基于非结构网格粒子输运的蒙特卡罗模拟计算研究

传统的构造实体几何的建模方式不能满足复杂几何输运、多物理耦合计算和大尺度核辐射效应模拟等问题,目前MCNP程序允许在非结构化的网格下跟踪粒子,它是作为一个网格空间嵌入在传统的构造实体几何之中,非结构网格几何采用有限元程序ABAQUS创建,使用MCNP的径迹长度估计器计算非结构网格单元内的输运结果,并在非结构网格上执行单元对单元的跟踪,结果可以输出到ABAQUS或者Paraview进行可视化和其他物理分析。本文分析了两种典型的基准实验:Ueki固定源和Godiva临界源问题,模拟结果表明,UM几何的运行时间和与CSG几何的计算偏差与输入网格单元的数量、单元的阶数成正比,同样阶数的四面体比六面体结果误差更小,本文的非结构网格计算结果与传统的构造实体几何结构结果具有很好的一致性。

基于蒙特卡罗的硫化氢吸附-扩散机理

为了明确硫化氢(H_(2)S)在煤中吸附扩散的微观动力学机理,揭示不同温度、压力对煤吸附H_(2)S分子吸附扩散特性的影响机制,基于巨正则蒙特卡罗(GCMC)、分子动力学(MD)和密度泛函理论(DFT)方法,利用Material Studio软件研究了温度在273.15~313.15 K、压力1~1 000 kPa时H_(2)S在气肥煤大分子模型中的吸附扩散特征。结果表明:温度由273.15 K升至313.15 K时,H_(2)S的饱和吸附量由38.34 mL/g降至31.85 mL/g,降低了16.93%,当压力为1 kPa时,温度对吸附量的影响最为敏感。温度为293.15 K时,压力由1 kPa升至1 000 kPa时,最可几相互作用能由-39.391 kJ/mol升至-34.301 kJ/mol,随着压力的增加,最可几相互作用能先快速增加,后缓慢增加。在吸附H_(2)S过程中,H_(2)S的等量吸附热在36.63~41.43 kJ/mol内,为物理吸附,等量吸附热随着吸附量的增加呈现出负指数变化;H_(2)S的吉布斯自由能ΔG为-3.57~-24.57 kJ/mol,吸附熵ΔS为-0.126~-0.194 8 kJ/(mol·K),随吸附量升高ΔG和ΔS的绝对值线性降低,H_(2)S的吸附自发性和系统的混沌程度均降低。H_(2)S与气肥煤的相互作用能为-492.47~-3 390.95 kJ/mol,以范德华能为主,占总能量的58.67%,以静电能为辅,占41.33%,随着吸附量的增加,相互作用能绝对值增加,吸附量与相互作用能的变化具有一致性。H_(2)S与羧基的相互作用最强,羟基次之,H_(2)S在—OH、—COOH、—C=O周围存在双层吸附。温度由273.15 K升至313.15 K,H_(2)S分子的扩散系数由1.066×10^(-10)m^(2)/s升至2.025×10^(-10)m^(2)/s,温度升高会导致原本闭合的孔吼孔道打开,增加裂隙的连通性,温度升高,增加H_(2)S分子平均自由程,使得H_(2)S扩散能力增强,H_(2)S扩散活化能为11.206 kJ/mol。H_(2)S相对体积分数分布呈现多峰结构,H_(2)S在气肥煤大分子模型中呈层状结构分布。H_(2)S的极限吸附热为42.898 kJ/mol,H_(2)S与煤体上—OH、—COOH、—C=O活性基团产生氢键作用,H_(2)S在吸附初期存在微弱的化学吸附。

