切尔诺贝利和福岛核电站事故等重大核电事故，对公众的健康与心理、以及社会、环境与经济的影响备受全球广泛关注^[1-3]。严重核事故发生所释放的放射性核素将污染大气、土壤和水体环境，可能会给事故发生地周边的儿童和成人群带来额外的辐射照射风险，因此快速估算不同年龄组儿童和成人所受的辐射剂量，对指导辐射应急工作的开展具有重要应用价值。

为指导核事故应急，通常需要利用剂量转换系数法来快速估算环境放射性污染所致公众的外照射剂量^[4]。为此，我国还专门制定了《核事故应急情况下公众受照剂量估算的模式和参数(GB/T 17982-2018)》的国家标准^[5]，并给出了相关剂量转换系数。但是，该标准给出的剂量转换系数源自于国际原子能机构(IAEA)1986年发布的第81号出版物^[6]和美国核管会1983年发布的NUREG/CR-3160号报告^[7]，其中，器官剂量数值是基于早期的成年人程式化体模(stylized phantom)的计算结果，有效剂量转换系数更是基于国际放射防护委员会(ICRP)最早给出的组织权重因子计算得到的。另一方面，该标准仅提供了大气污染和地表污染所致成人外照射剂量的转换系数，所涉及的核素种类也非常有限，无法满足各年龄组、不同性别公众和不同器官当量剂量的快速估算需求。为此，ICRP基于最新的数字化体模和最新的组织权重因子，重新计算了共97种元素1 252种放射性核素在3种放射性污染环境(大气、土壤和水体)下所致不同年龄组、不同性别公众成员的外照射剂量率转换系数，并于2020年在其第144号出版物^[8]发布了环境源外照射的最新剂量转换系数共六百余万个。但由于该出版物的数据量过于庞大，通过人工查表法来快速正确估算公众的外照射剂量耗时长且繁琐。为克服以上不足与困难，本研究拟通过编写应用软件来实现环境放射性污染所致公众外照射剂量的快速估算。

1. 剂量转换系数数据库构建：ICRP提供了含有环境源外照射剂量转换系数的文本类型数据文件。本研究利用计算机编程语言Python 3.8.10结合数据库管理系统SQLite3创建剂量转换系数数据库，对ICRP文本数据利用split切片函数进行分隔，筛选出核素名称、不同年龄组、不同性别对应的剂量转换系数数据，并利用结构化查询语言sql语句将数据逐项插入数据库表中，得到器官当量剂量和有效剂量数据库的示例见图 1。

图 1 器官当量剂量转换系数据库界面 Figure 1 Interface of database on organ equivalent dose conversion coefficients

2. 软件设计：本研究选用Python 3.8.10作为编程语言编写功能代码，实现软件的主体计算功能。软件界面利用PyQt 5工具包进行设计，利用控件组框Group Box对不同控件进行归类及布局美化。设计完成后保存为用户界面UI文件，在集成开发环境PyCharm 2022.2中使用PyUIC工具转换为Python脚本文件(.py)，并载入至功能代码中，编写函数完成界面的功能与逻辑互通。

本软件外照射器官当量剂量与有效剂量计算公式如下：

式中，H_T为器官当量剂量，nSv；h · 为器官当量剂量转换系数，nSv·h^-1·Bq^-1·m³或nSv·h^-1· Bq^-1·m²；e · 为有效剂量转换系数，nSv·h^-1·Bq^-1·m³或nSv·h^-1·Bq^-1·m²；A为放射性核素活度浓度，Bq/m³或Bq/m²；t为持续受照时间，h；E为有效剂量，nSv；w_T为组织权重因子。

软件计算流程如下：程序启动后，输入环境介质、受照者性别、年龄、放射性核素、受照时间后，软件可自动读取数据库中相应核素所对应的器官当量剂量转换系数，再输入相应放射性核素活度浓度便可计算得到器官当量剂量与有效剂量。计算结果可在软件界面中利用表格控件进行展示结果，并可保存输出为数据表格文件。

利用PyQt设计得到软件主体界面如图 2所示。计算时先在左侧组件中选择受照者性别，输入年龄、照射时间和放射性核素名称；再选择环境介质(大气、土壤或水体)，当选择土壤污染时，可根据实际情况选择平面源或体积源选项，并输入平面深度或松弛深度(g/cm²)；最后输入污染物放射性活度浓度并执行计算。计算结果在软件右侧展示，可给出29个器官/组织的器官当量剂量和外照射有效剂量^[9]。其中，松弛深度是针对体积源而言，是指放射性活度浓度为地面活度浓度的e^-1时所在深度^[10]。

