羅熹宇，邱 睿，武 禎, 2?，馬銳垚，鄢書暢，張 輝，李君利

(1. 清華大學(xué) 工程物理系，北京100084;2. 同方威視技術(shù)股份有限公司，北京100084)

隨著輻照裝置和探測器的廣泛應(yīng)用，對設(shè)備的劑量分布、屏蔽設(shè)計(jì)和探測效率等進(jìn)行精確的計(jì)算和評估顯得越來越重要。由于經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試工作量大、成本高、精確度要求和可重復(fù)性低，因此需要更優(yōu)化的方法來解決這類問題。蒙特卡羅方法作為一種以概率統(tǒng)計(jì)理論為指導(dǎo)的數(shù)值計(jì)算方法，應(yīng)用于輻射劑量分布計(jì)算和探測效率研究領(lǐng)域，具有較高的精確性和靈活性?；诿商乜_方法開發(fā)的計(jì)算模擬工具有很多，如Geant4[1-2]、FLUKA[3-4]和MCNP[5-6]等，這些工具的準(zhǔn)確性都經(jīng)過了多年的驗(yàn)證，但是需要花費(fèi)一定的時(shí)間或者具備一定的編程功底才能熟練地使用這些軟件。目前國內(nèi)也開發(fā)了一些專用的粒子輸運(yùn)蒙特卡羅計(jì)算軟件，但都有各自針對的特定領(lǐng)域，存在自身的一些局限。中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所研發(fā)的SuperMC[7]、北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所研發(fā)的JMCT[8]、生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心研發(fā)的RshieldMC[9]等蒙特卡羅計(jì)算軟件主要用于反應(yīng)堆工程中的中子學(xué)計(jì)算，清華大學(xué)開發(fā)的NUCRPD[10]主要應(yīng)用于集裝箱檢測輻射成像系統(tǒng)領(lǐng)域，專門應(yīng)用于輻射劑量計(jì)算、針對輻照系統(tǒng)屏蔽設(shè)計(jì)和探測系統(tǒng)參數(shù)核算而開發(fā)的蒙特卡羅軟件尚不成熟。鑒于此，清華大學(xué)工程物理系輻射防護(hù)及環(huán)境保護(hù)研究室基于Geant4工具，研發(fā)了國產(chǎn)蒙特卡羅輻射防護(hù)設(shè)計(jì)與劑量計(jì)算軟件THUDose，該軟件針對輻射屏蔽計(jì)算的需求為用戶提供了接口界面，使得模擬計(jì)算所需的材料、幾何、源項(xiàng)、物理模型和統(tǒng)計(jì)方式都能通過簡單的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)支持服務(wù)器并行計(jì)算及結(jié)果可視化，用戶可以在較短的時(shí)間內(nèi)對結(jié)果進(jìn)行直觀的分析。該軟件能夠滿足輻照系統(tǒng)屏蔽設(shè)計(jì)和探測系統(tǒng)參數(shù)核算領(lǐng)域的大部分需求，經(jīng)測試，該軟件已經(jīng)成功地應(yīng)用于輻照系統(tǒng)的輻射屏蔽設(shè)計(jì)、探測系統(tǒng)的探測效率計(jì)算等領(lǐng)域。

1程序結(jié)構(gòu)

THUDose軟件的主界面具有菜單欄、工具欄和計(jì)算進(jìn)度條。菜單欄中包括用戶自定義材料、幾何、磁場、源項(xiàng)的選項(xiàng)及新建模擬等操作，可以快速地對某一特殊場景搭建工程進(jìn)行模擬計(jì)算。軟件界面符合Windows系統(tǒng)操作風(fēng)格，簡潔直觀，操作方便快捷，具有鼠標(biāo)操作功能。計(jì)算時(shí)，軟件支持本地計(jì)算和服務(wù)器并行計(jì)算2種模式，計(jì)算結(jié)果輸出后，同時(shí)支持幾何及3維劑量場分布可視化顯示，便于用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。

軟件整體架構(gòu)共分為3大模塊，分別是前處理模塊、蒙特卡羅模擬模塊和后處理模塊，如圖1所示。其中前處理模塊包括用戶操作界面、數(shù)據(jù)合法性檢測、圖形化建模和服務(wù)器并行運(yùn)算4個(gè)部分，蒙特卡羅模擬模塊包括幾何輸入模塊、材料輸入模塊、源項(xiàng)描述模塊、物理模塊、深穿透模塊和計(jì)數(shù)器模塊6個(gè)部分，后處理模塊包括圖形化后處理界面、3維可視化界面、計(jì)算結(jié)果處理3個(gè)部分。程序在各部分之間都設(shè)置了特定的接口實(shí)現(xiàn)信息傳遞，使軟件整體運(yùn)行流暢、銜接性強(qiáng)。

