MonteCarlo方法及相关软件在实验核物理中的应用.ppt

MonteCarlo方法及应用软件在实验核物理中的应用内容 MonteCarlo简介核技术特点及MonteCarlo方法的应用MonteCarlo应用软件Geant4具体应用实例将一根将一根长度度为l的的针，随机的投放在两条，随机的投放在两条间距距为d(dl)的的两条平行两条平行线中中间，计算算针与两条平行与两条平行线相交的概率相交的概率。通过解析法，容易得到 针与平行线相交的概率 由此可以得到圆周率Buffon投针问题 Buffon投针问题 Buffon投针问题 Buffon投针问题 Buffon投针问题 试验者时间(年)针长投针次数相交次数的估计值Wolf18500.80500025323.15956Smith18550.60320412183.15665Fox18840.7510304893.15951Lazzarini19250.83340818083.14159292Buffon投针问题 Monte Carlo蒙特卡罗方法又称统计模拟方法，是利用随机数进行数值模拟的方法可以将蒙特卡罗法看作利用随机试验的方法计算积分，所计算的积分可看做服从某种分布的密度函数为f(r)的随机变量g(r)的数学期望而通过某种试验得到N个观察值r1，r2.rN等，将N个随机变量的值g(r1),g(r2),g(rN)的算术平均值作为积分估计值Monte CarloMonte Carlo根据概率论知识，可知优点对于具有随机性质的事件或物理过程其物理意义逼真受几何限制小收敛速度与问题的维数无关误差容易确定程序结构简单，易于实现缺点收敛速度慢误差具有概率性在粒子输运问题中，计算结果与系统大小有关Monte Carlo蒙特卡罗算法主要组成部分概率密度函数概率密度函数(pdf)必须给出描述一个物理系统的一组概率密度函数;随机数随机数产生器生器能够产生在区间0,1上均匀分布的随机数抽抽样规则如何从在区间0,1上均匀分布的随机数出发,随机抽取服从给定的pdf的随机变量;模模拟结果果记录记录一些感兴趣的量的模拟结果误差估差估计必须确定统计误差（或方差）随模拟次数以及其它一些量的变化；减少方差的技减少方差的技术利用该技术可减少模拟过程中计算的次数；并行和矢量化并行和矢量化可以在先进的并行计算机上运行的有效算法Monte Carlo蒙特卡罗算法模拟的主要步骤Monte CarloMonteCarlo数值数值解法解法Monte Carlo实际模型/原理理论结果模拟结果测试结果测试理论分析模拟对比对比理解模型错误模型错误原理正确原理错误原理错误一致不一致一致不一致Monte CarloMonte Carlo模拟+统计特性高样本量非常有利于MonteCarlo方法的应用在核物理中的应用而其中粒子输运问题是蒙特卡罗模拟的基本核物理过程Monte Carlo模拟蒙卡模拟粒子输运问题的主要步骤Monte Carlo模拟确定粒子输运过程中涉及的物理过程蒙卡模拟粒子输运问题的主要步骤多粒子情况下常用的有字典编辑分支法Monte Carlo模拟确定所用的蒙卡技巧（单粒子）蒙卡模拟粒子输运问题的主要步骤Monte Carlo模拟确定粒子状态参数及状态序列蒙卡模拟粒子输运问题的主要步骤以容易实现，所用计算时间少为标准Monte Carlo模拟确定粒子输运过程中状态分布的抽样方法在通过对粒子输运问题的进行模拟的基础上，考虑实际情况进一步对其结果进行分析，可以针对不同应用得出不同的物理结果，如屏蔽问题中的光通量，核辐射探测器中的探测效率、能量沉积谱、能量分辨率等。Monte Carlo模拟Monte Carlo应用软件全名MultigroupOakRidgeStochasticExperiment，是美国橡树岭国家实验室从60年代开始研制的大型、多功能、多群中子-光子耦合输运程序特点具有三维几何能力具有多种功能，可解决中子、光子、中子-光子耦合输运问题使用多群截面数据模块结构包括几种有效地减小方差技巧和计算技巧程序具有很大的灵活性Monte Carlo应用软件MORSE全名MonteCarloNeutronandPhotonTransportCode，由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室编制的具有目前最高水平的中子-光子输运程序，被称为“超级蒙特卡罗程序”。特点程序中的几何可以是三维任意态使用精细的点截面数据可用于中子、光子、中子-光子耦合输运问题，及临界系统特征值问题减小方差技巧比较全面程序的通用性很强使用Fortran语言Monte Carlo应用软件MCNP全名为electron-gammashower，由美国StanfordLinearAcceleratorCenter提供，用以模拟在任意几何中能量从几keV到几TeV的电子-光子簇射过程，目前最新版本为EGS-5特点元素和材料介质齐全带电粒子和光子的输运均采用随机游动模式进行光子的能量可以从1keV到几千GeV反应类型非常齐全使用Mortran语言Monte Carlo应用软件EGS全名FLUktuierendeKaskade，是INFN（意大利核物理研究所）和CERN（欧洲粒子物理研究中心）联合开发的一种蒙特卡罗模拟计算程序，质子、电子加速器屏蔽设计，量热计，活化，计量学，探测器设计，宇宙射线，中微子物理及放射治疗等特点采用微观模型，物理过程严谨约60种不同的粒子可以使用FLUKA进行模拟，能量范围宽使用改进的CG（CombinatorialGeometry）软件包，可处理复杂几何结构针对于大多数的应用，FLUKA使用者不需要编写程序完全免费Monte Carlo应用软件FLUKA全名GEometryANdTracking，由上世纪90年代CERN（欧洲核子研究组织）和KEK（日本高能加速器研究中心）组织了来自欧洲、俄罗斯、加拿大、日本和美国的几十个实验室、高校和研究机构的超过100名科学家和工程师进行合作编译出来的具有开放结构的蒙卡程序特点：采用面向对象的类的程序结构设计采用C+语言编译程序，用户可自定义的开放代码重新编写物理过程，不借助于外部程序采用商业化的通用技术完全免费Monte Carlo应用软件GEANT4对于简单探测器相应问题的编程思路主函数定义放射源定义探测器几何定义物理过程模拟计算数据采集数据分析GEANT4应用实例谢谢谢谢