基于蒙特卡洛方法模拟中子照相

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1、东北师范大学硕士学位论文第二章中子照相原理及蒙特卡罗理论基础2．1中子照相原理中子照相是基于射线穿透物体时会发生衰减的基本原理。当中子入射到待照的样品后，由于中子与样品中的原子核发生相互作用，透射中子的强度和空间分布将会发生变化，如图1：图3中子照相原理示意图，x=肪一．pXB(E，Z∥x)式中，而为射线入射强度，A为射线出射强度，∥=，70物质的射线线性吸收系数，，7物质的核密度，o物质核的中子全截面，Bf，E，z，刚物质的中子散射积累因子。因为不同的材料对中子束有不同的衰减特性，这种作用的强弱与发生作用局部区域中样品所包含材料的性质(组成元素、密度、空

2、穴等)有关，所以透射中子束即包含样品内部成分和结构的信息，再利用特定的技术和相关的影像技术，将透射中子注量率厶的空间分布显示出来，就可获得待照样品内部所含材料的空间分布、密度变化、各种缺陷的综合信息，这就是中子照相的基本原理。中子照相系统的构成主要有三大部件：中子源、准直器、像探测器系统(包括中子转换屏)，其基本部件(见图4)。如何构成这个系统有许多种方案可供选择，它们的性质不同，投资费用不同，应用范围也有很大的不同。图4中子照相装置示意图中子按能量的不同可分为：冷中子、热中子、共振中子、快中子等。其中热中子照5东北师范大学硕士学位论文相分辨率高，目前在中

3、子照相中应用最为普遍，技术也比较成熟。但热中子只能穿透较薄的金属层，对于像炮弹这样的物体，就难以得到清晰的图像。快中子可以穿透较厚的金属层，故快中子照相在这方面可以弥补热中子的不足。但快中子照相的分辨率较热中子要差一些，快中子照相因为它独特的优点和实际的需要近年来也取得了很大的发展和广泛的应用，成为中子照相的一个热点，图5就是中子照相和X射线照相图比较。串予麓相x射姨图5中子照相和X射线照相图2．2蒙特卡罗(MonteCarlo)方法2．2．1MonteCa—o方法简述蒙特卡罗(MonteCarlo)方法，又称随机抽样或统计实验方法，是一种数值分析方法。它

4、以概率模型为基础，根据待求实际问题的变化规律，构造出一个合适的概率模型，按照模型进行大量的统计实验，使某些统计参量恰好是待求问题的解。具体地说，就是先构建一个概率空间(Q，A，P)，其中Q是任何一个事件的集合，A是集合Q的子集，P是建立在A上的某一个概率测度；然后在该概率空间确定一个随机变数e(曲，(1)∈Q，为所求的值e的无偏估计；最后，以所确定的随机变数在A上的简单子样的算术平均值：1Ⅳ。Ⅳ=古∑p(％)％∈彳(2一卜1)作为e的近似估计，解得的近似值的精确度可以用估计值的标准误差来表示。2．2．2MCNP程序Ma岬似GeneralMonteCarlo

5、C(，deforNeutron柚dPar￡icleTraIlspon)是一套通用的、三维空间中连续能量中子、光子和带电粒子(离子)联合输运过程模拟程序，在军事和工业领域有着广泛应用。蒙特卡罗方法模拟粒子与物质相互作用过程的思想在40年代由美国L0s～锄os国立实验室的科学家提出，1946年，物理学家von．NeⅧ枷等人制作了用随机抽样方法模拟中子连锁反应的机器，并称这种方法为MonteCarlo方法。1950年该方法被写成软件，63年蒙特卡罗方法描述语言标准化，76年开发出了目前最具代表性的通用蒙特卡罗软件MCNP。McNP3版(1983年)和3A版(19

6、85年)发行后，这一软件就成为用蒙特卡罗方法模拟核过程最流行的通用程序，程序在计算辐射能量沉积和辐射计量等方面取得成功。88年出版的llCNP3B程序具有重复构造和结构的能力，能够解决特征Y谱线的问题，可以很6东北师范大学硕士学位论文好地模拟中子和光子的联合输运问题，使用的5主要核数据库是ENDF／B．4。91年MCNP4版问世，3＼nY。这时程序可以模拟中子、光子、带电粒子(离子)n≥j怔的联合输运过程，可以模拟探测器的测量结果。入射中子、夕‘YMCNP4版使用了更新的ENDF／B一6评价核数据库，、7加入了脉冲中子源功能等。McNP5版(2003年)提

7、高了彩色描点能力(64种颜色)，提高了处理真空物质中性粒子照相问题能力，为源增加了新选项，并对广泛应用的windows系统有了更好的支持。图6单个中子随机历程示意图该程序是目前国际上在核技术领域中应用最广泛、效果较佳、具有通用性的蒙特卡罗模拟计算程序，许多核反应蒙特卡罗专用程序都引用该程序的核心部分。本次计算所使用的是88年出版的MCNP3B版。近年来，随着计算机使用范围的日益广泛，蒙特卡罗方法向各个学科和工程技术领域的渗透也越来越深入。由于MCNP程序能很好地解决连续能量的粒子在三维空间中联合输运过程，因而凡是与粒子输运过程相关的数学、物理及工程技术等方

8、面的问题，都可以通过建立适当的模型，从而直接或间接地利用MCNP对