辐射防护设计与剂量计算软件THUDose的研发与应用

罗熹宇，邱 睿，武 祯, 2†，马锐垚，鄢书畅，张 辉，李君利

(1. 清华大学 工程物理系，北京100084;2. 同方威视技术股份有限公司，北京100084)

随着辐照装置和探测器的广泛应用，对设备的剂量分布、屏蔽设计和探测效率等进行精确的计算和评估显得越来越重要。由于经验计算和实验测试工作量大、成本高、精确度要求和可重复性低，因此需要更优化的方法来解决这类问题。蒙特卡罗方法作为一种以概率统计理论为指导的数值计算方法，应用于辐射剂量分布计算和探测效率研究领域，具有较高的精确性和灵活性。基于蒙特卡罗方法开发的计算模拟工具有很多，如Geant4[1-2]、FLUKA[3-4]和MCNP[5-6]等，这些工具的准确性都经过了多年的验证，但是需要花费一定的时间或者具备一定的编程功底才能熟练地使用这些软件。目前国内也开发了一些专用的粒子输运蒙特卡罗计算软件，但都有各自针对的特定领域，存在自身的一些局限。中国科学院核能安全技术研究所研发的SuperMC[7]、北京应用物理与计算数学研究所研发的JMCT[8]、生态环境部核与辐射安全中心研发的RshieldMC[9]等蒙特卡罗计算软件主要用于反应堆工程中的中子学计算，清华大学开发的NUCRPD[10]主要应用于集装箱检测辐射成像系统领域，专门应用于辐射剂量计算、针对辐照系统屏蔽设计和探测系统参数核算而开发的蒙特卡罗软件尚不成熟。鉴于此，清华大学工程物理系辐射防护及环境保护研究室基于Geant4工具，研发了国产蒙特卡罗辐射防护设计与剂量计算软件THUDose，该软件针对辐射屏蔽计算的需求为用户提供了接口界面，使得模拟计算所需的材料、几何、源项、物理模型和统计方式都能通过简单的参数进行设置，同时支持服务器并行计算及结果可视化，用户可以在较短的时间内对结果进行直观的分析。该软件能够满足辐照系统屏蔽设计和探测系统参数核算领域的大部分需求，经测试，该软件已经成功地应用于辐照系统的辐射屏蔽设计、探测系统的探测效率计算等领域。

1程序结构

THUDose软件的主界面具有菜单栏、工具栏和计算进度条。菜单栏中包括用户自定义材料、几何、磁场、源项的选项及新建模拟等操作，可以快速地对某一特殊场景搭建工程进行模拟计算。软件界面符合Windows系统操作风格，简洁直观，操作方便快捷，具有鼠标操作功能。计算时，软件支持本地计算和服务器并行计算2种模式，计算结果输出后，同时支持几何及3维剂量场分布可视化显示，便于用户进行数据分析与处理。

软件整体架构共分为3大模块，分别是前处理模块、蒙特卡罗模拟模块和后处理模块，如图1所示。其中前处理模块包括用户操作界面、数据合法性检测、图形化建模和服务器并行运算4个部分，蒙特卡罗模拟模块包括几何输入模块、材料输入模块、源项描述模块、物理模块、深穿透模块和计数器模块6个部分，后处理模块包括图形化后处理界面、3维可视化界面、计算结果处理3个部分。程序在各部分之间都设置了特定的接口实现信息传递，使软件整体运行流畅、衔接性强。

图1THUDose软件模块架构Fig.1Software module architecture of THUDose

2功能介绍

THUDose可以使用参数快速建立辐射模拟系统的材料库、几何模型、源项、物理模型及统计方式，并能够快速地计算出3维剂量分布和辐射防护的各项性能指标，给出数据的3维可视化图形界面，实现高效的并行计算。

2.1几何模型

软件支持图形化建模，能够精确描述工程设计的几何模型，有多种实现方式：

1)通过添加实体界面，可以使用不同的几何基本元素手动添加或导入Excel构建复杂的几何。同时可以导出格式为WRL或PLY的三维图像文件，供用户直观地查看和检查几何是否满足预期所需。

2)集成清华大学工程物理系辐射防护及环境保护实验室研发的CMGC程序[11]，可以将STP文件转换为GDML文件，并给几何的不同组分附上不同种类的材料。存在复杂几何时，程序还能够进行几何正确性检查，以避免几何重叠等错误。GDML蒙特卡罗几何文件生成之后，能够直接导入THUDose软件进行计算，避免了通过代码建立几何的复杂步骤。

