基于CADMesh的蒙特卡羅自動建模方法及應用

李傳龍，駱志平，畢遠杰，楊宏偉，郭金森，劉森林

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

基于CADMesh的蒙特卡羅自動建模方法及應用

李傳龍1，2，駱志平2，畢遠杰2，楊宏偉2，郭金森2，劉森林2

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

為開展復雜結構場所輻射場蒙特卡羅模擬研究，使用開源的CADMesh接口程序實現一種將三維CAD數據模型導入Geant4的自動建模方法。對某廢物處理設施進行自動建模，使用Geant4內建的基于命令的統計功能計算周圍劑量當量率分布。將周圍劑量當量率分布模擬結果與實際測量結果進行對比，模擬結果在50%誤差范圍內與實測數據基本符合，初步驗證了該自動建模方法的適用性。

CADMesh；輻射場仿真；Geant4；自動建模；蒙特卡羅

目前我國存在一些高輻射水平的核設施。從保障設施工作人員的輻射安全，實現輻射防護最優化的角度，在這些設施檢修、退役等過程中，需確保工作人員受照劑量達到可合理達到的盡量低（ALARA）的水平。作業劑量模擬評估技術研究可為我國核設施檢修、退役等現場提供ALARA技術支持，提高現場輻射防護最優化水平。三維自動建模和輻射場仿真技術是作業劑量模擬評估的基礎性研究內容。

基于計算機輔助設計（CAD）數據轉換的自動建模方法是蒙特卡羅自動建模的可行方法。這種方法將設施復雜的CAD三維模型經過一定的轉換后，作為蒙特卡羅計算程序的幾何輸入，從而提高了針對復雜設施的蒙特卡羅建模的效率與準確性。對一些已具備三維CAD模型數據的設施，這種轉換方法可給蒙特卡羅計算帶來很大的便捷。同時，采用CAD模型進行基于蒙特卡羅程序的輻射場分布計算，也為作業過程模擬中將設施的三維模型與其他幾何展示應用程序的對接提供了便利。

本文使用開源的CADMesh接口程序研究一種將三維CAD數據模型導入Geant4的自動建模方法。

1 自動建模方法

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現將CAD數據導入Geant4。如商業程序FastRAD，其CAD數據轉換模塊借助幾何描述標記性語言（GDML）接口將每個幾何體轉換為TessellatedSolid導入Geant4。同樣借助GDML接口的幾何轉換程序還有CATIA-GDML［2］、CAD-GDML及mesh2gdml［3］等。然而，CAD數據導入Geant4的模擬效率是需要考慮的問題［4－5］。另外，國內FDS團隊的MCAM程序在與Geant4結合方面也有一定的進展［6］。

本文采用CADMesh［7］程序實現蒙特卡羅三維自動建模。CADMesh是一種將預定義的CAD模型直接導入Geant4的C＋＋接口，它是開源軟件，其特點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）幾何文件導入Geant4中，因此使用時先將CAD幾何體進行面元化處理。

STEP［8］是國際標準化組織推薦的產品模型數據交互規范。STEP格式文件是三維自動建模數據轉換的起點。使用FreeCAD軟件的宏功能，運行腳本將STEP文件中的每一個幾何體進行面元化處理，獲得一系列三角面元文件以備導入使用。在面元化處理同時產生的txt文件中，以Geant4支持的NIST材料代號修改幾何體材料。再利用CADMesh接口開發Geant4應用程序將這些三角面元文件批量導入。該自動建模過程如圖1所示。

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

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

圖2 公差對轉換精度的影響Fig.2 Meshing accuracy vs.tolerance

對于同一個幾何體，公差越小，轉換而來的面元幾何體面數越多，轉換越精細。在使用該自動建模方法時可根據需要控制面元化過程的轉換精度。

2 某廢物處理設施結構

以某廢物處理設施為例進行自動建模，其結構如圖3所示。放射性物質主要為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。對罐體所在這一層建筑內進行周圍劑量當量率的均勻取點測量，測量點水平分布如圖4所示。罐體所在屏蔽墻一側處取50個點，距離地面2 m和4 m高處各取25個點。同樣屏蔽墻另一側取90個點，各高度取45個點。

