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mcnp5学习指南.doc

发布时间：2022-06-02 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.38M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    第1章 MCNP概述
    1.1 MCNP计算过程
    1.2 MCNP文件结构
    1.3 MCNP使用方法
    第2章 MCNP输入文件书写方法
    2.1 MCNP输入文件规范
    2.1 7MeV轫致辐射X射线算例
    第3章 MCNP输出文件解读
    MCNP 初学者入门指南 二○○九年五月
    目 录 一 MCNP 概述 1.1 MCNP 计算过程 1.2 MCNP 文件结构 1.3 MCNP 使用方法 二 MCNP 输入文件书写方法 2.1 输入文件规范 2.2 7MeV 轫致辐射 X 射线算例 三 输出文件解读
    第 1 章 MCNP 概述 1.1 MCNP 计算过程 MCNP（Monte Carlo N-Particle Transport code）是计算粒子输运过程的一套 蒙特卡罗模拟计算程序。这个程序需要用户通过输入文件给出计算模型。计算模 型中需要提供源的属性、感兴区内各种物体的属性、记录粒子信息的方法等。 例如，若想计算一个 1MeV 的 X 射线透过 2cm 铁的概率是多少，我们可以 通过下面的模型进行计算，如图 1 所示。 图 1 计算模型 在上面的计算模型中，感兴区是一个球的内部，其中包含 X 射线源、铁块 和记录面，而其他位置均为真空。由于当粒子被输运到感兴区外时，它将肯定不 会再对记录结果产生贡献，所以程序会自动停止这个粒子的输运过程，这也正是 设定感兴区的原因。 源的属性主要包括位置、能量、出射方向、粒子种类等。图 1 的计算模型中， 源的能量为单能 1MeV，方向为单向垂直于铁块的左表面，粒子种类为光子 （Photon）。 感兴区内物体的属性包括几何尺寸、材料成分、密度等。图 1 中使用了一块 铁块，它的厚度为 2cm，其他方向的尺寸对我们的计算结果没有影响，但要保证 铁块完整地包含于感兴区内。 记录方法有多种，其中包括通过某个面的特定种类粒子的个数。在图 1 中， 我们可以利用 MCNP 记录通过“记录面”的能量为 1MeV 的光子个数。
    计算图 1 的模型时，MCNP 会首先根据源的属性描述，抽样出一个起始粒子。 图 1 中的源为单能且单向的点源，所以每次抽样出的粒子都是能量、方向、种类 相同的粒子。这个粒子会沿着它的出射方向（垂直于铁块左表面）飞行，当它入 射到铁块里时，会有一定的概率发生康普顿散射、电子对效应和光电效应。发生 三种反应的概率由 MCNP 的截面库中的微观截面数据、输入文件中铁的密度以 及抽样得到的随机数共同决定。若 X 射线发生了康普顿散射，原来的 X 射线将 被具有新属性的 X 射线取代，它将有不同的出射方向、能量。MCNP 会继续输 运这个新产生的 X 射线直到它发生下一次反应或者飞出感兴区；X 射线还会有 一定的概率不发生任何反应，直接透过铁块。 当基于一个起始粒子的输运过程结束后，MCNP 会重复上述的过程。由于每 次抽样的得到的随机数会不同，所以每个起始粒子的输运过程都是独立而且不同 的。多次的输运过程会使得 MCNP 的记录结果越来越接近它的期望值，重复的 次数越多，统计涨落就会越小。 尽管 MCNP 会记录所有通过记录面的光子。但由于光子一旦发生反应，它 的能量就会变化，所以若只观察能量为 1MeV 的光子，我们就可以排除那些经过 多次散射而打到记录面的光子了。 由于每次输运均是基于一个起始源粒子，所以最后记录得到的结果也都是相 对于一个起始粒子的概率。对于图 1 来说，记录结果就是 1 个 X 射线透过 2cm 的铁后打到记录面的概率。 1.2 MCNP 文件结构 MCNP 的输入文件名不可以多于七个字符，所以不建议对输入文件增加扩展 名；MCNP 的输出文件的扩展名为.o；MCNP 内部计算过程的记录文件的扩展名 为.r。若一次计算结果就已经达到满意的统计结果，那么.r 文件就没有什么价值 保存下来；但是若一次计算结果达不到满意的统计可信度，那么我们可以在已得 到的计算结果的基础上继续模拟输运过程，来减小统计涨落。而为了这么做， MCNP 需要上一次计算结果中使用的.r 文件。为了这个目的，有时候.r 文件还是 值得保留的。在基于上一次的计算结果继续模拟计算时，MCNP 将不再读入输入 文件，而单单读入.r 文件的信息。所以我们想继续计算时，需要保证.r 文件就是 我们所设想的模型的前一次模拟计算中得到的.r 文件。除了上面三种常用的文件 类型，MCNP 还有两种不长用的输出文件。这两种文件只有用户通过输入文件要 求 MCNP 输出这些文件时才会得到。其中一个为.w 文件，这个文件是我们想通 过 MCNP 输出 surface source 的时候才会产生；另外一个为.p 文件，这个文件时 我们想通过 MCNP 追踪粒子的输运过程的时候才会得到。 上面的几种文件是用户常用到的文件类型，下面将介绍 MCNP 程序内部使 用的若干的文件。 1. MCNP5.exe：MCNP 的应用程序，这个程序是在 dos 下运行的程序。所 2. 以用户不要试图双击这个程序来运行它。 vised.exe:这个程序可以让用户观察 MCNP 读入的输入文件中的计算模 型。我们可以利用这个程序观察我们所设想的计算模型与实际书写出来 的计算模型是否有偏差。此外，这个程序还可以方便我们找出 MCNP 输入文件中潜在的一些错误，例如：两个物体有相交的部分等。 3. 目 录 Documents: 这 个 文 件 夹 内 包 含 LANL(Los Alamos National
