慢化体设计获取方法、装置、设备和介质

文档序号:191155 发布日期:2021-11-02 浏览:39次 >En<

阅读说明:本技术 慢化体设计获取方法、装置、设备和介质 (Method, apparatus, device and medium for acquiring moderator design ) 是由 杨祎罡 张智 李玉兰 李元景 于 2021-07-12 设计创作,主要内容包括:本公开提供了一种慢化体设计获取方法、装置、设备和介质。其中,该方法包括:通过TRM方法获取对应初始慢化体种群的出射能谱;利用遗传目标函数针对出射能谱进行初始慢化体种群的每个初始慢化体设计的打分排序;以及对打分排序后的慢化体设计进行交叉变异以生成目标慢化体种群,其中目标慢化体种群包含多个目标慢化体设计。因此,相对于现有技术慢化体设计过程中的耗时长且缺乏全局遍历性的问题,实现了利用TRM方法的特征矩阵运算代替传统蒙特卡罗模拟的中子输运过程,节约了大量处理时间,同时采用遗传算法与TRM方法相结合,兼顾了运算时间与全局性遍历,能够实现针对BNCT一维平板慢化体以及其他慢中子应用场景下的慢化体设计的获取。(The present disclosure provides a moderator design acquisition method, apparatus, device, and medium. Wherein, the method comprises the following steps: acquiring an emergent energy spectrum corresponding to the initial moderator population by a TRM method; performing scoring ordering of each initial moderator design of the initial moderator population by using a genetic objective function aiming at the emergent energy spectrum; and performing cross variation on the scored and sorted moderator designs to generate a target moderator population, wherein the target moderator population comprises a plurality of target moderator designs. Therefore, compared with the problems of long time consumption and lack of global ergodicity in the design process of the slowing-down body in the prior art, the neutron transport process of the traditional Monte Carlo simulation is replaced by the characteristic matrix operation of the TRM method, a large amount of processing time is saved, meanwhile, the genetic algorithm and the TRM method are combined, the operation time and the global ergodicity are considered, and the design of the slowing-down body under the BNCT one-dimensional flat-plate slowing-down body and other slow neutrons application scenes can be obtained.)

慢化体设计获取方法、装置、设备和介质

技术领域

本公开涉及计算机技术领域,尤其涉及一种慢化体设计获取方法、装置、设备和介质。

背景技术

当前,硼中子俘获治疗(Boron Neutron Capture Therapy,简称BNCT)是中子作为医疗领域的热门研究方向之一,主要通过向人体注射含硼药物,使得含硼药物富集在肿瘤细胞内,由于10B具有较高的热中子吸收截面[email protected],肿瘤细胞内的10B原子俘获能量较低的热中子,释放出两种高LET的粒子:7Li和α粒子。其中,释放出的7Li和α粒子在细胞内的总射程约为10μm,小于一个细胞的平均尺度,能量几乎全部沉积在肿瘤细胞内,使得周围的健康细胞可以避免由于积累更高硼浓度的肿瘤细胞中发生的中子俘获反应而造成的辐射损伤,从而实现杀死肿瘤细胞却又可以不伤害相邻的健康细胞。实现硼中子俘获治疗的关键因素主要有两个:含硼药物和中子源。其中,为满足BNCT关于中子束流的要求,依据国际原子能组织给出的中子束流标准,且由于核反应直接产生的中子多为能量在MeV量级的快中子,需要使得中子慢化并减速到感兴趣的可应用能区。其中,在中子慢化的过程中,慢化体起到了重要的能谱调制作用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决现有技术中慢化体设计所存在的问题至少之一,本公开提供了一种慢化体设计获取方法、慢化体设计获取装置、设备和介质。

(二)技术方案

本公开的一个方面提供了一种慢化体设计获取方法,其中,包括:通过TRM方法获取对应初始慢化体种群的出射能谱;利用遗传目标函数针对出射能谱进行初始慢化体种群的每个初始慢化体设计的打分排序;以及对打分排序后的慢化体设计进行交叉变异以生成目标慢化体种群,其中目标慢化体种群包含多个目标慢化体设计。

