基于CADMesh的蒙特卡罗自动建模方法及应用

李传龙，骆志平，毕远杰，杨宏伟，郭金森，刘森林

（1.清华大学工程物理系，北京 100084；2.中国原子能科学研究院辐射安全研究所，北京 102413）

基于CADMesh的蒙特卡罗自动建模方法及应用

李传龙1，2，骆志平2，毕远杰2，杨宏伟2，郭金森2，刘森林2

（1.清华大学工程物理系，北京 100084；2.中国原子能科学研究院辐射安全研究所，北京 102413）

为开展复杂结构场所辐射场蒙特卡罗模拟研究，使用开源的CADMesh接口程序实现一种将三维CAD数据模型导入Geant4的自动建模方法。对某废物处理设施进行自动建模，使用Geant4内建的基于命令的统计功能计算周围剂量当量率分布。将周围剂量当量率分布模拟结果与实际测量结果进行对比，模拟结果在50%误差范围内与实测数据基本符合，初步验证了该自动建模方法的适用性。

CADMesh；辐射场仿真；Geant4；自动建模；蒙特卡罗

目前我国存在一些高辐射水平的核设施。从保障设施工作人员的辐射安全，实现辐射防护最优化的角度，在这些设施检修、退役等过程中，需确保工作人员受照剂量达到可合理达到的尽量低（ALARA）的水平。作业剂量模拟评估技术研究可为我国核设施检修、退役等现场提供ALARA技术支持，提高现场辐射防护最优化水平。三维自动建模和辐射场仿真技术是作业剂量模拟评估的基础性研究内容。

基于计算机辅助设计（CAD）数据转换的自动建模方法是蒙特卡罗自动建模的可行方法。这种方法将设施复杂的CAD三维模型经过一定的转换后，作为蒙特卡罗计算程序的几何输入，从而提高了针对复杂设施的蒙特卡罗建模的效率与准确性。对一些已具备三维CAD模型数据的设施，这种转换方法可给蒙特卡罗计算带来很大的便捷。同时，采用CAD模型进行基于蒙特卡罗程序的辐射场分布计算，也为作业过程模拟中将设施的三维模型与其他几何展示应用程序的对接提供了便利。

本文使用开源的CADMesh接口程序研究一种将三维CAD数据模型导入Geant4的自动建模方法。

1 自动建模方法

Geant4［1］是一种开源的通用蒙特卡罗程序，目前已有一些软件实现将CAD数据导入Geant4。如商业程序FastRAD，其CAD数据转换模块借助几何描述标记性语言（GDML）接口将每个几何体转换为TessellatedSolid导入Geant4。同样借助GDML接口的几何转换程序还有CATIA-GDML［2］、CAD-GDML及mesh2gdml［3］等。然而，CAD数据导入Geant4的模拟效率是需要考虑的问题［4－5］。另外，国内FDS团队的MCAM程序在与Geant4结合方面也有一定的进展［6］。

本文采用CADMesh［7］程序实现蒙特卡罗三维自动建模。CADMesh是一种将预定义的CAD模型直接导入Geant4的C＋＋接口，它是开源软件，其特点是不借助第三方中间格式，如GDML。CADMesh的功能是将STL或PLY格式的三角面元（mesh）几何文件导入Geant4中，因此使用时先将CAD几何体进行面元化处理。

STEP［8］是国际标准化组织推荐的产品模型数据交互规范。STEP格式文件是三维自动建模数据转换的起点。使用FreeCAD软件的宏功能，运行脚本将STEP文件中的每一个几何体进行面元化处理，获得一系列三角面元文件以备导入使用。在面元化处理同时产生的txt文件中，以Geant4支持的NIST材料代号修改几何体材料。再利用CADMesh接口开发Geant4应用程序将这些三角面元文件批量导入。该自动建模过程如图1所示。

图1 基于CADMesh接口的自动建模流程图Fig.1 Flowchart of CADMesh-based automatic modeling

在FreeCAD转换脚本中包含控制转换精度功能，以面元化公差为参数。以半径为0.5 m的球体为例，在面元化过程中给以不同的公差，所得到的三角面元几何体的顶点和面数如图2所示。

