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1、生产测井研究所内部培训资料大型通用中子-光子联合 输运蒙特卡罗模拟程序郑华 编大庆生产测井研究所1998年10月前言本教程用于培训那些曾经、正在或将要从事核测井研究工作的人员，使他们掌握一种在计算机上模拟核测井过程的技术。目前研究核测井问题的计算机模拟方法有两种，一是扩散理论方法，二是蒙特卡罗方法。扩散理论法对核测井过程建立玻尔兹曼扩散方程，然后求解。由于测井问题比较复杂，这个含有多个变量的微积分方程一般不能得到解析解，还要用数值方法进行求解，在求解时对粒子运动方向的角坐标可用级数展开或取离散角度处理，对空间和时间变量多采用差分处理。蒙特卡罗方法则对给定的问题建立相应的随机抽样模型，并用以一系
2、列随机数跟踪大量粒子历程的方法完成对粒子输运的模拟。与确定论相比，蒙特卡罗方法能更好地适应复杂的几何条件。蒙特卡罗方法模拟辐射输运的思想在40年代由美国Los Alamos实验室的科学家提出，76年开发出了通用程序MCNP。从80年代开始，美国一些核武器研究实验室和大学受雇于各大测井公司进行核测井数值模拟研究，编写出一批核测井专用蒙特卡罗模拟程序。专用程序的计算时效高，但针对性强，后来随着计算机速度的提高，一般人们还多使用通用程序进行计算。目前最常用的两个通用程序是MCNP和英国原子能署的MCBEND。MCNP具有较强的通用性，可处理任意三维几何问题，提供了多种源分布和记数方式，使用精细的点截
3、面数据。MCNP3版(83年)和3A版(85年)发行后，就成为用蒙特卡罗方法模拟核测井的最流行的通用程序，它解决了特征伽马谱线的问题，可以较好地模拟中子和光子联合输运，使用的主要核数据库是ENDF/B-4。3B是89年发行的版本，对3A版做了许多改进，并增加了几何重复定义功能。91年问世的4版可以联合模拟中子、光子、带电粒子(离子)的输运，可模拟探测器的测量结果。4版与以前版本相比在性能上又有较大改善，程序代码时效有显著提高，使用了更新的ENDF/B-6评价核数据库。MCNP程序3B版传入中国已多年，可从中国原子能科学研究院计算机应用研究所得到拷贝。金文绵、李素梅等人将MCNP3B IBM 3
4、033版移植到微机上，并翻译了原说明书第三章，对中国用户提供了很大帮助。本教程主要内容来源于MCNP3B说明书的前三章，并加上部分本人应用心得。涉及数学方法和物理基础的部分仅作简要介绍，其中多数定义并不严格，目的是让读者易于接受。有关数学基础和蒙特卡罗方法在粒子输运问题中应用方面的详细知识可参阅裴鹿成和张孝泽的专著，中子、光子与物质相互作用的知识可从核物理教材中了解。鉴于本教程有特定的应用范围，其中并不全面覆盖使用MCNP3B程序的所有知识。有关计算裂变核反应(如临界问题)、如何修改源程序和用户编写输入子程序(如定义用户源、用户记数)的内容本教程中一概不予介绍，还有一些我们不常用的MCNP功能
5、(如几何描述重复定义、坐标变换等)也不介绍。对这些内容感兴趣的读者可以阅读MCNP3A和3B使用说明书。由于本人才疏学浅，使用MCNP程序的经验又不多，编写过程也比较匆忙，本教程中不免存在错误和疏漏。如读者发现其中有差错之处或觉得部分叙述晦涩难懂，请与编者联系，电话是5970055(家)、5592052(办)。郑华1998/10/5目录页码第一章 入门11.1 用蒙特卡罗方法模拟粒子输运1.2 MCNP简介A. 程序的发展过程和应用领域B. 程序的特点1.3 MCNP输入文件2A. 输入文件的基本形式B. 一个简单的例子C. 接续运行的输入文件D. 卡片格式3E. 输入错误信息1.4 如何运行
6、MCNP3B微机版A. MCNP3B程序包的主要文件B. 安装和运行MCNP3B的操作步骤4第二章 几何2.1 基础知识A. 概述B. 栅元定义中的一些概念C. 有关曲面的一些知识2.2 几何描述卡5A. 栅元卡B. 曲面卡2.3 有效地构建几何6A. 定义栅元的原则B. 检查几何错误第三章 数理基础3.1 物理A. 粒子权重B. 粒子径迹C. 中子与物质作用D. 光子与物质作用83.2 记数9A. 面流量记数B. 通量记数C. 栅元能量沉积记数D. 探测器记数E. 记数精度103.3 减小方差技巧11A. 统筹考虑B. 能量截断C. 时间截断D. 几何分裂和轮盘赌E. 能量分裂和轮盘赌F.
