CN109471147B - 一种基于变权重离散的γ剂量率计算方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变权重离散的γ剂量率计算方法及***，方法包括：S1、以体源或面源的几何中心为原点，分别建立X、Y、Z坐标轴；S2、根据待计算点到各坐标轴的距离和体源或面源在各坐标轴方向上的最大尺寸设置离散权重参数；S3、将体源或面源离散为若干点源；S4、计算每个点源的γ剂量率贡献；S5、将每个点源的γ剂量率贡献进行累积，得到体源或面源在待计算点处的γ剂量率；S6、将每个体源和每个面源在待计算点处的γ剂量率进行累积，得到待计算点的最终γ剂量率。本发明所提供的方法及***，根据点到源之间距离不同，采用不同的权重，使得体源和面源相应的离散数目不同，不仅保证了γ外照射剂量率计算的精度，还能够大大提高计算的效率。

Description

一种基于变权重离散的γ剂量率计算方法及***

技术领域

本发明涉及辐射防护技术领域，具体涉及一种基于变权重离散的γ剂量率计算方法及***。

背景技术

点核积分方法是计算γ外照射剂量的常用方法，被广泛应用在屏蔽计算和外照射剂量计算中，与蒙特卡罗方法相比，它不仅不受空间尺寸和屏蔽体厚度的限制，而且机时量小，具有较快的计算速度，缺点在于该方法不能对粒子散射问题进行准确的考虑，需要引入累积因子对粒子散射进行修正，计算结果往往偏于保守。

该方法以各向同性点源的计算为基础，对于体源或者面源采用离散的方法，转化为若干个各向同性点源，将每个点源的计算结果进行累加，从而得到整个体源或者面源的计算结果。将体源或者面源离散成点源的数目，不仅与计算结果的精度有关，还与所需的计算时间相关。一方面目前传统的点核积分算法没有对计算效率进行优化，计算速度已然不能满足当前的需求，另一方面随着点核积分方法在γ辐射场计算中的优势显现，同时随着辐射场可视化显示的需要，需要计算的代表三维辐射场的点阵数量越来越庞大，这对计算的速度提出了严峻的挑战。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于变权重离散的γ剂量率计算方法及***，根据计算点到源之间的距离不同，采用不同的权重对体源或面源进行离散，保证计算精度的前提下提高γ辐射场计算的效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于变权重离散的γ剂量率计算方法，包括：

S1、在一体源或一面源内部建立局部坐标系，以所述体源或所述面源的几何中心为原点，分别建立X、Y、Z坐标轴；

S2、计算一待计算点到各坐标轴的距离，根据所述待计算点到各坐标轴的距离和所述体源或所述面源在各坐标轴方向上的最大尺寸设置离散权重参数；

S3、根据所述待计算点到各坐标轴的距离、所述最大尺寸以及所述离散权重参数，将所述体源或所述面源离散为若干点源；

S4、根据每个点源到所述待计算点的距离计算每个点源的γ剂量率贡献；

S5、将每个点源的γ剂量率贡献进行累积，得到所述体源或所述面源在所述待计算点处的γ剂量率；

S6、将每个体源和每个面源在所述待计算点处的γ剂量率进行累积，得到所述待计算点的最终γ剂量率。

进一步，如上所述的一种基于变权重离散的γ剂量率计算方法，步骤S3包括：

S31、根据所述待计算点到各坐标轴的距离、所述最大尺寸和所述离散权重参数，计算得到所述待计算点在各坐标轴方向上的离散数；

S32、从预设的各坐标轴方向上的最大离散数和计算得到所述待计算点在各坐标轴方向上的离散数中取较小者，作为所述待计算点在各坐标轴方向上的最终离散数；

S33、将所述体源或所述面源离散为若干点源，点源个数为所述待计算点在各坐标轴方向上的最终离散数的乘积。

进一步，如上所述的一种基于变权重离散的γ剂量率计算方法，步骤S31具体包括：

如果R_i≠0，则根据下式计算并向上取整后得到所述待计算点在各坐标轴方向上的离散数N_i；

其中，n为所述离散权重参数，D_i为所述体源或所述面源在各坐标轴方向上的最大尺寸，R_i为所述待计算点到各坐标轴的距离，N_i为所述待计算点在i坐标轴方向上的离散数，N_i为正整数，i＝{i|x,y,z}；

