基于神经网络的粒子输运问题高效计算方法

蒙特卡罗方法是求解粒子输运问题的有力工具之一,其局限性在于为达到精度要求需模拟大量粒子,计算耗时长,这阻碍了该方法的进一步应用,尤其在需快速响应的情形.本文结合神经网络和若干蒙特卡罗方法基本原理发展了一种计算方法,能够实现源分布可变,几何、材料和目标计数不变的中子输运问题的快速准确求解.首先,为高效生成用于神经网络训练的数据,利用重要性原理实现在同样模拟次数基础上有效扩充训练数据集容量,在一定程度上克服了使用蒙特卡罗计算获取训练数据耗时长的缺点.进而,基于目标计数是源分布与重要性函数乘积积分的事实,设计了利用神经网络实现快速输运计算的策略.该网络的输入是中子源项,输出是目标计数,在几何、材料和目标计数固定的情况下,该神经网络可重复使用,根据新的源项快速准确得到目标计数.本文所提出方法的原理和框架同样适用于其他种类粒子的同类型输运问题.基于若干基准模型的验证表明,训练得到的神经网络能在不到1 s的时间内得到目标计数,且与蒙特卡罗大样本模拟得到基准结果的平均相对偏差均低于5%.

基于快中子伴随α粒子方法的爆炸物检测技术的蒙特卡罗方法模拟

基于快中子伴随α粒子方法的爆炸物检测技术是一种可有效探测隐藏爆炸物的中子探测技术。利用蒙特卡罗Geant4程序模拟计算石墨、水、TNT样品前有、无墙体两种情况在14 MeV中子作用下产生的γ射线在探测器内的能量沉积谱和飞行时间谱,通过对飞行时间谱的分析表明,选取适当的时间窗可在一定程度上抑制探测器上的本底信号。

蒙特卡罗粒子输运问题的全局降方差方法

精确获得中子通量的时间-空间-能量精细分布对于一类非定常粒子输运蒙特卡罗模拟至关重要.以零方差理论为基础,采取化整为零的策略,把蒙特卡罗方法与离散纵标方法相耦合,用近似重要函数指导蒙特卡罗模拟,给出一种实现蒙特卡罗全局降方差的计算方案.数值算例表明,该计算方案获得了全局降方差的效果.

基于蒙特卡罗方法的α粒子细胞S值计算

在放射性免疫治疗以及硼中子俘获治疗(BNCT)等放射性治疗过程中,α粒子通过与人体组织材料相互作用产生次级δ电子将能量传递给人体组织,放射性核素在细胞尺度分布的不均匀性将严重影响靶区剂量分布。为深入了解放射性核素在细胞中不同位置分布对靶区剂量影响,采用基于历史凝聚算法的Monte Carlo工具包Geant4编写了细胞S值计算程序。计算了2种细胞尺寸,12种α粒子能量,3种源分布方式的细胞S值,与医学内照射剂量(MIRD)委员会解析算法的计算结果进行对比,发现两者差异在1%以内。证明了Geant4在μm尺度下细胞剂量计算的可行性,并对BNCT治疗过程中产生的α粒子(1.47MeV与1.78MeV)的细胞S值进行计算。

基于CAD邻居列表和包围盒的蒙特卡罗粒子输运几何跟踪加速方法研究

几何跟踪主要进行蒙特卡罗粒子输运计算中粒子位置和径迹长度的计算，它是蒙特卡罗粒子输运计算的关键技术之一。由于聚变堆几何结构极其复杂，使得几何跟踪在整个蒙特卡罗粒子输运计算中占据30％~80％的计算时间，因此几何跟踪方法的效率是决定聚变堆蒙特卡罗粒子输运计算效率的重要因素之一。本文提出了基于CAD的邻居列表和包围盒加速方法，并基于 FDS 团队自主研发的超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统 SuperMC进行实现。利用聚变堆 FDS-Ⅱ和 ITER模型对本文方法进行了数值验证，测试结果表明本文方法不影响计算结果，并能使程序计算效率提高50％~60％，证明了本文方法的正确性和有效性。

基于多重蒙特卡罗方法的核爆放射性粒子形成模拟研究

建立核爆火球中放射性粒子的形成模型,用多重蒙特卡罗方法求解通用动力学方程,模拟核爆炸火球中成核、冷凝和凝并作用下放射性粒子的形成演变过程。初步的计算结果与相关研究者的理论分析和试验采样数据对照比较差别很小,说明了模型的合理性和方法的可行性。为进一步完善模型和参数研究打下基础。

