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应用数学与计算机技术

单色器屏蔽的蒙特卡罗模拟计算

刘保杰, 许淑艳

本工作使用蒙特卡罗方法, 借助于MCNP软件包分别计算了在旋转门关闭和打开时单色器屏蔽体外侧各面的中子、 光子泄漏率及剂量。
为提高计算效率, 在计算中利用几何系统的对称性, 使用镜面反射使模型简化, 使用分裂及轮盘赌技巧, 减小方差, 提高计算的精确度。

光子-电子耦合输运问题中的方差减小技巧研究

郑玉来, 许淑艳

光子-电子的耦合输运问题在粒子输运问题中占有相当比重, 在实验核物理和反应堆物理中大量存在。如探测器( NaI, Ge等) 的探测效率及能量沉积谱等参数, 一般采用实验的方法测量。测量时, 需各种不同能量的光子源。由于低能光子源( E<0.1 MeV) 和高能光子源( E>2.0 MeV) 大多寿命较短, 获取困难, 因而在大多情况下, 使用外推方法获得, 准确性较差且实验工作量大。因此, 需借助理论计算。
由于光子( 或电子) 入射到系统后, 其输运过程是光子-电子的耦合输运过程, 对于如此复杂的问题使用数值方法无法解决, 使用蒙特卡罗方法是最行之有效的。
对于两种粒子的耦合输运问题, 使用蒙特卡罗方法模拟时, 采用”字典编辑式多分支”方法处理。由于该模拟过程非常复杂, 国内外相关软件( 如MCNP, EGS4等) 均使用直接模拟方法模拟, 尚未使用减小方差技巧。对于有些问题( 如小系统或吸收性较强的系统) 计算结果误差大, 效率低。
本文从光子-电子耦合输运问题的积分方程理论模型出发, 将方差减小技巧( 如限制碰撞法、 加权法) 应用到光子-电子耦合输运的多分枝模拟方法中, 并将方差减小技巧引入到EGS4软件包中。经过实例计算, 大幅减小了方差, 提高了效率。

124Xe气体靶快中子辐射防护的蒙特卡罗计算

许淑艳, 丰树强, 赵桂植

为生产123I建立124Xe气体靶靶室。30 MeV质子由回旋加速器射出, 入射到124Xe气体靶上, 经过发生( p, 2n) 和( p, p, n) 反应, 产生快中子。本文使用蒙特卡罗方法, 借助于MCNP及GEANT4软件包计算了气体靶靶室周围水泥墙的中子泄漏率, 为建立124Xe气体靶靶室的防护问题提供了理论依据。
气体靶靶室的结构及靶体的结构示于图1、 2。

图1 气体靶靶室结构平面示意图

图2 气体靶靶体结构平面示意图

所求物理量为气体靶靶室周围三面水泥墙墙体的中子泄漏率, 进而计算剂量。计算方法如下。
1) GEANT4计算
使用GEANT4软件包计算30 MeV质子与靶体中的介质发生( p, 2n) 和( p, p, n) 反应产生的快中子的能谱、 角分布。
2) MCNP源抽样程序
编写MCNP软件包所需的用户源程序。包括质子由源出发, 经过输运, 在靶体内与Xe碰撞后发生( p, 2n) 或( p, p, n) 反应, 抽样确定快中子的能量及运动方向。
3) 填写MCNP输入卡片
填写MCNP软件包所需的输入文件 INP( 其中所需的源程序由上1步生成。)
4) 计算
运行MCNP执行程序进行计算。
本文计算了所设计靶室不同厚度水泥墙的中子泄漏率。水泥墙厚度1.0 m下的计算结果略, 不同能级下的中子穿透率示于图3。
由以上计算结果可知, 将蒙特卡罗方法用于计算124Xe气体靶靶室周围水泥墙中子泄露率是可行的, 它为建立124Xe气体靶靶室的防护问题提供了理论依据。

图3 不同能级下的中子穿透率

60Co远程治疗机剂量场分布的蒙特卡罗计算

丰树强, 刘保杰, 程金生1
( 1 中国疾病预防控制中心 辐射防护与核安全医学所)