圖3 某廢物處理設施結構示意圖Fig.3 Structure scheme of certain waste disposal facility

圖4 測量點水平分布示意圖Fig.4 Horizontal distribution scheme of measuring points

3 輻射場劑量分布計算

將該廢物處理設施的CAD數據以10 mm公差進行面元化處理，修改材料后導入Geant4。OpenGL可視化顯示效果如圖5所示。該廢物處理設施罐體相關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內建的基于命令的統計方法，利用光子注量到周圍劑量當量轉換系數［9］對所關注空間的周圍劑量當量率分布進行模擬。采用邊長25 cm的立方體柵元，網格劃分為72× 48×9。網格最下層中心位于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。測量點所在高度的周圍劑量當量率分布如圖6所示。

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

將關注點的周圍劑量當量率測量值與對應位置柵元所統計的模擬值進行比較，結果如圖7所示。不同關注點的模擬計算結果與測量結果的比值表現出期望值接近于1的中心分布的特征。以模擬值與測量值的相對誤差為50%作為判別相符與否的標準，也就是模擬值與測量值的比值在0.5～2之間即為符合。由圖7可見，罐體一側關注點的符合率在88%以上，屏蔽墻遠端的關注點符合率在62.2%以上，模擬計算結果與測量結果表現出較好的一致性。罐體底部輻射源項的量和分布的估計誤差是造成計算值和測量值偏差的主要原因。依據罐體一側測量值的不對稱性，以及屏蔽墻遠端測量數據與模擬值的比較情況，在同樣計算條件下，對罐體底部輻射源項進行調整：將兩罐體內體源的活度比從原來的1∶1改為1∶2，并將體源總活度降低5%，改為9.262 5×1010Bq；在屏蔽墻遠端角落地面補充2 m×1 m的表面污染源，其137Cs活度假設為9×107Bq。經過調整源項后，屏蔽墻遠端關注點符合率達到94.4%。這種處理方法說明，基于不同關注點的輻射監測結果對設施檢修或退役源項的評估結果給予進一步校正是可能的。

圖7 周圍劑量當量率模擬結果與測量結果的比較Fig.7 Comparison of ambient dose equivalent rate between simulation value and measurement value

4 結論

本文借助CADMesh接口實現了一種將CAD數據導入Geant4的自動建模方法。實現了從CAD到面元幾何體，再導入Geant4這兩個過程的自動化。該自動建模方法可將STEP格式復雜CAD模型導入Geant4，并可控制轉換精度。將自動建模方法應用于某廢物處理設施的輻射場仿真，與測量結果進行了對比。模擬值與測量值在50%的誤差范圍內符合較好，初步驗證了該方法的適用性。

［1］ AGOSTINELLI S，ALLISON J，AMAKO K E，et al.GEANT4：A simulation toolkit［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A，2003，506（3）：250-303.

［2］ BELOGUROV S，BERCHUN Y，CHERNOGOROV A，et al.CATIA-GDML geometry builder［C］∥International Conference on Computing in High Energy and Nuclear Physics：Event Processing.［S.l.］：［s.n.］，2011.

［3］ GRAF N A.Iop.mesh2gdml［C］∥International Conference on Computing in High Energy and Nuclear Physics 2012.［S.l.］：［s.n.］，2012.

［4］ POOLE C M，CORNELIUS I，TRAPP J V，et al.Fast tessellated solid navigation in Geant4［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，2012，59（4）：1 695-1 701.

［5］ HAN M C，KIM C H，JEONG J H，et al.Dag－Solid：A new Geant4 solid class for fast simulation in polygon-mesh geometry［J］.Physics in Medicine and Biology，2013，58（13）：4 595-4 609.

［6］ 聶凡智，胡麗琴，汪冬，等.MCAM中Geant4自動建模方法研究［J］.核科學與工程，2014，34（2）：209-213.

NIE Fanzhi，HU Liqin，WANG Dong，et al.Automatic modeling for the Monte Carlo transport code Geant4 in MCAM［J］.Nuclear Science and Engineering，2014，34（2）：209-213（in Chinese）.

［7］ POOLE C M，CORNELIUS I，TRAPP J V，et al.A CAD interface for Geant4［J］.Australasian Physical ＆Engineering Sciences in Medicine，2012，35（3）：329-334.

［8］ PRATT M J.Introduction to ISO 10303：The STEP standard for product data exchange［J］.Journal of Computing and Information Science in Engineering，2001，1（1）：102-103.

［9］ GB Z／T144—2002 用于光子外照射放射防護的劑量轉換系數［S］.北京：中國標準出版社，2002.

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，遼寧沈陽人，助理研究員，碩士，核科學與技術專業