一种用于混凝土X射线检测的辐射屏蔽罩设计方法与流程

本发明涉及辐射屏蔽，特别涉及一种用于混凝土x射线检测的辐射屏蔽罩设计方法。

背景技术：

1、混凝土x射线检测是评估桥梁、电杆等结构内部钢筋、孔洞及裂缝状态的关键手段，实际检测常涉及多角度、多参数的大量曝光工况。

2、然而，现有屏蔽罩设计多按单一最大工况确定厚度，未考虑不同工况下射线源位置、照射方向及曝光次数的累积效应，导致局部泄漏风险被低估或整体设计过度冗余。为降低辐射泄漏，现有技术还通过采用铅板、钨复合板等材料构建模块化屏蔽罩，并通过板材搭接、错缝及接缝覆盖层减弱接缝处射线穿透，安装后再以现场剂量测量验证效果。但屏蔽模块的接缝位置、功能开口布局均未与实际多工况射线传播路径进行关联设计，接缝与开口可能恰好位于高风险路径上甚至形成连续低屏蔽通道，造成屏蔽效果差的问题。这一问题的解决正是本技术通过构建射线路径图、计算累计泄漏风险并生成接缝拓扑约束与开口布置限制的核心所在。

技术实现思路

1、针对现有技术中屏蔽模块的接缝位置、功能开口布局均未与实际多工况射线传播路径进行关联设计，接缝与开口可能恰好位于高风险路径上甚至形成连续低屏蔽通道，造成屏蔽效果差的问题，本发明提供了一种用于混凝土x射线检测的辐射屏蔽罩设计方法，能够使接缝和开口精准避让或屏蔽高风险通道，有效阻断连续低屏蔽泄漏路径，显著提升屏蔽可靠性。具体技术方案如下：

2、本技术提供一种用于混凝土x射线检测的辐射屏蔽罩设计方法，包括以下步骤：

3、获取待检测混凝土结构及x射线检测任务的相关参数，建立包括若干曝光工况及候选屏蔽结构的基础模型；

4、比较任意两个曝光工况的主射线方向、混凝土受照区域、屏蔽罩受照区域、关联剂量评价点及功能开口状态，计算综合关联度；

5、根据所述综合关联度将曝光工况划分为若干个曝光任务组，并对每个所述曝光任务组建立对应的屏蔽罩工作状态；

6、根据每个所述曝光任务组和对应的屏蔽罩工作状态，建立射线路径图；所述射线路径图将x射线源、混凝土散射单元、屏蔽区域、接缝、功能开口及剂量评价点作为节点，并通过射线传播关系进行连接；

7、根据所述射线路径图，计算每条独立传播路径的综合透射率以及屏蔽后剂量率，并结合预设的不确定性工况，得到全部曝光工况形成屏蔽罩各位置的累计泄漏风险，并根据所述累计泄漏风险生成接缝拓扑约束和功能开口的布置限制；

8、根据所述累计泄漏风险和布置限制，确定屏蔽模块边界并满足质量约束，确定接缝安装状态参数及其实际透射能力，对功能开口采用折返或错位式屏蔽路径并设置可拆卸屏蔽盖板，得到辐射屏蔽罩产品结构。

9、优选的，所述建立包括若干曝光工况及候选屏蔽结构的基础模型，具体包括：

10、将每一次预定曝光定义为一个曝光工况：

11、

12、其中，为x射线源位置；为探测器位置；为管电压；为管电流；为单次曝光时间；为重复曝光次数；为主射线束轴线方向；为准直器开口参数；为混凝土受照区域；

13、在统一三维坐标系中建立屏蔽罩候选结构模型，所述屏蔽罩候选结构模型包括源侧屏蔽区域、接收侧屏蔽区域、局部加强候选区域、模块候选边界、功能开口候选区域以及剂量评价点。

14、优选的，所述综合关联度计算公式为：

15、

16、其中，为两个曝光工况之间的综合关联度；为主射线方向关联度；为混凝土受照区域关联度；为屏蔽罩包络面关联区域关联度；为剂量评价点关联度；为功能开口状态关联度；、、、和为对应权重，权重之和为1。

