蒙特卡罗方法8常用蒙特卡罗程序介绍课件.ppt

1、2022-6-22蒙特卡罗方法 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。2022-6-22蒙特卡罗方法通用蒙特卡罗程序通常具有以下特点：1) 具有灵活的几何处理能力具有灵活的几何处理能力2) 参数通用化，使用方便参数通用化，使用方便3) 元素和介质材料数据齐全元素和介质材料数据齐全4) 能量范围广，功能强，输出量灵活全面能量范围广，功能强，输出量灵活全面5) 含有简单可靠又能普遍适用的抽样技巧含有简单可靠又能普遍适用的抽样技巧6) 具有较强的绘

2、图功能具有较强的绘图功能2022-6-22蒙特卡罗方法1) MORSE程序程序 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。2022-6-22蒙特卡罗方法2) EGS程序程序 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 Acce

3、lerator 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。2022-6-22蒙特卡罗方法3) MCNP程序程序 MCNP是美国Los Alamos国家实验室开发的大型多功能通用蒙特卡罗程序，可以计算中子、光子和电子的联合输运问题以及临界问题，中子能量范围从10-11MeV至20MeV，光子和电子的能量范围从1KeV至1000MeV 。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，MCNP程序中的减方差技巧是比较多而全的。2022-6-22蒙特卡罗方法 MCNP的输入包括几个文件，但主要的一个是

4、由用户编写的INP文件，该文件包括描述问题所必须的全部输入信息。文件采用卡片结构，每行代表一张卡片，文件由一系列卡片组成，对于任一特定的问题，只需用到INP全部输入卡片的一小部分。2022-6-22蒙特卡罗方法MCNP输入文件中物理量的单位输入文件中物理量的单位长度厘米能量MeV时间10-8 秒温度MeV（kT）原子密度1024 个原子 / 厘米3质量密度克 / 厘米3截面10-24 厘米2原子量中子质量的1.008664967倍阿伏加德罗常数 6.0231023 2022-6-22蒙特卡罗方法1) 输入文件的基本形式输入文件的基本形式(1)信息块信息块(2) 信息块的卡片放在INP文件中标题

5、卡之前。信息块给出了MCNP的一些运行信息，信息块上各部分的意思和运行行信息是一样的，当运行行信息与信息块中所指定的信息相矛盾时，则忽略信息块中相应的信息，而以运行行信息为准。(3)信息块是可选的，信息块的第一张卡片，必须在第 18 列写上“MESSAGE:”，从第一张卡片的第 980 列到后续卡片的第 180 列都可填写运行信息。在标题卡之前用一个空行分隔符结束信息块。2022-6-22蒙特卡罗方法(2)初始运行的输入文件初始运行的输入文件信息块空行分隔符选择项标题卡仅一行，占用第 180 列。作为输出标题。栅元卡空行分隔符定义构成整个系统的各个基本介质单元以及相应的物理信息。曲面卡空行分隔

6、符定义组成栅元的曲面信息。数据卡空行分隔符其它数据，包括问题类型、源描述、材料描述、计数描述，问题截断条件等。其它选择项2022-6-22蒙特卡罗方法(3)接续运行的输入文件接续运行的输入文件接续运行必须在运行行信息或信息块中给出C项选择，即Cm，表示从RUNTPE文件中读出第m次转储的内容接着运算，如果m未指定，则读最后一次转储的数据。如果不需要改变内容，则不需要接续输入文件，仅需运行RUNTPE以及在运行行加上C选择。信息块空行分隔符选择项CONTINUE写在第 18 列数据卡空行分隔符只允许部分数据卡。（FQ，DD，NPS，CTME，IDUM，RDUM，PRDMP，LOST，DBCN，P

7、RINT，KCODE，MPLOT，ZA，ZB，和 ZC）其它选择项2022-6-22蒙特卡罗方法(4)卡片格式卡片格式 INP输入文件的每一行（称之为一张卡片）都限于使用第 180 列并构成卡片映象。大部分输入卡片按行填写；然而，对数据卡允许按列填写。 $ 符号为它所在那行数据的结束符，在 $ 符号后面的内容作为注释，它可从 $ 符号后面的任一列开始。标题卡只占一行，整行都可填入用户需要的信息，也可以是空行。但要注意在其它地方使用空行是作为结束符或者分隔符。 输入文件中，在标题卡之后及最后的空行结束卡之前的任何地方都可插入注释卡。注释卡必须是字母“C”写在 15 列中的任意位置，且至少用一个空

