CN107330186B - 一种3dsMax核设施模型辐射场剂量分布仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种3dsMax核设施模型辐射场剂量分布仿真方法。(1)用3dsMax软件根据确定的核设施参数构建模型，并将文件保存为3DS格式；(2)导入3DS核设施模型文件，获得模型参数；(3)构建包围盒与四面体；(4)将确定的体素参数与材质信息写成输入卡；(5)将平面三角形离散成像素；(6)根据体素的属性值构成实体体素；(7)将确定的体素参数与物理属性信息写成输入卡；(8)用点核积分方法计算三维辐射场剂量分布。本发明实现了在3dsMax软件内直接对核设施尺寸、材质与能量参数的快速赋值；本发明实现了对内部存在空洞的复杂核设施模型的辐射场剂量分布计算。

Description

一种3dsMax核设施模型辐射场剂量分布仿真方法

技术领域

本发明涉及的是一种核退役仿真方法，具体地说是一种对内部存在空洞的3dsMax核设施模型辐射场剂量分布的仿真方法。

背景技术

核设施维修与退役是核设施生命周期的重要环节。在制定核设施维修或退役策略时，需要优化维修、退役方案以及工作人员在退役作业过程中的路径，进而降低辐射对工作人员的伤害，这就需要准确地了解核设施三维空间辐射剂量的分布情况，进行辐射仿真。在辐射仿真过程中，为获得准确的虚拟辐射场剂量分布计算结果，就必须对复杂模型进行辐射计算。

目前，核退役虚拟辐射场的模拟与研究大多使用国外成熟的仿真软件来完成，其中蒙特卡罗方法与点核积分方法在屏蔽设计中有着广泛的应用。点核积分方法通过引入累积因子来考虑散射光子对辐射量的影响，将辐射场中所有源项按照几何尺寸离散为点源，并将源项能谱离散为若干离散值，然后分别计算不同能量与不同点源在各个剂量点的剂量值，最后将同一剂量点的剂量值叠加计算出探测点总的剂量值。但核设施多为内部存在空洞的管状结构，这些软件对内部存在空洞的核设施模型计算时会将空洞变成实体，无法准确计算辐射场剂量分布。

综上所述，开发出一种准确、可靠的计算内部存在空洞的核设施模型辐射场剂量分布的仿真方法对核退役仿真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能够准确、可靠的获得内部存在空洞的核设施模型辐射场剂量分布的3dsMax核设施模型辐射场剂量分布仿真方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)用3dsMax软件根据确定的核设施参数构建模型，并将文件保存为3DS格式；

(2)导入3DS核设施模型文件，获得模型参数；

(3)构建包围盒与四面体；

(4)将确定的体素参数与材质信息写成输入卡；

(5)将平面三角形离散成像素；

(6)根据体素的属性值构成实体体素；

(7)将确定的体素参数与物理属性信息写成输入卡；

(8)用点核积分方法计算三维辐射场剂量分布。

本发明还可以包括：

1、所述用3dsMax软件根据确定的核设施参数构建模型，并将文件保存为3DS格式具体包括：

在3dsMax软件材质编辑器内直接对材质球命名，然后将材质球导入到使用该材质的实体上；材质的命名规则为，

源项类材质命名区分符为SO，命名格式如下：

SO,能量,活度,±份额,其他信息；

屏蔽类材质命名区分符为SH，命名规则如下：

SH,密度,原子序数,±份额,其他信息；

其中“+”代表原子个数的份额，“-”代表质量份额。

2、所述构建包围盒与四面体具体包括：

根据模型所有顶点信息构建模型场景包围盒；遍历模型所有实体对象，构建实体对象包围盒，将实体对象包围盒内所有顶点的坐标相加除以顶点个数，获得实体对象包围盒的参考点O，将实体表面所有的三角形面片和参考点O组合成为四面体。

3、计算扫描平面与四面体的边的交点，得到一系列平面三角形，

对每个四面体沿着z方向扫描求交，以设定的体素宽Width为间距，得到一系列平面三角形；把四面体的四个顶点按照它们的z方向坐标大小排序，扫描平面从z方向坐标最大的点开始沿z方向向下依次扫描，到z方向坐标最小的点结束。

4、所述的将平面三角形离散成像素具体包括：

每个扫描平面与四面体的三个交点构成一个三角形，当扫描平面与四面体的边有四个交点时，把四边形分割成两个三角形；

用填充扫描线算法把三角形离散成像素，对于x-y平面上任意一个三角形ABC，选取y方向为扫描方向，把三角形的三个顶点按照y方向的坐标排序，扫描线从y值最大的点扫描到y值最小的点。

