实用MCNP3B教程.docx

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实用MCNP3B教程

生产测井研究所

内部培训资料

大型通用中子-光子联合

输运蒙特卡罗模拟程序

MCNP3B实用教程

郑华编

大庆生产测井研究所

1998年10月

前言

本教程用于培训那些曾经、正在或将要从事核测井研究工作的人员，使他们掌握一种在计算机上模拟核测井过程的技术。

目前研究核测井问题的计算机模拟方法有两种，一是扩散理论方法，二是蒙特卡罗方法。

扩散理论法对核测井过程建立玻尔兹曼扩散方程，然后求解。

由于测井问题比较复杂，这个含有多个变量的微积分方程一般不能得到解析解，还要用数值方法进行求解，在求解时对粒子运动方向的角坐标可用级数展开或取离散角度处理，对空间和时间变量多采用差分处理。

蒙特卡罗方法则对给定的问题建立相应的随机抽样模型，并用以一系列随机数跟踪大量粒子历程的方法完成对粒子输运的模拟。

与确定论相比，蒙特卡罗方法能更好地适应复杂的几何条件。

蒙特卡罗方法模拟辐射输运的思想在40年代由美国LosAlamos实验室的科学家提出，76年开发出了通用程序MCNP。

从80年代开始，美国一些核武器研究实验室和大学受雇于各大测井公司进行核测井数值模拟研究，编写出一批核测井专用蒙特卡罗模拟程序。

专用程序的计算时效高，但针对性强，后来随着计算机速度的提高，一般人们还多使用通用程序进行计算。

目前最常用的两个通用程序是MCNP和英国原子能署的MCBEND。

MCNP具有较强的通用性，可处理任意三维几何问题，提供了多种源分布和记数方式，使用精细的点截面数据。

MCNP3版（83年）和3A版（85年）发行后，就成为用蒙特卡罗方法模拟核测井的最流行的通用程序，它解决了特征伽马谱线的问题，可以较好地模拟中子和光子联合输运，使用的主要核数据库是ENDF/B-4。

3B是89年发行的版本，对3A版做了许多改进，并增加了几何重复定义功能。

91年问世的4版可以联合模拟中子、光子、带电粒子（离子）的输运，可模拟探测器的测量结果。

4版与以前版本相比在性能上又有较大改善，程序代码时效有显著提高，使用了更新的ENDF/B-6评价核数据库。

MCNP程序3B版传入中国已多年，可从中国原子能科学研究院计算机应用研究所得到拷贝。

金文绵、李素梅等人将MCNP3BIBM3033版移植到微机上，并翻译了原说明书第三章，对中国用户提供了很大帮助。

本教程主要内容来源于MCNP3B说明书的前三章，并加上部分本人应用心得。

涉及数学方法和物理基础的部分仅作简要介绍，其中多数定义并不严格，目的是让读者易于接受。

有关数学基础和蒙特卡罗方法在粒子输运问题中应用方面的详细知识可参阅裴鹿成和张孝泽的专著，中子、光子与物质相互作用的知识可从核物理教材中了解。

鉴于本教程有特定的应用范围，其中并不全面覆盖使用MCNP3B程序的所有知识。

有关计算裂变核反应（如临界问题）、如何修改源程序和用户编写输入子程序（如定义用户源、用户记数）的内容本教程中一概不予介绍，还有一些我们不常用的MCNP功能（如几何描述重复定义、坐标变换等）也不介绍。