图 2 软件的用户界面图 Figure 2 The user interface of the software

3. 试算与结果分析：结合相关文献资料给出发生核事故可能释放的放射性核素种类^[11-15]，选取最可能给大气、土壤和水体造成污染的放射性核素，试算在不同暴露情景下其外照射所致不同年龄组成员的器官当量剂量及有效剂量。针对有衰变链的放射性核素(如⁹⁰Sr和¹³⁷Cs)，试算其在放射性平衡前后的外照射剂量。为验证本研究开发软件的计算结果可靠性，引用国外其他学者的研究结果，对部分核素污染环境所致成人的外照射剂量进行比较。

1. 大气污染外照射所致公众的有效剂量：表 1给出了大气受相应放射性核素污染带来外照射所致各年龄组公众有效剂量的计算结果。从表 1可以看出，在污染物活度浓度均为1×10⁶ Bq/m³时，不同核素所致各年龄组公众的有效剂量均有明显的差异，其中¹³⁴Cs污染所致同年龄组公众的外照射有效剂量是⁸⁵Kr的300倍以上。另一方面，¹³⁷Cs是否达到放射性平衡，其所致的外照射有效剂量的差异也可达300倍，主要是由于不考虑衰变子体¹³⁷Ba^m时¹³⁷Cs以β衰变为主，而达到放射性平衡时子体¹³⁷Ba^m主要释放能量为661.66 keV的光子，其所致剂量较高，一般默认¹³⁷Cs发射661.66 keV时处于放射性平衡态。

表 1(Table 1)

表 1 大气污染中不同放射性核素所致不同年龄组公众的有效剂量(μSv) Table 1 Effective dose to the public from different radionuclides in airborne contaminatants (μSv) 核素a 成年 15岁 10岁 5岁 1岁 婴儿 85Kr 0.778 0.783 0.794 0.811 0.824 0.840 131I 56.3 58.8 60.8 64.7 66.3 69.1 133Xe 4.03 4.38 4.60 5.11 5.53 5.90 134Cs 242 250 256 270 279 293 135Xe 35.7 37.8 39.0 41.6 42.4 44.4 137Csb 0.291 0.290 0.290 0.290 0.296 0.302 137Csc 86.5 89.1 91.6 96.6 100 105 注：a模拟环境：人体位于均匀大气污染内，核素活度浓度为1×106 Bq/m3，受照时间1 h；b为便于比较，假设1 h内该核素子体不发生衰变；c考虑衰变达到平衡

表 1 大气污染中不同放射性核素所致不同年龄组公众的有效剂量(μSv) Table 1 Effective dose to the public from different radionuclides in airborne contaminatants (μSv)

2. 土壤表面污染外照射所致公众的有效剂量：表 2给出了土壤受相应放射性核素污染带来外照射所致各年龄组公众有效剂量的计算结果。从表 2可以看出，在污染物活度浓度均为1×10⁶ Bq/m²时，不同核素所致各年龄组公众的有效剂量差异更为明显，其中¹³⁴Cs污染所致同年龄组公众的外照射有效剂量是刚释放出¹³⁷Cs的30倍以上，主要是由于¹³⁷Cs刚释放时不考虑¹³⁷Ba^m，若¹³⁷Cs达到放射性平衡，¹³⁴Cs污染所致有效剂量为¹³⁷Cs的2倍以上。另一方面，⁹⁰Sr或 ¹³⁷Cs是否达到放射性平衡，其所致的外照射有效剂量的差异也可达6倍和12倍以上。

表 2(Table 2)

表 2 土壤表面污染中不同放射性核素所致不同年龄组公众的有效剂量(nSv) Table 2 Effective dose to the public from different radionuclides in soil surface contaminatants (nSv) 核素a 成年 15岁 10岁 5岁 1岁 婴儿 88Rb 4 330 4 200 6 410 7 470 11 500 18 900 90Srb 120 108 110 132 178 289 90Src 783 677 930 1 132 2 218 4 759 131I 1 360 1 410 1 510 1 700 1 940 2 310 134Cs 5 220 5 380 5 790 6 400 7 190 8 330 137Csb 112 102 103 123 167 279 137Csc 2 019 2 065 2 227 2 473 2 810 3 356 注：a模拟环境：人体站立于土壤表面，核素活度浓度为1×106 Bq/m2，受照时间为1 h；b为便于比较，假设1 h内该核素子体不发生衰变；c考虑衰变达到平衡

表 2 土壤表面污染中不同放射性核素所致不同年龄组公众的有效剂量(nSv) Table 2 Effective dose to the public from different radionuclides in soil surface contaminatants (nSv)

