MCNP以及使用方法

1、MCNP以及使用方法总 目 录MC方法解粒子输运问题MCNP及使用粒子输运问题粒子输运系统输运结束条件？所求量粒子源输运长度粒子和物质作用的核素、作用类型、作用后粒子能量和方向MC方法解粒子输运问题逐一模拟每个粒子在输运系统中的输运过程，模拟足够多的粒子（相对统计误差可接受） （MC原理：大量、随机性实验）计算粒子对所求物理量的平均贡献（ MC原理：平均结果近似问题的解） 一般情况下，当模拟足够多粒子后，认为所模拟的粒子的平均行为近似为输运系统中粒子的平均行为；粒子对所求物理量的平均贡献即为问题的蒙卡解。开始数据预处理, 各记录单元清零取一个粒子历史源分布抽样输运过程碰撞过程历史终止否？统计处

2、理做完给定历史数否？结果的处理与输出终止记录过程记录过程记录过程记录过程MC输运流程图 根据问题的几何条件、物理假定、处理方法，可归纳为以下几种：粒子从系统逃脱；粒子经碰撞被吸收；经俄国轮盘赌后，历史被终止；粒子能量低于给定能量（阈能）；粒子位置越过某一界面；粒子飞行时间超过给定时间；粒子权重小于某个小量。粒子历史终止条件总 目 录MC方法解粒子输运问题MCNP及使用MCNP目录MCNP简介MCNP运行MCNP输入文件编写举例MCNPA General Monte Carlo Neutron and Photon Transport Code开发： 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（ Los Ala

3、mos National Laboratory ）的蒙特卡罗小组MCNP发展历史 MC方法研究（1948年开始）MCS （1963年）MCN（1965年）中子，三维几何，具有独立的数据库MCNG=MCN+MCG （1973）模拟高能光子MCNP=MCNG+MCP （1977年）模拟低能光子（能量达1KeV)Stan Ulam, John,von Neumann Nicholas MetropolisM.C 方法的命名It was Nicholas Metropolis who noted that Stan had an uncle who would borrow money from re

4、latives because he “just had to go to Monte Carlo” and thus named the mathematical method “Monte Carlo.”MCNP发展历史MCNP3 （1983年）MCNP3A （1986年）MCNP3B （1988年）MCNP4 （1990年）MCNP4A（1993年）MCNP4B （1997年）（LAHET+HMCNP）MCNP4C （2000年）MCNPX：质子、中子、光子、电子耦合（UNIX 第一个版本，具有并行功能，可以计算电子）（记数分析图）可以计算微扰可以更好处理不可分辨共振MCNP5(2003

5、年)(ANSI standard Fortran 77)(ANSI standard Fortran 90)MCNP可处理问题neutron onlyphoton onlyelectron onlycombined neutron/photon(n-p)neutron/photon/electronphoton/electronelectron/photonPhotonuclear （mcnp4c不能处理光核反应）Keff（裂变系统）MCNP粒子能量限制neutron：10E-11 MeV to 20 MeV(all isotope)up to 150 MeV(some isotope)pho

6、ton: 1keV to 100GeVelectron: 1keV to 1GeV工作方式Monte Carlo程序的工作方式：用户代码型：EGS，GEANT，MARS输入文件型：MCNP，FLUKAMCNP属于第二种源码开放，用户可以自己修改程序，重新编译MCNP做题三步骤：已知、求/证明；解；答。MCNP（求解）输入文件：告诉MC程序已知什么、求什么输出文件：告诉我们答案是什么输出文件介绍 程序运行完之后，主要生成以下几类输出文件：标准输出（out*）用于接续运行(runtp*)统计结果输出（mctal）mesh统计结果输出（meshtal)输出文件out*输入文件重复区域、截面、物理设置

7、、动态内存信息输运过程信息输运完成后的结果综述tally卡结果详细信息tally卡结果综合信息输运粒子数、时间信息输出文件runtp*主要用于接续运行运行命令为：mcnp5 c i=*在*文件中第一行为：continue第二行给出运行历史（粒子数或运行时间）注意：如果用nps，则nps代表总粒子数如果用ctme，则ctme代表继续运行时间MCNP目录MCNP简介MCNP运行MCNP输入文件编写举例MCNP运行运行平台Windows平台下运行Linux平台下运行常用指令：mcnp5 i=* o=* r=*mcnp5 i=* (输出文件out*，runtp* 自动从e字母开始排)mcnp5 i=*