星载微波部件微放电阈值的改进多粒子蒙特卡罗计算方法

星载微波部件的微放电效应是导致航天器谐振类设备失谐、噪声电平抬高、输出功率下降,甚至影响通信信道乃至整个微波传输系统彻底失效的瓶颈问题之一。在设计阶段对星载微波部件微放电效应进行精准的评估是减少地面反复试验,避免延误研制周期的重要手段。为了进一步改善现有蒙特卡洛方法的计算准确度问题,文中提出了一种精度更高的计算星载微波部件微放电阈值的蒙特卡罗方法,该方法对参与微放电过程的初始电子进行了动态调整,采用四阶龙格-库塔法推进微波部件中电子的运动轨迹,基于Furman模型描述电子与微波表面相互作用的二次电子发射过程,按照碰撞电子产生的实际二次电子个数及对应能量参与碰撞时刻后的微放电过程,该多粒子-多碰撞过程更加客观、准确地表征了微放电效应发生的物理过程。以平板传输线和同轴传输线为例,文中所提出的方法相对于已有的蒙特卡罗方法计算精度显著提升,同时计算效率优于商用CST的粒子模拟结果。

基于蒙特卡罗模拟优化亚胺培南-西司他丁钠的给药方案研究

目的应用蒙特卡罗模拟亚胺培南-西司他丁钠不同输注方法针对不同致病菌的最佳给药方案。方法回顾性分析某三甲医院2021年常见革兰阴性杆菌分布情况,按照2020年美国临床实验室标准化协会标准,对肺炎克雷伯菌、大肠埃希菌、铜绿假单胞菌和鲍曼不动杆菌设定均匀分布的抑菌浓度(MIC)值,确定亚胺培南-西司他丁钠8种给药方案,运用PK/PD模型进行蒙特卡罗模拟10000例患者的目标获得概率(PTA),获得最佳给药方案。结果若MIC≤2μg·mL^(-1)时,除传统输注法0.5 g q8h与1 g q8h的给药方案PTA<90%,其余给药方案PTA均>90%;当MIC≥4μg·mL^(-1)时,采用持续输注的部分给药方式仍获得较好的抗菌效果(PTA>90%),而传统输注达不到理想的抗菌疗效(PTA<90%)。结论对亚胺培南-西司他丁钠敏感的革兰阴性杆菌,采用q6h的给药方案,传统输注与持续输注都能取得理想的治疗效果,而采用q8h的给药方案,持续输注法抗菌疗效效果佳效;对亚胺培南-西司他丁钠产生耐药的革兰阴性杆菌,需采用持续输注法才能获得理想的抗菌疗效。

基于蒙特卡罗方法的煤矿爆破作业风险评估

为量化分析煤矿爆破作业各作业步骤造成的风险以及全面客观地对其进行风险评估,借助蒙特卡罗方法建立煤矿爆破作业步骤风险评估模型,对作业流程的行为风险后果值进行累积概率分布,最终依据蒙特卡罗方法模拟的均值结果和作业流程总体风险结果判定各作业步骤的风险大小和风险等级,并提出控制此类不安全行为发生的措施。结果表明:爆破作业流程风险大小顺序依次为清退物品入库、装药、连线、警戒、起爆后安全检查、领取并检查爆破物品、起爆、运送爆破物品、接受爆破任务、作业前安全检查、起爆前安全检查、封孔。

基于响应面-蒙特卡罗法的超高性能混凝土性价比研究

目前,学者对于UHPC的研究大多集中在其力学性能方面。本文以UHPC材料的性价比为研究目标,采用响应面-蒙特卡罗法构建响应面函数,并进行随机取样,研究钢纤维掺量对UHPC材料性价比的影响规律。分析了响应面-蒙特卡罗法参数的取值,发现随着钢纤维掺量的增加,UHPC材料的抗拉性价比和抗压性价比均减小。同时,得到了UHPC抗拉性价比和抗压性价比的最佳配比。

JMCT3.0蒙特卡罗质子及低能光子/电子输运功能开发及检验

高分辨率通用型三维多粒子输运蒙特卡罗软件JMCT能够模拟任意复杂几何系统的中子/光子/电子/质子/分子/光辐射/大气输运问题,支持数十万核的多级并行,已广泛用于辐射屏蔽、反应堆临界安全分析、核探测及核医学等领域。JMCT已升级到3.0版本,相比2.0版本,3.0版本新增了13项功能,改进发展了8种算法,通过对低层JCOGIN框架的优化,计算效率提高30%~600%。新功能主要用于图像诊断、闪光照相、光辐射及大气输运的模拟。JMCT3.0开发了质子、低能光子/电子及分子模拟功能,通过基准检验,验证了算法的正确有效性。

