本發(fā)明涉及的是一種放射源的伽馬輻射劑量仿真方法。具體地說是一種可以對核設施退役過程中產(chǎn)生的任意形狀幾何體和放射源進行伽馬輻射計算和仿真的方法。

背景技術：

核設施退役是核設施全壽命周期管理中的最后一個重要環(huán)節(jié)。由于核設施在役運行過程中，設備本身受中子活化或放射性核素污染，核設施退役的施工環(huán)境具有較強放射性，且系統(tǒng)組成結構復雜，包括一、二回路和相應的輔助系統(tǒng)，這給退役施工帶來了很大的難度。核設施退役過程中的危害主要源自于伽馬輻射的存在，為了保證核設施退役過程中人員的輻照安全性，減少退役施工過程的放射性對施工人員、公眾和環(huán)境造成的危害，需要進行alara(aslowasreasonableachievable)分析，而輻射劑量計算是進行alara分析的基礎，直接影響輻射方案的制定和決策。由于核設施具有高放射性、高復雜性的特點，無法利用實際場景進行人員培訓以及安全分析，目前，世界上不同地區(qū)的研究者均考慮利用仿真技術進行危險環(huán)境下的分析工作，已被證明是一種安全、高效和低成本的研究方式。因而，高效、準確的輻射劑量計算仿真對人員安全分析十分重要。

目前，國際上常用的輻射劑量計算方法有蒙特卡洛方法、點核方法等，并開發(fā)了相應的輻射劑量計算軟件，例如mcnp、qad、microshield等。但大都采用寫輸入文件的手動建模方式，或利用基本幾何體對場景進行簡化，導致較低的建模效率和輻射計算精度，尤其在設施退役過程中，會有大量切割、拆除工作，從而產(chǎn)生大量任意形狀的幾何體和放射源，并且設施結構經(jīng)常發(fā)生變化，在劑量計算仿真分析過程中采用手動建模或場景簡化方式將大大降低劑量評估的效率和準確性，從而影響整體方案的實施。

從上面的分析可以看出，核設施退役過程的輻射劑量計算仿真對人員安全的研究分析和退役方案的決策十分重要。然而目前研究人員通常是基于手動設計和建模的方式，設計復雜且操作不便，更沒有任意形狀幾何和放射源的自動建模方式及輻射劑量計算仿真方法。

綜上所述，開發(fā)出一套高效、可靠的針對核設施退役切割拆除過程的輻射劑量計算的仿真方法對核設施退役人員安全分析及方案設計具有重大的實際意義。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種靈活、高效、簡便的任意形狀放射源的輻射劑量仿真方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

(1)在三維建模軟件中建立物體的三維幾何模型并導出，作為初始輸入；

(2)讀取物體三維模型文件，獲取物體的網(wǎng)格模型；

(3)空間剖分；

(4)采用長方體對物體模型粗近似；

(5)采用三角形面片對物體模型表面精近似；

(6)采樣生成點核；

(7)采用點核方法進行伽馬輻射劑量計算。

本發(fā)明還可以包括：

1、所述空間剖分具體包括：

1)選取大于物體的軸對齊長方體幾何空間作為初始分割體，設定粗近似分割閾值和精近似分割閾值，采用二叉樹方式劃分幾何空間，初始劃分空間作為樹根，每次劃分以垂直于最長軸且位于最長軸中心的面作為分割面，將初始分割體平均劃分為兩個子體；

2)分割一次之后，判斷兩個子體是否與物體網(wǎng)格相交，如果子體沒有與物體網(wǎng)格相交，說明該部分位于物體外部或內(nèi)部，不需要進一步細分；反之，說明該部分與物體網(wǎng)格相交，需要在下一次分割中進一步細分逼近物體表面；

3)更新新生成的兩個子體的鄰居，如果長方體a與長方體b有一面接觸(不包括棱)，則稱a和b互為鄰居，每當一個長方體被分割后，該長方體被刪除，與該長方體相鄰的鄰居以及新生成的兩個子體需要重新計算相鄰的鄰居，重復步驟1)～3)直至達到事先確定的粗近似分割閾值。