对这些内容感兴趣的读者可以阅读MCNP3A和3B使用说明书。

由于本人才疏学浅，使用MCNP程序的经验又不多，编写过程也比较匆忙，本教程中不免存在错误和疏漏。

如读者发现其中有差错之处或觉得部分叙述晦涩难懂，请与编者联系，电话是5970055（家）、5592052（办）。

郑华

1998/10/5

页码

第一章入门1

§1.1用蒙特卡罗方法模拟粒子输运

§1.2MCNP简介

A.程序的发展过程和应用领域

B.程序的特点

§1.3MCNP输入文件2

A.输入文件的基本形式

B.一个简单的例子

C.接续运行的输入文件

D.卡片格式3

E.输入错误信息

§1.4如何运行MCNP3B微机版

A.MCNP3B程序包的主要文件

B.安装和运行MCNP3B的操作步骤4

第二章几何

§2.1基础知识

A.概述

B.栅元定义中的一些概念

C.有关曲面的一些知识

§2.2几何描述卡5

A.栅元卡

B.曲面卡

§2.3有效地构建几何6

A.定义栅元的原则

B.检查几何错误

第三章数理基础

§3.1物理

A.粒子权重

B.粒子径迹

C.中子与物质作用

D.光子与物质作用8

§3.2记数9

A.面流量记数

B.通量记数

C.栅元能量沉积记数

D.探测器记数

E.记数精度10

§3.3减小方差技巧11

A.统筹考虑

B.能量截断

C.时间截断

D.几何分裂和轮盘赌

E.能量分裂和轮盘赌

F.暗含俘获和权重截断

G.强迫碰撞12

H.DXTRAN

I.源变量偏倚

J.权重窗口13

K.指数变换

L.相关抽样

M.点探测器

第四章数据卡

§4.1问题类型卡14

§4.2栅元参数和曲面参数卡

A.IMP栅元重要性卡

B.VOL栅元体积卡

C.AREA曲面面积卡

D.PWT光子产生权重卡

E.EXT指数变换卡

F.VECT矢量输入卡

G.FCL强迫碰撞卡15

H.WWE权窗能量卡

I.WWN权窗边界卡

J.WWP权窗参数卡

K.WWG权窗产生器卡

L.WWGE权窗产生器能量卡

M.PDn探测器贡献卡

N.DXCDXTRAN贡献卡16

§4.3源的描述

A.SDEF通用源卡

B.SIn源信息卡17

C.SPn源概率卡

D.SBn源偏倚卡

E.DSn相关源分布卡18

F.SCn源注释卡

§4.4记数方式的指定19

A.Fna记数类型卡

B.FCn记数注释卡20

C.En记数能量卡

D.Tn记数时间卡

E.Cn记数余弦卡

F.EMn记数能量乘子卡

G.TMn记数时间乘子卡

H.CMn记数余弦乘子卡

I.DEn/DFn剂量能量/剂量函数卡

J.CFn记数栅元标志卡

K.SFn记数界面标志卡

L.FSn记数片段划分卡

M.SDn记数片段的体积/面积卡

N.FQn记数打印层次卡21

O.TFn记数涨落打印卡

P.DD探测器和DXTRAN诊断指定卡

Q.DXTDXTRAN的参量卡

R.FTn记数特殊处理卡

§4.5材料的指定22

A.Mm材料成份卡

B.DRXS离散反应截面卡23

C.AWTAB原子量卡

D.VOID否定材料卡

§4.6能量和热处理方式的指定

A.PHYS能量物理截断卡

B.ESPLT能量分裂和轮盘赌卡

C.TMP自由气体热处理卡

D.THTME热时间卡

E.MTmS（α,β）材料卡24

§4.7问题截断卡

A.CUT截断卡

B.NPS历史截断卡

C.CTME计算时间截断卡

§4.8外围卡

A.PRDMP打印及转储周期卡

B.LOST丢失粒子卡

C.DBCN调试信息卡

D.PRINT打印控制卡25

