MCNP入门教程

MCNP入门教程J·K·ShultisR·E·Faw编著Icrychen（[e-mail]）翻译目录1MCNP输入文件的构成1.1输入文件注释2几何学描述2.1面-Block22.2栅元-Block13数据描述-Block33.1材料说明3.2截面说明3.3源说明3.3.1各向同性的点源3.3.2各向同性的体源3.3.3线源和面源（简并的体源）3.3.4单向（Monodirectional）平行（Collimate）源3.3.5复杂体源3.4结果说明3.4.1表面流量结果（F1类）3.4.2平均面通量结果（F2类）3.4.3平均体通量结果（F4类）3.4.4在一个点或环上的通量结果（F5类）3.4.5结果说明卡3.4.6面和几何体结果卡3.4.7点探测器卡3.4.8随意统计特征卡3.4.9各种数据说明4减小方差4.1结果方差4.1.1相对误差和FOM4.2截断方法4.2.1能量，时间和权重截断4.2.2物理简化4.2.3结果和时间截断4.3非模拟仿真4.3.1简单的实例4.4MCNP方差减小方法4.4.1几何拆分4.4.2权重窗口4.4.3一个实例4.4.4指数变换4.4.5能量拆分/俄式轮盘4.4.6强制碰撞4.4.7源偏置4.5最后的建议5MCNP输出5.1输出结构5.2准确性和精度5.3MCNP中的统计学5.3.1相对误差5.3.2图的特点5.3.3方差的变化5.3.4对结果（Tally）的经验PDF值5.3.5置信区间5.3.6保守的计算结果估计5.3.7十个统计学测试5.3.8另一个问题实例MCNP程序入门教程--------由J.KennethShultis和RichardE.Faw提供由美国LosAlamosNationalLaboratory(美国洛斯阿拉莫斯国家实验室)发展和维护的MCNP程序，是国际公认的利用MonteCarlo方法(MC)分析中子和光子（NP为neutralparticles）输运的程序。此程序处理中子、光子或是中子-光子联合输运等，例如，中子相互作用所产生的次级伽玛射线的输运过程。此MCNP程序也可以处理电子输运，包括原始电子输运和由伽玛射线相互作用所产生的次级电子输运。洛斯阿拉莫斯实验室不断开发并推出新的版本。2005年推出了第五版。程序和操作教程都由橡树岭国家试验室的放射性安全信息计算中心（RSICC）发布。输入文件的各个方面。期待读者能由此进入MCNP操作教程。MCNP5的操作手册分成了3卷。第一卷为程序的概述（第一章）和理论（第二章）。第二卷为用户向导，第三章解释了MCNP的所有命令和选项，第四章给出了许多例子，并在第五章描述了MCNP的输出。第三卷是开发向导，仅为MCNP专家提供了该程序的许多技术细节。MCNP文件的记号使用了历史的术语。例如，记号card，早先表示穿孔卡片，应该理解为输入文件的某一行。对于初学者，操作手册第一卷第一章提供了MCNP的概述，简述了输入文件的准备过程，程序的执行以及对输出的解释。强烈建议阅读这部分内容。对MCNP有一些经验以及学习了MCNP的许多特性之后，也应当不断地浏览第一卷以便对理论有更好的理解。第二卷无论是对初学者还是专家都是必要的。这部分正式解释所有命令和选项以使MCNP真正成为强大的放射性输运程序。在本教程中有一些页边注指向MCNP5操作手册中详细讨论该主题的页码。MCNP操作手册综合性很强，因而初学者很难分辨出哪些信息是学习如何使用程序，哪些信息是专业人员需要的？为此，本教程将给初学者介绍MCNP更基础（也更必要）的知识。1MCNP输入文件的结构输入文件具有如右图所示的结构。输入行最多可以有80列（80字符）且命令助记符在前5列内开始。使用自由填充格式（用一个或多个空格分隔一行上的各个条目）且字母可以大写、小写或混合使用。连续输入的行可以在5个空格之后开始或者在上一行的末尾标记一个&。