1.本发明涉及一种中子吸收剂量快速获取方法，具体涉及一种基于蒙特卡罗模拟数据的考虑大气湿度影响的中子吸收剂量快速获取方法。
背景技术：2.核爆炸在极短时间内释放出的大量瞬发中子，可在大气中传播很远的距离，进而在爆点周围空间中与大气相互作用形成很强的核辐射剂量场。瞬发中子吸收剂量是核爆早期核辐射剂量的重要组成部分，准确获得中子吸收剂量空间分布对于研究早期核辐射的规律及其对人员的辐射效应具有十分重要的意义。
3.在计算预测核爆中子剂量场分布时，需考虑大气环境对中子传输的影响。中子在大气中的传输除了受到大气中主要成分(氮、氧等)的作用影响外，大气中的水分子含量对其的作用也是重要影响因素，这是因为水汽中的氢元素与中子的反应截面大，相互作用强。brien等人发表在《geophysical research》期刊1978年第83卷第a1期的“cosmic ray induced neutron background sources and fluxes for geometries of air over water，ground，iron，and aluminum”和rosolem等人发表在《journal of hydrometeorology》期刊2013年第14卷第5期的“the effect of atmospheric water vapor on neutron count in the cosmic-ray soil moisture observing system”研究结果表明，当探测器周围的空气有一定湿度时，由于宇宙射线中子与水汽中的氢元素相互作用，进而会影响宇宙射线中子测量结果的准确度，由此表明，作为大气环境参数之一的相对湿度，其变化直接反映出空气中水含量的变化，亦即大气所含氢元素的变化，该因素会影响瞬发中子吸收剂量场的分布。
4.在现有的相关技术中，尚未见有考虑大气湿度影响的瞬发中子吸收剂量快速获取方法的有关报道，若按照现有方法获取瞬发中子的吸收剂量，即便是需要考虑大气湿度对中子吸收剂量的影响，也需要大规模的蒙特卡罗粒子输运模拟计算，会遇到计算耗时长、不能根据任意给定相对湿度条件快速获得中子吸收剂量场分布的问题。
技术实现要素：5.本发明的目的是解决现有中子吸收剂量获取方法通常未考虑大气湿度对中子吸收剂量的影响，进而会影响获取瞬发中子吸收剂量场分布准确度，或者即便是考虑大气湿度对中子吸收剂量的影响，也存在耗时长、不能根据任意给定相对湿度条件快速获得中子吸收剂量场分布的不足之处，而提供一种考虑大气湿度影响的中子吸收剂量快速获取方法。
6.为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
7.一种考虑大气湿度影响的中子吸收剂量快速获取方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：
8.步骤(1)、在预设大气密度下，测量不同相对湿度所对应的湿空气水含量、湿空气
中多种核素组分的物性参数，并建立相对湿度、湿空气水含量、湿空气中多种核素组分的物性参数之间的对应关系表；
9.步骤(2)、根据步骤(1)所得对应关系表，建立基准相对湿度大气条件下的基准中子输运计算模型，通过粒子输运蒙特卡罗数值模拟方法，得到基准相对湿度大气条件下离源不同距离处的中子吸收剂量参数，作为基准数据；
10.步骤(3)、将基准相对湿度大气条件下的离源不同距离处的中子吸收剂量与质量距离，拟合得到基准相对湿度大气条件下的中子吸收剂量与距离的关系式；所述质量距离是指基准大气密度与距离的乘积；
11.步骤(4)、根据步骤(1)所得对应关系表，分别建立不同相对湿度条件下的中子输运计算模型，通过蒙特卡罗数值模拟方法，得到其对应的中子吸收剂量随距离变化的数据；