§4.9MCNP输入文件综述

A.输入卡

B.存储限制

第五章经验26

§5.1一般应用步骤

§5.2需注意的问题

附录

连续能量中子截面库ENDL851数据目录

中子热截面库BMCC1数据目录

离散中子截面库D91数据目录27

光子截面库MCPLIB1数据目录

特殊材料S（α,β）热截面库TMCC1数据目录

参考文献

第一章入门

MCNP3B版是一套模拟中子和光子联合输运的通用蒙特卡罗程序，它具有连续能量、三维几何和与时间相关的处理能力。

本章仅简要介绍该程序的使用方法，详细内容将在后续各章中叙述。

§1.1用蒙特卡罗方法模拟粒子输运

图1.1单个中子随机历程示意

中子和光子在物质中输运的宏观表现是大量粒子与原子核微观作用的平均结果，蒙特卡罗方法通过逐一模拟和记录单个粒子的历程来求解输运问题。

要得到比较合理的平均结果需要跟踪大量的粒子，至于单个粒子在其生命中的某一阶段如何度过，可以在已知统计分布规律的前提下通过抽取随机数来决定。

这就象掷骰子赌博一样，因而得名蒙特卡罗方法（。

图1.1显示了模拟中一个中子射入物质后的随机历程。

首先根据中子与物质作用的物理规律（分布函数），选取一个随机数决定中子在何处与原子核碰撞，本例中在1点碰撞；然后再用抽取随机数的方法决定中子与原子核发生了哪种反应，这里抽出的是非弹性散射反应；散射中子的能量和向哪个方向飞行也是用抽取随机数的方法从已知分布函数中决定的；碰撞过程中是否产生光子以及光子的能量、飞行方向等参数还是要通过抽取随机数从已知分布中决定，这里产生了一个光子。

跟踪光子，确定它在7点与原子核碰撞并被吸收。

散射后的中子在2点与原子核发生（n,2n）反应，其中一个出射中子射向探测器，另一个中子在3点被吸收。

在2点的碰撞还产生了一个光子，它在5点又与原子核发生了一次散射反应，并离开物质。

这一入射中子的历史过程结束了，有一个中子到达了探测器，感兴趣的结果被记录下来。

跟踪越来越多的入射粒子历程后，平均结果就能反映出宏观效果。

通过以上描述，读者不难领略蒙特卡罗方法如何通过跟踪粒子历程的方法计算问题，也了解了随机数在蒙特卡罗计算中的独特作用。

§1.2MCNP简介

A.程序的发展过程和应用领域

40年代美国LosAlamos实验室的Fermi、vonNeumann和Ulam等人提出用蒙特卡罗方法模拟辐射输运的思想。

47年Fermi发明了第一台用蒙特卡罗方法计算中子链式反应的机器。

从50年代开始，vonNeumann领导一个小组研究输运问题的蒙特卡罗处理方法，编写出模拟中子输运的程序MCS。

63年蒙特卡罗方法描述语言标准化。

65年完成的中子输运程序MCN有了很大改进，使用了标准的截面库，并且具有复杂几何描述功能。

后来，LosAlamos实验室又开发了模拟光子输运的程序MCG（高能）和MCP（能量低至1keV）。

73年MCN和MCG合并成MCNG，为MCNP的雏形。

MCNP于76年开发成功，77年6月发行。

3B版之前还发行过1A、1B、2、2A、2B、2C、2D、3和3A版。

MCNP软件包（ageneralMonteCarlocodeforNeutronandParticletransport）是一套通用的、模拟三维空间中连续能量的中子、粒子联合输运的程序，其名字早先来源于theanalogMonteCarlomethodforNeutronandProton'stransport的缩写。

MCNP3版（83年）和3A版（85年）发行后，这一软件在核测井领域逐渐成为最流行的通用程序，程序模拟结果和模型井实验结果较好地吻合，此时程序使用的主要核数据库是ENDF/B-4。

