一种不规则形状放射源的自适应辐射剂量计算仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种不规则形状放射源的自适应辐射剂量计算仿真方法，属于核设施退役仿真领域。本发明专利技术包括在三维建模软件中建立物体的三维几何模型并导出作为初始输入；读取物体三维模型文件，获取物体的网格模型；空间剖分；采用长方体对物体模型近似；物体表面的长方体与物体重合部分生成自适应点核；物体内部的长方体分割生成自适应点核；采用点核方法进行伽马辐射剂量计算。本发明专利技术采用自适应点核技术，提高计算效率，并可以根据探测点位置，通过调节点核的分布密度来满足辐射剂量计算时间与精度的需求，可以处理任意形状几何体，使剂量评估的建模、计算过程更加灵活、高效。

Simulation method of adaptive radiation dose calculation for irregular shaped radioactive sources

The invention discloses an adaptive radiation dose calculation and simulation method for irregular shape radioactive sources, belonging to the field of decommissioning simulation of nuclear facilities. The invention includes establishing a three-dimensional geometric model of an object in a three-dimensional modeling software and deriving it as an initial input; reading a three-dimensional model file of an object to obtain a mesh model of the object; spatial partitioning; approximating the object model with a cuboid; generating an adaptive point core on the overlapping part of a cuboid and an object; and in an object. The cuboid is segmented to generate adaptive point kernel, and point kernel method is used to calculate gamma radiation dose. The self-adaptive point core technology is adopted to improve the calculation efficiency, and the radiation dose calculation time and precision can be met by adjusting the distribution density of the node core according to the position of the detection point, and the geometry of any shape can be processed, so that the modeling and calculation process of the dose assessment is more flexible and efficient.

【技术实现步骤摘要】
一种不规则形状放射源的自适应辐射剂量计算仿真方法
本专利技术属于核设施退役仿真领域，具体涉及一种不规则形状放射源的自适应辐射剂量计算仿真方法。
技术介绍
核设施退役拆除工作具有周期长、高辐射、高危险特点。核设施在役运行过程中，由于设备本身受中子活化或放射性核素污染，使得施工环境具有较强放射性，严重威胁作业人员的安全。核设施退役过程中的核辐射危害主要来自伽马辐射，为了保证核设施退役过程中人员的辐射安全性，减少退役施工过程的放射性对施工人员、公众和环境造成的危害，需要进行ALARA(aslowasreasonableachievable)分析，而辐射剂量计算是进行ALARA分析的基础，直接影响辐射方案的制定和决策。由于放射性的存在，很难通过实际操作实验对作业过程进行分析，目前世界上不同地区的研究者均利用仿真技术进行危险环境下的分析工作，其已被证明是一种安全、高效和低成本的研究方式。因而，高效、准确的辐射剂量计算仿真对人员安全分析十分重要。目前，国际上常用的辐射剂量计算方法有蒙特卡洛方法、点核方法等，并开发了相应的辐射剂量计算软件，例如MCNP、QAD、Microshield等，但大都采用均匀离散生成点核分布的方式，并利用基本几何体对场景进行简化，导致较低的建模精度和辐射剂量计算效率，尤其在设施退役过程中，会有大量切割、拆除工作，从而产生任意形状的几何体和放射源，并且设施结构经常发生变化，在剂量计算仿真分析过程中采用均匀的点核生成和场景简化方式将大大降低剂量评估的效率和准确性，从而影响整体方案的实施。