根据本公开的实施例,在通过TRM方法获取对应初始慢化体种群的出射能谱之前,还包括:生成初始慢化体种群,初始慢化体种群包含多个不同的初始慢化体设计。

根据本公开的实施例,在通过TRM方法获取对应初始慢化体种群的出射能谱中,包括:通过响应矩阵运算获取初始慢化体种群的材料矩阵;针对初始慢化体种群的输入能谱,利用材料矩阵获得出射能谱。

根据本公开的实施例,在利用遗传目标函数针对出射能谱进行初始慢化体种群的每个初始慢化体设计的打分排序中,包括:利用遗传目标函数对每个初始慢化体设计的出射能谱进行打分,以生成对应每个初始慢化体设计的能谱分值;依据能谱分值的大小,对初始慢化体种群的初始慢化体设计进行排序,以生成排序慢化体种群;以及对排序慢化体种群进行排序筛选,以确定保留慢化体种群。

根据本公开的实施例,在对打分排序后的慢化体设计进行交叉变异以生成目标慢化体种群中,包括:利用轮盘赌的方式根据保留慢化体种群的每个慢化体设计的能谱分值确定父代慢化体设计;对父代慢化体设计进行交叉变异处理以生成目标慢化体种群。

根据本公开的实施例,该方法还包括:判断目标慢化体种群与初始慢化体种群中的慢化体设计的数量一致性;根据数量一致性将初始慢化体种群更新为目标慢化体种群。

根据本公开的实施例,该方法还包括:根据数量一致性对目标慢化体种群的慢化体设计进行交叉变异。

本公开的另一方面提供了一种慢化体设计获取装置,其中,包括能谱获取模块、打分排序模块和交叉变异模块。能谱获取模块用于通过TRM方法获取对应初始慢化体种群的出射能谱;打分排序模块用于利用遗传目标函数针对出射能谱进行初始慢化体种群的每个初始慢化体设计的打分排序;以及交叉变异模块用于对打分排序后的慢化体设计进行交叉变异以生成目标慢化体种群,其中目标慢化体种群包含多个目标慢化体设计。

本公开的另一方面提供了一种电子设备,包括一个或多个处理器和存储器;存储器用于存储一个或多个程序,其中,当上述一个或多个程序被上述一个或多个处理器执行时,使得上述一个或多个处理器实现本公开实施例的方法。

本公开的另一方面提供了一种计算机可读存储介质,存储有计算机可执行指令,上述指令在被执行时用于实现本公开实施例的方法。

本公开的另一方面提供了一种计算机程序,上述计算机程序包括计算机可执行指令,上述指令在被执行时用于实现本公开实施例的方法。

(三)有益效果

本公开提供了一种慢化体设计获取方法、装置、设备和介质。其中,该方法包括:通过TRM方法获取对应初始慢化体种群的出射能谱;利用遗传目标函数针对出射能谱进行初始慢化体种群的每个初始慢化体设计的打分排序;以及对打分排序后的慢化体设计进行交叉变异以生成目标慢化体种群,其中目标慢化体种群包含多个目标慢化体设计。因此,相对于现有技术慢化体设计过程中的耗时长且缺乏全局遍历性的问题,实现了利用TRM方法的特征矩阵运算代替传统蒙特卡罗模拟的中子输运过程,节约了大量处理时间,同时采用遗传算法与TRM方法相结合,兼顾了运算时间与全局性遍历,能够实现针对BNCT一维平板慢化体以及其他慢中子应用场景下的慢化体设计的获取。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例的慢化体设计获取方法的一流程图;

图2示意性示出了根据本公开实施例的慢化体设计获取方法的另一流程图;

图3示意性示出了根据本公开实施例的利用TRM方法进行中子出射能谱估计的一原理图;