12.步骤(5)、将步骤(4)中得到的中子吸收剂量，除以步骤(2)中基准湿度条件下对应质量距离处的中子吸收剂量，得到不同质量距离处的不同相对湿度大气条件下与基准相对湿度大气条件下的中子吸收剂量之比，作为湿度修正系数；
13.步骤(6)、在不同质量距离上，对获得的湿度修正系数与湿空气水含量的关系进行数据拟合，得到不同质量距离下湿度修正系数与湿空气水含量的关系式；
14.步骤(7)、将所有不同质量距离下湿度修正系数与湿空气水含量的关系式中的斜率、截距与质量距离的关系进行数据拟合，得到斜率与质量距离的关系式、截距与质量距离的关系式；
15.步骤(8)、将步骤(7)中的斜率、截距的拟合式代入步骤(6)中，整合得到湿度修正系数与质量距离及湿空气水含量之间的普适关系式；
16.步骤(9)、根据实际湿度及大气密度应用条件，利用基准湿度条件下的中子吸收剂量基准数据，并由湿度修正系数与质量距离及空气水含量之间的关系式计算湿度修正系数，进而快速获取中子吸收剂量。
17.进一步地，步骤(3)中，所述中子吸收剂量与距离的关系式为：进一步地，步骤(3)中，所述中子吸收剂量与距离的关系式为：其中，d50(r)为距离r处的中子吸收剂量，r表示测点与源之间的距离，rm为测点与源之间的质量距离；kr和λ0为拟合系数。
18.进一步地，步骤(6)中，所述不同质量距离下湿度修正系数与湿空气水含量的关系式采用线性关系式：δd＝b
×wwater
+a；其中，δd为湿度修正系数，即不同湿度条件下的中子吸收剂量与基准湿度条件下的中子吸收剂量之比；w
water
为湿空气的水含量；b和a为拟合系数，分别为拟合关系式的斜率与截距。
19.进一步地，步骤(7)中，所述斜率与质量距离的关系式为：进一步地，步骤(7)中，所述斜率与质量距离的关系式为：其中，b1、b2、b3为拟合系数；
20.所述截距与质量距离的关系式为：其中，a1、a2、a3为拟合系数。
21.进一步地，步骤(2)和步骤(4)中，中子吸收剂量的计算模式采用环探测器法与注量转剂量模式。
22.进一步地，步骤(3)中，所述拟合采用分段拟合方式，以提高拟合精度。
23.进一步地，步骤(1)中，所述多种核素成分包括h、c、n、o、ar；所述物性参数为质量百分比。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.本发明一种考虑大气湿度影响的中子吸收剂量快速获取方法，利用基准湿度条件下的中子吸收剂量基准数据，并由湿度修正系数与质量距离及空气水含量之间的关系式获得湿度修正系数，实现了任意给定大气湿度条件下中子吸收剂量场的快速获取，解决了现有中子吸收剂量获取方法通常未考虑大气湿度对中子吸收剂量的影响，进而会影响获取瞬发中子吸收剂量场分布准确度的问题，以及现有中子吸收剂量获取方法在考虑大气湿度对中子吸收剂量的影响时，存在耗时长、不能根据任意给定相对湿度条件快速获得中子吸收剂量场分布的不足之处。
附图说明
26.图1为本发明一种考虑大气湿度影响的中子吸收剂量快速获取方法一个实施例的流程图；
27.图2为本发明实施例中基准中子输运计算模型和中子输运计算模型的示意图；
28.图3为本发明实施例中基准相对湿度大气条件下的中子吸收剂量随距离的变化示意图；
29.图4为本发明实施例中不同相对湿度条件下的中子吸收剂量随距离的变化示意图；
30.图5为本发明实施例中不同质量距离处的湿度修正系数随湿空气水含量的变化示意图；
31.图6为本发明实施例中r＝250m～1000m时，湿度修正系数与湿空气水含量的关系式拟合结果示意图；