如果R_i＝0，即所述待计算点位于坐标轴上，则根据下式计算并向上取整后得到所述待计算点在该坐标轴方向上的离散数N；

R′＝R-D/2，

其中，n为所述离散权重参数，R为所述待计算点到原点的距离，D为所述体源或所述面源在该坐标轴方向上的最大尺寸，N为正整数。

进一步，如上所述的一种基于变权重离散的γ剂量率计算方法，步骤S2中，根据所述待计算点到各坐标轴的距离和所述体源或所述面源在各坐标轴方向上的最大尺寸设置离散权重参数n，具体包括：

如果

则n的值设置为

如果

则n的值根据实际情况设置为10-20之间的任意数；

如果

则n的值根据实际情况设置为1-10之间的任意数；

其中，D_i为所述体源或所述面源在各坐标轴方向上的最大尺寸，R_i为所述待计算点到各坐标轴的距离，i＝{i|x,y,z}。

进一步，如上所述的一种基于变权重离散的γ剂量率计算方法，步骤S4具体包括：

根据下式计算每个点源的γ剂量率贡献；

其中，F(E)为转换函数，E为γ光子的能量，A_i为第i个点源的活度，B为累积因子，e^-μt为指数衰减项，μ为材料对γ光子的线衰减系数，t为γ光子在该材料中穿过的距离，r为第i个点源到所述待计算点的距离，H_i为第i个点源的γ剂量率贡献，i为正整数。

本发明实施例中还提供了一种基于变权重离散的γ剂量率计算***，包括：

建立模块，用于在一体源或一面源内部建立局部坐标系，以所述体源或所述面源的几何中心为原点，分别建立X、Y、Z坐标轴；

设置模块，用于计算一待计算点到各坐标轴的距离，根据所述待计算点到各坐标轴的距离和所述体源或所述面源在各坐标轴方向上的最大尺寸设置离散权重参数；

离散模块，用于根据所述待计算点到各坐标轴的距离、所述最大尺寸以及所述离散权重参数，将所述体源或所述面源离散为若干点源；

计算模块，用于根据每个点源到所述待计算点的距离计算每个点源的γ剂量率贡献；

第一累积模块，用于将每个点源的γ剂量率贡献进行累积，得到所述体源或所述面源在所述待计算点处的γ剂量率；

第二累积模块，用于将每个体源和每个面源在所述待计算点处的γ剂量率进行累积，得到所述待计算点的最终γ剂量率。

进一步，如上所述的一种基于变权重离散的γ剂量率计算***，所述离散模块包括：

计算子模块，用于根据所述待计算点到各坐标轴的距离、所述最大尺寸和所述离散权重参数，计算得到所述待计算点在各坐标轴方向上的离散数；

确定子模块，用于从预设的各坐标轴方向上的最大离散数和计算得到所述待计算点在各坐标轴方向上的离散数中取较小者，作为所述待计算点在各坐标轴方向上的最终离散数；

离散子模块，用于将所述体源或所述面源离散为若干点源，点源个数为所述待计算点在各坐标轴方向上的最终离散数的乘积。

进一步，如上所述的一种基于变权重离散的γ剂量率计算***，所述计算子模块具体用于：

如果R_i≠0，则根据下式计算并向上取整后得到所述待计算点在各坐标轴方向上的离散数N_i；

其中，n为所述离散权重参数，D_i为所述体源或所述面源在各坐标轴方向上的最大尺寸，R_i为所述待计算点到各坐标轴的距离，N_i为所述待计算点在i坐标轴方向上的离散数，N_i为正整数，i＝{i|x,y,z}；