输入卡格式的更多细节见3-4到3-7.1.1输入文件的注解给MCNP添加注解是一个好习惯，它能让你和他人能更容易明白你编制了什么样的问题以及使用了何种技巧。注释行以字母C或c加一个空格开头。这一行将被MCNP忽略。此外，一行内$符号后面的任何内容都将被忽略。28页图4给出了一个注释好的输入文件。2几何说明MCNP操作手册中的几何说明分成了几个部分。第一卷开头1-12页是几何说明的一个介绍。第二章第二节（2-7）页继续讨论。第三章第II，III节为文件输入卡片提供了详细的指导，最后，第四章第1节提供了关于几何说明的许多例子。MCNP首先处理几何问题，通常以区域或者体积的形式，而这些区域或者体积是由一次或二次曲面界定的。栅元（Cells）是由区域的交、并、补运算来定义的，同时包含用户定义的材料。区域A和区域B的交集和并集如图一阴影部分所示。并集操作可以看作逻辑或（OR），A与B的并集是一个新的区域，它包含了属于A或者属于B的所有空间。交集操作可看作逻辑与(AND)，A与B的交集仅仅包含同时属于A和B的空间区域。补集操作（#）扮演了逻辑非的角色。例如，#（A:B）是A并B之外的所有空间区域。MCNP采用三维（x,y,z）笛卡尔坐标系统。所有的维都以厘米（cm）为单位。所有空间都由连续的体积或cells组成。每个cell可以由一个或多个面界定，或者定义为无限。例如，一个立方体由6个平面界定。每一个点（x,y,z）都必须属于一个cell（或者在一个cell的面上）。几何定义不允许有“缝隙（gaps）”。也就是说，不允许任何一点不在任何cell或面上。每个栅元和面都由用户指定一个唯一的数字标识符。2.1面---第二段表3.1摘自MCNP操作手册，表中列举了MCNP用于创建几何模型的面的类型。Table1.MCNPSurfaceCards(page3-13ofMCNP5manual)MnemonicTypeDescriptionEquationCardEntriesPPXPYPZPlane平面GeneralNormaltox-axisNormaltoy-axisNormaltoz-axisAx+By+Cz-D=0x-D=0y-D=0z-D=0ABCDDDDSOSSXSYSZSphere球体CenteredatorigionGeneralCenteredonx-axisCenteredony-axisCenteredonz-axisx2+y2+z2−R2=0(x−¯x)2+(y−¯y)2+(z−¯z)2−R2=0(x−¯x)2+y2+z2−R2=0x2+(y−¯y)2+z2−R2=0x2+y2+(z−¯z)2−R2=0Rx¯y¯zR¯xR¯yRzRC/XC/YC/ZCXCYCZCylinder圆柱体Paralleltox-axisParalleltoy-axisParalleltoz-axisOnx-axisOny-axisOnz-axis(y−¯y)2+(z−¯z)2−R2=0(x−¯x)2+(z−¯z)2−R2=0(x−¯x)2+(y−¯y)2−R2=0y2+z2−R2=0x2+z2−R2=0x2+y2−R2=0y¯zR¯x¯zR¯x¯yRRRRK/XK/YK/ZKXKYKZCone圆锥体Paralleltox-axisParalleltoy-axisParalleltoz-axisOnx-axisOny-axisOnz-axisSQEllipsoid椭圆体hyperboloidparaboloid抛物面Axisparalleltox-,y-,orz-axisA(x−¯x)2+B(y−¯y)2+C(z−¯z)2+2D(x−¯x)+2E(y−¯y)+2F(z−¯z)+G=0ABCDEFG–x–y-zGQCylinder,coneEllipsoidParaboloidHyperboloidAxisnotparalleltox-,y-,orz-axisAx2+By2+Cz2+Dxy+Eyz+Fzx+Gz+Hy+Jz+K=0ABCDEFGHJKTXTYTZEllipticalorcirculartorusAxisisparalleltox-,y-,orz-axisXYZPsurfacesdefinedbypoints–seepages3-15to3-17所有面都指定在笛卡尔坐标系。