CN114152635A

CN114152635A - 中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置

Info

Publication number: CN114152635A
Application number: CN202111203042.1A
Authority: CN
Inventors: 许旭; 张晓敏; 谢向东
Original assignee: Academy of Military Medical Sciences AMMS of PLA
Current assignee: Academy of Military Medical Sciences AMMS of PLA
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2041-10-15
Also published as: CN114152635B

Abstract

本发明涉及核辐射防护技术领域，提供一种中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置，该等效模拟装置在接受中子束流辐照后，入射中子在等效模拟装置内被散射、慢化最终形成的中子能谱与经过空间中子场辐照后的人体模型血管内的中子能谱形状相近，因此可以用于完成人体血液中²⁴Na比活度的计算；达到了降低工程难度和成本，提高对血液的辐照效率的技术效果。

Description

中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置

技术领域

本发明涉及核辐射防护技术领域，涉及一种中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置。

背景技术

在核爆与核事故中，中子外照射是人体辐射的重要来源。因此，当人员受到核辐射后，及时准确地对中子外照射剂量进行评估，对于伤员医学处置以及事故危害程度评估都具有重要的价值。

对人体受中子照射后产生的感生放射性进行测量的剂量评估方法称为中子活化法，是一种具有中子特异性的外照剂量评估方法。具体地说，当人员受到中子射线照射时，中子会与人体内的²³Na元素发生辐射俘获反应而产生放射性核素²⁴Na，通过测量受照射人员的血液样品中²⁴Na的比活度即可估算中子外照射剂量。中子活化法具有获取样品方便，测量时间短以及可以在事故现场进行快速剂量评估的优势。

但是，在进行外照剂量评估的过程中，不能直接使用人体进行中子外照射实验，而是需要通过与真实人体结构、密度、元素组成一致标准的人体模型进行替代辐照；而目前用于进行辐照实验的人体模型，如国际放射防护委员会(ICRP)提供的简化人体数字模型BOMB、MIRD，并没有给出人体血管和血液的分布；其他复杂数字模型如美国VIP-Man、德国GFS、中国CNMAN等，也只是刻画了人体主要的动脉、静脉血管，并没有考虑血管的详细分布情况。因此，并不适用于中子活化法计算人体血液中²⁴Na比活度到中子外照射剂量的转换系数的场景中。

如果采用人体物理模型的方式进行人体血液中²⁴Na比活度到中子外照射剂量的转换系数的计算的话，具有以下弊端：

1)由于人体血管特别是毛细血管分布复杂，如果制作含有精确人体血管、血液分布的人体物理模型面临难度大、造价高的问题；2)由于大型中子辐照装置如反应堆、散裂中子源的中子束流一般是线状的，不适合辐照人体物理模型全身；为了对人体物理模型进行均匀辐照，需要在足够的三维空间内提供注量较高且均匀性良好的中子场，而保持大空间内中子场的均匀性难度较大，能够提供这种高质量的空间中子场的实验平台很少；3)血液分布在全身各处但质量只占人体的7～8％，空间中子场对人体物理模型进行辐照时，由于中子与人体组织器官发生散射、慢化、吸收等效应，能够到达血液的中子注量很少，即对体模内血液的辐照效率较低。

因此，亟需一种测量效率高的中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置。

发明内容

本发明提供一种中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置，利用所述等效模拟装置进行人体血液中²⁴Na比活度的计算，具有结构简单、易于加工、模拟效果好的技术效果。

为实现上述目的，本发明提供的一种中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置，等效模拟装置为接受中子外照射的盒状容器结构，中子外照射后所述等效模拟装置内的中子能谱与中子外照射后人体数字模型的血管内中子能谱的对应能量点的归一化强度的相对误差小于5％；

盒状容器结构包括沿着中子束流方向由近及远依次设置的组织模拟部和中子反射部；组织模拟部包括前侧壁、后侧壁、左侧壁、右侧壁、上侧壁、下侧壁以及上述侧壁围合成的等效组织材料腔室；等效组织材料腔室为用于填充模拟人体组织的等效组织材料的封闭腔室；其中，

最先接受中子束流照射的侧壁为前侧壁，在后侧壁上设置有血液样品部；在血液样品部内形成填充有模拟人体血液的血液样品的血液样品腔室；

中子反射部用于将穿过等效组织部和血液样品部到达中子反射部的中子反射至血液样品部。

进一步，优选的，中子反射部为聚乙烯实心体或者为填充有除聚乙烯外的中子反射材料的封闭腔室。

进一步，优选的，除聚乙烯外的中子反射材料为水、石蜡或石墨中的一种。

进一步，优选的，组织模拟部为长17.1cm，宽38cm，高23cm的长方体，组织模拟部的长边与中子束流方向平行；前侧壁的厚度为2.2cm，除前侧壁之外的侧壁厚度为3cm；

