MCNP程序在实验核物理中的应用
MCNP计算三个实例
MCNP计算的应用领域
01
02
03
核反应堆设计
MCNP可用于模拟核反应 堆中子扩散、燃料棒性能 等，为反应堆设计提供支 持。
核安全评估
MCNP可用于评估核设施 的安全性，预测事故后果， 为安全决策提供依据。
放射化学研究
MCNP可用于研究放射性 物质的衰变、化学反应等 过程，为放射化学研究提 供支持。
MCNP广泛用于核工程、核安全、放射化学等领 域。
MCNP计算的特点
高度模块化
MCNP程序由多个模块组成，每 个模块可以独立运行，方便用户 根据需要进行修改和扩展。
精确度高
MCNP采用概率论方法模拟粒子 运动，能够较为准确地模拟复杂 核反应过程。
适用范围广
MCNP可以模拟不同类型粒子在 各种物质中的传输和相互作用， 具有广泛的适用性。
01
设置粒子的初始位置、速度、能量等参数，以及各区域的边界
条件（如反射、透射等）。
技巧
02
根据实际需求选择合适的初始条件和边界条件，以模拟真实的
粒子输运过程。
注意事项
03
确保初始条件和边界条件的设置合理且准确，避免对计算结果
产生负面影响。
计算结果分析
步骤
对MCNP计算结果进行后处理和分析，提取有用的信息，如粒 子分布、能量损失等。
放射性废物处理
MCNP在放射性废物处理领域也有广泛应用，通 过模拟放射性废物的衰变、迁移和扩散等过程， 为废物处理和处置提供科学依据。
武器物理模拟
MCNP也被用于武器物理模拟，如核爆炸、中子 武器和裂变武器等。通术支持。
医学放射治疗
• 智能化与自动化：随着人工智能和机器学习技术的发展，MCNP的智能化和 自动化也是未来的一个重要方向。通过引入人工智能和机器学习技术，可以实 现MCNP计算的自动化和智能化，提高计算效率和精度。
MCNP(3B)说明书(下)
第三章
3.1 界面的粒子通量密度与流密度…………………………………………………………...27 3.2 平均通量密度记数………………………………………………………………………...28 3.3 栅元中的能量沉积记数…………………………………………………………………...28 3.4 探测器通量………………………………………………………………………………...29 3.4.1 点探测器………………………………………………………………………………..30 3.4.2 OMCFE 探测器………………………………………………………………………...32 3.4.3 环探测器………………………………………………………………………………..33
参考资料………………………………………………………………………………………...54
iii
第一章
几何描述与处理
MCNP 能够处理任意的三维几何结构问题，各栅元可用笛卡尔坐标系下的一阶、二阶 曲面及某些特殊的四阶曲面（如椭圆环曲面）所界定。笛卡尔坐标系由用户随意定义，但一 般都采用右手系。而且，对于轴对称系统，常取 Z 轴作对称轴（并非必须） 。
i
目
第一章
录
几何描述与处理………………………………………………………………….…1
1.l 栅元(Cell)…………………………………………………………………………………...l 1.1.1 用“交”运算定义栅元…………………………………………………………………2 1.1.2 用“联”运算定义栅元…………………………………………………………………2 1.1.3 用“余”运算定义栅元………………………………………………………………….3 1.2 曲面(Surface)………………………………………………………………………………5 1.2.1 虚设曲面…..………….………………………………………………………………….6 l.2.2 反射曲面………………………………………………………………………………….6 1.2.3 曲面的描述方法…………………………………………………………………………7 1.3 粒子飞行轨线的计算……………………………………………………………………...7 1.4 体积与面积的计算………………………………………………………………………...8 1.4.1 对称体积与面积的计算…………………………………………………………………8 1.4.2 不可计算的体积与面积………………………………………………………………..10 1.4.3 非对称的体积、 面积之随机估计………………………………………………………10