如果R_i＝0，即所述待计算点位于坐标轴上，则根据下式计算并向上取整后得到所述待计算点在该坐标轴方向上的离散数N；

R′＝R-D/2，

其中，n为所述离散权重参数，R为所述待计算点到原点的距离，D为所述体源或所述面源在该坐标轴方向上的最大尺寸，N为正整数。

进一步，如上所述的一种基于变权重离散的γ剂量率计算***，所述设置模块具体用于：

如果

则n的值设置为

如果

则n的值根据实际情况设置为10-20之间的任意数；

如果

则n的值根据实际情况设置为1-10之间的任意数；

其中，D_i为所述体源或所述面源在各坐标轴方向上的最大尺寸，R_i为所述待计算点到各坐标轴的距离，i＝{i|x,y,z}。

进一步，如上所述的一种基于变权重离散的γ剂量率计算***，所述第一累积模块具体用于：

根据下式计算每个点源的γ剂量率贡献；

其中，F(E)为转换函数，E为γ光子的能量，A_i为第i个点源的活度，B为累积因子，e^-μt为指数衰减项，μ为材料对γ光子的线衰减系数，t为γ光子在该材料中穿过的距离，r为第i个点源到所述待计算点的距离，H_i为第i个点源的γ剂量率贡献，i为正整数。

本发明的有益效果在于：本发明所提供的方法及***，根据点到源之间的距离不同，采用不同的权重，使得体源和面源相应的离散数目不同，对于距离源较远区域的计算点，较少的离散数目就能达到很高的计算精度，而距离源较近的区域，需要较大的离散数目才能达到相应的计算精度。不仅保证了γ外照射剂量率计算的精度，还能够大大提高了计算的效率。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种基于变权重离散的γ剂量率计算方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种基于变权重离散的γ剂量率计算***的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种基于变权重离散的γ剂量率计算方法，包括：

S1、在一体源或一面源内部建立局部坐标系，以体源或面源的几何中心为原点，分别建立X、Y、Z坐标轴；

S2、计算一待计算点到各坐标轴的距离，根据待计算点到各坐标轴的距离和体源或面源在各坐标轴方向上的最大尺寸设置离散权重参数；

S3、根据待计算点到各坐标轴的距离、最大尺寸以及离散权重参数，将体源或面源离散为若干点源；

S4、根据每个点源到待计算点的距离计算每个点源的γ剂量率贡献；

S5、将每个点源的γ剂量率贡献进行累积，得到体源或面源在待计算点处的γ剂量率；

S6、将每个体源和每个面源在待计算点处的γ剂量率进行累积，得到待计算点的最终γ剂量率。

步骤S3包括：

S31、根据待计算点到各坐标轴的距离、最大尺寸和离散权重参数，计算得到待计算点在各坐标轴方向上的离散数；

S32、从预设的各坐标轴方向上的最大离散数和计算得到待计算点在各坐标轴方向上的离散数中取较小者，作为待计算点在各坐标轴方向上的最终离散数；

S33、将体源或面源离散为若干点源，点源个数为待计算点在各坐标轴方向上的最终离散数的乘积。

步骤S31具体包括：

如果R_i≠0，则根据下式计算并向上取整后得到待计算点在各坐标轴方向上的离散数N_i；

其中，n为离散权重参数，D_i为体源或面源在各坐标轴方向上的最大尺寸，R_i为待计算点到各坐标轴的距离，N_i为待计算点在i坐标轴方向上的离散数，N_i为正整数，i＝{i|x,y,z}；

如果R_i＝0，即待计算点位于坐标轴上，则根据下式计算并向上取整后得到待计算点在该坐标轴方向上的离散数N；

R′＝R-D/2，

其中，n为离散权重参数，R为待计算点到原点的距离，D为体源或面源在该坐标轴方向上的最大尺寸，N为正整数。

步骤S2中，根据待计算点到各坐标轴的距离和体源或面源在各坐标轴方向上的最大尺寸设置离散权重参数n，具体包括：

如果

则n的值设置为

如果

则n的值根据实际情况设置为10-20之间的任意数；

如果

则n的值根据实际情况设置为1-10之间的任意数；

其中，D_i为体源或面源在各坐标轴方向上的最大尺寸，R_i为待计算点到各坐标轴的距离，i＝{i|x,y,z}。

步骤S4具体包括：

根据下式计算每个点源的γ剂量率贡献；

其中，F(E)为转换函数，E为γ光子的能量，A_i为第i个点源的活度，B为累积因子，e^-μt为指数衰减项，μ为材料对γ光子的线衰减系数，t为γ光子在该材料中穿过的距离，r为第i个点源到待计算点的距离，H_i为第i个点源的γ剂量率贡献，i为正整数。

