CN103065018A - 一种逆向蒙特卡罗粒子输运模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种逆向蒙特卡罗粒子输运模拟系统，根据设计目标或外部测量结果，利用逆向蒙特卡罗直接模拟与粒子输运原理，获取中间粒子三维输运过程以及放射源信息；包括如下模块：状态参数和序列的输入与预处理、自动建模、逆向运动过程模拟、结果记录与误差统计、数据库管理。常规的蒙特卡罗粒子输运模拟采用的是正向模拟方法，属于根据原因直接模拟结果的过程。在实际情况中，为了重现粒子输运的输入或者中间过程，发明一种逆向的蒙特卡罗粒子输运模拟系统就可以获取这些信息。本发明的优点是，根据目标结果逆向模拟粒子三维输运的中间与开始过程，为核装置相关的部件设计、人体辐射剂量计算与优化、辐照育种等提供精确的仿真数据。

Description

一种逆向蒙特卡罗粒子输运模拟系统

技术领域

本发明涉及一种逆向蒙特卡罗（Monte Carlo，简写MC）粒子输运模拟系统，属于核科学与工程、辐射防护与环境保护、核技术应用等多学科交叉领域中的粒子输运模拟方向。

背景技术

在以往的粒子输运模拟相关系统的设备研制中，现有的蒙特卡罗粒子输运模拟系统采用的是正向的模拟技术，属于根据原因直接模拟结果的过程。现有的蒙特卡罗模拟系统包括：EGS4、FLUKA、ETRAN、ITS、MCNP、GEANT等。从电子和光子输运的模拟来分类，这些系统可被分为两个系列：（1）EGS4、FLUKA、GRANT；（2）ETRAN、ITS、MCNP。这两个系列的区别在于：对于电子输运过程的模拟根据不同的理论采用了不同的技术。EGS4和ETRAN分别为两个系列的基础，其它系统都采用了它们的核心算法。ETRAN（for ElectronTransport）由美国国家标准局辐射研究中心开发，主要模拟光子和电子，能量范围可从1KeV到1GeV。ITS（The integrated TIGER Series of Coupled Electron/Photon Monte Carlo TransportCodes）是由美国圣地亚哥（Sandia）国家实验室在ETRAN的基础上开发的一系列模拟系统，包括TIGER、CYLTRAN、ACCEPT等，它们的主要差别在于几何模型的不同。TIGER研究的是一维多层的问题，CYLTRAN研究的是粒子在圆柱形介质中的输运问题，ACCEPT是解决粒子在三维空间输运的模拟系统。NCNP（Monte Carlo Neutron and Photo TransportCode）由美国橡树林国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）开发的一套模拟中子、光子和电子在物质中输运过程的通用蒙特卡罗模拟系统，在它早期的系统并不包含对电子输运过程的模拟，只模拟中子和光子，较新的版本（如MCNP4A）则引进了ETRAN，加入了对电子的模拟。FLUKA是一个可以模拟包括中子、电子、光子和质子等30余种粒子的蒙特卡罗模拟系统，它把EGS4容纳进来以完成对光子和电子输运过程的模拟，并且对低能电子的输运算法进行了改进。

随着蒙特卡罗模拟技术的发展，正向模拟系统已经不能满足目前的需要。在实际应用中，往往技术人员需要根据设计目标的要求优化中间过程与源的设计，而正向的模拟技术难以满足此要求。那么发展一种逆向的蒙特卡罗粒子输运模拟系统就可以获取这些信息。

发明内容

本发明目的在于提供一种逆向蒙特卡罗粒子输运模拟系统，可以根据设计目标或者外部测量结果，利用逆向蒙特卡罗直接模拟与粒子输运原理，获取中间粒子三维输运过程以及放射源信息。

本发明所采用的技术方案实现如下：一种逆向蒙特卡罗粒子输运模拟系统，其特征在于，根据设计目标或者外部测量结果，利用逆向蒙特卡罗直接模拟与粒子输运原理，获取中间粒子三维输运过程以及放射源信息；该系统包括如下模块：状态参数和序列的输入与预处理模块、自动建模模块、逆向运动过程模拟模块、结果记录与误差统计模块和数据库管理模块；状态参数和序列的输入与预处理模块、自动建模模块、逆向运动过程模拟模块、结果记录与误差统计模块按照先后次序依次连接；状态参数和序列的输入与预处理、自动建模模块、逆向运动过程模拟模块、结果记录与误差统计模块都与数据库管理模块连接；