中子反射部为长12.9cm，宽38cm，高23cm的长方体；中子反射部的长边与中子束流方向平行；

血液样品部为长5.2cm，宽5.2cm，厚4mm的长方体，血液样品部的底部与等效组织材料腔室的底面的距离为6.2cm；血液样品部的厚边与组织模拟部的长边平行，血液样品部的壁厚均为1mm。

进一步，优选的，组织模拟部和中子反射部均为密度为0.96g/cm³的聚乙烯件；血液样品部为密度为1.15g/cm³的聚甲基丙烯酸甲酯件。

进一步，优选的，等效组织材料为H₂O、C₂H₆O、NH₄NO₃、Ca(NO₃)₂、Ca(H₂PO₄)₂、K₂SO₄、HNO₃、Na₂SO₄、CaSO₄、NaCl和MgCl的混合溶液；H₂O、C₂H₆O、NH₄NO₃、Ca(NO₃)₂、Ca(H₂PO₄)₂、K₂SO₄、HNO₃、Na₂SO₄、CaSO₄、NaCl和MgCl的质量比分别为：49.076％：34.432％：5.626％：5.231％：3.721％：0.768％：0.411％：0.304％：0.185％：0.125％：0.121％。

进一步，优选的，中子束流的入射位置为高于组织模拟部底面7cm处，且，当中子束流的束斑半径为1cm，血液样品部的底部位于中子束流的束斑圆心上方2.2cm处。

本发明通过建立结构简单的中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置，在接受中子束流辐照后，入射中子在等效模拟装置内被散射、慢化最终形成的中子能谱与经过空间中子场辐照后的人体模型血管内的中子能谱形状相近，因此可以用于完成人体血液中²⁴Na比活度的计算，具有有益效果如下：

1)不需要制作含有精确人体血管、血液分布的人体物理模型大大降低了检测的工程量以及检测成本；

2)利用所述等效模拟装置，中子外照射后血液样品的中子能谱与中子外照射后人体血管内中子能谱相同的前提下，血液样品的中子注量远高于辐照人体模型时血管内的中子注量，达到了大大提高辐照效率的技术效果；

3)与人体物理模型需要均匀的空间中子场不同，仅需采用线性的中子束流即可满足辐照要求，使得实验条件更容易满足。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的入射中子束流的能谱；

图3为本发明一实施例提供的人体物理模型血管内中子能谱与等效模拟装置内中子能谱的对比图；

其中，1、组织模拟部；2、等效组织材料；3、血液样品部；4、血液样品；5、中子反射部；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1所示，图1为本发明一实施例提供的中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置的结构示意图。

实施例1

等效模拟装置为接受中子外照射的盒状容器结构，盒状容器结构包括沿着中子束流方向由近及远依次设置的组织模拟部1和中子反射部5；组织模拟部1包括前侧壁、后侧壁、左侧壁、右侧壁、上侧壁、下侧壁以及上述侧壁围合成的等效组织材料腔室；等效组织材料腔室为用于填充模拟人体组织的等效组织材料2的封闭腔室；其中，当中子束流的束斑半径为1cm，最先接受中子束流照射的侧壁为前侧壁，在后侧壁上设置有血液样品部3；血液样品部3的底部位于中子束流的束斑圆心上方2.2cm处，避免血液样品部被中子束流直接照射导致到达血液样品部3的高能中子过多；在血液样品部3内形成填充有模拟人体血液的血液样品4的血液样品腔室；中子反射部5用于将穿过等效组织部和血液样品部到达中子反射部5的中子反射至血液样品部3。需要说明的是，上述装置达到了避免中子束流直接照射样品导致到达血液样品部的高能中子过多的技术效果。因为中子束流与样品距离越远，中子慢化散射越严重，高能中子占比越少，当血液样品部3的底部位于中子束流的束斑圆心上方2.2cm处时，模拟计算的最优位置，这个位置中子能谱与真实血管中的能谱最为接近。