体源或者面源离散数目越多，得到的辐射场数据也就越准确。随着离散数目的增多，计算值与解析解之间的误差会越来越小，并且当离散数目增大到一定程度后，计算值与解析解之间的误差趋于0，进一步的增加离散数目，计算精度也不会得到提升，反而会大大增加计算所需的时间，同时随着计算点与源之间距离的增大，计算值趋于稳定时所需的离散数目也会逐渐变小，因此综合考虑计算精度与时间，本文采用权重离散方法，即对于距离体源或面源较近区域的计算点，采用较大的离散数目；对于距离体源或面源较远区域的计算点，采用较小的离散数目。本文在辐射场计算时，对于体源采用权重离散，可根据实际计算需要，综合考虑计算点到源表面的距离及源本身的最大尺寸，选择合适的离散权重参数n。

实施例一

一楼梯间的几何尺寸为6.3m*4.25m*9.3m，并同时将该场所内按长宽高等间隔划分为20*15*31共9300个γ剂量率待计算点。该体源存在一个管道面源，均匀分布在管道内壁，活度为109Bq，能量为1.173MeV，管道外半径为20cm，内半径为19cm，高度为200cm，位于第二层台阶上，忽略壁厚的影响。采用本发明的方法后，对管道面源项采用变权重离散，在高度方向上的离散权重参数n取20，在同一台电脑上，优化后的计算方法与传统方法的计算时间对比如下表所示。采用变权重离散优化方法后，计算时间减少至约原来的1/3。

同时，为了比较两者的计算结果，在源附近区域选取了600个计算点位，两者之间的平均偏差为1.32％，最大偏差为4.02％；在距离源较远区域选取900个计算点位，两者之间的平均偏差为0.61％，最大偏差为3.55％。这种程度的计算偏差，已足够满足现场γ辐射场的计算要求。

可以看出，本文提出的计算效率优化的方法，不仅能够有效地提高γ辐射场的计算效率，而且也能相应地保证结果的计算精度。

如图2所示，本发明实施例中还提供了一种基于变权重离散的γ剂量率计算***，包括：

建立模块1，用于在一体源或一面源内部建立局部坐标系，以体源或面源的几何中心为原点，分别建立X、Y、Z坐标轴；

设置模块2，用于计算一待计算点到各坐标轴的距离，根据待计算点到各坐标轴的距离和体源或面源在各坐标轴方向上的最大尺寸设置离散权重参数；

离散模块3，用于根据待计算点到各坐标轴的距离、最大尺寸以及离散权重参数，将体源或面源离散为若干点源；

计算模块4，用于根据每个点源到待计算点的距离计算每个点源的γ剂量率贡献；

第一累积模块5，用于将每个点源的γ剂量率贡献进行累积，得到体源或面源在待计算点处的γ剂量率；

第二累积模块6，用于将每个体源和每个面源在待计算点处的γ剂量率进行累积，得到待计算点的最终γ剂量率。

离散模块3包括：

计算子模块，用于根据待计算点到各坐标轴的距离、最大尺寸和离散权重参数，计算得到待计算点在各坐标轴方向上的离散数；

确定子模块，用于从预设的各坐标轴方向上的最大离散数和计算得到待计算点在各坐标轴方向上的离散数中取较小者，作为待计算点在各坐标轴方向上的最终离散数；

离散子模块，用于将体源或面源离散为若干点源，点源个数为待计算点在各坐标轴方向上的最终离散数的乘积。

计算子模块具体用于：

如果R_i≠0，则根据下式计算并向上取整后得到待计算点在各坐标轴方向上的离散数N_i；

其中，n为离散权重参数，D_i为体源或面源在各坐标轴方向上的最大尺寸，R_i为待计算点到各坐标轴的距离，N_i为待计算点在i坐标轴方向上的离散数，N_i为正整数，i＝{i|x,y,z}；

