基于CADMesh的蒙特卡羅自動(dòng)建模方法及應(yīng)用

李傳龍，駱志平，畢遠(yuǎn)杰，楊宏偉，郭金森，劉森林

（1.清華大學(xué)工程物理系，北京 100084；2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院輻射安全研究所，北京 102413）

基于CADMesh的蒙特卡羅自動(dòng)建模方法及應(yīng)用

李傳龍1，2，駱志平2，畢遠(yuǎn)杰2，楊宏偉2，郭金森2，劉森林2

（1.清華大學(xué)工程物理系，北京 100084；2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院輻射安全研究所，北京 102413）

為開展復(fù)雜結(jié)構(gòu)場(chǎng)所輻射場(chǎng)蒙特卡羅模擬研究，使用開源的CADMesh接口程序?qū)崿F(xiàn)一種將三維CAD數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入Geant4的自動(dòng)建模方法。對(duì)某廢物處理設(shè)施進(jìn)行自動(dòng)建模，使用Geant4內(nèi)建的基于命令的統(tǒng)計(jì)功能計(jì)算周圍劑量當(dāng)量率分布。將周圍劑量當(dāng)量率分布模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，模擬結(jié)果在50%誤差范圍內(nèi)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本符合，初步驗(yàn)證了該自動(dòng)建模方法的適用性。

CADMesh；輻射場(chǎng)仿真；Geant4；自動(dòng)建模；蒙特卡羅

目前我國(guó)存在一些高輻射水平的核設(shè)施。從保障設(shè)施工作人員的輻射安全，實(shí)現(xiàn)輻射防護(hù)最優(yōu)化的角度，在這些設(shè)施檢修、退役等過(guò)程中，需確保工作人員受照劑量達(dá)到可合理達(dá)到的盡量低（ALARA）的水平。作業(yè)劑量模擬評(píng)估技術(shù)研究可為我國(guó)核設(shè)施檢修、退役等現(xiàn)場(chǎng)提供ALARA技術(shù)支持，提高現(xiàn)場(chǎng)輻射防護(hù)最優(yōu)化水平。三維自動(dòng)建模和輻射場(chǎng)仿真技術(shù)是作業(yè)劑量模擬評(píng)估的基礎(chǔ)性研究?jī)?nèi)容。

基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的自動(dòng)建模方法是蒙特卡羅自動(dòng)建模的可行方法。這種方法將設(shè)施復(fù)雜的CAD三維模型經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)換后，作為蒙特卡羅計(jì)算程序的幾何輸入，從而提高了針對(duì)復(fù)雜設(shè)施的蒙特卡羅建模的效率與準(zhǔn)確性。對(duì)一些已具備三維CAD模型數(shù)據(jù)的設(shè)施，這種轉(zhuǎn)換方法可給蒙特卡羅計(jì)算帶來(lái)很大的便捷。同時(shí)，采用CAD模型進(jìn)行基于蒙特卡羅程序的輻射場(chǎng)分布計(jì)算，也為作業(yè)過(guò)程模擬中將設(shè)施的三維模型與其他幾何展示應(yīng)用程序的對(duì)接提供了便利。

本文使用開源的CADMesh接口程序研究一種將三維CAD數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入Geant4的自動(dòng)建模方法。

1 自動(dòng)建模方法

Geant4［1］是一種開源的通用蒙特卡羅程序，目前已有一些軟件實(shí)現(xiàn)將CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geant4。如商業(yè)程序FastRAD，其CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊借助幾何描述標(biāo)記性語(yǔ)言（GDML）接口將每個(gè)幾何體轉(zhuǎn)換為TessellatedSolid導(dǎo)入Geant4。同樣借助GDML接口的幾何轉(zhuǎn)換程序還有CATIA-GDML［2］、CAD-GDML及mesh2gdml［3］等。然而，CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geant4的模擬效率是需要考慮的問(wèn)題［4－5］。另外，國(guó)內(nèi)FDS團(tuán)隊(duì)的MCAM程序在與Geant4結(jié)合方面也有一定的進(jìn)展［6］。

