MCNP程序在实验核物理中的应用

MCNP程序在实验核物理中的应用

2008年3月14日星期五

一、蒙特卡罗方法简述

1. 蒙特卡罗方法又称为随机抽样技巧或统计试验方法。半个多世纪以来，由于科学技术的发展和计算机的出现与发展，这种发展作为一种独立的方法被提出来，并首先在核武器的试验与研制中得到了应用。蒙特卡罗方法是一种计算方法，但与一般数值计算方法有很大区别。它是以概率统计理论为基础的一种方法。由于蒙特卡罗方法能够比较逼真地描述事物的特点及物理实验过程，解决一些数值方法难以解决的问题，因而该方法的应用领域日趋广泛。

2.蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用是该方法最重要的应用领域之一。由于受物理条件地限制，为了得到所求结果，必须借助于理论计算。蒙特卡罗方法具有逼真地描述真实的物理过程的特点，在一定意义上讲，它可以部分代替物理实验，因而成为解决实验核物理中实际问题的非常有效的工具。

3.蒙特卡罗方法所特有的优点，使得它的应用范围越来越大。它的主要应用范围包括：粒子输运问题、统计物理、典型数学问题、真空技术、激光技术以及医学、生物、探矿等方面。蒙特卡罗方法在粒子输运问题中的应用范围主要包括：实验核物理、反应堆物理、高能物理等方面。

二、蒙特卡罗方法应用软件简介

建立完善的通用蒙特卡罗程序可以避免大量的重复性工作，并且可以在程序的基础上，开展对于蒙特卡罗方法技巧的研究以及对于计算结果的改进和修正的研究，而这些研究成果反过来又可以进一步完善蒙特卡罗程序。

1.通用蒙特卡罗程序通常具有以下特点：

具有灵活的几何处理能力

参数通用化，使用方便

元素和介质材料数据齐全

能量范围广，功能强，输出量灵活全面

含有简单可靠又能普遍适用的抽样技巧

具有较强的绘图功能

2.常用的通用蒙特卡罗程序简介

MORSE程序

较早开发的通用蒙特卡罗程序，可以解决中子、光子、中子－光子的联合输运问题。采用组合几何结构，使用群截面数据，程序中包括了几种重要抽样技巧，如俄国轮盘赌和分裂技巧，指数变换技巧，统计估计技巧和能量偏移抽样等。程序提供用户程序，用户可根据需要编写源分布以及记录程序。一般中子能量可从10-6甚至10-9Mev到20Mev。光子能量可在Kev到Gev数量级范围。电子能量也可在Kev到Gev数量级范围。

是美国橡树岭国家实验室从60年代开始研制的大型、多功能、多群中子-光子偶合输运程序。其全名是：Multigroup Oak Ridge Stochastic Experiment Code. EGS程序

EGS是Electron-Gamma Shower 的缩写，它是一个用蒙特卡罗方法模拟在任意几何中，能量从几个KeV到几个TeV的电子-光子簇射过程的通用程序包。由美国Stanford Linear Accelerator Center提供。EGS于1979年第一次公开发表，提供使用。EGS4是1986年发表的EGS程序的最新版本。

SANDYL程序

由美国圣地亚国家实验室于1974年发表的一个三维电子-光子偶合蒙特卡拉方法程序，全名为：A Computer Program for Calculating Combined Photon-Electron Transport in Complen Systems,是三维几何程序。电子与光子的能量范围从1Kev 到1000Mev。

TIGER程序系列

也是圣地亚国家实验室八十年代初产生的一个有更强功能、更高软件水平的电子-光子蒙特卡罗程序，称为ITS程序包。全名：The Intergrated TIGER Series of Coupled Electron/Photon Monte Carlo Transport Codes。该系列集中了1974-1981年间先后家建立的八个各种几何、各种功能的电子-光子偶合输运程序。

三、MCNP程序

MCNP是美国Los Alamos（新墨西哥洛斯阿拉莫斯）国家实验室开发的大型多功能通用蒙特卡罗程序，它是在一系列程序工作基础上集中编制的一个具有当前最高水平的大型通用中子-光子输运程序。可以程序采用独特的曲面组合几何结构，使用点截面数据，程序通用性较强。与其它程序相比，在功能方面、技巧方面、几何能力和取用数据方面有很大提高，被称为“超级蒙特卡罗程序”。

MCNP程序全称为Monte Carlo N-Particle Transport Code System，蒙特卡罗核粒子输运程序系统，它用Monte Carlo方法模拟解决多粒子系统中的粒子输运问题。Monte Carlo方法是一种随机过程方法，它并不严格去求解一些物理方程，而是通过模拟单粒子在介质中的随机运动过程，然后将大量粒子的平均结果作为系统结果的近似，给出粒子系统在介质中输运的最后结果。MCNP程序可以用来处理中子、电子、γ光子的输运过程，还可以计算中子、光子和电子的联合输运问题以及临界问题，其中中子能量范围为10-11MeV-20MeV，光子、电子能量范围为1KeV-1000MeV。

要用MCNP程序来处理问题，需要按照MCNP规定的格式编写一个输入文件，在这个文件中要根据要解决的问题给出发射粒子（即源的形状、位置，粒子的种类、能谱）、穿过的介质（包括化学成分、密度、几何形状）、要探测的计数（探测位置、能量区间）的信息，然后提交给MCNP程序进行处理即可得到结果，然后根据自己的需要从输出文件中撮自己感兴趣的信息。

下面我们通过一个简单的例子。

例一：

三个圆柱体：分别平行于X轴；平行于平行Y轴周的一条直线；平行于平行Z轴的一条直线；长度5CM；半径5CM。

三个长方体：两个连在一起，一个独立

边框：60CM*60CM*60CM

中子源：2.33-5.33-8.33-9.33 比例是：3：5：7：5

（作图）

运行见电脑

其他：