Monte Carlo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 将一根长度为l的针 随机的投放在两条间距为d d l 的两条平行线中间 计算针与两条平行线相交的概率 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 Buffon投针问题 MonteCarlo 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 MonteCarlo MonteCarlo 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 MonteCarlo 蒙特卡罗算法主要组成部分概率密度函数 pdf 必须给出描述一个物理系统的一组概率密度函数 随机数产生器 能够产生在区间 0 1 上均匀分布的随机数抽样规则 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 模拟结果记录 记录一些感兴趣的量的模拟结果误差估计 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 可以在先进的并行计算机上运行的有效算法 MonteCarlo 蒙特卡罗算法模拟的主要步骤 MonteCarlo MonteCarlo 数值解法 MonteCarlo MonteCarlo MonteCarlo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 MonteCarlo模拟 蒙卡模拟粒子输运问题的主要步骤 MonteCarlo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 MonteCarlo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 MonteCarlo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 MonteCarlo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 MonteCarlo模拟 MonteCarlo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 MonteCarlo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 MonteCarlo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 MonteCarlo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 MonteCarlo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