基于人体模型的中子通量—剂量转换系数模拟研究

摘要

随着核物理在生活中的应用越来越广泛，核工业尤其以核电站为主的产业发展迅猛，在发展的过程中，也经常会发生人体被照射的事故。尤其是被辐射粒子照射后具有的一些特性如:防护较困难、生物效应复杂等导致发生核事故后诊治复杂，所以对于核事故特别是临界事故，给人们提出了一系列复杂的剂量学问题。而在这些问题中，又以中子的防护和剂量问题为难点，因为中子具有防护困难，发生核事故后难以准确测量剂量等特点。对于辐射防护，最重要的两点为:(1)制定详细的防护措施，使公众或者工作人员在可能受到辐射时可以有参考依据而有效地降低被照射量减少伤害。(2)在发生核事故后，及时并且准确的确定被辐射人员的吸收剂量，从而确定相应的救治措施。对于第2点“确定被照人员的吸收剂量”，近些年来国内外的科研工作者们一直在进行着研究。从上世纪60年代逐渐发展出一种测量方法，其原理为:人体中元素23Na经中子照射后发生23Na(n，γ)2Na反应，产生能量为1.38MeV和2.76MeV的γ射线，通过测量这些射线的强度来确定中子的吸收剂量。虽然这种方法发展了很多年，并且有较大进展，但是由于人体本身的生理特性及不同能量的中子与人体中元素作用的复杂截面，目前仍然有很多难点难以解决。随着计算机能力及各种蒙特卡罗方法软件的发展，另外一种方法在上世纪70年代发展起来:使用计算机制作人体模型，并且使用相应的软件来模拟核辐射物理过程，通过计算机计算人体在不同辐射条件下的吸收剂量，从而为实际中的工作提供参考和对照。这种方法的特点是可以实现现实中比较困难或者无法实现的实验，并且结果精确。缺点是结果的精确与否取决于人体模型和算法的准确与否。本文的重点为对人体各器官的中子通量-剂量转换系数进行计算，该转换系数由ICRP提出，旨在发生核事故后通过测量中子的通量即可粗略估算人体各个器官的吸收剂量。
　　现在全世界绝大部分国家的辐射防护和剂量的计算是以核物理国际学术权威组织ICRP及ICRU的出版物和报告中的规定为基础的，ICRP和ICRU提供的外照射剂量防护守则及计算方式也是以计算机人体模型及蒙特卡罗软件方法为主的，这些参数已经被作为标准发布在各种数据库中，由于数组人体模型与真实人体尚有一定差距，且现在已经出现了一种比较先进的人体模型——体素人体模型，所以本文中主要研究方向为使用较为复杂和精密的体素人体模型进行计算，并且跟它们的报告和结果进行对比，提出相应的建议和意见。
　　本文主要获得如下成果:
　　1.首先理论基础基于ICRP报告中规定的中子通量-剂量转换系数的计算方法:使用理想的单能中子平板放射源对人体模型进行六中理想方式的照射，计算其各器官中子通量-剂量转换系数。实际模拟中使用蒙特卡罗软件MCNP及基于体素原理构建的人体模型“VIP MAN”进行模拟计算。
　　2.模拟计算出了“VIP MAN”人体模型中24个主要器官的中子通量-剂量转换系数。
　　3.将ICRP第74号报告中的“MIRD”的12个器官中子通量-剂量转换系数与使用“VIP MAN”计算出的结果进行对比，并且进行了详细的分析:对于大部分器官的计算结果与ICRP74号报告中数据拟合较好，对于某些器官存在差异，这些器官主要为内脏，如:肝脏、肺部、胃部、甲状腺等，这是因为体素人体模型与数字人体模型不同的构建原理所导致的。通过对比分析这些差异器官的数据，提出对于甲状腺，肺部，胃部，肝脏的中子通量-剂量转换系数在实用中，应该酌情减小报告书中的规定值以贴近真实情况。
　　本文主要创新点:
　　1.使用基于体素原理构建的体素人体模型进行研究，体素人体模型对于人体器官的描述优于前人研究中普遍使用的数字人体模型。
　　2.与ICRP74号报告中的数据进行了对比，对甲状腺，肺部，胃部，肝脏的中子通量-剂量转换系数提出了再使用中应该使用比ICRP报告中规定数值低的建议。
　　通过使用体素人体模型“VIP MAN”进行模拟，并且将结果与权威组织发布的数据进行对比后可以看出，大部分数据跟权威数据相吻合，而对于某些有较大差异的数据，文中均给出了合理的解释。通过分析结果，可以看到对于甲状腺，肺部，肝脏，胃部等器官，它们的中子通量-剂量转换系数在使用时可能需要进行一些修改。
　　本文的不足之处为:由于本文中使用的“VIP MAN”人体模型属于基于真实人体而制作出的模型，其人体数据的代表性需要被重新评估，并且在模拟计算中只使用了一款蒙特卡罗方法软件，所以得出数据只具有一定的代表性，希望在以后能使用其他软件进行进一步的模拟研究。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景

1．2 国内外中子剂量测量研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文研究内容与技术路线

1．4 总体思路和章节内容

第2章 中子及剂量防护学基础知识

2．1 中子的性质

2．2 中子与机体作用的主要方式

2．2．1 弹性碰撞

2．2．2 非弹性碰撞

2．2．3 辐射俘获

2．2．4 核裂变反应

2．2．5 带电离子发射

2．3 相关剂量学单位

2．4 不同能量中子与人体组织作用的特点

2．5 中子剂量计算相关概念

2．5．1 中子比势动能与比势动能率

2．5．2 粒子通量与比势动能

2．5．3 吸收剂量与比势动能

2．5．4 中子在人体内的能量传递

2．6 不同能量的单能中子对人体吸收剂量的影响

2．7 辐射防护相关计量单位

2．8 剂量转换系数

第3章 人体模型在蒙特卡罗方法软件中的实现

3．1 计算机人体模型建立过程

3．1．1 人体信息图像储存过程

3．1．2 “VIP MAN”人体模型简介

3．2 蒙特卡罗方法原理及MCNP软件介绍

3．3 体素人体模型在程序中的实现

3．4 程序中放射源能量及能量箱设置

3．5 模拟过程中剂量的计算剂量计算

3．5．1 本程序中剂量计算的实现

3．5．2 中子通量-剂量转换系数的换算

第4章 模拟结果分析

4．1 误差分析

4．2 计数率与剂量的关系

4．3 各器官中子通量-剂量转换系数计算

4．4 全身中子通量-剂量转换系数的计算

4．5 与其他蒙特卡罗软件模拟结果比较

4．6 与ICRP第74号报告结果对比

4．6．1 ICRP介绍

4．6．2 ICRP74号报告中人体模型介绍

4．6．3 模拟结果与ICRP74号报告的对比

4．6．4 有效吸收剂量对比

4．7 高能部分的比较

4．8 空间中不同介质对吸收剂量影响的对比

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录 “VIP MAN”的器官中子通量-剂量转换系数