5、所述根据体素的属性值构成实体体素具体包括：

把平面三角形中所有的体素存入体缓存，根据同一个体素出现的次数确定该体素的属性值；体缓存的属性值记录体素出现的次数，每个体素的属性值初始化为0，如果体素出现奇数次，属性值变为1，出现偶数次，属性值变为0；所有属性值为1的体素，即为构成实体的体素。

6、所述用点核积分方法计算三维辐射场剂量分布具体包括：

1)导入利用组合几何方法构造的输入卡；

2)计算放射源各能量点的通量率-剂量率转换因子，各屏蔽材料的线衰减因子及G-P拟合参数；

3)将放射源离散为若干点核；

4)计算点核到探测点的平均自由程及屏蔽层；

5)计算累积因子；

6)根据点核公式计算点核在探测点的剂量率；

7)完成所有点核的计算，并将所有点核在探测点的剂量率求和；

8)完成所有放射源计算，并将所有放射源在探测点的剂量率求和。

本发明开发出了一种针对于有确定参数的3dsMax核设施模型，使用基于四面体的体素化算法，将模型的源项与屏蔽项体素化后，用点核积分方法计算辐射场剂量分布的仿真方法。

本发明的技术手段主要包括：

(1)用3dsMax软件根据确定的核设施参数构建模型，并将文件保存为3DS格式；

(2)导入3DS核设施模型文件，获得模型参数；

3DS文件由许多块(chunk)组成，每个块首先描述其信息类别。块的前两项信息分别是：块的ID和块的长度。块的ID作为块的标示，块的长度表示下一个块相对于该块起始位置的偏移字节数。3DS文件最开始出现的主块是基本块，它包含了整个文件。3D编辑程序块ED—IT3DS主要定义物体的形体数据，块中包含了一个物体描述子块EDIT_OBJECT，其下有三角形列表子块OBJ_TRIMESH。OBJ_TRIMESH主要包括了体素化程序所需的模型表面信息。

(3)构建包围盒与四面体；

根据模型所有顶点信息构建模型场景包围盒。遍历模型所有实体对象，构建实体对象包围盒，将包围盒内所有顶点的坐标相加除以顶点个数，获得实体对象包围盒的参考点O，将实体表面所有的三角形面片和参考点O组合成为四面体。

(4)计算扫描平面与四面体的边的交点，得到一系列平面三角形；

对每个四面体沿着z方向扫描求交，以设定的体素宽Width为间距，得到一系列平面三角形。把四面体的四个顶点按照它们的z方向坐标大小排序，扫描平面从z方向坐标最大的点开始沿z方向向下依次扫描，到z方向坐标最小的点结束。

(5)将平面三角形离散成像素；

每个扫描平面与四面体的三个交点构成一个三角形，当扫描平面与四面体的边有四个交点时，把四边形分割成两个三角形。用填充扫描线算法把三角形离散成像素。

(6)根据体素的属性值构成实体体素；

把平面三角形中所有的体素存入体缓存，根据同一个体素出现的次数确定该体素的属性值。体缓存的属性值(奇数次属性值为1，偶数次属性值为0)记录体素出现的次数，每个体素的属性值初始化为0，如果体素出现奇数次，属性值变为1，出现偶数次，属性值变为0。所有属性值为1的体素，即为构成实体的体素。

(7)将确定的体素参数与物理属性信息写成输入卡；

输入卡由6部分组成，包括问题描述卡、基本体数据卡、材料数据卡、区域卡、放射源卡以及探测点卡。

(8)用点核积分方法计算三维辐射场剂量分布。

点核积分方法的基本思想是将放射源离散为若干点核，然后计算每个点核在探测点的剂量值，最后将所有点核的剂量值求和得到探测点总的剂量率。本发明中假设核反应堆以及其他放射源能够由一系列离散的各向同性点源组成，并且可以通过对各离散点核的贡献求和来获取放射源在探测点总的辐射效应。在点核积分方法的几何模型中，各点核在探测点的剂量值为

式中，r_p与r_d分别为点核与探测点的位置；E为光子能量；C(E)为伽马光子辐射效应转换因子；S(E,r_d)是点核源项强度；B(E,t)是累积因子；t(E)是伽马光子从点源到探测点穿过所有屏蔽材料的平均自由程，计算公式为

式中，i为伽马射线穿过的空间区域编号；ρ_i为空间区域i的材料密度；μ_i(E)/ρ为在光子能量为E时，空间区域i的材料的质量减弱系数；d_i为伽马射线在区域i中的几何距离。