也就是说，等效模拟装置主要由盒状容器结构以及容器内的等效组织材料2和中子反射材料组成。其中，沿着中子束流射入的方向，中子反射材料位于等效组织材料2后方。中子反射部5为聚乙烯实心体，长度为12.9cm，宽为38cm，高为23cm，材质为密度0.96g/cm³；如图1所示，中子反射部5的长度方向为X轴所在方向；等效组织材料2盛放在组织模拟部1的等效组织材料腔室内，组织模拟部1的外部尺寸为长17.1cm，宽38cm，高23cm；材质为密度0.96g/cm³的聚乙烯；距离中子束流射入最近的侧壁为前侧壁，前侧壁厚2.2cm，其他五面壁厚3cm；如图1所示，组织模拟部1的长度方向为X轴所在方向。等效组织材料2位于等效组织材料腔室内，等效组织材料2的几何尺寸为长11.9cm，宽32cm，高17cm，等效组织材料2为多种无机盐的酒精混合溶液，呈弱酸性，Ca(H₂PO₄)₂在弱酸性环境下溶解度更高，不会发生沉淀，等效组织材料2的材质模拟了人体的主要元素组成，密度为1.05g/cm³，其元素组成见表1，化学组成见表2。

表1等效组织材料2的元素组成

表2等效组织材料2的化学组成

成分	H<sub>2</sub>O	C<sub>2</sub>H<sub>6</sub>O	NH<sub>4</sub>NO<sub>3</sub>	Ca(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>	Ca(H<sub>2</sub>PO4)<sub>2</sub>	K<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>	HNO<sub>3</sub>	Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>	CaSO<sub>4</sub>	NaCl	MgCl
												质量比％	49.076	34.432	5.626	5.231	3.721	0.768	0.411	0.304	0.185	0.125	0.121

血液样品4被装在血液样品部3的血液样品腔室内，血液样品部为长5.2cm，宽5.2cm，厚4mm的长方体，血液样品部的底部与等效组织材料腔室的底面的距离为6.2cm；血液样品部的壁厚均为1mm，即血液样品部可容纳体积为5cm×5cm×2mm的血液样品。如图1所示，血液样品部3的厚度方向与X轴方向平行。血液样品4的几何尺寸为长5cm、宽5cm、厚2mm，密度1.06g/cm³，其元素组成见表3；血液样品部3作为血液样品容器，血液样品部3为壁厚1mm的有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)容器，密度1.15g/cm³。血液样品部3紧贴在等效组织材料腔室的后侧壁上，血液样品部3的底面与等效模拟装置的外表底面距离为9.2cm。

血液样品4的成分根据实际场景中血液成分的检测结果进行具体设定。血液样品可以为真人体血液，可以用与血液钠含量相同的的氯化钠溶液替代，也可以采用与血液元素组成相同的其他化学试剂配比形成，在此不做具体的限定。在本实施例中，血液样品采用人体血液，其元素组成，见表3。

表3血液样品4的元素组成

将中子束流在距等效模拟装置底部7cm的位置入射，束流的束斑半径为1cm。入射中子束流的能谱如图2所示，为中子源锎-252的瓦特裂变谱，横轴为中子能量，纵轴为归一化强度，即总出射概率为1时，不同能量中子的出射概率。

中子经过组织模拟部1的侧壁和等效组织材料2的慢化、散射后到达血液样品4；部分中子在穿过组织模拟部1的侧壁和等效组织材料2后由中子反射部反射到达血液样品4，通过蒙特卡罗模拟计算得到了血液样品4中的中子能谱一，中子能谱一即为等效模拟装置内的中子能谱。

将所得到的中子能谱与预先取得的参照中子能谱进行比对，比对结果见图3。

参照中子能谱的获取方法包括：均匀中子场外照射含有人体主要血管的人体数字化模型；通过蒙特卡罗模拟计算锎-252中子源正面均匀照射上述人体数字化模型时体模血管内的中子能谱，即为参照中子能谱。其中，含有人体主要血管的人体数字化模型为根据ICRP110号出版物给出的人体组织器官数据构建的人体数字化模型。参照能谱即为人体模型血管内的中子能谱。

图3示出了人体物理模型血管内中子能谱与等效模拟装置内中子能谱的对比图；通过观察图3发现，等效模拟装置内的中子能谱与人体模型血管内的中子能谱形状相近，但是，等效模拟装置内的中子能谱的强度是人体模型血管内的中子能谱的109倍，上述两能谱对应能量点归一化强度相除得到的比值的波动(相对误差)＜5％。

