我国地域辽阔，随着经济与社会的持续发展，航空事业呈现出迅猛发展的态势。截至2024年底，我国民航航空机组人员总数已达到18.1万人，其中飞行员人数为8.9万，乘务员人数为9.2万^[1]。航空机组人员在飞行过程中会受到宇宙辐射照射。联合国原子辐射效应科学委员会(UNSCEAR)指出，航空机组人员是电离辐射暴露水平较高的职业人群之一，因此应高度关注其宇宙辐射暴露风险^[2]。研究表明，航空机组人员所受的年有效剂量已显著超过国际放射防护委员会(ICRP)建议的公众年照射剂量限值(1 mSv)^[3-5]。在航空飞行高度，航空机组人员所受中子剂量约占总宇宙辐射剂量的50%左右^[6]。因此，在对航空机组人员辐射剂量评估中，考虑中子剂量显得尤为重要。欧美等国家已建立了本土部分航线中子辐射剂量实测数据库，以便对航空机组人员的宇宙辐射剂量进行估算与验证^[7]。但是，我国在这一领域的研究较为有限。因此，本研究对国内典型航线进行了中子周围剂量当量测量，旨在为我国航空机组人员宇宙辐射剂量的估算与验证提供数据支撑。

1.研究对象：为尽可能全面覆盖国家空域，并考虑北京首都国际机场为国内主要和吞吐量较高的机场^[8]，结合实际航班直飞情况，本研究选择了以北京首都国际机场为起点和终点的23条国内航线，以及1条深圳至沈阳的航线进行测量，共计24条航线。

所选航线覆盖北京、珠海、三亚、福州、南宁、昆明、大连、广州、深圳、沈阳、海拉尔、拉萨、喀什、临汾14个城市，范围从北纬18°17′至49°07′，东经75°50′至123°29′。测量时间从2024年3月8日至2024年11月10日，涉及波音737、波音777、空客A330和空客A320等机型。实测起飞时间为12~51 min，巡航时间为32~275 min，下降时间为19~59 min，平均巡航高度为6 555~12 631 m。最远航程为北京—喀什，实测飞行时长达3 h 41 min；最近航程为北京—临汾，飞行时长为65 min。纬度跨越最大的是北京—三亚往返航线，南北跨越约21°46′(从北纬40°3′到18°17′)，经度跨越最大的是北京—喀什往返航线，东西跨越40°45′(从东经116°35′至75°50′)。

2.测量设备：为开展航空辐射场中子剂量监测研究，本研究选用美国Los Alamos实验室和San Jose大学等联合研制的FHT762-WENDI2型宽能中子探测器进行实时测量。该探测器是一种便携式周围剂量当量仪，主要由³He管和装有钨粉壳的厚聚乙烯圆柱形慢化剂组成^[9]。该探测器对从热中子到5 GeV范围内的中子具有良好响应能力，并且γ射线抑制能力强，能够满足航空飞行中宇宙辐射中子周围剂量当量率测量的需求。此前已有学者使用该探测器对日本本州岛近地航线以及纽约—首尔长途极地航线进行了测量，结果表明该探测器非常适合用于航空飞行中子周围剂量当量率实时测量^{[6, 10]}。FHT762-WENDI2中子周围剂量当量仪刻度工作在中国计量科学研究院完成。将仪器置于²⁴¹Am-Be中子源参考辐射场中，有效测量点为探测器几何中心，中子束流从探测器侧面入射。测量采用半经验法，并用简化拟合法复核。中子注量-中子周围剂量当量转换系数为391 pSv·cm²，不确定度为4%。经检定，FHT762-WENDI2中子周围剂量当量仪中子周围剂量当量率校准因子为1.030，其不确定度为4.6%(k=1)，仪器重复性为2.1%。

为实现对飞行轨迹参数(包括飞行高度、经纬度坐标等)的实时动态监测，本研究选用彩途NAVA手持海拔仪(北京华辰北斗信息技术有限公司)进行测量。该设备兼容北斗/GPS/GLONASS三模卫星导航系统，定位精度为1~3 m，可同步采集气压高度、经纬度数据及环境温度参数，满足航空轨迹监测和采集需求。

3.测量方案：将FHT762-WENDI2中子周围剂量当量率仪随身携带上飞机，置于座位下方。为保证测量时FHT762-WENDI2读数稳定，起飞前20 min提前开机。此外，为保证海拔仪信号稳定，尽量选择靠窗位置进行测量。飞机起飞后，每隔1 min手动记录FHT762-WENDI2实时监测的中子周围剂量当量率，并同步使用彩途NAVA手持海拔仪标记航点，记录经纬度和海拔高度等信息，直至飞机降落，从而实现飞行过程中对中子周围剂量当量率、飞行高度、经纬度、起飞时间、巡航时间及降落时间的实时记录。

