CN107038322A - 一种任意形状放射源的辐射剂量仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种任意形状放射源的辐射剂量仿真方法。(1)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；(2)读取物体三维模型文件，获取物体的网格模型；(3)空间剖分；(4)采用长方体对物体模型粗近似；(5)采用三角形面片对物体模型表面精近似；(6)采样生成点核；(7)采用点核方法进行伽马辐射剂量计算。本发明没有依靠手动书写几何模型文件，依靠虚拟现实技术实现任意形状几何体和放射源的自动建模，而且点核生成方式采用随机采样方式，建模方法更灵活、高效，计算更简便。

Description

一种任意形状放射源的辐射剂量仿真方法

技术领域

本发明涉及的是一种放射源的伽马辐射剂量仿真方法。具体地说是一种可以对核设施退役过程中产生的任意形状几何体和放射源进行伽马辐射计算和仿真的方法。

背景技术

核设施退役是核设施全寿命周期管理中的最后一个重要环节。由于核设施在役运行过程中，设备本身受中子活化或放射性核素污染，核设施退役的施工环境具有较强放射性，且系统组成结构复杂，包括一、二回路和相应的辅助系统，这给退役施工带来了很大的难度。核设施退役过程中的危害主要源自于伽马辐射的存在，为了保证核设施退役过程中人员的辐照安全性，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(as low as reasonable achievable)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。由于核设施具有高放射性、高复杂性的特点，无法利用实际场景进行人员培训以及安全分析，目前，世界上不同地区的研究者均考虑利用仿真技术进行危险环境下的分析工作，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。但大都采用写输入文件的手动建模方式，或利用基本几何体对场景进行简化，导致较低的建模效率和辐射计算精度，尤其在设施退役过程中，会有大量切割、拆除工作，从而产生大量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手动建模或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是基于手动设计和建模的方式，设计复杂且操作不便，更没有任意形状几何和放射源的自动建模方式及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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种灵活、高效、简便的任意形状放射源的辐射剂量仿真方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)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；

(2)读取物体三维模型文件，获取物体的网格模型；

(3)空间剖分；

(4)采用长方体对物体模型粗近似；

(5)采用三角形面片对物体模型表面精近似；

(6)采样生成点核；

(7)采用点核方法进行伽马辐射剂量计算。

本发明还可以包括：

1、所述空间剖分具体包括：

1)选取大于物体的轴对齐长方体几何空间作为初始分割体，设定粗近似分割阈值和精近似分割阈值，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；

2)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；

3)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(不包括棱)，则称A和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，重复步骤1)～3)直至达到事先确定的粗近似分割阈值。

2、所述采用长方体对物体模型粗近似具体包括：

1)确定物体外部的长方体即外部体：选取一面位于初始分割空间边界处的一个长方体，该体元一定属于外部体，该体元的连通邻居同样属于外部体，其中连通邻居定义为，若A、B互为邻居，并且B不属于边界体(与物体边界接触的长方体)，则B是A的连通邻居；如果B属于边界体，则B是A的非连通邻居；

2)依次查找外部体的连通邻居，查找出所有外部体，剔除外部体后，剩余部分为边界体和位于物体内部的长方体即内部体，边界体和内部体共同构成物体的粗近似模型。

3、所述采用三角形面片对物体模型表面精近似具体包括：

1)获取边界体集合BV，选取边界体的棱与物体有3、4、5、6个交点时的情况作为典型相交情况，进行物体表面近似，其中边界体的每条棱与物体相交点最多为1个，整个边界体总交点数最多为6个，交点可以异面；

2)如果BV不为空，则从中选取一个边界体B，并将B从BV中移除；

3)判断B是否属于五种典型相交情况，若属于，则生成分割截面三角形，之后回到步骤2)处理下一个边界体；若不属于，判断B与物体表面交点个数是否小于3，若小于，则忽略B，回到步骤2)处理下一个边界体；若大于3，判断B是否达到精近似分割阈值，若达到，整个B作为物体的一部分，之后回到步骤2)处理下一个边界体，若没有达到，按照空间剖分步骤的方式进一步细分，产生为两个新长方体C、D，若C或D中没有属于外部体的邻居，则将其放入边界体集合BV，否则将其存入外部体集合，之后回到步骤2)处理下一个边界体；