32.图7为本发明实施例中r＝1250m～1750m时，湿度修正系数与湿空气水含量的关系式拟合结果示意图；
33.图8为本发明实施例中湿度修正系数拟合式中截距a与质量距离的关系式拟合结果示意图；
34.图9为本发明实施例中湿度修正系数拟合式中斜率b与质量距离的关系式拟合结果示意图。
具体实施方式
35.下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。
36.参照图1，一种考虑大气湿度影响的中子吸收剂量快速获取方法，包括如下步骤：
37.步骤(1)、在大气密度为1.225g/cm3条件下，测量不同相对湿度rh所对应的湿空气水含量w
water
、湿空气中多种核素成分的物性参数，并建立相对湿度、湿空气水含量、湿空气中多种核素组分的物性参数之间的对应关系表，如表1所示；所述多种核素成分包括h、c、n、o、ar；所述水含量、物性参数均为质量百分比；
38.表1(大气密度为1.225g/cm3)
[0039][0040][0041]
步骤(2)、根据步骤(1)所得对应关系表，建立基准相对湿度大气条件下的基准中子输运计算模型，通过粒子输运蒙特卡罗数值模拟方法，得到基准相对湿度大气条件下离源不同距离处的中子吸收剂量参数，作为基准数据；
[0042]
所述基准相对湿度设为50％，大气密度为1.225g/cm3；
[0043]
参照图2，所述基准中子输运计算模型包括中子源参数、50％相对湿度大气的成分参数，所述中子源参数包括中子数目与中子的能谱，中子源能谱可通过公开文献资料获取，本实施例中采用普通氢弹的中子能谱(王建国，等.高空核爆炸效应参数手册.北京：原子能出版社，2010.第81页)；相对湿度50％的大气的成分见步骤1中的表1所示；中子吸收剂量计算模式设置为环探测器法与注量转剂量记录模式；
[0044]
采用蒙特卡罗数值模拟程序mcnp程序进行中子输运计算(其中，mcnp是一种基于蒙特卡罗方法的能够模拟中子、光子、电子在物质中输运过程的计算程序，在文献《briesmeister j f，1997，mcnp-a general monte carlo n-particle transport code，ver.4b，new mexico：los alamos scientific laboratory，la-12625-m》中对mcnp的功能有详细介绍)，计算出离源不同距离处的中子吸收剂量如图3所示，由此得到基准相对湿度大气条件下的中子吸收剂量随距离的变化；
[0045]
步骤(3)、将基准相对湿度大气条件下的离源不同距离处的中子吸收剂量与质量距离，拟合得到基准湿度大气条件下的中子吸收剂量与距离的关系式；所述质量距离是指基准大气密度与距离的乘积；
[0046]
所述中子吸收剂量与距离的关系式为：
[0047]
其中，d
50
(r)为距离r处的中子吸收剂量，r表示测点与源之间的距离，rm为测点与源之间的质量距离；kr和λ0为拟合系数；
[0048]
为了提高拟合精度，分三段进行拟合，拟合得到的关系式如下：
[0049][0050]
步骤(4)、根据步骤(1)所得对应关系表，分别建立相对湿度分别为0％、5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％相对湿度条件下的中子输运计算模型，通过蒙特卡罗数值模拟方法，得到其对应的中子吸收剂量随距离变化的数据；
[0051]
参照图2，所述中子输运计算模型包括中子源参数、不同相对湿度大气的成分参数，中子源参数与步骤(1)一致，不同相对湿度大气的成分参数见表1；中子吸收剂量计算模式设置为环探测器法与注量转剂量模式；图4是计算出的不同相对湿度大气中的中子吸收剂量随距离的变化；