7、暗含俘获和权重截断G. 强迫碰撞12H. DXTRANI. 源变量偏倚J. 权重窗口13K. 指数变换L. 相关抽样M. 点探测器第四章 数据卡4.1 问题类型卡144.2 栅元参数和曲面参数卡A. IMP 栅元重要性卡B. VOL 栅元体积卡C. AREA 曲面面积卡D. PWT 光子产生权重卡E. EXT 指数变换卡F. VECT 矢量输入卡G. FCL 强迫碰撞卡15H. WWE 权窗能量卡I. WWN 权窗边界卡J. WWP 权窗参数卡K. WWG 权窗产生器卡L. WWGE 权窗产生器能量卡M. PDn 探测器贡献卡N. DXC DXTRAN贡献卡164.3 源的描述A. SDEF
8、通用源卡B. SIn 源信息卡17C. SPn 源概率卡D. SBn 源偏倚卡E. DSn 相关源分布卡18F. SCn 源注释卡4.4 记数方式的指定19A. Fna 记数类型卡B. FCn 记数注释卡20C. En 记数能量卡D. Tn 记数时间卡E. Cn 记数余弦卡F. EMn 记数能量乘子卡G. TMn 记数时间乘子卡H. CMn 记数余弦乘子卡I. DEn/DFn 剂量能量/剂量函数卡J. CFn 记数栅元标志卡K. SFn 记数界面标志卡L. FSn 记数片段划分卡M. SDn 记数片段的体积/面积卡N. FQn 记数打印层次卡21O. TFn 记数涨落打印卡P. DD 探测器和
9、DXTRAN诊断指定卡Q. DXT DXTRAN的参量卡R. FTn 记数特殊处理卡4.5 材料的指定22A. Mm 材料成份卡B. DRXS 离散反应截面卡23C. AWTAB 原子量卡D. VOID 否定材料卡4.6 能量和热处理方式的指定A. PHYS 能量物理截断卡B. ESPLT 能量分裂和轮盘赌卡C. TMP 自由气体热处理卡D. THTME 热时间卡E. MTm S(a,b)材料卡244.7 问题截断卡A. CUT 截断卡B. NPS 历史截断卡C. CTME 计算时间截断卡4.8 外围卡A. PRDMP 打印及转储周期卡B. LOST 丢失粒子卡C. DBCN 调试信息卡D.
10、PRINT 打印控制卡254.9 MCNP输入文件综述A. 输入卡B. 存储限制第五章 经验265.1 一般应用步骤5.2 需注意的问题附录连续能量中子截面库ENDL851数据目录中子热截面库BMCC1数据目录离散中子截面库D91数据目录27光子截面库MCPLIB1数据目录特殊材料S(a,b)热截面库TMCC1数据目录参考文献MCNP 3B 实用教程 郑 华 编第 1 页第一章 入门MCNP3B版是一套模拟中子和光子联合输运的通用蒙特卡罗程序，它具有连续能量、三维几何和与时间相关的处理能力。本章仅简要介绍该程序的使用方法，详细内容将在后续各章中叙述。1.1 用蒙特卡罗方法模拟粒子输运图1.1
11、单个中子随机历程示意中子和光子在物质中输运的宏观表现是大量粒子与原子核微观作用的平均结果，蒙特卡罗方法通过逐一模拟和记录单个粒子的历程来求解输运问题。要得到比较合理的平均结果需要跟踪大量的粒子，至于单个粒子在其生命中的某一阶段如何度过，可以在已知统计分布规律的前提下通过抽取随机数来决定。这就象掷骰子赌博一样，因而得名蒙特卡罗方法* Monte Carlo，又译蒙特卡洛，摩纳哥的世界著名赌城。图1.1显示了模拟中一个中子射入物质后的随机历程。首先根据中子与物质作用的物理规律(分布函数)，选取一个随机数决定中子在何处与原子核碰撞，本例中在1点碰撞；然后再用抽取随机数的方法决定中子与原子核发生了哪种
12、反应，这里抽出的是非弹性散射反应；散射中子的能量和向哪个方向飞行也是用抽取随机数的方法从已知分布函数中决定的；碰撞过程中是否产生光子以及光子的能量、飞行方向等参数还是要通过抽取随机数从已知分布中决定，这里产生了一个光子。跟踪光子，确定它在7点与原子核碰撞并被吸收。散射后的中子在2点与原子核发生(n,2n)反应，其中一个出射中子射向探测器，另一个中子在3点被吸收。在2点的碰撞还产生了一个光子，它在5点又与原子核发生了一次散射反应，并离开物质。这一入射中子的历史过程结束了，有一个中子到达了探测器，感兴趣的结果被记录下来。跟踪越来越多的入射粒子历程后，平均结果就能反映出宏观效果。通过以上描述，读者不
13、难领略蒙特卡罗方法如何通过跟踪粒子历程的方法计算问题，也了解了随机数在蒙特卡罗计算中的独特作用。1.2 MCNP简介A. 程序的发展过程和应用领域40年代美国Los Alamos实验室的Fermi、von Neumann和Ulam等人提出用蒙特卡罗方法模拟辐射输运的思想。47年Fermi发明了第一台用蒙特卡罗方法计算中子链式反应的机器。从50年代开始，von Neumann领导一个小组研究输运问题的蒙特卡罗处理方法，编写出模拟中子输运的程序MCS。63年蒙特卡罗方法描述语言标准化。65年完成的中子输运程序MCN有了很大改进，使用了标准的截面库，并且具有复杂几何描述功能。后来，Los Alamo
14、s实验室又开发了模拟光子输运的程序MCG(高能)和MCP(能量低至1keV)。73年MCN和MCG合并成MCNG，为MCNP的雏形。MCNP于76年开发成功，77年6月发行。3B版之前还发行过1A、1B、2、2A、2B、2C、2D、3和3A版。MCNP软件包(a general Monte Carlo code for Neutron and Particle transport)是一套通用的、模拟三维空间中连续能量的中子、粒子联合输运的程序，其名字早先来源于the analog Monte Carlo method for Neutron and Protons transport的缩写。MCNP3版(83年)和3A版(85年)发行后，这一软件在核测井领域逐渐成为最流行的通用程序，程序模拟结果和模型井实验结果较好地吻合，此时程序使用的主要核数据库是ENDF/B-4。88年发行的3B版程序增加了几何重构功能。91年4版问世，加入了模拟带电粒子(离子)输运部分，可以模拟探测