中子活化瞬发伽马分析的MCNP模拟研究
在本工作中，采用MCNP5程序和ENDF/B6数 据库进行了锎源中子活化瞬发伽马分析的模拟 计算，给出了所配制样品中Fe、S元素的特征 谱，并与实验进行了对比分析。
计算模型
实验装置由252Cf中子源、聚乙烯、样品、NaI 探测器等构成。
计算程序采用MCNP5程序，截面数据使用 ENDF/B6库数据。装置的尺寸数据取用了实 验中所用数据。
1.00E-009
5.00E-010
0
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200
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500
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S质量/g
由图可以看出，当样品中的S含量增加时，特征 峰计数近似成线性增加，这表明通过S元素特征 峰的定量分析，根据这种成分和特征峰计数之 间的线性关系，能够对应给出S含量数据。
样品中含2%的S元素时的γ能谱
1E-4
1E-5
2015年8月——合肥会议
中子活化瞬发伽马分析的 MCNP模拟研究
报告人：朱传新
中物院 核物理与化学研究所
提要
引言 计算模型 结果与讨论 结论
引言
中子活化瞬发伽马分析在煤质成分检测、水泥成分分 析等物料分析中，是一种重要的分析手段。
Carlos等科学家采用MCNP程序对于水泥生料密度和 水分进行PGNAA系统的伽马计数率修正以及进行系 统的刻度工作。
明：两种不同的中子能谱描述方式，对于中子 活化瞬发伽马分析的MCNP理论计算而言，其 影响可以忽略，对于8MeV以上的能谱 Maxwell分布谱模拟效果更好，建议使用 Maxwell分布谱对252Cf中子源谱描述来模拟计 算。
（1）对于2MeV以下区域，计算值与实验值的 差异在10%左右，吻合较好。
（2）对全谱总数比较来看，计算值与实验值 的差异在6%左右。
核科学与工程专业课程设计
课程设计
一．设计任务书：
1．设计目的
a.掌握粒子输运模拟的基本原理；
b.掌握蒙特卡罗程序MCNP的使用方法
2.设计任务
a.利用MCNP程序建立栅元计算模型，并计算不同水铀比、硼浓度及燃料富集度时栅元的 ；
b.利用MCNP程序建立组件计算模型，并计算不同可燃毒物布置下组件 ；
kcode 5000 1.0 50 300
ksrc 0 0 0
3.1.2不同水铀比时栅元的
1.水铀比的定义：慢化剂和燃料的体积比VH2O/VUO2。在这次课程设计中，我们采用让燃料的2.体积保持不变，通过改变栅元的大小来改变水的体积从而得到不同的水铀比。
3.变量实现：VH2O/VUO2=（D2-πr12）/πr22
*10 px -0.65
*11 px 0.65
*12 py -0.65
*13 y 0.65
*14 pz 1.0
*15 pz -1.0
m1 92235 0.03 92238 0.97 8016 2
m2 40000 1.0
m3 1001 2 8016 1
mt3 lwtr.01
c page 756 in C700.PDF
2.数据记录：
表2
3.数据处理：
利用数据，在origin中画图，图形如下所示：
图2
4.结论：
随着硼浓度的增加， 依次递减。这是由于硼是中子吸收体，硼浓度越高，对于中子的吸收能力越强，与核燃料发生裂变反应的热中子减少，导致 减小。
3.1.3.不同燃料富集度时栅元的
1.变量实现：
燃料的富集度是指U235/U235+U238,因而在程序的“92235 0.03 92238 0.97 8016 2”，通过改变92235和92238的比例即可。
蒙特卡洛方法在实验核物理中的应用 pdf
蒙特卡洛方法在实验核物理中的应用 pdf蒙特卡洛方法在实验核物理中的应用蒙特卡洛方法是指利用随机数模拟来解决数学计算问题的方法。
在实验核物理中，蒙特卡洛方法被广泛应用以模拟核反应等过程，具有较高的可靠性和准确性。
下面将从以下几个方面介绍蒙特卡洛方法在实验核物理中的应用。
一、核反应过程的模拟核反应过程是实验核物理的研究重点之一，对核反应的模拟能够帮助研究人员更好地理解和预测核反应过程的具体性质。
蒙特卡洛方法可以通过构造一系列随机数来模拟核反应过程，包括入射粒子的参数以及靶核的特性等，从而计算出反应的截面值、角分布以及能谱分布等信息。
二、探测器性能的评估在核物理实验中，探测器是测量的关键之一。