基于蒙特卡罗模拟的透射式XRD背景的定量分析

XRD背景主要来源于空气、装置和样品中光子的散射,XRD分析需准确扣除背景,常用的扣背景方法具有一定的局限。蒙特卡罗模拟可实现光子的甄别与统计,因此可将其用于XRD背景来源的定量分析。相干散射的模拟中需考虑物质的Form Factor,这可由Baró等的拟合式、独立原子模型或德拜公式给出;在20 keV能量及透射几何模式下,通过对骨、尼龙、水等物质的XRD模拟,对探测器中光子来源进行了区分和统计。结果表明,德拜公式计算的空气背景大于独立原子模型;空气散射在小角度时背景占比大,随散射角的增加从100%减小至40%以下,而样品中康普顿散射的计数占比则从0增大至60%以上。该方法可对不同样品组成以及复杂装置结构的XRD背景进行定量分析。

基于蒙特卡罗模拟的拉萨城区土壤重金属健康风险评价

由于城市化的快速发展,城区土壤中重金属(HMs)的污染问题,目前已成为环境和人类健康风险的主要问题之一.为科学地评价城区土壤重金属的健康风险,降低评价结果的不确定性,研究以拉萨城区土壤为研究对象,将蒙特卡罗模拟引入USEPA模型,构建了土壤重金属不确定性健康风险评价模型.研究表明,拉萨城区表层土壤中Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd、As、Hg的含量均值分别为20.25、66.07、35.90、17.35、22.70、0.10、25.64、0.07 mg·kg^(−1).除As和Zn外,均未超过拉萨市土壤背景值,污染负荷指数(PLI_(zone))为0.83,整体为无污染水平.健康风险评价结果表明,拉萨城区表层土壤中,HMs对儿童和成人的总致癌风险(TCR)分别为1.30×10^(−5)—7.60×10^(−5)和1.03×10^(−5)—8.15×10^(−5),处于可接受水平;总非致癌风险(HI)分别为1.82×10^(−1)—1.27和3.91×10^(−2)—3.57×10^(−1),成人均处于可接受水平,但儿童可能存在3.61%的概率高于风险阈值;其中As是最主要的风险元素,皮肤接触和经口摄入分别是成人和儿童的主要暴露途径,皮肤黏附系数和体重分别是成人和儿童的主要影响参数.该模型可有效的降低健康风险评价中的不确定性,更加精确地反映区域健康风险状况,并能获取优先控制因子和暴露途径等信息.

光子吸收剂量的蒙特卡罗计算方法研究

为了能够通过选择合适的计算方法对不同辐射情况的光子剂量进行准确有效的计算和评估,对比研究了蒙特卡罗模拟软件中常用的四种光子剂量计算方法:剂量转换系数法、发热数法、径迹长度能量沉积法和脉冲高度计数法,从计算原理出发结合仿真结果分析比较了这四种方法。通过模拟不同能量的单能光子束入射不同体积大小的水球,分析了用比释动能近似吸收剂量导致的误差,并且模拟分析了不同含量的高原子序数元素钆对于吸收剂量计算结果差异的影响。由于转换系数是根据参考人模计算得到的,因此剂量转换系数法只能对吸收剂量进行快速的估计计算,很难在特定情况下得到精准剂量;当高能量光子入射小体积物质时,比释动能会大于吸收剂量,使用发热数法和径迹长度能量沉积法会产生误差,采用脉冲高度计数法更加合适;在低能量和大体积时可以根据计算精度和计算机资源选择任意方法;当组成物质的高原子序数元素含量增多时,径迹长度能量沉积法和脉冲高度计数法之间的计算误差会减少。