所述的状态参数和序列的输入与预处理模块包括如下模块：状态参数的输入与预处理模块、以及序列参数的输入与预处理模块；状态参数的输入与预处理模块、序列参数输入与预处理模块都由如下模块组成：添加、测量、降噪、修复、删除以及保存模块；

所述的自动建模模块包括如下模块：模型导入模块、模型修复与转换模块、模型反演与可视化模块；模型导入模块、模型修复与转换模块、模型反演与可视化模块按照先后次序依次连接；

所述的逆向运动过程模拟模块包括如下模块：确定输入状态模块、确定上一个碰撞点模块、确定碰撞原子核模块、确定被碰撞类型模块、确定碰撞前的运动能量与方向模块；确定输入状态模块、确定上一个碰撞点模块、确定碰撞原子核模块、确定被碰撞类型模块、确定碰撞前的运动能量与方向模块按照先后次序依次连接；

所述的结果记录与误差统计模块包括如下模块：结果记录模块、误差统计模块、结果可视化模块；结果记录模块、误差统计模块都与结果可视化模块连接；

所述的数据库管理模块包括如下模块：状态参数与序列输入与预处理数据库管理模块、模型数据库管理模块、反应截面数据库管理模块、结果记录与误差统计数据库管理模块；状态参数与序列输入与预处理数据库管理模块、模型数据库管理模块、反应截面数据库管理模块、结果记录与误差统计数据库管理模块都包括如下模块：打开、导入、添加、叠加、修复、删除、保存模块。

本发明与现有技术相比的优点在于：集成了状态参数与序列输入与预处理、自动建模、逆向运动过程模拟、结果记录与误差统计等模块，可以根据设计目标或者外部测量结果，利用逆向蒙特卡罗直接模拟与粒子输运原理，获取中间粒子三维输运过程以及放射源信息，为核装置相关的部件设计、人体辐射剂量计算与优化、辐照育种等提供精确的仿真数据。

附图说明

图1是本发明主模块结构图；

图2是本发明的运行流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

一种逆向蒙特卡罗粒子输运模拟系统，其特征在于，根据设计目标或者外部测量结果，利用逆向蒙特卡罗直接模拟与粒子输运原理，获取中间粒子三维输运过程以及放射源信息；该系统包括如下模块：状态参数和序列的输入与预处理模块、自动建模模块、逆向运动过程模拟模块、结果记录与误差统计模块和数据库管理模块；状态参数和序列的输入与预处理模块、自动建模模块、逆向运动过程模拟模块、结果记录与误差统计模块按照先后次序依次连接；状态参数和序列的输入与预处理、自动建模模块、逆向运动过程模拟模块、结果记录与误差统计模块都与数据库管理模块连接；

a）、所述的状态参数与序列输入与预处理包括如下模块：状态参数输入与预处理、序列参数输入与预处理模块；状态参数输入与预处理、序列参数输入与预处理模块都包括由如下模块组成：添加、测量、降噪、修复、删除、保存；

具体实施流程：首先，通过测量或者设置确定当前粒子状态参数、序列参数，然后分别通过状态参数输入与预处理模块、序列参数输入与预处理模块完成输入与预处理；在运行过程中，可以对状态参数、序列参数进行添加、测量、降噪、修复、删除、保存；关于粒子的状态参数与序列参数，说明如下：

粒子在介质中的运动的状态，可一组参数来描述，称之为状态参数。它通常包括：粒子的空间位置r，能量E和运动方向Ω，以S＝（r,E,Ω）表示；有时还需要其他的参数，如粒子的时间t和附带的权重W，这时状态参数为S'＝（r,E,Ω,t,W）；状态参数通常要根据所求问题的类型和所用的方法来确定；例如，对于无限平板几何，取S＝（z,E,cosα），其中z为粒子的位置坐标，α为粒子的运动方向与Z轴的夹角；追溯粒子第m次碰撞后的状态参数为S′_m＝(r_m,E_m,Ω_m,t_m,W_m)，它表示一个由源发出的粒子，在介质中经过m次碰撞后的状态，其中，

r_m：粒子在第m次碰撞点的位置；

E_m：粒子第m次碰撞后的能量；

Ω_m：粒子第m次碰撞后的运动方向；

t_m：粒子到第m次碰撞时所经历的时间；

W_m：粒子第m次碰撞后的权重。

一个由测量点或者设计目标点反向发出的粒子在介质中运动，追溯若干次碰撞后，直到其运动历史开始；假定粒子在两次碰撞之间按直线运动，其运动方向与能量均不改变，则粒子在介质中的运动过程可用以下碰撞点的状态序列描述：S_M，S_M-1，…，S₁，S₀；这里S_M为粒子的测量点或者设计目标点状态，S₀为粒子由源出发的状态，称为初态；M称为粒子运动的链长；这样的序列称为粒子随机运动的历史，模拟一个粒子的运动过程，就变成确定状态序列问题；