17、优选的，所述根据所述综合关联度将曝光工况划分为若干个曝光任务组，具体包括：

18、当两个曝光工况的综合关联度达到设定要求，并且不存在功能开口状态冲突时，将二者划分至同一曝光任务组。

19、优选的，所述屏蔽罩工作状态包括屏蔽区域、局部加强区域、功能开口封闭状态以及接缝覆盖状态。

20、优选的，所述根据每个所述曝光任务组和对应的屏蔽罩工作状态，建立射线路径图，具体包括：

21、获取每个所述曝光任务组对应的混凝土结构模型、x射线源参数、屏蔽罩候选区域以及所述屏蔽罩工作状态，并在统一三维坐标系中确定各节点的空间位置；

22、针对每个所述曝光任务组中的每个曝光工况，分别建立主射线传播路径、混凝土散射线传播路径和泄漏射线传播路径；

23、以x射线源、混凝土散射单元、屏蔽区域、屏蔽接缝、功能开口及剂量评价点作为节点，以各射线传播路径作为有向路径边，构建射线路径图。

24、优选的，所述计算屏蔽罩各位置的累计泄漏风险，具体包括：

25、针对每条射线路径，当射线路径连续经过屏蔽材料、接缝及功能开口时，按照串联透射关系计算射线路径的综合透射率，综合透射率表示为：

26、

27、式中，为第个曝光工况下第条独立传播路径至第个剂量评价点的综合透射率；为独立传播路径；为路径边；为路径边的透射率；

28、根据所述综合透射率及各射线路径对应的未屏蔽剂量率贡献，分别计算各条射线路径到达相应剂量评价点的屏蔽后剂量率：

29、

30、式中，为屏蔽后剂量率；为独立传播路径数量；为第条独立传播路径的未屏蔽剂量率贡献；

31、根据屏蔽后剂量率、各曝光工况的曝光时间、重复曝光次数以及预设的不同不确定性工况，计算累计泄漏风险：

32、

33、

34、式中，为风险评价对象的累计泄漏风险值；为不确定性工况集合；为不确定性工况；为风险评价对象在不确定性工况下的任务累计剂量；为对应重复曝光次数；为对应单次曝光时间。

35、优选的，根据所述累计泄漏风险生成接缝拓扑约束和功能开口的布置限制包括：

36、根据所述累计泄漏风险将屏蔽罩候选结构划分为普通屏蔽区域、加强屏蔽区域、接缝禁布区域、重点接缝区域和功能开口限制区域；

37、其中，所述接缝禁布区域为禁止设置模块边界及普通接缝的区域；所述重点接缝区域为采用搭接、错缝或附加覆盖件的接缝区域；所述功能开口限制区域为不设置直通式功能开口或采用折返屏蔽结构的区域。

38、优选的，所述确定屏蔽模块边界并满足质量约束，具体包括：

39、每个屏蔽区域选择一种候选屏蔽配置：

40、

41、式中，为屏蔽分区单元对应的候选屏蔽配置数量；

42、单个屏蔽模块质量按照以下方式确定：

43、

44、

45、式中，为第个屏蔽模块的质量；为第个屏蔽模块承力结构的质量；为第个屏蔽模块包含的屏蔽分区单元集合；为屏蔽分区单元的面积；为候选屏蔽配置的材料层数；为第层材料的密度；为第层材料的厚度；为材料层编号；为单个屏蔽模块允许的最大质量。

46、优选的，所述确定接缝安装状态参数及其实际透射能力，具体包括;

47、每条接缝的安装状态参数表示为：

48、

49、式中，为第条接缝的安装状态向量；为板间实际间隙；为相邻屏蔽板的实际错位量；为实际搭接长度；为接缝延伸方向；为接缝覆盖件姿态；为接缝编号;

50、接缝的实际透射能力按照以下方式确定：

51、

52、式中，为路径边经过第条接缝时的等效透射率；为接缝透射函数；为路径边对应的管电压；为路径边的入射角；为接缝区域的材料结构。

53、优选的，本发明的用于混凝土x射线检测的辐射屏蔽罩设计方法，还包括：

54、根据屏蔽罩产品结构重新计算各剂量评价点的屏蔽后剂量并进行校核，若未满足预设的允许剂量要求，则调整屏蔽产品结构的设计参数；

55、屏蔽罩实际安装完成后，测量实际安装状态参数及现场剂量，计算现场实测剂量与按照实际安装状态计算得到的剂量之间的剂量残差；

56、根据所述剂量残差出现的位置和空间分布判断误差来源，将修正量更新至对应的设计参数并重新执行设计校核，直至满足屏蔽设计要求。

57、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

58、本发明的用于混凝土x射线检测的辐射屏蔽罩设计方法通过获取全部曝光工况并构建射线路径图，使每条主射线、散射线及泄漏射线的空间传播轨迹与屏蔽罩各部位精准对应，明确哪些区域受照强度高、哪些路径穿透风险大。基于累计泄漏风险分布生成接缝拓扑约束与功能开口布置限制：高风险区域划为接缝禁布区，强制模块边界绕行；必须设置的开口采用折返式屏蔽通道，避免直通；接缝延伸方向避开主射线入射方向，多层屏蔽内外层接缝错位布置，且接缝与开口之间保持安全距离，防止形成连续低屏蔽泄漏路径。由此，接缝和开口的布局不再独立于射线路径之外，而是根据实际辐射场分布进行主动规避和定向加强，从根本上解决了接缝与开口位于高风险路径或串联成低屏蔽通道的问题，使屏蔽罩的薄弱环节得到有效管控。