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)計和探測效率等進行精確的計算和評估顯得越來越重要。由于經(jīng)驗計算和實驗測試工作量大、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)計理論為指導(dǎo)的數(shù)值計算方法，應(yīng)用于輻射劑量分布計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，這些工具的準確性都經(jīng)過了多年的驗證，但是需要花費一定的時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蒙特卡羅計算軟件，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]等蒙特卡羅計算軟件主要用于反應(yīng)堆工程中的中子學(xué)計算，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)用于輻射劑量計算、針對輻照系統(tǒng)屏蔽設(shè)計和探測系統(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及環(huán)境保護研究室基于Geant4工具，研發(fā)了國產(chǎn)蒙特卡羅輻射防護設(shè)計與劑量計算軟件THUDose，該軟件針對輻射屏蔽計算的需求為用戶提供了接口界面，使得模擬計算所需的材料、幾何、源項、物理模型和統(tǒng)計方式都能通過簡單的參數(shù)進行設(shè)置，同時支持服務(wù)器并行計算及結(jié)果可視化，用戶可以在較短的時間內(nèi)對結(jié)果進行直觀的分析。該軟件能夠滿足輻照系統(tǒng)屏蔽設(shè)計和探測系統(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、探測系統(tǒng)的探測效率計算等領(lǐng)域。

1程序結(jié)構(gòu)

THUDose軟件的主界面具有菜單欄、工具欄和計算進度條。菜單欄中包括用戶自定義材料、幾何、磁場、源項的選項及新建模擬等操作，可以快速地對某一特殊場景搭建工程進行模擬計算。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，具有鼠標操作功能。計算時，軟件支持本地計算和服務(wù)器并行計算2種模式，計算結(jié)果輸出后，同時支持幾何及3維劑量場分布可視化顯示，便于用戶進行數(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)器并行運算4個部分，蒙特卡羅模擬模塊包括幾何輸入模塊、材料輸入模塊、源項描述模塊、物理模塊、深穿透模塊和計數(shù)器模塊6個部分，后處理模塊包括圖形化后處理界面、3維可視化界面、計算結(jié)果處理3個部分。程序在各部分之間都設(shè)置了特定的接口實現(xiàn)信息傳遞，使軟件整體運行流暢、銜接性強。

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、物理模型及統(tǒng)計方式，并能夠快速地計算出3維劑量分布和輻射防護的各項性能指標，給出數(shù)據(jù)的3維可視化圖形界面，實現(xiàn)高效的并行計算。

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)計的幾何模型，有多種實現(xiàn)方式：

1)通過添加實體界面，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及環(huán)境保護實驗室研發(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，程序還能夠進行幾何正確性檢查，以避免幾何重疊等錯誤。GDML蒙特卡羅幾何文件生成之后，能夠直接導(dǎo)入THUDose軟件進行計算，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源項模型

THUDose支持模擬輻射防護系統(tǒng)常用的各種源項，包括單向點源、各向同性點源、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，參數(shù)包括粒子類型、照射類型、源的能量E、源的中心坐標xyz、源的方向uvw、半徑R等。THUDose支持模擬在輻射防護領(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

輻射防護領(lǐng)域主要涉及光子-電子耦合輸運、中子-光子耦合屏蔽計算等問題，其中包含多個物理過程，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子物理模型，并能夠通過界面進行選擇調(diào)用，避免了添加物理過程的繁瑣環(huán)節(jié)。

2.4統(tǒng)計功能

THUDose支持實體統(tǒng)計和虛擬mesh統(tǒng)計2種方式，實體統(tǒng)計即相當于建立探測器，mesh統(tǒng)計是指將空間劃分成網(wǎng)格進行3維劑量分布統(tǒng)計[12]。多種統(tǒng)計方式可實現(xiàn)對不同粒子的粒子數(shù)、通量、劑量和能量沉積4種物理量分別進行統(tǒng)計，所獲取的信息能夠滿足輻射防護領(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的坐標數(shù)據(jù)及劑量值大小的即時顯示，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，從而對屏蔽幾何進行定量分析，提高屏蔽設(shè)計結(jié)果的可靠性，進一步增強輻射屏蔽設(shè)計的研發(fā)能力。

2.6并行計算

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

3計算正確性驗證

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

圖2基于THUDose、Geant4、MCNP計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計算的高能電子打靶能譜的計算偏差Fig.3Deviation of energy spectrum calculatedby THUDose，Geant4，MCNP

4THUDose的應(yīng)用

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

4.1某輻照裝置屏蔽設(shè)計

輻照裝置(如反應(yīng)堆、加速器、X射線機等)都需要進行屏蔽設(shè)計，方可投入使用[13-15]。對于一般的輻射屏蔽設(shè)計工程，THUDose軟件的計算流程如圖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行計算模擬。本文以X射線機屏蔽設(shè)計為例進行說明。圖5為X射線機的結(jié)構(gòu)示意圖。

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

圖5X射線機示意圖Fig.5Sketch map of X-ray machine

THUDose通過導(dǎo)入GDML文件及附加材料，能夠非常快捷地在程序中構(gòu)建起模擬所需的基本模型。使用自定義源項功能，能夠?qū)崿F(xiàn)符合現(xiàn)實場景所需的X射線裝置出束方式。選擇mesh網(wǎng)格統(tǒng)計方式，能夠自定義劑量分布的精細化程度，從而使用戶精準定位到儀器各方向位置點的劑量率，并對其進行屏蔽計算。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)計及其驗證工作。

THUDose計算給出的3維劑量分布結(jié)果如圖6所示。結(jié)合輻射防護理論，可以設(shè)計出相關(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)計好的屏蔽方案通過THUDose幾何描述模塊進行定義，再次對已屏蔽的輻照裝置進行驗證計算，得到的劑量分布如圖8所示。由圖8可見，設(shè)計方案滿足輻射防護需求。

圖6裸X光機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)探測效率計算

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

探測器系統(tǒng)模擬中，最主要的部分是源項、探測器及統(tǒng)計方式，這3個部分都可以在THUDose界面上通過簡單的參數(shù)進行設(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。在進行探測系統(tǒng)探測效率的計算時，設(shè)置源項為各項同性點源，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)計時，在1 MeV能量范圍內(nèi)設(shè)置1 000道統(tǒng)計能譜，同時使用100個進程進行并行計算，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)計各個探測器特征峰的計數(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)分別建立項目進行模擬，操作更直觀。當需要改變某一參數(shù)(如覆蓋物質(zhì)層厚度和探測器與物質(zhì)層之間距離)進行比較時，通過界面參數(shù)設(shè)置，可以進行重復(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無覆蓋物時的探測效率為基數(shù)進行歸一化處理，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)層之間距離較遠時探測效率相對高一點，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，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、計算結(jié)果精確、結(jié)果顯示直觀的輻射防護設(shè)計與劑量計算專用軟件。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。該軟件所提供的實體統(tǒng)計和mesh統(tǒng)計等多種統(tǒng)計方式使數(shù)據(jù)統(tǒng)計更為便捷，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行數(shù)據(jù)分析及進一步研究。總之，THUDose作為一款在輻射防護設(shè)計與劑量計算領(lǐng)域的專用軟件，在保障計算精度的情況下，提升了計算速度，簡化了建模流程，優(yōu)化了統(tǒng)計方式，提供了直觀的統(tǒng)計結(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。