粒子輸運的模擬方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及粒子輸運模擬領(lǐng)域，尤其是涉及一種粒子輸運的模擬方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]粒子輸運模擬領(lǐng)域廣泛使用蒙特卡羅(Monte Carlo，MC，又稱隨機模擬法)來模擬粒子輸運過程。在模擬過程中主要需要考慮兩個因素:模擬的精度和耗費的時間。因此提高蒙特卡羅模擬的精度和減少模擬的時間是粒子輸運模擬的長期目標(biāo)。
[0003]提高模擬精度的第一種方法是增加模擬的粒子數(shù)，但是粒子數(shù)增加帶來的精度提高并不明顯，反而是耗費的計算資源難以承受。蒙特卡羅模擬過程所耗費的時間絕大部分來自隨機抽樣過程的耗時。蒙特卡羅的隨機抽樣一般分為兩部分，第一部分為源抽樣產(chǎn)生初始粒子，也稱為源粒子，第二部分為非源抽樣產(chǎn)生次級粒子。如果有效降低這兩類抽樣次數(shù)，則能夠明顯地減少模擬的時間。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，一般在整個蒙特卡羅模擬過程都采用了偽隨機數(shù)抽樣，通常情況下，可以基于不同種子的偽隨機數(shù)進行抽樣，也可以基于不同算法的偽隨機數(shù)抽樣。對于前一種，偽隨機數(shù)對種子(初始值)具有強依賴性，不同的種子會產(chǎn)生不同的序列。因此，偽隨機數(shù)技術(shù)產(chǎn)生多個維度的隨機序列常用的方法是利用不同的種子產(chǎn)生不同的序列，每一個序列對應(yīng)一個維度；對于種子本身一般也要隨機選取，以避免所產(chǎn)生的多個維度對應(yīng)的隨機序列產(chǎn)生相關(guān)性。對于后一種，利用不同算法產(chǎn)生不同的隨機序列，分別對應(yīng)多個維度。不管是哪種方式產(chǎn)生的偽隨機數(shù)，均勻性都太差，需要產(chǎn)生大量粒子來降低統(tǒng)計不確定度，從而導(dǎo)致計算耗時很長。
[0005]還有一種方法是采用真隨機數(shù)進行蒙特卡羅模擬。真隨機數(shù)利用自然界的事件作為驅(qū)動產(chǎn)生真隨機數(shù)，比如采用噪聲、粒子行為等現(xiàn)象隨機性產(chǎn)生真隨機數(shù)。真隨機數(shù)產(chǎn)生的隨機數(shù)完全是獨立無相關(guān)性，因此即使采用相同類型的隨機發(fā)生器，可以用于不同維度的序列。比如產(chǎn)生10000個真隨機數(shù)，要用于4個維度，則隨意將這10000個真隨機數(shù)等分為四組即可用于四個維度。但是，真隨機數(shù)產(chǎn)生速度慢，并且均勻性和偽隨機數(shù)差不多，導(dǎo)致其使用受到限制。
[0006]另外一種方法是采用擬隨機數(shù)進行蒙特卡羅模擬。擬隨機數(shù)產(chǎn)生的不同序列主要依賴于算法，通過算法可以產(chǎn)生多維度的序列。擬隨機數(shù)的均勻性要比偽隨機數(shù)好很多，因此采用擬隨機數(shù)進行模擬可以大大降低粒子數(shù)，從而減少計算時間。但是現(xiàn)有技術(shù)中的擬隨機數(shù)技術(shù)有天然的缺陷，其只適用于規(guī)則的幾何形狀，尤其是具有對稱性的幾何形狀。
[0007]由此可見，偽隨機或者真隨機數(shù)用于蒙特卡羅模擬不受到幾何形狀的影響，但其均勻性較差，且模擬的不確定度與粒子數(shù)的-1/2次方成正比，擬隨機數(shù)的均勻性比較好，且其模擬的不確定度可達到粒子數(shù)的-1次方，在粒子數(shù)相同的情況下，用擬隨機數(shù)進行模擬的不確定度相對采用偽隨機數(shù)或真隨機數(shù)要減小很多，即，若達到相同的不確定度要求，采用擬隨機數(shù)進行模擬可以較大程度減少粒子的使用數(shù)目，但擬隨機數(shù)只適用于規(guī)則的幾何形狀，因此使用范圍很大程度上受到限制。
[0008]因此，為了解決現(xiàn)有技術(shù)中問題，本領(lǐng)域技術(shù)人員需要尋求一種新的粒子輸運的模擬方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種粒子輸運的模擬方法或系統(tǒng)，其能夠提高粒子輸運的模擬精度并減少模擬時間。