8、 r=runtp* c （接续运行）mcnp5 i=* c (默认为runtpe) （接续运行）对于Mcnp4c版本，mcnp5mcnp，其余不变Windows平台下运行Linux平台下运行登录服务器 user：flukau password：flukau软件：SSHSecureShellClientSSH Secure SSH Secure Shell ClientLinux相关命令网上搜。运行SSH Secure 使用方法同ftp添加profile登陆密码同用户名：flukau鼠标右键，添加文件夹，用自己的名字命名；以后上传、下载文件以及运行程序都在自己的文件夹内进行。按图示打开输入运行命

9、令的窗口；也可以双击桌面的SSH Secure Shell Client，但后者要再次登录。进入自己的文件夹手动刷新，显示新生成的文件MCNP目录MCNP简介MCNP运行MCNP输入文件编写举例粒子输运问题的“已知” 和 “求”已知：输运系统已知：输运方式求：？粒子类型位置方向能量几何描述介质材料输运粒子类型粒子死亡条件运算终止条件减方差技巧统计量统计方式已知：粒子源输入文件输入文件采用卡片结构所谓的“卡片”就是一行输运粒子类型卡几何相关卡源定义卡减方差技巧卡统计卡材料定义卡物理过程卡问题截止卡用户数组卡其它卡信息块 可选空行分隔符可选标题卡栅元卡 空行分隔符！面卡 空行分隔符！数据卡 空行终

10、止符 推荐使用其它 可选输入文件举例行输入格式书写规则栅元卡和面卡之间必须空一行!面卡和数据卡之间必须空一行！每行不超过80列；所有卡都必须从第15列开始；如果15列为空白，则表示它是前一张卡的继续卡； 而至少一个空格以后的符号&表示随后的卡是继续卡数据项由一个或多个空格分开英文大小写都可书写规则注释为c（行注释符）或者$（末尾注释符）nR代表重复 1 3R = 1 1 1 1nI代表递加 1 2I 4 = 1 2 3 4xM代表递乘 1 3M 3M = 1 3 9nJ代表跳过（默认） 比如：DBCN X1 X20 DBCN 15J 8 3J 1(只给第16和第20个参数赋值，其它默认) MC

11、NP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 几何描述类似于搭积木（面、块搭成）面的布尔运算(交、并、余) 栅元长方体 六个平面交圆柱体 一个圆柱面和两个平面交球体 一个球面不规则体：比如，球内挖去一个小圆柱体剩余的部分面卡可定义的面包括：平面、球面、椭球面、双曲面、抛物面、柱面、锥面、圆环面四种形式直接用面方程进行定义（面编号 关键字 参数）使用点定义轴对称面使用三点确定普通平面使用小体积元定义面BOX RP

12、P SPH RCC面方程定义曲面卡助记符类型说 明方 程卡片上的数据项PPXPYPZ平面一般垂直X轴垂直Y轴垂直Z轴SOSSXSYSZ球面球心在原点一般球心在X轴球心在Y轴球心在Z轴C/XC/YC/ZCXCYCZ圆柱面平行于X轴平行于Y轴平行于Z轴轴心在X轴轴心在Y轴轴心在Z轴面方程定义曲面卡（续）助记符类型说 明方 程卡片上的数据项K/XK/YK/ZKXKYKZ圆锥面平行于X轴平行于Y轴平行于Z轴轴心在X轴轴心在Y轴轴心在Z轴1只用于单叶锥面SQ椭球面双曲面抛物面轴平行于X、Y或Z轴GQ圆柱面圆锥面椭球面双曲面抛物面轴不平行于X、Y或Z轴助记符类型方 程卡片上的数据项TXTYTZ椭圆或圆形的

