MCNP入门教程.docx
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MCNP入门教程
MCNP入门教程
J·K·ShultisR·E·Faw编著
Icrychen（************）翻译
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-Block2
2.2栅元-Block1
3数据描述-Block3
3.1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FOM
4.2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。
http:
//www-rsicc.ornl.gov
本教程注重于MCNP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$符号后面的任何内容都将被忽略。
28页图4给出了一个注释好的输入文件。
2几何说明
MCNP操作手册中的几何说明分成了几个部分。
第一卷开头1-12页是几何说明的一个介绍。
第二章第二节（2-7）页继续讨论。
第三章第II，III节为文件输入卡片提供了详细的指导，最后，第四章第1节提供了关于几何说明的许多例子。
MCNP首先处理几何问题，通常以区域或者体积的形式，而这些区域或者体积是由一次或二次曲面界定的。
栅元（Cells）是由区域的交、并、补运算来定义的，同时包含用户定义的材料。
区域A和区域B的交集和并集如图一阴影部分所示。
并集操作可以看作逻辑或（OR），A与B的并集是一个新的区域，它包含了属于A或者属于B的所有空间。
交集操作可看作逻辑与（AND），A与B的交集仅仅包含同时属于A和B的空间区域。
补集操作（#）扮演了逻辑非的角色。
例如，#（A:
B）是A并B之外的所有空间区域。
MCNP采用三维（x,y,z）笛卡尔坐标系统。
所有的维都以厘米（cm）为单位。
所有空间都由连续的体积或cells组成。
每个cell可以由一个或多个面界定，或者定义为无限。
例如，一个立方体由6个平面界定。
每一个点（x,y,z）都必须属于一个cell（或者在一个cell的面上）。
几何定义不允许有“缝隙（gaps）”。
也就是说，不允许任何一点不在任何cell或面上。
每个栅元和面都由用户指定一个唯一的数字标识符。
2.1面---第二段
表3.1摘自MCNP操作手册，表中列举了MCNP用于创建几何模型的面的类型。
Table1.MCNPSurfaceCards（page3-13ofMCNP5manual）
Mnemonic
Type
Description
Equation
CardEntries
P
PX
PY
PZ
Plane
平面
General
Normaltox-axis
Normaltoy-axis
Normaltoz-axis
Ax+By+Cz-D=0
x-D=0
y-D=0
z-D=0
ABCD
D
D
D
SO
S
SX
SY
SZ
Sphere
球体
Centeredatorigion
General
Centeredonx-axis
Centeredony-axis
Centeredonz-axis
x2+y2+z2−R2=0
（x−¯x）2+（y−¯y）2+（z−¯z）2−R2=0
（x−¯x）2+y2+z2−R2=0
x2+（y−¯y）2+z2−R2=0
x2+y2+（z−¯z）2−R2=0
R
x¯y¯zR
¯xR
¯yR
zR
C/X
C/Y
C/Z
CX
CY
CZ
Cylinder
圆柱体
Paralleltox-axis
Paralleltoy-axis
Paralleltoz-axis
Onx-axis
Ony-axis
Onz-axis
（y−¯y）2+（z−¯z）2−R2=0
（x−¯x）2+（z−¯z）2−R2=0
（x−¯x）2+（y−¯y）2−R2=0
y2+z2−R2=0
x2+z2−R2=0
x2+y2−R2=0
y¯zR
¯x¯zR
¯x¯yR
R
R
R
K/X
K/Y
K/Z
KX
KY
KZ
Cone
圆锥体
Paralleltox-axis
Paralleltoy-axis
Paralleltoz-axis
Onx-axis
Ony-axis
Onz-axis
SQ
Ellipsoid椭圆体hyperboloidparaboloid抛物面
Axisparalleltox-,y-,orz-axis
A（x−¯x）2+B（y−¯y）2+C（z−¯z）2
+2D（x−¯x）+2E（y−¯y）
+2F（z−¯z）+G=0
ABCDEFG–x–y-z
GQ
Cylinder,cone
Ellipsoid
Paraboloid
Hyperboloid
Axisnotparallelto
x-,y-,orz-axis
Ax2+By2+Cz2+Dxy+Eyz
+Fzx+Gz+Hy+Jz+K=0
ABCDEFGHJK
TX
TY
TZ
Ellipticalorcirculartorus
Axisisparalleltox-,y-,orz-axis
XYZP
surfacesdefinedbypoints–seepages3-15to3-17
所有面都指定在笛卡尔坐标系。
面的方程表示为f（x,y,z）=0。
例如，一个平行于Z轴半径为R的圆柱体定义为
，该圆柱的轴线平行于Z轴切通过点
。
这个面在MCNP输入行中用助记符C/Z（或c/z，注意到MCNP大小写无关）表示为：
