2021, Vol. 41
电离辐射无处不在。来自于太阳(初级太阳宇宙射线)和太阳系外(初级银河宇宙射线)的高能粒子进入地球大气层后与各种原子或分子碰撞，产生中子、质子、光子、μ介子和电子等次级宇宙射线。宇宙射线强度的主要影响因素是海拔高度、地磁纬度和太阳活动，飞机飞行高度的宇宙射线强度远高于地面[1]。因此，航空机组人员宇宙射线受照剂量显著高于一般公众，次级宇宙射线是航空机组人员在飞行过程中受到照射的主要来源。
1990年，国际放射防护委员会(ICRP)在第60号出版物[2]中建议将商用喷气式客机机组人员在飞行期间暴露于宇宙射线的照射视作职业照射，年职业照射有效剂量不得超过20 mSv。随后，欧美等发达国家积极采纳ICRP的建议，先后修订本国的辐射防护规定，将航空机组人员作为职业受照人群纳入职业健康管理，并对其飞行期间的宇宙射线受照剂量进行监测和记录保存，欧盟委员会要求所有成员国于2000年5月前将航空机组人员宇宙射线暴露评估和职业管理纳入国家立法[3-5]。2002年，我国将喷气式飞机机组人员列为辐射受照职业人群，要求对空勤人员受到的宇宙射线剂量进行监测和估算，并规定了空勤人员职业照射有效剂量不得超过20 mSv/年[6-7]。但与欧美等发达国家相比，我国现行的《职业病危害因素分类目录》中，尚不包括宇宙射线暴露导致的航空机组人员的职业照射，法律法规层面也尚未明确将航空机组人员作为放射工作人员纳入辐射防护和职业健康管理，我国航空机组人员宇宙射线受照剂量的监测工作开展情况并不理想。
航空机组人员是电离辐射暴露水平最高的职业人群之一[8]，应重视其在飞行过程中的受照剂量监测。本研究从航空机组人员所接触宇宙射线的监测方法、剂量计算方法和受照剂量水平3个方面对国内外相关研究成果进行综述，旨在为加强我国航空机组人员受照剂量评估和职业健康管理提供方向和思路，从而更好地保护航空机组人员职业健康。
一、监测方法与地面其他放射工作场所相比，高空辐射场复杂，辐射类型多，能量范围广，宇宙射线的组成成分所占比例随着海拔高度的升高而变化，见图 1[9]。因此，航空机组人员所接触的宇宙射线需要专用测量装置。目前，各种各样的辐射测量仪器已经被用来监测宇宙辐射，主要分为主动(有源)探测器和被动(无源)探测器2类。
1、主动(有源)探测器 1、组织等效正比计数器(TEPC)
TEPC是飞行高度环境剂量当量H*(10)和航空机组人员宇宙射线辐射剂量的常用测量仪器。TEPC仪器的传感器是由等效组织(TE)材料制成，对不同的辐射粒子具有分辨能力，且对其能量和传能线密度(LET)均具有很好的响应，对低LET和高LET射线的能量均可测量，能够给出能谱、吸收剂量和剂量当量等信息[10]。
目前在商用飞机上监测宇宙射线所致人体剂量中使用较广泛的HAWK TEPC辐射监测仪是由内径为12.6 cm的TE空心球和不锈钢容器组成，内充低压丙烷气体，模拟2 μm组织细胞中沉积的能量。2000年英国使用HAWK TEPC测量了83架航班的宇宙射线LET谱，电子、质子、α粒子和重离子的LET谱边界分别在10、150、400和1 000 keV/μm，LET谱边界指对应粒子在2 μm组织细胞中沉积的最大能量[11]。Kubančák等[12]使用HAWK TEPC的测量结果见表 1。
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表 1 HAWK TEPC仪器测量的飞行高度宇宙射线H* (10) Table 1 H* (10) of cosmic ray measured by HAWK TEPC at flight altitude |
2、高压电离室和中子雷姆计
高压电离室用于测定宇宙射线中的非中子成分，如美国生产的RSS131电离室，探测器探头是一个10 inch的不锈钢球形电离室，内部充有25标准大气压的高压氩气，能够较准确地反映宇宙射线电离成分的强度分布[13]。雷姆计用于中子探测，如3He计数管，一般为圆柱形管，探测能量范围为热中子~20 MeV[14]。