基于60Co放射源的远程治疗机是常见的放疗设备。对治疗机的靶区做精确的剂量计算有助于确保放疗质量。现今放疗设备剂量分布的计算基本是以半经验解析方法为主, 而半经验解析方法的适用范围是有限的, 用蒙特卡罗方法可很好地克服以上缺陷, 因此有必要对蒙特卡罗方法在放射医学领域中的应用作进一步研究, 建立一种更为准确和实用的剂量场分布的计算方法。另外, 在放疗中剂量数据一般是经过扫描水箱直接测得, 仅代表了射野内某些平面上有限点的数据, 对于任意平面上任意点的剂量数据, 受测量条件限制, 费时费力, 且难以保证测量结果的准确性。本工作使用蒙特卡罗方法, 借助于EGS4软件包计算了不同射野下60Co远程治疗机在水膜体中的三维剂量场分布, 获得了比实际测量更多、 更全面的三维剂量数据。同时, 为提高抽样效率, 对源粒子的运动方向采用了解析方法确定。最后, 将得到的计算结果与用RTS-200S自动扫描水箱测量的离轴剂量和中心轴深度剂量比较, 二者符合很好。
60Co远程治疗机机头主要包括源和准直器两部分。其中60Co源为圆柱形结构, 分为1.17 MeV、 1.33 MeV两个能级。治疗机的准直器部分如图1所示: 包括一级和二级准直器, 控制射线在水膜体中的射野。本工作中采用立方体水膜, 几何区域划分如图2所示。其中, 准直器主要为钨层和空气两个区域。
模型中涉及到的介质有水、 空气、 有机玻璃、 钨, 计算前需填写输入卡片USERINP.DAT, 计算所需的截面数据由PEGS程序给出。
对于源抽样, 为提高抽样效率, 将采用确定源粒子入射方向的解析方法。具体做法是: 根据给定的射野, 确定准直器的位置以及源粒子直接入射到水膜体表面的最大角度。源抽样时, 为确定源粒子的入射方向, 首先抽样确定粒子在60Co面源上的位置, 然后在射野组成的方形区域内抽样, 确定粒子入射到水膜体表面的位置, 最后经过几何关系计算相应的方向余弦。

图1 准直器结构

图2 物理模型

使用该方法时, 源粒子的初始权重为1/4pL2( 其中L为r*-r的长度) 。这样可保证源粒子的入射方向在射野内, 从而提高了抽样效率。
最后经过记录结果输出程序, 可得到水膜体中任一记录单元的沉积能量, 进而转化为剂量, 从而得到记录区域剂量场的三维分布。
经计算, 可得到任意射野下水膜体区域内剂量场的三维分布。结果如图3所示。
图3 平面剂量和垂直剂量分布
a——平面剂量; b——垂直剂量

为和实验结果进行比较, 抽取百分深度剂量和离轴分布剂量数据与实验值进行对比, 结果如图4所示。

图4　计算结果和RTS-200S测量结果的比较
实线——实验值; 虚线——计算值
a——4 cm×4 cm射野百分深度剂量; b——4 cm×4 cm射野10 cm深度离轴分布剂量

从图中可看到, 蒙特卡罗计算和实验测量得到的百分深度剂量曲线符合较好。理论计算值与扫描水箱测量值的最大剂量点基本一致。以上结果表明, 用蒙特卡罗方法计算60Co射线在水膜体中的剂量分布是可行的, 结果是可信的。

中国原子能科学研究院计算机网络的升级改造

吕建友, 乔立言, 邵 勇, 王建平

中国原子能科学研究院计算机网络升级改造工程 3月开始启动, 9月完工, 并投入正式运行。
网络升级工程包括网络子系统、 服务器子系统、 布线系统、 信息安全系统、 办公自动化开发系统等5部分。
网络子系统采用当前世界上最流行的星型结构的快速以太网, 主要网络设备采用业界最大的厂商——Cisco公司的先进设备, 经过核心层、 汇聚层和接入层三个层次的交换机, 构成千兆交换到楼宇, 百兆到桌面的通信能力。
服务器子系统采用世界知名计算机供应商IBM生产的服务器P系列小型服务器作为WEB、 DNS、 E-mail、 应用以及数据库等专用服务器。另外, 还购买了数据备份用的磁盘阵列和磁带机。经过先进的集群和网络存储技术为网络上数据信息的交换、 处理、 存储等网络应用提供高性能的、 稳定的软硬件平台。
布线工程完成了全院90个工号的布线、 2 980个信息点的改造与建设。主干网络采用单模光纤, 完成从网络中心到我院科研生产区的86个工号、 总长度15.1 km的光缆铺设, 保障了主干网千兆的传输; 在各工号内经过六类和超五类非屏蔽双绞线完成了2 980个信息点的改造与建设, 保障了百兆到桌面的网络带宽。
信息安全系统实现了网络管理、 网络访问控制、 入侵检测、 用户认证/授权等管理功能, 并建立了防火墙、 防病毒系统、 网络存储系统智能UPS系统等安全设施。
按照院办公自动化系统的要求, 开发了具有公文管理、 档案管理、 会议管理、 人事管理、 行政管理、 项目管理、 公用信息管理和内部邮件等功能的信息管理系统。
改造后的网络系统, 为我院建成了一个结构先进、 规模宏大、 技术领先、 设备一流、 安全可靠的信息交换平台。
网络改造项目的完成, 使原子能院信息化的基础设施在如下三方面得到了极大提高, 并为原子能院今后的信息化建设提供了广阔的发展空间。
1) 极大地提升了原子能院信息化的软硬件平台。改造后的网络, 几乎覆盖了全院所有工号, 主干速度1 000 MB/s, 桌面速度100 MB/s。新建成的局域网具有技术先进、 设备一流、 高速可靠的特点, 完全满足了当前乃至今后5～ 用户对网络的高速度、 大容量、 可靠性、 数字化的要求, 可适应各种图形、 图像等多媒体通信的需要。
2) 根据院机关办公自动化的需要开发的办公自动化系统有效地提高了院的办公信息化水平, 提高了办公效率。办公自动化系统具有信息发布、 工作流程自动化、 文档管理、 资产管理等网络办公方式, 为全院各部门信息交流和共享提供了方便快捷的条件。
3) 提升了与国际互联网的通信能力。改造后的网络, 不但提升了内部速度, 网络对外接口能力也扩展到了1 000 MB/s, 为今后提供了扩展空间。

