本發(fā)明涉及的是一種核設(shè)施退役輻射場劑量分布計算仿真方法。

背景技術(shù)：

在核能與核技術(shù)的發(fā)展過程中，核安全與輻射防護一直是全社會關(guān)注的焦點。輻射劑量分布計算是核安全評估和輻射防護的基礎(chǔ)，輻射劑量計算為安全評估和核輻射環(huán)境的虛擬模擬提供了數(shù)據(jù)支持，有助于降低輻射對工作人員的傷害。

輻射場劑量分布大多采用探測器直接測量、蒙特卡洛程序mcnp和點核積分計算。直接測量能獲取較高的準確度，但是可能無法在某些關(guān)鍵位置放置探測器并且會增加經(jīng)濟代價。蒙特卡洛程序能夠適應(yīng)于復(fù)雜幾何形狀，并且能夠取得比較精確的結(jié)果，因此被廣泛運用于粒子輸運模擬。點核積分方法是一種更為簡潔高效的計算模型，通過引入累積因子來考慮散射光子對輻射量的影響，在屏蔽設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用。但是蒙特卡洛和點核積分方法的計算效率較低，需要利用源項數(shù)據(jù)和場景結(jié)構(gòu)信息編寫劑量計算使用的輸入卡，這些方法不易于使用。

目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是核設(shè)施退役仿真的一種重要手段。核退役仿真程序可以實現(xiàn)輻射分布數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和可視化，從而實現(xiàn)人員受照劑量的評估和安全評價。因此，劑量分布計算結(jié)果逐漸應(yīng)用于核設(shè)施退役仿真。

從上面的分析可以看出，劑量分布計算對核安全與輻射防護的研究分析十分重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種不依賴輻射源項，利用有限的劑量監(jiān)測點的監(jiān)測信息就能模擬出整個工作區(qū)域的輻射劑量分布的核設(shè)施退役輻射場劑量分布仿真方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

步驟1：確定核退役設(shè)施場景中要模擬的輻射場的幾何信息，輻射源的位置和屏蔽對象的幾何信息；

步驟2：根據(jù)輻射源的位置和屏蔽對象的位置，建立劑量監(jiān)測點分布網(wǎng)絡(luò)，用于提取樣本數(shù)據(jù)；

步驟3：根據(jù)輻射場中是否有屏蔽對象，將劑量分布計算分為分區(qū)劑量計算和不分區(qū)劑量計算；

步驟4：根據(jù)樣本數(shù)據(jù)，構(gòu)建徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；

步驟5：通過反距離權(quán)重法計算任意一點的劑量值；

步驟6：計算輻射場的劑量分布，

通過輻射場的邊界和相鄰劑量點的距離，確定所有劑量點的坐標，通過徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算出這些劑量點的劑量值，利用反距離權(quán)重法計算任意一點的劑量。

本發(fā)明還可以包括：

1、所述建立劑量監(jiān)測點分布網(wǎng)絡(luò)具體包括：

根據(jù)劑量監(jiān)測點分布方法設(shè)置劑量監(jiān)測點網(wǎng)絡(luò)，獲取的監(jiān)測點的劑量率和位置存入數(shù)據(jù)表中作為樣本數(shù)據(jù)；

劑量監(jiān)測點布置原則為：(1)劑量監(jiān)測點能很有效地代表整個輻射場區(qū)間，表征問題的基本特性；(2)避免突變情況，即屏蔽效果；(3)放射源在要計算的輻射場外；根據(jù)劑量監(jiān)測點布置原則，設(shè)計2種劑量監(jiān)測點分布網(wǎng)絡(luò)：同心圓分布網(wǎng)絡(luò)和均勻網(wǎng)格分布網(wǎng)絡(luò)；

1)同心圓分布網(wǎng)絡(luò)

同心圓分布網(wǎng)絡(luò)首先以輻射源的幾何中心位置為圓心，并以不同的半徑勾畫同心圓，從同心圓的圓心引出射線，在射線與同心圓的交匯處確定為劑量監(jiān)測點；

2)均勻網(wǎng)格分布網(wǎng)絡(luò)

運用網(wǎng)格平均分割輻射區(qū)域為若干個單元格，將劑量監(jiān)測點均勻分散在輻射區(qū)域的部分單元格中心，劑量監(jiān)測點的間距是單元格邊長的整數(shù)倍。