图4示意性示出了根据本公开实施例的利用TRM方法进行中子出射能谱估计的另一原理图;

图5示意性示出了根据本公开实施例的交叉变异获取子代过程的原理图;

图6示意性示出了根据本公开实施例的慢化体设计获取装置的组成图;以及

图7示意性示出了根据本公开实施例的可以应用上述慢化体设计获取方法的电子设备的架构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。

需要说明的是,在附图或说明书正文中,未绘示或描述的实现方式,均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式,并未进行详细说明。此外,上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式,本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是,实施例中提到的方向用语,例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等,仅是参考附图的方向,并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图,相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时,将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例,而仅示意本公开实施例的内容。另外,在权利要求中,不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者,单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词,以修饰相应的元件,其本身并不意味着该元件有任何的序数,也不代表某一元件与另一元件的顺序或是制造方法上的顺序,这些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

本领域那些技术人员可以理解,可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把他们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件,以及此外可以把他们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外,可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述,本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的代替特征来代替。并且,在列举了若干装置的单元权利要求中,这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地,应当理解,为了精简本公开并帮助理解各个公开方面的一个或多个,在上面对本公开的示例性实施例的描述中,本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而,并不应将该公开的方法解释成反映如下意图:即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说,如下面的权利要求书所反映的那样,公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此,遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式,其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

现有的慢化体设计获取方法主要是依据先验知识,确定要使用的慢化材料(比如聚乙烯等),估计慢化体厚度尺寸,然后建模,进行蒙特卡罗模拟分析,选出“最有利”的情况下的慢化体设计。简言之,现有技术中的慢化体设计就是在经验设计的基础上,在局部进行参数扫描,选出有限个体中的最优值。

因此,传统慢化体设计获取过程中存在的问题主要在于两方面:

(1)耗时长。对于蒙卡模拟而言,所得结果的统计误差与粒子计数相关,也就是统计误差遵循1/N1/2定律,在强屏蔽深穿透等场景中,不考虑减方差技术的条件下,为了获得的结果有较小的统计误差,就必须增加初始入射粒子数,即增加模拟时间。

(2)缺乏全局遍历性。由于本身模拟计算的耗时性,进行整个参数空间(由慢化材料种类、排列顺序,慢化体厚度、形状等构成的参数空间)内的全局搜索也是不现实的。

为解决现有技术中应用于BNCT的慢化体设计所存在的问题至少之一,如慢化体设计过程中的耗时以及缺乏全局遍历性问题等至少之一,本公开提供了一种慢化体设计获取方法、装置、设备和介质,提供一种可以快速预测慢化体结构及中子出射能谱的技术方案。

本公开的一个方面提供了一种慢化体设计获取方法,其中,包括步骤S101-S103。

在步骤S101中,通过TRM方法获取对应初始慢化体种群的出射能谱;

在步骤S102中,利用遗传目标函数针对出射能谱进行初始慢化体种群的每个初始慢化体设计的打分排序;以及

在步骤S103中,对打分排序后的慢化体设计进行交叉变异以生成目标慢化体种群,其中目标慢化体种群包含多个目标慢化体设计。

初始慢化体种群中包括多个初始慢化体设计,是由多个未经筛选处理的原始慢化体设计数据构成的数据集合。目标慢化体种群中则包括对应的多个目标慢化体设计,是由多个经过上述步骤S101-S103的方法筛选之后形成的最终慢化体设计数据构成的数据集合。

透射反射矩阵(Transmission and Reflection Matrices,简称TRM)方法,是一种基于蒙特卡罗模拟计算和中子慢化体响应矩阵(即透射矩阵T和反射矩阵R)的出射中子能谱估计方法,主要利用蒙特卡罗模拟计算不同能量、入射方向的单能中子经过不同材料的平板慢化体后的响应矩阵,再通过矩阵运算代替中子在慢化体中的输运过程,从而对慢化体调制后的中子能谱进行估计。

