CN110110456A - 一种核设施退役人体受照剂量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种核设施退役人体受照剂量评估方法，具体涉及一种基于点核积分方法，将核退役工作人员简化为程式化模型并动态的计算人体受照剂量的仿真方法。本发明包括：采用程式化模型构建虚拟人模型；将程式化模型的关键组织转换为一系列探测点；采用点核积分方法计算关键组织探测点的当量剂量；计算退役活动终止时虚拟人的有效剂量，实现退役过程工人受照剂量评估。本发明包括退役环境建模、程式化人体模型建模、人体受照剂量计算三个模块，实现了核设施退役过程中对穿着核辐射防护服工人的受照剂量的动态计算。

Description

一种核设施退役人体受照剂量评估方法

技术领域

本发明涉及一种核设施退役人体受照剂量评估方法，本发明属于核退役仿真领域。

背景技术

核设施退役活动处在动态变化的高放射性环境下。为了保证工人在退役活动中的安全，使其受照剂量满足辐射防护最优化原则，就必须在退役前分析和评估工人的受照剂量，并根据评估值对工人的退役工作进行规划。

目前，常规的人体受照剂量评估方法是通过建立虚拟人体模型，并采用蒙特卡洛方法对人体模型进行受照剂量计算。可计算人体模型分为三大类：程式化模型、体素模型和曲面模型。这些基于蒙特卡洛方法的人体受照剂量评估方法虽然能够精确的计算人体的受照剂量，但是计算速度慢，无法满足退役过程实时计算的要求。

综上所述，开发出一种实时、高效的可计算核退役工作人员在退役过程中受照剂量的仿真方法对核设施退役仿真具有重大的实际意义。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种实时、高效的可计算核退役工作人员在退役过程中受照剂量的核设施退役人体受照剂量评估方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种核设施退役人体受照剂量评估方法，包括以下步骤：

步骤1：根据确定的核设施参数构建虚拟退役环境模型；

步骤2：构建虚拟工作人员程式化探测点模型；

步骤3：构建核辐射防护服简化模型；

步骤4：计算获得步骤2中获得的探测点在步骤1中的虚拟退役环境中的世界坐标；

步骤5：采用点核积分方法计算人体关键组织探测点的空气比释动能率；

步骤6：计算人体的受照剂量。

本发明还包括：

1.步骤1中采用3dsMax软件根据确定的核设施参数构建虚拟退役环境模型。

2.步骤2所述的构建虚拟工作人员程式化探测点模型包括：中国男性人体程式化模型基于国际放射防护委员会第26号出版物推荐的测量器官，所述模型由头部器官、躯干器官、四肢器官和内脏器官组成；根据各器官的空间位置和尺寸信息，人体程式化模型采用球体、圆柱、圆台数学公式定义所述器官在人体模型中的位置坐标和尺寸；以人体双足中心点为人体坐标系的原点，将所述器官的程式化模型均匀的离散为一系列由位置坐标组成的探测点，得到程式化探测点模型。

3.步骤3所述核辐射防护服简化模型具体为：厚度为D的铅材料圆柱屏蔽，该屏蔽位于人体模型外部。

4.步骤4包括：首先获得探测点在人体坐标系中的坐标，然后获得人体模型在步骤1所述的虚拟退役环境模型中的世界坐标，根据以上两个坐标计算获得探测点在步骤1所述的虚拟退役环境模型中的世界坐标。

5.将程式化探测点模型置于γ辐射场中，根据射线追踪法，将放射源在所有区域和伽马射线能量上求和，获得探测点在世界坐标r_d处的总空气比释动能率，空气比释动能率K_a(r_d)满足：

其中n是点核的数量，m是辐射光谱能量的数量，a_i(E_j)是点核的活度，C(E_j)是剂量率转换因子，r_p是点核的世界位置坐标，B(E_j,t_i(E_j))是累积因子，t_i(E_j)是从点核到探测点的平均自由程，t_i(E_j)满足：

其中k是空间区域索引，h是区域的数量，μ_k是第k区域的线性衰减系数，d_k是射线在第k区域中的截面距离，E为能量，其中截面距离的获取方法为首先计算屏蔽和跟踪光线之间的交点，然后根据相邻的交点计算不同区域的截面；

其中，身体简化为材料为水的屏蔽。

6.步骤6具体为：

程式化探测点模型中任一器官T的平均空气比释动能率K_a,T为：

其中N为器官T的探测点总数目，辐射类型为R的器官T吸收剂量D_T,R为：

式中，表示空气比释动能—组织器官的吸收剂量转换系数，t为剂量评价时间；

当量剂量H_T满足：

式中，ω_R是辐射权重因子，对于伽马射线，ω_R＝1；

有效剂量D_eff满足：

式中，ω_T是器官T的权重因子，采用国际放射防护委员会第26号出版物提供的权重因子。

本发明有益效果：本发明基于点核积分方法，将核退役工作人员简化为程式化模型并动态的计算人体受照剂量的仿真方法。本发明实现了采用程式化虚拟人模型动态计算退役过程工人的受照剂量；本发明实现了对穿着核辐射防护服工人的受照剂量的动态计算。

