说明书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 Electron Transport）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 Transport Codes）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 Transport Code）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＝(rm,Em,Ωm,tm,Wm)，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，
rm：粒子在第m次碰撞点的位置；
Em：粒子第m次碰撞后的能量；
Ωm：粒子第m次碰撞后的运动方向；
tm：粒子到第m次碰撞时所经历的时间；
Wm：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：SM，SM‑1，…，S1，S0；这里SM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SM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(zM,EM,cosαM)＝N1(zM)N2(EM)N3(cosαM)，
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zM＝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Sm，要确定状态Sm‑1首先要确定上一个碰撞点的位置zm‑1；在相邻两次碰撞之间，对于平板模型，x服从分布：