其中,在上述的响应矩阵中的每一行都是某固定能量和角度入射的单位中子源经过一层慢化材料后的透射中子或者反射中子的能量以及角度分布。如下面所示的行向量:

其中,能量E的上标“out”和“in”分别代表输入和输出;能量E和方向Dir下角标的数字代表第几个能量间隔和方向间隔,Ebin和Dirbin代表能量和角度方向的划分间隔数量。此外,行向量的下角标表示入射中子的信息,入射中子遍历所有的能量和方向间隔,即可得到Ebin×Dirbin个行向量,与行向量的元素个数相同,将行向量拼接,即可得到方阵T或R。

基于上述内容,TRM方法具有以下的特点:(1)慢化体响应矩阵的计算可以做成数据库,达到“一劳永逸”的效果;(2)通过响应矩阵的运算可以代替中子在慢化体中的输运过程,节省运算时间;(3)可以灵活适应不同的输入中子能谱以及输出中子能谱需求。也即,上述TRM方法可以有效解决传统蒙特卡罗模拟计算耗时的问题。

为遍历整个慢化体参数空间,进一步减少计算次数,使得总的计算成本更小,以找到全局最优解,在本公开的实施例中,将遗传算法与TRM方法相结合构成一GAM方法,即Genetic Algorithm with Matrices方法,并将该GAM方法应用在如BNCT等慢化体设计中。

具体地,通过遗传算法可以随机选取原始慢化体设计个体组成初始慢化体设计种群,利用打分函数等遗传目标函数对个体打分,按照得分的多少进行排序,优胜劣汰,经过多次迭代,可以使得个体逐渐收敛到同种设计。在慢化体设计中遗传目标函数是由出射中子能谱(即前述的出射能谱)中的感兴趣的参数,比如注量率、时间等组成,对每种慢化体设计的出射中子能谱的估计由TRM方法完成,从而避免了每次迭代都需要重新生成蒙特卡罗输入文件进行粒子模拟的情况。因此,通过上述GAM方法可以使得慢化体设计的获取过程不仅在计算速度上有所提高,也可以更好地实现寻找全局最优解。

最后,对经过上述打分排序之后的慢化体设计进行交叉变异处理,则使得生成的目标慢化体种群可以包含多个所需的慢化体设计,即目标慢化体设计。其中,在遗传算法中,交叉(Crossover)一般为基于二进制编码进行父代和母代交换各自部分数据,以形成新个体的数据处理方法;变异(Mutation)一般为在基于一定变异概率的情况下产生新个体的数据处理方法。

因此,相对于现有技术慢化体设计过程中的耗时长且缺乏全局遍历性的问题,实现了利用TRM方法的特征矩阵运算代替传统蒙特卡罗模拟的中子输运过程,节约了大量处理时间,同时采用遗传算法与TRM方法相结合,兼顾了运算时间与全局性遍历,能够实现针对BNCT一维平板慢化体以及其他慢中子应用场景下的慢化体设计的获取。

如图1和图2所示,根据本公开的实施例,在步骤S101通过TRM方法获取对应初始慢化体种群的出射能谱之前,还包括:

生成初始慢化体种群,初始慢化体种群包含多个不同的初始慢化体设计。

通过慢化体材料、厚度等参数构成初始慢化体设计,多个不同初始慢化体设计的集合形成初始慢化体种群,具体参照如图2所示步骤S201。

如图1和图2所示,根据本公开的实施例,在步骤S101通过TRM方法获取对应初始慢化体种群的出射能谱中,包括:

通过响应矩阵运算获取初始慢化体种群的材料矩阵;

针对初始慢化体种群的输入能谱,利用材料矩阵获得出射能谱。

对于任何已知的输入能谱Si,通过响应矩阵运算可得到(n+1)层慢化体的材料矩阵,如透射矩阵Tn+1以及反射矩阵Rn+1,具体如下:

