MCNP初学者入门指南

初学者入门指南

二○○九年五月

MCNP

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。

感兴区外感兴区内X射线源 记录面铁

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

以用户不要试图双击这个程序来运行它。

2. 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

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。

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。

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

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