零基礎(chǔ)MCNP入門介紹

1、MCNP 程序建模簡介MCNP中物理量使用的單位：長度：cm能量（溫度）：MeV時(shí)間：剎那（10-8s）原子密度：1024/cm3質(zhì)量密度：g/cm3截面：靶（10-24cm2）蒙特卡洛方法 蒙特卡洛方法又叫隨機(jī)抽樣法或統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，屬于計(jì)算數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，它是在20世紀(jì)40年代中期為了適應(yīng)當(dāng)時(shí)原子能事業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法由于不能逼近真實(shí)的物理過程，很難得到滿意的結(jié)果，而蒙特卡洛方法由于能夠真實(shí)地模擬實(shí)際物理過程，故解決問題與實(shí)際非常符合，可以得到很圓滿的結(jié)果。蒲豐氏問題 18世紀(jì)，法國數(shù)學(xué)家蒲豐在1777年提出一個(gè)問題：假設(shè)在一個(gè)平行且等距木紋鋪成的地板上隨意拋一支長度為木紋

2、間距一半的針，求針和其中一條木紋相交的概率。并以此概率，蒲豐提出的一種計(jì)算圓周率的方法隨機(jī)投針法。P =2l laal l實(shí)驗(yàn)者時(shí)間投擲次數(shù)相交次數(shù)圓周率估計(jì)值Wolf1850年500025323.1596Smith1855年32041218.53.1554C.De Morgan1860年600382.53.137Fox1884年10304893.1595Lazzerini1901年340818083.1415929Reina1925年25208593.1795電子槍描圖 比如要求電視機(jī)掃描出圓盤圖像的面積，那么可以用掃描整個(gè)屏幕所需的電子數(shù)去除掃描圓盤圖像所需的電子數(shù)，再乘以屏幕面積（長寬）

3、，相當(dāng)于這種方法能求出圓的面積，再根據(jù)圓面積公式S=r2，可求得圓周率。隨機(jī)數(shù) 顯然，這種概率統(tǒng)計(jì)必須保證出射粒子是隨機(jī)的，也就是說不能瞄準(zhǔn)。 但是隨機(jī)數(shù)的生成很復(fù)雜，用于程序計(jì)算有很大的局限性，所以MCNP采用的是偽隨機(jī)數(shù)。 比如以下數(shù)列： 0 2 4 6 9 2 5 8 2 6 0 4 8 2 7 2 7 2 8 4 0 6 這個(gè)數(shù)列就是一種取偽隨機(jī)數(shù)的方法，即從10開始，將其平方數(shù)砍頭去尾（去掉最高位和最低位）之后所剩的數(shù)構(gòu)成的數(shù)列。MCNP 簡介 MCNP是由美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(LosAlamos National Laboratory)開發(fā)的基于蒙特卡羅方法的用于計(jì)算三維復(fù)雜

4、幾何結(jié)構(gòu)中的中子、光子、電子或者耦合中子/光子/電子輸運(yùn)問題的通用軟件包，也具有計(jì)算核臨界系統(tǒng)（包括次臨界和超臨界系統(tǒng)）本征值問題的能力。該軟件包通過FORTRAN語言編程實(shí)現(xiàn)。 MCNP程序涉及面如此之多，關(guān)鍵是通過讀入一個(gè)經(jīng)用戶創(chuàng)建的稱為INP的輸入文件來進(jìn)行計(jì)算。該文件必須遵循按照柵元卡的格式進(jìn)行組織，指定描述空間問題的信息，具體有 (1) 空間幾何體的描述說明； (2) 幾何體的使用材料描述和交叉區(qū)域的選擇估計(jì)； (3) 中子、光子以及電子這3種粒子源的位置和特性說明； (4) 必要的回答卡和標(biāo)記卡的類型； (5) 任何必需的冗余量消除技術(shù)以提高計(jì)算效率。 目前，MCNP以其靈活、通用