88年发行的3B版程序增加了几何重构功能。

91年4版问世，加入了模拟带电粒子（离子）输运部分，可以模拟探测器的测量结果，使用了新的ENDF/B-6评价核数据库。

MCNP程序的应用范围十分广阔，主要包括：

反应堆设计、核临界安全、辐射屏蔽和核防护、探测器的设计与分析、核测井、个人剂量与物理保健、加速器靶的设计、医学物理与放射性治疗、国家防御、废物处理、射线探伤等。

B.程序的特点

MCNP3B版程序能处理的中子能量范围是10-11MeV至20MeV，光子能量范围1keV至100MeV。

程序中物理量的单位规定为：

物理量

单位

长度

cm

能量

MeV

时间

shake,=10-8sec

温度

MeV（kT）

原子密度

atoms/barn-cm

质量密度

g/cm3

截面

barns（10-24cm2）

加热量

MeV/collision

此外，原子质量按中子质量为1.0计算，这种单位下阿佛伽德罗常数是0.59703109；程序运行时间以分钟为单位。

MCNP程序的源代码是用FORTRAN语言编写的，3B版主程序有6万多行。

程序包中携带了大量的核反应数据库文件，我们得到的库文件约占80Mb磁盘空间。

MCNP3B版具有很强的通用性，主要体现在：

1.可以处理任意三维几何结构的问题。

在输入文件INP中，空间被曲面（surface）分割成相互邻接的区域，称为栅元（cell），可以给栅元填充各种物质。

栅元的界面可以是平面、二阶曲面或某些四阶曲面（如椭圆环状面）。

有关MCNP几何描述的知识将在第二章介绍。

2.可以模拟中子输运、光子输运和二者联合输运。

3.用户可以非常方便地在任何位置指定体源、面源、线源或点源，设置源粒子位置、能量、时间、飞行方向等参数的分布。

源的指定方法将在第四章中介绍。

4.程序提供多种记录模拟结果方法，包括通过某一界面的粒子流量或通量、进入某一栅元的通量、沉积能量和点通量。

模拟结果在MCNP中称为记数（tally），可以按位置、能量、时间、粒子来向和粒子种类记数。

有关记数的指定方法将在第四章中介绍。

5.程序包携带了大量核反应数据库文件，包括连续和离散的中子截面库、光子点截面库、热中子点截面库等，几乎可对所有天然物质进行计算。

程序能比较精细地模拟中子和光子输运过程，并对一些特定的物理过程允许用户选择使用哪种方式进行处理，如对热中子处理可选用自由气体模型或S（α,β）模型，对低能光子处理可以考虑或忽略相干散射等。

6.为了提高计算时效，给用户提供了许多可选用的减小方差（variance）技巧，主要包括：

重要抽样、权重截断和轮盘赌、时间和能量截断、模拟俘获、指数变换、强迫碰撞、能量分裂和轮盘赌、源的偏倚、点探测器记数、确定论输运、权窗等。

有关减小方差技巧的理论基础在第三章中阐述，应用方法在第四章中介绍。

7.用户可通过设置源粒子数或运行时间来通知程序何时终止运行，还可以在原有计算结果的基础上接续运行程序。

一些结果不会因计算的意外中断而丢失。

8.在输出文件OUTP中给用户提供丰富的信息，包括输入列表、使用的截面表、粒子生成和丢失表、栅元中的粒子活动情况、中子诱发光子表、记数和记数涨落表等，还可以根据用户要求给出其它信息。

9.提供了简单的问题调试工具。

§1.3MCNP输入文件

若用户不修改源程序，MCNP的输入文件包括截面数据库文件、XSDIR文件、INP文件等。

INP文件是用户要填写的主要输入文件，一般把该文件特指为输入文件。

OUTP是MCNP的主要输出文件，其它输出文件还有转储文件RUNTPE、运行信息文件OUTPUT等。

A.输入文件的基本形式

INP文件有初始运行和接续运行两种形式，用户须在INP中描述问题的几何、材料、源、记数和其它要求。

INP由一些被空行分隔的输入块组成，主要的输入块是信息块、标题和栅元块、曲面块和数据块等。

输入块又由一些被称为卡的输入行组成。

初始运行输入文件的格式如下：

信息卡

}可选

空行分隔符

标题卡

栅元卡

.

.

.

空行分隔符

曲面卡

.

.

.

空行分隔符

数据卡

.

.

.