2、所述將劑量分布計算分為分區(qū)劑量計算和不分區(qū)劑量計算具體包括：

如果輻射場內(nèi)存在屏蔽對象，將劑量監(jiān)測點分布網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，具體分區(qū)步驟是：從放射源發(fā)出射線與屏蔽的邊界相交；屏蔽對象的邊界和射線將工作區(qū)分為n個區(qū)域；這些區(qū)域分為兩大類：未被直接照射的區(qū)域和直接照射的區(qū)域，遍歷n個區(qū)域，依次提取區(qū)域內(nèi)的樣本進行后續(xù)步驟的區(qū)域內(nèi)劑量分布計算；

如果不存在屏蔽對象，直接將輻射場視為一個整體，提取整個輻射場的樣本進行區(qū)域內(nèi)劑量分布計算。

3、所述構(gòu)建徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具體包括：

(1)基于k-均值聚類方法求取基函數(shù)中心c；

1)網(wǎng)絡(luò)初始化，隨機選取h個樣本作為聚類中心ci(i＝1，2，...，h)；

2)將輸入的樣本集合按照最近鄰規(guī)則分組：按照樣本xp與中心為ci之間的歐氏距離將xp分配到輸入樣本的各個聚類集合中；

3)重新調(diào)整聚類中心：計算各個聚類中贗本的平均值，如果新的聚類中心不發(fā)生變化，所得到的ci為徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最終的基函數(shù)的中心，否則返回2)；

(2)徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基函數(shù)為高斯函數(shù)，方差σi由下式求解：

式中，cmax為選取中心之間的最大距離；

(3)隱含層至輸出層之間神經(jīng)元的連接權(quán)值用最小二乘法直接計算得到，計算公式如下：

式中，xp為第p個樣本；p為樣本總數(shù)；h為隱含層的節(jié)點數(shù)。

4、所述通過反距離權(quán)重法計算任意一點的劑量值具體包括：

已知劑量點點坐標為(xi，yi)，對應(yīng)的劑量率為zi，i＝1,2,...n，插值點坐標為(x，y)，插值點是輻射場中任意一點，通過距離加權(quán)值求插值點的劑量率z，反距離權(quán)重法的公式為：

本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明實現(xiàn)了不需要放射源項模型，依靠少量劑量監(jiān)測點進行輻射場劑量分布計算，步驟更加簡便；

2、本發(fā)明實現(xiàn)了對屏蔽效應(yīng)影響的輻射場劑量分布計算。

附圖說明

圖1核設(shè)施退役輻射場劑量分布計算流程圖；

圖2無屏蔽對象劑量監(jiān)測點網(wǎng)絡(luò)和不分區(qū)計算；

圖3有屏蔽對象劑量監(jiān)測點網(wǎng)絡(luò)和分區(qū)計算；

圖4用于劑量計算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；

圖5反距離權(quán)重插值示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種不依賴輻射源項，利用有限的劑量監(jiān)測點的監(jiān)測信息計算出整個工作區(qū)域的輻射劑量分布的方法，這對核安全與輻射防護仿真具有重大的實際意義。

本發(fā)明主要包括如下步驟：

步驟1：確定核退役設(shè)施場景中要計算的輻射場的幾何信息，輻射源的位置和屏蔽對象的幾何信息。

步驟2：根據(jù)輻射源的位置和屏蔽對象的位置，建立劑量監(jiān)測點分布網(wǎng)絡(luò)，用于提取樣本數(shù)據(jù)。

根據(jù)劑量監(jiān)測點分布方法設(shè)置劑量監(jiān)測點網(wǎng)絡(luò)，獲取的監(jiān)測點的劑量率和位置存入數(shù)據(jù)表中作為樣本數(shù)據(jù)。監(jiān)測點分布網(wǎng)絡(luò)主要是用于后續(xù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本的選取和優(yōu)化過程，通過改善樣本的質(zhì)量和數(shù)量提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力。

根據(jù)點核積分原理和計算公式，劑量率是隨著監(jiān)測點與放射源距離增加而減小的，且距離放射源越近劑量率變化率越大。在輻射屏蔽中，由于γ射線與屏蔽材料發(fā)生相互作用，未受到直接照射的區(qū)域內(nèi)的劑量率分布顯著減小。根據(jù)劑量率分布特點，設(shè)計以下劑量監(jiān)測點布置原則：(1)劑量監(jiān)測點能很有效地代表整個輻射場區(qū)間，表征問題的基本特性。(2)避免突變情況，即屏蔽效果，如果存在的屏蔽少，依然可以計算。(3)放射源在要計算的輻射場外，主要是為了保證工作區(qū)的輻射盡量均勻分布。根據(jù)劑量監(jiān)測點布置原則，設(shè)計了2種劑量監(jiān)測點分布網(wǎng)絡(luò)：同心圓分布網(wǎng)絡(luò)和均勻網(wǎng)格分布網(wǎng)絡(luò)。