探测器的性能包括探测效率、分辨率以及探测精度等方面，这些性能的好坏直接影响到实验的精度和可信度。
蒙特卡洛方法可以模拟探测器的探测效率和响应，从而评估探测器的性能，确定最佳的实验方案和参数。
三、核废料处理的研究核废料处理是核能研究的一个重要方面，蒙特卡洛方法可以模拟核废料的处理过程，从而计算出不同处理方式的效果和安全性。
例如，蒙特卡洛方法可以模拟核废料的原子核结构，计算不同的射线照射剂量等参数，帮助评估不同的处理方案和进行安全性分析。
四、核反应堆研究核反应堆的研究是核能研究的重要方向之一，蒙特卡洛方法可以模拟核反应堆中的核反应过程、中子传输过程以及热工水力过程等，从而计算出反应堆的参数和性能。
蒙特卡洛方法还可以模拟反应堆的失效和事故情况，帮助研究人员进行反应堆的安全性分析和风险评估。
综上所述，蒙特卡洛方法在实验核物理中具有广泛的应用价值，在核反应过程模拟、探测器性能评估、核废料处理、核反应堆研究等多个方面发挥着重要作用。
蒙卡习题答案
1.理解蒙特卡罗方法的名称由来、建立基础等。
答：（1）名称由来：法国数学家蒲丰提出用投针实验的方法求圆周率，这是蒙卡方法的起源。
（2）建立基础：以概率统计理论为基础。
2.简述蒙的卡罗的基本思想？答：基本思想：把随机事件（变量）的概率特征与数学分析的解联系起来。
3.简述蒙的卡罗的优点？答：（1）能够比较逼真地描述具有随机性质的事物的特点及物理实验过程；（2）受几何条件限制小；（3）收敛速度与问题的维数无关；（4）具有同时计算多个方案与多个未知量的能力；（5）误差容易确定；（6）程序结构简单，易于实现。
4.简述蒙的卡罗的缺点？答：（1）收敛速度慢；（2）误差具有概率性；（3）在粒子输运问题中，计算结果与系统大小有关。
5.简述求解定积分可能的方法？答：（1）求解析式获得准确数值解；（2）积分的数值方法求近似数值解，（3）蒙特卡罗近似求解。
6.蒙的卡罗方法主要应用领域？答：蒙特卡罗方法所特有的优点使得应用范围广，主要应用范围包括：粒子输运问题，统计物理，典型数学问题，真空技术，激光技术以及医学，生物，探矿等方面。
7.蒙特卡罗方法在粒子输运问题中的应用主要包括？答：实验核物理、反应堆物理、高能物理等。
8.蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用主要包括？答：通量及反应率、中子探测效率、光子探测效率、光子能量沉积及响应函数、气体正比计数管反冲质子谱、多次散射和通量衰减修正等。
蒙特卡罗方法原理-181.随机数概念、特点及产生方法。
答：（1）随机数概念：在连续型随机变量的分布中，最简单且最基本的分布是单位均匀分布。
由该分布抽取的简单子样称随机数序列，其中每一“个体”称为随机数。
（2）特点：独立性、均匀性。
（3）产生方法：随机数表方法及物理方法。
2.随机数的产生方法有哪几种？答： 随机数表方法及物理方法。
3.用数学方法产生的随机数，存在哪两个问题？答： 随机数表方法占用计算机内存大，而且也难以满足蒙特卡罗方法对随机数需求量大的要求，因此，该方法不适于在计算机上使用。
中子活化瞬发伽马分析MCNP模拟研究
实验装置的计算模型
地面
NaI 硼沙
样品 中子源 聚乙烯
计算中，采用中子光子耦合输运方式，探测器上光子 的记录采用了F4、F8等方式。F4记录方式计算的是 探测器栅元平均光子通量，这种记录方式的计算效率 比较高，因为它是直接反映伽马射线进入NaI探测器 的总量情况。
Robin和Charles对于NaI探测器的非线性问题在 PGNAA装置上的应用进行了研究。
Zhang Wenchao 和Robin P. Gardner 对于PGNAA 实验数据开展了近似线性插值处理方法的蒙特卡罗模 拟研究。
Ali Asghar Mowlavi等人对于PGNAA系统伽马谱的 脉冲堆积效应进行了蒙特卡罗模拟研究。
1E-5
扣本 底 后
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1
2
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E/MeV
通过分析表明：从6.3MeV～8MeV铁峰总计数： 计算值与实验值之比为1.04，表明二者是在不 确定度范围内吻合的。
中子源参数变化的计算
在描述252Cf中子源分布时，通常有两种方法， 一种是采用Maxwell分布，一种是采用Watt谱， 这两种谱不同描述，究竟对于计算有多大影响 呢？