3. 水体污染外照射所致公众的有效剂量：表 3给出了水体受相应放射性核素污染带来外照射所致各年龄组公众有效剂量的计算结果。从表 3可以看出，在污染物活度浓度均为1×10⁶ Bq/m³时，不同核素所致各年龄组公众的有效剂量也都有明显的差异，其中¹³⁴Cs污染所致同年龄组公众的外照射有效剂量是刚释放出⁹⁰Sr或 ¹³⁷Cs的1 300倍以上。同样，⁹⁰Sr或 ¹³⁷Cs是否达到放射性平衡，其所致的外照射有效剂量的差异也分布可达12倍和480倍以上。

表 3(Table 3)

表 3 水体污染中不同放射性核素所致不同年龄组公众的有效剂量(nSv) Table 3 Effective dose to the public from different radionuclides in water contaminants (nSv) 核素a 成年 15岁 10岁 5岁 1岁 婴儿 88Rb 273 282 308 329 357 395 90Srb 0.398 0.388 0.396 0.398 0.404 0.418 90Src 5.66 4.92 6.75 7.33 10.6 14.2 131I 123 129 137 151 161 174 134Cs 529 550 578 628 665 714 137Csb 0.388 0.375 0.388 0.389 0.402 0.427 137Csc 189 198 208 226 240 258 注：a模拟环境：人体浸没于受污染水体内，核素活度浓度为1×106 Bq/m3，受照时间1 h；b为便于比较，假设1 h内该核素子体不发生衰变；c考虑衰变达到平衡

表 3 水体污染中不同放射性核素所致不同年龄组公众的有效剂量(nSv) Table 3 Effective dose to the public from different radionuclides in water contaminants (nSv)

4. 外照射所致婴儿和成人的有效剂量比较：表 4给出了大气、土壤和水体受相应放射性核素污染带来外照射所致婴儿和成人有效剂量比值的计算结果。从表 4可以看出，婴儿的有效剂量均大于成年的人有效剂量，且差异还与受污染的环境介质有关，土壤表面污染导致的婴儿与成人的有效剂量差异高于大气或水体受污染情景。

表 4(Table 4)

表 4 不同暴露环境下婴儿与成人外照射有效剂量的比值 Table 4 Ratios of infant to adult effective dose in different exposure environments 暴露环境 90Sra 90Srb 131I 134Cs 137Csa 137Csb 大气污染 - - 1.23 1.21 1.04 1.21 土壤表面污染 2.41 6.08 1.70 1.59 2.49 1.66 水体污染 1.05 2.51 1.41 1.35 1.10 1.36 注：“-”为无数据。a不考虑其衰变子体；b考虑衰变达到平衡

表 4 不同暴露环境下婴儿与成人外照射有效剂量的比值 Table 4 Ratios of infant to adult effective dose in different exposure environments

5. 不同研究的计算结果比较：表 5列出了在相同的污染情况下外照射所致成人有效剂量的计算结果比较。从表 5可看出，相同活度浓度的放射性核素污染同类环境介质所致成人的外照射剂量均在同一量级。对于表 5中所列的核素与环境，本研究的计算结果与美国环境保护署(EPA)FGR 12^[16]、Veinot等^[17]和Bellamy等^[18]、Yoo等^[19]的研究结果的相对偏差平均值分别为16.1%、5.5%和4.5%。

表 5(Table 5)

表 5 不同核素下各研究计算得到的成人外照射有效剂量(nSv) Table 5 Adult effective doses from external radiation exposure calculated from various studies for different radionuclides (nSv) 核素a 本研究 EPA-FGR 12 [16] Veinot等[17]和Bellamy等[18] Yoo等[19] 污染环境 85Kr 7.78×102 4.28×102 8.64×102 8.10×102 大气 5.63×104 6.55×104 6.01×104 5.83×104 大气 131I 1.36×103 1.35×103 1.27×103 1.27×103 土壤b 1.23×102 1.43×102 1.21×102 1.27×102 水体 133Xe 4.03×103 5.62×103 4.57×103 4.43×103 大气 2.42×105 2.72×105 2.53×105 2.47×105 大气 134Cs 5.22×103 5.47×103 5.11×103 5.08×103 土壤b 5.29×102 5.90×102 5.26×102 5.44×102 水体 135Xe 3.57×104 4.28×104 3.89×104 3.74×104 大气 8.65×104 9.79×104 9.07×104 8.87×104 大气 137Csc 2.02×103 1.99×103 1.90×103 1.87×103 土壤b 1.89×102 2.13×102 1.88×102 1.96×102 水体 注：a大气和水体污染核素活度浓度为1×106 Bq/m3，土壤污染为1×106 Bq/m2，受照时间1 h；b选取平面源典型深度为0.5 g/cm2；c放射性衰变达到平衡

