蒙特卡羅方法8常用蒙特卡羅程序介紹課件

第八章蒙特卡羅方法應(yīng)用程序介紹 建立完善的通用蒙特卡羅程序可以避免大量的重復(fù)性工作，并且可以在程序的基礎(chǔ)上，開展對于蒙特卡羅方法技巧的研究以及對于計算結(jié)果的改進(jìn)和修正的研究，而這些研究成果反過來又可以進(jìn)一步完善蒙特卡羅程序。2023/6/9蒙特卡羅方法蒙特卡羅方法應(yīng)用軟件的特點

通用蒙特卡羅程序通常具有以下特點：具有靈活的幾何處理能力參數(shù)通用化，使用方便元素和介質(zhì)材料數(shù)據(jù)齊全能量范圍廣，功能強，輸出量靈活全面含有簡單可靠又能普遍適用的抽樣技巧具有較強的繪圖功能2023/6/9蒙特卡羅方法常用的通用蒙特卡羅程序簡介MORSE程序 較早開發(fā)的通用蒙特卡羅程序，可以解決中子、光子、中子－光子的聯(lián)合輸運問題。采用組合幾何結(jié)構(gòu)，使用群截面數(shù)據(jù)，程序中包括了幾種重要抽樣技巧，如俄國輪盤賭和分裂技巧，指數(shù)變換技巧，統(tǒng)計估計技巧和能量偏移抽樣等。程序提供用戶程序，用戶可根據(jù)需要編寫源分布以及記錄程序。2023/6/9蒙特卡羅方法EGS程序

EGS是Electron-GammaShower的縮寫，它是一個用蒙特卡羅方法模擬在任意幾何中，能量從幾個KeV到幾個TeV的電子-光子簇射過程的通用程序包。由美國StanfordLinearAcceleratorCenter提供。EGS于1979年第一次公開發(fā)表，提供使用。EGS4是1986年發(fā)表的EGS程序的最新版本。2023/6/9蒙特卡羅方法MCNP程序

MCNP是美國LosAlamos國家實驗室開發(fā)的大型多功能通用蒙特卡羅程序，可以計算中子、光子和電子的聯(lián)合輸運問題以及臨界問題，中子能量范圍從10-11MeV至20MeV，光子和電子的能量范圍從1KeV至1000MeV

。程序采用獨特的曲面組合幾何結(jié)構(gòu)，使用點截面數(shù)據(jù)，程序通用性較強，與其它程序相比，MCNP程序中的減方差技巧是比較多而全的。2023/6/9蒙特卡羅方法MCNP程序輸入的描述

MCNP的輸入包括幾個文件，但主要的一個是由用戶編寫的INP文件，該文件包括描述問題所必須的全部輸入信息。文件采用卡片結(jié)構(gòu)，每行代表一張卡片，文件由一系列卡片組成，對于任一特定的問題，只需用到INP全部輸入卡片的一小部分。

2023/6/9蒙特卡羅方法MCNP輸入文件中物理量的單位

長度厘米能量MeV時間10-8

秒溫度MeV（kT）原子密度1024

個原子/厘米3質(zhì)量密度克/厘米3截面10-24

厘米2原子量中子質(zhì)量的1.008664967倍阿伏加德羅常數(shù)6.023×1023

2023/6/9蒙特卡羅方法輸入文件的基本形式信息塊 信息塊的卡片放在INP文件中標(biāo)題卡之前。信息塊給出了MCNP的一些運行信息，信息塊上各部分的意思和運行行信息是一樣的，當(dāng)運行行信息與信息塊中所指定的信息相矛盾時，則忽略信息塊中相應(yīng)的信息，而以運行行信息為準(zhǔn)。 信息塊是可選的，信息塊的第一張卡片，必須在第1～8列寫上“MESSAGE:”，從第一張卡片的第9～80列到后續(xù)卡片的第1～80列都可填寫運行信息。在標(biāo)題卡之前用一個空行分隔符結(jié)束信息塊。2023/6/9蒙特卡羅方法初始運行的輸入文件信息塊空行分隔符選擇項標(biāo)題卡僅一行，占用第1～80列。作為輸出標(biāo)題。柵元卡…空行分隔符定義構(gòu)成整個系統(tǒng)的各個基本介質(zhì)單元以及相應(yīng)的物理信息。曲面卡…空行分隔符定義組成柵元的曲面信息。數(shù)據(jù)卡…空行分隔符其它數(shù)據(jù)，包括問題類型、源描述、材料描述、計數(shù)描述，問題截斷條件等。其它選擇項2023/6/9蒙特卡羅方法接續(xù)運行的輸入文件 接續(xù)運行必須在運行行信息或信息塊中給出C項選擇，即Cm，表示從RUNTPE文件中讀出第m次轉(zhuǎn)儲的內(nèi)容接著運算，如果m未指定，則讀最后一次轉(zhuǎn)儲的數(shù)據(jù)。如果不需要改變內(nèi)容，則不需要接續(xù)輸入文件，僅需運行RUNTPE以及在運行行加上C選擇。信息塊空行分隔符選擇項CONTINUE寫在第1～8列數(shù)據(jù)卡…空行分隔符只允許部分?jǐn)?shù)據(jù)卡。（FQ，DD，NPS，CTME，IDUM，RDUM，PRDMP，LOST，DBCN，PRINT，KCODE，MPLOT，ZA，ZB，和ZC）其它選擇項2023/6/9蒙特卡羅方法卡片格式