4)重复以上步骤，直到边界体集合为空。三角形分割截面能够对物体表面高度近似，被截取后的边界体与内部体共同构成物体的精近似模型。

4、三角形分割截面生成方法为：

截面三角形构成规则需满足以下两个条件：(1)三角形之间无重叠，并且具有公共顶点；(2)记边界体上标记物体外部方向的标志点为G，距离G最近的边界体上交点为P₁，G和P₁构成向量与构成截面的三角形法线V_n夹角应小于90度，即截面三角形不进行实际分割操作，只是用作识别物体内外的一个边界；

1)查找边界体上位于物体外部的标志点G，该点一定属于外部体棱上或面上的一点；

2)记边界体与物体交点集合为Points，其含有n个元素，在Points中查找距离G最近的交点B作为分割截面三角形的公共顶点，向量指向物体外部；

3)与需要构建的截面三角形法线夹角小于90度，记三角形法线为nor，则点乘将B放在Points的首位，利用冒泡排序算法，对其他交点进行排序，排序规则为其中P_j和P_j+1是Points中相邻的两个元素，为三角形ΔBP_jP_j+1的法线；

4)生成截面三角形ΔBP_jP_j+1(j＝1，2，…，n-1)，并计算每个截面三角形法线为

5、所述采样生成点核具体包括：

1)输入放射源强度，材料信息，设置点核密度为DL；

2)在每个内部体中随机均匀生成采样点作为点核位置，第i个内部体内的采样点个数N_i＝DL×V_i，其中V_i为该内部体的体积；

3)记第k个边界体被截面三角形分割后，属于物体内部的体积为V_k，则其内部生成点核数量为N_k＝DL×V_k，采样过程中只有位于物体内部部分的采样点为有效采样点，在有效采样位置生成一个点核，若采样点位于物体外部则舍弃，重复以上步骤直至点核数量为N_k。

6、边界体内采样点有效性识别方法为：

分割截面三角形将边界体分隔为两部分，一部分属于物体内部，记为SI，另一部分位于物体外部，记为SO，以采样点为起点，向方向引发一条射线，若射线与分割截面三角形相交或者与SI的边界面相交，则该采样点位于物体内部，在采样点位置生成一个点核，否则，采样点位于物体外部，舍弃。

7、所述采用点核方法进行伽马辐射剂量计算具体包括：

输入探测点位置，采用点核方法进行辐射剂量计算，辐射剂量D的计算公式如下：

式中，V是所建立物体精近似模型的体积；g为边界体和内部体的数量和；n_i是精近似模型第i个长方体内的点核数量；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；S是放射源强度；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；r_ij是第i个长方体中第j个点核到探测点的距离；

式中，i空间区域编号；μ_i(E)为在能量为E时，光子在空间区域i的质量减弱系数；d_i为点核与探测点的连线在区域i中的几何距离；

最终，探测点处辐照剂量计算完成。

本发明提供了一套针对核设施退役切割拆除过程的辐射剂量计算，进行任意形状放射源自动建模，然后对所考虑区域进行辐射剂量计算的一种任意形状放射源的伽马辐射剂量计算仿真方法。

本发明的有益效果在于：

本发明没有依靠手动书写几何模型文件，依靠虚拟现实技术实现任意形状几何体和放射源的自动建模，而且点核生成方式采用采样方式，而非规则的网格离散方式，建模方法更灵活、高效，计算更简便。

附图说明

图1是本发明的整体流程框图。

图2是空间剖分流程框图。

图3是物体表面精近似流程框图。

图4是截面三角形生成流程框图。

图5(a)-图5(e)是五种典型相交情况图。

图6是点核识别图。

图7(a)-图7(c)是球形建模图。

图5(a)-图5(e)五种典型相交情况中，圆点表示长方体棱与物体的交点，黑色正方形代表标识物体内外方向的标志点；图6中，圆点代表采样点，箭头代表射线方向，黑色正方形代表标识物体外部方向的标志点，黑色三角形为边界体棱与物体的交点，五边形为边界体上位于物体内部的角点，虚线椭圆形为射线与截面三角形和边界体上位于物体内部的边界面的交点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