3)直接导入voxel体素格式的数据以及面元ply或者stl数据，极大地简化了几何构建的整个流程，也为复杂几何的构建提供了可行的方法。

2.2源项模型

THUDose支持模拟辐射防护系统常用的各种源项，包括单向点源、各向同性点源、空间各向同性源、空间平面旋转源、相空间文件、用户自定义源项和能谱文件等。通过修改界面的参数就能便捷地定义以上各种源项，参数包括粒子类型、照射类型、源的能量E、源的中心坐标xyz、源的方向uvw、半径R等。THUDose支持模拟在辐射防护领域用到的所有粒子，如光子、电子、中子、质子等。

2.3物理模型

辐射防护领域主要涉及光子-电子耦合输运、中子-光子耦合屏蔽计算等问题，其中包含多个物理过程，如光电效应、康普顿散射、电子对效应、库仑散射、电离、轫致辐射、正电子湮灭、弹性碰撞、非弹性碰撞、中子俘获和裂变等。Geant4针对不同的应用场景，将上述物理过程打包成若干物理模型，方便用户直接进行调用。THUDose沿用了此方式，包含了Geant4中的全部电磁物理模型和强子物理模型，并能够通过界面进行选择调用，避免了添加物理过程的繁琐环节。

2.4统计功能

THUDose支持实体统计和虚拟mesh统计2种方式，实体统计即相当于建立探测器，mesh统计是指将空间划分成网格进行3维剂量分布统计[12]。多种统计方式可实现对不同粒子的粒子数、通量、剂量和能量沉积4种物理量分别进行统计，所获取的信息能够满足辐射防护领域应用的大部分需求。

2.5结果可视化

THUDose的结果可视化功能包含3维几何模型、3维剂量场分布、等剂量线显示等。THUDose的3维可视化模块可以实现几何模型和剂量场的融合显示，提供剂量场中各位置点的坐标数据及剂量值大小的即时显示，显示出等剂量曲线和映射colorbar颜色，用户能够直观地分析3维空间任意点的剂量分布和周围几何体的关系。THUDose的结果可视化系列功能使屏蔽设计研究人员可以便捷地观察几何周围指定范围内的剂量场大小，从而对屏蔽几何进行定量分析，提高屏蔽设计结果的可靠性，进一步增强辐射屏蔽设计的研发能力。

2.6并行计算

THUDose通过Condor或者MPI提交任务，支持在本地或服务器上使用多线程并行计算，大大提高了模拟计算的速度，节省了工程计算的时间。同时计算1×107个能量为0.16 MeV的电子打靶所生成的能谱，Geant4单核计算耗时572.643 s，THUDose使用并行计算仅需138 s，速度提升约4倍，计算效率得到了很大程度的优化。

3计算正确性验证

利用Geant4工具包开发应用程序时，调用不同的物理模型会造成计算结果的不同，而THUDose软件是基于Geant4工具包开发的应用程序，所以需对THUDose软件的正确性进行验证。分别利用Geant4工具包和THUDose计算了6 MeV高能电子加速器打钨靶所产生的能谱,并与MCNP计算结果进行了对比，从而对THUDose调用相关模块形成自主软件时计算结果的准确性进行验证。图2为MCNP，Geant4，THUDose计算结果的对比，图3为计算偏差的对比。由图2、图3可见，三者结果符合较好，计算结果表明THUDose的计算结果是正确的。

图2基于THUDose、Geant4、MCNP计算的高能电子打靶能谱Fig.2Energy spectra of high energy electron calculatedby THUDose，Geant4， MCNP

图3基于THUDose，Geant4，MCNP计算的高能电子打靶能谱的计算偏差Fig.3Deviation of energy spectrum calculatedby THUDose，Geant4，MCNP

4THUDose的应用

THUDose软件可以应用于辐射防护及探测的多个领域，包括3维剂量场分布计算、辐照装置屏蔽设计、探测系统探测效率计算等。本文分别给出THUDose在某辐照装置屏蔽设计和某辐射探测系统探测效率计算中的应用算例。

4.1某辐照装置屏蔽设计

辐照装置(如反应堆、加速器、X射线机等)都需要进行屏蔽设计，方可投入使用[13-15]。对于一般的辐射屏蔽设计工程，THUDose软件的计算流程如图4所示。通过几何模块和参数界面生成包含模拟信息的XML文件，再调用THUDose的蒙特卡罗模拟模块进行计算模拟。本文以X射线机屏蔽设计为例进行说明。图5为X射线机的结构示意图。