圖1THUDose軟件模塊架構(gòu)Fig.1Software module architecture of THUDose

2功能介紹

THUDose可以使用參數(shù)快速建立輻射模擬系統(tǒng)的材料庫、幾何模型、源項(xiàng)、物理模型及統(tǒng)計(jì)方式，并能夠快速地計(jì)算出3維劑量分布和輻射防護(hù)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，給出數(shù)據(jù)的3維可視化圖形界面，實(shí)現(xiàn)高效的并行計(jì)算。

2.1幾何模型

軟件支持圖形化建模，能夠精確描述工程設(shè)計(jì)的幾何模型，有多種實(shí)現(xiàn)方式：

1)通過添加實(shí)體界面，可以使用不同的幾何基本元素手動添加或?qū)隕xcel構(gòu)建復(fù)雜的幾何。同時(shí)可以導(dǎo)出格式為WRL或PLY的三維圖像文件，供用戶直觀地查看和檢查幾何是否滿足預(yù)期所需。

2)集成清華大學(xué)工程物理系輻射防護(hù)及環(huán)境保護(hù)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的CMGC程序[11]，可以將STP文件轉(zhuǎn)換為GDML文件，并給幾何的不同組分附上不同種類的材料。存在復(fù)雜幾何時(shí)，程序還能夠進(jìn)行幾何正確性檢查，以避免幾何重疊等錯(cuò)誤。GDML蒙特卡羅幾何文件生成之后，能夠直接導(dǎo)入THUDose軟件進(jìn)行計(jì)算，避免了通過代碼建立幾何的復(fù)雜步驟。

3)直接導(dǎo)入voxel體素格式的數(shù)據(jù)以及面元ply或者stl數(shù)據(jù)，極大地簡化了幾何構(gòu)建的整個(gè)流程，也為復(fù)雜幾何的構(gòu)建提供了可行的方法。

2.2源項(xiàng)模型

THUDose支持模擬輻射防護(hù)系統(tǒng)常用的各種源項(xiàng)，包括單向點(diǎn)源、各向同性點(diǎn)源、空間各向同性源、空間平面旋轉(zhuǎn)源、相空間文件、用戶自定義源項(xiàng)和能譜文件等。通過修改界面的參數(shù)就能便捷地定義以上各種源項(xiàng)，參數(shù)包括粒子類型、照射類型、源的能量E、源的中心坐標(biāo)xyz、源的方向uvw、半徑R等。THUDose支持模擬在輻射防護(hù)領(lǐng)域用到的所有粒子，如光子、電子、中子、質(zhì)子等。

2.3物理模型

輻射防護(hù)領(lǐng)域主要涉及光子-電子耦合輸運(yùn)、中子-光子耦合屏蔽計(jì)算等問題，其中包含多個(gè)物理過程，如光電效應(yīng)、康普頓散射、電子對效應(yīng)、庫侖散射、電離、軔致輻射、正電子湮滅、彈性碰撞、非彈性碰撞、中子俘獲和裂變等。Geant4針對不同的應(yīng)用場景，將上述物理過程打包成若干物理模型，方便用戶直接進(jìn)行調(diào)用。THUDose沿用了此方式，包含了Geant4中的全部電磁物理模型和強(qiáng)子物理模型，并能夠通過界面進(jìn)行選擇調(diào)用，避免了添加物理過程的繁瑣環(huán)節(jié)。

2.4統(tǒng)計(jì)功能

THUDose支持實(shí)體統(tǒng)計(jì)和虛擬mesh統(tǒng)計(jì)2種方式，實(shí)體統(tǒng)計(jì)即相當(dāng)于建立探測器，mesh統(tǒng)計(jì)是指將空間劃分成網(wǎng)格進(jìn)行3維劑量分布統(tǒng)計(jì)[12]。多種統(tǒng)計(jì)方式可實(shí)現(xiàn)對不同粒子的粒子數(shù)、通量、劑量和能量沉積4種物理量分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，所獲取的信息能夠滿足輻射防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的大部分需求。

2.5結(jié)果可視化

THUDose的結(jié)果可視化功能包含3維幾何模型、3維劑量場分布、等劑量線顯示等。THUDose的3維可視化模塊可以實(shí)現(xiàn)幾何模型和劑量場的融合顯示，提供劑量場中各位置點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)及劑量值大小的即時(shí)顯示，顯示出等劑量曲線和映射colorbar顏色，用戶能夠直觀地分析3維空間任意點(diǎn)的劑量分布和周圍幾何體的關(guān)系。THUDose的結(jié)果可視化系列功能使屏蔽設(shè)計(jì)研究人員可以便捷地觀察幾何周圍指定范圍內(nèi)的劑量場大小，從而對屏蔽幾何進(jìn)行定量分析，提高屏蔽設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性，進(jìn)一步增強(qiáng)輻射屏蔽設(shè)計(jì)的研發(fā)能力。