INP輸入文件的每一行（稱之為一張卡片）都限于使用第1～80列并構(gòu)成卡片映象。大部分輸入卡片按行填寫；然而，對數(shù)據(jù)卡允許按列填寫。$符號為它所在那行數(shù)據(jù)的結(jié)束符，在$符號后面的內(nèi)容作為注釋，它可從$符號后面的任一列開始。 標(biāo)題卡只占一行，整行都可填入用戶需要的信息，也可以是空行。但要注意在其它地方使用空行是作為結(jié)束符或者分隔符。 輸入文件中，在標(biāo)題卡之后及最后的空行結(jié)束卡之前的任何地方都可插入注釋卡。注釋卡必須是字母“C”寫在1～5

列中的任意位置，且至少用一個空格隔開后面的注釋內(nèi)容。2023/6/9蒙特卡羅方法行輸入格式 柵元卡、曲面卡和數(shù)據(jù)卡的書寫格式是相同的。必須從1～5列開始填寫這些卡片相應(yīng)的名字(或編號)和粒子標(biāo)識符，后面填寫用空格分隔的數(shù)據(jù)項。如果1～5列為空，則表示它是前一張卡片的繼續(xù)卡。如果在一行的末尾有一個用空格隔開的符號“&”，則表示下一行是該行的繼續(xù)卡，數(shù)據(jù)可填寫在

1～80列。一個數(shù)據(jù)項必須在一張卡片上寫完，不得跨到下一張卡片上。完全空白的一行則為兩組卡片的分隔符。對任何給定的帶有粒子標(biāo)識符的類型卡只能有一張。需要整數(shù)的數(shù)據(jù)項必須填寫整數(shù)，其它數(shù)據(jù)可填寫為整數(shù)或浮點數(shù)以及MCNP能讀的數(shù)據(jù)。2023/6/9蒙特卡羅方法 為書寫方便，可以使用四項書寫功能：nR功能，表示將它前面的數(shù)據(jù)重復(fù)n次。 例如：24R等同于22222nI功能，表示在與其前后相鄰的兩個數(shù)之間，插入n個線性插值點。對于XnIY

的結(jié)構(gòu)，如果X和Y是整數(shù)，且X－Y剛好是n+1的整倍數(shù)，則產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的整數(shù)插值，否則產(chǎn)生實數(shù)插值，但Y值直接存儲。 例如：1.52I3.0＝1.52.02.53 2.0可能不精確 而14I6＝123456 都是精確定整數(shù)XM功能，它表示的數(shù)值為前面的數(shù)據(jù)乘上X。 例如：112M2M4M2M＝11241632nJ功能，表示其后n個數(shù)據(jù)項使用缺省值。 例如：DD.1（缺省值）1000＝DDJ1000

如果nR、nI、及nJ項中缺省n，則假設(shè)n＝1。2023/6/9蒙特卡羅方法列輸入格式

列輸入塊的格式：

Si必須是MCNP卡片名字，它們必須全部是柵元參數(shù)、或者全部是曲面參數(shù)、或者全部是其它參數(shù)。1～5列6～72列＃S1

S2

…

SmK1D11

D12

…

D1mK2D21

D22

…

D2m……KnDn1

Dn2

…

Dnm2023/6/9蒙特卡羅方法粒子標(biāo)識符 幾個輸入卡片都需要粒子標(biāo)識符以區(qū)別中子、光子和電子的輸入數(shù)據(jù)。這些卡片是：IMP、EXT、FCL、WWN、WWE、WWP、WWGE、DXT、DXC、F、F5X、F5Y、F5Z、PHYS、ELPT、ESPLT、CUT和PERT。粒子標(biāo)識符由上述卡片名字后面的冒號、字母N、P或E組成。 例如：中子重要性卡為IMP:N