附图说明

图1为核退役过程中使用的人体程式化模型；

图2为计算穿着屏蔽服与人体自屏蔽情况下的平均自由程；

图3为各防护量之间的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

本发明提出一种针对虚拟人程式化模型，采用点核积分方法计算人体模型关键器官探测点剂量当量率，并计算退役活动终止时虚拟人有效剂量的仿真方法。

本发明采用3dsMax建模软件、Ogre引擎与C++语言编程，主要功能为：采用程式化模型构建虚拟人模型，并将程式化模型的关键组织转换为一系列探测点，采用点核积分方法计算关键组织探测点的当量剂量，并计算退役活动终止时虚拟人的有效剂量。整个发明包括退役环境建模、程式化人体模型建模、人体受照剂量计算三个模块。

本发明采用以下技术方案：

1、用3dsMax软件根据确定的核设施参数构建虚拟退役环境模型，并将文件保存为3DS格式。

为了模拟退役环境，我们采用3dMax建模软件建立了退役环境的虚拟模型。该环境模型包括放射性设备、屏蔽体和非关键模型组成。程序采用建立输入文件的方式导入放射源和屏蔽的属性信息，并将放射源离散为点核。该虚拟模型最后使用Ogre引擎实现三维场景的可视化。

2、构建虚拟工作人员程式化探测点模型。

核设施退役工程实施的工作人员为成年男性。为了实时的计算工人的受照剂量，人体受照模型需要结构简单。本发明基于中国数字人体高分辨人体结构数据集，以人体双足中心点为人体坐标系的原点，建立了中国男性人体程式化模型。如图1所示，该程式化模型基于ICRP 26推荐的测量器官，由头部、躯干、四肢和内脏器官组成。根据各器官的空间位置和尺寸信息，人体程式化模型采用球体、圆柱、圆台等数学公式定义关键器官在人体模型中的位置坐标和尺寸。为了实时计算人体的受照剂量，这些关键器官的程式化模型会被均匀的离散为一系列由位置坐标组成的探测点。

3、构建核辐射防护服简化模型。

在核退役过程中，工作人员需要穿着核辐射防护服进行退役作业。辐射防护服采用屏蔽材料制成，可以有效的对辐射进行吸收。在退役作业时，工作人员一般穿着0.5mm铅当量的全密闭式核辐射防护服，该防护服为连身式，配套头罩、手套、靴子和呼吸防护具，具有与环境隔绝的功能。

在人体受照剂量计算过程中，本发明将整套防护服简化为半径为30cm，高度为180cm，厚度为0.05cm的铅材料圆柱屏蔽，该屏蔽位于人体模型外部，用来替代辐射防护服进行屏蔽计算。

4、获取场景模型和人体程式化模型的位置坐标；

读取场景模型的世界坐标和人体模型在场景中的世界坐标，并计算人体探测点的世界坐标。本发明并不直接获取人体探测点的世界坐标，而是获取探测点在人体坐标系中的相对坐标，再加上人体模型在场景中的世界坐标，通过这种方法间接的计算出探测点在虚拟场景中的世界坐标。

5、采用点核积分方法计算人体关键组织探测点的空气比释动能率。

将人体程式化探测点模型置于γ辐射场中，获取各个探测点的空气比释动能。基于射线追踪法，将放射源在所有区域和伽马射线能量上求和，获得人体探测点在世界位置坐标r_d处处的总空气比释动能率。空气比释动能率K_a(r_d)可以表示为以下公式。

其中n是点核的数量，m是辐射光谱能量的数量，a_i(E_j)是点核的活度，C(E_j)是剂量率转换因子，r_p是点核的世界位置坐标，B(E_j,t_i(E_j))是累积因子，t_i(E_j)是从点核到探测点的平均自由程，其计算公式如下。

其中k是空间区域索引，h是区域的数量，μ_k是第k区域的线性衰减系数，d_k是射线在第k区域中的截面距离，E为能量。

在计算人体内部探测点空气比释动能时，应考虑防护服和人体本身的屏蔽。由于成年男性体内水分含量为60％，因此身体简化材料为水的屏蔽。如图2所示，首先计算屏蔽和跟踪光线之间的交点，然后根据相邻的交点计算不同区域的截面，其中#1为空气，#2为屏蔽，#3为辐射防护服，#4为人体程式化模型，d₀₁、d₂₃为射线在空气区域中的截面距离，d₁₂为射线在屏蔽区域中的截面距离，d₃₄为人体区域中的截面距离，D为防护服的厚度，在此取0.05cm，μ₁、μ₂、μ₃、μ₄分别是所在区域线性衰减系数。

t(E)＝μ₁(E)(d₀₁+d₂₃)+μ₂(E)d₁₂+μ₃(E)×D+μ₄(E)d₃₄

6、计算人体的受照剂量。

根据国际辐射防护委员会在ICRP 74号出版物中建议的空气比释动能与组织器官吸收剂量转换方法，得出组织器官在该γ辐射场中的吸收剂量，由于辐射照射的类型是γ射线，辐射权重因子为1，即得出的吸收剂量就等于该组织器官的当量剂量，再转化为工作人员的有效剂量。