面的方程表示为f(x,y,z)=0。例如，一个平行于Z轴半径为R的圆柱体定义为222)()(),,(Ryyxxzyxf，该圆柱的轴线平行于Z轴切通过点)0,,(yx。这个面在MCNP输入行中用助记符C/Z(或c/z，注意到MCNP大小写无关)表示为：1C/Z5510$acylindricalsurfaceparalleltoz-axis定义面1为平行于Z轴的无限长圆柱体，半径为10cm，轴线通过点（5，5，0）。注意到圆柱的长度是无限的。也请注意符号$后面的行内注释。每一个面都有“正”“负”两边。面的方向性一般依照如下规则定义：任一点f(x,y,z)0在面的正（+）边，f(x,y,z)0在面的负（-）边。例如，一个圆柱内部的区域在圆柱面的负边，圆柱外部的区域在圆柱面的正边。2.2栅元（Cells）----第一段我们举例说明如何用面和布尔逻辑来定义一个简单的栅元。定义一个圆柱体容器，墙壁和上下端都为1cm厚的铁。容器内部和外部为空区域（void）。假如使用上一节定义的圆柱面作为该容器的外圆柱面。这个问题的几何定义如图2所示：为了定义容器内表面，我们还需要另一个与第一个圆柱体同心且半径小1cm的圆柱体，不妨称这个小圆柱为面4，输入文件中这两个圆柱的定义行为：1C/Z5510$outercylindricalsurface4C/Z559$innercylindricalsurface定义容器的底面和顶面需要两个垂直于Z轴的平面，分别位于Z=40和Z=60cm。类似地，为定义容器内部底面和顶面，还需要另外两个垂直于Z轴的平面，分别为Z=41，Z=59。这四个平面定义为：2pz40$baseofcask3pz60$topofcask5pz41$baseofinnercavity6pz59$topofinnercavity这六个面的定义卡（或输入行）可以以任意顺序出现在输入文件的第二段。问题的面定义完成之后，我们开始定义体积或栅元（cell）以填充所有的（x,y,z）空间。这些栅元的定义卡包含在输入文件的第一段内。首先，我们定义内部空腔为栅元8。该区域在面4负方向，平面5正方向，平面6负方向。因此，栅元8定义为：80-45-6IMP:N=0IMP:P=1$innercaskvoidCell定义卡的第一个数字为cell编号（由用户任意指定）。第二个输入0表示该栅元无任何材料，-456表示该栅元在圆柱面4内部且在平面5上方且在平面6下方。最后两个IMP分别定义该区域对中子和光子的重要性。在该栅元中中子权重为0而光子具有单元权重（例如，关于光子输运的问题）。我们将稍后讨论重要性（权重）的问题。交集序列的面是无序的。因而我们可以把栅元8定义为面的交集-6-45。现在考虑铁外壳。假设该面的编号为7，材料编号为5（已另外定义），密度为7.86g/cm3。该栅元的空间在面一负方向，面2正方向，面3负方向，且除栅元8的空间之外。因而该栅元可以定义为：75-7.86-12-3#8IMP:N=0IMP:P=1$ironcaskshell尽管“补”操作符#（非运算）可以很方便地实现内部区域的排除，但这个操作常常会降低MCNP的效率。实际上，理论上是可以不必用#的。栅元8之外的区域可以由并集序列（4:6:-5）来定义，栅元7可以定义为如下形式：75-7.86-12-3(4:6:-5)IMP:N=0IMP:P=1$ironcaskshell现在，假定栅元7和8描述了放射性输运的所有感兴趣空间。或者说，假定所有逃出该无限圆柱体空间的光子都将被终止，也就是说，将终止跟踪其路径。但仍然需要将该空间指定为一个栅元。进一步将该区域的光子权