其中,如图3和图4所示,对于n层的慢化体(对应透射矩阵Tn)和第n+1层的慢化体(对应透射矩阵Tn+1)存在中子出射过程中被第n层慢化体反射的情况,不同反射次数,决定其不同的透射矩阵Tn+1。同理,对于对于n层的慢化体(对应反射矩阵Rn)和第n+1层的慢化体(对应反射矩阵Rn+1)存在中子出射过程中被第n层慢化体反射的情况,不同反射次数,决定其不同的反射矩阵Rn+1

依据上述公式(1)和(2),通过响应矩阵运算针对上述的输入能谱Si,进一步通过TRM方法可以利用材料矩阵相乘,获得对应初始慢化体种群的出射能谱Sp,具体如下:

Sp=Si·Tn+1 (3)

基于上述数据处理的方案,与现有技术中的蒙特卡罗模拟计算方法相比,本公开实施例的TRM方法可以加快单个慢化体设计的出射能谱的获取,节约运算时间。具体地,经实验表明,在达到相同统计误差的情况下,现有技术中的蒙特卡罗模拟方法在采用栅元权重卡以及能量分裂卡减方差的情况下,计算60厘米厚度的慢化体的中子输运达到约0.2%的统计误差需要240分钟,而本公开实施例的TRM方法的上述响应矩阵的运算处理方法只需要30秒,节省了约480倍的时间消耗,这实际上已经超出了本领域技术人员的预期,属于本领域中极大的技术进步。另外,相对于蒙特卡罗模拟计算而言,由于其每次计算都需要重新建模,需要大量的入射中子以降低模拟带来的统计误差,而本公开实施例的TRM方法只需要提前准备好的中子通过不同材料的透射矩阵和反射矩阵的数据库,在计算数据库时尽可能减小统计误差,每次计算只需要矩阵的运算即可实现对中子出射能谱的估计。因此,本公开实施例的上述方法可以极大地减少耗时。

如图1和图2所示,根据本公开的实施例,在步骤S102利用遗传目标函数针对出射能谱进行初始慢化体种群的每个初始慢化体设计的打分排序中,包括:

利用遗传目标函数对每个初始慢化体设计的出射能谱进行打分,以生成对应每个初始慢化体设计的能谱分值;

依据能谱分值的大小,对初始慢化体种群的初始慢化体设计进行排序,以生成排序慢化体种群;以及

对排序慢化体种群进行排序筛选,以确定保留慢化体种群。

对于随机获取的初始慢化体种群中的每个慢化体设计,在针对性的获取了上述出射能谱之后,可以针对该出射能谱对该每个初始慢化体设计执行打分操作,具体的打分操作可以是基于遗传算法的遗传目标函数,为一种打分函数,具体不作限制。通过上述遗传目标函数,可以实现对上述每个初始慢化体设计的出射能谱确定能谱分值,能谱分值可以用于反映对应一慢化体设计的出射能谱的质量。

依据上述能谱分值的大小关系,对上述具有出射能谱的初始慢化体设计进行排序,以生成排序之后的排序慢化体种群。

最后,对排序慢化体种群中的具体慢化体设计进行筛选,优胜劣汰,如表现优异的能谱分值大小处于种群前5%的慢化体设计可以直接被保留到下一代,形成保留慢化体种群。以上具体可以参照如图2所示步骤S202-S203,在此不作赘述。其中,上述GAM方法中的打分函数实际上是针对TRM方法估计出的出射能谱中的某些感兴趣参数进行提取。

可见,遗传算法的加入使得本公开实施例的GAM方法具备寻找全局最优解的能力,因此可以更好地解决前述慢化体优化过程中遇到的耗时以及缺乏全局性的问题。

如图1和图2所示,根据本公开的实施例,在步骤S103对打分排序后的慢化体设计进行交叉变异以生成目标慢化体种群中,包括:

