專利名稱：一種逆向蒙特卡羅粒子輸運模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種逆向蒙特卡羅(Monte Carlo，簡寫MC)粒子輸運模擬系統(tǒng)，屬于核科學(xué)與工程、輻射防護與環(huán)境保護、核技術(shù)應(yīng)用等多學(xué)科交叉領(lǐng)域中的粒子輸運模擬方向。
背景技術(shù)：
在以往的粒子輸運模擬相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)備研制中，現(xiàn)有的蒙特卡羅粒子輸運模擬系統(tǒng)采用的是正向的模擬技術(shù)，屬于根據(jù)原因直接模擬結(jié)果的過程。現(xiàn)有的蒙特卡羅模擬系統(tǒng)包括EGS4、FLUKA、ETRAN、ITS、MCNP、GEANT等。從電子和光子輸運的模擬來分類，這些系統(tǒng)可被分為兩個系列(1)EGS4、FLUKA、GRANT ;(2)ETRAN、ITS、MCNP。這兩個系列的區(qū)別在于對于電子輸運過程的模擬根據(jù)不同的理論采用了不同的技術(shù)。EGS4和ETRAN分別為兩個系列的基礎(chǔ)，其它系統(tǒng)都采用了它們的核心算法。ETRAN (for Electron Transport)由美國國家標準局輻射研究中心開發(fā)，主要模擬光子和電子，能量范圍可從IKeV到lGeV。ITS(The integrated TIGER Series of Coupled Electron/Photon Monte Carlo TransportCodes)是由美國圣地亞哥(Sandia)國家實驗室在ETRAN的基礎(chǔ)上開發(fā)的一系列模擬系統(tǒng)，包括TIGER、CYLTRAN、ACCEPT等，它們的主要差別在于幾何模型的不同。TIGER研究的是一維多層的問題，CYLTRAN研究的是粒子在圓柱形介質(zhì)中的輸運問題，ACCEPT是解決粒子在三維空間輸運的模擬系統(tǒng)。NCNP (Monte Carlo Neutron and Photo Transport Code)由美國橡樹林國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)開發(fā)的一套模擬中子、光子和電子在物質(zhì)中輸運過程的通用蒙特卡羅模擬系統(tǒng)，在它早期的系統(tǒng)并不包含對電子輸運過程的模擬，只模擬中子和光子，較新的版本(如MCNP4A)則引進了 ETRAN，加入了對電子的模擬。FLUKA是一個可以模擬包括中子、電子、光子和質(zhì)子等30余種粒子的蒙特卡羅模擬系統(tǒng)，它把EGS4容納進來以完成對光子和電子輸運過程的模擬，并且對低能電子的輸運算法進行了改進。隨著蒙特卡羅模擬技術(shù)的發(fā)展，正向模擬系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足目前的需要。在實際應(yīng)用中，往往技術(shù)人員需要根據(jù)設(shè)計目標的要求優(yōu)化中間過程與源的設(shè)計，而正向的模擬技術(shù)難以滿足此要求。那么發(fā)展一種逆向的蒙特卡羅粒子輸運模擬系統(tǒng)就可以獲取這些信
肩、O

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種逆向蒙特卡羅粒子輸運模擬系統(tǒng)，可以根據(jù)設(shè)計目標或者外部測量結(jié)果，利用逆向蒙特卡羅直接模擬與粒子輸運原理，獲取中間粒子三維輸運過程以及放射源信息。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案實現(xiàn)如下一種逆向蒙特卡羅粒子輸運模擬系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)設(shè)計目標或者外部測量結(jié)果，利用逆向蒙特卡羅直接模擬與粒子輸運原理，獲取中間粒子三維輸運過程以及放射源信息；該系統(tǒng)包括如下模塊狀態(tài)參數(shù)和序列的輸入與預(yù)處理模塊、自動建模模塊、逆向運動過程模擬模塊、結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊；狀態(tài)參數(shù)和序列的輸入與預(yù)處理模塊、自動建模模塊、逆向運動過程模擬模塊、結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計模塊按照先后次序依次連接；狀態(tài)參數(shù)和序列的輸入與預(yù)處理、自動建模模塊、逆向運動過程模擬模塊、結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計模塊都與數(shù)據(jù)庫管理模塊連接；所述的狀態