本发明的状态与序列参数获取途径是测量或者设计目标给出；

b）、所述的自动建模包括如下模块：模型导入、模型修复与转换、模型反演与可视化；模型导入、模型修复与转换、模型反演与可视化按照先后次序依次连接；

具体实施流程：首先通过模型导入模块导入待模拟仿真的模型，然后进入模型修复与转换模块，对模型进行检查，如果发现有逻辑连接问题则对模型进行修复，否则将模型自动转换为可以模拟仿真的格式，最后为了检查转换是否正确，将转换后的模型导入模型反演与可视化模块，将为转换的模型与反演后的模型比较并可视化；

c）、所述的逆向运动过程模拟包括如下模块：确定输入状态、确定上一个碰撞点、确定碰撞原子核、确定被碰撞类型、确定碰撞前的运动能量与方向；确定输入状态、确定上一个碰撞点、确定碰撞原子核、确定被碰撞类型、确定碰撞前的运动能量与方向按照先后次序依次连接；

具体流程：首先根据输入的粒子的位置与方向确定粒子输入状态，然后沿着粒子入射方向确定上一个碰撞点，根据模型确定碰撞点的碰撞原子核，其次根据碰撞原子核的宏观总截面确定被碰撞类型，再次根据碰撞原子核的微观截面计算每一个碰撞发生的概率，从而确定碰撞前的运动能量与方向；举例说明如下：

以中子穿透均匀平板模型的逆向蒙特卡罗模拟过程来说明，这时状态参数取S＝（z,E,cosα）；模拟的步骤如下：

（1）、确定输入的参数状态S_M为测量或设计目标状态，也就是要从中子测量点或设计目标点的空间位置、能量和方向分布中抽样。设改点的中子分布为：

N(z_M,E_M,cosα_M)＝N₁(z_M)N₂(E_M)N₃(cosα_M)，

则分别从各自的分布中抽样确定测量或设计目标状态；对于平板情况，抽样得到z_M＝L，其中L为源到测量的距离；

（2）、确定下一个碰撞点：已知状态S_m，要确定状态S_m-1首先要确定上一个碰撞点的位置z_m-1；在相邻两次碰撞之间，对于平板模型，x服从分布：

$N\left(x\right)={\mathrm{\Σ}}_t(z_{m-1}+x\·\cos {\mathrm{\α}}_{m-1},E_{m-1})\exp \{-{\∫}_0^x{\mathrm{\Σ}}_t(z_{m-1}+x^{\′}\·\cos {\mathrm{\α}}_{m-1},E_{m-1}){\mathrm{dx}}^{\′}\}$

其中，Σ_t为介质的中子宏观总截面，积分称为粒子输运的自由程数，系统的大小通常就是用系统的自由程数表示的；对于单一介质，则上一个碰撞点的位置，

z_m-1＝z_m-x·cosα_m

（3）、确定被碰撞的原子核：

通常介质由几种原子核组成，中子与核碰撞时，要确定与哪一种核碰撞。设介质由A、B、C三种原子核组成，则介质的宏观总截面为：

${\mathrm{\Σ}}_t\left(E_{m-1}\right)={\mathrm{\Σ}}_t^A\left(E_{m-1}\right)+{\mathrm{\Σ}}_t^B\left(E_{m-1}\right)+{\mathrm{\Σ}}_t^C\left(E_{m-1}\right)$

其中

分别为核A、B、C的宏观总截面；由于中子截面表示中子与核碰撞可能性的大小，因此，中子与A、B、C核发生碰撞的几率分别为：

$P_A=\frac{{\mathrm{\Σ}}_t^A\left(E_{m-1}\right)}{{\mathrm{\Σ}}_t\left(E_{m-1}\right)},$ $P_B=\frac{{\mathrm{\Σ}}_t^B\left(E_{m-1}\right)}{{\mathrm{\Σ}}_t\left(E_{m-1}\right)},$ $P_C=\frac{{\mathrm{\Σ}}_t^C\left(E_{m-1}\right)}{{\mathrm{\Σ}}_t\left(E_{m-1}\right)}$