[0052]
步骤(5)、将步骤(4)中得到的中子吸收剂量，除以步骤(2)中基准湿度条件下对应质量距离处的中子吸收剂量，得到不同质量距离处的不同相对湿度大气条件下与基准相对湿度大气条件下的中子吸收剂量之比，作为湿度修正系数δd；
[0053]
步骤(6)、在不同质量距离下，对获得的湿度修正系数与湿空气水含量的关系进行数据拟合，得到不同质量距离下湿度修正系数与湿空气水含量的关系式；
[0054]
参照图5，湿度修正系数与湿空气水含量的关系式采用线性关系式：δd＝b
×wwater
+a；其中，δd为不同湿度条件下的中子吸收剂量与基准湿度条件下的中子吸收剂量之比；w
water
为湿空气的水含量；b和a为拟合系数，分别为拟合关系式的斜率与截距；
[0055]
不同质量距离下的湿度修正系数与湿空气水含量关系式中的斜率、截距如表2所示，不同质量距离下湿度修正系数与湿空气水含量的关系式拟合结果如图6、图7所示；
[0056]
表2
[0057]
[0058][0059]
步骤(7)、将所有不同质量距离下湿度修正系数与湿空气水含量的关系式中的斜率、截距与质量距离的关系进行数据拟合，得到湿度修正系数拟合式中拟合系数与质量距离的关系式，如图8、图9所示；
[0060]
斜率与质量距离的关系式为：其中，b1、b2、b3为拟合系数；
[0061]
截距与质量距离的关系式为：其中，a1、a2、a3为拟合系数；
[0062]
步骤(8)、将步骤(7)中的斜率、截距的拟合式代入步骤(6)中湿度修正系数与湿空气水含量的关系式，整合得到湿度修正系数δd与质量距离rm及湿空气水含量w
water
之间的普适关系式：
[0063][0064]
其中，rm为测点到源点之间的质量距离(单位为g/cm2)，w
water
为湿空气中水的质量百分比(单位为％)；
[0065]
步骤(9)、根据实际湿度及大气密度应用条件，利用基准湿度条件下的中子吸收剂量基准数据，并由湿度修正系数与质量距离及空气水含量之间的关系式计算湿度修正系数，进而快速获取出中子吸收剂量。
[0066]
在另一实施例中，大气密度为1.118g/cm3，需快速获取湿空气水含量分别为0.194％和1.164％时的中子吸收剂量，只需根据步骤(3)中的基准数据，以及由步骤(8)中拟合关系式计算的湿度修正系数，即可快速获取得到不同距离处的中子吸收剂量，结果见表3所示。其中mc值是指通过常规蒙特卡罗数值模拟方法计算给出的结果，此处作为比对验证的参考值。从表3的结果可见，本发明给出的快速获取结果与常规蒙特卡罗数值模拟结果的相对偏差在8％以内。
[0067]
表3(大气密度为1.118g/cm3)
[0068][0069][0070]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。
技术特征：1.一种考虑大气湿度影响的中子吸收剂量快速获取方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)、在预设大气密度下，测量不同相对湿度所对应的湿空气水含量、湿空气中多种核素组分的物性参数，并建立相对湿度、湿空气水含量、湿空气中多种核素组分的物性参数之间的对应关系表；步骤(2)、根据步骤(1)所得对应关系表，建立基准相对湿度大气条件下的基准中子输运计算模型，通过粒子输运蒙特卡罗数值模拟方法，得到基准相对湿度大气条件下离源不同距离处的中子吸收剂量参数，作为基准数据；步骤(3)、将基准相对湿度大气条件下的离源不同距离处的中子吸收剂量与质量距离，拟合得到基准相对湿度大气条件下的中子吸收剂量与距离的关系式；所述质量距离是指基准大气密度与距离的乘积；步骤(4)、根据步骤(1