如果R_i＝0，即待计算点位于坐标轴上，则根据下式计算并向上取整后得到待计算点在该坐标轴方向上的离散数N；

R′＝R-D/2，

其中，n为离散权重参数，R为待计算点到原点的距离，D为体源或面源在该坐标轴方向上的最大尺寸，N为正整数。

设置模块2具体用于：

如果

则n的值设置为

如果

则n的值根据实际情况设置为10-20之间的任意数；

如果

则n的值根据实际情况设置为1-10之间的任意数；

其中，D_i为体源或面源在各坐标轴方向上的最大尺寸，R_i为待计算点到各坐标轴的距离，i＝{i|x,y,z}。

第一累积模块5具体用于：

根据下式计算每个点源的γ剂量率贡献；

其中，F(E)为转换函数，E为γ光子的能量，A_i为第i个点源的活度，B为累积因子，e^-μt为指数衰减项，μ为材料对γ光子的线衰减系数，t为γ光子在该材料中穿过的距离，r为第i个点源到待计算点的距离，H_i为第i个点源的γ剂量率贡献，i为正整数。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种基于变权重离散的γ剂量率计算方法，其特征在于，包括：

S1、在一体源或一面源内部建立局部坐标系，以所述体源或所述面源的几何中心为原点，分别建立X、Y、Z坐标轴；

S2、计算一待计算点到各坐标轴的距离，根据所述待计算点到各坐标轴的距离和所述体源或所述面源在各坐标轴方向上的最大尺寸设置离散权重参数；

S3、根据所述待计算点到各坐标轴的距离、所述最大尺寸以及所述离散权重参数，将所述体源或所述面源离散为若干点源；

S4、根据每个点源到所述待计算点的距离计算每个点源的γ剂量率贡献；

S5、将每个点源的γ剂量率贡献进行累积，得到所述体源或所述面源在所述待计算点处的γ剂量率；

S6、将每个体源和每个面源在所述待计算点处的γ剂量率进行累积，得到所述待计算点的最终γ剂量率；

步骤S3包括：

S31、根据所述待计算点到各坐标轴的距离、所述最大尺寸和所述离散权重参数，计算得到所述待计算点在各坐标轴方向上的离散数；

S32、从预设的各坐标轴方向上的最大离散数和计算得到所述待计算点在各坐标轴方向上的离散数中取较小者，作为所述待计算点在各坐标轴方向上的最终离散数；

S33、将所述体源或所述面源离散为若干点源，点源个数为所述待计算点在各坐标轴方向上的最终离散数的乘积；

步骤S31具体包括：

如果R_i≠0，则根据下式计算并向上取整后得到所述待计算点在各坐标轴方向上的离散数N_i；

其中，n为所述离散权重参数，D_i为所述体源或所述面源在各坐标轴方向上的最大尺寸，R_i为所述待计算点到各坐标轴的距离，N_i为所述待计算点在i坐标轴方向上的离散数，N_i为正整数，i＝{i|x,y,z}；