本发明核设施退役仿真领域，主要是对核设施退役切割、拆除过程中产生的任意形状几何体和放射源进行伽马辐射计算仿真。本发明包括：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粗近似；采用三角形面片对物体模型表面精近似；采样生成点核；采用点核方法进行伽马辐射剂量计算。

本发明采用以下技术方案：

本发明的软件是以Visual Studio 2010为平台，采用C++编写的，其主要功能为：对三维模型文件进行读取，对任意形状三维模型进行高精度近似，对放射源进行参数设定，最终实现任意形状几何和放射源的辐射剂量计算和可视化。

1、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；

2、读取物体三维模型文件，获取物体的网格模型，如图7(a)中模型所示；

3、输入参数粗近似分割阈值、精近似分割阈值、点核密度、放射源材料、活度、能谱、探测点位置，自动对输入的任意几何模型进行建模和剂量计算，过程如下：

(1)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粗近似分割阈值。

结合图2，空间剖分具体包括：

1)选取大于物体的轴对齐长方体几何空间作为初始分割体，设定粗近似分割阈值和精近似分割阈值，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；

2)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；

3)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(不包括棱)，则称A和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。重复步骤1)～3)直至达到事先确定的粗近似分割阈值。

(2)采用长方体对物体模型粗近似：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粗近似模型，如图7(b)中模型所示。

采用长方体对物体模型粗近似具体包括：

1)确定物体外部的长方体(外部体)：选取一面位于初始分割空间边界处的一个长方体，该体元一定属于外部体，该体元的连通邻居同样属于外部体，其中连通邻居定义为，若A、B互为邻居，并且B不属于边界体(与物体边界接触的长方体)，则B是A的连通邻居；如果B属于边界体，则B是A的非连通邻居；

2)依次查找外部体的连通邻居，可以查找出所有外部体，剔除外部体后，剩余部分为边界体和位于物体内部的长方体(内部体)，边界体和内部体共同构成物体的粗近似模型。

(3)结合图3，采用三角形面片对物体模型表面精近似：与物体碰撞的长方体仅有一部分位于物体内部，通过射线检测计算长方体棱与物体表面的交点，并将交点用三角面片相连，最终将长方体分隔为两部分，一部分位于物体内部，另一部分位于物体外部，而三角面片则构成物体表面的局部近似。该详细过程如下：

1)设置精近似分割阈值，获取边界体集合BV，选取如图5(a)-图5(e)所示的五种典型相交情况，以及包含的标识物体内外方向的内外标志点，进行物体表面近似，其中边界体每条棱与物体相交点最多为1个，整个边界体总交点数最多为6个，交点可以异面；

2)如果BV不为空，则从中选取一个边界体B，并将B从BV中移除；

3)判断B是否属于五种典型相交情况，若属于，则生成分割截面三角形，之后回到2)处理下一个边界体；若不属于，判断B与物体表面交点个数是否小于3，若小于，则忽略B，回到2)处理下一个边界体；若大于3，判断B是否达到精近似分割阈值，若达到，整个B作为物体的一部分，之后回到2)处理下一个边界体，若没有达到，按照空间剖分步骤的方式进一步细分，产生为两个新长方体C、D。若C或D中没有属于外部体的邻居，则将其放入边界体集合BV，否则将其存入外部体集合，之后回到2)处理下一个边界体。

4)重复以上步骤，直到边界体集合为空。三角形分割截面能够对物体表面高度近似，被截取后的边界体与内部体共同构成物体的精近似模型，如图7(c)中模型所示。

结合图4，三角形分割截面生成方法：截面三角形构成规则需满足以下两个条件：(1)三角形之间无重叠，并且具有公共顶点；(2)记边界体上标记物体外部的角点为G，距离G最近的边界体上交点为P₁，G和P₁构成向量与构成截面的三角形法线V_n夹角应小于90度，即截面三角形不进行实际分割操作，只是用作识别物体内外的一个边界。

