MCNP简明教程

简明教程MCNP程序简介J.KennethShultis和RichardE.Faw郭英蕾于2019年5月译于成都由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发和维护的MCNP，是一种国际公认的、利用蒙特卡洛方法（即，MC）分析中子和γ射线（NP指的是中性粒子）输运问题的程序。该程序能够模拟中子、光子或是中子-光子耦合（例如，中子相互作用产生的次级伽玛射线）的输运过程。此外，MCNP还能处理电子的输运，包括：初始光子以及γ射线与物质相互作用产生的次级电子。本简明教程强调了MCNP程序文件一些重要内容。MCNP程序文件分为3卷：第Ⅰ卷为MCNP程序概述（第1章）和理论基础（第2章）。第Ⅱ卷为用户指导文件，给出了MCNP的命令及其参数（第3章），以及多个实例（第4章），并介绍了输出文件（第5章）。第Ⅲ卷为开发人员指导文件，给出了专业用户所需要一些技术细节。注意：使用MCNP时，仍然沿用了一些过去使用的术语，例如，card曾经是指老式计算机的穿孔卡带，现在应理解为输入文件的一行内容。对初学者而言，程序手册第Ⅰ卷第1章简要介绍了MCNP，总结了输入文件的编制、执行以及输出结果的理解。强烈建议初学用户研读此章。取得一些使用经验后，初学者应定期浏览第Ⅰ卷的其他章节，以便更好地理解MCNP特性背后的理论基础。第Ⅱ卷对初学者和专业用户而言，都是必须的。这一部分解释了MCNP命令及其参数，正是这些命令让MCNP真正成为一款功能强大的输运模拟程序。本简明教程还给出了一些旁注，这些旁注给出了MCNP5程序手册对应的页码，在MCNP5手册相应页中详细介绍了本教程对应的内容。MCNP程序手册内容丰富，因此，对初学者而言，很难区分哪些信息是用来学习使用MCNP程序，哪些信息是专业人员所需的。为此，本教程计划为初学者提供一些更基本（和必要）的、且与MCNP程序相关的知识。MCNP5程序手册对应的页码1MCNP输入文件的结构右图给出了输入文件的基本结构。在输入文件中，每一行最多80列，且必须在前5列内开始输入命令助记符。输入文件为自由段落格式，在一行中使用一个或多个空格可将不同内容分割，字体可为大写、小写或大小写混合。某一行内容超过80列后，可在下一行的第5列之后输入剩余内容，或是在行后输入一个空格+&，表示下一行是本行的延续。1.1输入文件的注释为输入文件添加注释是一个非常好的习惯，这是因为：通过阅读注释，用户和他人能够轻松地理解所要解决的问题和使用的技巧。编译时，MCNP将忽略这些内容。注释行有两种形式，一种是在C或c加一个空格后，在输入注释内容；第二种是在一行的末尾输入$，在其后输入注释内容。本文件的图5给了一个详细注释后的输入文件。1.2MCNP使用的单位MCNP默认使用的单位为：（1）长度，cm；（2）能量，MeV；（3）碰撞次数，10-8s；（4）温度，MeV（kT）；（5）原子密度,b-1cm-1，（6）质量密度，gcm-3；（7）截面，barn。2几何结构的定义MCNP程序手册的几个章节均介绍了问题几何构造的定义。在第Ⅰ卷中，从1-12页开始，简要介绍了几何结构的定义。第2章第Ⅱ节（2-7页）仍然在讨论几何结构的定义。第3章第Ⅱ、Ⅲ节详细介绍了问题输入卡的准备过程，最后，第4章第Ⅰ节给出了几个定义几何结构的实例。MCNP主要以域或体的形式来处理几何结构，其中，域或体是由面定的。MCNP描述一个物体或其部分结构所用的术语为栅元，栅元是由用户定义的材料，以及域的并、交及补运算定义的。图1给出了A、B两个域进行与、或操作后的结果。信息块+空行分隔符{可选}标题卡栅元卡【第1部分】空行分隔符{可选}曲面卡【第2部分】空行分隔符{可选}数据卡【第3部分】空行分隔符{可选}图1左：并A:B或“A或B”。右：交AB或“A与B”并操作可看做逻辑或（OR），A与B的并集为所有属于A或B的空间。