8、格隔开后面的注释内容。2022-6-22蒙特卡罗方法a) 行输入格式行输入格式 栅元卡、曲面卡和数据卡的书写格式是相同的。必须从 15 列开始填写这些卡片相应的名字(或编号)和粒子标识符，后面填写用空格分隔的数据项。如果 15 列为空，则表示它是前一张卡片的继续卡。如果在一行的末尾有一个用空格隔开的符号“&”，则表示下一行是该行的继续卡，数据可填写在 180 列。一个数据项必须在一张卡片上写完，不得跨到下一张卡片上。完全空白的一行则为两组卡片的分隔符。 对任何给定的带有粒子标识符的类型卡只能有一张。需要整数的数据项必须填写整数，其它数据可填写为整数或浮点数以及MCNP能读的数据。2022-6-

9、22蒙特卡罗方法为书写方便，可以使用四项书写功能：A. nR功能，表示将它前面的数据重复n次。例如：2 4R 等同于 2 2 2 2 2B. nI功能，表示在与其前后相邻的两个数之间，插入n个线性插值点。对于 X nI Y 的结构，如果X和Y是整数，且XY刚好是n+1的整倍数，则产生标准的整数插值，否则产生实数插值，但Y值直接存储。例如：1.5 2I 3.0 1.5 2.0 2.5 32.0可能不精确而 1 4I 6 1 2 3 4 5 6都是精确定整数C. XM功能，它表示的数值为前面的数据乘上X。例如：1 1 2M 2M 4M 2M 1 1 2 4 16 32D. nJ功能，表示其后n个数

10、据项使用缺省值。例如：DD .1（缺省值） 1000 DD J 1000如果nR、nI、及nJ项中缺省n，则假设n1。2022-6-22蒙特卡罗方法b) 列输入格式列输入格式列输入块的格式： Si必须是MCNP卡片名字，它们必须全部是栅元参数、或者全部是曲面参数、或者全部是其它参数。15 列672 列S1 S2 SmK1D11 D12 D1mK2D21 D22 D2mKnDn1 Dn2 Dnm2022-6-22蒙特卡罗方法(5)粒子标识符粒子标识符 几个输入卡片都需要粒子标识符以区别中子、光子和电子的输入数据。这些卡片是：IMP、EXT、FCL、WWN、WWE、WWP、WWGE、DXT、DXC

11、、F、F5X、F5Y、F5Z、PHYS、ELPT、ESPLT、CUT和PERT。粒子标识符由上述卡片名字后面的冒号、字母N、P或E组成。例如：中子重要性卡为 IMP:N 光子重要性卡为 IMP:P2022-6-22蒙特卡罗方法(6)缺省值缺省值 MCNP的许多输入参数都有缺省值，因此用户不需要每次都给出各个输入参量的值。当缺省值符合用户要求时，便可不在输入文件中指定。当省略某张输入卡时，则该卡上的全部参数均使用缺省值。如果只想改变一张卡上的某一个特定参量时，则它前面的参量仍需指明，或者用nJ方式跳过前面那些使用缺省值的参量。例如：光子截断卡 CUT:P 3J -.10表示前3个参量使用缺省值，

12、只改变第四项参量的值。2022-6-22蒙特卡罗方法(7)输入错误信息输入错误信息 MCNP对输入文件出现的错误作广泛的检查，如果用户违反了输入说明的规定，将在终端上以及输出文件中打印致命错误信息，MCNP不再进行粒子输运计算，作业中断。 第一个出现的致命错误是真的，而后面的错误可能不一定是真的，这取决于前面出现的致命错误的情况。 若在MCNP运行行上指定FATAL项，则MCNP忽略致命错误，照常运行。 对于MCNP的警告信息，用户不应忽视，应搞清楚它们的含义。2022-6-22蒙特卡罗方法(8)检查几何错误检查几何错误 MCNP在处理输入文件的数据时，不能检查一种非常重要的输入错误。即MCN

