一种任意形状放射源辐射屏蔽计算仿真方法与流程

本发明涉及核退役仿真领域，具体涉及一种任意形状放射源辐射屏蔽计算仿真方法。

背景技术：

核设施维修与退役需要准确地了解核设施三维空间辐射剂量的分布情况。在核设施退役中需要对设施进行切割，会产生大量的不规则形状的放射源。在辐射仿真过程中，为获得准确的虚拟辐射场剂量分布计算结果，就必须对复杂形状放射源进行辐射屏蔽计算。

目前，在核退役虚拟辐射场剂量计算方面，国内并无较好的处理任意形状放射源的方法。国际上普遍采用的点核积分方法将辐射场中所有标准形状放射源按照几何尺寸离散为点源，并将放射源的能谱离散为若干离散值，通过引入累积因子计算散射光子对辐射量的影响。通过分别计算不同能量与不同点源在各个剂量点的剂量值，将同一剂量点的剂量值叠加计算出探测点总的剂量值。传统的点核积分程序由于其放射源切割方法只能处理标准形状的放射源，无法准确的离散任意形状的放射源。

综上所述，开发出一种准确、可靠的计算任意形状放射源辐射场屏蔽计算的仿真方法对核退役仿真具有重大的实际意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种任意形状放射源辐射屏蔽计算仿真方法。

一种任意形状放射源辐射屏蔽计算仿真方法，包括以下步骤：

(1)根据确定参数的核设施构建模型，获得模型参数；

(2)构建放射源模型的包围盒与四面体；

(3)计算扫描平面与四面体的边的交点，得到一系列平面三角形；

(4)离散平面三角形为体素；

(5)根据体素的属性值，将放射源离散为点核；

(6)根据屏蔽体模型的包围盒构建屏蔽体的数学模型；

(7)根据屏蔽体对象顶点在程式化模型内的个数确定屏蔽体对象的外部程式化模型；

(8)根据屏蔽体模型的壳厚建立内部程式化模型；

(9)用点核积分方法计算辐射场剂量分布。

步骤(4)中，用填充扫描线算法把三角形离散成体素。

步骤(5)中，根据同一位置体素出现的次数确定体素是否属于实体模型，体素出现奇数次的属于实体模型，出现偶数次的不属于实体模型，所有属于实体模型的体素可以作为放射源离散后的点核。

步骤(6)中，遍历每个屏蔽体对象的所有顶点，构建屏蔽体的包围盒，根据屏蔽体模型包围盒的中心点与尺寸构建基于包围盒数学模型。

步骤(7)中，计算屏蔽体在直角平行六面体内的顶点个数，如果顶点数为0，则选择直角平行六面体作为屏蔽体的外部程式化模型，否则计算屏蔽体在其他数学模型内的顶点个数，选择顶点数目最多的模型作为屏蔽体对象的外部程式化模型，如果顶点个数相同，则选择体积最小的数学模型作为外部程式化模型。

步骤(9)中，使用放射源离散后的体素作为点核，各点核在探测点的剂量值为

式中，rp为点核的位置，rd为探测点的位置，e为光子能量，c(e)为伽马光子辐射效应转换因子，s(e)是点核源项强度，b(e,t(e))是累积因子，t(e)是伽马光子从点源到探测点穿过所有屏蔽材料的平均自由程，t(e)计算公式为

式中，i为伽马射线穿过的空间区域编号；ρi为空间区域i的材料密度；μi(e)/ρ为在光子能量为e时，空间区域i的材料的质量减弱系数；di为伽马射线在区域i中的几何距离，将探测点的剂量值在整个源项体积与整个能谱内积分，计算出探测点总的剂量值，积分公式为

其中，rd为探测点的位置，rp为点核的位置，e为光子能量，emax为最大光子能量。

本发明的有益效果在于：

本发明实现了辐射剂量计算软件的自动、可视建模；实现了对任意形状放射源的辐射屏蔽剂量计算。

附图说明

图1任意形状放射源辐射屏蔽计算流程图；

图2三角切割面内部体素填充图；

图3包围盒与23个数学模型示意图；

图4使用程式化模型计算平均自由程示意图；

图5描平面切割四面体示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明采用3dsmax软件建模与c++语言编程，主要功能为：构建确定参数的核设施模型，使用基于四面体转换的体素化算法将放射源离散为点核，使用程式化模型重建方法将屏蔽体转换为程式化模型用以计算平均自由程，最终利用点核积分方法计算辐射场剂量分布，实现辐射仿真。整个软件包括自动可视建模、放射源体素化离散、屏蔽体程式化重建、点核积分计算四个模块。

