[科普中国]-辐射场

定义

辐射场，随着现代科技的高速发展，一种看不见、摸不着的污染源日益受到各界的关注，这就是被人们称为“隐形杀手”的电磁辐射。今天，越来越多的电子、电气设备的投入使用使得各种频率的不同能量的电磁波充斥着地球的每一个角落乃至更加广阔的宇宙空间。对于人体这一良导体，电磁波不可避免地会构成一定程度的危害。

电磁辐射源一般来说，雷达系统、电视和广播发射系统、射频感应及介质加热设备、射频及微波医疗设备、各种电加工设备、通信发射台站、卫星地球通信站、大型电力发电站、输变电设备、高压及超高压输电线、地铁列车及电气火车以及大多数家用电器等都是可以产生各种形式、不同频率、不同强度的电磁辐射源。

辐射场可视化平台辐射场可视化平台则融合了虚拟现实技术与辐射防护技术，该平台的开发旨在利用计算机模拟辐射场的复杂环境，进行虚拟的实验操作和数据的实时计算与显示，并最终在电脑终端给用户提供辐射场的显而易见的照射情况。辐射场可视化以其直观性、交互性、透明度高、可操作性强等特点，可以成为减少核电站工作人员照射剂量的有效手段之一。

辐射场可视化平台的研究目标是利用桌面式虚拟现实技术，借助于键盘、鼠标等输入设备，通过计算机屏幕观察360度内的核电站厂房内辐射场变化的虚拟景象，并根据维修过程中的实时情况（例如增加或撤走屏蔽物等）计算出核电站不同组件及管道的剂量率及照射情况，实现在工况变化的情况下指挥工作人员，完成一系列特定的工作任务。通俗地讲，这套系统将利用人机交互界面实时地反映厂房内辐射场的变化情况，并估算出工作人员所受的照射剂量，最后通过可视化界面为维修工作提供最佳的维修计划来减少工作人员的照射剂量，节约生产成本。

辐射场可视化平台不仅可以进行辐射防护最优化设计，起到降低工作人员在实际操作中接受的剂量的目的，而且可以用于工作人员实际操作前的培训以节省实验经费、提高培训效果。另外，辐射场可视化平台在工作人员对辐射防护有关法律法规的学习、辐射空间内进行剂量分布情况的计算、ALARA（as low as reasonably achievable）设计分析等很多方面也有广泛的应用空间和广阔的应用前景。

然而，如何实现工作人员在虚拟世界中受到的剂量与实际操作过程的同步计算(迅速准确地计算剂量率)是该平台实现的难点。常用于辐射剂量计算的方法有蒙特卡罗方法和点核积分方法。蒙特卡罗方法是在计算机上解决复杂几何条件下辐射屏蔽问题的成熟方法之一，但是该方法速度较慢，某些剂量计算运行一次往往需要花费数个小时乃至数天。另外一种方法是点核积分方法，与蒙特卡罗方法相比较，它不仅不受空间尺寸和屏蔽体厚度的限制，而且机时量小，具有比较高的计算效率。目前国际上通用的点核积分程序为QAD-CG程序。该程序以点核积分方法计算粒子在几何空间中的穿透行为，通过组合搭配形成实际需要的几何空间，使用射线跟踪方法来提高粒子在几何空间中穿行的光学距离的计算速度，能够分别计算出体源在空间各点处所造成的注量率、剂量率和释热率。因此，借助于点核积分程序进行辐射场可视化研究是可行的。1

研究现状虚拟现实技术在国外的辐射防护领域已经得到了广泛而深入的f讲究与应用，包括ALARA设计分析、工作人员培训、辐射场内剂量分布计算与显示等方面。

（1） ALARA设计分析

美国国家航空与宇宙航行局开发了一套虚拟现实系统，用于太空舱内的辐射防护最优化设计。该系统通过改变太空舱内的屏蔽设计方案达到优化的目的，并能够实时地计算出太空舱内辐射场的变化情况。该项设计体现了ALARA原则，即通过剂量预测及进行屏蔽优化设计，使得工作人员在一项任务中受到的照射剂量合理可行尽可能低。

（2）工作人员培训

西班牙专门针对Confrentes核电站换料过程开发了一套CIPRES（Interactive Calculations of Radiological Protection in a Simulation Environment）系统，该虚拟现实系统能够对整个换料过程进行剂量计算。CIPRES系统通过模拟核电站换料过程中的操作步骤，并对这些步骤以及输入数据进行分析，计算出关键区域的剂量分布情况，并据此建立相应的计算模型。该系统的目的旨在通过对换料工作人员进行实际操作前的培训，熟练操作过程，进而达到减少操作时间，并最终实现控制辐射剂量的目的。

欧洲核能机构，即ENEA则把虚拟现实技术应用到了核设施退役工作中，在这项任务中，有一些被污染的手套箱需要被拆除，ENEA据此开发了一套虚拟现实系统来模拟拆除装置，并使用该系统对操作人员进行工作前培训。

比利时开发了三维可视化工具VISIPLAN 3D ALARA Planning Tool，用于操作前的培训，该系统能针对现实场景进行简化建模，并进行剂量分布计算，取得了很好的进展。2

（3）剂量分布计算

韩国利用JAVA编程语言和虚拟现实技术，开发了核电站剂量分布模拟系统，该系统可以在虚拟场景中通过对辐射环境下开展工作的模拟，成功地预测虚拟工作人员的照射剂量情况，并通过三维图形可视化的方式将辐射危险区域进行特别显示，该系统能够有效地避免辐射区的工作人员接受不必要的照射。

日本则针对核电站检修过程，开发了一套用于辐射防护的虚拟现实平台，该平台主要对三维辐射场的可视化问题进行了相关研究，借助彩色图形界面来表示不同程度的辐射剂量率，能够反映出核电站不同管道和组件的剂量率和照射情况。不足之处是该系统只能提供局部区域的照射情况，不能表现出整个辐射场空间的剂量率。

核电站辐射防护核电站辐射防护是保证工作人员安全的重要环节之一，核电站安全运营的目标是在正常运行工况和预计运行事件工况下为工作人员提供辐射防护，使他们的受照剂量在任何情况下都不超过标准中给出的职业照射剂量限值。因此，剂量限值不仅仅是生物学和医学方面的量值，它与社会、经济以及人们对危险的接受程度也紧密相关。在考虑到经济和社会因素之后，一切照射应当保持在可以合理达到的最低水平，而个人受到的剂量也不得超过设计限制。在核电站安全运行的基础之上，核电站的经济效益也是必须考虑的一个重要因素，核电站为安全性考虑，基建投资大，维护费用高，已成为经济性的对立面，如何把核电站的安全性与经济性统一起来也是目前正在发展的第三代核电站所要努力的目标。3

据统计，国内核电站的工作人员在正常运行时的日常活动所受的剂量占年总剂量的大约20%；而在核电站大修期间，工作人员所受到的剂量要占到年总剂量的约80%。在大修期间的辐射防护主要是靠缩短工作人员在辐射区的停留时间来减少受照剂量。但是很多研究表明，受照剂量不仅和停留时间相关，也和工作人员与辐射源的距离相关。因此在国内目前的防护设施和手段大多不是很完备的情况下，无疑增加了工作人员被照射的风险、维修的费用和实验平台建设的资金投入。而目前国际上比较前沿的虚拟现实技术则可以通过模拟现实环境，计算出的核电站不同组件及管道的剂量率和照射情况，并以形象图形的形式实时地提供最佳维修路线，有效地减少个人受照剂量及运行成本。4