2、所述采用長方體對物體模型粗近似具體包括：

1)確定物體外部的長方體即外部體：選取一面位于初始分割空間邊界處的一個長方體，該體元一定屬于外部體，該體元的連通鄰居同樣屬于外部體，其中連通鄰居定義為，若a、b互為鄰居，并且b不屬于邊界體(與物體邊界接觸的長方體)，則b是a的連通鄰居；如果b屬于邊界體，則b是a的非連通鄰居；

2)依次查找外部體的連通鄰居，查找出所有外部體，剔除外部體后，剩余部分為邊界體和位于物體內(nèi)部的長方體即內(nèi)部體，邊界體和內(nèi)部體共同構成物體的粗近似模型。

3、所述采用三角形面片對物體模型表面精近似具體包括：

1)獲取邊界體集合bv，選取邊界體的棱與物體有3、4、5、6個交點時的情況作為典型相交情況，進行物體表面近似，其中邊界體的每條棱與物體相交點最多為1個，整個邊界體總交點數(shù)最多為6個，交點可以異面；

2)如果bv不為空，則從中選取一個邊界體b，并將b從bv中移除；

3)判斷b是否屬于五種典型相交情況，若屬于，則生成分割截面三角形，之后回到步驟2)處理下一個邊界體；若不屬于，判斷b與物體表面交點個數(shù)是否小于3，若小于，則忽略b，回到步驟2)處理下一個邊界體；若大于3，判斷b是否達到精近似分割閾值，若達到，整個b作為物體的一部分，之后回到步驟2)處理下一個邊界體，若沒有達到，按照空間剖分步驟的方式進一步細分，產(chǎn)生為兩個新長方體c、d，若c或d中沒有屬于外部體的鄰居，則將其放入邊界體集合bv，否則將其存入外部體集合，之后回到步驟2)處理下一個邊界體；

4)重復以上步驟，直到邊界體集合為空。三角形分割截面能夠?qū)ξ矬w表面高度近似，被截取后的邊界體與內(nèi)部體共同構成物體的精近似模型。

4、三角形分割截面生成方法為：

截面三角形構成規(guī)則需滿足以下兩個條件：(1)三角形之間無重疊，并且具有公共頂點；(2)記邊界體上標記物體外部方向的標志點為g，距離g最近的邊界體上交點為p1，g和p1構成向量與構成截面的三角形法線vn夾角應小于90度，即截面三角形不進行實際分割操作，只是用作識別物體內(nèi)外的一個邊界；

1)查找邊界體上位于物體外部的標志點g，該點一定屬于外部體棱上或面上的一點；

2)記邊界體與物體交點集合為points，其含有n個元素，在points中查找距離g最近的交點b作為分割截面三角形的公共頂點，向量指向物體外部；

3)與需要構建的截面三角形法線夾角小于90度，記三角形法線為nor，則點乘將b放在points的首位，利用冒泡排序算法，對其他交點進行排序，排序規(guī)則為其中pj和pj+1是points中相鄰的兩個元素，為三角形δbpjpj+1的法線；

4)生成截面三角形δbpjpj+1(j＝1，2，…，n-1)，并計算每個截面三角形法線為

5、所述采樣生成點核具體包括：

1)輸入放射源強度，材料信息，設置點核密度為dl；

2)在每個內(nèi)部體中隨機均勻生成采樣點作為點核位置，第i個內(nèi)部體內(nèi)的采樣點個數(shù)ni＝dl×vi，其中vi為該內(nèi)部體的體積；

3)記第k個邊界體被截面三角形分割后，屬于物體內(nèi)部的體積為vk，則其內(nèi)部生成點核數(shù)量為nk＝dl×vk，采樣過程中只有位于物體內(nèi)部部分的采樣點為有效采樣點，在有效采樣位置生成一個點核，若采樣點位于物體外部則舍棄，重復以上步驟直至點核數(shù)量為nk。