4.数据处理与分析：导出实测数据，将数据整理成每分钟的剂量率与地理位置的经纬度及海拔高度一一对应的形式。按照下列公式计算航线中子周围剂量当量和平均中子周围剂量当量率：

式中，H^*(10)为航线中子周围剂量当量，μSv；t₀为飞行时间，h；$\dot{H}^*(10)$为FHT762-WENDI2测量的相邻两点的中子周围剂量当量率平均值，μSv/h；$\overline{H^*(10)}$为航线上平均中子周围剂量当量率，μSv/h。

本研究采用多重回归分析方法分析各飞行轨迹参数对航线中子周围剂量当量影响程度。基于逐步回归分析方法，使用Stata 13.0软件，以对数变换后的航线中子周围剂量当量为因变量，飞行时间、平均飞行高度、平均巡航高度、出发地经纬度、目的地经纬度为自变量，建立回归模型。自变量纳入模型判定标准为P ≤ 0.05，剔除标准为P ≥ 0.10。所有统计学检验均采用双侧检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

1.实测航线剂量：本研究实测了24条航线中子周围剂量当量率随飞行时间、飞行高度、经纬度等的变化。图 1所示为纬度跨度最大(即：北京—三亚往返航线)和经度跨度最大(即：北京—喀什往返航线)的往返4条航线中子周围剂量当量率随飞行轨迹的变化图。从图 1可以看出，在飞机起飞和下降阶段，中子周围剂量当量率受飞行高度的影响显著，呈近似线性正相关关系。在飞机巡航阶段，中子周围剂量当量率受纬度影响较大，随纬度的升高而变大。此外，中子周围剂量当量率受经度影响较小。24条航线测量结果显示，在地面高度时，中子周围剂量当量率通常为几nSv/h；而进入巡航高度(为6 000~13 000 m)，中子周围剂量当量率范围为0.32~2.47 μSv/h，约为地面中子周围剂量当量率的数十倍到上百倍。其中，巡航阶段中，最低中子周围剂量当量率出现在北京—大连航线，坐标为海拔6 418 m、东经118°46′、北纬38°57′；最高中子周围剂量当量率出现在海拉尔—北京航线，坐标为海拔11 636 m、东经120°43′、北纬47°9′。

图 1 北京—三亚、北京—喀什往返航线上中子周围剂量当量率随飞行轨迹的变化图A. 2024年3月21日北京—三亚航线；B. 2024年3月22日三亚—北京航线；C. 2024年10月31日北京—喀什航线；D. 2024年11月1日喀什—北京航线 Figure 1 The variation in neutron ambient dose equivalent rate along the round-trip routes from Beijing to Sanya and from Beijing to Kashgar A. From Beijing to Sanya on March 21, 2024; B. From Sanya to Beijing on March 22, 2024; C. From Beijing to Kashgar on October 31, 2024; D. From Kashgar to Beijing on November 1, 2024

24条航线的中子周围剂量当量测量结果如表 1所示。表中列出了每条航线的日期、上升时间、巡航时间、下降时间、平均巡航高度以及所测航线中子周围剂量当量等。从结果中可以看出，平均中子周围剂量当量率范围为0.20~1.30 μSv/h(北京—大连，北京—喀什)，航线中子周围剂量当量范围为0.21~7.40 μSv(北京—大连，北京—喀什)。北京—大连航线平均巡航高度最低，为6 555 m，其巡航阶段的平均中子周围剂量当量率为0.38 μSv/h。北京—广州航线平均巡航高度最高，为12 631 m，其巡航阶段的平均中子周围剂量当量率为1.14 μSv/h。

表 1(Table 1)