利用轮盘赌的方式根据保留慢化体种群的每个慢化体设计的能谱分值确定父代慢化体设计;

对父代慢化体设计进行交叉变异处理以生成目标慢化体种群。

针对上述打分排序并筛选获取的保留慢化体种群,可以进一步通过轮盘赌的方式对其中每个慢化体设计进行能谱分值的分析,以确定父代慢化体设计,如图2所示步骤S204。

对于所获取的父代慢化体设计,可以通过如图5所示的交叉变异的处理过程,以形成不同的后代慢化体设计,多个不同的后代慢化体设计(也可以称之为子代慢化体)构成新的慢化体设计种群,即目标慢化体种群,具体参照如图2所示步骤S205-S206。也即,将表现优异的父代个体之间的交叉变异产生的子代慢化体设计组成新的目标慢化体种群,重复迭代计算,直到收敛。

具体地,例如针对BNCT慢化体的设计,如图2所示,采用GAM方法进行设计:

首先,随机生成50个长度为60的行向量的慢化体个体,组成的初始慢化体设计种群。其中,行向量中的每个数据代表厚度1cm的一维平板慢化体,每个数据大小代表材料的编号,以对应每种材料,如图2所示步骤S201。之后,对每种慢化体利用TRM方法通过上述公式(1)~(3)估计出射能谱Sp,将TRM方法计算出的结果根据预设的遗传目标函数进行打分,如图2所示步骤S202。然后,对于得分高的慢化体设计而言,将更可能留下来或者成为父代,通过遗传变异产生新的慢化体,组成新的种群,,如图2所示步骤S203-S206。最后,对此进行迭代直到收敛。

如前述所言,要求出射中子束的超热中子注量率φepi≥5×108n/cm2/s,超热中子注量率高可以降低病人治疗时间,减少其他非必要计量照射的风险;同时,由于快中子以及光子不能通过10B分辨出肿瘤和健康细胞,且会增加病人杀死肿瘤细胞的额外,因此,这也对快中子剂量率Dfast以及光子剂量率Dγ提出了如下要求:

φepi/Dfast≤2×10-13Gy·n/cm2 (4)

φepi/Dγ≤2×10-13Gy·n/cm2 (5)

为满足上述公式(4)、(5),在本公开实施例的上述GAM方法中,考虑设置的目标打分函数中应包含上述相关的三个感兴趣参数,具体形式如下:

其中,xi(i=1,2,3)分别为φepi0、(φepi/Dfast)/(φ0/Dfast0)以及(φepi/Dγ)/(φ0/Dγ0);φ0、Dfast0以及Dγ0分别为预设的超热中子注量率以及快中子和伽马光子注量率标准(如国际原子能机构IAEA所推荐的标准参数);g(xi)为GAM方法中的打分函数,f(xi)为关于xi的函数,k为阶跃截距。

因此,如上述公式(7)可见,当待优化指标小于目标值(xi<1)时,优化斜率为a;当待优化指标大于等于目标值(xi≥1)时,优化斜率为b。其中,加入了阶跃截距k,使得已经优化的参数不会滑落到xi<1的区域,达到“相位保持”的效果。对于斜率的设置可以将三个参数分为两类:(1)快中子和光子剂量率是降低到IAEA标准以下即可,也就是达标就可以的参数,那么当x2,x3≥1时,阶跃保持之后的斜率可以降低,比如减小为原来的1%,即b=a×1%;(2)超热中子注量率越大越好,因此在x1≥1后,除了阶跃保护阶段性胜利成果外,还需要有较大的优化斜率,比如保持b=a。

本公开实施例的GAM方法的输入可以选取为25MeV的光中子源直接产生的未经慢化中子能谱,经过迭代,通过上述GAM优化后的每kW产生的超热中子注量率为3.04×107n/cm2/s,比现有技术中的结果提高了约80%,快中子以及光子剂量率也都达到了标准,这实际上也极大地超出了本领域技术人员的预期,属于本领域公认的重大进步。此外,为了达到IAEA推荐的BNCT治疗的超热中子注量率,现有技术中使用的光中子源的功率需要达到59kW,而本公开实施例的基于GAM设计的光中子源功率只需要33kW,即可达到同样的超热中子注量率,进一步减轻了电子靶的散热问题负担,还体现出GAM方法优化问题的全局性,可以得到更优的结果。