6、邊界體內(nèi)采樣點有效性識別方法為：

分割截面三角形將邊界體分隔為兩部分，一部分屬于物體內(nèi)部，記為si，另一部分位于物體外部，記為so，以采樣點為起點，向方向引發(fā)一條射線，若射線與分割截面三角形相交或者與si的邊界面相交，則該采樣點位于物體內(nèi)部，在采樣點位置生成一個點核，否則，采樣點位于物體外部，舍棄。

7、所述采用點核方法進行伽馬輻射劑量計算具體包括：

輸入探測點位置，采用點核方法進行輻射劑量計算，輻射劑量d的計算公式如下：

式中，v是所建立物體精近似模型的體積；g為邊界體和內(nèi)部體的數(shù)量和；ni是精近似模型第i個長方體內(nèi)的點核數(shù)量；m為能量個數(shù)；e為光子能量；c為伽馬光子輻射效應轉(zhuǎn)換因子；s是放射源強度；b是累積因子，從ansi/ans-6.4.3以及g-p擬合公式獲得；p(e)為放射源發(fā)射能量為e的光子概率；t是伽馬光子從點核到探測點穿過所有屏蔽材料的平均自由程；rij是第i個長方體中第j個點核到探測點的距離；

式中，i空間區(qū)域編號；μi(e)為在能量為e時，光子在空間區(qū)域i的質(zhì)量減弱系數(shù)；di為點核與探測點的連線在區(qū)域i中的幾何距離；

最終，探測點處輻照劑量計算完成。

本發(fā)明提供了一套針對核設施退役切割拆除過程的輻射劑量計算，進行任意形狀放射源自動建模，然后對所考慮區(qū)域進行輻射劑量計算的一種任意形狀放射源的伽馬輻射劑量計算仿真方法。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明沒有依靠手動書寫幾何模型文件，依靠虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)任意形狀幾何體和放射源的自動建模，而且點核生成方式采用采樣方式，而非規(guī)則的網(wǎng)格離散方式，建模方法更靈活、高效，計算更簡便。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體流程框圖。

圖2是空間剖分流程框圖。

圖3是物體表面精近似流程框圖。

圖4是截面三角形生成流程框圖。

圖5(a)-圖5(e)是五種典型相交情況圖。

圖6是點核識別圖。

圖7(a)-圖7(c)是球形建模圖。

圖5(a)-圖5(e)五種典型相交情況中，圓點表示長方體棱與物體的交點，黑色正方形代表標識物體內(nèi)外方向的標志點；圖6中，圓點代表采樣點，箭頭代表射線方向，黑色正方形代表標識物體外部方向的標志點，黑色三角形為邊界體棱與物體的交點，五邊形為邊界體上位于物體內(nèi)部的角點，虛線橢圓形為射線與截面三角形和邊界體上位于物體內(nèi)部的邊界面的交點。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步描述：

本發(fā)明核設施退役仿真領域，主要是對核設施退役切割、拆除過程中產(chǎn)生的任意形狀幾何體和放射源進行伽馬輻射計算仿真。本發(fā)明包括：在三維建模軟件中建立物體的三維幾何模型并導出作為初始輸入；讀取物體三維模型文件，獲取物體的網(wǎng)格模型；空間剖分；采用長方體對物體模型粗近似；采用三角形面片對物體模型表面精近似；采樣生成點核；采用點核方法進行伽馬輻射劑量計算。

本發(fā)明采用以下技術方案：

本發(fā)明的軟件是以visualstudio2010為平臺，采用c++編寫的，其主要功能為：對三維模型文件進行讀取，對任意形狀三維模型進行高精度近似，對放射源進行參數(shù)設定，最終實現(xiàn)任意形狀幾何和放射源的輻射劑量計算和可視化。

