1MeV～7MeV选取6个点，利用蒙特卡罗相关模块模拟上述不同条件下所沉积的能量，再结合相应的公式，得出剂量转换因子。在计算外照射剂量转换因子时，以长半轴18cm短半轴4cm高5cm的椭球体为例，取半径为90cm的球体水域(DCC达到稳定值，视为无限大水域)包裹椭球体，将淡水分为8个半径为20+10n cm(n＝0,1,…,7)的球壳层(第一层球壳为半径0-20cm的球体，第二层为20-30cm球壳，依此类推)，计算出每一球壳层的剂量转换因子DCC，再将其叠加即可得到外照射剂量转换因子。在计算内照射剂量转换因子时，可直接计算出生物体内的剂量转换因子。

将上述得到的2300多组数据首先对生物体体积V、生物体密度ρ进行多项式拟合，得到拟合公式DCC＝a·lnV²+b·lnV+c·lnρ+d·lonV·lnρ+e，其所有的多项式拟合公式的拟合度R²均在99％以上。

其次，对于上述多项式拟合公式里的相关拟合系数a、b、c、d、e，将其对入射粒子能量E进行多项式拟合(拟合度均在99.99％以上)，以拟合系数a为例，其拟合公式为，

其中，n为拟合多项次数，p为拟合常数，E为入射粒子能量。

由此，本发明较目前所广泛采用的方艾法(建立相应模型来计算外照射剂量转换因子)而言，能快速、准确的计算剂量转换因子，不需要像以往耗费大量的时间来进行模拟计算。较国外的剂量转换因子计算方法而言，本发明所建立的方法更独树一帜，即不需要依靠大量数据库，又在精准度和公式模式方面较其它经验公式有了很大的提升及改进。

显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种水生生物剂量转换因子的计算方法，包括如下步骤：

2)利用蒙特卡罗方法，计算水生生物相关参数在四种照射条件下的剂量转换因子值；

3)对步骤2)中获得的剂量转换因子值利用拟合公式进行数据拟合；

所述数据拟合的具体方法为：首先，对生物体体积V、生物体密度ρ与剂量转换因子DCC进行多项式拟合，拟合度达到99％以上；其次，再单独对入射粒子能量E进行多项式拟合，拟合度达到99％以上；

4)对拟合公式进行误差分析；

5)获得水生生物剂量转换因子。

2.如权利要求1所述的水生生物剂量转换因子的计算方法，其特征是：在步骤1)中，所述剂量转换因子分析，是根据剂量转换因子的计算公式

3.如权利要求2所述的水生生物剂量转换因子的计算方法，其特征是：所述沉积能量E_k，从能量衰减公式

4.如权利要求1所述的水生生物剂量转换因子的计算方法，其特征是：在步骤2)中，四种照射条件包括γ外照射、γ内照射、β外照射、β内照射。

5.如权利要求1所述的水生生物剂量转换因子的计算方法，其特征是：在步骤4)中，所述误差分析是将拟合公式计算值分别与已知的蒙特卡罗方法计算值、简化解剖学模型计算值以及欧共体ERICA计算值进行比对。