[發(fā)明專利]一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和蒙特卡洛算法的γ射線劑量測量方法

在審

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• 申請日: 2019-05-15
• 公開（公告）號: CN110133703A
• 公開（公告）日: 2019-08-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李國棟;陳法國;韓毅;楊明明
• 申請（專利權(quán)）人: 中國輻射防護(hù)研究院
• 主分類號: G01T1/02
• 分類號: G01T1/02;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 北京天悅專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11311
• 代理人: 田明;任曉航

本發(fā)明涉及一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和蒙特卡洛算法的γ射線劑量測量方法。本發(fā)明所述的方法采用常規(guī)使用的便攜式NaI(Tl)γ譜儀作為模擬計(jì)算和實(shí)測使用的探測系統(tǒng)，利用MCNP軟件對便攜式NaI(Tl)γ譜儀結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，模擬計(jì)算獲得單能光子的γ能譜，建立單能光子的γ能譜與劑量映射關(guān)系，基于疊加原理利用單能光子的γ能譜構(gòu)造多能量混合譜獨(dú)立同分布樣本，并計(jì)算得到多能量混合譜的劑量，然后利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練樣本建立能譜及對應(yīng)劑量的計(jì)算模型。采用本發(fā)明所述的方法，通過機(jī)器學(xué)習(xí)建立劑量值和能量響應(yīng)的聯(lián)系，避免了能譜分析處理和數(shù)學(xué)分析等人為操作帶來的復(fù)雜性，劑量預(yù)測簡單、快速、準(zhǔn)確。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及核工程技術(shù)和輻射防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和蒙特卡洛算法的γ射線劑量測量方法。

背景技術(shù)

核電等現(xiàn)場γ射線的監(jiān)測和劑量評估是輻射防護(hù)工作的重要內(nèi)容，準(zhǔn)確地確定輻射場劑量能夠幫助工作人員正確采取應(yīng)對措施，保障人員的健康和安全。由于現(xiàn)場源項(xiàng)情況復(fù)雜，γ射線能量存在從低能到約7-8MeV高能的較廣范圍，對于常規(guī)非組織等效或非空氣等效的探測器，用于劑量測量時的能量響應(yīng)補(bǔ)償辦法一直是研究的熱點(diǎn)和挑戰(zhàn)之一。

目前常用的能量響應(yīng)補(bǔ)償辦法主要有兩種：一種是通過探測器結(jié)構(gòu)優(yōu)化從硬件角度進(jìn)行補(bǔ)償，另一種是對探測器獲得的脈沖幅度譜數(shù)值處理從計(jì)算角度進(jìn)行軟補(bǔ)償。軟補(bǔ)償方法通常是在探測器測量能譜信息的基礎(chǔ)上構(gòu)造能譜和劑量的函數(shù)關(guān)系，常用的方法如G(E)函數(shù)加權(quán)積分法、解譜法等。

目前使用的軟補(bǔ)償方法一般會涉及到很多能譜學(xué)和劑量學(xué)中的數(shù)學(xué)方程和物理內(nèi)涵，參數(shù)選擇對人為經(jīng)驗(yàn)和處理技巧的依賴性導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜和結(jié)果不確定性高等缺點(diǎn)。本發(fā)明基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和蒙特卡洛算法建立的γ射線劑量測量方法可以有效解決該問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和蒙特卡洛算法的γ射線劑量快速測量計(jì)算方法。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和蒙特卡洛算法的γ射線劑量測量方法，包括以下步驟：

S1.采用常規(guī)使用的便攜式NaI(Tl)γ譜儀作為模擬計(jì)算和實(shí)測使用的探測系統(tǒng)，利用MCNP軟件對便攜式NaI(Tl)γ譜儀結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模；

S2.通過MCNP軟件模擬計(jì)算獲得1～9MeV不同入射能量單能光子Ei的沉積能譜f(E，Ei)，建立單能光子Ei的沉積能譜f(E，Ei)與周圍劑量當(dāng)量值的映射關(guān)系，并對單能光子Ei的沉積能譜做可靠性驗(yàn)證；

S3.基于疊加原理利用單能光子Ei的沉積能譜f(E，Ei)構(gòu)造多能量混合譜獨(dú)立同分布樣本，構(gòu)造方法為隨機(jī)抽樣式，利用抽樣個數(shù)的動態(tài)自適應(yīng)調(diào)整建立值域分布均勻的樣本；

S4.采用能譜疊加對應(yīng)的處理過程計(jì)算多能量混合譜的劑量，即由組成混合譜的單能光子Ei的沉積能譜的劑量當(dāng)量值乘上對應(yīng)的系數(shù)求得多能量混合譜的劑量；

S5.將模擬及疊加構(gòu)造得到的能譜、劑量值作為訓(xùn)練樣本，根據(jù)訓(xùn)練樣本的輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，設(shè)計(jì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

S6.利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近任意非線性函數(shù)的能力對訓(xùn)練樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，建立能譜及對應(yīng)劑量的計(jì)算模型，使預(yù)測劑量的輸出值與目標(biāo)值相對偏差在±3％以內(nèi)；

S7.利用該探測器進(jìn)行現(xiàn)場能譜的測量，并利用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)直接將測量譜換算為周圍劑量當(dāng)量，無需進(jìn)行能響補(bǔ)償。

進(jìn)一步，步驟S2中建立單能光子Ei的沉積能譜f(E，Ei)與劑量映射關(guān)系的具體方法如下：對模擬的沉積能譜f(E，Ei)做歸一化處理，給出測量系統(tǒng)對單位注量光子在每道內(nèi)的計(jì)數(shù)響應(yīng)；根據(jù)ICRP報(bào)告建議的轉(zhuǎn)換系數(shù)插值計(jì)算單能響應(yīng)譜對應(yīng)的周圍劑量當(dāng)量值Hi，從而建立單能射線的譜與劑量映射關(guān)系。