[0010]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種粒子輸運的模擬方法，包括以下步驟:設(shè)置模擬對象、感興趣區(qū)域、限束裝置以及源；抽樣產(chǎn)生源粒子，所產(chǎn)生源粒子的信息包括源粒子的權(quán)重、方向、位置、類型，且包括能量和速度其中之一；獲取穿過限束裝置后源粒子和次級粒子的信息；在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子，并模擬源粒子和次級粒子輸運過程；以及輸出輸運結(jié)果，其中，抽樣產(chǎn)生源粒子和/或在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子的方法包括超均勻隨機數(shù)抽樣方法，該超均勻隨機數(shù)是指將一個區(qū)間進行等分，從而獲得多個數(shù)，并將該多個數(shù)的順序進行打亂，從而獲得的序列。
[0011]可選地，獲取穿過限束裝置后源粒子和次級粒子的信息的步驟包括:根據(jù)預(yù)先計算的衰減值計算限束裝置后源粒子的信息。
[0012]可選地，獲取穿過限束裝置后源粒子和次級粒子的信息的步驟還包括:利用散射線計算方法，得到穿過限束裝置后次級粒子的信息。
[0013]可選地，獲取穿過限束裝置后源粒子和次級粒子的信息的步驟包括:采用蒙特卡羅方法模擬粒子穿過該限束裝置的過程，從而得到源粒子和次級粒子的信息。
[0014]可選地，該感興趣區(qū)域位于該模擬對象內(nèi)部、表面以及/或者該模擬對象與該限束裝置之間。
[0015]可選地，根據(jù)預(yù)先計算的衰減值計算限束裝置后源粒子信息的步驟包括:預(yù)先計算不同位置的粒子和不同方向的粒子穿過限束裝置的衰減值并存儲；當(dāng)一個源粒子穿過限束裝置時，根據(jù)該源粒子的位置和方向通過查詢所存儲的衰減值獲得對應(yīng)的衰減值，然后根據(jù)衰減值計算獲得源粒子在限束裝置后的權(quán)重和/或能量。
[0016]可選地，在該感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生源粒子，且將所述源粒子反向投影到該源的位置。
[0017]可選地，抽樣產(chǎn)生源粒子的方法為超均勻隨機數(shù)抽樣方法或超均勻隨機數(shù)抽樣方法和擬隨機數(shù)抽樣方法。
[0018]可選地，當(dāng)在該感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生源粒子時，還包括在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生源粒子之前，修改感興趣區(qū)域的形狀。
[0019]可選地，在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子的方法為超均勻隨機數(shù)抽樣方法、擬隨機數(shù)抽樣方法中的至少一種。
[0020]可選地，在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子的方法為偽隨機數(shù)抽樣方法、真隨機數(shù)抽樣方法中的至少一種。
[0021]可選地，抽樣產(chǎn)生源粒子的方法為擬隨機數(shù)抽樣方法，在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子的方法為超均勻隨機數(shù)抽樣方法或超均勻隨機數(shù)抽樣方法和擬隨機數(shù)抽樣方法。
[0022]可選地，在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子之前，修改感興趣區(qū)域的形狀。
[0023]可選地，抽樣產(chǎn)生源粒子的方法為偽隨機數(shù)抽樣方法、真隨機數(shù)抽樣方法中的至少一種，在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子的方法為超均勻隨機數(shù)抽樣方法或超均勻隨機數(shù)抽樣方法和擬隨機數(shù)抽樣方法。
[0024]可選地，該超均勻隨機數(shù)基于不同種子的偽隨機數(shù)、不同算法的偽隨機數(shù)、擬隨機數(shù)或真隨機數(shù)中的至少一種將所述多個數(shù)的順序進行打亂。
[0025]可選地，抽樣產(chǎn)生次級粒子的方法為預(yù)先產(chǎn)生并存儲粒子，其中產(chǎn)生的區(qū)域大小為限束裝置的最大可用區(qū)域。
[0026]可選地，抽樣產(chǎn)生源粒子的方法為在使用過程中根據(jù)限束裝置的區(qū)域的限制進行抽樣產(chǎn)生源粒子。
[0027]可選地，抽樣產(chǎn)生源粒子的方法為批量地抽樣產(chǎn)生源粒子。
[0028]可選地，將抽樣獲得的源粒子按照參數(shù)分為一個或多個批次，每個批次的源粒子并行計算。