表 1 实测航线中子周围剂量当量结果 Table 1 Measured results of neutron ambient dose equivalent on the flight routes 序号 航线 飞行日期 飞行时间(min) 平均巡航高度(m) 实测平均中子周围剂量当量率(μSv/h) 实测航线中子周围剂量当量(μSv) CARI-7A计算航线中子周围剂量当量(μSv) 实测航线中子周围剂量当量与CARI-7A计算值的相对偏差(%) 1 北京—珠海 2024-03-08 189 9 910 0.56 1.73 1.45 19.31 珠海—北京 2024-03-09 181 10 311 0.52 1.56 1.36 14.71 2 北京—三亚 2024-03-21 207 11 843 0.78 2.84 4.87 -41.68 三亚—北京 2024-03-22 205 10 600 0.54 1.85 1.65 12.12 3 北京—福州 2024-04-01 142 9 587 0.50 1.26 1.20 5.00 福州—北京 2024-04-02 148 10 116 0.46 1.13 1.11 1.80 4 北京—南宁 2024-04-18 182 10 012 0.57 1.72 1.59 8.18 南宁—北京 2024-04-19 184 10 461 0.50 1.54 2.59 -40.54 5 北京—昆明 2024-04-25 207 11 667 0.98 3.28 2.44 34.43 昆明—北京 2024-04-26 207 10 995 0.75 2.49 2.68 -7.09 6 北京—大连 2024-05-27 62 6 555 0.20 0.21 0.20 5.00 7 北京—广州 2024-06-20 169 12 631 0.85 2.40 2.01 19.40 广州—北京 2024-06-21 124 12 006 0.65 1.56 1.43 9.09 8 北京—深圳 2024-07-20 174 11 614 0.61 1.77 1.49 18.79 9 深圳—沈阳 2024-07-24 204 10 896 0.72 2.44 2.13 14.55 10 沈阳—北京 2024-07-25 81 7 561 0.32 0.43 0.39 10.26 11 北京—海拉尔 2024-09-05 117 9 924 0.81 1.57 1.63 -3.68 海拉尔—北京 2024-09-06 118 11 417 1.06 2.14 2.05 4.39 12 北京—拉萨 2024-09-24 226 10 204 0.80 3.01 2.62 14.89 拉萨—北京 2024-09-26 209 11 523 0.94 3.31 2.75 20.36 13 北京—喀什 2024-10-31 341 11 098 1.30 7.40 6.38 15.99 喀什—北京 2024-11-01 268 10 639 1.05 4.70 4.23 11.11 14 北京—临汾 2024-11-08 65 7 681 0.33 0.36 0.33 9.09 临汾—北京 2024-11-10 88 7 381 0.29 0.43 0.39 10.26 平均偏差 - - - - - - 14.65 注：“-”为无数据。平均巡航高度为飞行在巡航阶段所维持高度的平均值；平均偏差为相对偏差取绝对值后计算所得

表 1 实测航线中子周围剂量当量结果 Table 1 Measured results of neutron ambient dose equivalent on the flight routes

为进一步验证实验测量结果的准确性，将其与国际上常用的宇宙辐射剂量模拟程序CARI-7A计算结果做比较^[11-13]。根据实时采集的飞行时间、飞行高度和经纬度等数据，生成CARI-7A计算所需的*.DEG格式文件，以模拟计算遵循实际飞行路径的24条航线中子周围剂量当量。从表 1可以看出，航线中子周围剂量当量平均相对偏差为14.65%，表明实测值与CARI-7A计算值吻合良好。其中，福州—北京航线中子剂量相对偏差最小(1.80%)，北京—三亚、南宁—北京的航线中子剂量相对偏差最大(-41.68%、-40.54%)。

2.航线中子周围剂量当量影响因素分析：为量化各飞行轨迹参数对航线中子周围剂量当量影响程度，采用逐步回归法建立航线中子周围剂量的回归模型。经检验，航线中子周围剂量当量数据方差不齐，故进行自然对数变换，以满足方差齐性要求。将飞行时间、平均巡航高度、出发地经度、出发地纬度、目的地经度、目的地纬度作为自变量，对数变换后的航线中子周围剂量当量ln[H^*(10)]作为因变量，建立回归模型，结果列于表 2。

表 2(Table 2)

表 2 回归模型标准化回归系数 Table 2 Standardized regression coefficients of regression model 变量 标准化回归系数 t值 P值 VIF值 归一化影响程度(%) 飞行时间 0.620 13.45 ＜0.001 1.613 41.47 平均巡航高度 0.539 11.06 ＜0.001 1.801 36.05 出发地纬度 0.184 4.35 ＜0.001 1.354 12.31 目的地纬度 0.152 3.51 0.002 1.414 10.17

