基于CSG和MCNP程序NaI探测器探测效率刻度v1.0.0

1、基于CSG 和MCNP 程序NaI 探测器探测效率刻度Chbchen1. 关于CSG计算机中表示三维形体的模型，如果按照几何特点进行分类，大体上可以分为三种：线框模型、表面模型和实体模型。线框模型和表面模型存贮的三维几何信息都不是十分完整，但实体模型能够完整地、准确地表示三维形体。如果按照表示物体的方法进行分类，实体模型基本上可以分为分解表示、构造表示和边界表示三大类。常用的分解表示法有：四叉树、八叉树、多叉树、BSP 树等等。扫描表示、构造实体几何表示、特征和参数化表示是构造表示的主要方法。边界表示的典型代表是翼边结构。构造实体几何（CSG ）表示是通过对体素进行集合运算而得到新的形体的一种

2、表示方法，和BREP 一道是实体造型领域两大主流表示法。体素可以是长方体、柱体、锥体、球、环或封闭的自由曲面等(如图1 ，也可以是半空间；其运算为几何变换或正则集合运算；通过对物体的正则并、交或差集合运算生成一个新物体。 图1 基本体素CSG 表示可以看成是一棵有序的二叉树，称为CSG 树(如图2 。其叶子节点是体素或者形体变换参数，非叶子结点是正则的集合运算或几何变换操作。这种运算或变换只对其紧接着的子节点起作用。每棵子树表示其下两个节点组合及变换的合法结果，根节点表示了最终的形体。几何变换并不限定为刚体变换，也可以是任意范围的比例变换、剪切变换和对称变换。CSG 树是无二义性的，但不是唯一

3、的，它的定义域取决于其所用体素以及所允许的几何变换和正则集合运算算子。如果体素是正则集，则只要CSG 的叶子是合法的体素，正则集的性质能够保证任何CSG 树都是合法的正则集。根据CSG 树生成三维形体的一般过程可以简单地描述如下：首先在三维空间中选两个基本体素，然后选择组合两个基本体素的集合运算（并、交、差），这时除了基本体素外，增加了一个新的物体，它可以用来形成另一个物体：利用基本体素和每一步新创建的物体的组合，继续构造新物体，直至形成最后的结果物体，参考图2。 图2 CSG树 CSG表示的特点是：数据结构比较简单，数据量较小，修改比较容易，而且可以方便地转换成边界(Brep表示；但是由于C

4、SG 表示受体素的种类和对体素操作的种类的限制，使得它表示形体的覆盖域有较大的局限性，而且对形体的局部操作(例如，倒角等等 不易实现，显示CSG 表示的结果形体时需要的时间也比较长。边界表达法(Boundary Representation，简称Brep ，它根据顶点、边和面构成的表面来精确地描述三维模型实体。这种方法的优点是，能快速地绘制立体或线框模型。此方法的缺点是它的数据是以表格形式出现的，空间占用量大，修改设计不如CSG 法简单，例如，要修改实心立方体上的一个简单孔的尺寸，必须先用填实来删除这个孔，然后才能绘制一个新孔；所得到的实体不一定总是真实有效，可能出现错误的孔洞和颠倒现象，描述

5、缺乏唯一性。2. 关于MCNPMCNP 是由美国LANL 国家实验室开发的通用多粒子输运计算程序，它能够进行中子、光子、电子以及中子-光子-电子的耦合输运计算，广泛应用于多个学科领域。MCNP 输入文件的结构复杂，格式要求严格。实践表明，不借助任何工具准备MCNP 输入文件不仅烦琐，而且容易出错，经常需要进行反复修改，且几何模型部分的问题尤其突出。MCNP 采用面(或基本体素的封闭面集，也称为macrobody 来描述被称为栅元的封闭空间，几何描述必须完整涵盖整个三维空间，且栅元之间不能出现重叠的部分。这种几何表示方法与CAD 标准实体表示(存储 格式BREP 、IGES 以及STEP 等完全

6、不同。MCNP 几何与CAD 标准格式之间的转换，国内外都开展了大量的研究工作，但目前没有完善算法和公开的计算机代码可用。采用CSG 技术实现MCNP 可视化建模和相对简单的工程计算是比较容易实现的，MCNP 几何表示方法(半空间CSG 与CSG 表示方法之间有较大的相似性，容易实现集成和快速计算。3. 软件实现思路本软件采用基于OPENGL 开发的OpenCSG 软件包实现人机交互建模，且建模结果可以输出为自定义的CSG 树结构，便于修改、重用以及快速显示，CSG 树结构包括实体的几何(实体和变换 、材质信息等各类自定义信息。实现CSG 树结构到MCNP 几何的自动转换，实现探测器、源项、计数的交互操作以及计算结果的快速分析。软件实现NaI 探测器全能峰探测效率的自动计算和分析。4. 部分已经实现的界面按上述思路，软件v1.0.0版已经基本实现，参考图2和图3。CSGVDP 是CSG Virtual Dosimetry Program的缩写，即我们的软件名称。 图3A CSG虚拟放射测定程序v1.0.0版主界面 图3B CSGVDP算例计算过程和最终结果 图3C 按图3B 生成的MCNP 源抽样图(数字为材料号 图3D MC