1.00E-009
5.00E-010
0
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300
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500
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S质量/g
由图可以看出，当样品中的S含量增加时，特征 峰计数近似成线性增加，这表明通过S元素特征 峰的定量分析，根据这种成分和特征峰计数之 间的线性关系，能够对应给出S含量数据。
MCNP及使用
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 1 nI代表递加 1 2I 4 = 1 2 3 4 xM代表递乘 1 3M 3M = 1 3 9 nJ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)
粒子源
？所求量
辐射防护与环境保护研究室
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。
辐射防护与环境保护研究室
MCNP粒子能量限制
neutron：
10E-11 MeV to 20 MeV(all isotope) up to 150 MeV(some isotope)
photon: 1keV to 100GeV electron: 1keV to 1GeV
辐射防护与环境保护研究室
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)
辐射防护与环境保护研究室
MCNP发展历史
MCNP3 （1983年） (ANSI standard Fortran 77)
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MCNP程序在实验核物理中的应用
2008年3月14日星期五
一、蒙特卡罗方法简述
1. 蒙特卡罗方法又称为随机抽样技巧或统计试验方法。
半个多世纪以来，由于科学技术的发展和计算机的出现与发展，这种发展作为一种独立的方法被提出来，并首先在核武器的试验与研制中得到了应用。
蒙特卡罗方法是一种计算方法，但与一般数值计算方法有很大区别。
它是以概率统计理论为基础的一种方法。
由于蒙特卡罗方法能够比较逼真地描述事物的特点及物理实验过程，解决一些数值方法难以解决的问题，因而该方法的应用领域日趋广泛。
2.蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用是该方法最重要的应用领域之一。
由于受物理条件地限制，为了得到所求结果，必须借助于理论计算。
蒙特卡罗方法具有逼真地描述真实的物理过程的特点，在一定意义上讲，它可以部分代替物理实验，因而成为解决实验核物理中实际问题的非常有效的工具。
3.蒙特卡罗方法所特有的优点，使得它的应用范围越来越大。
它的主要应用范围包括：粒子输运问题、统计物理、典型数学问题、真空技术、激光技术以及医学、生物、探矿等方面。
蒙特卡罗方法在粒子输运问题中的应用范围主要包括：实验核物理、反应堆物理、高能物理等方面。
二、蒙特卡罗方法应用软件简介
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。
1.通用蒙特卡罗程序通常具有以下特点：
具有灵活的几何处理能力
参数通用化，使用方便
元素和介质材料数据齐全
能量范围广，功能强，输出量灵活全面
含有简单可靠又能普遍适用的抽样技巧
具有较强的绘图功能
2.常用的通用蒙特卡罗程序简介
MORSE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。
一般中子能量可从10-6甚至10-9Mev到20Mev。
光子能量可在Kev到Gev数量级范围。
电子能量也可在Kev到Gev数量级范围。
是美国橡树岭国家实验室从60年代开始研制的大型、多功能、多群中子-光子偶合输运程序。
其全名是：Multigroup Oak Ridge Stochastic Experiment Code. EGS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 Accelerator 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。