2.6并行計(jì)算

THUDose通過Condor或者M(jìn)PI提交任務(wù)，支持在本地或服務(wù)器上使用多線程并行計(jì)算，大大提高了模擬計(jì)算的速度，節(jié)省了工程計(jì)算的時(shí)間。同時(shí)計(jì)算1×107個(gè)能量為0.16 MeV的電子打靶所生成的能譜，Geant4單核計(jì)算耗時(shí)572.643 s，THUDose使用并行計(jì)算僅需138 s，速度提升約4倍，計(jì)算效率得到了很大程度的優(yōu)化。

3計(jì)算正確性驗(yàn)證

利用Geant4工具包開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)，調(diào)用不同的物理模型會造成計(jì)算結(jié)果的不同，而THUDose軟件是基于Geant4工具包開發(fā)的應(yīng)用程序，所以需對THUDose軟件的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。分別利用Geant4工具包和THUDose計(jì)算了6 MeV高能電子加速器打鎢靶所產(chǎn)生的能譜,并與MCNP計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，從而對THUDose調(diào)用相關(guān)模塊形成自主軟件時(shí)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。圖2為MCNP，Geant4，THUDose計(jì)算結(jié)果的對比，圖3為計(jì)算偏差的對比。由圖2、圖3可見，三者結(jié)果符合較好，計(jì)算結(jié)果表明THUDose的計(jì)算結(jié)果是正確的。

圖2基于THUDose、Geant4、MCNP計(jì)算的高能電子打靶能譜Fig.2Energy spectra of high energy electron calculatedby THUDose，Geant4， MCNP

圖3基于THUDose，Geant4，MCNP計(jì)算的高能電子打靶能譜的計(jì)算偏差Fig.3Deviation of energy spectrum calculatedby THUDose，Geant4，MCNP

4THUDose的應(yīng)用

THUDose軟件可以應(yīng)用于輻射防護(hù)及探測的多個(gè)領(lǐng)域，包括3維劑量場分布計(jì)算、輻照裝置屏蔽設(shè)計(jì)、探測系統(tǒng)探測效率計(jì)算等。本文分別給出THUDose在某輻照裝置屏蔽設(shè)計(jì)和某輻射探測系統(tǒng)探測效率計(jì)算中的應(yīng)用算例。

4.1某輻照裝置屏蔽設(shè)計(jì)

輻照裝置(如反應(yīng)堆、加速器、X射線機(jī)等)都需要進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)，方可投入使用[13-15]。對于一般的輻射屏蔽設(shè)計(jì)工程，THUDose軟件的計(jì)算流程如圖4所示。通過幾何模塊和參數(shù)界面生成包含模擬信息的XML文件，再調(diào)用THUDose的蒙特卡羅模擬模塊進(jìn)行計(jì)算模擬。本文以X射線機(jī)屏蔽設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說明。圖5為X射線機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4THUDose輻射屏蔽設(shè)計(jì)流程Fig.4Workflow of the radiation shielding design in THUDose

圖5X射線機(jī)示意圖Fig.5Sketch map of X-ray machine

THUDose通過導(dǎo)入GDML文件及附加材料，能夠非?？旖莸卦诔绦蛑袠?gòu)建起模擬所需的基本模型。使用自定義源項(xiàng)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)符合現(xiàn)實(shí)場景所需的X射線裝置出束方式。選擇mesh網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)方式，能夠自定義劑量分布的精細(xì)化程度，從而使用戶精準(zhǔn)定位到儀器各方向位置點(diǎn)的劑量率，并對其進(jìn)行屏蔽計(jì)算。3維劑量場分布的直觀顯示將幾何結(jié)構(gòu)與劑量數(shù)據(jù)融合顯示，提供了直觀分析處理方式，有利于屏蔽設(shè)計(jì)及其驗(yàn)證工作。

THUDose計(jì)算給出的3維劑量分布結(jié)果如圖6所示。結(jié)合輻射防護(hù)理論，可以設(shè)計(jì)出相關(guān)屏蔽方案如圖7所示。滿足在設(shè)備外表面10 cm處的劑量率低于3 μGy·h-1的屏蔽需求。將設(shè)計(jì)好的屏蔽方案通過THUDose幾何描述模塊進(jìn)行定義，再次對已屏蔽的輻照裝置進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，得到的劑量分布如圖8所示。由圖8可見，設(shè)計(jì)方案滿足輻射防護(hù)需求。

圖6裸X光機(jī)3維劑量分布圖Fig.6The 3D dose distribution map of X-raymachine(unshielded) calculated by THUDose