5、的特點(diǎn)以及強(qiáng)大的功能被廣泛應(yīng)用于輻射防護(hù)與射線測定、輻射屏蔽設(shè)計(jì)優(yōu)化、反應(yīng)堆設(shè)計(jì)、（次）臨界裝置實(shí)驗(yàn)、醫(yī)學(xué)以及檢測器設(shè)計(jì)與分析等學(xué)科領(lǐng)域，并得到一致認(rèn)可。MCNP 輸入卡編寫 MCNP輸入卡即INP卡，該文件可由記事本或?qū)懽职宄绦蚓庉?，完成編輯后需刪除后綴名，命名不能太長，不能出現(xiàn)中文字符。 INP卡包含柵元卡、曲面卡、數(shù)據(jù)卡，三者之間要空行；數(shù)據(jù)卡可細(xì)分為源項(xiàng)描述卡、計(jì)數(shù)卡和材料卡以及截?cái)嗫ā?INP卡輸入時(shí)不能超過80列，15列為序號(hào)列。曲面卡助記名助記名類型及說明類型及說明方程方程數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)據(jù)項(xiàng)P一般平面Ax+By+Cz-D=0A B C DPX （PY PZ）垂直于軸的平面X-D=0DS

6、一般球面(X-x)2+(Y-y)2+(Z-z)2-R2=0X Y Z RSO球心在原點(diǎn)的球面X2+y2+z2-R2=0RSX （SY SZ）球心在軸上的球面(X-x)2+y2+z2-R2=0X RCX （CY CZ）坐標(biāo)軸上的圓柱面y2+z2-R2=0RC/X （C/Y C/Z） 平行于軸的圓柱面(Y-y)2+(Z-z)2-R2=0Y Z RKX （KY KZ）坐標(biāo)軸上的圓錐面(y2+z2)0.5-t(X-x)=0X t 1K/X （K/Y K/Z） 平行于軸的圓錐面(Y-y)2+(Z-z)20.5-t(X-x)=0X Y Z t 1SQ GQ圓錐曲面TX （TY TZ）橢圓環(huán)面柵元卡用布爾算

7、符將曲面卡進(jìn)行組合，構(gòu)成體元。布爾算符有： 交：數(shù)學(xué)上取交集，空格符號(hào)表示； 聯(lián)：數(shù)學(xué)上取并集，“：” 表示； 余：數(shù)學(xué)上取非，“#”表示。柵元卡15列為柵元序號(hào)，680列開始分別是材料號(hào)、材料密度、曲面構(gòu)成、權(quán)重卡（可集中到最后一起輸入）。數(shù)據(jù)卡通用源描述 通用源卡SDEF 源信息卡SPn 源概率卡SIn 定義一個(gè)比源柵元稍大的空間，用于包攏放射源（避免邊界抽樣錯(cuò)誤），本例用圓柱體包攏源柵元。 新手建議用長方體去包攏，描述上改為X=d1 Y=d2 Z=d3 si1 -30 30 sp1 0 1 si2 -30 30 sp2 0 1 si3 -30 30 sp3 0 1 助記名助記名意義意義缺

8、省值缺省值cel放射源柵元erg粒子能量14MeVpos抽樣位置參考點(diǎn)0 0 0rad半徑或到極軸的距離0ext沿矢量方向到原點(diǎn)的距離axs參照矢量par粒子屬性1 npe2 pe3 e數(shù)據(jù)卡計(jì)數(shù)卡和劑量乘子卡助記名助記名計(jì)數(shù)說明計(jì)數(shù)說明FnFn單位單位* *FnFn單位單位F1:N F1:P曲面積分流量粒子數(shù)MeVF2:N F2:P曲面平均通量粒子數(shù)/cm2MeV/cm2F4:N F4:P柵元平均通量粒子數(shù)/cm2MeV/cm2F5:N F5:P點(diǎn)探測器通量粒子數(shù)/cm2MeV/cm2F6:N F6:P能量沉積MeV/gJerk/gF7:N裂變能量沉積MeV/gJerk/gF8:N P脈沖幅