空行结束符

其它

信息卡的1~8列应填写MESSAGE:

，后面跟着用空格分隔的参数项。

可用A=B参数项更改输出文件名，如OUTP=MYOUT。

信息块是可选的。

在信息块之后的第一行是问题的标题卡，它仅限于一行，占用1~80列，可以是任何信息，将作为OUTP文件中各个输出表的标题被复制。

用户在栅元块和曲面块中描述问题的几何。

栅元由栅元卡描述。

空间必须由彼此相邻的栅元填满，栅元之间不能重叠，也不能出现无栅元的空区，否则会出现错误。

构建栅元的曲面由曲面卡定义，曲面卡在曲面块中给出。

曲面卡和栅元卡的填写方法见第二章。

曲面块之后是数据块，在数据块中用户描述源、记数方式、材料等。

数据卡在第四章详细介绍。

无论数据块后是否有空行结束符，MCNP都能运行。

用户可以把希望保留的一些附加信息写在数据块的空行之后，MCNP会将它们复制到OUTP文件末尾。

B.一个简单的例子

为说明如何填写INP文件，这里例举一个简单问题。

如图1.2所示，在一个边长10cm的石墨立方体3中有两个半径0.5cm的球形空间，球1中充满氧气，球2是铁球。

在球1中置一14MeV各向同性中子点源，计算球2外表面与能量相关的中子通量。

建立的INP文件如下：

SAMPLEPROBLEMINPUTDECK

11–0.0014-7

22–7.86-8

33–1.601–2–34–5678

40-1:

2:

3:

-4:

5:

-6

←空行

1PZ-5

2PZ5

3PY5

4PY-5

5PX5

6PX-5

7S0–4–2.5.5

8S044.5

←空行

MODEN

IMP:

N1110

SDEFPOS=0–4–2.5ERG=14

F28

E01E-51E-41E-3.01.112345678910111213

M180161

M2260001

M360001

图1.2例子的几何示意图

NPS10000

←空行

本例中没有信息块，第一行是标题卡，之后至空格前为栅元块。

栅元卡上依次填写栅元号、材料号、密度和构成栅元界面的曲面号（带正负号），这里定义了4个栅元：

栅元1由球面7围成，里面填充材料1（16O2气体），密度是0.0014g/cm3；栅元2由球面8围成，填充材料2（铁），密度7.86g/cm3；栅元3由平面1、2、3、4、5、6围成，不包括球面7、8以内的空间，填充材料3（石墨），密度1.6g/cm3；栅元4是栅元3以外的空间，为真空。

曲面卡上需要填写曲面号、曲面类型和曲面参数，本例中定义了8个曲面，前6个为与原点距离5cm垂直于各坐标轴的平面，后两个是半径0.5cm的球面，球心分别在（0,-4,-2.5）和（0,4,4）。

数据块中指定了问题类型、源、记数方式、材料和运行粒子数，各卡数据项的意义如下：

MODE卡

问题类型是中子输运

IMP卡

4个栅元的中子重要性分别是1110

SDEF卡

位于（0,-4,-2.5）、能量14MeV的各向同性点源

F2卡

在曲面8上做中子通量记数

E0卡

对记数能量分区，1~14MeV之间间隔为1MeV，1MeV~10-5MeV之间间隔为一个数量级

M1卡

材料1是16O核素

M2卡

材料2是Fe元素

M3卡

材料3是C元素

NPS卡

运行源粒子数10000

以上例子仅用于说明INP文件格式，有关各输入卡的详细内容，读者在此不必深究。

C.接续运行的输入文件

为了继续一个早先被终止的计算，或想对早先终止的计算进行重新编辑打印（指向文件输出，即PRINT语句，不是向打印机输出），可以接续运行MCNP。

接续运行INP文件中必须有信息块，信息卡中必须有C或Cm参数，其中m表示从第m次转储开始接续运行，m缺省表示从最后一次开始。

接续运行输入文件的格式为：

MESSAGE:

Cm

空行分隔符

CONTINUE

数据卡

.

.