13、P无法查出各栅元之间的重叠和空隙，只有当粒子丢失时，才会发现几何错误。即使如此，可能仍然无法准确判断错误性质。2022-6-22蒙特卡罗方法2) 栅元描述卡栅元描述卡格式： jm d geom params或：jLIKE n BUT listj栅元号，1 j 99999，写在第 15 列上。m栅元材料号，与材料卡（Mm）中的序号对应。m 0 为真空栅元。d栅元材料密度。正值为原子密度，负值为质量密度。对于真空栅元，该项缺省，不填写。geom栅元的几何说明。由一系列带符号的曲面号经过布尔运算组成。params任选的栅元参数说明。n另一个栅元的名字（编号）。list描述栅元j和栅元n之间差别的栅元

14、参数。2022-6-22蒙特卡罗方法 在栅元的几何说明中，关于曲面的指向是一个很重要的概念。假定曲面 S 的曲面方程为 f (x,y,z)0，则对于f (x,y,z)0的区域对于曲面 S 具有正的指向；而对于f (x,y,z)0的区域对于曲面 S 具有负的指向。正指向的区域用+S表示，“+”号可不写；负指向的区域用-S表示。栅元用各相关曲面的布尔运算表示，布尔算符包括交（用空格表示 ）、并（用冒号:表示）和非（用#表示）。缺省的运算顺序是先非，其次是交，最后是并 ，使用括号可控制布尔运算的次序。2022-6-22蒙特卡罗方法非运算有两种形式：(1)#n，n是某个栅元号， #n表示一个由不在栅元

15、n内的点组成的空间区域。 (2)# ( -)，括号内是对某一个栅元进行描述的曲面栅元关系组，这一形式定义的几何区域由不属于括号内描述区域的点组成的空间。例如：3 0 -1 2 -4$ 定义栅元3 #3$ 与下行相同 #(-1 2 -4)2022-6-22蒙特卡罗方法 在栅元卡上可定义栅元参数以代替在输入文件中数据卡部分定义的栅元参数。格式为：关键词值。这儿允许的关键词是：带有粒子标识符的IMP、VOL、PWT、EXT、FCL、WWN、DXC、NONU、PD和TMP，以及关于重复结构的4个栅元参数卡：U卡、TRCL卡、LAT卡和FILL卡。 在LIKE n BUT格式中，还有两个关键词MAT和R

16、HO，分别表示栅元的介质号和密度。2022-6-22蒙特卡罗方法例如：10 16 -4.2 1 -2 3 IMP:N=4 IMP:P=8表示栅元10由曲面1的正面、曲面2的负面和 曲面3的正面的交集组成，填充质量密度为 4.2 克 / 厘米3 的16号材料。该栅元的中子重要性为4，光子重要性为8。例如：2 3 -3.7 -1 IMP:N=2 IMP:P=4 3 LIKE 2 BUT TRCL=1 IMP:N=102022-6-22蒙特卡罗方法3) 曲面描述卡曲面描述卡(1) 由方程定义曲面由方程定义曲面格式： jn a listj曲面号，1 j 99999，写在第 15 列上。如果曲面号前有*

17、号，则该曲面为反射面。n对应坐标变换卡TRn，表示该曲面是在辅助坐标系下描述的，而该辅助坐标系与基本坐标系之间的关系由TRn卡给出。如果没有坐标变换，即曲面是在基本坐标系下描述的，则该项缺省。a曲面助记符。list曲面方程参数，110项，取决于曲面类型。参见MCNP手册，表3.1。2022-6-22蒙特卡罗方法(2) 用点定义轴对称曲面用点定义轴对称曲面 类型为X、Y或Z的曲面卡是用坐标点描述曲面而不是用方程系数描述。用这些卡描述的曲面必须是分别关于X、Y或Z轴对称的，并且如果该曲面是由多叶组成的，则指定的坐标点必须全都在同一个叶上。格式： jn a listj曲面号，1 j 99999，写在