混合沉积有机分子区域选择性生长的动力学蒙特卡罗模拟研究

由区域选择性生长方法(即分子在预图案表面的自组装技术)制备的有机微纳米图案有望在光电和全彩显示方面发挥巨大作用.而制备多色图案薄膜的有机器件依赖于两种及多种有机分子的成核分配,特别是混合沉积方法的应用有效提高了多色薄膜成核的效率.本文利用动力学蒙特卡罗方法研究了两种分子间的结合能强弱对混合沉积两种分子以实现相分离式生长的影响.结果表明:当分子间结合能较弱时,两种分子表现出完全不同的相分离生长行为,绝大部分的非平面和平面分子分别沉积在电极顶部和侧面;当分子间结合能较强时,电极顶部及侧面都出现了两类分子的掺杂生长,导致了分子相分离生长的失效.研究证明了分子间的结合能会影响多种有机分子选区生长分离的效果,因此混合沉积两种有机分子时,通过适当调整分子间的结合能,在电极顶部和侧面可分别获得较纯结晶的单色薄膜,从而促进了多色有机微纳米图案在微显示等领域的进一步应用.

结合源偏倚和权窗的蒙特卡罗全局减方差方法

全局计数问题在反应堆pin-by-pin模型蒙特卡罗模拟和多物理耦合计算中动态粒子输运蒙特卡罗模拟等重大研究领域中都有广泛的应用场景.大量的全局减方差算法研究立足于全局计数误差分布的展平,由此提高全局计数的整体效率.本工作针对两种高效全局减方差算法,即均匀计数密度算法(属于源偏倚算法的一种)和权窗算法的结合展开研究,提出利用均匀计数密度算法的偏倚因子调整权窗下限,由此实现两种算法的有机结合.基于Hoogenboom-Martin压水堆全堆基准题中开展了一系列对比测试,验证了混合全局减方差算法更优于单一权窗算法或均匀计数密度算法,尤其是在降低最大误差方面.同时,基于新的指标,验证了均匀计数密度算法较经典的均匀裂变源算法具有更好的表现.研究结果表明,本文提出的混合全局减方差算法能高效求解全局计数问题,进一步促进了相关领域的研究.

基于碎片云运动模型的缓发γ射线电离大气蒙特卡罗模拟

高空核爆炸碎片云释放出的缓发γ射线在高空非均匀大气的输运过程中电离大气,使得电离层中电子数密度剧增,进而影响途经电离层的无线电通信链路。为了准确描述随时空演化的缓发γ射线源电离大气过程,首先建立高空核爆炸碎片云运动演化的流体力学模型,然后根据碎片云参数建立缓发γ射线分层等效体源模型,最后采用蒙特卡罗方法模拟缓发γ射线在高空大气中输运并电离大气的过程。针对碎片云形状时空演化特性,采用辐射源分层抽样的方法得到缓发γ射线初始位置;针对大气密度随高度指数衰减的特性,采用质量厚度抽样方法简化模型、提升效率。结果表明:碎片云形状对缓发γ射线电离大气的范围和强度存在明显影响。兆吨级高空核爆炸缓发γ射线电离大气范围可达千公里以上。当爆高不变而当量增加时,碎片云高度和水平半径增大,缓发γ射线电离大气范围和强度增大。保持当量不变而增加爆高时,碎片云高度和水平半径增大,缓发γ射线电离大气范围增大,但强度有所降低。