3、半导体探测器半导体探测器也是测量航空机组人员接受宇宙射线照射剂量的常用设备。如Liulin半导体探测器是由256通道组成的谱仪，硅二极管有效面积为10 mm×20 mm，敏感区体积厚度为300 μm，沉积在硅二极管的剂量用D(Gy)=K×Σ(Ei×Ai)/MD来计算。其中，MD为探测器质量(kg)；Ei为通道i损失的能量；Ai为通道i中能量损失事件的数量；K为剂量转换系数[15]。
主动(有源)探测器的优点是探测能谱范围宽、可探测辐射粒子种类多，适用于混合辐射场监测，其不足在于价格昂贵、仪器体积大且笨重、操作复杂、电池寿命有限，不适用于开展常规个人剂量监测工作。
2、被动(无源)探测器航空机组人员宇宙射线辐射剂量监测中采用的无源探测器主要是CR-39碳本酸丙烯乙酸固体核径迹探测器和热释光探测器(TLD)[16]。CR-39用于测定中子剂量，CR-39使用前需进行蚀刻。TLD探测器用于测定中子之外的辐射剂量，主要材料为LiF(Mg, Cu, P)等测量元件，其灵敏度高、能响好，具有良好的组织等效性。也有研究采用光致发光探测器(OSL)[17]，主要探测材料为Al2O3 ∶C，其灵敏度高、能响好，且环境稳定性较强，并具有可重复测读的特性。另有研究采用辐射光致发光玻璃探测器(RPLGD)[18]，多为银激活材料，如锂铝偏磷酸盐玻璃和钠铝偏磷酸盐玻璃等，其灵敏度高、能量依赖性小，且自身衰变少，可重复多次测量。TLD/OSL/RPLGD剂量计在使用前需在标准辐射场内进行刻度。
与主动探测器相比，TLD/OSL/RPLGD+CR-39剂量计组合的无源探测器的优势是成本低，体积小，重量轻，便于布放在飞机上和航空机组人员佩戴及剂量计回收。不足之处一是不能准确测量飞行高度混合辐射场中的所有粒子；二是能响范围较窄，需对测量结果进行校正；三是监测期间，剂量计易发生丢失，且监测剂量容易受到地面自然本底照射的影响。商用实时个人剂量计因每次飞行结束后可直接读取剂量值，可避免本底辐射对监测结果的影响，如富士日本电力公司研发的光子剂量计NRF20和中子剂量计NRY21[19]。
二、剂量计算方法为了方便监管部门和航空公司及时了解航空机组人员飞行过程中的职业受照剂量，许多国家开发了宇宙射线计算软件，基础数据库内构建了航空飞行高度范围内的三维剂量率曲线等信息，输入飞行日期、起飞和降落机场代码、巡航时间和飞行高度等航线信息，即可计算航空机组人员每次飞行过程中所受的宇宙射线辐射剂量，并可计算海平面到飞行高度任一点处的宇宙射线剂量率。国际上主要的计算软件有11种，见表 2[14, 20]。这些软件具有可预先研究、无条件限制、信息丰富、成本低等优点，不足之处是根据确定的服务对象开发的。对于同一航班，不同软件计算出的结果存在一定的差异(表 3)[21]，考虑主要与其开发的方法不同有关。通常认为，不同软件计算结果误差率在±20%以内是可接受的，CARI被视作工业标准[22]。考虑到地磁屏蔽和太阳活动对宇宙射线的影响，各国根据测量数据在持续更新基础数据库，完善计算软件。
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表 2 航空机组人员接受宇宙射线照射剂量的计算软件 Table 2 Computer codes for calculation of aircrew exposure due to cosmic radiation |
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表 3 CARI、EPCARD、PCAIRE和SIEVERT对同一航班的有效剂量(μSv)计算结果对比 Table 3 Comparison of effective doses on the same flight computed between CARI, EPCARD, PCAIRE and SIEVERT |