将探测点的剂量值在整个源项体积与整个能谱内积分，计算出探测点总的剂量值。积分公式为

本发明的有益效果在于：

1、本发明实现了在3dsMax软件内直接对核设施尺寸、材质与能量参数的快速赋值；

2、本发明实现了对内部存在空洞的复杂核设施模型的辐射场剂量分布计算。

附图说明

图1 3dsMax模型体素化流程图；

图2 四面体扫描；

图3 三角形内部像素填充；

图4 辐射场伽马剂量分布计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做进一步描述：

本发明采用3dsMax软件建模与C++语言编程，主要功能为：构建确定参数的核设施模型，使用基于四面体的实体体素化算法对模型体素化，最终利用点核积分方法计算辐射场剂量分布，实现辐射仿真。整个软件包括3dsMax建模、3dsMax核设施模型体素化程序、输入卡的导入、点核积分程序四个模块。

本发明采用以下技术方案：

1、用3dsMax软件根据确定的核设施参数构建模型，并将文件保存为3DS格式。

在3dsMax软件材质编辑器内直接对材质球命名，然后将材质球导入到使用该材质的实体上。材质的命名规则为

源项类材质命名区分符为SO，命名格式如下：

SO,能量,活度,±份额,其他信息(材料名称等)

举例：SO,0.052,3.27E+06,-1

屏蔽类材质命名区分符为SH，命名规则如下：

SH,密度,原子序数,±份额,其他信息(材料名称等)

举例：SH,2.702,13,-1.0,Al

其中“+”代表原子个数的份额，“-”代表质量份额。

2、导入3DS核设施模型文件，获得模型参数。

定义3DS文件的读入类CLoad3DS，CLoad3DS类包括多个读入函数，如块的读入，顶点数据的读入，面数据的读入，材质的读入等。

读取块。CLoad3DS类的成员函数Import3DS、ReadChunk、ProcessNextChunk用来读取文件并判断其是否是3DS格式，ProcessNextObjectChunk、ReadVertices、ReadVertexIndices、ReadColorChunk、ProcessNextMaterialChunk等成员函数用来读取模型实体、顶点、面、颜色以及材质等内容。函数Import3DS是文件的入口，具体的算法如下：

1)利用fp(fp＝fopen(filename，“rb”))函数以只读方式打开一个3DS文件；

2)验证文件类型，判断是否是3DS文件，若ID是0x4d4d，则为3DS文件，然后调用ReadChunk、ProcessNextChunk等子块读入相应的3DS文件内容，否则返回false；

3)利用fclose(fclose(fp))函数关闭文件。

读取顶点。函数ReadVertices用来读取3DS文件顶点列表的内容，具体的算法如下：

1)定义3个动态指针，分别指向3个动态数组，用来存储模型的所有顶点，定义一个变量count，用来保存模型的顶点总数；

2)将所有的顶点读入到指定的内存；

3)删除指针变量，释放内存。

读取面。函数ReadVertexIndices用来读取3DS文件的面列表内容，具体的算法如下：

1)定义一个动态指针，指向一个动态数组，用来存储模型的面数据，定义一个变量count，用来存储三角形面的数量；

2)将所有的面内容读入到指定的内存；

3)删除指针变量，释放内存。

3、构建包围盒与四面体。

根据模型所有顶点信息构建模型场景包围盒。遍历模型所有实体对象，构建实体对象包围盒，将包围盒内所有顶点的坐标相加除以顶点个数，获得实体对象包围盒的参考点O，将实体表面所有的三角形面片和参考点O组合成为四面体。

4、计算扫描平面与四面体的边的交点，得到一系列平面三角形。

对每个四面体沿着z方向扫描求交，以设定的体素宽Width为间距，得到一系列平面三角形。如图2所示，把四面体的四个顶点按照它们的z方向坐标大小排序，A点为z方向坐标最大的点，其次是B点，接着是C点，D点为z方向坐标最小的点，取A_z为A点的z方向坐标，D_z为D点的z方向坐标。扫描平面从z＝A_z开始沿z方向向下依次扫描，到z＝D_z结束。

以四面体中AB边为例，扫描平面z＝z_i与AB边的交点满足直线方程

则扫描平面z＝z_i与AB边的交点x_i、y_i为

同理，扫描平面与其余几条边的交点也通过这种方法求出。

5、将平面三角形离散成像素。

每个扫描平面与四面体的三个交点构成一个三角形，当扫描平面与四面体的边有四个交点时，把四边形分割成两个三角形。

用填充扫描线算法把三角形离散成像素。如图3所示，对于x-y平面上任意一个三角形ABC，选取y方向为扫描方向，把三角形的三个顶点按照y方向的坐标排序，y值最大的为A点，y值最小的点为C点。扫描线从y＝m(m为不大于y_A的最大整数)开始往下扫描，以设定的体素宽Width为间距，扫描到y＝n(n为不小于y_c的最小整数)为止。以AB边为例，扫描线y＝y_i与AB边的交点x_i为