如果R_i＝0，即所述待计算点位于坐标轴上，则根据下式计算并向上取整后得到所述待计算点在该坐标轴方向上的离散数N；

R′＝R-D/2，

其中，n为所述离散权重参数，R为所述待计算点到原点的距离，D为所述体源或所述面源在该坐标轴方向上的最大尺寸，N为正整数；

步骤S2中，根据所述待计算点到各坐标轴的距离和所述体源或所述面源在各坐标轴方向上的最大尺寸设置离散权重参数n，具体包括：

如果

则n的值设置为

如果

则n的值根据实际情况设置为10ˉ20之间的任意数；

如果

则n的值根据实际情况设置为1ˉ10之间的任意数；

其中，D_i为所述体源或所述面源在各坐标轴方向上的最大尺寸，R_i为所述待计算点到各坐标轴的距离，i＝{i|x,y,z}。

2.根据权利要求1所述的一种基于变权重离散的γ剂量率计算方法，其特征在于，步骤S4具体包括：

根据下式计算每个点源的γ剂量率贡献；

其中，F(E)为转换函数，E为γ光子的能量，A_i为第i个点源的活度，B为累积因子，e^-μt为指数衰减项，μ为材料对γ光子的线衰减系数，t为γ光子在该材料中穿过的距离，r为第i个点源到所述待计算点的距离，H_i为第i个点源的γ剂量率贡献，i为正整数。

3.一种基于变权重离散的γ剂量率计算***，其特征在于，包括：

建立模块，用于在一体源或一面源内部建立局部坐标系，以所述体源或所述面源的几何中心为原点，分别建立X、Y、Z坐标轴；

设置模块，用于计算一待计算点到各坐标轴的距离，根据所述待计算点到各坐标轴的距离和所述体源或所述面源在各坐标轴方向上的最大尺寸设置离散权重参数；

离散模块，用于根据所述待计算点到各坐标轴的距离、所述最大尺寸以及所述离散权重参数，将所述体源或所述面源离散为若干点源；

计算模块，用于根据每个点源到所述待计算点的距离计算每个点源的γ剂量率贡献；

第一累积模块，用于将每个点源的γ剂量率贡献进行累积，得到所述体源或所述面源在所述待计算点处的γ剂量率；

第二累积模块，用于将每个体源和每个面源在所述待计算点处的γ剂量率进行累积，得到所述待计算点的最终γ剂量率；

所述离散模块包括：

计算子模块，用于根据所述待计算点到各坐标轴的距离、所述最大尺寸和所述离散权重参数，计算得到所述待计算点在各坐标轴方向上的离散数；

确定子模块，用于从预设的各坐标轴方向上的最大离散数和计算得到所述待计算点在各坐标轴方向上的离散数中取较小者，作为所述待计算点在各坐标轴方向上的最终离散数；

离散子模块，用于将所述体源或所述面源离散为若干点源，点源个数为所述待计算点在各坐标轴方向上的最终离散数的乘积；

所述计算子模块具体用于：

如果R_i≠0，则根据下式计算并向上取整后得到所述待计算点在各坐标轴方向上的离散数N_i；

其中，n为所述离散权重参数，D_i为所述体源或所述面源在各坐标轴方向上的最大尺寸，R_i为所述待计算点到各坐标轴的距离，N_i为所述待计算点在i坐标轴方向上的离散数，N_i为正整数，i＝{i|x,y,z}；

如果R_i＝0，即所述待计算点位于坐标轴上，则根据下式计算并向上取整后得到所述待计算点在该坐标轴方向上的离散数N；

R′＝R-D/2，

其中，n为所述离散权重参数，R为所述待计算点到原点的距离，D为所述体源或所述面源在该坐标轴方向上的最大尺寸，N为正整数；

所述设置模块具体用于：

如果

则n的值设置为

如果

则n的值根据实际情况设置为10ˉ20之间的任意数；

如果

则n的值根据实际情况设置为1ˉ10之间的任意数；

其中，D_i为所述体源或所述面源在各坐标轴方向上的最大尺寸，R_i为所述待计算点到各坐标轴的距离，i＝{i|x,y,z}。

4.根据权利要求3所述的一种基于变权重离散的γ剂量率计算***，其特征在于，所述第一累积模块具体用于：

根据下式计算每个点源的γ剂量率贡献；

其中，F(E)为转换函数，E为γ光子的能量，A_i为第i个点源的活度，B为累积因子，e^-μt为指数衰减项，μ为材料对γ光子的线衰减系数，t为γ光子在该材料中穿过的距离，r为第i个点源到所述待计算点的距离，H_i为第i个点源的γ剂量率贡献，i为正整数。

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