光子重要性卡為IMP:P2023/6/9蒙特卡羅方法缺省值

MCNP的許多輸入?yún)?shù)都有缺省值，因此用戶不需要每次都給出各個輸入?yún)⒘康闹怠．?dāng)缺省值符合用戶要求時，便可不在輸入文件中指定。當(dāng)省略某張輸入卡時，則該卡上的全部參數(shù)均使用缺省值。如果只想改變一張卡上的某一個特定參量時，則它前面的參量仍需指明，或者用nJ方式跳過前面那些使用缺省值的參量。 例如：光子截斷卡CUT:P3J-.10

表示前3個參量使用缺省值，只改變第四項參量的值。2023/6/9蒙特卡羅方法輸入錯誤信息

MCNP對輸入文件出現(xiàn)的錯誤作廣泛的檢查，如果用戶違反了輸入說明的規(guī)定，將在終端上以及輸出文件中打印致命錯誤信息，MCNP不再進(jìn)行粒子輸運計算，作業(yè)中斷。 第一個出現(xiàn)的致命錯誤是真的，而后面的錯誤可能不一定是真的，這取決于前面出現(xiàn)的致命錯誤的情況。 若在MCNP運行行上指定FATAL項，則MCNP忽略致命錯誤，照常運行。 對于MCNP的警告信息，用戶不應(yīng)忽視，應(yīng)搞清楚它們的含義。2023/6/9蒙特卡羅方法檢查幾何錯誤

MCNP在處理輸入文件的數(shù)據(jù)時，不能檢查一種非常重要的輸入錯誤。即MCNP無法查出各柵元之間的重疊和空隙，只有當(dāng)粒子丟失時，才會發(fā)現(xiàn)幾何錯誤。即使如此，可能仍然無法準(zhǔn)確判斷錯誤性質(zhì)。2023/6/9蒙特卡羅方法柵元描述卡格式：jmdgeomparams或：jLIKEnBUTlistj柵元號，1≤j≤99999，寫在第1～5列上。m柵元材料號，與材料卡（Mm）中的序號對應(yīng)。m

＝0為真空柵元。d柵元材料密度。正值為原子密度，負(fù)值為質(zhì)量密度。對于真空柵元，該項缺省，不填寫。geom柵元的幾何說明。由一系列帶符號的曲面號經(jīng)過布爾運算組成。params任選的柵元參數(shù)說明。n另一個柵元的名字（編號）。list描述柵元j和柵元n之間差別的柵元參數(shù)。2023/6/9蒙特卡羅方法 在柵元的幾何說明中，關(guān)于曲面的指向是一個很重要的概念。假定曲面S

的曲面方程為f(x,y,z)＝0，則對于f(x,y,z)＞0的區(qū)域?qū)τ谇鍿具有正的指向；而對于f(x,y,z)＜0的區(qū)域?qū)τ谇鍿具有負(fù)的指向。正指向的區(qū)域用+S表示，“+”號可不寫；負(fù)指向的區(qū)域用-S表示。柵元用各相關(guān)曲面的布爾運算表示，布爾算符包括交（用空格表示）、并（用冒號:表示）和非（用#表示）。缺省的運算順序是先非，其次是交，最后是并，使用括號可控制布爾運算的次序。2023/6/9蒙特卡羅方法

非運算有兩種形式：#n，n是某個柵元號，#n表示一個由不在柵元n內(nèi)的點組成的空間區(qū)域。#(

---)，括號內(nèi)是對某一個柵元進(jìn)行描述的曲面——柵元關(guān)系組，這一形式定義的幾何區(qū)域由不屬于括號內(nèi)描述區(qū)域的點組成的空間。 例如：30-12-4 $定義柵元3 #3 $與下行相同

#(-12-4)2023/6/9蒙特卡羅方法 在柵元卡上可定義柵元參數(shù)以代替在輸入文件中數(shù)據(jù)卡部分定義的柵元參數(shù)。格式為：關(guān)鍵詞＝值。這兒允許的關(guān)鍵詞是：帶有粒子標(biāo)識符的IMP、VOL、PWT、EXT、FCL、WWN、DXC、NONU、PD和TMP，以及關(guān)于重復(fù)結(jié)構(gòu)的4個柵元參數(shù)卡：U卡、TRCL卡、LAT卡和FILL卡。 在LIKEnBUT格式中，還有兩個關(guān)鍵詞MAT和RHO，分別表示柵元的介質(zhì)號和密度。2023/6/9蒙特卡羅方法 例如：1016-4.21-23IMP:N=4IMP:P=8