    3) gogo.bat：这个批出文件可以使 MCNP 连续的计算若干个输入文件，具 体的使用方法将在后面介绍。 4) resume.bat:这个批处理文件可以使得 MCNP 在上一次计算结果的基础上 继续进行计算，具体使用方法将在下面介绍。 上面所提到的文件就是用户在使用 MCNP 时最频繁接触到的文件。 1.3 MCNP 使用方法 在使用 MCNP 时，我建议用户安装一个比较方便的文本编辑器，如： Ultraedit。 Laboratory)提供的 MCNP 的官方使用说明、林谦老师的蒙卡课程讲义和 西安交通大学翻译的中文 MCNP 的使用手册等 4. 目录 MCNPData: 这个目录里存放的是 MCNP 的截面库。 5. xs52: 这个文件内说明了各个核素的属性，包括质量，截面库内各种反 应类型对应的截面的存放位置等。在初始使用 MCNP 时，我们有可能要 修改这个文件中的一部分内容，具体的修改方法将在下面介绍。 6. X11.dll：MCNP 程序的动态链接库，没有这个文件 MCNP 将无法计算， 所以不要把这个文件弄丢了。 除了上面的文件外，为了在 dos 下使用 MCNP 程序我们编写了几个批处理 文件。 1) ccmd.bat: 只要双击这个程序就可以弹出一个 dos 界面。 2) g5.bat: 这个批处理将是用户用到最多的批处理程序。我们可以利用这个 批处理直接调用 MCNP 的主程序。 为了使用 MCNP，用户需要首先进行一些文件路径的指明等工作，具体如下： 1) 建议用户把 MCNP 的整个目录(名为 LANL)放在一个硬盘分区的根目录 下。 2) 修改 g5.bat 中 文件路径：我们用 Ultraedit 打开 g5.bat 可以发现，这个 批处理的内容为 del %1.o del %1.r del %1.p del %1.s del %1.w mcnp5 n=%1. xsdir=xs52 前 5 句的作用是删除与输入文件相关的已经存在的输出文件，这样做的目的 是，如果 MCNP 程序发现已有输入文件对应的输出文件存在，那么程序就认为 这个输入文件已经得到了模拟计算并且没有必要进行重复的计算。 批处理中的最后一句就是调用 MCNP 的主程序——MCNP5.exe，并指明管 理截面库的文件(xs52)的路径。由于我已经把这个文件放在了 LANL 的目录内， 所以用户不用修改这个文件的路径了。 3) 修改 xs52 文件：利用 Ultraedit 打开 xs52 文件，可以发现文件的第一行 为 datapath=e:\LANL\MCNPDATA\。为了让 MCNP 找到截面库，用户需要正确 地修改它的路径。因为我把 LANL 放在了 E 盘的根目录下，所以这里的 datapath 就是 e:\LANL\MCNPDATA\。之前，我已经建议用户把 LANL 目录放在某个硬盘
    分区的根目录下，所以在这里修改时，用户只需把 e 更换为实际存放的硬盘分区 的盘符就可以了。 经过上面的修改后，用户就可以使用 MCNP 程序了。例如我们已经书写好 了一个文件名为 Xray7 的输入文件， A，那么我们可以通过下面的步骤进行计算。 1) 双击 ccmd.bat，系统会弹出下面的窗口。 2) 在窗口内输入 g5Xray7 并按回车，MCNP 就开始进行计算了。界面如下 图所示。
    计算时 MCNP 会占据单个 CPU 的所有资源。若用户的计算机是单核的，那么 CPU 使用量是 100%；若用户的计算机是双核的，那么 CPU 的使用量是 50%。 B, 关于停止一次计算，可以通过在输入文件内限定计算时间或输运的起始 粒子个数。此外，还可以通过 dos 下强制停止计算过程的方法。若想强制停止计 算过程，可以使用 Ctrl+C 键停止计算。同时按下这两键时，屏幕会出现下面的 界面。
    在这个界面下，输入 s 并按回车，程序会输出已经消耗的计算时间；按下 m 是调用 MCNP 的画图软件，因为有了 vised.exe 程序，所以不建议使用这里的画 图程序；按下 q 是停止计算程序，并输出结算结果。有时候，MCNP 会等待正在 模拟的一个粒子的输运过程结束后在结束程序，但并不会拖延太长时间；按下 k 是直接停止计算程序，而并不会输出计算结果。 C, 继续计算一个已计算完的模型。用户需要保留初始计算过程中产生的.r 文件。还以上面的计算情况为例，在上一次计算中我们得到了 Xray7.o（输出文 件）和 Xray7.r（计算过程的记录文件）。在 dos 命令行下输入 resumeXray7 并按 下回车，可以得到下面的界面。
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