(1)同心圓分布網(wǎng)絡(luò)

同心圓分布網(wǎng)絡(luò)首先以輻射源的幾何中心位置為圓心，并以不同的半徑勾畫同心圓，從同心圓的圓心引出射線，在射線與同心圓的交匯處確定為劑量監(jiān)測點。同心圓分布網(wǎng)絡(luò)是多個同心圓與射線的交點。同心圓布點方法適用于有輻射源成片狀集中式分布，屏蔽少，空間簡單空闊的環(huán)境。同心圓和射線的數(shù)量決定了劑量監(jiān)測點的數(shù)目。

(2)均勻網(wǎng)格分布網(wǎng)絡(luò)

運用網(wǎng)格平均分割輻射區(qū)域為若干個單元格。按照一定的間距，將劑量監(jiān)測點均勻分散在輻射區(qū)域的部分單元格中心。劑量監(jiān)測點的間距是單元格邊長的整數(shù)倍。均勻網(wǎng)格分布網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點主要在于不受客觀的人為因素的影響。均勻網(wǎng)格分布網(wǎng)絡(luò)適用于輻射場內(nèi)存在屏蔽對象的情況。

劑量監(jiān)測點的測量數(shù)據(jù)作為樣本，主要以數(shù)組的形式存在，保存為xml文件。

步驟3：根據(jù)輻射場中是否有屏蔽對象，將劑量分布計算分為分區(qū)劑量計算和不分區(qū)劑量計算。

如果輻射場內(nèi)存在屏蔽對象，需要將劑量監(jiān)測點分布網(wǎng)絡(luò)分區(qū)。具體分區(qū)步驟是：從放射源幾何中心發(fā)出射線與屏蔽的邊界相交；屏蔽對象的邊界和射線將工作區(qū)分為n個區(qū)域。這些區(qū)域可以分為兩大類：未被直接照射的區(qū)域和直接照射的區(qū)域。遍歷n個區(qū)域，依次提取各個區(qū)域內(nèi)的樣本進行各個區(qū)域內(nèi)劑量分布計算。

如果不存在屏蔽對象，可以直接將輻射場視為一個整體，提取整個輻射場的樣本進行區(qū)域內(nèi)劑量分布計算。

步驟4：根據(jù)樣本數(shù)據(jù)，構(gòu)建徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

通過徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和樣本數(shù)據(jù)，可以粗略地計算出工作區(qū)離散劑量點的劑量率。離散的劑量點是以網(wǎng)格形式均勻分布在輻射場中的待計算點。徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點激活函數(shù)采用徑向基函數(shù)，通常定義為空間任一點到某一中心之間的歐氏距離的單調(diào)函數(shù)。徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具體步驟如下：

1.基于k-均值聚類方法求取基函數(shù)中心c。

(1)網(wǎng)絡(luò)初始化，隨機選取h個樣本作為聚類中心ci(i＝1，2，...，h)。

(2)將輸入的樣本集合按照最近鄰規(guī)則分組：按照樣本xp與中心為ci之間的歐氏距離將xp分配到輸入樣本的各個聚類集合中。

(3)重新調(diào)整聚類中心：計算各個聚類中贗本的平均值，如果新的聚類中心不發(fā)生變化，所得到的ci為徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最終的基函數(shù)的中心，否則返回(2)。

2.徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基函數(shù)為高斯函數(shù)，方差σi可由下式求解：

式中，cmax為選取中心之間的最大距離。

3.隱含層至輸出層之間神經(jīng)元的連接權(quán)值用最小二乘法直接計算得到，計算公式如下：

式中，xp為第p個樣本；p為樣本總數(shù)；h為隱含層的節(jié)點數(shù)。

徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為三層，其中輸入層神經(jīng)元是劑量點的坐標(x,y,z)，其數(shù)目為3，分別對應(yīng)坐標x，y，z。隱藏層是對激活函數(shù)的參數(shù)進行調(diào)整，采用的是非線性優(yōu)化策略，因而學(xué)習速度慢，其神經(jīng)元數(shù)目等于樣本數(shù)目。輸出層是對線性權(quán)進行調(diào)整，采用的是線性優(yōu)化策略，因而學(xué)習速度較快，輸出神經(jīng)元是劑量點對應(yīng)的劑量率。為了便于使用，輸出得到的劑量率分布存儲在xml文檔中。在使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，對輸入歸一化，對輸出反歸一化。輸入數(shù)據(jù)歸一化能使網(wǎng)絡(luò)所有權(quán)值都在一個不太大的范圍之內(nèi)，以此來減輕網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時的難度。采用循環(huán)方式建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和仿真，找出最佳spread因子。