图4THUDose辐射屏蔽设计流程Fig.4Workflow of the radiation shielding design in THUDose

图5X射线机示意图Fig.5Sketch map of X-ray machine

THUDose通过导入GDML文件及附加材料，能够非常快捷地在程序中构建起模拟所需的基本模型。使用自定义源项功能，能够实现符合现实场景所需的X射线装置出束方式。选择mesh网格统计方式，能够自定义剂量分布的精细化程度，从而使用户精准定位到仪器各方向位置点的剂量率，并对其进行屏蔽计算。3维剂量场分布的直观显示将几何结构与剂量数据融合显示，提供了直观分析处理方式，有利于屏蔽设计及其验证工作。

THUDose计算给出的3维剂量分布结果如图6所示。结合辐射防护理论，可以设计出相关屏蔽方案如图7所示。满足在设备外表面10 cm处的剂量率低于3 μGy·h-1的屏蔽需求。将设计好的屏蔽方案通过THUDose几何描述模块进行定义，再次对已屏蔽的辐照装置进行验证计算，得到的剂量分布如图8所示。由图8可见，设计方案满足辐射防护需求。

图6裸X光机3维剂量分布图Fig.6The 3D dose distribution map of X-raymachine(unshielded) calculated by THUDose

图7屏蔽方案Fig.7Shielding scheme

图8X射线机屏蔽后的3维剂量分布示意图Fig.8The 3D dose distribution map of X-ray machine(shielded) calculated by THUDose

4.2某探测系统探测效率计算

THUDose在探测器的构建及模拟方面功能强大，能够模拟计算探测器的基本物理指标，如能量响应、探测效率及能量分辨率等。本文以计算某探测系统对137Cs源和241Am源的探测效率为例进行说明。

探测器系统模拟中，最主要的部分是源项、探测器及统计方式，这3个部分都可以在THUDose界面上通过简单的参数进行设置。考虑到探测器数目多，故THUDose也支持使用Excel表格对参数进行统一设置，方便修改和二次导入建模信息，图9为某探测器系统的结构示意图。其中，图9(a)为241Am探测器系统的示意图，图9(b)为137Cs探测器系统的示意图。在进行探测系统探测效率的计算时，设置源项为各项同性点源，位于一定厚度的物质底层中心。

(a) 241Am

(b) 137Cs图9探测系统示意图Fig.9Schematic diagram of detection system

统计时，在1 MeV能量范围内设置1 000道统计能谱，同时使用100个进程进行并行计算，总共模拟了108次核衰变，即可得到沉积的能量和能谱分布。最后，统计各个探测器特征峰的计数概率，得到探测系统中不同探测器组的探测效率。对于相似的两个并行工程，THUDose可使用复制功能对241Am探测器和137Cs探测器系统分别建立项目进行模拟，操作更直观。当需要改变某一参数(如覆盖物质层厚度和探测器与物质层之间距离)进行比较时，通过界面参数设置，可以进行重复性模拟，从而得到不同条件下探测系统的探测效率。

计算得到两种探测系统模型在不同覆盖物质层厚度、不同探测器与物质层之间距离的探测效率，并以探测器离被探测物质30 mm的137Cs无覆盖物时的探测效率为基数进行归一化处理，图10为探测器探测效率随覆盖物质层厚度变化关系。由图10可见，随着覆盖物质层厚度的增加，探测器阵列的探测效率会降低。同一覆盖物质层厚度，探测器与覆盖物质层之间距离较远时探测效率相对高一点，这是由于与距离近的情况相比，探测器与覆盖物质层之间距离越远，空间立体角越大，探测效率越高。该结果可以为探测器的系统设计提供指导性建议。

图10探测器探测效率随覆盖物质厚度的变化关系Fig.10Detection efficiency vs. thickness of material cover

5结论

基于Windows操作系统的THUDose是一款用户友好、易于上手、搭建模型便利、计算结果精确、结果显示直观的辐射防护设计与剂量计算专用软件。THUDose软件支持CAD转GDML文件建模及利用简单的几何进行参数化建模，适用于几乎所有的复杂几何模型，极大地简化了建模步骤。该软件所提供的实体统计和mesh统计等多种统计方式使数据统计更为便捷，避免了复杂程序的编写工作。配合几何与数据融合的3维剂量场可视化结果分析模块，可以使用户直观地进行数据分析及进一步研究。总之，THUDose作为一款在辐射防护设计与剂量计算领域的专用软件，在保障计算精度的情况下，提升了计算速度，简化了建模流程，优化了统计方式，提供了直观的统计结果分析，极大地降低了蒙特卡罗模拟方法的使用门槛，为相关领域的科研工作者提供了便捷。