輻射場

輻射場，隨着現代科技的高速發展，一種看不見、摸不着的污染源日益受到各界的關注，這就是被人們稱為“隱形殺手”的電磁輻射。今天，越來越多的電子、電氣設備的投入使用使得各種頻率的不同能量的電磁波充斥着地球的每一個角落乃至更加廣闊的宇宙空間。對於人體這一良導體，電磁波不可避免地會構成一定程度的危害。

一般來説，雷達系統、電視和廣播發射系統、射頻感應及介質加熱設備、射頻及微波醫療設備、各種電加工設備、通信發射台站、衞星地球通信站、大型電力發電站、輸變電設備、高壓及超高壓輸電線、地鐵列車及電氣火車以及大多數家用電器等都是可以產生各種形式、不同頻率、不同強度的電磁輻射源。

輻射場可視化平台則融合了虛擬現實技術與輻射防護技術，該平台的開發旨在利用計算機模擬輻射場的複雜環境，進行虛擬的實驗操作和數據的實時計算與顯示，並最終在電腦終端給用户提供輻射場的顯而易見的照射情況。輻射場可視化以其直觀性、交互性、透明度高、可操作性強等特點，可以成為減少核電站工作人員照射劑量的有效手段之一。

輻射場可視化平台的研究目標是利用桌面式虛擬現實技術，藉助於鍵盤、鼠標等輸入設備，通過計算機屏幕觀察360度內的核電站廠房內輻射場變化的虛擬景象，並根據維修過程中的實時情況（例如增加或撤走屏蔽物等）計算出核電站不同組件及管道的劑量率及照射情況，實現在工況變化的情況下指揮工作人員，完成一系列特定的工作任務。通俗地講，這套系統將利用人機交互界面實時地反映廠房內輻射場的變化情況，並估算出工作人員所受的照射劑量，最後通過可視化界面為維修工作提供最佳的維修計劃來減少工作人員的照射劑量，節約生產成本。

輻射場可視化平台不僅可以進行輻射防護最優化設計，起到降低工作人員在實際操作中接受的劑量的目的，而且可以用於工作人員實際操作前的培訓以節省實驗經費、提高培訓效果。另外，輻射場可視化平台在工作人員對輻射防護有關法律法規的學習、輻射空間內進行劑量分佈情況的計算、ALARA（as low as reasonably achievable）設計分析等很多方面也有廣泛的應用空間和廣闊的應用前景。

然而，如何實現工作人員在虛擬世界中受到的劑量與實際操作過程的同步計算(迅速準確地計算劑量率)是該平台實現的難點。常用於輻射劑量計算的方法有蒙特卡羅方法和點核積分方法。蒙特卡羅方法是在計算機上解決複雜幾何條件下輻射屏蔽問題的成熟方法之一，但是該方法速度較慢，某些劑量計算運行一次往往需要花費數個小時乃至數天。另外一種方法是點核積分方法，與蒙特卡羅方法相比較，它不僅不受空間尺寸和屏蔽體厚度的限制，而且機時量小，具有比較高的計算效率。目前國際上通用的點核積分程序為QAD-CG程序。該程序以點核積分方法計算粒子在幾何空間中的穿透行為，通過組合搭配形成實際需要的幾何空間，使用射線跟蹤方法來提高粒子在幾何空間中穿行的光學距離的計算速度，能夠分別計算出體源在空間各點處所造成的注量率、劑量率和釋熱率。因此，藉助於點核積分程序進行輻射場可視化研究是可行的。 ^[1] 

虛擬現實技術在國外的輻射防護領域已經得到了廣泛而深入的f講究與應用，包括ALARA設計分析、工作人員培訓、輻射場內劑量分佈計算與顯示等方面。

美國國家航空與宇宙航行局開發了一套虛擬現實系統，用於太空艙內的輻射防護最優化設計。該系統通過改變太空艙內的屏蔽設計方案達到優化的目的，並能夠實時地計算出太空艙內輻射場的變化情況。該項設計體現了ALARA原則，即通過劑量預測及進行屏蔽優化設計，使得工作人員在一項任務中受到的照射劑量合理可行儘可能低。

西班牙專門針對Confrentes核電站換料過程開發了一套CIPRES（Interactive Calculations of Radiological Protection in a Simulation Environment）系統，該虛擬現實系統能夠對整個換料過程進行劑量計算。CIPRES系統通過模擬核電站換料過程中的操作步驟，並對這些步驟以及輸入數據進行分析，計算出關鍵區域的劑量分佈情況，並據此建立相應的計算模型。該系統的目的旨在通過對換料工作人員進行實際操作前的培訓，熟練操作過程，進而達到減少操作時間，並最終實現控制輻射劑量的目的。

歐洲核能機構，即ENEA則把虛擬現實技術應用到了核設施退役工作中，在這項任務中，有一些被污染的手套箱需要被拆除，ENEA據此開發了一套虛擬現實系統來模擬拆除裝置，並使用該系統對操作人員進行工作前培訓。

比利時開發了三維可視化工具VISIPLAN 3D ALARA Planning Tool，用於操作前的培訓，該系統能針對現實場景進行簡化建模，並進行劑量分佈計算，取得了很好的進展。 ^[2] 

韓國利用JAVA編程語言和虛擬現實技術，開發了核電站劑量分佈模擬系統，該系統可以在虛擬場景中通過對輻射環境下開展工作的模擬，成功地預測虛擬工作人員的照射劑量情況，並通過三維圖形可視化的方式將輻射危險區域進行特別顯示，該系統能夠有效地避免輻射區的工作人員接受不必要的照射。

日本則針對核電站檢修過程，開發了一套用於輻射防護的虛擬現實平台，該平台主要對三維輻射場的可視化問題進行了相關研究，藉助彩色圖形界面來表示不同程度的輻射劑量率，能夠反映出核電站不同管道和組件的劑量率和照射情況。不足之處是該系統只能提供局部區域的照射情況，不能表現出整個輻射場空間的劑量率。

核電站輻射防護是保證工作人員安全的重要環節之一，核電站安全運營的目標是在正常運行工況和預計運行事件工況下為工作人員提供輻射防護，使他們的受照劑量在任何情況下都不超過標準中給出的職業照射劑量限值。因此，劑量限值不僅僅是生物學和醫學方面的量值，它與社會、經濟以及人們對危險的接受程度也緊密相關。在考慮到經濟和社會因素之後，一切照射應當保持在可以合理達到的最低水平，而個人受到的劑量也不得超過設計限制。在核電站安全運行的基礎之上，核電站的經濟效益也是必須考慮的一個重要因素，核電站為安全性考慮，基建投資大，維護費用高，已成為經濟性的對立面，如何把核電站的安全性與經濟性統一起來也是目前正在發展的第三代核電站所要努力的目標。 ^[3] 

據統計，國內核電站的工作人員在正常運行時的日常活動所受的劑量佔年總劑量的大約20%；而在核電站大修期間，工作人員所受到的劑量要佔到年總劑量的約80%。在大修期間的輻射防護主要是靠縮短工作人員在輻射區的停留時間來減少受照劑量。但是很多研究表明，受照劑量不僅和停留時間相關，也和工作人員與輻射源的距離相關。因此在國內目前的防護設施和手段大多不是很完備的情況下，無疑增加了工作人員被照射的風險、維修的費用和實驗平台建設的資金投入。而目前國際上比較前沿的虛擬現實技術則可以通過模擬現實環境，計算出的核電站不同組件及管道的劑量率和照射情況，並以形象圖形的形式實時地提供最佳維修路線，有效地減少個人受照劑量及運行成本。 ^[4]