γ辐照装置辐射场优化设计研究

摘要

本文围绕γ辐照装置辐射场的优化设计开展研究，具体包括装置优化排源新方法、装置辐射剂量场精确计算方法以及剂量场高效计算平台搭建三方面内容。主要工作现概括如下：
　　第1章介绍了辐照加工技术的发展历史、工业规模和产值，其次对γ辐照加工技术的装置结构、加工原理、发展规律、行业标准,特别是目前γ辐照加工技术现存的若干辐射剂量学问题做了详细总结和分析。
　　γ辐照装置的排源结果直接决定辐射场的分布均匀度，进而影响货物的加工质量和加工效率。本文第2章基于模拟植物生长算法基本思想，提出了一种新的排源方法，用于γ辐照装置的优化排源。相关代码采用C++语言编写，进而利用三个真实装置算例对其进行了验证，结果表明该方法能够同时给出多个高水平排源方案供用户选用，这些方案提供的辐射场均匀度(1.21～1.39)达到了国内一线水平。为了进一步提高求解算法的计算效率，在利用GNU软件工具gprof分析算法性能“热点”的基础上，本文分别利用OpenMP和GPU并行计算技术实现了算法在CPU和GPU的并行，改进后的算法利用7个大规模标准算例进行测试，结果表明相对CPU串行代码，基于OpenMP的并行算法的性能提高但仍然不够满意，相比之下基于GPU的并行新算法的计算效率提高了十几到数百倍，能够完成装机活度在1.48×1017Bq(400万Ci)及以下规模装置的排源工作，如果进一步增加计算资源，GPU并行算法能够满足任意规模γ辐照装置的排源需要。另外本文利用MATLAB编程实现了排源方案的图形化以方便用户的现场操作。
　　在装置优化排源的基础上，需要进一步获得源架周围特别是受照货物中辐射剂量的精确分布情况。论文第3章采用蒙特卡洛粒子输运模拟程序MCNP作为研究工具，首先计算了单根裸源棒对空气中小体积水（模拟货物）的剂量分布,模拟计算结果与理论结果符合的很好，结果差别除个别点外均在5%以内，最大差别不超过5.21%，这证明了蒙特卡洛软件 MCNP（在该方面）应用的可行性和有效性。在此基础上论文提出了装置建模的一般方法和原则并开发了一组模板输入代码，能够精细计算国内外主流的任意规格单板源γ辐照装置的剂量分布情况。利用小规模装置参数作为算例进行验证计算，计算时间为283.8分钟，计算结果与理论结果差别在2.2%以内。此外，目前这部分工作还不够完善，未来需要进一步进行实测比对并修正。
　　运算蒙特卡洛代码往往需要大量的计算资源，本文第4章在简介国内外常用并行计算方法如PVM、MPI、OpenMP和GPU的基础上，结合自身实践，详细介绍了基于PVM、MPI的拥有4个节点的小型PC并行计算集群的部署和应用方法，另外利用Windows自带的批处理功能编写了集群日常管理和使用功能包。算例测试结果和日常使用感受表明该集群价格低廉，部署灵活，学习和使用难度低，工作稳定可靠，竞争力较高。
　　综合上述，本文提出了系列用于辐照装置辐射场优化设计的方案并证实了其可行性和有效性，有些方面如实践对比，软件系统整合等还需要进一步研究和完善。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 辐照加工技术发展现状

1.2 γ辐照加工装置结构与加工原理

1.3 γ辐照加工的剂量学研究

1.4 γ辐照装置的排源方法研究

1.5 γ辐照装置辐射剂量分布获取方法

1.6 小结

第2章 γ辐照装置排源新方法研究

2.1 排源问题的性质分析

2.2 排源问题的建模与求解方法

2.3 模拟植物生长算法

2.4 排源问题求解新方法的建立与实现

2.5 排源求解算法的改进及CPU并行实现

2.6 排源求解算法的GPU并行加速和CUDA实现

2.7模拟植物生长算法的GPU并行化和CUDA实现

2.8 GPPGSA新算法在排源问题中的应用

2.9 程序图形接口开发及实际应用

2.10小结

第3章 γ辐照装置辐射剂量场精确计算方法研究

3.1 装置辐射剂量场的计算方法

3.2 用户辅助功能的开发

3.3 小结

第4章 辐射剂量场高效计算平台的搭建研究与实践

4.1 集群硬件层的搭建

4.2 基于PVM标准的集群软件层的搭建与配置

4.3 基于MPI标准的集群软件层的搭建与配置

4.4 MCNP5的安装、配置与使用

4.5 集群的维护与使用

4.6 集群性能测试

4.7 小结

第5章 总 结

5.1 研究总结

5.2 展望

参考文献

附录A 排源结果的图形化示例代码

附录B MCNP源棒剂量验证计算

附录C MCNP计算γ辐照装置剂量场分布

作者攻读学位期间的科研成果

致谢