13、圆环面对称轴平行于X、Y或Z轴面方程定义曲面卡（续）曲面的布尔运算运算符：交：空格并：冒号:余：井号#曲面方向： 假定曲面 S 的曲面方程为 f (x,y,z)0 对于f (x,y,z)0的区域，为+S， “+”号可不写； 对于f (x,y,z)0的区域，为-S。小体积元方向： 体积元内为-，外为+几何描述举例长方体：20*5*10面卡：1 px 02 px 5 3 py 0 4 py 205 pz 0 6 pz 10长方体内：1 -2 3 -4 5 -6长方体外：-1:2:-3:4:-5:6xyz圆柱体：半径5底面圆心(0,25,0)顶面圆心(0,45,0)面卡：1 cy 02 py 25

14、3 py 45 圆柱体内：-1 2 -3圆柱体外：1:-2:3栅元卡几何描述 + 材料定义栅元编号 材料号 材料密度 几何描述 其它说明其它说明格式：关键词=*，关键词IMP、VOL、PWT、EXT、FCL、WWN、DXC、NONU、PD、TMP和关于重复结构的U、TRCL、LAT、FILL。对于某些重复结构可使用简写形式： 栅元编号 LIKE 栅元编号n BUT 参数列表 表示该栅元除了参数列表中列出的和栅元n不同，其它都同。 注意：栅元不能有相交的区域，不能有没定义的区域。数据卡输运粒子类型mode卡几何相关卡（可选）源定义卡材料定义卡减方差技巧卡（可选）统计卡物理过程卡（可选）问题截止卡

15、用户数组卡（可选）其它卡Mode卡Mode N /P /E，默认为N注意： 输运的粒子类型和粒子源发射的粒子类型不是一回事。几何相关卡VOL （默认给出所有栅元的体积）AREA （默认给出所有曲面的面积）重复结构卡UTRCLLATFILLTR数据卡输运粒子类型mode卡几何相关卡（可选）源定义卡材料定义卡减方差技巧卡（可选）统计卡物理过程卡（可选）问题截止卡用户数组卡（可选）其它卡源定义卡SDEF粒子信息：类型、位置、方向、能量格式： SDEF 源变量=说明根据源变量特点，说明有三种级别的表达方式：源变量=显值 （包括单值、默认）源变量=Dn （该变量值有个随机分布，由SI和SP卡联合给出其概

16、率分布）源变量=F 另一个源变量 Dn（该变量的值依赖于另外一个变量的分布，由DS卡先说明有几种分布）源变量变量含义缺 省CEL栅元。根据XXX，YYY，ZZZ和UUU，VVV，WWW确定。SUR曲面。0（栅元源）ERG粒子能量MeV）。14 MeVTME时间（ 10-8 秒）。0源变量（续）变量含义缺 省DIR，是VEC和方向UUU，VVV，WWW的夹角余弦。方位角总是在0360之间均匀抽取。体源：在11上均匀抽取 （各向同性源）。面源：在01上的余弦分布 f ()2 中抽取。VECDIR的参考矢量。体源：必须，各向同性除外。面源：垂直于曲面，符号为NRM。NRM曲面法向的符号。+1源变量（

17、续）变量含义缺 省POS抽样位置的参考点。0,0,0RAD抽样位置离开POS或AXS的径向距离。0EXT栅元源：沿AXS方向离开POS的距离。曲面源：离开AXS的角度余弦。0AXS用于EXT和RAD的参考矢量。没有方向X抽样位置的X坐标。无XY抽样位置的Y坐标。无YZ抽样位置的Z坐标。无Z源变量（续）变量含义缺 省CCCCookie-cutter栅元。无ARA曲面的面积（当平面源对点探测器要求直接贡献时才需要此卡）。无WGT源粒子权重。1EFF位置选舍抽样效率判据。0.01PAR源发射的粒子的类型。1中子2光子3电子1：包括中子的问题。2：无中子但有光子问题。3：仅有电子的问题。SI卡给出源变

18、量分布区间的边界值。格式： SIn选项 I1 Ik n 分布号（n 1999）。选项 Ii 的说明，允许的值是： 省略或H：直方图分布的区间边界，仅用于标量。L：离散的源变量值。A：定义概率分布密度的点。S：分布号。 I1 Ik 源变量值或分布号。SI源信息卡SP卡给出概率分布，微分或积分。格式： SPn选项 P1 Pk 或： SPn f a b n 分布号（n 1999）。选项 Pi 的说明，允许的值是： 省略：对H或L分布与D相同，对A分布为概率密度。D： H或L分布的各个区间的概率值(不用归一)。C： H或L分布的各个区间的累积概率值。V：仅用于栅元分布。概率与栅元体积成 正比（若有Pi