信息技术的开发与应用

王 斌, 乔立言, 钮大骞

今天, 人们已步入以信息技术为核心的知识经济时代, 信息技术正以其广泛的渗透性和先进性与其它产业结合, 促使各行业发生巨大变化。信息化是当今世界新军事变革的核心, 也是核军工建设的重点。在”十五”期间, 围绕核工业科技发展的现代化需要, 以提高国防科研、 生产、 管理能力和技术水平为目标, 开展了建立高速安全的信息化平台技术研究。
在”十五”期间, 以信息技术服务于科研生产为宗旨, 开展信息技术的研究与开发, 取得了初步研究成果。主要成果如下。
建立了一个安全传输的实验系统, 该系统可满足当前数据传输过程中的安全需要。研制了一套智能化分布式网络监控模拟系统。
以中国核数据中心为应用背景, 开展数据库安全应用技术研究。以核工业系统常见数据库为背景, 开发了格式化数据与非格式化多媒体数据转换的中间件软件包; 开发了数据库安全访问中间件软件包, 该软件包实现了数据库的数据加密、 存取访问控制和身份验证等功能。
另外, 以中国原子能科学研究院的中国实验快堆、 中国先进研究堆、 串列加速器等重要核设施为研究背景, 开展了核设施周边地区的环境监测信息化技术应用研究, 经过有关的数据获取、 分类、 计算、 统计、 越界报警等处理, 建立了核设施环境监测模拟数据库, 并以 C／S和 B／S技术对该数据库中信息进行统计、 查询, 并以直观的方式实时显示, 为核事故决策提供科学依据。

办公自动化系统

王建平

办公自动化(OA——Office Automation)是将现代化办公和计算机网络功能结合起来的一种新型的办公方式。经过网络, 组织机构内部人员可跨越时间、 地点协同工作。经过OA系统所实施的交换式网络应用, 使信息的传递更加快捷和方便, 实现组织结构内信息共享, 极大地扩展了办公手段, 实现了办公的高效率。办公自动化系统简图示于图1。

图1 办公自动化系统简图

中国原子能科学研究院OA系统完全基于J2EE架构, 客户端访问基于标准的B/S应用( HTTP请求响应) , 同时支持局域网和互联网的网络环境。客户端工具基于当前最通用的IE 6.0以上版本。它的开发, 为院实现数字化办公提供完整的应用平台。OA系统的定制工具采用C/S模式, 提供图形化的管理界面, 经过ODBC访问系统配置数据, 供开发人员和系统管理员使用, 完成业务逻辑和应用体现的配置。工具的管理内容包括用户、 组织结构、 菜单、 权限、 工作流、 表单、 视图、 查询、 字典、 统计等。
我院的OA系统以科研事务管理、 科研项目管理和公文处理为核心, 同时提供信息通讯与服务等重要功能, 而在此过程中, 知识的交流与管理存在于各个阶段。因此, 办公自动化应用包括公文管理、 信息知识发布、 个人办公管理、 会议管理、 成员通讯、 内部论坛等。
随原子能院信息化普及程度的不断提高, OA系统将不断增加新内容, 如人事管理、 资产管理、 放射源管理等, 办公自动化系统的开发将是一个渐进的过程

