基于monecarlo方法的質子輻射劑量估算

基于monecarlo方法的質子輻射劑量估算

空間輻射劑量預測是指在科學家的提議和準備中對所需劑量的劑量水平進行提前評估，以預測或準備中受影響的軌跡的航空航天任務。由于載人航天的昂貴費用和空間輻射環(huán)境的多變,在執(zhí)行載人航天任務之前,必須進行空間輻射危險度評估。評估的主要內容就是空間輻射將會在航天器內產生的劑量水平、劑量當量和人體器官的劑量。依據(jù)美國全國輻射防護委員會(NCRP)第142號報告建議,對航天員的劑量估算必須結合艙內艙外和航天服的輻射環(huán)境和輻射輸運程序,以得到器官組織的輻射劑量估算值。不同的載人航天任務的空間輻射環(huán)境是不一樣的。但主要是由不同能量的質子組成的。此外,在不同的任務中,航天器幾何與結構也不相同,進行劑量估算時必須考慮這些因素。若把航天員從整個體系中獨立出來,不管是何種空間輻射環(huán)境或者屏蔽,對于人體組織器官劑量估算而言,僅僅只是計算時輸入源項的不同而已。本文把各種不同能量的質子的人體組織器官劑量提前計算出來,利用查找表的形式將計算結果存儲起來。不同的任務采用不同的質子注量譜進行積分,就能夠快速估算航天員空間輻射劑量。1該算法1.1空間輻射吸收劑量估計值的計算設能量為E0的單能質子質子從球面入射,在以人體幾何中心為球心的球內通量均勻,每一個入射質子對人體某一個器官的吸收劑量平均貢獻為DT(E0),若球面注量率為Φ,飛行總時間為t,那么質子空間輻射在此器官上的吸收劑量為D=ΦtDT(E0).D=ΦtDΤ(E0).在空間混合輻射場中,設通過空間輻射場模型(如AP8等)計算得到球面總注量率為Φ,空間質子微分能譜為f(E),則此次飛行空間質子劑量的估計值為D=Φt∫f(E)DT(E)dE.D=Φt∫f(E)DΤ(E)dE.把微分注量譜用N個離散點來近似表示,那么上式可以變?yōu)镈=Φt∑i=1Nf(Ei)DTi(Ei)ΔEi.D=Φt∑i=1Νf(Ei)DΤi(Ei)ΔEi.建立一個人體計算模型,首先計算單能質子球內通量均勻入射情況下每個人體組織器官的吸收劑量,制成查找表,然后利用空間能譜信息和上述離散公式,得到空間輻射吸收劑量估計值。再利用國際放射防護委員會第60號報告提供的輻射權重因子,就可以得到該組織器官的當量劑量估計值。1.2掃描圖像的小體積元模型為了計算各種組織器官在質子輻射場下的劑量,需要構建人體模型,通過MRI全身掃描圖像構造了一個小體積元的人體模型。供掃描的志愿者的身高約170cm,體重將近68kg。掃描的時候是頭部每隔2mm掃描一層,其余每隔4mm掃描一層。共掃描了480層。利用這套全身MRI圖像,供計算的人體模型的建立步驟為:1官的輪廓線在每個原始MRI圖像上首先分割各個器官的輪廓線,然后再識別器官。由于著重于關注輻射敏感器官,識別出包括骨、紅骨髓和睪丸在內的23種人體組織器官。2網格屬性的確定用259×180的網格對每一層圖像進行劃分,利用器官識別的結果確定每一個網格的器官屬性。最后得到一個4mm×4mm×4mm小體積元組成的人體數(shù)據(jù)集,這個數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)包括了每一個小體積元的中心點坐標和器官屬性。3幾何點的組成在MonteCarlo計算中,除了需要器官的幾何屬性之外,還必須知道該點處的密度和成分組成。利用文可以得到每個器官的密度和元素的質量組成。4小體積元陣列轉換由于小體積元的數(shù)目非常大,如果直接在程序中引用所有的數(shù)據(jù),將會占據(jù)非常大的內存空間。用查找表技術壓縮數(shù)據(jù)。首先給每個器官分配一個整數(shù),比如用1代表皮膚,2代表骨頭等。這樣每層就轉為一個由整數(shù)構成的二維陣列。由于每一層陣列維數(shù)相同,把每一層小體積元中心點坐標(x,y)相同的單元編上同樣的編號。再把這一層中同一器官連續(xù)編號的小體積元用起始編號和結束編號的區(qū)間來表示。如此就把代表此層的二維小體積元陣列變?yōu)橐粋€查找表。最后利用z坐標作為這個查找表的索引。整個人體就轉變?yōu)橐粋€大的查找表。通過使用查找表技術,能夠大幅度壓縮數(shù)據(jù)的存儲空間。但由于每次需要到查找表中尋找當前小體積元的位置和器官屬性,在壓縮數(shù)據(jù)的同時會大幅度提高計算時間。1.3面向對象的c++語言編碼為了得到質子在器官中的吸收劑量,可以通過MonteCarlo方法來計算。GEANT4Toolkits是由面向對象的C++語言編寫,用戶既可以直接修改源代碼,又可以直接使用其提供的強大的支持,具有非常大的自由度和可擴展性。以GEANT4Toolkits為基礎,編寫了一套估算空間輻射劑量的程序。這個程序既能夠模擬初級質子在人體內的能量損失過程,包括電離激發(fā)和與人體組織發(fā)生核反應產生次級粒子沉積能量,也可以跟蹤質子核反應的次級粒子在人體內的輸運過程。2估算吸收劑的數(shù)量庫和例子2.1質量分布的變化利用人體模型和輸運程序,每隔5MeV為一個計算點,計算了從10MeV到500MeV的單能質子入射下各個器官的吸收劑量值。圖1給出11種輻射敏感器官的質子能量-吸收劑量曲線圖。從圖1可以看到,對于各種器官而言,變化趨勢是相同的,都是先隨著質子能量的升高,吸收劑量增大,在某一個能量點達到最大值,然后吸收劑量開始下降,最后趨于平緩。這種變化趨勢可以用人體幾何的有限性和質子Bragg效應來解釋。質子的Bragg峰在人體里,隨著質子能量升高,吸收劑量增加;Bragg峰移出人體,吸收劑量隨著質子能量增加而減少。Bragg峰完全移出體外,曲線趨勢平緩。圖1中的甲狀腺和紅骨髓的能量-劑量曲線變化幅度比較大。這是因為甲狀腺體積小,紅骨髓分布廣,導致計算的誤差偏大,需要在后續(xù)的工作中做進一步的改進。2.2皮膚消耗量的計算圖2顯示的是1972年8月特大太陽質子事件質子的積分和微分通量譜。這個軌道是圓軌道,傾角為90°,高度為1000km。整個積分通量譜以及微分通量譜如圖2所示。依據(jù)本文算法,可以推導得到在此軌道環(huán)境下,此次特大質子事件情況下造成的皮膚當量劑量為9256cSv。按照文,在只有航天服屏蔽下此次特大太陽質子事件的皮膚當量劑量為9350cSv。這和本文估算結果是一致的。3arlo輸運程序利用MRI斷層掃描圖像構建人體三維計算模型,再利用GEANT4開發(fā)編寫質子的MonteC