1C/Z5510$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$后面的行内注释。
每一个面都有“正”“负”两边。
面的方向性一般依照如下规则定义：
任一点f（x,y,z）>0在面的正（+）边，f（x,y,z）<0在面的负（-）边。
例如，一个圆柱内部的区域在圆柱面的负边，圆柱外部的区域在圆柱面的正边。
2.2栅元（Cells）----第一段
我们举例说明如何用面和布尔逻辑来定义一个简单的栅元。
定义一个圆柱体容器，墙壁和上下端都为1cm厚的铁。
容器内部和外部为空区域（void）。
假如使用上一节定义的圆柱面作为该容器的外圆柱面。
这个问题的几何定义如图2所示：
为了定义容器内表面，我们还需要另一个与第一个圆柱体同心且半径小1cm的圆柱体，不妨称这个小圆柱为面4，输入文件中这两个圆柱的定义行为：
1C/Z5510$outercylindricalsurface
4C/Z559$innercylindricalsurface
定义容器的底面和顶面需要两个垂直于Z轴的平面，分别位于Z=40和Z=60cm。
类似地，为定义容器内部底面和顶面，还需要另外两个垂直于Z轴的平面，分别为Z=41，Z=59。
这四个平面定义为：
2pz40$baseofcask
3pz60$topofcask
5pz41$baseofinnercavity
6pz59$topofinnercavity
这六个面的定义卡（或输入行）可以以任意顺序出现在输入文件的第二段。
问题的面定义完成之后，我们开始定义体积或栅元（cell）以填充所有的（x,y,z）空间。
这些栅元的定义卡包含在输入文件的第一段内。
首先，我们定义内部空腔为栅元8。
该区域在面4负方向，平面5正方向，平面6负方向。
因此，栅元8定义为：
80-45-6IMP:
N=0IMP:
P=1$innercaskvoid
Cell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重设为0，任何进入该空间的光子将被终止。
我们把这个“墓地”区域称为栅元9，它是面1正方向，面3正方向，面2负方向的并集。
因此该区域定义为：
901:
3:
-2IMP:
N=0IMP:
P=0$graveyard
当然，该“墓地”区域也可以用补集操作符来定义，即指定为栅元7和栅元8之外的所有区域为终止区域，也就是
90#（7:
8）IMP:
N=0IMP:
P=0$graveyard
注意到该栅元卡的第二个输入为0，指的是真空区域且光子权重设为0.
3数据说明——第三段
该段输入卡定义粒子类型，材料，放射源，结果如何记录（tally），粒子反应的物理细节等级，降低方差技巧，截面库，输出的总量和类型等一系列问题。
简单的说，第三段输入卡提供了除几何定义之外的几乎所有问题说明。
关于第三段命令的介绍在第II卷附录1-5到1-10提供。
程序选项之后的理论细节在第二章第III节到第V节提供。
第3章第IV节提供了问题输入卡的结构细节，第4章第IV节和第V节提供了源和结果处理的例子。
3.1材料说明
MCNP运算中填充各个栅元的材料说明包含以下部分：
（a）定义一个唯一的材料编号，（b）元素（或核素）组成，（c）所使用的截面库。
注意到此处并没有密度的说明。
而是将密度说明放在栅元定义卡中。
这就允许一种材料在不同的栅元中可以有不同的密度。
假设问题输入文件中定义的第一个材料为轻水且只对γ射线输运感兴趣。
注释卡（以C或者c开头的卡片）可以用来描述说明。
在下面的卡片中，指定符号M1代表材料1.可能会用到复合的、非标准化的元素组分。
例如，
c----------------------------------------------------
cwaterforgamma-raytransport（byatomfraction）
c-------------------------------------------------------
M110002$elementalHandatomicabundance
80001$elementalOandatomicabundance
指定符号1000和8000定义了氢元素（Z=1）和氧元素（Z=8）。
每个符号中的三个0是预留原子质量数，可在需要说明核素组分和中子输运的问题中，稍后讨论此问题。
对于γ射线和电子输运，只需要指定原子叙述。
对混合组分及混合物来说，组分可能需要说明为质量分数，用一个负号“-”指定，如下
c----------------------------------------------------
cwaterforgamma-raytransport（bymassfraction）
c-------------------------------------------------------
M11000-0.11190$elementalHmassfraction
8000-0.88810$elementalOmassfraction
如果确定质量分数/原子数组分一致的话，错误或警告信息可以忽略。
对中子输运的问题，常常还需要指定元素的核素（isotope同位素）组成。
核素ZAID（ZAIDentification）编号包含6个数字ZZZAAA，其中ZZZ是元素原子序数，AAA是原子质量数A。
因而235U的ZAID编号为092235或92235。
如果想得到由某元素同位素组成材料的中子截面为自然丰度下的发生率，这时ZAID说明为ZZZ000。