合同管理系统

王建平

合同管理系统主要针对中国原子能科学研究院器材供应部合同信息的计算机自动化管理, 实现了对合同信息管理由传统的手工管理到计算机自动化管理的转变。合同管理系统主要具有合同信息的计算机录入, 合同款项的自动结算, 自动回款, 自动汇总, 合同信息浏览查询, 统计报表输出等功能。
本系统为采用PowerBuilder9.0开发的C/S系统, 后台数据库采用SQLSever 。实现对器材供应部合同进行计算机的自动化管理计算, 减少了管理人员的工作量, 节省了人力, 确保合同数据的安全和有效利用。本系统具有系统功能完备、 使用简单、 用户界面好、 安全保密设置齐全等优点。

院实物保护监控中心安全、 稳定运行

院实物保护监控中心

中国原子能科学研究院在基础设施改造一期工程中, 建立了实物保护监控中心。该中心的功能在于防破坏、 防盗窃, 防非法转移核材料、 放射源、 机密档案, 预防和制止敌对分子或团伙的入侵、 威胁、 破坏等犯罪活动, 对全院的重点要害部位进行集中管理, 实施24小时不间断地布防监控。
院实物保护系统共有9台录像机对各监控部位的图像进行录制, 对院大门口和监控中心进行每日24小时连续监控录制, 对其它工号实行布防监控与录制。
中心在核技术所直接领导和院保卫处的监督管理下, 坚持双人值班制度, 严格规范运行记录, 对涉及实物保护技防系统86个监控点和消防报警系统1 153个探测点的报警信号进行及时复核、 确认, 在第一时间通知有关部门进行处理。
在试运行至今的一年多时间内, 共计处理实物保护系统报警3万多次; 消防系统报警3千多次。在接到报警信号后, 值班人员在第一时间通知有关部门进行处理, 使得中心对全院重点要害部位的保卫和消防安全实施了有效的监控, 体现了实物保护系统的可靠性和有效性。 实物保护监控中心主要完成了以下工作。
1) 严格培训, 做到持证上岗。
2) 建立健全运行制度, 确保中心正常运行。
3) 妥善处理报警信号, 保障重点要害部位安全。
4) 及时排除故障, 确保系统有效运行。
中心建成运行以来, 多次妥善处理了接报警事件, 充分发挥了对全院重要部位的监督管理作用, 保障了全院科研生产工作的顺利进行。
( 执笔人: 任宝玲)

科研项目管理系统需求分析

田 君, 王建平, 吕建友

中国原子能科学研究院是一个大型的、 综合性的核科学技术研究基地, 承担核能开发、 国防技术基础、 国防预研、 ”863”和”973”、 国家自然科学基金等科研项目, 相关30多个项目类别, 涉及近100个项目, 其项目的研究范围涵盖了核物理、 核化学与放射化学、 反应堆工程技术等领域。这些科研项目涉及学科广泛, 内容精深, 难度高, 管理模式多, 工作复杂。同时, 原子能院还承担了大量的工程建设项目, 如中国实验快堆、 中国先进研究堆的设计和建设, HI-13串列加速器升级工程, 放化后处理实验设施等的建设, 所有这些工程的建设和管理, 需要改变传统的设计、 管理和施工方式, 充分利用当前先进的工具和方法。虽然中国实验快堆和中国先进研究堆的建设都分别应用了部分管理软件, 但由于当前它们的建设和管理都是分别独立进行的, 其设计和管理模式、 管理经验都不能在全院范围内进行合理的综合共享。建立一整套科学的项目管理系统, 利用现代化的信息技术管理项目的进展, 实现资源共享, 提供决策依据, 已成为全院实际工作中迫切需要解决的问题。同时, 国家为加快核工业的信息化建设, 大力扶持、 重点投资原子能院信息化工程。按照”统一规划, 整体设计, 分步实施, 突出重点”的原则, 原子能院决定首先建立”中国原子能科学研究院科研管理信息系统”作为信息化示范工程, 以点带面, 最后全面实现科研集成化。
在完成《科研项目管理系统》的前期调查, 同时与多位软件使用者进行全面深入的探讨和分析的基础上, 提出了软件需求分析。
需求分析对《科研项目管理系统》做了全面细致的用户需求分析, 明确所要开发的软件应具有的功能、 性能与界面, 使系统分析人员及软件开发人员能清楚地了解用户的需求, 并在此基础上进一步提出概要设计说明书和完成后续设计与开发工作。
本说明书的预期读者为客户、 业务或需求分析人员、 测试人员、 用户文档编写者、 项目管理人员。
科研项目管理系统的主要目标是: 1) 实现科研项目管理网络化, 及时传递、 交流信息, 共享资源; 2) 实现科研项目管理流程各阶段的办公自动化; 3) 监控科研项目管理全过程, 并记录全部活动和各种文档; 4) 继承现有系统的数据和电子资料, 实现原有系统的数据导入; 5) 实现科研项目相关信息的建档、 查询、 统计辅助决策。
根据业务需求分析, 本系统主要功能示于图1。

图1 系统功能图