交操作可看做逻辑与（AND），A与B的交集为同时属于A和B的空间。补操作可看做逻辑非（#），例如，#(A:B)代表了A、B并集之外的所有区域。MCNP使用三维(x,y,z)笛卡尔坐标。长度单位均是厘米（cm）。所有空间均由连续的体或栅元组成。每个栅元可有一个或多个面界定，也可为无限大区域。例如，一个立方体由6个平面界定。所有点(x,y,z)都必须属于一个栅元（或是在一个栅元的边界面上）。几何构造中不允许出现“空隙”，即，禁止一个点不属于任意栅元或面。用户应为每个栅元和面指定唯一的数字标识符。2.1面—输入文件第1部分表1来自MCNP程序手册，该表列举了MCNP创建几何结构所能使用的面。所有面都是在笛卡尔坐标系下创建的。面可以用f(x,y,z)=0的方程表示。例如，对于一个圆心位于)0,,(yx、直径为R、平行于Z轴的圆柱可定义为222)()(),,(Ryyxxzyxf。在MCNP中，这种圆柱面可以用C/Z（或是c/z，因为MCNP不区分大小写）表示：1C/Z5510$平行于Z轴的圆柱面以上语句定义了一个名为1、平行于Z轴、通过点（5,5,0），半径为10cm的无限长圆柱面。请注意圆柱面的长度是无限的，也请注意$后的注释行。表1MCNP曲面卡（MCNP5程序手册第3-13页）符号类型描述方程输入项P平面一般Ax+By+Cz-D=0ABCDPX垂直于x轴x-D=0DPY垂直于y轴y-D=0DPZ垂直于z轴z-D=0DSO圆面圆心位于原点x2+y2+z2-R2=0RS一般0)()(2222Rzzyyxx）（xyzRSX圆心位于x轴02222Rzyxx）（xRSY圆心位于y轴0)(2222RzyyxyRSZ圆心位于z轴0)(2222RzzyxzRC/X圆柱平行于x轴0)()(222RzzyyyzRC/Y平行于y轴0)()(222RyyxxxzRC/Z平行于z轴0)()(222RyyxxxyRCX位于x轴0222RzyRCY位于y轴0222RzxRCZ位于z轴0222RyxRK/X圆锥平行于x轴0)()()(22xxtzzyyxyzt2±1K/Y平行于y轴0)()()(22yytzyxxxyzt2±1K/Z平行于z轴0)()()(22zztyyxxxyzt2±1KX位于x轴0)(22xxtzyxt2±1KY位于y轴0)(22yytzxyt2±1KZ位于z轴0)(22zztyxzt2±1SQ椭球体双曲面体抛物面体坐标轴平行于x、y或者z轴222)()()(zzCyyBxxA)(2)(2yyExxD0)(2GzzFABCDEFGxyzGQ圆柱圆锥椭球体双曲面体抛物面体坐标轴不平行于x、y或者z轴EyzDxyCzByAx2220KJzHyGzFzxABCDEFGHJKTX椭圆环或圆环坐标轴平行于x、y或者z轴01/))()((/)(222222CAzzyyBxx01/))()((/)(222222CAzzxxByy01/))()((/)(222222CAyyxxBzzxyzABCTYYZXYZP通过点定义的面（见3-15至3-17）每一个面都有“正”、“负”两个方向。面的方向定义规则如下：所有0),,(zyxf的点都位于面的“正”方向，所有0),,(zyxf的点都位于面的“负”方向。例如，圆柱面的内侧为其负方向，外侧为其正方向。2.2面—输入文件第2部分下面我们举例说明如何用面和布尔运算创建一个简单的栅元。该栅元为一简单的圆柱形容器，侧面和上下底面由1cm的铁制成，内、外部为真空。假设外部的圆柱面是由上节图示代码创建。图2给出了本问题的几何构造。图2一个简单的圆柱桶构造。三角内的数字为面标识号，圆内的数字为栅元标识号。这个圆柱桶的轴通过了（x=5cm，y=5cm）这一点，桶的外径为10cm。