用于厚屏蔽小探测器的蒙特卡罗模拟减方差方法研究

反应堆屏蔽计算中经常出现厚屏蔽、小探测器问题，常规蒙特卡罗方法难以有效解决。基于自动重要抽样（AIS）方法，本文提出了小探测器自动重要抽样(SDAIS)方法，并针对小探测器问题，优化了AIS方法的虚粒子赌分裂算法。该方法在自主开发的蒙特卡罗屏蔽程序MCShield上进行了实现。使用NUREG/CR-6115 PWR基准题验证该方法的正确性和计算效率。结果表明，SDAIS方法可有效地解决厚屏蔽小探测器问题，相比AIS方法及传统的重要性方法，计算效率提升1~2个量级。     

基于染色体畸变的细胞存活模型研究

为评估质子和重离子的辐射生物效应，建立了基于染色体畸变的细胞存活机理模型。开发了纳剂量生物物理蒙特卡罗模拟程序（NASIC）的DNA损伤修复模块，用于模拟不同射线类型、不同传能线密度（LET）辐射所致细胞核内染色体畸变产额。在分析辐射所致染色体畸变产额规律的基础上，建立了基于染色体畸变的细胞存活机理模型，并根据细胞存活实验数据拟合模型参数。以V79细胞为例，对于X射线和不同LET的质子，细胞存活分数的模型计算值与实验数据符合得很好，相关系数为0.985 3。采用⁴He离子的实验数据对模型及参数进行了验证，模型计算值与实验数据的相关系数为0.931 1。可见，模型能较好地区分不同射线类型、不同LET辐射在细胞致死效应上的差异。     

用于迷宫屏蔽计算的蒙特卡罗减方差方法研究

本文应用多种减方差技巧提出了强迫指向自动重要抽样（FPAIS）方法，并在MCNP5程序平台实现了该方法。采用该方法对1个多折迷宫算例进行了模拟计算，计算结果与MCNP5程序的直接模拟、DXTRAN球、点通量3种方法的结果进行了比对。基于此算例对FPAIS方法进行了引导面设置和粒子数敏感性分析。结果表明，FPAIS方法在保证一定计算精度的前提下，比其他3种方法的FOM提高2~3个量级，且该方法对引导面设置不敏感、可用性强，对于迷宫屏蔽计算是一种准确、高效的解决方案。     

精细乳房模型及其在乳腺X射线摄影剂量评估中的应用

乳腺是对辐射致癌最敏感的组织之一,而辐射致癌风险与受照剂量密切相关。为更准确地评估电离辐射所致乳腺受照剂量,本文建立了一个具有皮肤、皮下脂肪、乳房后侧脂肪、悬吊韧带、纤维腺体区脂肪、输乳管、小叶、输乳窦和乳头等精细结构的乳房数学模型,并将其体素化为体素模型。考虑到在乳腺X射线摄影中的应用,对乳房体素模型进行头尾位（CC位）压迫,建立压迫乳房模型,并与中国成年女性参考人体素体模（CRAF）相拼接。采用Geant4对乳腺X射线摄影进行蒙特卡罗模拟,计算了一系列平均腺体剂量转换因子。根据计算结果,采用精细乳房模型计算的平均腺体剂量转换因子低于我国现行国家标准的取值,但与美国放射学会（ACR）标准的取值差别不大。     

肺部计数器虚拟校准结果的影响因素

内照射活体测量中,肺部计数器通常忽略肺以外其他器官中沉积的放射性核素对探测器计数的贡献,且校准使用的参考体模和被监测人之间会有身体形态的差异。本文利用中国成年男性体模库,采用蒙特卡罗程序模拟计算了~(65)Zn和~(60)Co核素的器官源探测效率,并计算了总探测效率,研究了这两个因素对虚拟校准的影响。结果表明,对于类似65Zn的核素不能忽略肺部以外其他器官源的计数贡献;同一身高下,肺部计数器对~(65)Zn和~(60)Co核素的总探测效率随体重增加而降低,且对于65Zn核素的降低比例会随摄入时间而变化;对于同一体模的总探测效率会随时间而降低。由此证明,核素生物动力学分布和体模形态的差异对肺部计数器总探测效率均有较大影响,且对不同核素影响会有不同。     