如图2所示,根据本公开的实施例,该方法还包括:

判断目标慢化体种群与初始慢化体种群中的慢化体设计的数量一致性;

根据数量一致性将初始慢化体种群更新为目标慢化体种群。

根据本公开的实施例,该方法还包括:

根据数量一致性对目标慢化体种群的慢化体设计进行交叉变异。

对目标慢化体种群中的慢化体设计的数量和初始慢化体种群中的慢化体设计数量作对比,当二者数量一致时,则确定目标慢化体种群即为本公开实施例的方法所最终获取的结果,将当前种群的初始慢化体种群替换为目标慢化体种群,如图2所示步骤S207-S208。反之,当二者数量不一致时,则说明目标慢化体种群尚未完成迭代,需要进一步重复迭代计算,循环执行交叉变异操作直到收敛,如图2所示步骤S207-S206。

对于不同的输入,本公开实施例的GAM方法同样可以适应。特征矩阵的计算是通过单位源模拟得到的,那么不同的单位源只需要获得未经慢化的中子能谱,根据上述公式(1)、(2)的TRM方法进行矩阵相乘相加,并只需更换公式(3)中的输入能谱Si即可,其余的优化过程与图1-图2所示方法一致,最终可以得到优化后的结果。而对于不同的输入要求,本公开实施例中的TRM方法的处理过程不需要更改,只需更改目标函数的形式,比如更改感兴趣能区中子的能量等,其他的优化思路和过程仍然不变。

同理,如果是其他应用场景下的慢化体设计,可以把感兴趣的参数提炼出来,融入上述打分函数中即可。比如热中子成像,感兴趣的参数为经过慢化体后的热中子计数,那么目标打分函数需要是与热中子计数相关的函数,即可在最大化目标函数的过程中不断优化感兴趣参数。

因此,基于上述描述,本公开实施例的方法至少具有如下技术效果:

(1)以特征矩阵(透射矩阵T和反射矩阵R)运算来代替蒙特卡罗模拟的中子输运过程(即后续的矩阵运算不再需蒙特卡罗模拟的存在,如公式(1)~(3)所示),通过矩阵相乘相加即可对调制后的出射中子能谱进行估计,不需要通过蒙特卡罗模拟计算估计出射中子能谱,节省了计算时间。具体地,以BNCT慢化体设计为例,厚度60cm的慢化体出射超热中子统计误差~0.2%的情况下,本公开实施例的TRM方法所用时间与传统蒙特卡罗模拟相比可降低2个量级。

(2)利用本公开实施例的GAM方法对BNCT一维平板慢化体等进行优化设计,借助遗传算法与TRM的结合,兼顾了计算时间与遍历全局性。

(3)本公开实施例的方法,可适应不同的输入能谱与输出要求,应用也不仅仅局限于BNCT慢化体,同样适应其他的慢中子应用场景下的慢化体,如热中子成像慢化体设计,适用范围更广。

本公开的另一方面提供了一种慢化体设计获取装置600,其中,包括能谱获取模块610、打分排序模块620和交叉变异模块630。能谱获取模块610用于通过TRM方法获取对应初始慢化体种群的出射能谱;打分排序模块620用于利用遗传目标函数针对出射能谱进行初始慢化体种群的每个初始慢化体设计的打分排序;以及交叉变异模块630用于对打分排序后的慢化体设计进行交叉变异以生成目标慢化体种群,其中目标慢化体种群包含多个目标慢化体设计。