表 2 回归模型标准化回归系数 Table 2 Standardized regression coefficients of regression model

结果表明，本研究建立的回归模型整体回归效果检验(F=12.31，P < 0.05)，表明该回归模型具有统计学意义。决定系数R²=0.975，调整后R²=0.970，表明该模型可以解释97.0%的航线中子周围剂量当量变化。经检验，出发地经度和目的地经度差异无统计学意义(P > 0.05)，这两个变量在建立回归模型时被剔除。其余纳入模型的4个变量对航线中子周围剂量当量的回归均具有统计学意义(t=13.45、11.06、4.35、3.51，P < 0.05)，且各个变量的VIF值均＜5(范围为1.354~1.802)，表明自变量之间不存在严重的多重共线性，模型构建良好。从表 2中还可以看出，飞行时间、平均巡航高度、出发地/目的地纬度与航线中子周围剂量当量呈正相关，即飞行时间越长，平均巡航高度、平均飞行纬度越高，航线中子周围剂量当量越大。从标准化回归系数可以看出，飞行时间和平均巡航高度是影响航线中子周围剂量当量的主要因素，影响ln[H^*(10)]的程度分别占41.47%和36.05%；其次是出发地纬度和目的地纬度，影响程度占12.31%和10.17%。

3.航空机组人员宇宙辐射剂量估算：《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》(交通运输部令2024年第7号)规定，飞行员累积飞行时间任一日历月不得超过100 h，任一日历年不得超过900 h；乘务员累积飞行时间任一日历月不得超过100 h，任一日历年不得超过1 100 h。Bartlett等^[14]研究表明，在航空飞行高度，航空机组人员所受有效剂量比周围剂量当量高20%~30%。因此，为估算航空机组人员的宇宙辐射剂量，本研究取有效剂量为周围剂量当量的1.25倍估算。此外，考虑到航空机组人员所受中子剂量约占总宇宙辐射剂量的50%左右^[6]，将航空机组人员所受总宇宙辐射剂量约为中子辐射剂量的2倍估算。按照年最长累积飞行时间(飞行员900 h，乘务员1 100 h)，24条所测航线的航空机组人员所受中子辐射剂量和总宇宙辐射剂量估算结果如图 2所示。从结果中可以看出，24条航线的飞行员所受平均年中子辐射剂量约为0.75 mSv，平均年总宇宙辐射剂量约为1.51 mSv；乘务员所受平均年中子辐射剂量约为0.92 mSv，平均年总宇宙辐射剂量约为1.84 mSv。其中，北京—昆明、海拉尔—北京、拉萨—北京、北京—喀什、喀什—北京航线上，飞行员和乘务员的年中子辐射剂量均超过了公众年剂量限值(1 mSv)；北京—三亚、昆明—北京、北京—广州、北京—海拉尔、北京—拉萨航线上，仅乘务员所受年中子辐射剂量超过了公众年剂量限值；除北京—大连、沈阳—北京、北京—临汾、临汾—北京这4条短距离航线外，其余20条航线的飞行员和乘务员所受年总宇宙辐射剂量均超过了公众年剂量限值。北京—喀什飞行员和乘务员所受年总宇宙辐射剂量最高，分别约为2.93和3.58 mSv；其次为海拉尔—北京航线，飞行员和乘务员所受年总宇宙辐射剂量分别约为2.91和2.38 mSv。

图 2 24条航线航空机组人员所受宇宙辐射剂量估算 Figure 2 Estimates of cosmic radiation doses received by aircrew on 24 flight routes

国际上，ICRP在第60号出版物中已建议将商用喷气式客机航空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，连续5年的年平均有效剂量不得超过20 mSv^[15]。国际原子能机构(IAEA)建议将航空机组人员所受宇宙射线职业照射纳入国家辐射防护法规体系，并建议各国建立适当的剂量评估机制^[16]。为评估航空机组人员辐射暴露情况，英国民航局曾于2000年1月启动了使用主动探测器组织等效正比计数器(tissue equivalent proportional counter，TEPC)对航空机组人员在飞行过程中宇宙辐射剂量进行测量的项目^{[7, 17]}。该项目共测量了超过700条航线的剂量数据，建立了航线剂量实测数据库，用于宇宙辐射剂量估算软件的开发和验证。目前已有多个国家自主开发了宇宙辐射剂量估算软件，而我国尚未建立法定的宇宙辐射剂量估算工具^{[11, 18]}。因此，对我国典型航线的中子周围剂量当量进行了测量和分析，以期为评估我国航空机组人员宇宙辐射中子剂量水平和国内宇宙辐射剂量估算软件自主研发提供数据支撑。