步驟5：通過反距離權(quán)重法計算任意一點的劑量值。

反距離權(quán)重法是以插值點據(jù)其鄰的四個劑量點的劑量率和距離進行插值計算得到插值點的劑量率，已知劑量點點坐標為(xi，yi)，對應(yīng)的劑量率為zi(i＝1，2，...，n)，插值點坐標為(x，y)，插值點可以是輻射場中任意一點。通過距離加權(quán)值求插值點的劑量率z。反距離權(quán)重法的公式為：

步驟6：計算輻射場的劑量分布。

通過輻射場的邊界{xmin<x<xmax,ymin<y<ymax；zmin<z<zmax}和相鄰劑量點的距離pace，確定所有劑量點的坐標為

所有的劑量點都在同一個水平面，即高度y相等。所有劑量點都是均勻分布在輻射場中，用于描述輻射場劑量率的分布情況。所有劑量點坐標和劑量率都以數(shù)組緩存的形式存儲。所有劑量點的劑量率初始值為0。通過徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算出這些劑量點的劑量值，更新數(shù)組緩存中的劑量率。利用反距離權(quán)重法和劑量點數(shù)組計算任意一點的劑量率。

步驟3-6主要是通過c#編寫腳本語言實現(xiàn)。

下面結(jié)合附圖舉例本發(fā)明做進一步說明。

實施例1：

一種核設(shè)施退役輻射場劑量分布計算仿真方法如圖1；以一個無屏蔽輻射場為例，該輻射場景如圖2，利用本發(fā)明方法進行劑量分布計算。

步驟1：確定核退役設(shè)施場景中要計算的輻射場的幾何信息，輻射源的位置和屏蔽對象的幾何信息。

確定該輻射場的俯視圖為正方形，輻射場景的邊界即正方形的邊長，邊長為19m。輻射空間高度為2m。確定輻射源的位置在要計算的輻射場的右上角，輻射源為圓柱源。

步驟2：根據(jù)輻射源的位置和屏蔽對象的位置，建立劑量監(jiān)測點分布網(wǎng)絡(luò)，用于提取樣本數(shù)據(jù)。

劑量監(jiān)測點分布網(wǎng)絡(luò)可以采用同心圓分布網(wǎng)絡(luò)和均勻網(wǎng)格分布網(wǎng)絡(luò)。

(1)同心圓分布網(wǎng)絡(luò)首先以輻射源的幾何中心位置為圓心，并以不同的半徑勾畫同心圓，從同心圓的圓心引出射線，在射線與同心圓的交匯處確定為劑量監(jiān)測點。同心圓分布網(wǎng)絡(luò)是多個同心圓與射線的交點。同心圓布點方法適用于有輻射源成片狀集中式分布，屏蔽少，空間簡單空闊的環(huán)境。

(2)運用網(wǎng)格平均分割輻射區(qū)域為若干個單元格。按照一定的間距，將劑量監(jiān)測點均勻分散在輻射區(qū)域的部分單元格中心。劑量監(jiān)測點的間距是單元格邊長的整數(shù)倍。這個監(jiān)測方法的優(yōu)點主要在于他不受客觀的人為因素的影響。適用于輻射場內(nèi)存在屏蔽對象的情況。

步驟3：由于輻射場中沒有屏蔽對象，可以直接將輻射場視為一個整體，提取整個輻射場的樣本進行區(qū)域內(nèi)劑量分布計算。

步驟4：根據(jù)樣本信息，構(gòu)建徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

通過徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輻射分布計算方法，可以粗略地計算出工作區(qū)離散劑量點的劑量率。徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點激活函數(shù)采用徑向基函數(shù)，通常定義為空間任一點到某一中心之間的歐氏距離的單調(diào)函數(shù)。

徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為三層，其中輸入層神經(jīng)元是劑量點的坐標(x,y,z)，其數(shù)目為3，分別對應(yīng)坐標x，y，z。隱藏層是對激活函數(shù)的參數(shù)進行調(diào)整，采用的是非線性優(yōu)化策略，因而學(xué)習速度慢，其神經(jīng)元數(shù)目等于樣本數(shù)目。輸出層是對線性權(quán)進行調(diào)整，采用的是線性優(yōu)化策略，因而學(xué)習速度較快，輸出神經(jīng)元是劑量點對應(yīng)的劑量率，如圖4。

步驟5：通過反距離權(quán)重法計算任意一點的劑量值。

反距離權(quán)重法以插值點與劑量點間的距離為權(quán)重進行加權(quán)平均，離插值點越近的劑量點賦予的權(quán)重越大。插值點據(jù)其鄰的四個劑量點的劑量率和距離進行插值計算得到插值點的劑量率，已知劑量監(jiān)測點坐標為(xi，yi)，對應(yīng)的劑量率為zi(i＝1，2，...，n)，插值點坐標為(x，y)通過距離加權(quán)值求插值點的劑量率z，如圖5。反距離權(quán)重法的公式為：

步驟6：計算輻射場的劑量分布。

通過輻射場的邊界{0<x<19,0<y<2；0<z<19}和相鄰劑量點的距離1m，確定所有劑量點的坐標。所有的劑量點都在同一個水平面，即高度y相等。所有劑量點坐標和劑量率都以數(shù)組緩存的形式存儲。所有劑量點的劑量率初始值為0。

由于輻射場中沒有屏蔽對象，在步驟3中采用不分區(qū)計算，所有劑量監(jiān)測點數(shù)據(jù)作為樣本。通過徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算出這些劑量點的劑量值，更新數(shù)組緩存中的劑量率。利用反距離權(quán)重法和劑量點計算任意一點的劑量率。

劑量分布文件格式為：<標識符編號劑量率坐標x坐標y坐標z/>

例如：<pnum＝"0"rate＝"0.02"x＝"0.5"y＝"0"z＝"18.5"/>。

實施例2：

一種核設(shè)施退役輻射場劑量分布計算仿真方法如圖1；通過一個有屏蔽輻射場為例，該輻射場景如圖3，利用本發(fā)明方法進行劑量分布計算。

步驟1：確定核退役設(shè)施場景中要計算的輻射場的幾何信息，輻射源的位置和屏蔽對象的幾何信息。

該輻射場的俯視圖為正方形，輻射場景的邊界即正方形的邊長，邊長為19。輻射空間高度為2m。確定輻射源的位置在要計算的輻射場的右上角，輻射源為圓柱源。輻射屏蔽對象為兩個長方體，屏蔽材料為混凝土。

步驟2：根據(jù)輻射源的位置和屏蔽對象的位置，建立劑量監(jiān)測點分布網(wǎng)絡(luò)，用于提取樣本數(shù)據(jù)。

運用網(wǎng)格平均分割輻射區(qū)域為若干個單元格。按照一定的間距，將劑量監(jiān)測點均勻分散在輻射區(qū)域的部分單元格中心，相鄰劑量監(jiān)測點的間距為4m，如圖3。由于屏蔽對象覆蓋了劑量監(jiān)測點，所以調(diào)整部分劑量監(jiān)測點的位置。采用劑量監(jiān)測點以紅色的圓表示。

步驟3：由于輻射場中存在屏蔽對象，需要將劑量監(jiān)測點分布網(wǎng)絡(luò)分區(qū)。

具體分區(qū)步驟是：從放射源發(fā)出射線與屏蔽的邊界相交；屏蔽對象的邊界和射線將工作區(qū)分為3個區(qū)域，如圖3。這些區(qū)域可以分為兩大類：未被直接照射的區(qū)域和直接照射的區(qū)域。遍歷3個區(qū)域，依次各個區(qū)域內(nèi)樣本采用進行區(qū)域內(nèi)劑量分布計算。

步驟4：根據(jù)樣本數(shù)據(jù)和期望的結(jié)果，構(gòu)建徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖4。

步驟5：通過反距離權(quán)重法計算任意一點的劑量值。

步驟6：計算輻射場的劑量分布。

由于輻射場中沒有屏蔽對象，在步驟3中采用分區(qū)計算，每個區(qū)域的樣本用于計算相應(yīng)區(qū)域的劑量分布。將所有區(qū)域的劑量分布合并構(gòu)成整個輻射場的劑量分布。