9、度脈沖MeV數(shù)據(jù)卡材料卡數(shù)據(jù)卡問題截?cái)嗫?蒙特卡洛方法收斂速度較慢，一般我們會(huì)結(jié)合統(tǒng)計(jì)誤差要求去適時(shí)終止程序運(yùn)行。 常用的幾種終止程序運(yùn)行的卡片：助記名參數(shù)釋義截?cái)嗫?cut:n T E WC1 WC2 SWTMn：中子或光子，光子寫作p。T：截?cái)鄷r(shí)間，中子壽命超過T，即被殺死！E：截?cái)嗄芰?，中子能量低于E，即被殺死！WC1：截?cái)鄼?quán)限，WC2=0.5WC1，WGTWC2，粒子將以WGT/(WC1R)的幾率幸存，且權(quán)重變?yōu)閃C1R，其中R是前后兩柵元重要性之比。SWTM：源粒子最小權(quán)重。歷史截?cái)嗫?nps N不能用于臨界計(jì)算，其余問題當(dāng)運(yùn)行粒子數(shù)達(dá)到N時(shí)，MCNP終止計(jì)算。時(shí)間截?cái)嗫?ctme

10、XMCNP運(yùn)行X分鐘后終止計(jì)算。典型幾何體建模 圓管道建模涉及4個(gè)曲面：2個(gè)圓柱面和2個(gè)平面。 方管道建模則涉及10個(gè)曲面：8個(gè)平面描述管道內(nèi)外表面，2個(gè)平面截?cái)?。DN25（322.5）C *$1 1 -7.85 3 -4 2 -1C *$1 CX 1.62 CX 1.353 PY -54 PY 5直管道建模典型幾何體建模和管道一樣，彎頭的MCNP模型需要4個(gè)曲面來描述，分別是內(nèi)壁面、外表面和2個(gè)截面。用到的曲面種類有：橢圓環(huán)面和平面，下面主要介紹一下橢圓環(huán)面。彎頭建模橢圓環(huán)面（TX TY TZ） 橢圓環(huán)面是一個(gè)四階曲面，其解析方程為：旋轉(zhuǎn)軸平行于x： (x-x0)2/b2+(y-y0)2+(

11、z-z0)20.5-a2/(c2-1)=0旋轉(zhuǎn)軸平行于y： (y-y0)2/b2+(x-x0)2+(z-z0)20.5-a2/(c2-1)=0旋轉(zhuǎn)軸平行于z： (z-z0)2/b2+(x-x0)2+(y-y0)20.5-a2/(c2-1)=0典型幾何體建模三通建模DN300 等徑焊制三通C *$1 1 -7.85 (9 -7 -5 -1 2):(7 -10 6 -1 2):(5 -6 -8 -3 4)C *$1 CX 16.25 $ 主管外壁 $2 CX 15 $ 主管內(nèi)壁 $3 CZ 16.25 $ 支管外壁 $4 CZ 15 $ 支管內(nèi)壁 $5 P 0 0 0 0 1 0 -15 0 15

12、 $ 輔助切面1 $6 P 0 0 0 0 1 0 15 0 15 $ 輔助切面2 $7 PX 0 $ 輔助切面3 $8 PZ 36 $ 支管端面 $9 PX -36 $ 主管前端面 $10 PX 36 $ 主管后端面 $典型幾何體建模錐形封頭和球形封頭C *8*$1 1 -7.85 2 -1 -7 $ 錐形封頭 $2 1 -7.85 2 -4 7 $ 封頭焊縫 $3 1 -7.85 4 -3 7 -8 $ 箱罐筒體 $4 1 -7.85 6 -5 8 $ 球形封頭 $C *$1 KZ 0 3 1 $ 錐形封頭外壁面 $2 KZ 0.92 3 1 $ 錐形封頭內(nèi)壁面 $3 CZ 90 $ 箱罐外壁面 $4 CZ 89.2 $ 箱罐內(nèi)壁面 $5 SZ 100 90 $ 球形封頭外壁面 $ 6 SZ 100 89.2 $ 球形封頭內(nèi)壁面 $7 PZ 51.9