从上面的分析可以看出，核设施退役过程的辐射剂量计算仿真对人员安全的研究分析和退役方案的决策十分重要。然而目前研究人员通常采用对放射源均匀离散生成点核的方式进行剂量计算，当采用较高点核密度时，点核数量急剧增加，可以保证计算精度，但是计算时间急剧增加；而采用较低的点核密度时，难以保证计算精度，因此使得切割操作等动态环境下的剂量评估不灵活、低效，更没有处理不规则形状几何和放射源的自适应辐射剂量计算仿真方法。综上所述，开发出一套高效、可靠的针对核设施退役切割拆除过程的自适应辐射剂量计算的仿真方法对核设施退役人员安全分析及方案设计具有重大的实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是开发出一套针对核设施退役切割拆除过程的自适应辐射剂量计算，根据探测点位置，进行不规则形状放射源自适应点核生成，然后对所考虑区域进行辐射剂量计算的一种自适应伽马辐射剂量计算仿真方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种不规则形状放射源的自适应辐射剂量计算仿真方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一在三维建模软件中建立物体的三维几何模型并导出，作为初始输入；步骤二读取物体三维模型文件，获取物体的网格模型；步骤三空间剖分，通过空间剖分利用一组轴对齐长方体对物体轮廓进行逼近，同时利用虚拟现实中的碰撞检测技术判断长方体是否与物体碰撞，如果碰撞，说明该长方体需要进一步细分，如果没有碰撞，说明该长方体位于物体内部或外部，不需要进一步细分；采用二叉树方式迭代分割每个长方体，并用碰撞检测排除不需要继续分割的长方体，直至被分割的长方体最短边达到设定的剖分阈值；步骤四采用长方体对物体模型近似，最终与物体碰撞的所有长方体将物体包围，并将位于物体内部和外部的长方体分隔开；外部的长方体与内部的长方体没有连通，依次查找位于外部长方体的邻居，并排除与物体碰撞的邻居，则可以查询出所有位于物体外部的长方体，排除该部分长方体，其余长方体共同构成物体的近似模型；步骤五物体表面的长方体与物体重合部分生成自适应点核；步骤六物体内部的长方体分割生成自适应点核；步骤七采用点核方法进行伽马辐射剂量计算，辐射剂量D的计算公式如下：式中，n为自适应点核数量；m为能量个数；E为光子能量；C为伽马光子辐射效应转换因子；B是累积因子，从ANSI/ANS-6.4.3以及G-P拟合公式获得；P(E)为放射源发射能量为E的光子概率；t是伽马光子从点核到探测点穿过所有屏蔽材料的平均自由程；ri是第i个点核到探测点的距离；式中，i空间区域编号；μi(E)为在能量为E时，光子在空间区域i的质量减弱系数；di为点核与探测点的连线在区域i中的几何距离。所述的空间剖分包含以下步骤：步骤一选取大于物体的轴对齐长方体几何空间作为初始分割体，设定空间剖分阈值，采用二叉树方式划分几何空间；初始划分空间作为树根，每次划分以垂直于最长轴且位于最长轴中心的面作为分割面，将初始分割体平均划分为两个子体；步骤二分割一次之后，判断两个子体是否与物体网格相交；如果子体没有与物体网格相交，说明该部分位于物体外部或内部，不需要进一步细分；反之，说明该部分与物体网格相交，需要在下一次分割中进一步细分逼近物体表面；步骤三更新新生成的两个子体的邻居；如果长方体A与长方体B有一面接触且不包括棱，则称长方体A和长方体B互为邻居；每当一个长方体被分割后，该长方体被删除，与该长方体相邻的邻居以及新生成的两个子体需要重新计算相邻的邻居；步骤四重复步骤一至步骤三，直至达到事先确定的空间剖分阈值。所述的采用长方体对物体模型近似包含以下步骤：步骤一确定物体外部的长方体：选取一面位于初始分割空间边界处的一个长方体，该体元一定属于物体外部的长方体，该体元的连通邻居同样属于物体外部的长方体，其中连通邻居定义为，设长方体A、长方体B互为邻居，并且长方体B不属于与物体边界接触的长方体，则长方体B是长方体A的连通邻居；如果长方体B属于与物体边界接触的长方体，则长方体B是长方体A的非连通邻居；步骤二依次查找物体外部的长方体的连通邻居，可以查找出所有物体外部的长方体，剔除物体外部的长方体后，剩余部分为与物体边界接触的长方体和物体内部的长方体，与物体边界接触的长方体和物体内部的长方体共同构成物体的近似模型。物体表面的长方体与物体重合部分生成自适应点核包含以下步骤：步骤一首先定义比例因子a∈(0，1)，对于空间某点E，选择包含E并且自身最大尺寸为dE的一个体元VE，当dE小于等于探测点与某点的距离d与比例因子a的乘积，即dE≤a×d，体元VE可以看作一个点；步骤二在每个物体外部的长方体内部均匀采样，选取所有位于物体内部的采样点构成一个点集，记为Q，点集Q可看作为物体外部的长方体与物体重合的不规则部分的均匀离散点；步骤三在Q中选取距离探测点最近的离散点A，记A与探测点距离为d；步骤四以A为中心，为半径得到一个球形区域BF，将BF按照轴向分为8个部分，每个部分的最大尺寸l＝a×d，即每个部分均可看作点源；步骤五在Q内获取位于球域BF八个部分内的所有点，并从Q中移除，在每个部分内的离散点中心处生成一个点核，则第k个点核的强度为sk＝S·(nk/N)·(Vb/V)，其中S为放射源强度，V为放射源体积，Vb为与物体边界接触的长方体与物体重合部分的总体积，N为Q中离散点个数，nk为构成第k个点核的离散点数量；步骤六重复步骤三至步骤五，直到Q中所有离散点均被合并到相应点核中，最终物体边界处的不规则部分被简化为自适应分布的点核。