1、在三維建模軟件中建立物體的三維幾何模型并導出，作為初始輸入；

2、讀取物體三維模型文件，獲取物體的網(wǎng)格模型，如圖7(a)中模型所示；

3、輸入?yún)?shù)粗近似分割閾值、精近似分割閾值、點核密度、放射源材料、活度、能譜、探測點位置，自動對輸入的任意幾何模型進行建模和劑量計算，過程如下：

(1)空間剖分：通過空間剖分利用一組軸對齊長方體對物體輪廓進行逼近，同時利用虛擬現(xiàn)實中的碰撞檢測技術判斷長方體是否與物體碰撞，如果碰撞，說明該長方體需要進一步細分，如果沒有碰撞，說明該長方體位于物體內(nèi)部或外部，不需要進一步細分。采用二叉樹方式迭代分割每個長方體，并用碰撞檢測排除不需要繼續(xù)分割的長方體，直至被分割的長方體最短邊達到設定的粗近似分割閾值。

結合圖2，空間剖分具體包括：

1)選取大于物體的軸對齊長方體幾何空間作為初始分割體，設定粗近似分割閾值和精近似分割閾值，采用二叉樹方式劃分幾何空間。初始劃分空間作為樹根，每次劃分以垂直于最長軸且位于最長軸中心的面作為分割面，將初始分割體平均劃分為兩個子體；

2)分割一次之后，判斷兩個子體是否與物體網(wǎng)格相交。如果子體沒有與物體網(wǎng)格相交，說明該部分位于物體外部或內(nèi)部，不需要進一步細分；反之，說明該部分與物體網(wǎng)格相交，需要在下一次分割中進一步細分逼近物體表面；

3)更新新生成的兩個子體的鄰居。如果長方體a與長方體b有一面接觸(不包括棱)，則稱a和b互為鄰居。每當一個長方體被分割后，該長方體被刪除，與該長方體相鄰的鄰居以及新生成的兩個子體需要重新計算相鄰的鄰居。重復步驟1)～3)直至達到事先確定的粗近似分割閾值。

(2)采用長方體對物體模型粗近似：最終與物體碰撞的所有長方體將物體包圍，并將位于物體內(nèi)部和外部的長方體分隔開。外部的長方體與內(nèi)部的長方體沒有連通，依次查找位于外部長方體的鄰居，并排除與物體碰撞的鄰居，則可以查詢出所有位于物體外部的長方體，排除該部分長方體，其余長方體共同構成物體的粗近似模型，如圖7(b)中模型所示。

采用長方體對物體模型粗近似具體包括：

1)確定物體外部的長方體(外部體)：選取一面位于初始分割空間邊界處的一個長方體，該體元一定屬于外部體，該體元的連通鄰居同樣屬于外部體，其中連通鄰居定義為，若a、b互為鄰居，并且b不屬于邊界體(與物體邊界接觸的長方體)，則b是a的連通鄰居；如果b屬于邊界體，則b是a的非連通鄰居；

2)依次查找外部體的連通鄰居，可以查找出所有外部體，剔除外部體后，剩余部分為邊界體和位于物體內(nèi)部的長方體(內(nèi)部體)，邊界體和內(nèi)部體共同構成物體的粗近似模型。

(3)結合圖3，采用三角形面片對物體模型表面精近似：與物體碰撞的長方體僅有一部分位于物體內(nèi)部，通過射線檢測計算長方體棱與物體表面的交點，并將交點用三角面片相連，最終將長方體分隔為兩部分，一部分位于物體內(nèi)部，另一部分位于物體外部，而三角面片則構成物體表面的局部近似。該詳細過程如下：

1)設置精近似分割閾值，獲取邊界體集合bv，選取如圖5(a)-圖5(e)所示的五種典型相交情況，以及包含的標識物體內(nèi)外方向的內(nèi)外標志點，進行物體表面近似，其中邊界體每條棱與物體相交點最多為1個，整個邊界體總交點數(shù)最多為6個，交點可以異面；