19、 ，要乘以Pi ）。P1 Pk 源变量概率。 f 内部函数的标识符。a，b 内部函数的输入参数。SP源概率卡举例举例1：位于原点的3MeV点光源，在锥角=120的圆锥内均匀发射粒子，圆锥轴在z轴上。 sdef pos=0 0 0 erg=3 vec=0 0 1 dir=d1 par=2 si1 0.5 1 sp1 0 1举例2：圆心在原点的球壳源，内径5cm，外径15cm，各项同性发射，均匀分布的中子源 sdef pos=0 0 0 rad=d1 par=1 si1 5 15 sp1 -21 2 (球内均匀分布的话，半径符合r2规律)格式： DSn选项 J1 Jk 或： DSnTI1 J1 I

20、k Jk 或： DSnQV1 S1 Vk Sk n 分布号（n 1999）。选项 Ji 的说明，允许的值是：省略或 H：连续分布的源变量值，仅用于标量。L：离散的源变量值。S：分布号。 T 独立变量值后面跟相关变量的值， 这些变量必须是离散的标量。 Ii 独立变量的值。 Ji 相关变量的值。DS卡复合分布SDEF POS=D1 ERG FPOS D2SI1L 5 3.3 6 75 3.3 6SP1.3 .7DS2S 3 4SI3H 2 10 14SP3D 0 1 2SI4-3 a b这是两个各向同性点源，其中有的概率在(5,3.3,6 )处，能量服从阶梯分布3；而有的概率在(75,3.3,6)

21、处，此时能量服从Watt 裂变谱分布4。举例数据卡输运粒子类型mode卡几何相关卡（可选）源定义卡材料定义卡减方差技巧卡（可选）统计卡物理过程卡（可选）问题截止卡用户数组卡（可选）其它卡材料定义卡材料定义需要知道核素构成及其所占比例。格式：M材料编号 核素1 比例1 核素2 比例2 其它说明核素表示方式：ZZZAAA.nnX或ZZZAAA AAA=0表示按天然元素取原子量nnX是截面库标识，表示从哪个截面库取截面数据只有p或者p/e耦合输运，且忽略光核反应，可以使用ZZZ000来简单描述；中子截面库选择比较难，最简单方法就是只给出ZZZAAA。比例：可归一，可不归一；正值表示原子数比例，负值表

22、示重量份额举例：光子在水中输运 m1 1000 2 8000 1数据卡输运粒子类型mode卡几何相关卡（可选）源定义卡材料定义卡减方差技巧卡（可选）统计卡物理过程卡（可选）问题截止卡用户数组卡（可选）其它卡减方差技巧卡 IMP或WWN卡之一是必须的。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权重窗生成器的能量或时间间隔MESH分层重要性网格权窗生成器PD探测器贡献DXCDXTRAN贡献BBREM韧致辐射偏倚因

23、子格式： IMP:nx1 x2 xi xI n 中子为 N，光子为 P，电子为 E。 N, P 、 P, E 或 N, P , E 也是允许的，如果它们的值相同。xi 栅元 i 的重要性，i 1，2，II 问题中的栅元总数。 缺省：在一个MODE N P 问题中，若省略了IMP:P卡，则所有栅元的光子重要性都置 1，除非其中子重要性为零，这时其光子重要性也为零。栅元重要性卡用于输入各个栅元的重要性。零重要性可以用来终止粒子的历史。IMP卡数据卡输运粒子类型mode卡几何相关卡（可选）源定义卡材料定义卡减方差技巧卡（可选）统计卡物理过程卡（可选）问题截止卡用户数组卡（可选）其它卡统计卡Fna 统

24、计类型En能量间隔Tn时间间隔Cn角度间隔FMn计数乘子DEn剂量能量间隔DFn剂量转换系数EMn能量相乘因子CMn剂量相乘因子FTn统计卡特殊处理参数FMesh 网格计数Fna统计类型卡描述Fn单位*Fn单位F1:N/ P/ E面流量/穿透率particles MeVF2:N/ P/ E统计面通量particles/cm2MeV/cm2F4:N/ P/ E统计体通量particles/cm2MeV/cm2F5a:N/ P统计点通量或环通量particles/cm2MeV/cm2F6:N/ P体能量沉积MeV/g 109 J /gF7:N体裂变能沉积MeV/g 109 J /gF8:P E探测