同理，扫描线与其余边的交点也通过这种方法求出。最后填充每对交点之间的全部像素。

6、根据体素的属性值构成实体体素。

把平面三角形中所有的体素存入体缓存，根据同一个体素出现的次数确定该体素的属性值。体缓存的属性值(奇数次属性值为1，偶数次属性值为0)记录体素出现的次数，每个体素的属性值初始化为0，如果体素出现奇数次，属性值变为1，出现偶数次，属性值变为0。所有属性值为1的体素，即为构成实体的体素。

7、将确定的体素参数与物理属性信息写成输入卡。

输入卡由6部分组成，包括问题描述卡、基本体数据卡、材料数据卡、区域卡、放射源卡以及探测点卡，各个卡片之间用回车分割，整个卡片结束用“END”标识。

8、用点核积分方法计算三维辐射场剂量分布(图4)。

1)导入利用组合几何方法构造的输入卡；

2)计算放射源各能量点的通量率-剂量率转换因子，各屏蔽材料的线衰减因子及G-P拟合参数；

3)将放射源离散为若干点核；

4)计算点核到探测点的平均自由程及屏蔽层；

5)计算累积因子；

6)根据点核公式计算点核在探测点的剂量率；

7)完成所有点核的计算，并将所有点核在探测点的剂量率求和；

8)完成所有放射源计算，并将所有放射源在探测点的剂量率求和。三维辐射场剂量分布计算完成。

Claims (3)

1.一种3dsMax核设施模型辐射场剂量分布仿真方法，其特征是：

(1)用3dsMax软件根据确定的核设施参数构建模型，并将文件保存为3DS格式；

(2)导入3DS核设施模型文件，获得模型参数；

(3)构建包围盒与四面体，具体包括：

根据模型所有顶点信息构建模型场景包围盒；遍历模型所有实体对象，构建实体对象包围盒，将实体对象包围盒内所有顶点的坐标相加除以顶点个数，获得实体对象包围盒的参考点O，将实体表面所有的三角形面片和参考点O组合成为四面体；

(4)将确定的体素参数与材质信息写成输入卡，具体包括：

计算扫描平面与四面体的边的交点，得到一系列平面三角形，对每个四面体沿着z方向扫描求交，以设定的体素宽Width为间距，得到一系列平面三角形；把四面体的四个顶点按照它们的z方向坐标大小排序，扫描平面从z方向坐标最大的点开始沿z方向向下依次扫描，到z方向坐标最小的点结束；

(5)将平面三角形离散成像素，具体包括：

每个扫描平面与四面体的三个交点构成一个三角形，当扫描平面与四面体的边有四个交点时，把四边形分割成两个三角形；

用填充扫描线算法把三角形离散成像素，对于x-y平面上任意一个三角形ABC，选取y方向为扫描方向，把三角形的三个顶点按照y方向的坐标排序，扫描线从y值最大的点扫描到y值最小的点；

(6)根据体素的属性值构成实体体素，具体包括：

把平面三角形中所有的体素存入体缓存，根据同一个体素出现的次数确定该体素的属性值；体缓存的属性值记录体素出现的次数，每个体素的属性值初始化为0，如果体素出现奇数次，属性值变为1，出现偶数次，属性值变为0；所有属性值为1的体素，即为构成实体的体素；

(7)将确定的体素参数与物理属性信息写成输入卡；

(8)用点核积分方法计算三维辐射场剂量分布。

2.根据权利要求1所述的3dsMax核设施模型辐射场剂量分布仿真方法，其特征是所述用3dsMax软件根据确定的核设施参数构建模型，并将文件保存为3DS格式具体包括：

在3dsMax软件材质编辑器内直接对材质球命名，然后将材质球导入到使用该材质的实体上；材质的命名规则为，

源项类材质命名区分符为SO，命名格式如下：

SO,能量,活度,±份额,其他信息；

屏蔽类材质命名区分符为SH，命名规则如下：

SH,密度,原子序数,±份额,其他信息；

其中“+”代表原子个数的份额，“-”代表质量份额。

3.根据权利要求2所述的3dsMax核设施模型辐射场剂量分布仿真方法，其特征是所述用点核积分方法计算三维辐射场剂量分布具体包括：

1)导入利用组合几何方法构造的输入卡；

2)计算放射源各能量点的通量率-剂量率转换因子，各屏蔽材料的线衰减因子及G-P拟合参数；

3)将放射源离散为若干点核；

4)计算点核到探测点的平均自由程及屏蔽层；

5)计算累积因子；

6)根据点核公式计算点核在探测点的剂量率；

7)完成所有点核的计算，并将所有点核在探测点的剂量率求和；

8)完成所有放射源计算，并将所有放射源在探测点的剂量率求和。

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