图2 公差对转换精度的影响Fig.2 Meshing accuracy vs.tolerance

对于同一个几何体，公差越小，转换而来的面元几何体面数越多，转换越精细。在使用该自动建模方法时可根据需要控制面元化过程的转换精度。

2 某废物处理设施结构

以某废物处理设施为例进行自动建模，其结构如图3所示。放射性物质主要为137Cs，均匀分布于罐体底部残泥中，估算其总活度约为9.75×1010Bq。罐体材料为1 cm厚的钢，屏蔽墙为厚20 cm的混凝土。对罐体所在这一层建筑内进行周围剂量当量率的均匀取点测量，测量点水平分布如图4所示。罐体所在屏蔽墙一侧处取50个点，距离地面2 m和4 m高处各取25个点。同样屏蔽墙另一侧取90个点，各高度取45个点。

图3 某废物处理设施结构示意图Fig.3 Structure scheme of certain waste disposal facility

图4 测量点水平分布示意图Fig.4 Horizontal distribution scheme of measuring points

3 辐射场剂量分布计算

将该废物处理设施的CAD数据以10 mm公差进行面元化处理，修改材料后导入Geant4。OpenGL可视化显示效果如图5所示。该废物处理设施罐体相关组成部分面元化情况列于表1。

图5 可视化显示效果Fig.5 Display result of visualization

表1 罐体组成部分的面元化Table 1 Meshing of parts of container

使用Geant4内建的基于命令的统计方法，利用光子注量到周围剂量当量转换系数［9］对所关注空间的周围剂量当量率分布进行模拟。采用边长25 cm的立方体栅元，网格划分为72× 48×9。网格最下层中心位于2 m高处，最上层中心位于4 m高处。模拟入射光子总数为2×109，能量为662 keV，均匀分布于两罐体底部残泥中，其活度比为1∶1。测量点所在高度的周围剂量当量率分布如图6所示。

图6 周围剂量当量率分布Fig.6 Distributions of ambient dose equivalent rate

将关注点的周围剂量当量率测量值与对应位置栅元所统计的模拟值进行比较，结果如图7所示。不同关注点的模拟计算结果与测量结果的比值表现出期望值接近于1的中心分布的特征。以模拟值与测量值的相对误差为50%作为判别相符与否的标准，也就是模拟值与测量值的比值在0.5～2之间即为符合。由图7可见，罐体一侧关注点的符合率在88%以上，屏蔽墙远端的关注点符合率在62.2%以上，模拟计算结果与测量结果表现出较好的一致性。罐体底部辐射源项的量和分布的估计误差是造成计算值和测量值偏差的主要原因。依据罐体一侧测量值的不对称性，以及屏蔽墙远端测量数据与模拟值的比较情况，在同样计算条件下，对罐体底部辐射源项进行调整：将两罐体内体源的活度比从原来的1∶1改为1∶2，并将体源总活度降低5%，改为9.262 5×1010Bq；在屏蔽墙远端角落地面补充2 m×1 m的表面污染源，其137Cs活度假设为9×107Bq。经过调整源项后，屏蔽墙远端关注点符合率达到94.4%。这种处理方法说明，基于不同关注点的辐射监测结果对设施检修或退役源项的评估结果给予进一步校正是可能的。

图7 周围剂量当量率模拟结果与测量结果的比较Fig.7 Comparison of ambient dose equivalent rate between simulation value and measurement value

4 结论

本文借助CADMesh接口实现了一种将CAD数据导入Geant4的自动建模方法。实现了从CAD到面元几何体，再导入Geant4这两个过程的自动化。该自动建模方法可将STEP格式复杂CAD模型导入Geant4，并可控制转换精度。将自动建模方法应用于某废物处理设施的辐射场仿真，与测量结果进行了对比。模拟值与测量值在50%的误差范围内符合较好，初步验证了该方法的适用性。

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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

李传龙（1982—），男，辽宁沈阳人，助理研究员，硕士，核科学与技术专业