需要说明的是,图6所示慢化体设计获取装置600部分的实施例方式与前述慢化体设计获取方法部分的实施例方式对应类似,并且所达到的技术效果也对应类似,在此不再赘述。

图7示意性示出了根据本公开实施例的电子设备的框图。

本公开的另一方面提供了一种电子设备,包括一个或多个处理器和存储器;存储器用于存储一个或多个程序,其中,当上述一个或多个程序被上述一个或多个处理器执行时,使得上述一个或多个处理器实现本公开实施例的方法。

图7示意性示出了根据本公开实施例的电子设备的框图。图7示出的电子设备仅仅是一个示例,不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图7所示,根据本公开实施例的计算机系统700包括处理器701,其可以根据存储在只读存储器(ROM)702中的程序或者从存储部分708加载到随机访问存储器(RAM)703中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器701例如可以包括通用微处理器(例如CPU)、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如,专用集成电路(ASIC)),等等。处理器701还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器701可以包括用于执行根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。

在RAM 703中,存储有系统700操作所需的各种程序和数据。处理器701、ROM 702以及RAM 703通过总线704彼此相连。处理器701通过执行ROM 702和/或RAM 703中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。需要注意,所述程序也可以存储在除ROM 702和RAM 703以外的一个或多个存储器中。处理器701也可以通过执行存储在所述一个或多个存储器中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。

根据本公开的实施例,系统700还可以包括输入/输出(I/O)接口705,输入/输出(I/O)接口705也连接至总线704。系统700还可以包括连接至I/O接口705的以下部件中的一项或多项:包括键盘、鼠标等的输入部分706;包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分707;包括硬盘等的存储部分708;以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分709。通信部分709经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器710也根据需要连接至I/O接口708。可拆卸介质711,诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等,根据需要安装在驱动器710上,以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分708。

根据本公开的实施例,根据本公开实施例的方法流程可以被实现为计算机软件程序。例如,本公开的实施例包括一种计算机程序产品,其包括承载在计算机可读存储介质上的计算机程序,该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中,该计算机程序可以通过通信部分709从网络上被下载和安装,和/或从可拆卸介质711被安装。在该计算机程序被处理器701执行时,执行本公开实施例的系统中限定的上述功能。根据本公开的实施例,上文描述的系统、设备、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。

本公开还提供了一种计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的;也可以是单独存在,而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序,当上述一个或者多个程序被执行时,实现根据本公开实施例的方法。

根据本公开的实施例,计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质,例如可以包括但不限于:便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中,计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质,该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。例如,根据本公开的实施例,计算机可读存储介质可以包括上文描述的ROM 702和/或RAM 703和/或ROM 702和RAM 703以外的一个或多个存储器。

附图中的流程图和框图,图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上,流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分,上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意,在有些作为替换的实现中,方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行,它们有时也可以按相反的顺序执行,这依所涉及的功能而定。也要注意的是,框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合,可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

本公开的另一方面提供了一种计算机可读存储介质,存储有计算机可执行指令,上述指令在被执行时用于实现本公开实施例的方法。

具体地,该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的;也可以是单独存在,而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序,当上述一个或者多个程序被执行时,实现根据本公开实施例的慢化体设计获取方法。

或者,该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的;也可以是单独存在,而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序,当上述一个或者多个程序被执行时,实现根据本公开实施例的方法。

本公开的另一方面提供了一种计算机程序,上述计算机程序包括计算机可执行指令,上述指令在被执行时用于实现本公开实施例慢化体设计获取方法。

至此,已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。

附图中的流程图和框图,图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上,流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分,上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意,在有些作为替换的实现中,方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行,它们有时也可以按相反的顺序执行,这依所涉及的功能而定。也要注意的是,框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合,可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

本领域技术人员可以理解,尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开,但是本领域技术人员应该理解,在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下,可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此,本公开的范围不应该限于上述实施例,而是应该不仅由所附权利要求来进行确定,还由所附权利要求的等同物来进行限定。

至此,已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。

以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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