圖7屏蔽方案Fig.7Shielding scheme

圖8X射線機(jī)屏蔽后的3維劑量分布示意圖Fig.8The 3D dose distribution map of X-ray machine(shielded) calculated by THUDose

4.2某探測系統(tǒng)探測效率計(jì)算

THUDose在探測器的構(gòu)建及模擬方面功能強(qiáng)大，能夠模擬計(jì)算探測器的基本物理指標(biāo)，如能量響應(yīng)、探測效率及能量分辨率等。本文以計(jì)算某探測系統(tǒng)對137Cs源和241Am源的探測效率為例進(jìn)行說明。

探測器系統(tǒng)模擬中，最主要的部分是源項(xiàng)、探測器及統(tǒng)計(jì)方式，這3個(gè)部分都可以在THUDose界面上通過簡單的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置?？紤]到探測器數(shù)目多，故THUDose也支持使用Excel表格對參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，方便修改和二次導(dǎo)入建模信息，圖9為某探測器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，圖9(a)為241Am探測器系統(tǒng)的示意圖，圖9(b)為137Cs探測器系統(tǒng)的示意圖。在進(jìn)行探測系統(tǒng)探測效率的計(jì)算時(shí)，設(shè)置源項(xiàng)為各項(xiàng)同性點(diǎn)源，位于一定厚度的物質(zhì)底層中心。

(a) 241Am

(b) 137Cs圖9探測系統(tǒng)示意圖Fig.9Schematic diagram of detection system

統(tǒng)計(jì)時(shí)，在1 MeV能量范圍內(nèi)設(shè)置1 000道統(tǒng)計(jì)能譜，同時(shí)使用100個(gè)進(jìn)程進(jìn)行并行計(jì)算，總共模擬了108次核衰變，即可得到沉積的能量和能譜分布。最后，統(tǒng)計(jì)各個(gè)探測器特征峰的計(jì)數(shù)概率，得到探測系統(tǒng)中不同探測器組的探測效率。對于相似的兩個(gè)并行工程，THUDose可使用復(fù)制功能對241Am探測器和137Cs探測器系統(tǒng)分別建立項(xiàng)目進(jìn)行模擬，操作更直觀。當(dāng)需要改變某一參數(shù)(如覆蓋物質(zhì)層厚度和探測器與物質(zhì)層之間距離)進(jìn)行比較時(shí)，通過界面參數(shù)設(shè)置，可以進(jìn)行重復(fù)性模擬，從而得到不同條件下探測系統(tǒng)的探測效率。

計(jì)算得到兩種探測系統(tǒng)模型在不同覆蓋物質(zhì)層厚度、不同探測器與物質(zhì)層之間距離的探測效率，并以探測器離被探測物質(zhì)30 mm的137Cs無覆蓋物時(shí)的探測效率為基數(shù)進(jìn)行歸一化處理，圖10為探測器探測效率隨覆蓋物質(zhì)層厚度變化關(guān)系。由圖10可見，隨著覆蓋物質(zhì)層厚度的增加，探測器陣列的探測效率會降低。同一覆蓋物質(zhì)層厚度，探測器與覆蓋物質(zhì)層之間距離較遠(yuǎn)時(shí)探測效率相對高一點(diǎn)，這是由于與距離近的情況相比，探測器與覆蓋物質(zhì)層之間距離越遠(yuǎn)，空間立體角越大，探測效率越高。該結(jié)果可以為探測器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性建議。

圖10探測器探測效率隨覆蓋物質(zhì)厚度的變化關(guān)系Fig.10Detection efficiency vs. thickness of material cover

5結(jié)論

基于Windows操作系統(tǒng)的THUDose是一款用戶友好、易于上手、搭建模型便利、計(jì)算結(jié)果精確、結(jié)果顯示直觀的輻射防護(hù)設(shè)計(jì)與劑量計(jì)算專用軟件。THUDose軟件支持CAD轉(zhuǎn)GDML文件建模及利用簡單的幾何進(jìn)行參數(shù)化建模，適用于幾乎所有的復(fù)雜幾何模型，極大地簡化了建模步驟。該軟件所提供的實(shí)體統(tǒng)計(jì)和mesh統(tǒng)計(jì)等多種統(tǒng)計(jì)方式使數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)更為便捷，避免了復(fù)雜程序的編寫工作。配合幾何與數(shù)據(jù)融合的3維劑量場可視化結(jié)果分析模塊，可以使用戶直觀地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及進(jìn)一步研究?？傊?，THUDose作為一款在輻射防護(hù)設(shè)計(jì)與劑量計(jì)算領(lǐng)域的專用軟件，在保障計(jì)算精度的情況下，提升了計(jì)算速度，簡化了建模流程，優(yōu)化了統(tǒng)計(jì)方式，提供了直觀的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，極大地降低了蒙特卡羅模擬方法的使用門檻，為相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者提供了便捷。