表示柵元10由曲面1的正面、曲面2的負(fù)面和曲面3的正面的交集組成，填充質(zhì)量密度為4.2克/厘米3

的16號材料。該柵元的中子重要性為4，光子重要性為8。 例如：23-3.7-1IMP:N=2IMP:P=4 3LIKE2BUTTRCL=1IMP:N=102023/6/9蒙特卡羅方法曲面描述卡由方程定義曲面格式：jnalistj曲面號，1≤j≤99999，寫在第1～5列上。如果曲面號前有*號，則該曲面為反射面。n對應(yīng)坐標(biāo)變換卡TRn，表示該曲面是在輔助坐標(biāo)系下描述的，而該輔助坐標(biāo)系與基本坐標(biāo)系之間的關(guān)系由TRn卡給出。如果沒有坐標(biāo)變換，即曲面是在基本坐標(biāo)系下描述的，則該項缺省。a曲面助記符。list曲面方程參數(shù)，1～10項，取決于曲面類型。參見MCNP手冊，表3.1。2023/6/9蒙特卡羅方法用點定義軸對稱曲面 類型為X、Y或Z的曲面卡是用坐標(biāo)點描述曲面而不是用方程系數(shù)描述。用這些卡描述的曲面必須是分別關(guān)于X、Y或Z軸對稱的，并且如果該曲面是由多葉組成的，則指定的坐標(biāo)點必須全都在同一個葉上。格式：jnalistj曲面號，1≤j≤99999，寫在第1～5列上。nTRn卡的號，如果沒有坐標(biāo)變換，則該項缺省。a字母X、Y或Z。list1～3對點的坐標(biāo)。2023/6/9蒙特卡羅方法 每一對坐標(biāo)點定義這個曲面上的一個點。例如在一張Y卡上可以給出：

jYy1r1y2r2

其中，()是第i

點的坐標(biāo)。給出的坐標(biāo)點對數(shù)的不同，描述的曲面類型也不同。給出一對坐標(biāo)，則定義一個平面（PX、PY或PZ）。給出二對坐標(biāo)，則定義的是線性曲面（PX、PY、PZ、CX、CY、CZ、KX、KY或KZ）。給出三對坐標(biāo)，則定義的是二次曲面（PX、PY、PZ、SO、SX、SY、SZ、CX、CY、CZ、KX、KY、KZ或SQ）。 當(dāng)用兩點定義一個錐面時，只生成一個單葉錐面。 曲面的指向與方程指定曲面（SQ除外）是一樣的。 對于SQ，遠(yuǎn)離對稱軸的點具有正指向。而方程定義的SQ可以自由選取指向。2023/6/9蒙特卡羅方法由三個點定義一般平面

MCNP對用戶指定的P型曲面，將檢查所給的數(shù)據(jù)個數(shù)，若是4項，則作一般斜置平面方程的系數(shù)理解，若多于4項時，便作為三維空間點的坐標(biāo)值理解。每三個數(shù)定義空間一個點，MCNP將把它們轉(zhuǎn)換成所需要的曲面系數(shù)以產(chǎn)生平面：

AX+BY+GZ－D＝0格式：jnPX1Y1Z1X2Y2Z2X3Y3Z3j曲面號，1≤j≤99999，寫在第1～5列上。nTRn卡的號，如果沒有坐標(biāo)變換，則該項缺省。P該曲面卡的助記符。（Xi,Yi,Zi）定義該平面的點坐標(biāo)。2023/6/9蒙特卡羅方法數(shù)據(jù)卡 在信息卡、柵元描述卡和曲面描述卡之后輸入的是數(shù)據(jù)卡，數(shù)據(jù)卡可分為10類：問題類型幾何卡減方差源描述計數(shù)描述材料及截面描述能量及熱處理問題截斷條件用戶數(shù)據(jù)數(shù)組外圍卡 數(shù)據(jù)卡中，標(biāo)識符必須從前5列開始填寫。2023/6/9蒙特卡羅方法問題類型（MODE）卡 如果不給出MODE卡，則缺省形式是MODEN，即缺省值是中子輸運問題。格式：MODEx1