(tài)參數(shù)和序列的輸入與預(yù)處理模塊包括如下模塊狀態(tài)參數(shù)的輸入與預(yù)處理模塊、以及序列參數(shù)的輸入與預(yù)處理模塊；狀態(tài)參數(shù)的輸入與預(yù)處理模塊、序列參數(shù)輸入與預(yù)處理模塊都由如下模塊組成添加、測量、降噪、修復(fù)、刪除以及保存模塊；所述的自動建模模塊包括如下模塊模型導(dǎo)入模塊、模型修復(fù)與轉(zhuǎn)換模塊、模型反演與可視化模塊；模型導(dǎo)入模塊、模型修復(fù)與轉(zhuǎn)換模塊、模型反演與可視化模塊按照先后次序依次連接；所述的逆向運動過程模擬模塊包括如下模塊確定輸入狀態(tài)模塊、確定上一個碰撞點模塊、確定碰撞原子核模塊、確定被碰撞類型模塊、確定碰撞前的運動能量與方向模塊；確定輸入狀態(tài)模塊、確定上一個碰撞點模塊、確定碰撞原子核模塊、確定被碰撞類型模塊、確定碰撞前的運動能量與方向模塊按照先后次序依次連接；所述的結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計模塊包括如下模塊結(jié)果記錄模塊、誤差統(tǒng)計模塊、結(jié)果可視化模塊；結(jié)果記錄模塊、誤差統(tǒng)計模塊都與結(jié)果可視化模塊連接；所述的數(shù)據(jù)庫管理模塊包括如下模塊狀態(tài)參數(shù)與序列輸入與預(yù)處理數(shù)據(jù)庫管理模塊、模型數(shù)據(jù)庫管理模塊、反應(yīng)截面數(shù)據(jù)庫管理模塊、結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫管理模塊；狀態(tài)參數(shù)與序列輸入與預(yù)處理數(shù)據(jù)庫管理模塊、模型數(shù)據(jù)庫管理模塊、反應(yīng)截面數(shù)據(jù)庫管理模塊、結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫管理模塊都包括如下模塊打開、導(dǎo)入、添加、疊加、修復(fù)、刪除、保存模塊。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于集成了狀態(tài)參數(shù)與序列輸入與預(yù)處理、自動建模、逆向運動過程模擬、結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計等模塊，可以根據(jù)設(shè)計目標或者外部測量結(jié)果，利用逆向蒙特卡羅直接模擬與粒子輸運原理，獲取中間粒子三維輸運過程以及放射源信息，為核裝置相關(guān)的部件設(shè)計、人體輻射劑量計算與優(yōu)化、輻照育種等提供精確的仿真數(shù)據(jù)。


圖1是本發(fā)明主模塊結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明的運行流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖以及具體實施例進一步說明本發(fā)明。一種逆向蒙特卡羅粒子輸運模擬系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)設(shè)計目標或者外部測量結(jié)果，利用逆向蒙特卡羅直接模擬與粒子輸運原理，獲取中間粒子三維輸運過程以及放射源信息；該系統(tǒng)包括如下模塊狀態(tài)參數(shù)和序列的輸入與預(yù)處理模塊、自動建模模塊、逆向運動過程模擬模塊、結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊；狀態(tài)參數(shù)和序列的輸入與預(yù)處理模塊、自動建模模塊、逆向運動過程模擬模塊、結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計模塊按照先后次序依次連接；狀態(tài)參數(shù)和序列的輸入與預(yù)處理、自動建模模塊、逆向運動過程模擬模塊、結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計模塊都與數(shù)據(jù)庫管理模塊連接；