1)查找边界体上位于物体外部的标志点G，该角点一定属于外部体棱上或面上的一点；

2)记边界体与物体交点集合为Points，其含有n个元素，在Points中查找距离G最近的交点B作为分割截面三角形的公共顶点，向量指向物体外部；

3)与需要构建的截面三角形法线夹角小于90度，记三角形法线为nor，则点乘将B放在Points的首位，利用冒泡排序算法，对其他交点进行排序，排序规则为其中P_j和P_j+1是Points中相邻的两个元素，为三角形ΔBP_jP_j+1的法线；

4)生成截面三角形ΔBP_jP_j+1(j＝1，2，…，n-1)，并计算每个截面三角形法线为

(4)采样生成点核：通过在各个长方体内部均匀采样，选择位于物体内部的采样点，在该采样点位置生成点核，直至点核密度达到预设值。采样点分布区域可分为两种情况：内部长方体、边界长方体。前一种情况可以清楚知道所有采样点位于物体内部，对于边界长方体情况，需要借助分割截面三角形计算。

结合图6，边界体内采样点有效性识别方法：分割截面三角形将边界体分隔为两部分，一部分属于物体内部，记为SI，另一部分位于物体外部，记为SO。以采样点为起点，向方向引发一条射线，若射线与分割截面三角形相交，或者与SI的边界面相交，则该采样点位于物体内部，在采样点位置生成一个点核，否则，采样点位于物体外部，舍弃。

(5)采用点核方法进行伽马辐射剂量计算：输入探测点位置，采用点核方法进行辐射剂量计算，辐射剂量D的计算公式如下：

式中，V是所建立物体精近似模型的体积；g为边界体和内部体的数量和；n_i是第i个长方体内的点核数量；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；S是放射源强度；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；r_ij是第i个长方体中第j个点核到探测点的距离。

式中，i空间区域编号；μ_i(E)为在能量为E时，光子在空间区域i的质量减弱系数；d_i为点核与探测点的连线在区域i中的几何距离。

输入几何为球形，为了清晰显示效果，粗近似模型采用线框表示，可视化后的效果如图7(a)-图7(c)所示，从左到右依次为原始模型、粗近似模型和精近似模型。

Claims (8)

1.一种任意形状放射源的辐射剂量仿真方法，其特征是包括如下步骤：

(1)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；

(2)读取物体三维模型文件，获取物体的网格模型；

(3)空间剖分；

(4)采用长方体对物体模型粗近似；

(5)采用三角形面片对物体模型表面精近似；

(6)采样生成点核；

(7)采用点核方法进行伽马辐射剂量计算。

2.根据权利要求1所述的任意形状放射源的辐射剂量仿真方法，其特征是空间剖分具体包括：

1)选取大于物体的轴对齐长方体几何空间作为初始分割体，设定粗近似分割阈值和精近似分割阈值，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；

2)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，不进一步细分；反之，在下一次分割中进一步细分逼近物体表面；

3)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，则称A和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重新计算相邻的邻居，重复步骤1)～3)直至达到事先确定的粗近似分割阈值。

3.根据权利要求1所述的任意形状放射源的辐射剂量仿真方法，其特征是所述采用长方体对物体模型粗近似具体包括：

1)确定物体外部的长方体即外部体：选取一面位于初始分割空间边界处的一个长方体，该体元一定属于外部体，该体元的连通邻居同样属于外部体，其中连通邻居定义为，若A、B互为邻居，并且B不属于边界体，则B是A的连通邻居；如果B属于边界体，则B是A的非连通邻居；

2)依次查找外部体的连通邻居，查找出所有外部体，剔除外部体后，剩余部分为边界体和位于物体内部的长方体即内部体，边界体和内部体共同构成物体的粗近似模型。

4.根据权利要求1所述的任意形状放射源的辐射剂量仿真方法，其特征是所述采用三角形面片对物体模型表面精近似具体包括：

1)获取边界体集合BV，选取边界体的棱与物体有3、4、5、6个交点时的情况作为典型相交情况，进行物体表面近似，其中边界体的每条棱与物体相交点最多为1个，整个边界体总交点数最多为6个；