本研究所测24条航线的平均中子周围剂量当量率为0.20~1.30 μSv/h，航线中子周围剂量当量为0.21~7.40 μSv。该结果与Yasuda等^{[6, 10]}使用相同型号探测器测量的航线中子周围剂量当量水平接近。Yasuda等^{[6, 10]}使用FHT762-WENDI2中子周围剂量当量仪测量了3条航线，所测中子周围剂量当量率范围为0.70~5.80 μSv/h，测量结果与模拟计算结果吻合较好。本研究测量的航线平均中子周围剂量当量率最大值小于上述研究结果的最大值(1.30 vs. 5.8 μSv/h)，可能是由于后者在测量纽约到首尔的极地航线时巡航高度(3~4 km)和纬度较高所致，也有可能由于本研究在太阳活动极大期的2024年开展，后者在太阳活动极小期的2009年开展，太阳活动水平不同导致测量结果有差异^[19]。

从中子周围剂量当量率随飞行轨迹的变化图中看出，航线中子周围剂量当量率主要受纬度和海拔的影响。在起飞和下降阶段，海拔对中子周围剂量当量率的影响要大于纬度的影响；在巡航阶段，由于飞行高度变化不大，纬度是影响中子周围剂量当量率的主要因素。航线中子周围剂量当量回归模型分析结果显示，影响航线中子周围剂量当量的主要因素是飞行时间和平均巡航高度，飞行时间越长，平均巡航高度越高，航线中子周围剂量当量越高。其次是出发地纬度和目的地纬度，飞行纬度越高，航线中子周围剂量当量越高。其中，北京—喀什的航线中子周围剂量当量比喀什—北京的航线中子周围剂量当量高57.45%，主要是由于北京—喀什的飞行时间长于喀什—北京的飞行时间(341与268 min)。北京—海拉尔往返航线的飞行时间几乎一致(117与118 min)，但是海拉尔—北京航线中子周围剂量当量比北京—海拉尔航线高36.31%，可能主要受平均巡航高度的影响(11 417与9 924 m)。

此外，实测航线中子周围剂量当量与CARI-7A计算值之间的平均相对偏差约为14.65%，表明实测值与CARI-7A计算值吻合良好。但是北京—三亚、南宁—北京航线中子周围剂量当量的CARI-7A计算值显著高于测量值，相对偏差分别为-41.68%和-40.54%。这可能与两条航线的测量时间与地磁暴发生时间高度重合有关(2024年3月21日11 ∶05—16 ∶05、2024年4月19日14 ∶00—17 ∶45，全球地磁活动指数K_p均为5)^[19]。一是CARI-7A计算航线周围剂量当量时考虑了地磁暴的影响，可能对低纬度地区存在过度补偿；二是FHT762-WENDI2中子周围剂量当量仪作为电子设备，可能受地磁暴干扰，以及探测器可能对高能中子不能及时响应，从而导致探测器可能无法准确反映实际剂量。此外，实测值与CARI-7A计算值存在偏差，这可能也与CARI-7A计算的是自由大气中的航线中子周围剂量当量，未考虑飞机结构有关，也可能由于FHT762-WENDI2刻度所用放射源 ²⁴¹Am-Be中子源中子能量与航空高度实际中子辐射环境存在差异导致。

《空勤人员宇宙辐射控制标准》(GBZ 140-2002)^[20]要求对有效剂量预计在1~5 mSv/年的航空机组人员应进行个人剂量估算或监测，并告知航空机组人员结果。女性航空机组人员从发现妊娠之日起，在孕期余下的时间内其腹部表面累积接受剂量不应超过1 mSv。本研究结果表明，除4条短距离航线外，其余20条航线的飞行员和乘务员所受年总宇宙辐射剂量均超过了公众年剂量限值(1 mSv)。特别是对于北京—喀什、海拉尔—北京这种飞行时间较长、飞行纬度较高航线，航空机组人员所受宇宙辐射剂量较高。因此，对于频繁飞行和飞极地航线的航空机组人员，累积剂量可能较高，应加强航空飞行的辐射剂量监测和管理。

在今后研究中，将进一步开展蒙特卡罗模拟工作，结合实测数据，研究太阳活动、地磁暴等对航线中子周围剂量当量的影响，并将寻找与航空高度实际中子辐射环境尽量接近的参考辐射场，进一步完善FHT762-WENDI2中子周围剂量当量仪的刻度，提高测量精度。此外，采集航空机组人员飞行日志等数据，进一步精确估算宇宙辐射剂量。

利益冲突  无

作者贡献声明  范胜男负责实验测量、数据分析及论文撰写；赵宇、肖虹、胡晓勤负责实验方案设计及论文修改；张雨、李梦雪负责实验测量及数据分析；邓君负责研究设计、实验测量及指导论文撰写；陈清峰、孙全富指导论文修改