)所得对应关系表，分别建立不同相对湿度条件下的中子输运计算模型，通过蒙特卡罗数值模拟方法，得到其对应的中子吸收剂量随距离变化的数据；步骤(5)、将步骤(4)中得到的中子吸收剂量，除以步骤(2)中基准湿度条件下对应质量距离处的中子吸收剂量，得到不同质量距离处的不同相对湿度大气条件下与基准相对湿度大气条件下的中子吸收剂量之比，作为湿度修正系数；步骤(6)、在不同质量距离上，对获得的湿度修正系数与湿空气水含量的关系进行数据拟合，得到不同质量距离下湿度修正系数与湿空气水含量的关系式；步骤(7)、将所有不同质量距离下湿度修正系数与湿空气水含量的关系式中的斜率、截距与质量距离的关系进行数据拟合，得到斜率与质量距离的关系式、截距与质量距离的关系式；步骤(8)、将步骤(7)中的斜率、截距的拟合式代入步骤(6)中，整合得到湿度修正系数与质量距离及湿空气水含量之间的普适关系式；步骤(9)、根据实际湿度及大气密度应用条件，利用基准湿度条件下的中子吸收剂量基准数据，并由湿度修正系数与质量距离及空气水含量之间的关系式计算湿度修正系数，进而快速获取中子吸收剂量。2.根据权利要求1所述的一种考虑大气湿度影响的中子吸收剂量快速获取方法，其特征在于：步骤(3)中，所述中子吸收剂量与距离的关系式为：步骤(3)中，所述中子吸收剂量与距离的关系式为：其中，d
50
(r)为距离r处的中子吸收剂量，r表示测点与源之间的距离，r
m
为测点与源之间的质量距离；k
r
和λ0为拟合系数。3.根据权利要求2所述的一种考虑大气湿度影响的中子吸收剂量快速获取方法，其特征在于：步骤(6)中，所述不同质量距离下湿度修正系数与湿空气水含量的关系式采用线性关系式：δ
d
＝b
×
w
water
+a；其中，δ
d
为湿度修正系数，即不同湿度条件下的中子吸收剂量与基准湿度条件下的中子吸收剂量之比；w
water
为湿空气的水含量；b和a为拟合系数，分别为拟合关系式的斜率与截距。4.根据权利要求3所述的一种考虑大气湿度影响的中子吸收剂量快速获取方法，其特征在于：
步骤(7)中，所述斜率与质量距离的关系式为：其中，b1、b2、b3为拟合系数；所述截距与质量距离的关系式为：其中，a1、a2、a3为拟合系数。5.根据权利要求4所述的一种考虑大气湿度影响的中子吸收剂量快速获取方法，其特征在于：步骤(2)和步骤(4)中，中子吸收剂量的计算模式采用环探测器法与注量转剂量模式。6.根据权利要求5所述的一种考虑大气湿度影响的中子吸收剂量快速获取方法，其特征在于：步骤(3)中，所述拟合采用分段拟合方式。7.根据权利要求1至6任一所述的一种考虑大气湿度影响的中子吸收剂量快速获取方法，其特征在于：步骤(1)中，所述多种核素成分包括h、c、n、o、ar；所述物性参数为质量百分比。
技术总结本发明涉及一种中子吸收剂量快速获取方法，具体涉及一种基于蒙特卡罗模拟数据的考虑大气湿度影响的中子吸收剂量快速获取方法，用于解决现有中子吸收剂量获取方法通常未考虑大气湿度对中子吸收剂量的影响，进而会影响获取瞬发中子吸收剂量场分布准确度，或者即便是考虑大气湿度对中子吸收剂量的影响，也存在耗时长、不能根据任意给定相对湿度条件快速获得中子吸收剂量场分布的不足之处。该考虑大气湿度影响的中子吸收剂量快速获取方法利用基准湿度条件下的中子吸收剂量基准数据，并由湿度修正系数与质量距离及空气水含量之间的关系式获得湿度修正系数，实现了任意给定大气湿度条件下中子吸收剂量场的快速获取。条件下中子吸收剂量场的快速获取。条件下中子吸收剂量场的快速获取。
技术研发人员：左应红 牛胜利 朱金辉 刘利 伏琰军
受保护的技术使用者：西北核技术研究所
技术研发日：2022.03.28
技术公布日：2022/7/5