25、器脉冲幅度谱pulsesMeV+F8:E电荷沉积charge注意：有些是针对面，有些是针对体。举例举例1：F1: N 1 3 6 T 分别计算通过曲面1、3、6的穿透率以及穿过三个曲面的总穿透率。举例2： F34: P 9 计算栅元9内的体通量。注意：有多个同类计数卡时，需要在卡号前加不同数字进行区分。举例3：F5: P 计算点( 0, 20, 15)的点通量。举例4： *F8: P 10 计算栅元10内的能量沉积。En能量间隔卡分能量段给出Fn的计数，否则只给出总计数。格式：En E1 Ek注意：若使用此卡，n必须与相应的Fn的n一致。举例：E11 .1 1 20 在四个能量间隔内统计F11

26、计数：截止能量0.1 MeV；1 MeV；120 MeV；整个能量范围，即截止能量20 MeV关于F8不论 粒子类型取何值，F8都将记录光子和电子，也就是说F8:p、 F8:e、 F8:p e结果一样。注意：选择能量间隔的时候，应该把零区间和(1E-5)区间包括在里面。 举例：E80 1E-5 1E-3 1E-1 零区间用来处理由于撞出电子而产生负计数的情况；(1E-5) 区间内将记录穿过栅元但没有沉积能量的粒子。计算出通量后，根据DF卡给出的通量-剂量转化系数，求得剂量。格式： DEn A E1 Ek DFn B F1 Fk n 计数号。 Ei 第 i 个能量点（MeV）。 Fi 对应第 i

27、 个能量点的剂量函数值。 A LOG或LIN，能量表按对数或线性插值。 B LOG或LIN，剂量函数表的插值方法。缺省：若没有填写A或B，则按对数插值处理。剂量计算DE、DF卡格式： FTn ID1 P1,1 P1,2 P1,3 ID2 P2,1 P2,2 P2,3 n 计数号。 IDi 第 i 项特殊处理的标识符。 FRV 用于计数类型1角度间隔的参考方向。GEB 高斯能量展宽。TMC 时间卷积。INC 指定碰撞次数。ICD 指定要记录对探测器作贡献的栅元。ELC 电流计数。 Pi,j 第 i 项特殊处理的参数。FTn 计数特殊处理卡数据卡输运粒子类型mode卡几何相关卡（可选）源定义卡材料

28、定义卡减方差技巧卡（可选）统计卡物理过程卡（可选）问题截止卡用户数组卡（可选）其它卡物理过程卡助记符卡片类型PHYS能量物理截断TMP自由气体模型热温度THTME热时间卡MTmS(,) 材料卡用于控制MCNP的能量以及其它物理状况。数据卡输运粒子类型mode卡几何相关卡（可选）源定义卡材料定义卡减方差技巧卡（可选）统计卡物理过程卡（可选）问题截止卡用户数组卡（可选）其它卡问题截止卡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断计算。助记符卡片类型CUT粒子截断ELPT栅元能量截断NPS历史数截断CTME计算时间截断CUT粒子截断卡格式：CUT:n T E WC1 WC2 S

29、WTMWC1、WC2、SWTM涉及到减方差技巧，先不讲。T 指截断时间（10-8 秒），缺省值：中子-无限大，光子和电子都是等于中子的截断时间。E 指截断能量（MeV），缺省值：中子，光子和电子都是。举例：CUT:p j 0.01 3j 截断能量为，其余缺省值。格式：NPS N N 粒子的历史数。 该卡指定要计算的粒子历史数，当计算的粒子历史数达到指定值时，MCNP将中止计算。NPS历史数截断卡格式：CTME x x 计算时间（分钟）。 该卡指定该问题在计算机上花费的时间限制，超过该时间，MCNP将中止计算。 所有中止计算的条件只要达到一个就中止计算。CTME计算时间截断卡MCNP目录MCNP简介MCNP运行