…

xi

xi＝N，中子輸運。P，光子輸運。E，電子輸運。2023/6/9蒙特卡羅方法幾何卡 幾何卡有以下幾類：助記符卡片類型VOL柵元體積AREA曲面面積UUniverseTRCL柵元變換LAT格子FILL填充卡TR坐標(biāo)變換2023/6/9蒙特卡羅方法 坐標(biāo)變換卡格式：

TRn

O1，O2，O3，B1，B2，B3，B4，B5，B6，

B7，B8，B9，M

n

＝變換號，1≤n≤999，*TRn表示 Bi是角度而非角度的余弦。

O1，O2，O3

＝坐標(biāo)變換向量的位移。

B1至B9

＝坐標(biāo)變換的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣。

元素

B1，B2，B3，B4，B5，B6，B7，B8，B9

軸 x,x’y,x’z,x’x,y’y,y’z,y’x,z’y,z’z,z’ M ＝1，表示位移是輔助坐標(biāo)系原點 相對于基本坐標(biāo)系的位移。 ＝－1，表示位移是基本坐標(biāo)系原點 相對于輔助坐標(biāo)系的位移。2023/6/9蒙特卡羅方法減方差

MCNP運用以下卡片來減小方差：助記符卡片類型IMP柵元重要性ESPLT能量分裂和俄國輪盤賭PWT次級光子權(quán)重EXT指數(shù)變換VECT方向矢量定義FCL強迫碰撞2023/6/9蒙特卡羅方法助記符卡片類型WWE權(quán)重窗的能量或時間間隔WWN權(quán)重窗的邊界WWP權(quán)重窗的參數(shù)WWG權(quán)重窗生成器WWGE權(quán)重窗生成器的能量或時間間隔MESH重疊重要性網(wǎng)格權(quán)重生成器PD探測器貢獻(xiàn)DXCDXTRAN貢獻(xiàn)BBREM韌致輻射偏倚因子2023/6/9蒙特卡羅方法源定義助記符卡片類型SDEF通用源SIn源的信息SPn源的概率SBn源的偏倚DSn相關(guān)的源SCn源的注釋SSW寫曲面源SSR讀曲面源KCODE臨界源KSRC臨界計算的源起始點ACODEα特征值源2023/6/9蒙特卡羅方法 通用源卡： 格式2023/6/9蒙特卡羅方法計數(shù)描述 下列卡片用來記錄計算結(jié)果：助記符卡片類型Fna計數(shù)類型FCn計數(shù)注釋En計數(shù)能量間隔Tn計數(shù)時間間隔Cn計數(shù)方向余弦間隔FQn計數(shù)打印層次FMn計數(shù)乘子DEn/DFn劑量能量/劑量函數(shù)EMn計數(shù)能量乘子2023/6/9蒙特卡羅方法助記符卡片類型TMn計數(shù)時間乘子CMn計數(shù)余弦乘子CFn計數(shù)柵元標(biāo)志SFn計數(shù)曲面標(biāo)志FSn計數(shù)片段劃分SDn計數(shù)片段的體積/面積FUn子程序TALLYX輸入TFn計數(shù)漲落打印DD探測器和DXTRAN診斷DXTDXTRAN球參數(shù)FTn計數(shù)特殊處理2023/6/9蒙特卡羅方法 計數(shù)類型卡Fna格式：

助記符類型說明Fn單位*Fn單位F1:(N、P、E)面流粒子MeVF2:(N、P、E)面通量粒子/cm2MeV/cm2F4:(N、P、E)體通量粒子/cm2MeV/cm2F5a:(N、P)點或環(huán)探測器通量粒子/cm2MeV/cm2F6:(N、P、N,P)平均沉積能量MeV/克109J/克F7:N平均裂變沉積能量MeV/克109J/克F8:(P、E、P,E)脈沖MeV+F8:E沉積電荷電荷無2023/6/9蒙特卡羅方法材料描述 這組卡片用于指定在柵元中所使用的材料成分和使用那些截面數(shù)據(jù)。助記符卡片類型Mm材料成分DRXS離散反應(yīng)截面TOTNU總裂變NONU裂變截斷AWTAB原子量XSn截面文件VOID否定材料PIKMT次級光子產(chǎn)生偏倚MGOPT多群特征描述2023/6/9蒙特卡羅方法 材料成分卡Mm格式：

MmZAID1fr1ZAID2fr2…keyword=value