利用离散型随机变量的抽样方法，确定碰撞核种类

ξ≤P_A     与A核碰撞

ξ≤P_A+P_B  与B核碰撞

ξ＞P_A+P_B  与C核碰撞

（4）、确定碰撞类型：确定了碰撞的核（比如B核）后，就要进一步确定碰撞类型。中子与核的反应类型有弹性散射、非弹性散射、（n,2n）反应，裂变和俘获等，它们的微观截面分别为：

和

则有：

${\mathrm{\σ}}_t^B\left(E_{m-1}\right)={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{el}}^B\left(E_{m-1}\right)+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{in}}^B\left(E_{m-1}\right)+{\mathrm{\σ}}_{(n,2n)}^B\left(E_{m-1}\right)+{\mathrm{\σ}}_f^B\left(E_{m-1}\right)+{\mathrm{\σ}}_c^B\left(E_{m-1}\right)$

各种反应发生的几率分别为：

$P_{\mathrm{el}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{el}}^B\left(E_{m-1}\right)/{\mathrm{\σ}}_t^B\left(E_{m-1}\right)$

$P_{\mathrm{in}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{in}}^B\left(E_{m-1}\right)/{\mathrm{\σ}}_t^B\left(E_{m-1}\right)$

$P_{(n,2n)}={\mathrm{\σ}}_{(n,2n)}^B\left(E_{m-1}\right)/{\mathrm{\σ}}_t^B\left(E_{m-1}\right)$

$P_f={\mathrm{\σ}}_f^B\left(E_{m-1}\right)/{\mathrm{\σ}}_t^B\left(E_{m-1}\right)$

$P_c={\mathrm{\σ}}_c^B\left(E_{m-1}\right)/{\mathrm{\σ}}_t^B\left(E_{m-1}\right)$

利用离散型随机变量的抽样方法，确定反应类型；在中子穿透均匀平板模型中，中子与核反应常只有弹性散射和吸收两种类型，吸收截面为：

这时，总截面为： ${\mathrm{\σ}}_t^B\left(E_{m-1}\right)={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{el}}^B\left(E_{m-1}\right)+{\mathrm{\σ}}_a^B\left(E_{m-1}\right)$

发生弹性散射的几率为：

若ξ≤P_el，则为弹性散射，否则为吸收；考虑是逆过程，按吸收截面占总截面份额增加中子权重或抽样增加中子个数；

（5）、确定碰撞后的能量与运动方向：

如果中子被碰撞核吸收，则其输运历史结束，也探测不到运动状态。如果发生弹性散射，需要确定散射后中子的能量和运动方向。中子能量E_m为：

$E_m\frac{E_{m-1}}{2}[(1+\stackrel{\‾}{r})+(1-\stackrel{\‾}{r})\cos {\mathrm{\θ}}_C]$

$\stackrel{\‾}{r}={\left(\frac{A-1}{A+1}\right)}^2$

A是碰撞核的质量与中子质量之比，一般就取元素的原子量；θ_C为质心系中中子散射前后方向间的夹角，即偏转角μ_C＝cosθ_C；

可从质心系中弹性散射角分布f_C（μ_C）中抽样产生。实验室系散射角θ_L的余弦μ_L为：

${\mathrm{\μ}}_L=\frac{1+A{\mathrm{\μ}}_C}{\sqrt{1+A^2+2A{\mathrm{\μ}}_C}}$

至此，由S_m-1完全可以确定S_m。因此，当中子由测量点或者设计目标点出发后，即S_M确定后，重复步骤（2）～（5），直到中子游动历史终止。于是得到了一个中子的随机逆向游动历史S_M，S_M-1，…，S₁，S₀，也就是模拟了一个由测量点或者设计目标点逆向模拟的的中子的运动过程。

以上模拟过程可分为两大步：第一步确定粒子的测量或者设计目标状态S_M，第二步由状态S_m来确定状态S_m-1。这第二步又分为两个过程：第一个过程是确定碰撞点位置z_m-1，称为输运过程；第二个过程是确定碰撞前粒子的能量及运动方向，称为逆向碰撞过程。对于中子而言，逆向碰撞过程是先确定散射角，进而确定能量和运动方向；而对于光子，逆向碰撞过程是先确定能量，再确定散射角以及运动方向。重复这两个过程，直至追溯到粒子的开始位置终止。

d）、所述的结果记录与误差统计包括如下模块：结果记录、误差统计、结果可视化；结果记录、误差统计都与结果可视化连接；

具体流程：首先进入结果记录模块，记录每一个粒子的逆向运动的信息，然后进入误差统计模块，根据中心极限定理进行误差统计，最后进入结果可视化模块，将结果以图表形式显示出来；

e）、所述的数据库管理包括如下模块：状态参数与序列输入与预处理数据库管理、模型数据库管理、反应截面数据库管理、结果记录与误差统计数据库管理；状态参数与序列输入与预处理数据库管理、模型数据库管理、反应截面数据库管理、结果记录与误差统计数据库管理都包括如下模块：打开、导入、添加、叠加、修复、删除、保存；