基于粒子群-蒙特卡罗的PDF形状控制策略

针对传统随机控制方法不能控制随机变量的高阶矩问题,提出一种基于粒子群-蒙特卡罗的概率密度函数(Probability Density Function,PDF)形状控制策略。通过设计多项式控制器和积分形式的目标函数,将PDF形状控制问题转化为控制器增益的优化问题。采用粒子群算法优化PDF形状控制器的增益,同时引入蒙特卡罗方法求解定积分形式的目标函数,使得非线性随机系统状态变量的PDF形状与期望的PDF形状一致。实验结果表明,该控制策略能够解决PDF的形状控制问题,而且缩短了粒子群算法的计算时间,提升了粒子群算法在PDF形状控制器增益中的优化性能。

面向天河2A系统的基于蒙特卡罗方法的粒子输运异构协同计算

粒子输运模拟在核科学领域、医疗放射治疗领域中占有重要的地位。基于MC方法设计和开发了面向天河2A系统的粒子输运异构协同算法;基于天河2A系统的异构通信模式BCL和ACL,提出了一种CPU与加速器Matrix2000之间的简单高效的对称通信模式;在Matrix2000加速器端,通过OpenMP指令开发程序的线程级并行;优化了原MC程序串行数据收集通信模式,提出了新的二叉树通信模式,极大地减少了通信时间。实现的基于CPU/Matrix2000异构协同计算的并行程序,在天河2A系统上进行测试,大规模测试可以扩展到45万核,相对5万核并行效率保持在22.54%。

蒙特卡罗粒子输运程序JMCT研制

介绍了具有自主知识产权的蒙特卡罗(MC)粒子输运程序JMCT的初步研制成果。JMCT基于三维组合几何支撑软件框架JCOGIN,采用模块化,分成多层管理结构,可处理多群碰撞和连续能量碰撞,可进行粒子并行和区域分解并行两种并行方法,并具有良好的可扩展性和高速通信技术,同时配有可视化建模前处理软件。介绍了JMCT采用的多群物质碰撞机制,展示了程序模拟计算测试模型的结果,与MCNP程序计算结果一致。JMCT串行计算速度相比MCNP提高了约3倍;在20 480个处理器核上模拟2×109样本,并行效率可达70%。

基于蒙特卡罗方法的烟幕透过率计算与分析

烟幕透过率是表征烟幕干扰性能的重要参数。以等效粒径为0.1μm的石墨为例,就不同形状的石墨粒子组成的烟幕,基于蒙特卡罗方法对烟幕透过率进行了数值计算。利用Mie散射理论和离散偶极子近似(DDA)方法分别计算了球形粒子、椭球形粒子和圆柱形粒子对1.06μm波长的入射光单次散射的消光参量。对于入射光在烟幕中的传输,建立了蒙特卡罗模拟计算模型,利用MATLAB语言编制了相应的计算程序,给出了不同纵横比的椭球形粒子和圆柱形粒子相应的烟幕透过率计算结果,并和等体积球粒子相应的烟幕透过率进行了比较分析。结果表明:透过率与烟幕中粒子形状、粒子数密度、入射光的入射角度及烟幕厚度有关,粒子形状越偏离球形,对应透过率越小。

蒙特卡罗方法计算介质对窄束γ射线的质量衰减系数

根据γ光子与物质的作用机理,对γ光子在介质中反应轨迹进行抽样跟踪,以此建立基于蒙特卡罗方法的粒子输运数学模型。利用虚拟仪器开发工具LabWindows/CVI编制软件模拟γ光子在介质中的输运过程,根据粒子出射率及对应的吸收介质厚度,计算介质对窄束γ射线的质量衰减系数。结果显示用蒙特卡罗方法计算介质对窄束γ射线的质量衰减系数是可行的。

用蒙特-卡罗方法计算大气点扩散函数

大气效应的纠正是一个仍未被彻底解决的定量遥感问题，随着遥感器空间分辨率的不断提高，各种斜视星载遥感器的不断涌现，寻找交叉辐射项的修正方法日显迫切，该文应用蒙特卡罗（ＭＣ） 方法求得不同大气条件下的点扩散函数图形，结果显示：（１） 大气状况对点扩散函数的形状、目标像元的贡献率有不可忽略的影响；（２） 一次散射的假定将导致夸大背景像元的贡献率，其绝对误差最大可达７ ％ ，其相对误差最大可达４０ ％ ；（３） 斜视条件下与传感器同侧的像元贡献率最大，对侧像元的贡献率最小，其间的过渡曲线形状决定于传感器斜视角度与气溶胶尺度谱，而与入射辐射波长和大气能见度无关。

蒙特卡罗粒子输运软件JMCT抽样工具库设计

为通用型蒙特卡罗粒子输运程序JMCT设计了抽样工具库,通过两种技术途径提供各分布的抽样。一是针对各种常见分布提供特定抽样子程序;二是提供一个通用型的抽样子程序,可以实现任意离散分布和任意一维有限区间上连续分布的自动抽样。在设计任意一维有限区间上连续分布的自动抽样工具时利用了部分开源代码,利用其功能提供给用户最大的方便性。对抽样工具库的检验表明,其可以正确、方便地实现各种输运模拟中常见分布的抽样。