[0029]本發(fā)明提出一種粒子輸運的模擬系統(tǒng)，包括:用于設(shè)置模擬對象、感興趣區(qū)域、限束裝置以及源的模塊；用于采用抽樣產(chǎn)生源粒子的模塊，所產(chǎn)生源粒子的信息包括源粒子的權(quán)重、方向、位置、類型，且包括能量和速度其中之一；用于獲取穿過限束裝置后源粒子和次級粒子的信息的模塊；用于在該感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子，并模擬源粒子和次級粒子輸運過程的模塊；以及用于輸出輸運結(jié)果的模塊；其中，抽樣產(chǎn)生源粒子和/或在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子的方法包括超均勻隨機數(shù)抽樣方法，該超均勻隨機數(shù)是指將一個區(qū)間進行等分，從而獲得多個數(shù)，并將該多個數(shù)的順序進行打亂，從而獲得的序列。
[0030]本發(fā)明還提出一種粒子輸運的模擬方法，包括以下步驟:設(shè)置模擬對象、感興趣區(qū)域、限束裝置以及源；抽樣產(chǎn)生源粒子，所產(chǎn)生源粒子的信息包括源粒子的權(quán)重、方向、位置、類型，且包括能量和速度其中之一；獲取穿過限束裝置后源粒子和次級粒子的信息；在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子，并模擬源粒子和次級粒子輸運過程；以及輸出輸運結(jié)果，其中，在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子的方法不同于抽樣產(chǎn)生源粒子的方法。
[0031]可選地，抽樣產(chǎn)生源粒子的方法為擬隨機數(shù)抽樣方法，在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子的方法為偽隨機數(shù)抽樣方法、真隨機數(shù)抽樣方法中的至少一種。
[0032]可選地，當(dāng)在該感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生源粒子時，還包括在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生源粒子之前，修改感興趣區(qū)域的形狀。
[0033]可選地，抽樣產(chǎn)生源粒子的方法為偽隨機數(shù)抽樣方法、真隨機數(shù)抽樣方法中的至少一種，在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子的方法為擬隨機數(shù)抽樣方法。
[0034]可選地，在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子之前，修改感興趣區(qū)域的形狀。
[0035]本發(fā)明還提出一種粒子輸運的模擬系統(tǒng)，包括:用于設(shè)置模擬對象、感興趣區(qū)域、限束裝置以及源的模塊；用于采用抽樣產(chǎn)生源粒子的模塊，所產(chǎn)生源粒子的信息包括源粒子的權(quán)重、方向、位置、類型，且包括能量和速度其中之一；用于獲取穿過限束裝置后源粒子和次級粒子的信息的模塊；用于在該感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子，并模擬源粒子和次級粒子輸運過程的模塊；以及用于輸出輸運結(jié)果的模塊；其中，在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子的方法不同于抽樣產(chǎn)生源粒子的方法。
[0036]本發(fā)明還提出一種粒子輸運的模擬方法，包括以下步驟:設(shè)置模擬對象、感興趣區(qū)域、限束裝置以及源；在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生源粒子，且將所述源粒子反向投影到該源的位置，所產(chǎn)生源粒子的信息包括源粒子的權(quán)重、方向、位置、類型，且包括能量和速度其中之一；獲取穿過限束裝置后源粒子和次級粒子的信息；在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子，并模擬源粒子和次級粒子輸運過程；以及輸出輸運結(jié)果。
[0037]本發(fā)明還提出一種粒子輸運的模擬系統(tǒng)，包括:用于設(shè)置模擬對象、感興趣區(qū)域、限束裝置以及源的模塊；用于在感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生源粒子，將所述源粒子反向投影到該源的位置的模塊，所產(chǎn)生源粒子的信息包括源粒子的權(quán)重、方向、位置、類型，且包括能量和速度其中之一；用于獲取穿過限束裝置后源粒子和次級粒子的信息的模塊；用于在該感興趣區(qū)域抽樣產(chǎn)生次級粒子，并模擬源粒子和次級粒子輸運過程的模塊；以及用于輸出輸運結(jié)果的模塊。
[0038]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的一個方面