实施例2

中子反射部5为聚填充有中子反射材料的封闭腔室，中子反射材料为除聚乙烯外的水、石蜡或石墨中的一种；等效模拟装置的容器主体材质为密度0.96g/cm³的聚丙烯。其他实验条件与实施例1相同，建立中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置，并通过蒙特卡罗模拟计算得到了血液样品4中的中子能谱二。

将中子能谱二与参照能谱相比对，发现两者形状相近，等效模拟装置内的中子能谱的强度是人体模型血管内的中子能谱的109倍，两能谱对应能量点归一化强度相除得到的比值的波动(相对误差)＜5％。

本发明的中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置，在接受中子束流辐照后，入射中子在等效模拟装置内被散射、慢化最终形成的中子能谱与经过空间中子场辐照后的人体模型血管内的中子能谱形状相近，因此可以用于完成人体血液中²⁴Na比活度的计算；具有不需要制作含有精确人体血管、血液分布的人体物理模型大大降低了检测的工程量以及检测成本的特点；利用所述等效模拟装置，中子外照射后血液样品的中子能谱与中子外照射后人体血管内中子能谱相同的前提下，血液样品的中子注量远高于辐照人体模型时血管内的中子注量，达到了大大提高辐照效率的技术效果；与人体物理模型需要均匀的空间中子场不同，仅需采用线性的中子束流即可满足辐照要求，具有实验条件更容易满足的技术效果。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置，其特征在于，

所述等效模拟装置为接受中子外照射的盒状容器结构，中子外照射后所述等效模拟装置内的中子能谱与中子外照射后人体数字模型的血管内中子能谱的对应能量点的归一化强度的相对误差小于5％；

所述盒状容器结构包括沿着中子束流方向由近及远依次设置的组织模拟部和中子反射部；所述组织模拟部包括前侧壁、后侧壁、左侧壁、右侧壁、上侧壁、下侧壁以及上述侧壁围合成的等效组织材料腔室；所述等效组织材料腔室为用于填充模拟人体组织的等效组织材料的封闭腔室；其中，

最先接受中子束流照射的侧壁为前侧壁，在所述后侧壁上设置有血液样品部；在所述血液样品部内形成填充有模拟人体血液的血液样品的血液样品腔室；

所述中子反射部用于将穿过所述等效组织部和所述血液样品部到达所述中子反射部的中子反射至血液样品部。

2.如权利要求1所述的中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置，其特征在于，

所述中子反射部为聚乙烯实心体或者为填充有除聚乙烯外的中子反射材料的封闭腔室。

3.如权利要求2所述的中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置，其特征在于，

所述除聚乙烯外的中子反射材料为水、石蜡或石墨中的一种。

4.如权利要求1所述的中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置，其特征在于，

所述组织模拟部为长17.1cm，宽38cm，高23cm的长方体，所述组织模拟部的长边与中子束流方向平行；所述前侧壁的厚度为2.2cm，除所述前侧壁之外的侧壁厚度为3cm；

所述中子反射部为长12.9cm，宽38cm，高23cm的长方体；所述中子反射部的长边与所述中子束流方向平行；

所述血液样品部为长5.2cm，宽5.2cm，厚4mm的长方体，所述血液样品部的底部与所述等效组织材料腔室的底面的距离为6.2cm；所述血液样品部的厚边与所述组织模拟部的长边平行，所述血液样品部的壁厚均为1mm。

5.如权利要求4所述的中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置，其特征在于，所述组织模拟部和所述中子反射部均为密度为0.96g/cm³的聚乙烯件；所述血液样品部为密度为1.15g/cm³的聚甲基丙烯酸甲酯件。

6.如权利要求1所述的中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置，其特征在于，

所述等效组织材料为H₂O、C₂H₆O、NH₄NO₃、Ca(NO₃)₂、Ca(H₂PO₄)₂、K₂SO₄、HNO₃、Na₂SO₄、CaSO₄、NaCl和MgCl的混合溶液；

所述H₂O、C₂H₆O、NH₄NO₃、Ca(NO₃)₂、Ca(H₂PO₄)₂、K₂SO₄、HNO₃、Na₂SO₄、CaSO₄、NaCl和MgCl的质量比分别为：49.076％：34.432％：5.626％：5.231％：3.721％：0.768％：0.411％：0.304％：0.185％：0.125％：0.121％。

7.如权利要求1所述的中子外照射后人体血管内中子能谱的等效模拟装置，其特征在于，

所述中子束流的入射位置为高于所述组织模拟部底面7cm处；且，

当中子束流的束斑半径为1cm，所述血液样品部的底部位于所述中子束流的束斑圆心上方2.2cm处。