本发明采用以下技术方案：

1、根据确定参数的核设施用3dsmax软件构建模型，并将文件保存为3ds格式。

使用3dsmax软件建立辐射环境实体模型，并将模型放射源与屏蔽体的信息直接输入到模型内。为实体模型命名时采用实体对象命名规则；在将材质球导入到使用该材质的实体上时，材质编辑器内采用材料命名规则为材质球命名。命名规则如表1所示。

表13dsmax建模命名规则

2、将3ds核设施模型文件导入到c++程序中，获得模型参数。

3、构建放射源模型的包围盒与四面体。

根据放射源模型所有顶点信息构建模型场景包围盒。遍历放射源模型所有实体对象，构建实体对象包围盒，对包围盒内所有mesh顶点的坐标求平均，获得实体对象包围盒的参考点o，将实体表面所有的三角形面片和参考点o组合成为四面体。

4、计算扫描平面与四面体的边的交点，得到一系列平面三角形。

如图5所示，将四面体的四个顶点按照z方向坐标大小排序，以设定的体素宽度为间距，沿着z方向扫描每个四面体，得到一系列平面三角形。

5、离散平面三角形为体素。

用填充扫描线算法把三角形离散成体素。如图2所示，对于x-y平面上任意一个三角形abc，选取y方向为扫描方向，扫描线以设定的体素宽为间距。以ab边为例，扫描线y＝yi与ab边的交点xi为

同理，扫描线与其余边的交点也通过这种方法求出。最后填充每对交点之间的全部像素。

6、根据体素的属性值，将放射源离散为点核。

根据同一位置体素出现的次数确定体素是否属于实体模型。体素出现奇数次的属于实体模型，出现偶数次的不属于实体模型。所有属于实体模型的体素可以作为放射源离散后的点核。

7、根据屏蔽体模型的包围盒构建屏蔽体的数学模型。

遍历每个屏蔽体对象的所有顶点，构建屏蔽体的包围盒。如图3所示，根据屏蔽体模型包围盒的中心点与尺寸，构建基于包围盒的直角平行六面体、椭球体、椭圆柱、椭圆抛物体和直角三角柱五种23个数学模型。

1)直角平行六面体方程为：

2)椭球体方程为：

当△x＝△y＝△z时，方程为球体方程。

3)椭圆柱的母线平行于坐标轴。下面给出了母线平行z轴的椭圆柱方程：

当△x＝△y时，方程为圆柱体方程。母线平行x轴、y轴的柱体方程与此类似。

4)椭圆抛物体的母线平行于坐标轴。下面给出了母线平行z轴的椭圆抛物体方程：

母线平行x轴、y轴的椭圆抛物体方程与此类似。

5)直角三角柱的母线平行于坐标轴。下面给出了母线平行y轴的直角三角柱方程：

母线平行x轴、z轴的直角三角形柱方程与此类似。

8、根据屏蔽体对象顶点在程式化模型内的个数确定屏蔽体对象的外部程式化模型。

计算屏蔽体在尺寸稍小的直角平行六面体内的mesh顶点个数，如果顶点数为0，则选择直角平行六面体作为屏蔽体的外部程式化模型。否则计算屏蔽体在其他数学模型内的顶点个数，选择顶点数目最多的模型作为屏蔽体对象的外部程式化模型。如果顶点个数相同，则选择体积最小的数学模型作为外部程式化模型。

9、根据屏蔽体模型的壳厚建立内部程式化模型。

如果屏蔽体对象为空壳，则根据该实体对象的厚度与外部程式化模型构建实体对象的内部程式化模型。

10、用点核积分方法计算辐射场剂量分布。

使用放射源离散后的体素作为点核，各点核在探测点的剂量值为

式中，rp与rd分别为点核与探测点的位置；e为光子能量；c(e)为伽马光子辐射效应转换因子；s(e)是点核源项强度；b(e,t)是累积因子，对于单层屏蔽，程序开发中采用ansi/ans-6.4.3数据库以及g-p拟合公式计算；对于多层屏蔽，采用布罗杰尔及其合作者提出的适用于各向同性点源与各向同性平面源的累积因子计算方法；t(e)是伽马光子从点源到探测点穿过所有屏蔽材料的平均自由程，计算公式为

式中，i为伽马射线穿过的空间区域编号；ρi为空间区域i的材料密度；μi(e)/ρ为在光子能量为e时，空间区域i的材料的质量减弱系数；di为伽马射线在区域i中的几何距离。如图4所示，本发明中采用射线跟踪法，根据射线与程式化模型的相邻交点获得伽马射线在区域i中的几何距离di，计算平均自由程。

将探测点的剂量值在整个源项体积与整个能谱内积分，计算出探测点总的剂量值。积分公式为