基于蒙特卡罗方法的目标跟踪

为了更鲁棒和快速地进行目标跟踪,在基于粒子滤波的目标跟踪方法的启发下,提出了一种新的基于蒙特卡罗方法的目标跟踪方法。该方法首先运用蒙特卡罗技术对下一帧目标可能出现的位置和尺度进行抽样;然后计算各抽样与参考目标的相似度;最后通过估计目标状态来获得跟踪目标。实验表明,该方法无需目标运动信息,特别适用于目标灵活运动时的跟踪,与现有的算法相比,不仅算法实现简单,同时有较好的鲁棒性和通用性。

非均匀大气中γ射线输运的蒙特卡罗模拟方法

γ射线在高空大气中的输运问题常采用蒙特卡罗方法进行模拟,但由于大气是非均匀连续介质,通常需要根据高度上的密度变化将大气进行分层处理.高空大气密度变化非常剧烈,精细的分层会带来很大的计算量.针对非均匀连续介质中的粒子输运问题,利用质量距离抽样方法代替传统的步长抽样方法,提出一种可直接模拟粒子在非均匀连续介质中输运的蒙特卡罗方法,实现γ射线在非均匀大气中输运的蒙特卡罗模拟,并与MCNP程序的计算结果进行比较,结果符合较好.

一种新的基于序列蒙特卡罗方法的符号检测器

在衰落信道下检测传输符号是序列蒙特卡罗方法在通信领域中的一个重要应用。由于在序列蒙特卡罗方法中重要函数的选择直接会影响系统性能,针对这一问题,提出了一种新的混合重要函数,较大幅度提高了衰落信道下传输符号的检测水平,仿真结果也证实了这种新检测器的有效性。

蒙特卡罗方法在数学建模中的应用

蒙特卡罗方法是一个以概率模型为基础,利用计算机通过多次反复模拟实验完成问题求解的一种数值计算方法。它特别适用于用传统的解析法难以解决甚至是无法解决的问题。文章主要介绍蒙特卡罗方法及基本原理,并通过实例说明蒙特卡罗方法在数学建模中的应用。

基于蒙特卡罗粒子定位的堆外探测器响应研究

通过堆外探测器的读数反演堆芯内的通量分布情况,通常需了解堆芯内各部分对探测器的贡献度。本文介绍了一种新方法来研究堆芯内各部分对探测器的贡献情况,通过编写蒙特卡罗程序实现中子输运模拟过程中记录中子的产生位置和反应位置,从而在进行探测器响应模拟时记录探测器吸收的中子的来源分布情况,得到堆芯内各处对探测器计数的贡献度。研究结果表明,探测器吸收的中子主要来自靠近探测器的3层组件,因此这3层组件中的通量对堆外探测器的计数影响最大。最外层组件、次外层组件和第3层组件对探测器的贡献度分别约为77%、20%、3%,该结果受通量分布影响较小,说明空间效应在各组件对探测器的贡献度问题中占主要作用。

纳米粒子对无定形聚乙烯网络中链形变与增强作用的蒙特卡罗（Monte Carlo）模拟（Polymer

对于球形填料粒子以立方晶格排列或在空间中无规排列两种情况下对无定形PE网络的增强作用进行了模拟。首先着眼于粒子排列类型对聚合物链的微观性质的影响上，具体地说，用蒙特卡罗旋转异构态模拟方法(MC—RIS)来预测由于填料粒子的体积排除效应导致的链构象分布函数的变化以及由于这些变化导致的复合物弹性性能的变化。

空间辐射环境及人体剂量蒙特卡罗模拟

针对空间辐射环境进行了理论分析,并使用蒙特卡罗方法,对银河宇宙射线及典型太阳质子事件进行了模拟。通过分析常规屏蔽对空间辐射场及人体剂量的影响、屏蔽下的次级粒子产额等,验证了蒙特卡罗工具包Geant4应用于空间辐射防护研究的准确性。模拟发现:在常规屏蔽厚度的情况下,对于太阳质子事件,由于其能量主要分布在低能量段(100MeV以下),屏蔽效果随屏蔽厚度的增加明显增大,1g/cm2 Al等效厚度屏蔽皮肤剂量可降低至其初始剂量值的8%左右,10g/cm2 Al等效厚度的屏蔽可降低至初始剂量值的0.48%左右;而对于银河宇宙射线,由于其平均能量较高,屏蔽层的屏蔽作用并不明显,在浅层组织剂量甚至有所增加。