为了定义容器的内表面，我们还需定义一个与第一个圆柱面同心、但半径小1cm的圆柱面，在此为面4，在输入文件中可用如下代码创建以上提及的2个面：1C/Z5510$outercylindricalsurface4C/Z559$innercylindricalsurface为了定义容器的上下两个端面，分别在z=40cm和z=60cm处定义了两个垂直于z轴的平面，同理，分别在z=41cm和z=59cm处定义了上下两个端面的内表面，以上4个面可用如下代码定义：2PZ40$baseofcask3PZ60$topofcask5PZ41$baseofinnercavity6PZ59$topofinnercavity以上6个面可在输入文件第2部分中以任意次序给出。定义面后，我们开始定义填充（x,y,z）空间的体或栅元。栅元的定义在输入文件第1部分内完成。首先我们定义内腔为栅元8，该区域为面4的负方向、面5的正方向和面6的负方向，其定义代码如下所示：80-45-6IMP:N=0IMP:P=1$innercaskvoid栅元定义卡的第一个输入项为栅元编号，用户可任意指定。第二个输入项0表示该栅元无任何填充材料，-456表示该栅元位于是面4的负方向、面5的正方向和面6的负方向的区域。最后两个IMP定义了中子（N）和光子（P）在该栅元中的权重，其中，中子权重为0、光子权重为1（例如，对于光子输运问题）。稍后我们将讨论栅元重要性。进行交操作的各个面是可随意排序，例如，我们也可将栅元8定义为-6-45。现在考虑容器的铁质外壳。假设这一栅元的编号为7，内部填充密度为7.86gcm-3的材料5（尚未定义）。该栅元面1的负方向、面2的正方向、面3的负方向，且不属于栅元8的区域。该栅元可用以下代码定义：75-7.86-12-3#8IMP:N=0IMP:P=1$ironcaskshell虽然补操作（#）是一种排除内部区域的便捷方法，但该方法会降低MCNP的运行效率。实际上可以不必用#操作。栅元8之外的区域可用并操作（4:6:-5）定义，即，栅元7可用如下代码定义：75-7.86-12-3(4:6:-5)IMP:N=0IMP:P=1$ironcaskshell现在假定栅元7、8为辐射输运的感兴趣区。或者说，逃出这2个栅元的光子都将停止输运，即，MCNP不再跟踪其径迹。用户还需定义一个光子权重为0的区域，任何进入该区域的光子都将终止输运，在此我们将此“空白”区域定义为栅元9，该栅元是面1、3正方向、面2负方向的并集，该区域的定义为：901:3:-2IMP:N=0IMP:P=0$graveyard当然，可通过规定栅元7、8之外的所有区域都为终止区域，即，也可用补操作定义该“空白”区：90#(7:8)IMP:N=0IMP:P=0$graveyard注意：该栅元卡的第二项输入为0，这表明该区域为真空状态，其光子重要性为0。2.3宏MCNP还可使用宏来定义栅元和面。这些宏可与2.2节所列标准栅元和面搭配使用，例如，在输入文件第2部分输入如下内容：15RCC125005010$rightcircularcylinder该行代码定义了一个直立圆柱，其底面圆心位于（1,2,5），高度为50cm，轴线平行于z轴，半径为10cm，标识符为15。3-18至3-23表2给出了MCNP可用的宏。MCNP会自动将宏的表面分解成独立面，并根据预先确定的序列，为每个面规定标识号，其格式为“宏标识符.整数”，例如，在RCC中，圆柱面的标识符15.1，顶面为15.2，底面为15.3。这些面可实现与标准面相同的功能，例如，计数、栅元定义和源定义，等等。表2MCNP可使的宏助记符宏BOX中心位于任意位置的正交六面体RPP各个面平行于坐标轴的正交六面体SPH球体RCC直立圆柱RHP或HEX直立六棱柱REC直立椭圆柱TRC圆锥体ELL椭圆体WED楔形ARB任意多面体定义宏需要多个参数，在此，我们给出3个最常用宏的详细信息。BOX（可向任一方向延伸的正交六面体）：这一宏由4个向量定义：v定义了立方体的一角，a、b、c定义了相对于指定