SPEEDO:一款快速准确的碳离子蒙特卡罗剂量计算程序

目的:开发一款用于碳离子治疗的快速准确的蒙特卡罗程序SPEEDO。方法:对于电磁过程,采用连续慢化近似的II类浓缩历史模拟方案,模拟能量歧离、射程歧离、多重散射和电离过程。对于核相互作用,本研究考虑5种靶核:氢、碳、氮、氧和钙。产生的次级带电粒子遵循同样的浓缩历史框架。本研究模拟碳离子在4种材料(水、软组织、肺和骨头)中的输运过程,并将计算的剂量结果与放射治疗物理专用蒙特卡罗模拟软件TOPAS进行对比验证,最后与在武威重离子治疗中心医用重离子加速器示范装置(HIMM-WW)上测得的水箱剂量进行对比。结果:SPEEDO的模拟结果与TOPAS具有良好的一致性。对于每种材料在物理剂量大于其体素最大剂量点10%的体素区域,两者的相对最大剂量平均误差均小于2%。在治疗能量为400 MeV/u时,SPEEDO的计算时间(13.8 min)明显小于TOPAS的计算时间(105.0 min)。SPEEDO的计算结果与HIMM-WW的测量值在横向剂量分布和积分剂量深度曲线方面展现出良好的一致性。结论:SPEEDO程序可以准确快速地实现碳离子的蒙特卡罗剂量计算。

耦合变密度地下水流降阶模型与高斯过程的蒙特卡罗模拟

变密度地下水流系统受水力梯度和密度梯度共同驱动,非线性强,数值模型计算量大,尤其在开展不确定性分析时需要的计算成本很高。常规的数据驱动机器学习方法只能对点监测信息进行模拟分析,不能模拟整个地下水流系统。本研究发展了变密度地下水流降阶模型,利用高斯过程模型对降阶模型的数值误差进行修正组成耦合模型。耦合模型既能克服高斯过程只能模拟有限监测点信息的缺陷,又能提高降阶模型对监测点信息的模拟精度。考虑二维剖面变密度地下水流案例,将渗透系数场设定为空间随机变量,采用基于全阶模型(FSMC)、降阶模型(ROMC)和耦合模型(GP-ROMC)3种蒙特卡罗模拟方法进行不确定分析。研究结果表明:(1)ROMC能替代FSMC开展不确定性分析;(2)水头和盐度的平均相对二范误差与降阶模型维度的关系可用指数函数描述(决定性系数R2≥0.99);(3)GP-ROMC对监测点信息的模拟精度比ROMC高,GP-ROMC可有效修正降阶模型误差提高蒙特卡罗模拟的精度。研究成果可为地下水建模、不确定性分析、风险评估及参数反演等工作提供重要技术支撑。

混合颗粒系蒙特卡罗消光模型及反演方法

在单一颗粒系中,消光光谱法颗粒粒径测量模型通常基于Mie散射理论和Lambert-Beer(LB)定律。但多种颗粒物构成的混合颗粒系的消光特性更为复杂,颗粒粒径与混合比均会影响消光谱,需要发展新的理论模型。作者设计一种蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)原理的混合颗粒系消光模型,将入射光束离散化成光子,通过追踪其从发射至接收/逃逸过程中所有事件,统计光子去向并研究混合颗粒系的消光特性。为了验证蒙特卡罗模型的准确性,分别对聚苯乙烯和玻璃微珠单一颗粒系中消光谱进行数值计算,结果与Lambert-Beer定律预测误差小于2%。进一步将模型扩展至由聚苯乙烯和玻璃微珠构成的混合颗粒系,其消光谱随玻璃微珠占比(混合比)增大而依次递增,直至混合比为1时退化为单一颗粒系,而波长减小时,消光随混合比变化趋势由线性向非线性转变,两种颗粒自身消光特性差异越大则非线性趋势越明显,说明混合系消光值由颗粒类型、混合比、颗粒粒径和光波长共同决定且相互耦合。根据预测消光谱,采用三种全局最优算法对混合颗粒粒径和混合比参数反演。结果表明:混合比单参数反演结果的误差最小,均在1.5%以内;对两种颗粒粒径进行双参数反演时,误差均在3%以内;对两种粒径和混合比进行三参数同步反演时,误差增大,但均在10%以内。综合分析三种反演算法,PSO算法耗费时间最长,是其他算法的数倍,IGA算法效果较好且更加稳定。初步验证了设计的蒙特卡罗模型可应用于混合颗粒系的消光谱预测,实现了两种颗粒粒径与颗粒系混合比的同步反演。