2)如果bv不為空，則從中選取一個邊界體b，并將b從bv中移除；

3)判斷b是否屬于五種典型相交情況，若屬于，則生成分割截面三角形，之后回到2)處理下一個邊界體；若不屬于，判斷b與物體表面交點個數(shù)是否小于3，若小于，則忽略b，回到2)處理下一個邊界體；若大于3，判斷b是否達到精近似分割閾值，若達到，整個b作為物體的一部分，之后回到2)處理下一個邊界體，若沒有達到，按照空間剖分步驟的方式進一步細分，產(chǎn)生為兩個新長方體c、d。若c或d中沒有屬于外部體的鄰居，則將其放入邊界體集合bv，否則將其存入外部體集合，之后回到2)處理下一個邊界體。

4)重復以上步驟，直到邊界體集合為空。三角形分割截面能夠?qū)ξ矬w表面高度近似，被截取后的邊界體與內(nèi)部體共同構成物體的精近似模型，如圖7(c)中模型所示。

結合圖4，三角形分割截面生成方法：截面三角形構成規(guī)則需滿足以下兩個條件：(1)三角形之間無重疊，并且具有公共頂點；(2)記邊界體上標記物體外部的角點為g，距離g最近的邊界體上交點為p1，g和p1構成向量與構成截面的三角形法線vn夾角應小于90度，即截面三角形不進行實際分割操作，只是用作識別物體內(nèi)外的一個邊界。

1)查找邊界體上位于物體外部的標志點g，該角點一定屬于外部體棱上或面上的一點；

2)記邊界體與物體交點集合為points，其含有n個元素，在points中查找距離g最近的交點b作為分割截面三角形的公共頂點，向量指向物體外部；

3)與需要構建的截面三角形法線夾角小于90度，記三角形法線為nor，則點乘將b放在points的首位，利用冒泡排序算法，對其他交點進行排序，排序規(guī)則為其中pj和pj+1是points中相鄰的兩個元素，為三角形δbpjpj+1的法線；

4)生成截面三角形δbpjpj+1(j＝1，2，…，n-1)，并計算每個截面三角形法線為

(4)采樣生成點核：通過在各個長方體內(nèi)部均勻采樣，選擇位于物體內(nèi)部的采樣點，在該采樣點位置生成點核，直至點核密度達到預設值。采樣點分布區(qū)域可分為兩種情況：內(nèi)部長方體、邊界長方體。前一種情況可以清楚知道所有采樣點位于物體內(nèi)部，對于邊界長方體情況，需要借助分割截面三角形計算。

結合圖6，邊界體內(nèi)采樣點有效性識別方法：分割截面三角形將邊界體分隔為兩部分，一部分屬于物體內(nèi)部，記為si，另一部分位于物體外部，記為so。以采樣點為起點，向方向引發(fā)一條射線，若射線與分割截面三角形相交，或者與si的邊界面相交，則該采樣點位于物體內(nèi)部，在采樣點位置生成一個點核，否則，采樣點位于物體外部，舍棄。

(5)采用點核方法進行伽馬輻射劑量計算：輸入探測點位置，采用點核方法進行輻射劑量計算，輻射劑量d的計算公式如下：

式中，v是所建立物體精近似模型的體積；g為邊界體和內(nèi)部體的數(shù)量和；ni是第i個長方體內(nèi)的點核數(shù)量；m為能量個數(shù)；e為光子能量；c為伽馬光子輻射效應轉(zhuǎn)換因子；s是放射源強度；b是累積因子，從ansi/ans-6.4.3以及g-p擬合公式獲得；p(e)為放射源發(fā)射能量為e的光子概率；t是伽馬光子從點核到探測點穿過所有屏蔽材料的平均自由程；rij是第i個長方體中第j個點核到探測點的距離。

式中，i空間區(qū)域編號；μi(e)為在能量為e時，光子在空間區(qū)域i的質(zhì)量減弱系數(shù)；di為點核與探測點的連線在區(qū)域i中的幾何距離。

輸入幾何為球形，為了清晰顯示效果，粗近似模型采用線框表示，可視化后的效果如圖7(a)-圖7(c)所示，從左到右依次為原始模型、粗近似模型和精近似模型。