强激光与固体靶相互作用所致硬X射线剂量和能谱的实验测量

为了研究强激光与固体靶相互作用产生的电离辐射危害,本文在星光Ⅲ300TW强激光装置上开展了一系列激光打靶实验。实验使用的激光功率密度为5×10~(18)~4×10~(19)W/cm~2,激光脉冲能量为60~153J,靶为直径1mm、厚度1mm的Ta圆柱,本文分别对X射线剂量、X射线能谱和超热电子能谱进行了测量。实验结果表明,测量到的单发最大X射线剂量约为16.8mSv,靠近激光传播方向(0°),距靶50cm处;激光0°方向的X射线剂量随激光功率密度的增加而显著增加,激光90°方向的X射线剂量随激光功率密度的变化相对较小;测量到的X射线能谱可大致用含有两个X射线温度的指数分布函数描述,其中0°方向测量到的X射线温度为0.4~1.15 MeV,90°方向测量到的X射线温度为0.25~0.54 MeV;实测超热电子温度与Wilks定标率符合较好。     

数字乳腺X射线摄影成像参数优化研究

为使女性受检者接受尽量低的剂量同时获得尽量好的图像质量,本文针对Hologic Lorad Selenia数字乳腺X射线机型进行了数字乳腺X射线摄影成像参数优化研究。采用不同靶/滤过组合、管电压,对不同厚度和腺体百分含量的乳腺模体成像,获得不同成像参数下图像的对比度噪声比,用于表征图像质量。采用适用于中国女性的平均腺体剂量转换因子,计算数字乳腺X射线摄影中受检者的受照剂量,进而探究图像质量一致的情况下,受检者的受照剂量随不同成像参数的变化规律,最终对适用于中国女性的数字乳腺X射线摄影成像参数给出建议。本文结果为中国女性数字乳腺X射线摄影成像参数的优化提供参考。     

基于自动重要抽样方法的减方差技巧体系构建与验证

屏蔽计算问题根据求解目标不同一般可分为源-探测器问题、区域问题和全局问题。MCShield研究团队针对3类问题中存在的深穿透问题提出了相应的减方差技巧,本文以此为基础构建了基于自动重要抽样(AIS)方法的减方差技巧体系,并开展了验证工作。针对源-探测器问题,采用NUREG/CR-6115 PWR压力容器计算基准题对小探测器自动重要抽样(SDAIS)方法进行验证。结果表明,SDAIS方法的计算效率约为AIS方法的7倍。此外还提出并验证了基于AIS伴随蒙特卡罗的耦合减方差(AIS-CADIS)方法,将AIS方法引入到蒙特卡罗伴随计算中,取得了良好的效果。针对全局问题,提出网格化-AIS方法并使用简化反应堆屏蔽计算算例进行验证,结果表明,网格化-AIS方法的计算效率是AIS方法的12倍左右,是直接蒙特卡罗方法的290倍左右。     

10岁中国儿童参考人面元体模的建立

本文基于首都儿科研究所提供的中国儿童真实CT扫描图像建立了10岁中国儿童参考人面元体模。采用了多边形网格模型与NURBS曲面模型相结合的方法，建立了10岁中国儿童的多边形网格面元。体模包括85个器官，经过优化和调整，各组织和器官质量与GBZ/T 200 2-2007和亚洲参考人的参考值差异小于1%，各器官位置和形态符合中国儿童解剖学特征。该面元体模为10岁中国儿童剂量的准确计算提供了重要工具。     

低能光子致DNA链断裂的蒙特卡罗模拟研究

为研究不同类型和能量的粒子照射细胞核DNA时导致的DNA损伤等辐射生物效应,建立了DNA、染色质原子模型,并开发了纳剂量蒙特卡罗程序NASIC。该程序可模拟包括光子、电子、质子在内的多种粒子在生物介质中的作用过程,既包括物理和化学径迹结构,也包括后续的生物响应过程。使用NASIC程序模拟了~(137)Cs源、Al的K层特征X射线(Al_K)源照射哺乳动物细胞后造成的单链断裂和双链断裂产额。研究结果表明,本文使用的DNA原子模型更加接近真实结构,DNA双链断链产额计算结果与实验值吻合较好。