a)、所述的狀態(tài)參數(shù)與序列輸入與預(yù)處理包括如下模塊狀態(tài)參數(shù)輸入與預(yù)處理、序列參數(shù)輸入與預(yù)處理模塊；狀態(tài)參數(shù)輸入與預(yù)處理、序列參數(shù)輸入與預(yù)處理模塊都包括由如下模塊組成添加、測量、降噪、修復(fù)、刪除、保存；具體實施流程首先，通過測量或者設(shè)置確定當前粒子狀態(tài)參數(shù)、序列參數(shù)，然后分別通過狀態(tài)參數(shù)輸入與預(yù)處理模塊、序列參數(shù)輸入與預(yù)處理模塊完成輸入與預(yù)處理；在運行過程中，可以對狀態(tài)參數(shù)、序列參數(shù)進行添加、測量、降噪、修復(fù)、刪除、保存；關(guān)于粒子的狀態(tài)參數(shù)與序列參數(shù)，說明如下粒子在介質(zhì)中的運動的狀態(tài)，可一組參數(shù)來描述，稱之為狀態(tài)參數(shù)。它通常包括粒子的空間位置r,能量E和運動方向Ω，以S=(r，E, Ω )表示；有時還需要其他的參數(shù)，如粒子的時間t和附帶的權(quán)重W，這時狀態(tài)參數(shù)為S’ =(r, E, Q，t，W);狀態(tài)參數(shù)通常要根據(jù)所求問題的類型和所用的方法來確定；例如，對于無限平板幾何，取S= (z，E，cosci )，其中z為粒子的位置坐標，α為粒子的運動方向與Z軸的夾角；追溯粒子第m次碰撞后的狀態(tài)參數(shù)為S' m = (rm, Em, Qm, tm, Wm),它表示一個由源發(fā)出的粒子,在介質(zhì)中經(jīng)過m次碰撞后的狀態(tài)，其中，rm :粒子在第m次碰撞點的位置；Em 粒子第m次碰撞后的能量； Ω m :粒子第m次碰撞后的運動方向；tm :粒子到第m次碰撞時所經(jīng)歷的時間；

Wm :粒子第m次碰撞后的權(quán)重?！獋€由測量點或者設(shè)計目標點反向發(fā)出的粒子在介質(zhì)中運動,追溯若干次碰撞后，直到其運動歷史開始；假定粒子在兩次碰撞之間按直線運動，其運動方向與能量均不改變，則粒子在介質(zhì)中的運動過程可用以下碰撞點的狀態(tài)序列描述SM，SM_1;…，S1, S0 ;這里Sm為粒子的測量點或者設(shè)計目標點狀態(tài)，Stl為粒子由源出發(fā)的狀態(tài)，稱為初態(tài)…稱為粒子運動的鏈長；這樣的序列稱為粒子隨機運動的歷史，模擬一個粒子的運動過程，就變成確定狀態(tài)序列問題；本發(fā)明的狀態(tài)與序列參數(shù)獲取途徑是測量或者設(shè)計目標給出；b)、所述的自動建模包括如下模塊模型導(dǎo)入、模型修復(fù)與轉(zhuǎn)換、模型反演與可視化；模型導(dǎo)入、模型修復(fù)與轉(zhuǎn)換、模型反演與可視化按照先后次序依次連接；具體實施流程首先通過模型導(dǎo)入模塊導(dǎo)入待模擬仿真的模型，然后進入模型修復(fù)與轉(zhuǎn)換模塊，對模型進行檢查，如果發(fā)現(xiàn)有邏輯連接問題則對模型進行修復(fù)，否則將模型自動轉(zhuǎn)換為可以模擬仿真的格式，最后為了檢查轉(zhuǎn)換是否正確，將轉(zhuǎn)換后的模型導(dǎo)入模型反演與可視化模塊，將為轉(zhuǎn)換的模型與反演后的模型比較并可視化；C)、所述的逆向運動過程模擬包括如下模塊確定輸入狀態(tài)、確定上一個碰撞點、確定碰撞原子核、確定被碰撞類型、確定碰撞前的運動能量與方向；確定輸入狀態(tài)、確定上一個碰撞點、確定碰撞原子核、確定被碰撞類型、確定碰撞前的運動能量與方向按照先后次序依次連接；具體流程首先根據(jù)輸入的粒子的位置與方向確定粒子輸入狀態(tài)，然后沿著粒子入射方向確定上一個碰撞點，根據(jù)模型確定碰撞點的碰撞原子核，其次根據(jù)碰撞原子核的宏觀總截面確定被碰撞類型，再次根據(jù)碰撞原子核的微觀截面計算每一個碰撞發(fā)生的概率，從而確定碰撞前的運動能量與方向；舉例說明如下以中子穿透均勻平板模型的逆向蒙特卡羅模擬過程來說明，這時狀態(tài)參數(shù)取S =(z, E, cos α );模擬的步驟如下( I)、確定輸入的參數(shù)狀態(tài)Sm為測量或設(shè)計目標狀態(tài)，也就是要從中子測量點或設(shè)計目標點的空間位置、能量和方向分布中抽樣。設(shè)改點的中子分布為
權(quán)利要求
1.一種逆向蒙特卡羅粒子輸運模擬系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)設(shè)計目標或者外部測量結(jié)果，利用逆向蒙特卡羅直接模擬與粒子輸運原理，獲取中間粒子三維輸運過程以及放射源信息；該系統(tǒng)包括如下模塊狀態(tài)參數(shù)和序列的輸入與預(yù)處理模塊、自動建模模塊、逆向運動過程模擬模塊、結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊；狀態(tài)參數(shù)和序列的輸入與預(yù)處理模塊、自動建模模塊、逆向運動過程模擬模塊、結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計模塊按照先后次序依次連接；狀態(tài)參數(shù)和序列的輸入與預(yù)處理、自動建模模塊、逆向運動過程模擬模塊、結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計模塊都與數(shù)據(jù)庫管理模塊連接； 