物体内部的长方体分割生成自适应点核包含以下步骤：步骤一在物体内部的长方体集合中选取一个物体内部的长方体q，判断q中心与探测点距离d与物体内部的长方体最远对角的距离l的关系；步骤二若l本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种不规则形状放射源的自适应辐射剂量计算仿真方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一在三维建模软件中建立物体的三维几何模型并导出，作为初始输入；步骤二读取物体三维模型文件，获取物体的网格模型；步骤三空间剖分，通过空间剖分利用一组轴对齐长方体对物体轮廓进行逼近，同时利用虚拟现实中的碰撞检测技术判断长方体是否与物体碰撞，如果碰撞，说明该长方体需要进一步细分，如果没有碰撞，说明该长方体位于物体内部或外部，不需要进一步细分；采用二叉树方式迭代分割每个长方体，并用碰撞检测排除不需要继续分割的长方体，直至被分割的长方体最短边达到设定的剖分阈值；步骤四采用长方体对物体模型近似，最终与物体碰撞的所有长方体将物体包围，并将位于物体内部和外部的长方体分隔开；外部的长方体与内部的长方体没有连通，依次查找位于外部长方体的邻居，并排除与物体碰撞的邻居，则可以查询出所有位于物体外部的长方体，排除该部分长方体，其余长方体共同构成物体的近似模型；步骤五物体表面的长方体与物体重合部分生成自适应点核；步骤六物体内部的长方体分割生成自适应点核；步骤七采用点核方法进行伽马辐射剂量计算，辐射剂量D的计算公式如下：

【技术特征摘要】
1.一种不规则形状放射源的自适应辐射剂量计算仿真方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一在三维建模软件中建立物体的三维几何模型并导出，作为初始输入；步骤二读取物体三维模型文件，获取物体的网格模型；步骤三空间剖分，通过空间剖分利用一组轴对齐长方体对物体轮廓进行逼近，同时利用虚拟现实中的碰撞检测技术判断长方体是否与物体碰撞，如果碰撞，说明该长方体需要进一步细分，如果没有碰撞，说明该长方体位于物体内部或外部，不需要进一步细分；采用二叉树方式迭代分割每个长方体，并用碰撞检测排除不需要继续分割的长方体，直至被分割的长方体最短边达到设定的剖分阈值；步骤四采用长方体对物体模型近似，最终与物体碰撞的所有长方体将物体包围，并将位于物体内部和外部的长方体分隔开；外部的长方体与内部的长方体没有连通，依次查找位于外部长方体的邻居，并排除与物体碰撞的邻居，则可以查询出所有位于物体外部的长方体，排除该部分长方体，其余长方体共同构成物体的近似模型；步骤五物体表面的长方体与物体重合部分生成自适应点核；步骤六物体内部的长方体分割生成自适应点核；步骤七采用点核方法进行伽马辐射剂量计算，辐射剂量D的计算公式如下：式中，n为自适应点核数量；m为能量个数；E为光子能量；C为伽马光子辐射效应转换因子；B是累积因子，从ANSI/ANS-6.4.3以及G-P拟合公式获得；P(E)为放射源发射能量为E的光子概率；t是伽马光子从点核到探测点穿过所有屏蔽材料的平均自由程；ri是第i个点核到探测点的距离；式中，i空间区域编号；μi(E)为在能量为E时，光子在空间区域i的质量减弱系数；di为点核与探测点的连线在区域i中的几何距离。2.根据权利要求1所述的一种不规则形状放射源的自适应辐射剂量计算仿真方法，其特征在于，所述的空间剖分包含以下步骤：步骤一选取大于物体的轴对齐长方体几何空间作为初始分割体，设定空间剖分阈值，采用二叉树方式划分几何空间；初始划分空间作为树根，每次划分以垂直于最长轴且位于最长轴中心的面作为分割面，将初始分割体平均划分为两个子体；步骤二分割一次之后，判断两个子体是否与物体网格相交；如果子体没有与物体网格相交，说明该部分位于物体外部或内部，不需要进一步细分；反之，说明该部分与物体网格相交，需要在下一次分割中进一步细分逼近物体表面；步骤三更新新生成的两个子体的邻居；如果长方体A与长方体B有一面接触且不包括棱，则称长方体A和长方体B互为邻居；每当一个长方体被分割后，该长方体被删除，与该长方体相邻的邻居以及新生成的两个子体需要重新计算相邻的邻居；步骤四重复步骤一至步骤三，直至达到事先确定的空间剖分阈值。3.根据权利要求1所述的一种不规则形状放射源的自适应辐射剂量计算仿真方法，其特征在于，所述的采用长方体对物体模型近似包含以下步骤：步骤一确定物体外部的长...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永阔，晁楠，杨欢，夏虹，彭敏俊，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23