具体流程：状态参数与序列输入与预处理数据库管理、模型数据库管理、反应截面数据库管理、结果记录与误差统计数据库管理分别自动存储对应模块所产生的数据，并提供用户对所存储的数据进行打开、导入、添加、叠加、修复、删除、保存操作。

上述的一种逆向蒙特卡罗粒子输运模拟系统，其通过如下运行过程实现：

（1）选择开始；

（2）设计目标或者测量是否完成，“否”则进行目标设计或测量，并转第（2）步，“是”则转第（3）步；

（3）状态参数与序列输入与预处理，并与数据库管理交互；

（4）模型是否导入并初始化，“否”则进行模型导入并初始化，并转第（4）步，“是”则转第（5）步；

（5）自动建模，并与数据库管理交互；

（6）逆向输运过程模拟，并与数据库管理交互；

（7）本次运行是否结束，“否”转第（6）步，“是”转第（8）步；

（8）结果记录与误差统计，并与数据库管理交互；

（9）运行结束。

Claims (2)

1.一种逆向蒙特卡罗粒子输运模拟系统，其特征在于，根据设计目标或者外部测量结果，利用逆向蒙特卡罗直接模拟与粒子输运原理，获取中间粒子三维输运过程以及放射源信息；该系统包括如下模块：状态参数和序列的输入与预处理模块、自动建模模块、逆向运动过程模拟模块、结果记录与误差统计模块和数据库管理模块；状态参数和序列的输入与预处理模块、自动建模模块、逆向运动过程模拟模块、结果记录与误差统计模块按照先后次序依次连接；状态参数和序列的输入与预处理、自动建模模块、逆向运动过程模拟模块、结果记录与误差统计模块都与数据库管理模块连接；

所述的状态参数和序列的输入与预处理模块包括如下模块：状态参数的输入与预处理模块、以及序列参数的输入与预处理模块；状态参数的输入与预处理模块、序列参数输入与预处理模块都由如下模块组成：添加、测量、降噪、修复、删除以及保存模块；

所述的自动建模模块包括如下模块：模型导入模块、模型修复与转换模块、模型反演与可视化模块；模型导入模块、模型修复与转换模块、模型反演与可视化模块按照先后次序依次连接；

所述的逆向运动过程模拟模块包括如下模块：确定输入状态模块、确定上一个碰撞点模块、确定碰撞原子核模块、确定被碰撞类型模块、确定碰撞前的运动能量与方向模块；确定输入状态模块、确定上一个碰撞点模块、确定碰撞原子核模块、确定被碰撞类型模块、确定碰撞前的运动能量与方向模块按照先后次序依次连接；

所述的结果记录与误差统计模块包括如下模块：结果记录模块、误差统计模块、结果可视化模块；结果记录模块、误差统计模块都与结果可视化模块连接；

所述的数据库管理模块包括如下模块：状态参数与序列输入与预处理数据库管理模块、模型数据库管理模块、反应截面数据库管理模块、结果记录与误差统计数据库管理模块；状态参数与序列输入与预处理数据库管理模块、模型数据库管理模块、反应截面数据库管理模块、结果记录与误差统计数据库管理模块都包括如下模块：打开、导入、添加、叠加、修复、删除、保存模块。

2.根据权利要求1所述的一种逆向蒙特卡罗粒子输运模拟系统，其特征在于，该系统通过如下运行过程实现：

（1）选择开始；

（2）设计目标或者测量是否完成，“否”则进行目标设计或测量，并转第（2）步，“是”则转第（3）步；

（3）状态参数与序列输入与预处理，并与数据库管理交互；

（4）模型是否导入并初始化，“否”则进行模型导入并初始化，并转第（4）步，“是”则转第（5）步；

（5）自动建模，并与数据库管理交互；

（6）逆向输运过程模拟，并与数据库管理交互；

（7）本次运行是否结束，“否”转第（6）步，“是”转第（8）步；

（8）结果记录与误差统计，并与数据库管理交互；

（9）运行结束。

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