X射线密度测井屏蔽体的蒙特卡罗模拟研究

密度测井中使用可控X射线源替代137Cs放射源已经成为新的趋势。X射线源强度受靶基上高压影响较大,当高压为350 kV时,密度测量不确定度可以保持在0.01 g·cm-3。为探究适用于350 kV高压X射线密度测井仪器的屏蔽体材料及厚度等参数,利用蒙特卡罗方法研究了X射线穿过不同材料与厚度后的能谱及计数率;并且通过对0~0.15 MeV、0.15~0.35 MeV两个能窗相关响应关系的对比,分析了不同能窗中X射线衰减与探测器计数率差异的原因。另外结合四探测器X射线密度测井仪器实际结构,主要考虑了三部分粒子对探测器的影响,并通过MCNP模拟分析并设计了各部分屏蔽体的放置方式及最佳厚度。研究表明:X射线的衰减无论在高能窗还是低能窗,都随着屏蔽材料原子序数及厚度而增大。选择钨镍铁合金为四探测器X射线密度测井仪器模型的屏蔽材料;在基座与近源距探测器之间设置的屏蔽体厚度为1.75 cm,每个探测器之间放置厚度为0.2 cm的屏蔽体,探测器背部增加0.35 cm厚度的屏蔽体。本研究为X射线密度测井仪研制中的屏蔽材料和结构提供了设计理论和关键参数。

基于蒙特卡罗模型的高浓度浆液细度在线测量

近年来颗粒粒径测量问题受到了国内外的广泛研究。针对燃煤电厂高浓度脱硫石灰石浆液细度在线测量,将基于蒙特卡罗方法的声衰减模型拓展至高浓度范围,高浓度蒙特卡罗模型(HC-MCM)预测衰减系数与实验测量值相吻合。构建HC-MCM矩阵用于颗粒粒径分布的反演可减小计算时间,且差分进化算法的计算结果与设定粒径和分布宽度的相对误差小于1%。搭建基于透射和反射法的双模式超声检测装置并开发软件测量系统,加工适用于高浓度浆液细度测量的透射传感器和超声探针,依托燃煤电厂完成长达168 h的浆液细度在线测量实验。结果表明,两种模式超声衰减谱的变化趋势和数值大小基本吻合。粒径分布参数D_(V50)与激光粒度仪测量结果的相对误差小于8%,其粒径分布满足燃煤电厂成品石灰石浆液的细度要求。

基于蒙特卡罗方法的混凝土屋面工程防水失效概率算法

工程防水适合采用失效概率作为量化指标,以科学选材,判断构造的合理性和适应性。结合工程防水中材料变形量计算的可行性,变形区间、协同作用的不确定性,引入蒙特卡罗方法建立的防水失效概率计算方法,可建立相对客观的算法,在此基础上对量化结果进行对比,可得出相对客观的结论。

质子治疗对细胞自由基产额影响的蒙特卡罗模拟计算

随着质子FLASH治疗等新兴放疗技术的发展,细胞受辐照后生物学效应的不确定性成为急需解决的难题。由于缺乏对物理-化学阶段机理的完整理解,目前的模拟工作仍然以调整化学参数使自由基产额与实验数据相匹配为主。作为一个不断发展的蒙特卡罗软件,Geant4能够在纳米尺度上模拟入射粒子在短时间内通过物理和化学相互作用引起水分子辐解的过程。基于Geant4软件构建了一个简易的细胞模型,模拟了细胞靶体内自由基产额受辐射粒子影响的情况,并对靶内自由基产额的变化趋势进行了详细计算。研究表明,随着LET的逐渐增大,自由基OH^(·)的数目占比从25%下降到10%左右。当考虑质子FLASH透射治疗时,使用25%的自由基OH^(·)数目占比作为化学损伤参数去评估细胞DNA损伤将会更为合理。同时,两种活性氧自由基O_(2)^(·)和O_(2)^(-)在超高剂量率下的产额G(t)随模拟时间的发展都出现了不同程度的升高。研究结果阐明了不同治疗深度下细胞靶体内自由基产额随时间和粒子能量的变化情况,揭示了模拟工作中质子FLASH治疗在布拉格峰区和坪区应该采用不同的化学损伤参数。