空行结束符

其它

此时INP中不能有标题卡、栅元块和曲面块。

数据块第一行必须是CONTINUE，允许使用的数据卡只是NPS、CTME、PRINT、FQ、DD、PRDMP、LOST和DBCN卡。

NPS卡参数为累积运行的总源粒子数，CTME卡参数相对于本次运行的开始时间。

如果给NPS置负参数，表示仅从转储文件中提取数据重新打印。

接续运行的另一个必要条件是上次运行的转储文件RUNTPE还没被删除。

因每次运行都生成新的转储文件，若想对一次运行结果多次重新打印，则应把RUNTPE文件做备份。

各次转储时运行的源粒子数和时间可从OUTPUT文件中查到。

D.卡片格式

INP文件的每一行都限于使用1~80列。

卡片都可以按行填写，数据卡也允许按列填写。

a）行输入格式

通常卡片的1~5列用于填写栅元号、曲面号或数据卡的助记名，6~72列填写卡片参数，73~80列为注释，$符号之后也为注释。

序号或卡片助记名可以写在1~5列的任何地方。

带有粒子标识符助记名可能需要5列以上，但冒号必须写在6列以内。

如果1~5列空白，表示本行为上一行的接续行。

6列之后可以写数据项，多个数据项之间用空格分隔。

一个数据项必须在一行上写完，不得接续到下一行。

相同编号的卡片只能有一张。

填写卡片参数时可以使用以下书写功能：

1.nR功能，表示它前面的数据再重复n遍。

2.nI功能，表示与其前后相临两个数之间插进n个线性插值点。

3.xM功能，表示数值等于它前面数据的x倍。

4.nJ功能，表示从本项开始的n个数据使用缺省值。

b）列输入格式

列输入只能用于数据块中，对栅元参数和源的描述比较有用。

按行输入的栅元重要性、体积、权窗等数据项可读性较差，而且增加或删除栅元时要在行输入卡上仔细寻找相应项。

列输入的可读性有很大提高，删除或增加与某一栅元相对应的数据项时也比较方便。

列输入格式的第一行以#开始，#可以放在1~5列的任意位置，卡片助记名逐个放在该行6列以后，在这些助记名之下按列给出数据项。

同一个列输入格式块中的卡片必须是同一类卡片，比如都是栅元参数卡、都是曲面参数卡或都是源参数卡等，在#号下面的1~5列放置栅元号、曲面号或源分布号。

c）粒子标识符

粒子标识符是卡片助记名的一部分，:

N表示中子，:

P表示光子，有时也能遇到表示中子-光子联合输运的:

NP。

下面一些数据卡需要粒子标识符：

IMP、EXT、FCL、WWN、WWE、WWP、WWCE、DXT、DXC、Fna、PHYS、ESPLT和CUT。

d）缺省值

MCNP许多输入卡的参数项有缺省值，用户不必每次都给出这些参数，如果卡片输入项有固定顺序，可以使用nJ功能跳过n个输入项。

如果卡片上所有数据项都想缺省，只给出卡片助记名即可。

有些卡片不给出也有缺省值，如MODEN卡就可以省略。

E.输入错误信息

MCNP对输入文件作广泛的检查，如果用户违反输入规定，将在输出文件OUTP中打印致命错误信息（FATALERROR），程序停止运行。

第一个致命错误是真实的，后面的致命错误不一定是真实的。

MCNP还给出许多警告性的提示（WARNING），对这些提示用户也不可忽视。

如果遇到任何代码损坏，如零作除数，MCNP将给出BADTROUBLE信息，并终止运行。

§1.4如何运行MCNP3B微机版

通常编辑INP文件后，键入RUN386MCNP并回车，就可运行MCNP程序。

3B微机版源程序用NDPFORTRAN386编译器编译，要求386以上的微机和DOS3.3之后的操作系统，不能在Windows系统或保护方式下运行。

A.MCNP3B程序包的主要文件

1.MCNP.DAT：

MCNP3B源程序MCNP.F的缩写型文件。

文件中所有公用说明语句只列出一次，便于修改。

2.PRPR.F：

辅助程序，把MCNP.DAT展成MCNP.F。

3.MAKXSF.F：

该程序用于对NCMP所需截面数据加工处理，从原有的截面数据文件中挑选若干常用的截面数据，生成新的较小文件，可以节省磁盘空间和缩短程序运行时的数据读取速度。

4.SPECS：

是MAKXS.F程序的输入文件，用来指定加工截面数据文件的任务清单，包括加工格式、输出文件名和核素。

例如，某SPECS文件的内容是：

XSDIR1XS