本文采用CADMesh［7］程序?qū)崿F(xiàn)蒙特卡羅三維自動(dòng)建模。CADMesh是一種將預(yù)定義的CAD模型直接導(dǎo)入Geant4的C＋＋接口，它是開源軟件，其特點(diǎn)是不借助第三方中間格式，如GDML。CADMesh的功能是將STL或PLY格式的三角面元（mesh）幾何文件導(dǎo)入Geant4中，因此使用時(shí)先將CAD幾何體進(jìn)行面元化處理。

STEP［8］是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范。STEP格式文件是三維自動(dòng)建模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的起點(diǎn)。使用FreeCAD軟件的宏功能，運(yùn)行腳本將STEP文件中的每一個(gè)幾何體進(jìn)行面元化處理，獲得一系列三角面元文件以備導(dǎo)入使用。在面元化處理同時(shí)產(chǎn)生的txt文件中，以Geant4支持的NIST材料代號(hào)修改幾何體材料。再利用CADMesh接口開發(fā)Geant4應(yīng)用程序?qū)⑦@些三角面元文件批量導(dǎo)入。該自動(dòng)建模過(guò)程如圖1所示。

圖1 基于CADMesh接口的自動(dòng)建模流程圖Fig.1 Flowchart of CADMesh-based automatic modeling

在FreeCAD轉(zhuǎn)換腳本中包含控制轉(zhuǎn)換精度功能，以面元化公差為參數(shù)。以半徑為0.5 m的球體為例，在面元化過(guò)程中給以不同的公差，所得到的三角面元幾何體的頂點(diǎn)和面數(shù)如圖2所示。

圖2 公差對(duì)轉(zhuǎn)換精度的影響Fig.2 Meshing accuracy vs.tolerance

對(duì)于同一個(gè)幾何體，公差越小，轉(zhuǎn)換而來(lái)的面元幾何體面數(shù)越多，轉(zhuǎn)換越精細(xì)。在使用該自動(dòng)建模方法時(shí)可根據(jù)需要控制面元化過(guò)程的轉(zhuǎn)換精度。

2 某廢物處理設(shè)施結(jié)構(gòu)

以某廢物處理設(shè)施為例進(jìn)行自動(dòng)建模，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。放射性物質(zhì)主要為137Cs，均勻分布于罐體底部殘泥中，估算其總活度約為9.75×1010Bq。罐體材料為1 cm厚的鋼，屏蔽墻為厚20 cm的混凝土。對(duì)罐體所在這一層建筑內(nèi)進(jìn)行周圍劑量當(dāng)量率的均勻取點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)水平分布如圖4所示。罐體所在屏蔽墻一側(cè)處取50個(gè)點(diǎn)，距離地面2 m和4 m高處各取25個(gè)點(diǎn)。同樣屏蔽墻另一側(cè)取90個(gè)點(diǎn)，各高度取45個(gè)點(diǎn)。

圖3 某廢物處理設(shè)施結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure scheme of certain waste disposal facility

圖4 測(cè)量點(diǎn)水平分布示意圖Fig.4 Horizontal distribution scheme of measuring points

3 輻射場(chǎng)劑量分布計(jì)算

將該廢物處理設(shè)施的CAD數(shù)據(jù)以10 mm公差進(jìn)行面元化處理，修改材料后導(dǎo)入Geant4。OpenGL可視化顯示效果如圖5所示。該廢物處理設(shè)施罐體相關(guān)組成部分面元化情況列于表1。

圖5 可視化顯示效果Fig.5 Display result of visualization

表1 罐體組成部分的面元化Table 1 Meshing of parts of container

使用Geant4內(nèi)建的基于命令的統(tǒng)計(jì)方法，利用光子注量到周圍劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)［9］對(duì)所關(guān)注空間的周圍劑量當(dāng)量率分布進(jìn)行模擬。采用邊長(zhǎng)25 cm的立方體柵元，網(wǎng)格劃分為72× 48×9。網(wǎng)格最下層中心位于2 m高處，最上層中心位于4 m高處。模擬入射光子總數(shù)為2×109，能量為662 keV，均勻分布于兩罐體底部殘泥中，其活度比為1∶1。測(cè)量點(diǎn)所在高度的周圍劑量當(dāng)量率分布如圖6所示。

