基于自適應源項離散的點核積分方法計算效率優化研究

摘 要：點核積分方法面對多源項的復雜場景或是需要對輻射場進行動態更新的情形存在計算耗時較長的問題。針對該問題，通過點核積分程序CIRPDose 對圓柱體源、長方體源等5 類源項離散引起的誤差隨計算點與源距離的變化規律進行模擬計算，并提出了一種基于自適應源項離散的點核積分計算效率優化方法。在將該方法集成到CIRPDose 程序后，通過自定義算例對其進行測試，測試結果顯示，相比傳統的固定離散數目，各類型源項在自適應離散方法下的輻射場計算用時最大縮短96. 77%，且計算結果平均偏差最大值僅為3. 19%，驗證了所提方法的可靠性和有效性。研究工作可為核設施內的三維γ 輻射場快速計算提供技術支持。

關鍵詞：γ 輻射場計算;點核積分方法;計算效率優化;源項離散

中圖分類號：TL75+ 1;TL72 文獻標識碼：A

在核設施檢修或者退役工作開展過程中，若能了解核設施內部γ 輻射場劑量率分布情況，則可從輻射防護的最優化原則（ALARA） 出發來進行工作方案的制定及優化。此外，在通過虛擬現實技術實現場景和輻射場的結合后，還可對工作人員提前進行模擬演練，在消除其對輻射的恐慌性心理的同時， 降低工作人員受到的輻照劑量[1-2] 。常用的γ 輻射場計算方法包括蒙特卡羅方法、離散縱標法以及點核積分方法，其中點核積分方法因其計算效率高的特點，成為了各國在開發核設施輻射場模擬仿真程序時的首選計算方法，例如國外歐美等發達國家開發的VRdose、Visiplan、NARVEOS、QAD[3-6] ，以及國內相關高校和科研機構開發的PKShiled、ARShield、NECPMCX、CIRPDose 等[7-10] 。

盡管點核積分方法在計算效率上具有顯著優勢，但在多源項的復雜場景中，其計算耗時依舊不低，尤其是當場景中屏蔽體及源項會發生變化，需要對輻射場進行動態更新時，其計算效率問題更為突出。隨著ALARA 對輻射場模擬計算要求的提高，給點核積分方法在計算效率方面帶來了新的挑戰。除普遍采用的多線程并行加速以及射線跟蹤技術外，何良等[11] 提出了一種基于梯度變化的變權重輻射場網格劃分方法，有效地縮短了輻射場的計算時間;Xu 等[12] 設計了一種基于GPU的點核積分算法計算框架，并通過GPU 編程開發了相應的點核程序，與基于CPU 的點核程序相比具有更好的性能;Caracena 等[13] 采用非結構化網格來對放射源進行離散從而實現快速計算，但所提方法僅可用于平行六面體源且適用的場景較為簡單。

源項的離散作為點核積分方法中的關鍵環節，對γ 輻射場的計算效率和精度影響較大，為在優化計算效率的同時，兼顧計算精度，本文提出了一種基于自適應源項離散的計算效率優化方法，并集成到CIRPDose 程序后進行了測試，驗證了該方法的有效性，旨在為γ 輻射場的快速計算以及模擬仿真領域提供技術支持。