基于monecarlo方法的质子辐射剂量估算

基于monecarlo方法的质子辐射剂量估算

空间辐射剂量预测是指在科学家的提议和准备中对所需剂量的剂量水平进行提前评估，以预测或准备中受影响的轨迹的航空航天任务。由于载人航天的昂贵费用和空间辐射环境的多变,在执行载人航天任务之前,必须进行空间辐射危险度评估。评估的主要内容就是空间辐射将会在航天器内产生的剂量水平、剂量当量和人体器官的剂量。依据美国全国辐射防护委员会(NCRP)第142号报告建议,对航天员的剂量估算必须结合舱内舱外和航天服的辐射环境和辐射输运程序,以得到器官组织的辐射剂量估算值。不同的载人航天任务的空间辐射环境是不一样的。但主要是由不同能量的质子组成的。此外,在不同的任务中,航天器几何与结构也不相同,进行剂量估算时必须考虑这些因素。若把航天员从整个体系中独立出来,不管是何种空间辐射环境或者屏蔽,对于人体组织器官剂量估算而言,仅仅只是计算时输入源项的不同而已。本文把各种不同能量的质子的人体组织器官剂量提前计算出来,利用查找表的形式将计算结果存储起来。不同的任务采用不同的质子注量谱进行积分,就能够快速估算航天员空间辐射剂量。1该算法1.1空间辐射吸收剂量估计值的计算设能量为E0的单能质子质子从球面入射,在以人体几何中心为球心的球内通量均匀,每一个入射质子对人体某一个器官的吸收剂量平均贡献为DT(E0),若球面注量率为Φ,飞行总时间为t,那么质子空间辐射在此器官上的吸收剂量为D=ΦtDT(E0).D=ΦtDΤ(E0).在空间混合辐射场中,设通过空间辐射场模型(如AP8等)计算得到球面总注量率为Φ,空间质子微分能谱为f(E),则此次飞行空间质子剂量的估计值为D=Φt∫f(E)DT(E)dE.D=Φt∫f(E)DΤ(E)dE.把微分注量谱用N个离散点来近似表示,那么上式可以变为D=Φt∑i=1Nf(Ei)DTi(Ei)ΔEi.D=Φt∑i=1Νf(Ei)DΤi(Ei)ΔEi.建立一个人体计算模型,首先计算单能质子球内通量均匀入射情况下每个人体组织器官的吸收剂量,制成查找表,然后利用空间能谱信息和上述离散公式,得到空间辐射吸收剂量估计值。再利用国际放射防护委员会第60号报告提供的辐射权重因子,就可以得到该组织器官的当量剂量估计值。1.2扫描图像的小体积元模型为了计算各种组织器官在质子辐射场下的剂量,需要构建人体模型,通过MRI全身扫描图像构造了一个小体积元的人体模型。供扫描的志愿者的身高约170cm,体重将近68kg。扫描的时候是头部每隔2mm扫描一层,其余每隔4mm扫描一层。共扫描了480层。利用这套全身MRI图像,供计算的人体模型的建立步骤为:1官的轮廓线在每个原始MRI图像上首先分割各个器官的轮廓线,然后再识别器官。由于着重于关注辐射敏感器官,识别出包括骨、红骨髓和睾丸在内的23种人体组织器官。2网格属性的确定用259×180的网格对每一层图像进行划分,利用器官识别的结果确定每一个网格的器官属性。最后得到一个4mm×4mm×4mm小体积元组成的人体数据集,这个数据集的数据包括了每一个小体积元的中心点坐标和器官属性。3几何点的组成在MonteCarlo计算中,除了需要器官的几何属性之外,还必须知道该点处的密度和成分组成。利用文可以得到每个器官的密度和元素的质量组成。4小体积元阵列转换由于小体积元的数目非常大,如果直接在程序中引用所有的数据,将会占据非常大的内存空间。用查找表技术压缩数据。首先给每个器官分配一个整数,比如用1代表皮肤,2代表骨头等。这样每层就转为一个由整数构成的二维阵列。由于每一层阵列维数相同,把每一层小体积元中心点坐标(x,y)相同的单元编上同样的编号。再把这一层中同一器官连续编号的小体积元用起始编号和结束编号的区间来表示。如此就把代表此层的二维小体积元阵列变为一个查找表。最后利用z坐标作为这个查找表的索引。整个人体就转变为一个大的查找表。通过使用查找表技术,能够大幅度压缩数据的存储空间。但由于每次需要到查找表中寻找当前小体积元的位置和器官属性,在压缩数据的同时会大幅度提高计算时间。1.3面向对象的c++语言编码为了得到质子在器官中的吸收剂量,可以通过MonteCarlo方法来计算。GEANT4Toolkits是由面向对象的C++语言编写,用户既可以直接修改源代码,又可以直接使用其提供的强大的支持,具有非常大的自由度和可扩展性。以GEANT4Toolkits为基础,编写了一套估算空间辐射剂量的程序。这个程序既能够模拟初级质子在人体内的能量损失过程,包括电离激发和与人体组织发生核反应产生次级粒子沉积能量,也可以跟踪质子核反应的次级粒子在人体内的输运过程。2估算吸收剂的数量库和例子2.1质量分布的变化利用人体模型和输运程序,每隔5MeV为一个计算点,计算了从10MeV到500MeV的单能质子入射下各个器官的吸收剂量值。图1给出11种辐射敏感器官的质子能量-吸收剂量曲线图。从图1可以看到,对于各种器官而言,变化趋势是相同的,都是先随着质子能量的升高,吸收剂量增大,在某一个能量点达到最大值,然后吸收剂量开始下降,最后趋于平缓。这种变化趋势可以用人体几何的有限性和质子Bragg效应来解释。质子的Bragg峰在人体里,随着质子能量升高,吸收剂量增加;Bragg峰移出人体,吸收剂量随着质子能量增加而减少。Bragg峰完全移出体外,曲线趋势平缓。图1中的甲状腺和红骨髓的能量-剂量曲线变化幅度比较大。这是因为甲状腺体积小,红骨髓分布广,导致计算的误差偏大,需要在后续的工作中做进一步的改进。2.2皮肤消耗量的计算图2显示的是1972年8月特大太阳质子事件质子的积分和微分通量谱。这个轨道是圆轨道,倾角为90°,高度为1000km。整个积分通量谱以及微分通量谱如图2所示。依据本文算法,可以推导得到在此轨道环境下,此次特大质子事件情况下造成的皮肤当量剂量为9256cSv。按照文,在只有航天服屏蔽下此次特大太阳质子事件的皮肤当量剂量为9350cSv。这和本文估算结果是一致的。3arlo输运程序利用MRI断层扫描图像构建人体三维计算模型,再利用GEANT4开发编写质子的MonteC