表 5 不同核素下各研究计算得到的成人外照射有效剂量(nSv) Table 5 Adult effective doses from external radiation exposure calculated from various studies for different radionuclides (nSv)

为快速估算环境放射性污染所致公众成员的外照射剂量，本研究基于ICRP推荐的最新剂量转换系数，通过创建公众(成人与不同年龄组儿童)在3种暴露环境中因外照射所致公众器官当量剂量和有效剂量的转换系数数据库，并借助PyQt 5与Python 3.8.10设计编写了一款可以估算环境放射性污染所致公众成员外照射剂量的应用软件工具。在带Windows系统的普通家用电脑或个人手机上均可在数秒(包括输入核素及其活度浓度以及选择暴露环境等参数)内给出任一放射性核素污染所致各年龄组公众的29个器官的当量剂量与有效剂量。

试算结果表明，即便是相同的环境和污染物浓度，不同核素所致相同年龄组公众成员的有效剂量差异最大可达3个数量级。这主要是因为不同放射性核素衰变所发射的光子(包括γ射线和X射线)和电子(包括β粒子、内转换电子和俄歇电子)的比例和能量有很大的差异^[20]。另外，对于某些放射性核素，它们是否达到放射性平衡，其外照射所致公众的有效剂量也有很大的差异。如对于¹³⁷Cs，达到平衡后外照射所致公众的有效剂量在大气或水体受污染情况下是其刚释放出来时的300倍以上，这主要是因为¹³⁷Cs的子体¹³⁷Ba^m发射的光子和电子的份额与能量均远高于¹³⁷Cs本身^[20-21]。这也提示了快速开展放射性去污的重要性。

试算结果表明，相同活度浓度的同种放射性核素污染大气、土壤和水体所致相同年龄组公众成员的有效剂量也存在较大差异，通常污染大气所致的有效剂量更高，这与Bilgi和Gündüz ^[22]的模拟结果一致，这主要是因为大气对光子的衰减很小，而土壤和水体本身就有射线的屏蔽作用；如若考虑到大气流动性与土壤固定性的差异，在长期照射时土壤污染所致剂量反而占据更高比例^[23]。试算结果还表明，同种放射性核素污染相同环境所致公众的外照射有效剂量的年龄差异也较为明显，以⁹⁰Sr为例，对于相同活度浓度且达到放射性平衡⁹⁰Sr的土壤表面污染和水体污染，婴儿的有效剂量约为成人的6.08倍和2.51倍，主要原因是婴幼儿体型小、皮肤薄、肌肉与脂肪含量少、自身屏蔽作用也弱^[24]，尤其是在土壤被污染的情况下，由于儿童身高矮，整个身体距土壤表面更近，因此受照剂量的年龄差异更为明显^[25]。

不同研究得到不同放射性核素污染环境所致成人外照射剂量的定量比较结果表明，本研究计算得到的外照射剂量与Veinot等^[17]、Bellamy等^[18]和Yoo等^[19]的计算结果非常接近；在本研究所考虑的核素和环境中，外照射剂量的最大相对偏差仅分别为13.4%和9.9%。但对主要发射β粒子的放射性核素，本研究计算得到的外照射剂量与EPA FGR 12的计算结果仍有较大差异，如对⁸⁵Kr和¹³³Xe，相对偏差仍可达40%左右。这很可能是因为发布于1993年的EPA FGR 12所采用的体模欠精细，且其所采用的组织权重因子是来自于ICRP的第60号出版物^[26]。

需要提及的是，本研究所采用的剂量转换系数和计算模型较为理想，所采用体模多为基于高加索人建立的ICRP参考人^[27]，与中国人种存在一定差异；另外，考虑到严重事故情境下受照者所处环境的差异性及剂量估算的急迫性，本文以受照剂量最大化估算，未曾考虑环境内居留因子与房间屏蔽效应等，在实际应用中还需考虑建筑物和衣物的屏蔽^[28]、人员的姿态^[29]、环境放射性污染的均匀性^[30]等因素的影响。另一方面，对于大气污染情景，吸入放射性核素所致的内照射剂量也备受广泛关注，本研究也将充分结合现有的研究结果，在尽快开发出APP软件的同时，并继续开发可快速估算内照射剂量的应用软件。

利益冲突  无

作者贡献声明  汪景航负责软件设计、数据分析和论文撰写；陈波负责软件设计指导；卓维海负责研究和论文写作指导