SANDYL程序
由美国圣地亚国家实验室于1974年发表的一个三维电子-光子偶合蒙特卡拉方法程序，全名为：A Computer Program for Calculating Combined Photon-Electron Transport in Complen Systems,是三维几何程序。
电子与光子的能量范围从1Kev 到1000Mev。
TIGER程序系列
也是圣地亚国家实验室八十年代初产生的一个有更强功能、更高软件水平的电子-光子蒙特卡罗程序，称为ITS程序包。
全名：The Intergrated TIGER Series of Coupled Electron/Photon Monte Carlo Transport Codes。
该系列集中了1974-1981年间先后家建立的八个各种几何、各种功能的电子-光子偶合输运程序。
三、MCNP程序
MCNP是美国Los Alamos（新墨西哥洛斯阿拉莫斯）国家实验室开发的大型多功能通用蒙特卡罗程序，它是在一系列程序工作基础上集中编制的一个具有当前最高水平的大型通用中子-光子输运程序。
可以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，在功能方面、技巧方面、几何能力和取用数据方面有很大提高，被称为“超级蒙特卡罗程序”。
MCNP程序全称为Monte Carlo N-Particle Transport Code System，蒙特卡罗核粒子输运程序系统，它用Monte Carlo方法模拟解决多粒子系统中的粒子输运问题。
Monte Carlo方法是一种随机过程方法，它并不严格去求解一些物理方程，而是通过模拟单粒子在介质中的随机运动过程，然后将大量粒子的平均结果作为系统结果的近似，给出粒子系统在介质中输运的最后结果。
MCNP程序可以用来处理中子、电子、γ光子的输运过程，还可以计算中子、光子和电子的联合输运问题以及临界问题，其中中子能量范围为10-11MeV-20MeV，光子、电子能量范围为1KeV-1000MeV。
要用MCNP程序来处理问题，需要按照MCNP规定的格式编写一个输入文件，在这个文件中要根据要解决的问题给出发射粒子（即源的形状、位置，粒子的种类、能谱）、穿过的介质（包括化学成分、密度、几何形状）、要探测的计数（探测位置、能量区间）的信息，然后提交给MCNP程序进行处理即可得到结果，然后根据自己的需要从输出文件中撮自己感兴趣的信息。
下面我们通过一个简单的例子。
例一：
三个圆柱体：分别平行于X轴；平行于平行Y轴周的一条直线；平行于平行Z轴的一条直线；长度5CM；半径5CM。
三个长方体：两个连在一起，一个独立
边框：60CM*60CM*60CM
中子源：2.33-5.33-8.33-9.33 比例是：3：5：7：5
（作图）
运行见电脑
其他：
1.计算结果评价
MCNP在计算结果的同时，还会计算该结果的相对误差R，R＝估计值的方差/估计值。
根据R的范围可以知道计算结果的可信程度：
参考内容：
1.许淑艳，蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用（修订版）[M]。
原子能出版社，2006年8月第二版
2.MCNP 4C简明使用教程（南京大学物理系）
3.MCNP4C中文说明（撰写：新墨西哥洛斯阿拉莫斯国家实验室）
四、关于课题
1.课题名称：γ射线散射法测量油垢厚度的方法研究国家自然科学基金2006年1月-2008年12月与南京大学合作成员除我们这里老师之外还有：南京大学丁杰（研究生已毕业）时飞跃（博一）赵经武老师新疆师范大学杨惠玲老师
2.前面工作：王世亨老师跟南京大学刘圣康老师项目γ射线透射法测定输油管道油垢厚度不管在理论还是在实验上有了较好的研究工作，虽然透射法有测量精度较高的优点，但是要开掘挖土，工作量大。
3.前段时间
丁杰用MCNP 管内石油对油垢厚度测量的影响原子能科学技术V ol.41,No.6,Nov.2007
买买提·热夏提甫尔开提作的近水平入射情况
上学期：杨惠玲老师一个理论部分的论文
赵农校杨坤杰（关于实验方面的论文）在等消息
时飞跃08年4月份土壤的MCNP模拟论文
4.本学期准备：
a.油垢叠加与实体的区别
b.黑体吸收室的影响，环境影响方面
c.实际输油管道的模拟如何处理
d.弧面与平面的关系
e.实地插入土层实验与模拟。