2)如果BV不为空，则从中选取一个边界体B，并将B从BV中移除；

3)判断B是否属于五种典型相交情况，若属于，则生成分割截面三角形，之后回到步骤2)处理下一个边界体；若不属于，判断B与物体表面交点个数是否小于3，若小于，则忽略B，回到步骤2)处理下一个边界体；若大于3，判断B是否达到精近似分割阈值，若达到，整个B作为物体的一部分，之后回到步骤2)处理下一个边界体，若没有达到，按照空间剖分步骤的方式进一步细分，产生为两个新长方体C、D，若C或D中没有属于外部体的邻居，则将其放入边界体集合BV，否则将其存入外部体集合，之后回到步骤2)处理下一个边界体；

4)重复以上步骤，直到边界体集合为空。

5.根据权利要求4所述的任意形状放射源的辐射剂量仿真方法，其特征是三角形分割截面生成方法为：

截面三角形构成规则需满足以下两个条件：(1)三角形之间无重叠，并且具有公共顶点；(2)记边界体上标记物体外部方向的标志点为G，距离G最近的边界体上交点为P₁，G和P₁构成向量与构成截面的三角形法线V_n夹角应小于90度，即截面三角形不进行实际分割操作，只是用作识别物体内外的一个边界；

1)查找边界体上位于物体外部的标志点G，该点一定属于外部体棱上或面上的一点；

2)记边界体与物体交点集合为Points，其含有n个元素，在Points中查找距离G最近的交点B作为分割截面三角形的公共顶点，向量指向物体外部；

3)与需要构建的截面三角形法线夹角小于90度，记三角形法线为nor，则点乘将B放在Points的首位，利用冒泡排序算法，对其他交点进行排序，排序规则为其中P_j和P_j+1是Points中相邻的两个元素，为三角形ΔBP_jP_j+1的法线；

4)生成截面三角形ΔBP_jP_j+1(j＝1，2，…，n-1)，并计算每个截面三角形法线为

6.根据权利要求1所述的任意形状放射源的辐射剂量仿真方法，其特征是所述采样生成点核具体包括：

1)输入放射源强度，材料信息，设置点核密度为DL；

2)在每个内部体中随机均匀生成采样点作为点核位置，第i个内部体内的采样点个数N_i＝DL×V_i，其中V_i为该内部体的体积；

3)记第k个边界体被截面三角形分割后，属于物体内部的体积为V_k，则其内部生成点核数量为N_k＝DL×V_k，采样过程中只有位于物体内部部分的采样点为有效采样点，在有效采样位置生成一个点核，若采样点位于物体外部则舍弃，重复以上步骤直至点核数量为N_k。

7.根据权利要求6所述的任意形状放射源的辐射剂量仿真方法，其特征是边界体内采样点有效性识别方法为：

分割截面三角形将边界体分隔为两部分，一部分属于物体内部，记为SI，另一部分位于物体外部，记为SO，以采样点为起点，向方向引发一条射线，若射线与分割截面三角形相交或者与SI的边界面相交，则该采样点位于物体内部，在采样点位置生成一个点核，否则，采样点位于物体外部，舍弃。

8.根据权利要求1所述的任意形状放射源的辐射剂量仿真方法，其特征是所述采用点核方法进行伽马辐射剂量计算具体包括：

输入探测点位置，采用点核方法进行辐射剂量计算，辐射剂量D的计算公式如下：

式中，V是所建立物体精近似模型的体积；g为边界体和内部体的数量和；n_i是精近似模型第i个长方体内的点核数量；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；S是放射源强度；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；r_ij是第i个长方体中第j个点核到探测点的距离；

式中，i空间区域编号；μ_i(E)为在能量为E时，光子在空间区域i的质量减弱系数；d_i为点核与探测点的连线在区域i中的几何距离；

最终，探测点处辐照剂量计算完成。