注意，这种组分的中子截面设置并非对所有元素都有效。
常常需要你列出所有重要的核素。
例如，中子问题中的轻水可以定义为：
c---------------------------------------------------------
cWATERforneutrontransport（bymassfraction）
c（ignoreH-2,H-3,O-17,andO-18）
c---------------------------------------------------------
M11001.60c-0.11190$H-1andmassfraction
8016.60c-0.88810$O-16andmassfraction
这里的1001和8016是按照ZAID格式定义指定元素的原子序数和原子量。
给出的．60为指定的详细中子截面库中的数据。
参考下边的3.2节。
当氢原子在水分子中结合，无论是纯净的还是与其他材料混合的，他们的结合能均要在经历与慢中子的碰撞中损耗掉。
由于这个原因，
（以下部分为中子相关部分，这里不予翻译）
3.3源说明
在MCNP问题中，源和辐射粒子的种类是由SDEF命令详细指定的。
SDEF有许多参数，可以定义问题中所有源的所有的特征。
拥有各种变量的SDEF命令是复杂的MCNP指令的一部分，他可以产生难以置信的各种源---使用一个SDEF命令。
而且在输入文件中只允许有一个SDEF卡。
在SDEF行，变量参数的值在表格二Table2．中插入，除了默认值，还可以设定变量值来描述源。
符号=，是可以选择的项，所以PAR=1等价于PAR值为1。
变量值可以在三个水平上指定：
（1）明确的（例如，ERG=1.25）,
（2）带分配系数（例如，ERG=d5），（3）用作其他参数变量的函数（例如，ERG=Fpos）。
在第二和第三层次上设定变量，要使用其他三个源卡：
SI（SourceInformation）卡，SP（SourceProbabilities）卡，SB（SourceBias）卡。
第三章D部分提供了SDEF命令和参数的使用的完整说明。
这是一本简捷的写作章节，对于初学者而言，理解他的所有的特征和微妙之处比较困难。
作为MCNP使用者获得使用经验，这些应该周期性的重复阅读。
每次阅读都会对SDEF命令有新的理解和感受。
MCNP使用手册的第四章有关于复杂源的各种实例。
那很值得学习。
然而我经常使用很简单的源，而MCNP手册中没有提供这样的实例。
读了许多类似第三章描述源的命令和选项的资料，有时就是做一些相当简单的操作。
下面是一些相对简单源定义的实例，这可能对你在学习MCNP的过程中更好的理解如何定义源。
当定义新的源的过程中，MCNP总是检查和核对源发射的粒子是不是在设想的地方产生。
HINT：
总是使用VIOD（真空）卡和PRINT110卡来说明输入文件的第三部分（block3）。
PRINT110控制发出位置、方向和优先的50个粒子的能量，这些均在输出文件里显示。
检测这个给出的表格，确信粒子在设想的地方产生。
3.3.1各向同性（isotropic）点源
不同位置的两个各向同性点源
c-----Source:
twopointisotropic1-MeVphotonsourcesonx-axis（两个各向同性的1-MeV光子源在X轴上）
SDEFERG=1.00PAR=2POS=d5$energy,particletype,location（能量，粒子类型光子，位置）
SI5L-10001000$（x,y,z）coordsofthetwoptsources（两个点源的纵横坐标）
SP5.75.25$relativestrengthsofeachsource（每个源的相对强度）
离散能量光子的各向同性的点源
c-----Source:
pointisotropicsourcewith4discretephotonenergies（4个离散光子能量的各向同性点源）
SDEFPOS000ERG=d1PAR=2（位置、能量、粒子类型）
SI1L.3.51.2.5$the4discreteenergies（MeV）（4种能量MeV）
SP1.2.1.3.4$frequencyofeachenergy（每种能量发射的频率）
拥有柱状能量分布的各向同性点源
c-----source:
pointisotropicwith4histogramenergybins（4种柱状能量区间的各向同性点源）
SDEFPOS000PAR=2ERG=d1$position,particletype,energy（位置，粒子类型，能量）
SI1H.1.3.51.2.5$histogramboundaries（柱状图分界）
SP1D0.2.4.3.2$probabilitiesforeachbin（每个能量区间的概率）
拥有连续能量分布的各向同性点源
c-----source:
pointisotropicwithMaxwellianenergyspectrum（拥有麦克斯韦能谱分布的各向同性点源）
SDEFPOS000PAR=2ERG=d1$position,particletype,energy（位置，粒子类型，能量）
SP1-20.5$Maxwellianspectrum
（2）withtempa=0.5MeV（）
两个不同能量分布的各向同性点源
c---2ptisosources:
src1（4-bins）src
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