所述的狀態(tài)參數(shù)和序列的輸入與預(yù)處理模塊包括如下模塊狀態(tài)參數(shù)的輸入與預(yù)處理模塊、以及序列參數(shù)的輸入與預(yù)處理模塊；狀態(tài)參數(shù)的輸入與預(yù)處理模塊、序列參數(shù)輸入與預(yù)處理模塊都由如下模塊組成添加、測量、降噪、修復(fù)、刪除以及保存模塊； 所述的自動建模模塊包括如下模塊模型導(dǎo)入模塊、模型修復(fù)與轉(zhuǎn)換模塊、模型反演與可視化模塊；模型導(dǎo)入模塊、模型修復(fù)與轉(zhuǎn)換模塊、模型反演與可視化模塊按照先后次序依次連接； 所述的逆向運動過程模擬模塊包括如下模塊確定輸入狀態(tài)模塊、確定上一個碰撞點模塊、確定碰撞原子核模塊、確定被碰撞類型模塊、確定碰撞前的運動能量與方向模塊；確定輸入狀態(tài)模塊、確定上一個碰撞點模塊、確定碰撞原子核模塊、確定被碰撞類型模塊、確定碰撞前的運動能量與方向模塊按照先后次序依次連接； 所述的結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計模塊包括如下模塊結(jié)果記錄模塊、誤差統(tǒng)計模塊、結(jié)果可視化模塊；結(jié)果記錄模塊、誤差統(tǒng)計模塊都與結(jié)果可視化模塊連接； 所述的數(shù)據(jù)庫管理模塊包括如下模塊狀態(tài)參數(shù)與序列輸入與預(yù)處理數(shù)據(jù)庫管理模塊、模型數(shù)據(jù)庫管理模塊、反應(yīng)截面數(shù)據(jù)庫管理模塊、結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫管理模塊；狀態(tài)參數(shù)與序列輸入與預(yù)處理數(shù)據(jù)庫管理模塊、模型數(shù)據(jù)庫管理模塊、反應(yīng)截面數(shù)據(jù)庫管理模塊、結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫管理模塊都包括如下模塊打開、導(dǎo)入、添加、疊加、修復(fù)、刪除、保存模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種逆向蒙特卡羅粒子輸運模擬系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)通過如下運行過程實現(xiàn) (1)選擇開始； (2)設(shè)計目標或者測量是否完成，“否”則進行目標設(shè)計或測量，并轉(zhuǎn)第(2)步，“是”則轉(zhuǎn)第(3)步； (3)狀態(tài)參數(shù)與序列輸入與預(yù)處理，并與數(shù)據(jù)庫管理交互； (4)模型是否導(dǎo)入并初始化，“否”則進行模型導(dǎo)入并初始化，并轉(zhuǎn)第(4)步，“是”則轉(zhuǎn)第(5)步； (5)自動建模，并與數(shù)據(jù)庫管理交互； (6)逆向輸運過程模擬，并與數(shù)據(jù)庫管理交互； (7)本次運行是否結(jié)束，“否”轉(zhuǎn)第(6)步，“是”轉(zhuǎn)第(8)步； (8)結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計，并與數(shù)據(jù)庫管理交互； (9)運行結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明提供一種逆向蒙特卡羅粒子輸運模擬系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計目標或外部測量結(jié)果，利用逆向蒙特卡羅直接模擬與粒子輸運原理，獲取中間粒子三維輸運過程以及放射源信息；包括如下模塊狀態(tài)參數(shù)和序列的輸入與預(yù)處理、自動建模、逆向運動過程模擬、結(jié)果記錄與誤差統(tǒng)計、數(shù)據(jù)庫管理。常規(guī)的蒙特卡羅粒子輸運模擬采用的是正向模擬方法，屬于根據(jù)原因直接模擬結(jié)果的過程。在實際情況中，為了重現(xiàn)粒子輸運的輸入或者中間過程，發(fā)明一種逆向的蒙特卡羅粒子輸運模擬系統(tǒng)就可以獲取這些信息。本發(fā)明的優(yōu)點是，根據(jù)目標結(jié)果逆向模擬粒子三維輸運的中間與開始過程，為核裝置相關(guān)的部件設(shè)計、人體輻射劑量計算與優(yōu)化、輻照育種等提供精確的仿真數(shù)據(jù)。
文檔編號G06F17/50GK103065018SQ20131001450
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月13日
發(fā)明者李貴, 鄭華慶, 宋婧, 孫光耀, 吳宜燦 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院