18、第 15 列上。nTRn卡的号，如果没有坐标变换，则该项缺省。a字母X、Y或Z。list13对点的坐标。2022-6-22蒙特卡罗方法 每一对坐标点定义这个曲面上的一个点。例如在一张Y卡上可以给出：j Y y1 r1 y2 r2其中，( ) 是第 i 点的坐标。给出的坐标点对数的不同，描述的曲面类型也不同。a) 给出一对坐标，则定义一个平面（PX、PY或PZ）。b) 给出二对坐标，则定义的是线性曲面（PX、PY、PZ、CX、CY、CZ、KX、KY或KZ）。c) 给出三对坐标，则定义的是二次曲面（PX、PY、PZ、SO、SX、SY、SZ、CX、CY、CZ、KX、KY、KZ或SQ）。当用两点定义一

19、个锥面时，只生成一个单叶锥面。曲面的指向与方程指定曲面（SQ除外）是一样的。对于SQ，远离对称轴的点具有正指向。而方程定义的SQ可以自由选取指向。22,iiiizxry2022-6-22蒙特卡罗方法(3) 由三个点定义一般平面由三个点定义一般平面MCNP对用户指定的 P 型曲面， 将检查所给的数据个数，若是 4项，则作一般斜置平面方程的系数理解，若多于 4 项时，便作为三维空间点的坐标值理解。每三个数定义空间一个点，MCNP将把它们转换成所需要的曲面系数以产生平面：AX+BY+GZD0格式： jn P X1 Y1 Z1 X2 Y2 Z2 X3 Y3 Z3j曲面号，1 j 99999，写在第 1

20、5 列上。nTRn卡的号，如果没有坐标变换，则该项缺省。P该曲面卡的助记符。 （Xi, Yi, Zi）定义该平面的点坐标。2022-6-22蒙特卡罗方法3) 数据卡数据卡在信息卡、栅元描述卡和曲面描述卡之后输入的是数据卡，数据卡可分为10类：(1) 问题类型问题类型(2) 几何卡几何卡(3) 减方差减方差(4) 源描述源描述(5) 计数描述计数描述(6) 材料及截面描述材料及截面描述(7) 能量及热处理能量及热处理(8) 问题截断条件问题截断条件(9) 用户数据数组用户数据数组(10)外围卡外围卡数据卡中，标识符必须从前5列开始填写。2022-6-22蒙特卡罗方法(1) 问题类型（问题类型（M

21、ODE）卡）卡如果不给出MODE卡，则缺省形式是MODE N，即缺省值是中子输运问题。格式： MODEx1 xi xi N，中子输运。P，光子输运。E，电子输运。2022-6-22蒙特卡罗方法(2) 几何卡几何卡几何卡有以下几类：助记符卡片类型VOL栅元体积AREA曲面面积UUniverseTRCL栅元变换LAT格子FILL填充卡TR坐标变换2022-6-22蒙特卡罗方法坐标变换卡格式：TRn O1，O2，O3，B1，B2，B3，B4，B5，B6， B7，B8，B9，Mn变换号， 1 n 999 ，*TRn表示 Bi是角度而非角度的余弦。O1，O2，O3坐标变换向量的位移。 B1至B9坐标变换

22、的坐标旋转矩阵。元素B1， B2，B3，B4， B5，B6，B7，B8，B9轴x,x y,x z,x x,y y,y z,y x,z y,z z,z M1，表示位移是辅助坐标系原点相对于基本坐标系的位移。1，表示位移是基本坐标系原点相对于辅助坐标系的位移。2022-6-22蒙特卡罗方法(3) 减方差减方差MCNP运用以下卡片来减小方差：助记符卡片类型IMP栅元重要性ESPLT能量分裂和俄国轮盘赌PWT次级光子权重EXT指数变换VECT方向矢量定义FCL强迫碰撞2022-6-22蒙特卡罗方法助记符卡片类型WWE权重窗的能量或时间间隔WWN权重窗的边界WWP权重窗的参数WWG权重窗生成器WWGE权