我国尚无法定的宇宙射线计算机计算软件。目前国际上的计算软件涵盖的我国机场信息较少，只能计算我国少部分航线剂量。基于此，中国民航总局组织开发了宇宙射线有效剂量计算软件CARD，该软件以实测数据、解析法与FLUKA蒙特卡罗程序运行的仿真结果结合的数据为其基础数据库，可以计算飞行过程中从海平面至20.5 km高空任何一点处的宇宙辐射剂量率，CARD计算结果与CARI-6的相对误差在20%以内，可考虑用于我国航空机组人员剂量估算[23]。但目前国内应用CARD计算宇宙射线辐射剂量的相关报道很少，尚需更多的研究对CARD进行进一步的验证。此外，我国台湾有研究者基于FLUKA蒙特卡罗方法，结合MATLAB软件，开发了NTLU宇宙射线剂量计算软件，适用辐射场高度为海平面~70 km[24]。
三、受照剂量水平 1、国外受照剂量水平欧美等发达国家高度重视航空机组人员的剂量监测和剂量记录保存工作，要求航空公司必须开展机组人员的剂量监测工作，利用计算机软件计算机组人员的受照剂量水平。根据UNSCEAR 2008年的报告，欧美国家航空机组人员年均有效剂量范围为1.2~5.0 mSv，美国机组人员因飞行航线纬度较高，年均有效剂量最大[25]。欧洲辐射防护最优化网络(EAN)委员会为了及时了解欧洲各国航空机组人员的受照剂量，定期组织开展欧洲国家机组人员的辐射剂量调查，结果见表 4[26-27]。不同国家航空机组人员剂量水平存在差异，剂量水平高低主要与每个国家机组人员飞行路线和年飞行时间有关。
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表 4 欧洲国家航空机组人员年均和年最大有效剂量 Table 4 Annual average and maximum effective dose to aircrew in European countries |
航空机组人员年飞行时间越长，受到的宇宙射线照射剂量越大。与飞行员相比，空乘人员飞行次数较多，年飞行时间较长，因此，辐射剂量也较高。如2007年日本飞行员年均有效剂量为1.7 mSv，最大剂量为3.8 mSv，空乘人员年均有效剂量为2.2 mSv，最大剂量为4.2 mSv[28]。2014年法国和芬兰剂量调查得出相近的结果[27, 29]。
国际航线与国内航线的剂量水平差异主要受地磁纬度和飞行时间的影响，土耳其航空机组人员飞行800 h年均有效剂量范围国内航线为1.0~1.7 mSv，国际航线为1.8~4.8 mSv[30]，国际航线机组人员年剂量显著高于国内航线，安排轮飞对于降低国际航线机组人员辐射剂量非常必要。
2、国内受照剂量水平由于我国尚无法定软件，无法开展规模监测或估算，故国内航空机组人员辐射剂量相关研究并不多，且监测对象覆盖较少，多为国内部分航空公司部分航线上的剂量调查。
雷淑洁等[31]对2009年以前我国相关研究中航空机组人员宇宙射线受照剂量结果进行了综述，按照年飞行时间1 000 h计算，机组人员最高年有效剂量可高达9.17 mSv(探测器估算结果)，国内主要大城市航线有效剂量约为2 mSv，主要国际航线有效剂量约为6 mSv，航空机组人员年均有效剂量2.19(0.89~4.42)mSv(CARI-6软件估算结果)。