圖6 周圍劑量當(dāng)量率分布Fig.6 Distributions of ambient dose equivalent rate

將關(guān)注點(diǎn)的周圍劑量當(dāng)量率測(cè)量值與對(duì)應(yīng)位置柵元所統(tǒng)計(jì)的模擬值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示。不同關(guān)注點(diǎn)的模擬計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果的比值表現(xiàn)出期望值接近于1的中心分布的特征。以模擬值與測(cè)量值的相對(duì)誤差為50%作為判別相符與否的標(biāo)準(zhǔn)，也就是模擬值與測(cè)量值的比值在0.5～2之間即為符合。由圖7可見，罐體一側(cè)關(guān)注點(diǎn)的符合率在88%以上，屏蔽墻遠(yuǎn)端的關(guān)注點(diǎn)符合率在62.2%以上，模擬計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)出較好的一致性。罐體底部輻射源項(xiàng)的量和分布的估計(jì)誤差是造成計(jì)算值和測(cè)量值偏差的主要原因。依據(jù)罐體一側(cè)測(cè)量值的不對(duì)稱性，以及屏蔽墻遠(yuǎn)端測(cè)量數(shù)據(jù)與模擬值的比較情況，在同樣計(jì)算條件下，對(duì)罐體底部輻射源項(xiàng)進(jìn)行調(diào)整：將兩罐體內(nèi)體源的活度比從原來(lái)的1∶1改為1∶2，并將體源總活度降低5%，改為9.262 5×1010Bq；在屏蔽墻遠(yuǎn)端角落地面補(bǔ)充2 m×1 m的表面污染源，其137Cs活度假設(shè)為9×107Bq。經(jīng)過(guò)調(diào)整源項(xiàng)后，屏蔽墻遠(yuǎn)端關(guān)注點(diǎn)符合率達(dá)到94.4%。這種處理方法說(shuō)明，基于不同關(guān)注點(diǎn)的輻射監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)設(shè)施檢修或退役源項(xiàng)的評(píng)估結(jié)果給予進(jìn)一步校正是可能的。

圖7 周圍劑量當(dāng)量率模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果的比較Fig.7 Comparison of ambient dose equivalent rate between simulation value and measurement value

4 結(jié)論

本文借助CADMesh接口實(shí)現(xiàn)了一種將CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geant4的自動(dòng)建模方法。實(shí)現(xiàn)了從CAD到面元幾何體，再導(dǎo)入Geant4這兩個(gè)過(guò)程的自動(dòng)化。該自動(dòng)建模方法可將STEP格式復(fù)雜CAD模型導(dǎo)入Geant4，并可控制轉(zhuǎn)換精度。將自動(dòng)建模方法應(yīng)用于某廢物處理設(shè)施的輻射場(chǎng)仿真，與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。模擬值與測(cè)量值在50%的誤差范圍內(nèi)符合較好，初步驗(yàn)證了該方法的適用性。

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CADMesh-based Monte Carlo Automatic Modeling Method and Its Application

LI Chuan-long1，2，LUO Zhi-ping2，BI Yuan-jie2，YANG Hong-wei2，
GUO Jin-sen2，LIU Sen-lin2
（1.Department of Engineering Physics，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.China Institute of Atomic Energy，P.O.Box 275-15，Beijing 102413，China）

An automatic modeling method which can import three-dimensional CAD models into Geant4 was implemented using open-source CADMesh interface program in order to carry out the Monte Carlo simulation research of complex structure sites’radiation field.A waste disposal facility was automatically modeled and then the distribution of ambient dose equivalent rate was simulated using the built-in command-based scoring in Geant4.The simulation results of ambient dose equivalent rate distribution were compared with the actual measurement results.It shows good agreements between simulation results and the measurement results within 50%error.The applicability of the automatic modeling method was validated preliminarily.

CADMesh；simulation radiation field；Geant4；automatic modeling；Monte Carlo

TL943

：A

1000-6931（2015）09-1711-04

10.7538／yzk.2015.49.09.1711

2014-05-12；

2014-12-26

李傳龍（1982—），男，遼寧沈陽(yáng)人，助理研究員，碩士，核科學(xué)與技術(shù)專業(yè)