用于各防护量之间的关系如图3所示。根据虚拟人组织T的探测点数量，组织T的平均空气比释动能率K_a,T为

其中N为器官T的探测点总数目。辐射类型为R的器官T吸收剂量D_T,R为

式中，表示空气比释动能—组织器官的吸收剂量转换系数，t为剂量评价时间。由于不同类型和能量辐照粒子在人体中产生的生物效应不同，因此利用当量剂量H_T对这种效应进行表征。

式中，ω_R是辐射权重因子，对于伽马射线，ω_R＝1。有效剂量表示人体各组织器官处于辐射场中，辐射对人体的总危害。有效剂量D_eff是人体各组织器官的当量剂量与相应的组织权重因子乘积的总和，计算公式为

式中，ω_T是组织T的权重因子，本文采用ICRP 26提供的权重因子计算人体的有效剂量。

Claims (7)

1.一种核设施退役人体受照剂量评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据确定的核设施参数构建虚拟退役环境模型；

步骤2：构建虚拟工作人员程式化探测点模型；

步骤3：构建核辐射防护服简化模型；

步骤4：计算获得步骤2中获得的探测点在步骤1中的虚拟退役环境中的世界坐标；

步骤5：采用点核积分方法计算人体关键组织探测点的空气比释动能率；

步骤6：计算人体的受照剂量。

2.根据权利要求1所述的一种核设施退役人体受照剂量评估方法，其特征在于：步骤1中采用3dsMax软件根据确定的核设施参数构建虚拟退役环境模型。

3.根据权利要求1所述的一种核设施退役人体受照剂量评估方法，其特征在于：步骤2所述的构建虚拟工作人员程式化探测点模型包括：中国男性人体程式化模型基于国际放射防护委员会第26号出版物推荐的测量器官，所述模型由头部器官、躯干器官、四肢器官和内脏器官组成；根据各器官的空间位置和尺寸信息，人体程式化模型采用球体、圆柱、圆台数学公式定义所述器官在人体模型中的位置坐标和尺寸；以人体双足中心点为人体坐标系的原点，将所述器官的程式化模型均匀的离散为一系列由位置坐标组成的探测点，得到程式化探测点模型。

4.根据权利要求1所述的一种核设施退役人体受照剂量评估方法，其特征在于：步骤3所述核辐射防护服简化模型具体为：厚度为D的铅材料圆柱屏蔽，该屏蔽位于人体模型外部。

5.根据权利要求1所述的一种核设施退役人体受照剂量评估方法，其特征在于：步骤4包括：首先获得探测点在人体坐标系中的坐标，然后获得人体模型在步骤1所述的虚拟退役环境模型中的世界坐标，根据以上两个坐标计算获得探测点在步骤1所述的虚拟退役环境模型中的世界坐标。

6.根据权利要求1所述的一种核设施退役人体受照剂量评估方法，其特征在于：步骤5具体为：将程式化探测点模型置于γ辐射场中，根据射线追踪法，将放射源在所有区域和伽马射线能量上求和，获得探测点在世界坐标r_d处的总空气比释动能率，空气比释动能率K_a(r_d)满足：

其中n是点核的数量，m是辐射光谱能量的数量，a_i(E_j)是点核的活度，C(E_j)是剂量率转换因子，r_p是点核的世界位置坐标，B(E_j,t_i(E_j))是累积因子，t_i(E_j)是从点核到探测点的平均自由程，t_i(E_j)满足：

其中k是空间区域索引，h是区域的数量，μ_k是第k区域的线性衰减系数，d_k是射线在第k区域中的截面距离，E为能量，其中截面距离的获取方法为首先计算屏蔽和跟踪光线之间的交点，然后根据相邻的交点计算不同区域的截面；

其中，身体简化为材料为水的屏蔽。

7.根据权利要求1所述的一种核设施退役人体受照剂量评估方法，其特征在于：步骤6具体为：

程式化探测点模型中任一器官T的平均空气比释动能率K_a,T为：

其中N为器官T的探测点总数目，辐射类型为R的器官T吸收剂量D_T,R为：

式中，表示空气比释动能—组织器官的吸收剂量转换系数，t为剂量评价时间；

当量剂量H_T满足：

式中，ω_R是辐射权重因子，对于伽马射线，ω_R＝1；

有效剂量D_eff满足：

式中，ω_T是器官T的权重因子，采用国际放射防护委员会第26号出版物提供的权重因子。