23、重窗生成器的能量或时间间隔MESH重叠重要性网格权重生成器PD探测器贡献DXCDXTRAN贡献BBREM韧致辐射偏倚因子2022-6-22蒙特卡罗方法(4) 源定义源定义助记符卡片类型SDEF通用源SIn源的信息SPn源的概率SBn源的偏倚DSn相关的源SCn源的注释SSW写曲面源SSR读曲面源KCODE临界源KSRC临界计算的源起始点ACODE特征值源2022-6-22蒙特卡罗方法通用源卡：格式2022-6-22蒙特卡罗方法(5) 计数描述计数描述下列卡片用来记录计算结果：助记符卡片类型Fna计数类型FCn计数注释En计数能量间隔Tn计数时间间隔Cn计数方向余弦间隔FQn计数打印层次FMn计

24、数乘子DEn/DFn剂量能量/剂量函数EMn计数能量乘子2022-6-22蒙特卡罗方法助记符卡片类型TMn计数时间乘子CMn计数余弦乘子CFn计数栅元标志SFn计数曲面标志FSn计数片段划分SDn计数片段的体积/面积FUn子程序TALLYX输入TFn计数涨落打印DD探测器和DXTRAN诊断DXTDXTRAN球参数FTn计数特殊处理2022-6-22蒙特卡罗方法计数类型卡Fna格式：助记符类型说明Fn单位*Fn单位F1: (N、P、E)面流粒子MeVF2: (N、P、E)面通量粒子/cm2MeV/cm2F4: (N、P、E)体通量粒子/cm2MeV/cm2F5a: (N、P)点或环探测器通量粒子

25、/cm2MeV/cm2F6: (N、P、N,P)平均沉积能量MeV/克109 J/克F7: N平均裂变沉积能量MeV/克109 J/克F8: (P、E、P,E)脉冲MeV+F8: E沉积电荷电荷无2022-6-22蒙特卡罗方法(6) 材料描述材料描述这组卡片用于指定在栅元中所使用的材料成分和使用那些截面数据。助记符卡片类型Mm材料成分DRXS离散反应截面TOTNU总裂变NONU裂变截断AWTAB原子量XSn截面文件VOID否定材料PIKMT次级光子产生偏倚MGOPT多群特征描述2022-6-22蒙特卡罗方法材料成分卡Mm格式：Mm ZAID1 fr1 ZAID2 fr2 keyword=val

26、ue ZAIDi 材料中第 i 种成份的截面数据，ZZZAAA.nnX或ZZZAAA ZZZ是元素的原子序号，AAA是原子量，nn截面库标识号，X是数据分类。fri 材料中第 i 种成份的原子的分量（负值表示重量比例）。AAA000表示自然元素。2022-6-22蒙特卡罗方法(7) 能量和热处理方式指定能量和热处理方式指定这组卡片用于控制MCNP的能量以及其它物理状况。助记符卡片类型PHYS能量物理截断TMP自由气体模型热温度THTME热时间卡MTmS(,) 材料卡2022-6-22蒙特卡罗方法(8) 问题截断卡问题截断卡这组卡片在初始运行或接续运行的输入文件中均可使用，用于终止粒子的历史或中

27、断计算。助记符卡片类型CUT截断粒子历史ELPT栅元能量截断NPS历史数截断CTIME计算时间截断2022-6-22蒙特卡罗方法(9) 用户数据数组卡用户数据数组卡MCNP在其COMMON变量中定义了两个数组IDUM（整数）和RDUM（浮点数）供用户使用，每个数组可存放50个数据。这组卡片为这两个用户数组提供输入数据。a) IDUM，整型数组卡格式：IDUM I1，I2，In （1n50）b) RDUM，实型数组卡格式：RDUM R1，R2，Rn （1n50）2022-6-22蒙特卡罗方法(10)外围卡外围卡这组卡片为用户提供方便，不影响MCNP的计算。助记符卡片类型PRDMP打印及转储周期LOST丢失粒子DBCN调试信息FILES建立用户文件PRINT打印控制MPLOT运行期间打印计数PTRAC粒子径迹输出PERT微扰卡2022-6-22蒙特卡罗方法IP地址：166.111.32.63166.111.32.74166.111.32.79目前安装了MCNP4C，以后将陆续安装Egs4、Geant4、Fluka等蒙特卡罗程序。中心电话：62784552联系人：范佳锦、武祯