有研究者根据我国某些航空公司的航线飞行数据，利用CARD软件对部分机组人员宇宙射线辐射剂量进行了估算，2007年飞行员年均有效剂量为1.45(0.72~1.81)mSv，空乘人员为1.81(1.45~2.54)mSv[32]；2004—2014年飞行员按照年飞行时间800 h的年均有效剂量为1.50~1.55 mSv(2014年1.50 mSv)，空乘人员按照年飞行时间1 000 h的年均有效剂量为1.87~1.94 mSv(2014年1.88 mSv)[23]。由于以上研究数据均来自于某一航空公司，故其剂量水平并不能反映我国全部航空机组人员的实际暴露水平，但仍具有重要的参考价值。地磁纬度是影响宇宙射线受照剂量的一个重要因素，拓飞等[17]采用四元件OSL剂量计和CR-39径迹探测器构成的胸章剂量计对极地(北京-纽约)和非极地航线飞行人员辐射水平差异进行了调查，极地航线飞行员年均有效剂量为5.26 mSv，空乘人员为6.06 mSv；非极地航线飞行员年均有效剂量为2.34 mSv，空乘人员为1.97 mSv，极地航线空勤人员辐射剂量显著高于非极地航线。我国不同研究之间航空机组人员剂量水平也存在差异，分析原因可能与剂量估算方法、飞行航线等有关。我国台湾地区2006—2018年飞行人员年均有效剂量为1.70~2.97 mSv(2018年1.97 mSv)[33]。
综上，航空机组人员宇宙射线辐射剂量水平主要与飞行高度、飞行时间、地磁纬度和太阳活动有关。我国航空机组人员年受照剂量满足职业照射的个人剂量限值要求(20 mSv/年)，但远超出公众个人剂量限值(1 mSv)，尤其是国际航线和极地航线机组人员，且明显高于我国纳入职业健康管理的放射工作人员，如医学应用(0.427 mSv，介入放射学年均受照剂量最高，为0.542 mSv)、工业应用(0.325 mSv)等职业人群[34-35]。
四、对策与建议根据民航总局统计数据，2013—2019年我国航空机组人员数量和总飞行时间均逐年增加，年均增长率分别达12.2%和10.1%，截至2019年，我国航空机组人员达到17.69万人，全行业运输航空公司完成运输飞行时间达1 231.1万h[36-37]。如果我国航空机组人员不纳入健康管理和采取有效防护措施，该类人群可能会接受更高的年剂量，累积暴露量也会更高。此外，监测和计算航空机组人员的职业受照剂量，是掌握我国宇宙射线职业照射现状并实现科学防护的重要前提和手段。因此，开发、验证适用于我国航空机组人员宇宙射线剂量计算软件，是当前我国航空机组人员职业健康工作亟待解决的问题。
为了更好地保护航空机组人员的职业健康，建议加快出台我国航空机组人员辐射防护和健康管理的法规文件和专项标准：
1、修订标准将航空机组人员接受的宇宙射线照射纳入《职业病危害因素分类与目录》，尽快修订2002年颁布的《空勤人员宇宙辐射控制标准》，开展航空机组人员职业受照剂量的评估与控制。
2、加快航空机组人员宇宙射线剂量计算软件开发与验证研制适用于我国航空机组人员的剂量计算软件，同时对已开发软件进行进一步验证，确定我国航空机组人员剂量计算的法定软件；明确由航空公司根据飞行日志等资料，利用法定计算机剂量计算软件对航空机组人员的宇宙射线受照剂量进行估算。
3、建立剂量登记和健康风险评估制度建立航空机组人员个人剂量登记和健康风险评估制度，建立个人剂量档案，在“国家个人剂量监测登记系统”中补充开发航空机组人员个人剂量上报模块，明确由各航空公司将航空机组人员的受照剂量上报至国家系统，以便于国家层面对数据进行汇总分析，为政策制定提供依据。
4、制定防护策略由国家管理部门规定航空机组人员的受照剂量限值和当机组人员超过不同受照限值时，航空公司需采取的控制措施；规定航空公司根据每条航线估算的剂量，合理制定航空机组人员的飞行计划和任务，限制年飞行时间，采取长短航线、高低纬度航线轮飞的措施，确保机组人员的职业受照剂量不超过标准要求，并处于合理可行尽量低水平。对于处于妊娠期间的女机组人员，一经报告，采取措施严格控制其飞行时间和飞行纬度。
利益冲突 无
作者贡献声明 李梦雪负责文献检索、资料整理和论文撰写；邓君、孙全富负责论文撰写的指导；范胜男负责资料整理
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